CN108446526A - 基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法 - Google Patents

基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法，包括采集有机质页岩样品，抽真空处理；采集甲烷等温吸附数据；计算吸附势与过剩吸附量；过剩吸附量校正为绝对吸附量；绝对吸附量与吸附势进行非线性拟合，获得初始吸附特征曲线；获得最优拟合曲线，作为最优吸附特征曲线，将最优吸附特征曲线对应的拟合方程作为特征方程，利用吸附势理论将特征方程改写为吸附量与温度、压力的函数；获取储层温度、压力及相关的地质数据，代入吸附量与温度、压力的函数中，通过计算，即得到储层中有机质页岩吸附量。本发明的模型可进一步预测有机质页岩储层的吸附气含量，在储层含气量的精细描述中具有广泛的应用价值。

Description

基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法
技术领域
本发明涉及非常规油气勘探开发技术领域，尤其涉及一种基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法。
背景技术
甲烷高温高压等温吸附实验是获得有机质页岩吸附能力的有效手段，通常可依据实验要求获得多组等温吸附数据。目前，Langmuir模型是最为通用的吸附数据拟合模型，此外，SDR模型也具有较好的拟合效果。在拟合过程中，两种模型均需要将过剩吸附量校正为绝对吸附量。
由于地下储层的温压条件属于高温高压的超临界环境，研究甲烷在超临界条件下吸附机理尤为关键。页岩内可供吸附的孔隙表面非均质性较强，Langmuir模型所需要均匀表面假设条件难以满足。此外，Langmuir模型和SDR模型均为等温吸附模型，拟合参数具有温度依赖性，不能将甲烷的吸附量直接表示为温度、压力的函数，难以高效推算不同区域储层的甲烷吸附量。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种能高效推算不同区域储层的甲烷吸附量的基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法。
本发明的实施例提供基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法，包括以下步骤：
S1.采集有机质页岩样品，并对所述有机质页岩样品进行抽真空处理；
S2.将有机质页岩样品中的甲烷作为吸附质，在高温、高压的真空条件下，对步骤S1的有机质页岩样品进行多组温度下的干燥样等温吸附，平衡水样在硫酸钾饱和溶液下粉碎，进行30℃(303.15k)的等温吸附，并采集所有样品的甲烷等温吸附数据；
S3.利用超临界态DA方程拟合步骤S2得到的甲烷等温吸附数据，获得最大吸附量、特征吸附能、参数k和n，并计算吸附势与过剩吸附量；
S4.将步骤S3在多组温度下得到的过剩吸附量校正为绝对吸附量；
S5.将多组温度下步骤S4得到的绝对吸附量与步骤S3得到的吸附势进行非线性拟合，获得初始吸附特征曲线；
S6.以多组温度下拟合的最大k值为初始值，代入步骤S5得到的初始吸附特征曲线中，不断增大参数k，在拟合精度达到最大时，k值记为k’，获得最优拟合曲线，作为最优吸附特征曲线，将最优吸附特征曲线对应的拟合方程作为特征方程，利用吸附势理论将特征方程改写为吸附量与温度、压力的函数；
S7.获取储层温度、压力及相关的地质数据，并将该数据代入步骤S6得到的吸附量与温度、压力的函数中，通过计算，即得到储层中有机质页岩吸附量。
进一步，所述步骤S1中，有机质页岩样品为粒径60～80目的微粒。
进一步，所述步骤S3中，超临界态DA方程为：
式中：nmax为最大吸附量mol/kg；ne为过剩吸附量mol/kg；A为吸附势kJ/mol；E为吸附质的特征吸附能kJ/mol；n为拟合参数；ρg为气态甲烷密度kg/m3；ρa为吸附态甲烷密度kg/m3。
进一步，所述步骤S3中，吸附势的方程为：
式中：R为理想摩尔气体常数；T为绝对温度K；pC为临界压力MPa；p为平衡压力MPa；TC为临界温度K；TC为临界温度K；k为拟合参数。
进一步，所述步骤S3中，过剩吸附量的方程为：
进一步，所述步骤S4中，绝对吸附量的方程为：
进一步，所述步骤S6中，吸附量与温度、压力的函数方程为：
