NB_T 11338-2023 页岩气 吸附气_游离气比例的确定 甲烷碳同位素定量法.docx

ICS75.020CCSE12NB中华人民共和国能源行业标准NB/T113382023页岩气吸附气/游离气比例的确定甲烷碳同位素定量法ShalegasDeterminationoftherat100fadsorbedgastofreegas一Methanecarbonisotopequantitativemethod2024-04-11实施202310Tl发布国家能源局发布目次前言II1范围12规范性引用文件13术语和定义14概述15基础资料收集26仪器设备与材料27样品采集、储存与运输28测试39吸附气/游离气比例确定4附录A（资料性）全金属取样管结构示意图5附录B（资料性）取样器示意图6附录C（资料性）生产过程井口气碳同位索取样记录表7附录D（资料性）甲烷碳同位素分析数据表8附录E（资料性）页岩气井吸附气砌离气比例确定的同位素分馆模型9本文件按照GB/T1.12020标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则的规定起草。请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。本文件由能源行业页岩气标准化技术委员会(NEATC26)提出并归口。本文件起草单位：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、东北石油大学三亚海洋油气研究院、中国石油天然气股份有限公司西南油气田分公司、中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所、苏州冠德能源科技有限公司、重庆地质矿产研究院、中国石油化工股份有限公司石油工程技术研究院有限公司、中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司中海油实验中心。本文件主要起草人：赵圣贤、刘永扬、吴建发、卢双防、郑马嘉、李容、刘勇、张鉴、李博、刘绍军、何沅翰、李文镖、张焕旭、张怦、汪威、王志战、刘江涛、蔡长宏、范明、李洋冰、胡维强、三6o页岩气吸附气/游离气比例的确定甲烷碳同位素定量法重要提示：本文件不涉及与其应用有关的所有安全问题。在使用本文件前，使用者有责任制定相应的安全和保护措施，并确定其限定的适用范围。1范围本文件规定了页岩气吸附气/游离气比例的甲烷碳同位素定量法的目标、任务、基础资料、必要的仪器设备、采集与运输方式、测试方法及技术要求。本文件适用于页岩气井不同生产阶段吸附气/游离气比例的甲烷碳同位素定量评价。2规范性引用文件下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件；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/T18340.2地质样品有机地球化学分析方法第2部分：有机质稳定碳同位素测定同位素质谱法SH/T0233液化石油气采样法SY/T5238有机物和碳酸盐岩碳、氧同位素分析方法3术语和定义下列术语和定义适用于本文件。3.1碳同位素carbonisotope原子核内质子数相同而中子数不同的碳元素的不同核素。3.2同位素分幅isotopefractionation某元素的同位素在物理、化学、生物等反应过程中以不同的比例分配于不同物质或物相之中的现象，4献页岩气的开发经历了游离气扩散、吸附气解吸和游离气动态转化再释放的过程，扩散过程中2CH4相对于3CH4具有更高的扩散速率，吸附一解吸过程中，CH4相对CH,优先吸附、滞后解吸，因此导致页岩气在生产过程中产生显著的同位素分馈，8C1值随开采时间有变重的趋势。