一种考虑多种因素的页岩气藏储量求解方法与流程

本发明属于油气田开发过程中的页岩气藏动态储量计算领域，具体为一种考虑多种因素的页岩气藏储量求解方法，在储量计算过程中提供有效指导。

背景技术：

页岩气主要以自由气、吸附气和溶解气3种形式储存在高碳泥页岩或暗色泥岩中。自由气主要分布在基质孔隙和裂缝孔隙中；吸附气主要分布在基质系统微孔隙的内表面；溶解气相对较少，且主要分布在沥青质和少量页岩油中。通常页岩气储量计算方法有3种：类比法、容积法和物质平衡法。在页岩气勘探开发过程中，储量评价十分重要，物质平衡法是目前评价页岩气藏储量的常用方法。

类比法主要用于勘探初期粗略评价页岩气藏地质储量，张金华、李宏勋等分别提出了类比法的适用条件。容积法适用于计算页岩气藏静态地质储量，徐海霞、陈元千等提出了页岩气藏地质储量的计算方法，但未考虑吸附相占据的孔隙度。ambrose等建立了考虑吸附相孔隙度页岩气藏储量计算模型，但该模型未考虑多组分吸附及溶解气。曹延宽、曲占庆等虽研究了考虑多组分吸附的页岩气藏储量，但未考虑溶解气的储量。姜瑞忠等人从分子角度推导了页岩气储量计算公式，但也只考虑了单一甲烷分子构成的吸附相储量。物质平衡法常用来计算页岩气藏动用地质储量，计算时需要大量生产数据，众多学者在采用物质平衡方程计算页岩气藏储量时，未将溶解在干酪根中的溶解气考虑在内，导致计算结果不准确。要准确地计算页岩气的储量，应该减少假设条件，建立一个无限接近真实气藏的完整理论模型。本发明建立同时考虑吸附相视孔隙度干酪根中溶解气储量、吸附相密度、基质和裂缝孔隙体积随压力变化的物质平衡方程。

技术实现要素：

本发明主要是克服现有技术中的不足之处，提出一种计算更准确的考虑多种因素的页岩气藏储量求解方法。

本发明解决上述技术问题所提供的技术方案是：一种考虑多种因素的页岩气藏储量求解方法，包括以下步骤：

步骤s100、测试、收集页岩气藏的基本参数和气藏历史生产数据；

步骤s200、考虑基质和裂缝自由气、吸附相视孔隙度、吸附相密度、吸附气临界解吸压力及吸附气解吸对基质固相产生的变形情况，修正岩石压缩系数，并同时考虑了吸附及溶解气，建立页岩气藏物质平衡方程：

式中：vp为累计产气量，10⁸m³；vm为页岩基质中自由气体积，10⁸m³；vf为裂缝中自由气储量，10⁸m³；bg为当前地层压力下气体的体积系数，m³/m³；bgi页岩气的体积系数，m³/m³；cx为修正的岩石压缩系数，mpa^-1；cw为地层水压缩系数，mpa^-1；cf为裂缝压缩系数，mpa^-1；smwi为基质中束缚水饱和度，f；sfwi为裂缝中束缚水饱和度，f；pi为气藏原始压力，mpa；pl为兰氏压力，mpa；pd为临界解吸压力，mpa；φt为基质孔隙度，f；φa为吸附相视孔隙度，f；t为气层热力学温度，k；b为吸附量等于饱和量一半时的气体压力(兰氏压力常量)，mpa^-1；p为储层压力，mpa；r为气体常数，mpa·m³/(k·kmol)；v0为气体摩尔体积,10^-3m³/mol；e为杨氏模量,mpa；ρr为干酪根的相对密度，g/m³；φads为吸附相的孔隙度，f；φorg为有机质中自由气所占据的孔隙度，f；ctoc为总有机碳含量，％；

步骤s300、根据基本参数、气藏生产数据和页岩气藏物质平衡方程得到y/m和f/m的一次线性关系，其关系曲线的斜率为页岩基质中自由气储量vm，截距为裂缝岩石中自由气储量vf；

