[发明专利]一种考虑多重因素影响的页岩气表观渗透率计算方法

权利要求书

1.一种考虑多重因素影响的页岩气表观渗透率计算方法，其特征在于，包括步骤如下：

(1)采用多点地质统计学方法，基于页岩二维剖光扫描电镜图像，重建页岩三维数字岩心；

(2)计算页岩三维数字岩心的孔隙度、迂曲度、多孔介质特征长度；

(3)计算页岩有机质和无机质中的气体渗透率。

2.根据权利要求1所述的一种考虑多重因素影响的页岩气表观渗透率计算方法，其特征在于，步骤(1)，包括步骤如下：

A、将所选用的页岩二维剖光扫描电镜图像四个顶点中左上角顶点作为原点，规定X方向为页岩二维剖光扫描电镜图像短边方向，Y方向为页岩二维剖光扫描电镜图像长边方向，从原点开始截取X方向的N个像素，Y方向N个像素的正方形图像，作为要研究的训练图像，构建查找树，N的大小不超过页岩二维剖光扫描电镜图像短边方向的像素个数；

选取页岩二维剖光扫描电镜图像上若干孔隙相分布密集区域的像素点作为采样点，把采样点作为初始条件数据，随机分配到临近的网格节点上，网格节点是指页岩二维剖光扫描电镜图像上每个像素点的位置；

B、对于任一待模拟网格节点u，确定在给定n个条件数据值S(uα)的情况下，属性S(u)取K个状态值中任一个状态值的条件概率如式(Ⅰ)所示：

式(Ⅰ)中，S_k指属性S(u)中的任一个状态值、S_kα指α个条件数据值下属性S(u)取K个状态值中任一个状态值条件数据事件；

d_n为由n个条件数据值S(uα)联合构成的数据事件，式(Ⅰ)中的分母为某个模式出现的概率,α＝1,…,n；分子为某个模式出现和待模拟网格节点u取S_k的情况同时出现的概率；对于所有的未模拟的网格节点，基于条件概率分布函数，使用蒙特卡洛方法提取模拟值，统计得到的模拟值个数，若获得的模拟值个数为N×N个，则将获得的N×N个模拟值作为新生成的二维图像，若获得的模拟值个数小于N×N个，则将得到的模拟值作为下一步的条件数据，继续模拟，直到获得的模拟值个数为N×N个；

C、将步骤B新生成的二维图像放置于页岩二维剖光扫描电镜图像上方,得到垂直方向上高度为2层二维图像的三维图像,将步骤B新生成的二维图像作为下一步的训练图像，重复步骤A-B，直至获得基于训练图像得到的新生成的二维图像，继续放置于已构建的三维图像的上方，构建出垂直方向上高度为3层二维图像的三维图像；

D、不断重复步骤A-C，直到获得N-1层生成的二维图像，二维图像中的每一个像素都对应着三维空间的相应的体素，加上步骤A选用的的页岩二维剖光扫描电镜图像，共有N层二维图像，构成了X、Y、Z三个方向大小为N×N×N的多孔介质三维图像，该多孔介质三维图像成为页岩三维数字岩心。

3.根据权利要求1所述的一种考虑多重因素影响的页岩气表观渗透率计算方法，其特征在于，步骤(2)，计算页岩三维数字岩心的孔隙度、迂曲度、多孔介质特征长度，是指：

气体在三维多孔介质中运移时努森数K_n表示为：λ为气体平均分子自由程；l_c为多孔介质特征长度，基于弦长计算多孔介质特征长度，弦长的几何含义是指：用一条直线切割多孔介质，分布在孔隙相中不连续的直线；多孔介质特征长度l_c通过弦长计算，如式(Ⅰ)所示：

式(Ⅰ)中，z表示孔隙相中弦长长度，p(z)表示三维多孔介质中切割出的弦长中弦长长度为z的概率；

通过基于页岩三维数字岩心模拟，迂曲度为：沿程路径与绝对路径之比；沿程路径为三维数字岩心中沿着孔隙相与骨架相的边界气体流过的长度；绝对路径指三维数字岩心边长；

孔隙度为：孔隙相与页岩三维数字岩心之比。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种考虑多重因素影响的页岩气表观渗透率计算方法，其特征在于，步骤(3)，计算页岩有机质和无机质中的气体渗透率，包括：