甲烷碳同位素连续监测技术在页岩气井开发过程中的应用，可以确定页岩气井不同生产阶段产出气中吸附气/游离气动态比例，预测页岩气井后续产能衰减情况，有效指导页岩气井全生命周期产能评价和生产制度的优化，为页岩气藏有效开发提供支撑。本文件规范了页岩气气体碳同位素连续监测操作方法，明确数据质量要求，提出吸附气/游离气比例计算的应用指导方法。5三三m½M基础资料包括但不限于：一区域地质背景资料：井的相关地质资料：岩心资料：流体（油、气、水）分析化验资料；井的生产资料。6仪器设备与材料6.1 仪器设备6.1.1 现场便携式碳同位素光谱仪：a）灵敏度：S>10APaob）分辨率：mm95（10%峰谷）。6.1.2 实验室稳定同位素质谱仪：相关设备要求见GB/T18340.2与5丫/丁5238。6.2 化学试剂与材料6.2.1 二氧化碳气体，纯度不低于99.99%。6.2.2高纯空气，纯度不低于99.99%。6.2.3天然气碳氢同位素标准物质GBWo4478、GBWo4479、GBW04480或其他能够进行量值溯源的天然气碳同位素标准物质。7样品采集、储存与运输7.1 采集装置采用全金属取样管或气体取样钢瓶进行样品采集。全金属取样管结构示意见图A.1和图A.2。取样前需抽查全金属取样管或气体取样钢瓶的清洁度，腔内燃类气体及二氧化碳浓度需低于IOmg/kg。清洁度检查后将全金属取样管/气体取样钢瓶抽真空，真空度要求低于100OPaO要求气体采集压力高于0.2MPa,换算成常压后的气体体积大于60m1.。7.2 采集频率7.21 压裂返SE阶段排采初期，产气量超过500m3d开始取样，每天取一组平行样品，每组样品采集3个全金属取样管或气体取样钢瓶，且每个全金属取样管或气体取样钢瓶内的气体压力高于0.2MPao7.22 里嘀段页岩气井投产进入生产阶段后，每周采一组平行样品，连续取样监测周期不少于半年，如在生产过程中存在压裂、封井、修井等增产措施，应在采取措施前后适当增加取样频率。7.3 气样采集采用全金属取样管现场取样时，将取样器（结构示意见图B.1）进气端与采气树低压管汇（压力小于IOMPa）预留取样口连接，出气端通过两个气体阀门连接取样管形成气体通路，保持取样器压力调节阀门关闭。打开低压管汇气体阀门，缓慢打开取样器压力调节阀门，待听到明显气流哨音，保持气流冲洗20s30s,反复冲洗钢瓶45次，将钢瓶中空气完全置换。取下远端气体阀门，调节压力调节阀门使出气端压力为0.2MPa0.3MPa,充气取样。关闭取样器压力调节阀，取下近端气体阀门，完成取样。检查全金属取样管两端气门是否关闭。拧上两段保护帽，贴好标签纸，记录井号、平行样品编号、取样时间、取样人。使用气体取样钢瓶进行取样时，应采用与之配套的取样器，具体取样流程参见SH/T0233。填写取样记录表，按照时间顺序对取样管进行编号，并记录样品信息与井的生产信息，记录表具体格式见附录C。7.4 存储与运输7.4.1 存储气体采集后到送样测试前的存储过程中，应将取样管/气体取样钢瓶放置于阴凉处（环境温度宜小于30）,避免阳光暴晒，存储时间不大于20d.7.42运输运输过程中应将取样管/气体取样钢瓶放置于阴凉处，避免阳光暴晒导致密封垫圈老化，同时尽可能避免全金属取样管/气体取样钢瓶发生碰撞，以防气体泄漏。8浦试8.1 测试方法样品测试主要采取两种方法：一种是采用便携式碳同位素光谱仪架设于核心采气井场或集气站，以实现样品的快速采集与实时分析；另一种是不具备现场测试条件的，则采用室内实验室质谱分析仪器。质谱检测方法见GB/T18340.2与SY/T5238,本文件只介绍现场碳同位素光谱仪的测试流程。8.2 现场碳同位素光谱法测试程序8.2.1 样品信息记录样品分析前应在信息栏输人样品区块名称、开发层位、井号、井深、时间、序次等标识信息。