其中y＝vpbg，m＝bg-bgi+ccfbgiδp，

δp＝pi-p，

式中：ccm为基质孔隙系统有效压缩系数，mpa^-1；ccf为裂缝系统有效压缩系数，mpa^-1；

步骤s400、最后得到页岩气藏总储量：

式中：c(pi)为原始压力下，干酪根中甲烷的溶解度，m³/m³；

进一步的技术方案是，所述气藏生产数据包括多组数据，每组数据包括地层压力p、地层压力为p时的气体体积系数bg、累计产气量vp。

进一步的技术方案是，所述步骤s200页岩气藏物质平衡方程的具体建立过程为：

步骤s201、计算当地层压力下降到p时的岩石基质及束缚水膨胀体积δvm：

式中：smwi为基质中束缚水饱和度，f；δvm基质孔隙体积减小量,10⁸m³；

步骤s202、计算当地层压力下降到p时的裂缝岩石及束缚水膨胀体积δvf：

式中：sfwi裂缝中束缚水饱和度，f；δvf裂缝孔隙体积减小量,10⁸m³；

步骤s203、当地层压力下降到p时，在地层条件下，溶解气的扩散量可由下式计算：

步骤s204、根据页岩气藏体积守恒定律可得到：

累计产气量＝基质内自由气膨胀体积+基质颗粒变形和束缚水发生弹性膨胀体积+吸附气解析出的气体体积+扩散的溶解气体积+吸附气解吸导致基质收缩增加的孔隙体积+裂缝内自由气的膨胀体积+裂缝内孔隙体积减小和束缚水膨胀体积，则页岩气藏物质平衡方程为：

本发明的有益效果是：本发明综合考虑了页岩气吸附及溶解气、基质和裂缝自由气、吸附相视孔隙度、吸附气临界解吸压力及吸附气解吸对基质产生的收缩效应，修正了岩石压缩系数，建立了一种新的页岩气藏物质平衡方程，该方程对于合理计算页岩气藏动态储量具有重要指导意义。

附图说明

图1为新、旧岩石物理模型对比图；

图2为有机质中干酪根的空间分布图；

图3为物质平衡方程储量回归图；

图4为页岩气藏储量计算流程图。

具体实施方式

下面结合实例和附图对本发明做更进一步的说明。

本发明是一种考虑多种因素的页岩气藏储量求解方法，包括以下步骤：

步骤s100、测试、收集页岩气藏的基本参数和气藏历史生产数据；所述气藏生产数据包括多组数据，每组数据包括地层压力p、地层压力为p时的气体体积系数bg、累计产气量vp。

步骤s200、考虑基质和裂缝自由气、吸附相视孔隙度、吸附相密度、吸附气临界解吸压力及吸附气解吸对基质固相产生的变形情况，修正岩石压缩系数，并同时考虑了吸附及溶解气，建立页岩气藏物质平衡方程：

式中：vp为累计产气量，10⁸m³；vm为页岩基质中自由气体积，10⁸m³；vf为裂缝中自由气储量，10⁸m³；bg为当前地层压力下气体的体积系数，m³/m³；bgi页岩气的体积系数，m³/m³；cx为修正的岩石压缩系数，mpa^-1；cw为地层水压缩系数，mpa^-1；cf为裂缝压缩系数，mpa^-1；smwi为基质中束缚水饱和度，f；sfwi为裂缝中束缚水饱和度，f；pi为气藏原始压力，mpa；pl为兰氏压力，mpa；pd为临界解吸压力，mpa；φt为基质孔隙度，f；φa为吸附相视孔隙度，f；t为气层热力学温度，k；b为吸附量等于饱和量一半时的气体压力(兰氏压力常量)，mpa^-1；p为储层压力，mpa；r为气体常数，mpa·m³/(k·kmol)；v0为气体摩尔体积,10^-3m³/mol；e为杨氏模量,mpa；ρr为干酪根的相对密度，g/m³；φads为吸附相的孔隙度，f；φorg为有机质中自由气所占据的孔隙度，f；ctoc为总有机碳含量，％；

