国家标准 GB/T39539一2020 页岩储层气体扩散系数的测定技术要求 Techniealrequirementsfordeterminationofgasdiftusion coeffieientinshalereservoir 2020-11-19发布 2021-06-01实施国家市场监督管理总局发布国家标涯花警理委员会国家标准
GB/T39539一2020 目次前言范围 2 规范性引用文件 3 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 8 数据处理数值修约 0精密度 1 实验结果数据附录A(资料性附录》页岩储层气体扩散系数测定实验报告附录B(资料性附录)扩散系数计算公式推导
GB/39539一2020 前言本标准按照GB/T1.1一2009给出的规则起草本标准由全国天然气标准化技术委员会(SAC/TC244)提出并归口本标准起草单位: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、石油天然气股份有限公司勘探开发研究院、石化江汉油田分公司勘探开发研究院、石化石油工程技术研究院、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、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
GB/39539一2020 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:1.0×10enm'/s1.0×10-"em'/s 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 GB/T195602008煤的高压等温吸附试验方法 GB/T29172一2012岩心分析方法术语和定义下列术语和定义适用于本文件 3.1 sdiffusioncoefricientinshalereservoir 页岩储层气体扩散系数gas 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(cm/s) 3.2 气体浓度gasconcentration 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(mg/cm'. 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Fick扩散理论,计算出页岩储层中甲炕气体的扩散系数仪器设备与材料 5.1样品制备所需仪器设备包括: 钻样机; 干燥箱; 干燥器;
GB/T39539一2020 -游标卡尺:精度士0.002 cm 天平:感量0.0001g 5.2扩散仪应有以下配置岩心夹持器; 液压泵;流量精度士0.25%设定值,压力精度士0.25%设定值; -恒温控制系统;范围0C150C; 温度监测系统;精度士0.1; -压力监测系统:精度士0.1%满量程; 气体增压系统:0MPa一40MPa,精度士0.01MPar -时间监测系统:精度士0.ls; 气体流量计;精度士0.1%满量程 5.3所需材料包括: -甲婉:纯度(体积分数)大于99.99%; 氮气;纯度(体积分数)大于99.99%; 硫酸钾过饱和溶液 6 样品的制备 6.1页岩柱状样通过钻样机钻取页岩柱状样品,柱状样直径为2.5cm,3.8cmm或10cm,长度一般为直径的1.5倍 3倍,如果需要洗油,按照GB/T29172一2012的3.6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A的表A.1 6.2干燥基样品制备将样品放人干燥箱,在105C条件下烘干至恒重,取出后放人干燥器内冷却至室温 6.3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GB/T195602008执行测定步骤及要求 7.1装样将页岩样品装人岩心夹持器中,实验装置如图1所示
GB/39539一2020 恒温系统进气出气岩心夹持器气体流量计口端出口端网门阀门液压系图1实验装置示意图 7.2气密性检查 7.2.1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 7.2.2打开岩心夹持器人口端阀门,向样品中充人氨气,压力设置为样品最高测试压力的1.2倍,关闭岩心夹持器人口端阀门 7.2.3采集岩心夹持器人口端和出口端的压力数据,若压力在6h内变化不超过总压力的0.1%,视为系统气密性良好 7.2.4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7.2.2和7.2.3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 7.3测定条件设置 7.3.1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 7.3.2饱和气体压力饱和气体压力设置为地层压力 7.4饱和气体打开岩心夹持器人口端阀门,向样品中充人甲炕,待岩心夹持器人口端和出口端压力均为设定的压力后至少需要平衡48h,再关闭岩心夹持器人口端和出口端阀门待压力平衡波动不超过0.1%,饱和结束,此时实验系统内压力为原始压力 7.5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人口端压力,直至累产气量进人线性增长段,记为第一产气阶段,当出口端气体速率低于0.01ml/h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90%的数据点均属于第
GB/T39539一2020 二阶段(参见图A.1) 8 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A.2),利用式(1)和式(2)拟合系数 a和b值,联立式(3)式(4)和式(5)求扩散系数D,式(1),式(2)和式(5)的推导过程参见附录B. Tl2NL rdl2N sin'(入L -")= ln D入 4H Da H 号十点「xdN,sin(a;L) ln 4H入" DA O tan(L)- 5 D 式中岩样直径,单位为厘米(enm); N -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(mg/em' 3 岩样长度,单位为厘米(em); -累计产出气体质量,单位为毫克(mg); mn 系列固有值,无量纲; 页岩储层气体扩散系数,单位为平方厘米每秒enm'/s); 为时间,单位为秒(s):; 流动系数,无量纲 o 数值修约累计产出气体质量m,修约到小数点后2位,单位为毫克(mg);页岩在初始吸附平衡下的气体浓度 N ,修约到小数点后10位,单位为毫克每立方厘米(mg/cm=);岩样长度L和直径d,修约到小数点后2 位,单位为厘米(em);页岩储层气体扩散系数D,修约到小数点后10位,单位为平方厘米每秒em=/s) 系数A1,修约到小数点后2位;系数口,修约到小数点后10位 10精密度实验结果的重复性限和再现性果应符合表1要求表1重复性限和再现性限要求实验项目重复性限再现性限 10% 20% 1 实验结果数据实验结果数据参见表A.3.
GB/39539一2020 录附 A 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A.1,时间与累计产出气体质量的关系曲线见图A.1,时间和累计产出气体质量数据见表A.2,扩散系数实验结果见表A.3 表A.1基础数据表格式区块/井号层位岩样号取样深度/m 岩样长度/cm 岩样直径/em 质量/mg 岩样密度/g/cm 孔隙度平衡水含量/% 120 第一阶段第二阶段 100 80 60 40 20 50000 100000 150000 200000 250000 300000 350000 400000 时间s 图A.1累计产出气体质量与时间关系曲线表A.2实验数据表格式时间/s 产出气体质量/mg 累计产出气体质量/mmg 岩心孔隙压力/MPa 表A.3结果数据表格式气体类型扩散系数/(cm'/s)
GB/T39539一2020 录附 B 资料性附录) 扩散系数计算公式推导根据Fiek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(B.1): t0,0.rL B.1 N(.x,0) =N =N 7.2 用分离变量法求解方程组,令 N(r,)=X(r)r() (B.2 式中,X(.r)和T()分别表示仅与r有关和仅与有关的函数,代人方程(B.2)中,得到式(B.3): 禁人中中中中 B.3 此等式只有两边均等于常数时才成立令此常数为-入=,入是大于0的常数,则有: T'十入'DT=o B.4 X"十入"X=0 B.5 对于式(B.4),有通解为式(B.6) -2, T(t=Ae B.6 对于式(B.5),有通解为式(B.7) X(.r=Bcos(入.r十Csin(入.r) B.7 则得到N(.工,t)的通解为式(B.8): N(r,)=Ae [Bcos(ia)+Csin(ar门] B.8 将初始条件和边界条件代人式(B.7)求得式(B9) B.9 an(AL)= 员方程式(B.9)是一个超越方程的正解,存在着无穷多个固有值入(k=1,2,),故对应系列固有函数式(B.10)、式(B.11)和式(B.12): X,(r)=B.cos(入,r) B.10 -DM2n B.11 T,(t)=A,e -以2 -M N.r,t)=Ae 'Bcos(入r=Ge cos(入4 (B.12 由于方程(B.1)是齐次的,故可利用叠加原理构造级数形式的解为式(B.13) N.r,t (B.13 Ge-叫'cos(a;工其中,G=A×B.,为求系数G,根据式(B.1)初始条件得式(B.14) (B.14 .cos(A1工 N.-习G 为确定G,应证明函数系{X)={cos(az)在[0,L]上正交,设固有函数X 和X 分别对应于不同入和入,则代人式(B.5),整理得式(B.15): 入， =0 B.15 -jXx.山"
GB/39539一2020 由于入,入.,固有函数系具有正交性,见式(B.16)和式(B.17). x.&.山" B.16 cos(入.r)cos(入..r)dr=0 Do H cos(a,r)dr= B.17 " D 在式(B.14)两边同时乘以cos(A,r),再进行积分,利用正交性可得G，为式(B.18): N N,cos(a,r)dr一 -sin(aL B.18 H入，得到页岩气浓度分布表达式为式(B.19) N,sin(入L e-n'cos(入.r B,19 N(工,t)= 习 HA 进一步得到任意时刻累计扩散气体质量计算表达式为式(B.20): xd'N,L Nsin(a,l) 叫x习 e-D从出" B.20 1 H入2 由于式中存在因子e -叫,',任意1>0时，级数收敛,因此,取第一项,即k=1时可满足要求,得式 B.21). xd'N,L xd'N,sin(a,L) -A," B.21 -e m 4H1入i 式(B.21)两边求对数得式(B.22) rd2NL 「rdNsin(入L D;！ ln 一m=ln 4HA" B.22