&22开机碗每次样品分析前应进行510次标准物质测试，要求与天然气碳同位素国家标准物质差值小于±0.2%0o8.2.3 数据计算与导出查看测试谱图，并记录相应各峰起止位置，按对应的配置文件导出对应的测试数据。NB/T1133-2O238.24数据校正为了消除样品分析过程中因仪器状态波动所造成的系统性误差，需要对分析数据根据同时段测试的标准物质分析结果进行修正校准，校正方法见公式（1）:cu=un-(uu-u)(1)式中：u测试样品Ci、C2、C3碳同位素校正值；测试样品Ci、C2、C3本次测得的碳同位素测试值；a-gn-标准气体样品C】、G、G本次测得的碳同位素测试值;u-标准气体样品G、C2、G碳同位素标准值。8.3 测试记录对比3个平行样品的碳同位素值，排除因漏气而导致的碳同位素明显变重的样本（相对另外两个样本差值大于1%。）,取有效值的平均值作为该时间点页岩气井产气的碳同位素值。根据样品分析情况，填写甲烷碳同位素分析数据表，格式参见附录D。9吸附气/游离气比例确定9.1 根据页岩气井储层参数（储层初始压力、初始同位素值等）和工程参数（水平井长、半缝长等）建立页岩气井几何模型。9.2 建立页岩气井生产过程人工压裂缝内PH4和CH,气体流动的控制方程组，见公式（E.1）。9.3 基于Fk火扩散第二定律、多组分竞争吸附理论和1.angmiUr等温吸附方程，建立能够有效表征基质孔隙内游离态与吸附态"CH4、PH,耦合流动的控制方程组，具体表达式见公式（E2）o9.4 根据储层初始气体压力和初始气体同位素值，设定人工裂缝、基质孔隙、水平井井筒内CH和CH气体流动的初始条件，具体表达式见公式（E3）。9.5 根据实测井底流压和日产气同位素值设定人工裂缝、基质孔隙、水平井井筒内CH和CH4气体流动的边牛。9.6 在初始条件和边界条件的限制下求解人工裂缝、基质孔隙内气体流动的控制方程组，获取人工裂缝和页岩基质孔隙内QI4、CH4的压力场分布。9.7 根据求解得到的压力场分布，进一步对储层内的气体压力和覆盖率进行体积积分，可以计算得到任意时刻产出气中游离气、吸附气的含量及比例，具体表达式见公式（E.4）。9.8 根据求解得到的游离气、吸附气含量，可计算得到井口产出气同位素值，具体表达式见公式（E5）。9.9 借助实测的日产气量和日产气同位素数据，拟合标定9.7和9.8中的理论计算值，优化获取页岩储层的关键参数，包括裂缝导压系数、基质孔内扩散系数、YCH4扩散系数、1.angmUir常数和1.angmUir体积。9.10 获取页岩储层的关键参数后，将优化参数代人9.2和9.3建立的控制方程组中，随后通过9.49.7的正演计算，确定页岩气井生产过程吸附气/游离气比例及变化规律，计算结果示意图见图E1。附录A（资料ft）全金属取样管结构示意图全金属取样管专门设计用以保存天然气样品，良好的密闭性能够保证样品不发生逸散而产生同位素分储。全金属取样管主要由三部分组成：管身、螺旋顶塞、气门嘴，见图A.1。管身采用铝合金材质，轻便且具有较好的承压能力。螺旋顶塞与管身的连接采用密封垫圈加金属斜面硬压咬合双重密封结构，保证密封性。气门嘴采用成熟精密加工技术，通放气灵敏，密封性良好。全金属密封管顶部结构见图A.2,金属取样管容积60m1.,最高承压为0.5MPa,有效储存时间30d°介金管疥图A.1全金属密闭管结构图图A.2全金属密封管顶部结构图附录B（资料性）取样器示意图取样器专门用来配合取样管完成现场取气作业，取样器结构见图Bl。取样器进气端通过M2接口连接至采气树低压管汇，出气端通过气体阀门连接全金属取样管。取样器具有减压功能，进气端压力最高可达25MPa,出气端压力可通过阀门调节，调节出气压力OMPa0.5MPa。采气时，先通过两端气体阀门使全金属取样管形成通路，进行样气冲洗，然后取下远端气体阀门，调节出气压力调节阀完成样气采集。图Bl取样器结构图附录C（资料性）生产过程井口气碳同位索取样记录表采样过程中的信息记录表见表C.1.