步骤s300、根据基本参数、气藏历史生产数据和页岩气藏物质平衡方程得到y/m和f/m的一次线性关系，其关系曲线的斜率为页岩基质中自由气储量vm，截距为裂缝岩石中自由气储量vf；

其中y＝vpbg，m＝bg-bgi+ccfbgiδp，

δp＝pi-p，

式中：ccm为基质孔隙系统有效压缩系数，mpa^-1；ccf为裂缝系统有效压缩系数，

mpa^-1；

(1)式通过上述化简，可得：

根据基本参数、气藏生产数据和页岩气藏物质平衡方程得到y/m和f/m的一次线性关系，其关系曲线的斜率为页岩基质中自由气储量vm，截距为裂缝岩石中自由气储量vf；

步骤s400、最后得到页岩气藏总储量：

式中：c(pi)为原始压力下，干酪根中甲烷的溶解度，m³/m³；ctoc为总有机碳含量，％；φads为吸附相的孔隙度，f；φorg为有机质中自由气所占据的孔隙度，f；b为兰氏压力常量，mpa^-1；

由于页岩气与煤层气吸附机理相近，因此可借鉴研究煤层中吸附气的方法对页岩气藏中吸附气的机理进行分析。对于微孔类吸附，常可用langmuir等温模型处理，吸附形式：

式中：vl为兰氏体积常量，m³/t；b为吸附量等于饱和量一半时的气体压力(兰氏压力常量)，mpa^-1；p为储层压力。

微孔内壁，由于存在分子吸附层，且因这种吸附层在一般情况下可视为不流动吸附层，因此在气井打开储层的早期，自由气孔隙度比实际孔隙度小。定义被吸附气占据的吸附相视孔隙度计算式为：

式中：φa为吸附相视孔隙度，f；m为表观天然气相对分子质量，g/mol；ρs吸附相密度g/cm³；a为单位换算常数值，取1.318×10^-6；ρb为页岩岩石密度，g/cm³；

页岩气藏压力下降到p时的吸附气解吸量为：

式中：pd为临界解吸压力，mpa；φt为基质孔隙度，f；

根据bangham固体变形理论和langmuir等温吸附模型，得到吸附气解析导致岩石形变量与地层压力之间的关系：

式中：r为气体常数,mpa·m³/(k·kmol)；t为气层热力学温度,k；v0为气体摩尔体积10^-3m³/mol；δε为吸附气解吸引起的收缩基质变形程度；e为杨氏模量，mpa；pd为临界解吸压力，mpa；

随着地层压力降低，吸附气发生解吸，基质开始收缩；同时流体产出，有效应力增加，岩石的骨架体积被收缩，因此页岩基质总变形量为基质收缩形变量和岩石弹性膨胀形变量之和。即

式中：δεz为有效应力下岩石弹性膨胀和基质收缩形变量之和；cm为岩石弹性压缩系数，mpa^-1；pi为原始地层压力，mpa；

由seidle提出的孔隙度与基质形变量的关系，可得基质孔隙度与压力的表达式为:

式中：φ为变形后基质孔隙度，f；φt为基质孔隙度，f；

由压缩系数的定义可得:

联立式(9)和式(10)可得

随着地层压力的下降，岩石颗粒变形和束缚水发生弹性膨胀，则岩石基质中孔隙体积的变化值为:

地层压力下降到p时，裂缝岩石及束缚水膨胀体积为:

式中：cx修正后岩石的压缩系数，mpa^-1；cw地层水压缩系数，mpa^-1；cf裂缝压缩系数，mpa^-1；δvm基质中孔隙体积的变化量，10⁸m³；δvf裂缝孔隙体积的变化量，10⁸m³；