页岩储层气体扩散系数的测定技术要求GB/T39539-2020

一、引言

页岩气是一种被广泛关注和开发的非常规天然气资源，其储集特点和开采技术与传统天然气有很大不同。在页岩气勘探和开发过程中，了解储层气体扩散系数的大小和分布情况对于评估储量、制定开发方案以及预测产能等方面具有重要意义。

二、GB/T39539-2020规定的测定技术要求

GB/T39539-2020规定了页岩储层气体扩散系数的测定技术要求，主要包括以下方面：

测定方法：规定了两种测定方法，即静态法和动态法。
试样制备：规定了试样的制备方法和要求，包括试样形状、尺寸、表面处理等方面。
测定条件：规定了温度、压力、相对湿度等测定条件，并对各项指标进行了具体要求。
实验数据处理和结果评定：规定了实验数据的处理方法和结果评定的标准。

三、页岩储层气体扩散系数的重要性

页岩气储藏是一种非常规天然气储藏形式，其中气体主要以吸附态方式存在。而气体在页岩储层中的运移方式受到许多因素的影响，如孔隙度、渗透率、温度、压力等。其中，储层气体扩散系数是描述气体在储层中运移能力的重要参数之一。

通过对储层气体扩散系数的测定，可以更好地了解气体在储层内的分布和运移情况，为评估储量、优化开发方案以及预测产能等方面提供依据。

四、结论

GB/T39539-2020规定了页岩储层气体扩散系数的测定技术要求，包括测定方法、试样制备、测定条件以及实验数据处理和结果评定等方面。了解储层气体扩散系数的大小和分布情况对于页岩气勘探和开发具有重要意义。