[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

说明书

本发明公开了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。将页岩柱塞样放入岩心夹持器中，施加等于平均应力的恒定围压，通过增压泵将等于地层孔隙压力的甲烷气体注入岩心，待甲烷吸附平衡后，通过岩心出口端的回压阀调整孔隙压力，模拟页岩气开采过程中，由于地层孔隙压力衰减而引发的页岩基块孔喉系统应力敏感性。基于页岩储层微观孔隙结构和气体赋存特征，并通过监测实验过程中岩心两端压力变化，获得压力衰减数据，计算不同孔隙压力下甲烷扩散系数，定量评价地层孔隙压力衰竭对页岩甲烷传输能力的影响。本发明真实模拟页岩地层压力衰减过程中的扩散系数随有效应力变化的行为，为准确预测页岩气井产能和优化开发方案提供基础数据。

技术领域

本发明涉及石油与天然气工程技术领域，特别涉及页岩气开发技术领域，具体是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。

背景技术

页岩气是主要的非常规天然气资源之一。与常规气藏不同，由于页岩中的微纳孔缝十分发育，页岩气藏在孔缝结构上具有更为明显的多尺度性，使得页岩气产出属于跨越多种尺度、历经多种传质的复杂过程。

页岩中富含大量的吸附气。以1990年代开发的美国五大页岩气藏为例，其吸附气平均占比为20％～85％。当地层降至临界解吸压力后即会发生吸附气大量解吸并成为供给气源。相关研究已证实，页岩有机质的力学强度较弱，当有效应力增大时，气体的输运通道极容易发生变形，同时，吸附层厚度的变化对于基质渗透性的影响非常显著，并且当页岩基质中的吸附气解吸后，其岩石力学性质也会发生相应变化。因此，随着页岩气开采过程所伴随的地层压力衰减，基质中吸附气解吸和扩散对于地层压力衰减的响应会愈发明显。

岩石的应力敏感性是指岩石的渗流能力随有效应力变化而变化的特征，目前针对页岩应力敏感性的评价是基于裂缝渗透率对有效应力变化的响应特征进行表征的，并没有专门针对基块孔隙应力敏感性的实验方法。页岩基质中的气体传输主要是通过吸附气解吸和扩散的方式进行的，尤其到气藏开采的中后期，其受到应力敏感性的影响不可忽略。

通常页岩应力敏感性实验是在一定微小孔隙压力条件下，通过改变围压来改变有效应力的，而在气藏实际开采过程中，则是通过平均应力恒定，地层孔隙压力不断降低从而导致有效应力不断增大的。因而传统的应力敏感实验方法无法真实还原页岩地层孔隙压力衰减对实验结果的影响。

常规吸附/解吸测试扩散系数实验通过分析吸附量与浓度或压强变化的对应曲线计算扩散系数，能充分反应甲烷气体在岩石内部吸附/解吸和扩散的过程。但常规吸附/解吸实验也存在以下不足：①通常选取粉状样品开展吸附/解吸实验，表征的样品尺度较小，并不能表征甲烷扩散系数受样品尺寸大小的影响，无法真实反映页岩气产出过程中跨越多种尺度、历经多种传质的系列过程；②粉状样品制样过程复杂，且无法承压，因此不能用于表征页岩基质应力敏感性对吸附/解吸和扩散能力的影响。

常规吸附/解吸实验是通过甲烷吸附来表征不同孔隙压力条件下的吸附、扩散能力，而在实际页岩气井生产过程中，则是吸附气不断解吸、扩散的过程。

常规吸附/解吸实验在每次实验结束后，都需要将实验气体排出，重新抽真空并设置压力，实验过程较为复杂繁琐，无法真实还原生产过程中孔隙压力持续降低这一过程，且造成了一定资源浪费，同时，将甲烷直接排到大气中也不符合绿色环保的理念，且具有一定危险性。

因此，面对现有实验的不足，亟需通过改进实验方法，测试孔隙压力逐级降低条件下的页岩基质甲烷吸附气量和扩散系数，从而模拟真实地层条件下页岩气开采过程中，伴随地层压力衰减，基质吸附气解吸和扩散能力的变化，探索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。

发明内容