吸附气解吸导致的收缩基质变形程度和储层压力的关系：

式中δεd吸附气解吸导致的收缩基质变形程度；

吸附气解吸导致的基质孔隙体积的变化量为：

沥青质中甲烷溶解度的经验公式可由下式来计算，为了避免在压力较低时溶解度出现负值，在温度为25-100℃、压力为0时，溶解度也为0。

式中：b1＝-0.018931；b2＝-0.850480；b3＝827.26；b4＝-635.26

甲烷在干酪根中的溶解度和在沥青质中一样，则溶解气体积的计算公式为：

vdsk(p)＝c(p)vsk(17)

式中：vsk＝vrockvdiff；vsk为干酪根总体积，m³；

又因为总干酪根占基质的体积分数vtker可以表示成：

式中：vdiff为固体干酪根占基质总体积的体积分数，f；

干酪根的总体积为：

式中

溶解气的储量为：

式中：φads为吸附相的孔隙度，f；φorg为有机质中自由气所占据的孔隙度，f；

当地层压力下降到p时，在地层条件下，溶解气的扩散量可由下式计算：

根据体积守恒定律可得到：

累计产气量＝基质内自由气膨胀体积+基质颗粒变形和束缚水发生弹性膨胀体积+吸附气解析出的气体体积+扩散的溶解气体积+吸附气解吸导致基质收缩增加的孔隙体积+裂缝内自由气的膨胀体积+裂缝内孔隙体积减小和束缚水膨胀体积

上式为一个非线性的方程，为使其简单实用，必须进行线性化处理。

令：

δp＝pi-p，

化简得

令y＝vpbg，m＝bg-bgi+ccfbgiδp，

(23)式通过化简，可得：

根据基本参数、气藏历史生产数据和页岩气藏物质平衡方程得到y/m和f/m的线性关系，其关系曲线的斜率为页岩基质中自由气储量vm，截距为裂缝岩石中自由气储量vf；

s400、最后得到页岩气藏总储量：

上述式中：vp为累计产气量，10⁸m³；vm为页岩基质中自由气体积，10⁸m³；vf为裂缝中自由气储量，10⁸m³；bg为当前地层压力下气体的体积系数，m³/m³；bgi页岩气的体积系数，m³/m³；cx为修正的岩石压缩系数，mpa^-1；cw为地层水压缩系数，mpa^-1；cf为裂缝压缩系数，mpa^-1；smwi为基质中束缚水饱和度，f；sfwi为裂缝中束缚水饱和度，f；pi为气藏原始压力，mpa；pl为兰氏压力，mpa；pd为临界解吸压力，mpa；φt为基质孔隙度，f；φa为吸附相视孔隙度，f；t为气层热力学温度，k；b为吸附量等于饱和量一半时的气体压力(兰氏压力常量)，mpa^-1；p为储层压力，mpa；r为气体常数，mpa·m³/(k·kmol)；v0为气体摩尔体积,10^-3m³/mol；e为杨氏模量,mpa；ρr为干酪根的相对密度，g/m³；φads为吸附相的孔隙度，f；φorg为有机质中自由气所占据的孔隙度，f；ctoc为总有机碳含量，％；

实例分析

某页岩气藏的基本参数如下：pi＝24.13mpa，bgi＝4.82×10^-3m³/m³，smwi＝0.25，sfwi＝0，cm＝4.35×10^-4mpa^-1，cf＝2.0×10^-2mpa^-1，cw＝4.35×10^-2mpa^-1，φt＝0.112，vl＝11.32m³/t，b＝0.088，pl＝2.41mpa，ρsc＝7.7×10^-4g/cm³，ρs＝0.34g/cm³，ρko＝1.325g/cm³，t＝366.49k，e＝26800mpa，ρb＝2.65g/cm³，m＝20g/mol，r＝8.134×10^-3mpa·m³/(k·kmol),v0＝24.5m³/kmol，φads＝0.0023，φorg＝0.012，ctoc＝5％，假设临界解吸压力pd＝23.13mpa，生产数据如表1所示。

表1某页岩气藏生产数据

利用以上数据，采用本文推导的平衡方程进行气藏储量回归，结果如图3和表2。

表2储量计算结果10⁸m³

以上所述，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已通过上述实施例揭示，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些变动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。