表C.1生产过程井口气碳同位素取样记录表基础信息记录井号/井位层位储层温度4C井口压力MPa生产方式累计产量10°m,井口气监测记录取样管/钢瓶编号采气日期YYYY-MM-DD采气时间hh-m11日产量1（W/d井底压力MPa日排液m,备注1-11-21-32-12-22-33-1一Il33812023“温G码相采群时间YYYY-MM-DD-Ih分析时间Ym-MM-DD-Ih碳同位素值，%取值1号取样管/钢瓶2号取样管/钢瓶I3号取样管/钢瓶CCGGCC«DI甲血同位素分析敷据表器牛D(网恋辱)书菊疑司电蜂与百法克苔Sc差ai就£sw知深国Dl附录E(资料性)页岩气井吸附气健离气比例确定的同位素分播模型E.1页岩气井生产过程人工压裂缝内”CH4和CH4流动的控制方程组见公式(El):-.A(E.式中：缝内°CH4的气体压力，单位为帕斯卡(Ri);py-裂缝内”CH4的气体压力，单位为帕斯卡(Pa);1时间，单位为秒(三);n裂缝导压系数，单位为平方米每秒(2s);V梯度算子，表示在空间各方向上的全微分。E.2页岩气井生产过程基质孔隙内游离态与吸附态2CH,、"CH4耦合流动的控制方程组见公式(E.2):3信”沏P-4。”)4-DdR("W,(Iwrv)S式中：P基质内CH4气体压力，单位为帕斯卡(Pa)；p,基质内ICH4的气体压力，单位为帕斯卡(Pa);t一时间，单位为秒(三);D基质孔隙内CH4的扩散系数，单位为平方米每秒(M/S);D'基质孔隙内ICH,的扩散系数，单位为平方米每秒(m2s);一基质有效孔隙度，无量细KPH4气体的1.angmUir常数，单位为帕斯卡分之一(1/Pa);K*ICH4气体的1.angmUir常数，单位为帕斯卡分之一(lR);&、%、G、C2一系数，用于简化公式，无量纲；V梯度算子，表示在空间各方向上的全微分；C质量平衡比参数，单位为帕斯卡(P);P-岩石视密度，单位为克每立方厘米cn);Vi1.angmiUr体积，单位为升每千克(1.kg);R理想气体常数，8.3M5J(molK);Vm标准状况下气体摩尔体积，2241.mo1.E.3模型求解的初始条件见公式(E.3):Pa(F=O)=p(=O)=pn(=O)=Pamn(E.3)式中：Pm(f三O)基质孔隙内初始气体压力，单位为帕斯卡(P);!(=0)裂缝内初始气体压力，单位为帕斯卡(Pa);Pm(t=O)水平井井简内初始气体压力，单位为帕斯卡G¾);Pamaia开采前储层孔隙内气体压力，单位为帕斯卡(Pa)0E4任意时刻产出气中游离气、吸附气含量及比例计算见公式(E4):Qg“喊-虚”Mr-1(E4)CMQJjO式中：0cn(4)-l时刻游离态CH单位为立方米(m3);0cn(4)-t时刻游离态VeH,单位为立方米(m3);Qcn(4)-1时刻吸附态CH,单位为立方米的)；Q(4)-1;时刻吸附态PCU单位为立方米(Irf);Om(IAT时刻游离气量，单位为立方米(向；Q(4)-11时刻游离气量，单位为立方米(m3);AGR(t)h时刻吸附气比例，用百分数表示(%)；FGR(t)t;时刻游离气比例，用百分数表示(%)；Z气体压缩因子，无量纲；T储层温度，单位为开尔文(K);0吸附态2CH2的覆盖率，用百分数表示(%)；0*吸附态CH4的覆盖率，用百分数表示(%)；dV单元格的体积，单位为立方米(m3)0E.5井口产出气同位素值表达式见公式(E.5):f)rJu&Wy"-IxM>(E5)式中：R4一标准样品的“C/IC的比值，取值11237.2X10*;8°CH4()1时刻井口气同位素比值，用千分数表示(。)。E.6页岩气井生产过程产气量、甲烷碳同位素值和吸附气/游离气比例变化曲线如图E.1所示。图E.1页岩气井生产过程产气量、甲烷碳同位素值和吸附气/游离气比例变化曲线示意图