计算地层有效应力对多孔介质特征长度的影响，如式(Ⅱ)所示：

式(Ⅱ)中，l_{c_stress}是指考虑有效应力后的多孔介质特征长度；l_c0为原始地层有效应力σ_eff0下的多孔介质特征长度，σ_eff为变化后的地层有效应力，P₁为孔隙闭合压力，m为地层胶结指数；

页岩中吸附气量采用Langmuir等温吸附表示，计算吸附气在孔隙壁面的覆盖度θ，如式(Ⅲ)所示：

式(Ⅲ)中，p_L是指Langmuir压力，单位为MPa；Z是指气体压缩因子，无因次；θ是指真实气体孔隙壁面覆盖度，无因次；p_o是指地层压力，单位为MPa；

计算考虑吸附气表面覆盖校正后的多孔介质特征长度l_{c_or}，如式(Ⅳ)所示：

l_{c_or}＝l_{c_stress}-d_mθ (Ⅳ)

式(Ⅳ)中，d_m是指气体分子直径，单位为m；

计算微纳米孔道气体临界压力临界温度变化，通过式(Ⅴ)、(VI)进行计算：

式(Ⅴ)、(VI)中，T_c是指气体临界温度，单位K；

P_c是指气体临界压力，单位MPa；

R是指理想气体常数，单位J/(mol·K)；

σ是指Lennard-Jones作用尺寸，单位m；

a是指甲烷范德华方程常数，单位Mpa·kmol^-2；

b是指甲烷范德华方程常数，单位m⁶·Mpa·kmol^-2；

ε是指Lennard-Jones势能参数，单位J^-1；

有效多孔介质特征长度l_ceff在无机质介质中为考虑有效应力后的多孔介质特征长度l_{c_stress}，在有机质介质中为考虑吸附气表面覆盖校正后的多孔介质特征长度l_{c_or}；

计算气体压缩因子Z，如式(Ⅶ)、式(Ⅷ)、式(Ⅸ)所示：

P_pr是指拟压力，无因次；

T_pr是指拟温度，无因次；

T是指地层温度，单位为K；

计算粘度，如式(Ⅹ)、式(Ⅺ)、式(Ⅻ)、式(XIII)、式(XIV)所示：

μ＝(1×10^-4)Kexp(Xρ^Y) (Ⅹ)

Y＝2.447-0.2224X (XIV)

式(Ⅹ)、式(Ⅺ)、式(Ⅻ)、式(XIII)、式(XIV)中，μ是指气体粘度，单位为Pa·S,X、Y、K为计算气体粘度公式中的相关参数，受地层温度和气体摩尔质量影响；M是指气体摩尔质量，单位为g/mol；

计算真实气体平均分子自由程λ，如式(XV)所示：

计算在有机质介质中的多孔介质平均Knudsen数K_n，如式(XVI)所示：

计算在无机质介质中的多孔介质平均Knudsen数K_n，如式(XVII)所示：

计算自由气单个孔隙气体流量q_free，如式(XVIII)所示：

式(XVIII)中，

无因次气体稀薄系数

自由气单个孔隙渗透率

计算真实气体表面扩散流量，如式(XIX)所示：

计算最大吸附浓度C_max，通过实验室等温吸附曲线获得的Langmuir体积V_L进行计算，如式(XX)所示：

式(XX)中，ε_ks是指有机质占总岩石骨架体积比例；C_amax是指实验室测量得到的最大吸附气密度m³/mol,计算表面扩散系数D_s，如式(XXI)所示：

式(XXI)中，

△H是指覆盖度“0”时的等量吸附热/(J·mol^-1)；

κ_m是指表面气体分子前进速度常数/m/s；

κ_b是指表面气体分子阻塞速度常数，表面气体分子前进过程中由于其他气体分子的存在而退回原地的速度常数/m/s；

κ是指表面气体分子阻塞系数,无因次；

根据达西公式，计算吸附气单管渗透率k_surface，如式(XXII)所示：

计算页岩有机质介质渗透率k_or，如式(XXIII)所示：

计算页岩无机质介质渗透率k_in，如式(XXIV)所示：