[发明专利]一种基于气体扩散系数的页岩储层应力敏感实验评价方法

权利要求书

1.一种基于气体扩散系数的页岩储层应力敏感实验评价方法，其特征在于，所采用的实验装置包括气源、中间容器一、岩心夹持器、回压阀、增压泵一、增压泵二、若干控制阀门、管线、围压泵、真空泵、中间容器二、计算机、恒温系统；气源通过管线依次连接到增压泵二、岩心夹持器、回压阀，在岩心夹持器中部侧面设有围压泵；

采用上述装置进行实验，具体包括以下步骤：

步骤S10.按照SYT5358-2010岩样制备方法制备页岩柱塞样；首先采用氮气钻取并切割直径为25.0mm、长度为30.0-40.0mm的页岩柱塞样，然后将岩样放入60℃的烘箱中，每隔24h将岩样取出并称重，直至相邻两次质量变化小于1.0％，认为岩样充分烘干；

步骤S20.将孔隙度为0的钢质柱塞放入岩心夹持器中，通过恒温系统维持稳定的温度环境；待系统内温度稳定后，通过围压泵向钢质柱塞施加一定的围压，标定管线7、钢质柱塞断面至控制阀七29和控制阀八30间的全部空间体积V_D，标定方法为：打开控制阀十33，启动真空泵对系统内部抽真空24h，关闭控制阀十33，关闭真空泵；打开控制阀二16、控制阀九31，通过增压泵二32向体积为V_R的中间容器一3中注入氦气；待到达额定压力且稳定后，记录压力P₁，关闭控制阀九31，关闭增压泵二32；打开控制阀八30，将中间容器一3与岩心夹持器连接，待压力稳定后，记录此时的压力P₂；根据下列方程可求得管线7、钢质柱塞断面至控制阀七29和控制阀八30间的全部空间体积V_D；

式中V_D—管线7、钢质柱塞断面至控制阀七29和控制阀八30间的全部空间体积，cm³；

V_R—标准容器体积，cm³；

Z₁、Z₂—分别为压力P₁、P₂下氦气的偏差因子，无因次；

步骤S30.将页岩柱塞样放入岩心夹持器中，通过恒温系统维持稳定的温度环境，通过围压泵向岩心施加恒定围压；打开控制阀十33，启动真空泵对实验系统内部抽真空24h，关闭控制阀十33，关闭真空泵；

所述温度为设定的储层温度；所述围压为设定的平均应力；

步骤S40.通过增压泵二32向中间容器一3中注入甲烷，待到达额定压力且稳定后，关闭控制阀九31，关闭增压泵二32；打开控制阀八30，将中间容器一3与岩心夹持器连通，待压力瞬间平衡后，关闭控制阀八30，记录此时压力传感器5的压力值为P₃；通过压力传感器和计算机记录甲烷在岩样流动过程中的气体压力衰减数据，待系统压力12h内降低小于1KPa，且实验时间不少于120h，认为气体压力已达到平衡，记录此时压力传感器5的压力值为P₄；

所述甲烷气体压力略高于孔隙压力；

步骤S50.通过增压泵一19向回压阀设置压力；打开控制阀四21、控制阀七29，将多余气体排至中间容器二11中，关闭控制阀七29，记录此时压力传感器5的压力值为P₅，通过压力传感器5和计算机记录甲烷在岩样流动过程中的解吸数据，待系统压力12h内上升小于1KPa，且实验时间不少于120h，认为气体压力再次达到平衡；记录此时压力传感器5的压力值为P₆；重复上述实验直至压力降至废弃压力，在系统末端设置中间容器二11回收实验使用后的甲烷气体；

所述回压阀压力值略低于设定的孔隙压力，每次设定的回压阀压力值均需要低于上次设定值；

步骤S60.在甲烷吸附解吸实验过程中，甲烷向岩样中流动，根据物质平衡和气体状态方程，可将实验测得的压力随时间变化关系转化为进入岩心且被吸附的甲烷质量随时间变化的关系：

式中M_t—时刻t岩心的甲烷吸附质量，g；

t—时间，s；

V_gc—气体腔室体积，cm³；

V_p—岩心孔隙体积，cm³；

R—气体常数，8.314J/(mol·K)；

M—气体摩尔质量，g/mol；

p_ini—初始状态下的气体压力，MPa；

T_ini—初始状态下的气体温度，K；

Z_ini—初始状态下的气体压缩系数，无量纲；

p(t)—时刻t的气体压力，MPa；

T(t)—时刻t的气体温度，K；

Z(t)—时刻t的气体压缩系数，无量纲；

步骤S70.根据页岩中吸附气的赋存特征，将页岩中的吸附气向有机质内部的扩散过程简化为一维线性扩散；根据菲克第二定律和质量守恒原理得到：

式中M_∞、M_t—平衡时刻和t时刻岩心的甲烷吸附质量，g；

D—甲烷在页岩岩心中的扩散系数，cm²/s；

h—气体能够扩散进入干酪根的平均深度，nm；

对上述方程变形取自然对数，得出下列表达式：

上式是关于时间t的一次函数，根据实验数据作方程左边与t的关系图，再线性回归的得到拟合直线的斜率l；根据如下方程即可求得某一温度压力条件下甲烷在页岩岩心中的扩散系数D：

步骤S80.依据上述实验结果，结合各评价指标对应权重，依据页岩基块应力敏感程度评价指标划分应力敏感程度，计算基于气体扩散系数的页岩储层应力敏感指数IS_SGD，计算方法如下：

其中：D_ap——页岩气藏废弃压力下的基块孔喉扩散系数；

D_Pe——页岩气藏原始地层压力下的基块孔喉扩散系数。