式中：k'为拟合参数；n'max为k'值对应的最大吸附量；E'为k'值对应的特征吸附能kJ/mol。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：以吸附势理论与超临界态DA模型为基础，并利用页岩样品在多组温度下计算的绝对吸附量与吸附势进行非线性拟合，得到吸附量与吸附势的拟合关系，采用吸附势表征吸附量，获取温度无关的拟合参数，建立吸附量与温度、压力的函数关系，而相关技术中的拟合模型只能获得实验温度条件下的拟合参数，拟合参数具有温度依赖性，不能建立吸附量与温度、压力的函数模型；本发明的模型可进一步预测有机质页岩储层的吸附气含量，在储层含气量的精细描述中具有广泛的应用价值。
附图说明
图1是本发明基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法的流程图。
图2是本发明实施例2在30℃条件下的五峰组页岩干燥样品甲烷吸附数据拟合的过剩吸附量与绝对吸附量示意图。
图3是本发明实施例2在30℃条件下的五峰组页岩平衡水样品甲烷吸附数据拟合的过剩吸附量与绝对吸附量示意图。
图4是本发明实施例2在30℃条件下的牛蹄塘组页岩干燥样品甲烷吸附数据拟合的过剩吸附量与绝对吸附量示意图。
图5是本发明实施例2在30℃条件下的牛蹄塘组页岩平衡水样品甲烷吸附数据拟合的过剩吸附量与绝对吸附量示意图。
图6是本发明实施例2五峰组页岩样品的初始吸附特征曲线示意图。
图7是本发明实施例2五峰组页岩样品的最优吸附特征曲线示意图。
图8是本发明实施例2牛蹄塘组页岩样品的初始吸附特征曲线示意图。
图9是本发明实施例2牛蹄塘组页岩样品的最优吸附特征曲线示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1，本发明的实施例提供了基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法，包括以下步骤：
S1.采集有机质页岩样品，并对所述有机质页岩样品进行抽真空处理，有机质页岩样品为粒径60～80目的微粒；
S2.将有机质页岩样品中的甲烷作为吸附质，在高温、高压的真空条件下，对步骤S1的有机质页岩样品进行多组温度下的干燥样等温吸附，平衡水样在硫酸钾饱和溶液下粉碎，进行30℃(303.15k)的等温吸附，并采集所有样品的甲烷等温吸附数据；
S3.利用超临界态DA方程拟合步骤S2得到的甲烷等温吸附数据，获得最大吸附量、特征吸附能、参数k和n，并计算吸附势与过剩吸附量；
超临界态DA方程为：
式中：nmax为最大吸附量mol/kg；ne为过剩吸附量mol/kg；A为吸附势kJ/mol；E为吸附质的特征吸附能kJ/mol；n为拟合参数；ρg为气态甲烷密度kg/m3；ρa为吸附态甲烷密度kg/m3。
吸附势的方程为：
式中：R为理想摩尔气体常数；T为绝对温度K；pC为临界压力MPa；p为平衡压力MPa；TC为临界温度K；TC为临界温度K；k为拟合参数。
过剩吸附量的方程为：
S4.将步骤S3在多组温度下得到的过剩吸附量校正为绝对吸附量；
绝对吸附量的方程为：
S5.将多组温度下步骤S4得到的绝对吸附量与步骤S3得到的吸附势进行非线性拟合，获得初始吸附特征曲线；
S6.以多组温度下拟合的最大k值为初始值，代入步骤S5得到的初始吸附特征曲线中，不断增大参数k，在拟合精度达到最大时，k值记为k’，获得最优拟合曲线，作为最优吸附特征曲线，将最优吸附特征曲线对应的拟合方程作为特征方程，利用吸附势理论将特征方程改写为吸附量与温度、压力的函数；
吸附量与温度、压力的函数方程为：
式中：k'为拟合参数；n'max为k'值对应的最大吸附量；E'为k'值对应的特征吸附能kJ/mol。
S7.获取储层温度、压力及相关的地质数据，并将该数据代入步骤S6得到的吸附量与温度、压力的函数中，通过计算，即得到储层中有机质页岩吸附量。
实施例1
请参考图1，本发明实施例提供基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法，包括以下步骤：
S1.采集有机质页岩样品，对所述有机质页岩样品处理后进行抽真空；处理后的有机质页岩样品为粒径60～80目的微粒。
S2.利用甲烷(CH4)作为吸附质，在高温、高压的真空条件下，对所述有机质页岩样品进行多组温度下的干燥样和平衡水样等温吸附，并采集吸附数据。
