GB∕T 39539-2020 页岩储层气体扩散系数的测定技术要求.pdf

书 书 书犐 犆犛 犈 中 华 人 民 共 和 国 国 家 标 准犌犅犜 页岩储层气体扩散系数的测定技术要求犜 犲 犮 犺 狀 犻 犮 犪 犾狉 犲 狇 狌 犻 狉 犲犿犲 狀 狋 狊犳 狅 狉犱 犲 狋 犲 狉犿 犻 狀 犪 狋 犻 狅 狀狅 犳犵 犪 狊犱 犻 犳 犳 狌 狊 犻 狅 狀犮 狅 犲 犳 犳 犻 犮 犻 犲 狀 狋犻 狀狊 犺 犪 犾 犲狉 犲 狊 犲 狉 狏 狅 犻 狉 发布 实施国 家 市 场 监 督 管 理 总 局国 家 标 准 化 管 理 委 员 会发 布目次前言范围规范性引用文件术语和定义方法提要仪器设备与材料样品的制备测定步骤及要求数据处理数值修约 精密度 实验结果数据附录（资料性附录）页岩储层气体扩散系数测定实验报告附录（资料性附录）扩散系数计算公式推导犌犅犜 库七七 w w w.k q q w.c o m 提供下载前言本标准按照 给出的规则起草。本标准由全国天然气标准化技术委员会（）提出并归口。本标准起草单位：中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司页岩气研究院、中国石油天然气股份有限公司勘探开发研究院、中国石化江汉油田分公司勘探开发研究院、中国石化石油工程技术研究院、中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司勘探开发研究院、中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院、中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司、中海油研究总院有限责任公司。本标准主要起草人：李武广、吴建发、胡志明、周玉萍、端祥刚、杨文新、张德良、张鉴、岳文翰、邓晓航、白玉湖、庞伟、郑强、万欢、王宇蓉、包友书。犌犅犜 库七七 w w w.k q q w.c o m 提供下载页岩储层气体扩散系数的测定技术要求范围本标准规定了页岩储层气体扩散系数测定的方法和技术要求。本标准适用于页岩储层中气体扩散系数的测定。本标准页岩储层气体扩散系数测试范围：。规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。煤的高压等温吸附试验方法 岩心分析方法术语和定义下列术语和定义适用于本文件。页岩储层气体扩散系数犵 犪 狊犱 犻 犳 犳 狌 狊 犻 狅 狀犮 狅 犲 犳 犳 犻 犮 犻 犲 狀 狋犻 狀狊 犺 犪 犾 犲狉 犲 狊 犲 狉 狏 狅 犻 狉代表页岩储层中气体扩散能力的一种物理量，单位时间内通过单位面积的气体质量。注：单位为平方厘米每秒（）。气体浓度犵 犪 狊犮 狅 狀 犮 犲 狀 狋 狉 犪 狋 犻 狅 狀单位体积页岩样品中含有气体的质量。注：单位为毫克每立方厘米（）。方法提要首先，将干燥状态或者平衡水状态的柱状页岩样品置于岩心夹持器中，向岩心中饱和气体，待岩心两端压力平衡后，打开出口端测量岩心压力、产出的气体体积、时间，然后利用 扩散理论，计算出页岩储层中甲烷气体的扩散系数。仪器设备与材料 样品制备所需仪器设备包括：钻样机；干燥箱；干燥器；犌犅犜 库七七 w w w.k q q w.c o m 提供下载 游标卡尺：精度 ；天平：感量 。扩散仪应有以下配置：岩心夹持器；液压泵：流量精度 设定值，压力精度 设定值；恒温控制系统：范围 ；温度监测系统：精度；压力监测系统：精度 满量程；气体增压系统：，精度 ；时间监测系统：精度；气体流量计：精度 满量程。所需材料包括：甲烷：纯度（体积分数）大于 ；氦气：纯度（体积分数）大于 ；硫酸钾过饱和溶液。样品的制备 页岩柱状样通过钻样机钻取页岩柱状样品，柱状样直径为、或，长度一般为直径的 倍倍，如果需要洗油，按照 的 执行，并利用游标卡尺和天平测量样品的尺寸和质量，样品基础数据参见附录的表。干燥基样品制备将样品放入干燥箱，在 条件下烘干至恒重，取出后放入干燥器内冷却至室温。平衡水基样品制备采用硫酸钾过饱和溶液平衡水基样品制备，具体步骤按照 执行。测定步骤及要求 装样将页岩样品装入岩心夹持器中，实验装置如图所示。犌犅犜 库七七 w w w.k q q w.c o m 提供下载图实验装置示意图 气密性检查 调节系统温度，使实验过程中岩心夹持器的温度稳定在测试温度，测试温度通常设定为地层温度。打开岩心夹持器入口端阀门，向样品中充入氦气，压力设置为样品最高测试压力的 倍，关闭岩心夹持器入口端阀门。采集岩心夹持器入口端和出口端的压力数据，若压力在内变化不超过总压力的，视为系统气密性良好。若气密性良好，则放空岩心夹持器中的气体，为下一步向样品中饱和气体做准备；若气密性不好，仍需放空岩心夹持器中的气体，查出漏气原因后，重复 和 步骤，直至系统气密性良好后，放空岩心夹持器中的气体，为下一步向样品中饱和气体做准备。测定条件设置 样品围压样品围压设置为岩心取样地层的上覆岩石压力，通过液压泵进行加压。饱和气体压力饱和气体压力设置为地层压力。饱和气体打开岩心夹持器入口端阀门，向样品中充入甲烷，待岩心夹持器入口端和出口端压力均为设定的压力后至少需要平衡，再关闭岩心夹持器入口端和出口端阀门。待压力平衡波动不超过，饱和结束，此时实验系统内压力为原始压力。产出气体体积测定打开岩心夹持器出口端阀门，通过气体流量计记录产出气体质量，同时记录时间及岩心夹持器入口端压力，直至累产气量进入线性增长段，记为第一产气阶段，当出口端气体速率低于 时，产出实验结束，记为第二产气阶段，以实验结束前的数据做线性拟合，拟合度大于 的数据点均属于第犌犅犜 库七七 w w w.k q q w.c o m 提供下载二阶段（参见图）。数据处理根据记录的第二产气阶段的产出气体体积和时间数据（参见表），利用式（）和式（）拟合系数犪和犫值，联立式（）、式（）和式（）求扩散系数犇，式（）、式（）和式（）的推导过程参见附录。犱犖犔犿（）犱犖 犔（）犎犇狋（）犎犔犇（犇）（）犱犖 犔（）犎犪（）犇犫（）犔（）犇（）式中：犱 岩样直径，单位为厘米（）；犖 页岩在初始吸附平衡下的气体浓度，单位为毫克每立方厘米（）；犔 岩样长度，单位为厘米（）；犿 累计产出气体质量，单位为毫克（）；系列固有值，无量纲；犇 页岩储层气体扩散系数，单位为平方厘米每秒（）；狋 为时间，单位为秒（）；流动系数，无量纲。数值修约累计产出气体质量犿，修约到小数点后位，单位为毫克（）；页岩在初始吸附平衡下的气体浓度犖，修约到小数点后 位，单位为毫克每立方厘米（）；岩样长度犔和直径犱，修约到小数点后位，单位为厘米（）；页岩储层气体扩散系数犇，修约到小数点后 位，单位为平方厘米每秒（）；系数，修约到小数点后位；系数，修约到小数点后 位。精密度实验结果的重复性限和再现性限应符合表要求。表重复性限和再现性限要求实验项目重复性限再现性限犇 实验结果数据实验结果数据参见表。犌犅犜 库七七 w w w.k q q w.c o m 提供下载附录犃（资料性附录）页岩储层气体扩散系数测定实验报告页岩储层气体扩散系数测定实验样品基础数据见表，时间与累计产出气体质量的关系曲线见图，时间和累计产出气体质量数据见表，扩散系数实验结果见表。表犃 基础数据表格式区块井号层位岩样号取样深度岩样长度岩样直径质量岩样密度（）孔隙度平衡水含量图犃 累计产出气体质量与时间关系曲线表犃 实验数据表格式时间产出气体质量累计产出气体质量岩心孔隙压力 表犃 结果数据表格式气体类型扩散系数（）犌犅犜 库七七 w w w.k q q w.c o m 提供下载附录犅（资料性附录）扩散系数计算公式推导根据 定律和质量守恒得到页岩储层气体扩散方程本构方程组见式（）：犖狋犇犖狓（狋，狓犔）犖（狓，）狓犔犖犇犖狓狓，犇犖狓狓犔犖烅烄烆（）用分离变量法求解方程组，令：犖（狓，狋）犡（狓）犜（狋）（）式中，犡（狓）和犜（狋）分别表示仅与狓有关和仅与狋有关的函数，代入方程（）中，得到式（）：犜 犇犜犡 犡（）此等式只有两边均等于常数时才成立。令此常数为，是大于的常数，则有：犜 犇犜（）犡 犡（）对于式（），有通解为式（）：犜（狋）犃犇狋（）对于式（），有通解为式（）：犡（狓）犅 （狓）犆 （狓）（）则得到犖（狓，狋）的通解为式（）：犖（狓，狋）犃犇 狋犅 （狓）犆 （狓）（）将初始条件和边界条件代入式（）求得式（）：（犔）犇（）方程式（）是一个超越方程的正解，存在着无穷多个固有值犽（犽，），故对应一系列固有函数式（）、式（）和式（）：犡犽（狓）犅犽 （犽狓）（）犜犽（狋）犃犽犇犽狋（）犖犽（狓，狋）犃犽犇犽狋犅犽 （犽狓）犌犽犇犽狋 （犽狓）（）由于方程（）是齐次的，故可利用叠加原理构造级数形式的解为式（）：犖（狓，狋）犽犌犽犇犽狋 （犽狓）（）其中，犌犽犃犽犅犽，为求系数犌犽，根据式（）初始条件得式（）：犖犽犌犽 （犽狓）（）为确定犌犽，应证明函数系犡犽 （犽狓）在，犔上正交，设固有函数犡狀和犡犿分别对应于不同狀和犿，则代入式（），整理得式（）：（狀犿）犔犡狀犡犿狓（）犌犅犜 库七七 w w w.k q q w.c o m 提供下载由于狀犿，固有函数系具有正交性，见式（）和式（）：犔犡狀犡犿狓犔 （狀狓）（犿狓）狓（）犎犽犔 犽狓（）狓犔犇（犇犽）（）在式（）两边同时乘以 （犽狓），再进行积分，利用正交性可得犌犽为式（）：犌犽犎犽犔犖 犽狓（）狓犖犎犽犽 （犽犔）（）得到页岩气浓度分布表达式为式（）：犖（狓，狋）犽犖 （犽犔）犎犽犽犇犽狋 （犽狓）（）进一步得到任意时刻累计扩散气体质量计算表达式为式（）：犿犱犖犔犱犽犖 （犽犔）犎犽犽犇犽狋（）由于式中存在因子犇犽狋，任意狋时，级数收敛，因此，取第一项，即犽时可满足要求，得式（）：犿犱犖犔犱犖 （犔）犎犇狋（）式（）两边求对数得式（）：犱犖犔犿（）犱犖 （犔）犎犇狋（）犌犅犜 库七七 w w w.k q q w.c o m 提供下载