S3.利用超临界态DA方程拟合甲烷等温吸附数据，获得所述最大吸附量、特征吸附能、参数k、n，并计算吸附势与过剩吸附量；
具体地，利用超临界态DA方程拟合甲烷等温吸附数据，获得各组实验温度下的最大吸附量、特征吸附能、参数k、n；再将拟合参数代入方程获得吸附势和过程吸附量；所述超临界态DA方程、吸附势、过剩吸附量分别为：
θ为相对吸附量；
nmax为最大吸附量——mol/kg；
ne为过剩吸附量——mol/kg；
A为吸附势——kJ/mol；
E为吸附质的特征吸附能——kJ/mol；
n为拟合参数；
ρg为气态甲烷密度——kg/m3；
ρa为吸附态甲烷密度——kg/m3；
R为理想摩尔气体常数；
T为绝对温度——K；
pC为临界压力——MPa；
TC为临界温度——K；
k为拟合参数；
p为平衡压力——MPa；
(4)将多组温度下的过剩吸附量校正为绝对吸附量；
具体地，通过Gibbs过剩吸附理论，对计算的过剩吸附量进行校正，获得绝对吸附量，所述绝对吸附量为
na为绝对吸附量——mol/kg；
(5)将多组温度下的绝对吸附量与吸附势进行非线性拟合，获得初始吸附特征曲线；
(6)以多组温度下拟合的最大k值为初始值，不断增大参数k，在拟合精度达到最大时，k值记为k’，获得最优拟合曲线，作为最优吸附特征曲线，所述特征曲线对应的拟合方程作为特征方程，利用吸附势理论将特征方程改写为吸附量与温度、压力的函数；
具体地，所述特征方程通过逐渐改变各组实验温度下拟合的参数k值，当吸附势与绝对吸附量的拟合相关性达到最大时，k值记为k’，获得最优拟合曲线，并拟合得到特征方程，此时，特征方程的拟合参数具有温度无关性，所述特征方程的一般表达式为：
k'为拟合参数；
n'max为k'值对应的最大吸附量；
E'为k'值对应的特征吸附能——kJ/mol。
(7)通过储层温度、压力及相关的地质条件计算储层的吸附气含量。
本发明实施例基于甲烷等温吸附的有机质页岩吸附气含量的预测方法，以吸附势理论、过剩吸附理论、DA方程为基础，通过超临界态DA方程拟合吸附数据，并计算吸附势与绝对吸附量，最终拟合获得吸附特征曲线与特征方程；可用于不用类型、不同地区的有机质页岩储层吸附气含量的计算，为储层含气量预测提供参考数据。
实施例2
采用本发明实施例1的吸附特征曲线与特征方程的拟合方法，对我国南方海相有机质页岩储层中的五峰组页岩(JYW-1)和牛蹄塘组页岩(CYN-1)的井下页岩样品拟合吸附特征曲线与特征方程。
(1)采集甲烷等温吸附的数据，在公式(3)代入相关数据，分别得到两组样品的最大吸附量、特征吸附能、参数k、n，见表1；
表1两组页岩样品超临界态DA模型拟合数据
(2)依据拟合参数，根据公式(2)、(3)、(4)分别计算吸附势、过剩吸附量、绝对吸附量，参照图2、图3、图4、图5；
(3)依据得到的多组温度下的吸附势与绝对吸附量，进行非线性拟合，获得初始吸附特征曲线；以最大k值为初始值，不断增大参数k值，在拟合精度达到最大时，获得最优的吸附特征曲线与特征方程，参照图6、图7、图8、图9、表2；
表2两组页岩样品特征方程拟合数据
实施例3
依据特征方程中吸附量与温度、压力的关系，将储层的温度、压力条件代入方程中，可计算获得储层的吸附气含量的理论值；在地层含水条件下，平衡水样的甲烷吸附实验显示出五峰组页岩的最大吸附量会降低14.02％，而牛蹄塘组页岩的最大吸附量降低42.38％；五峰组的页岩气中甲烷占比大于98％，纯度高；而牛蹄塘组页岩中含有44.27％～46.63％的氮气，会使页岩的最大吸附量降低约30％；据此可计算不同储层在地质环境中甲烷吸附量的实际值，见表3；
表3两组页岩储层的吸附气含量预测
表3中可看出，五峰组页岩的甲烷吸附量较牛蹄塘组页岩更大，储层含气性较好。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.采集有机质页岩样品，并对所述有机质页岩样品进行抽真空处理；
S2.将有机质页岩样品中的甲烷作为吸附质，在高温、高压的真空条件下，对步骤S1的有机质页岩样品进行多组温度下的干燥样等温吸附，平衡水样在硫酸钾饱和溶液下粉碎，进行30℃的等温吸附，并采集所有样品的甲烷等温吸附数据；
S3.利用超临界态DA方程拟合步骤S2得到的甲烷等温吸附数据，获得最大吸附量、特征吸附能、参数k和n，并计算吸附势与过剩吸附量；
S4.将步骤S3在多组温度下得到的过剩吸附量校正为绝对吸附量；
S5.将多组温度下步骤S4得到的绝对吸附量与步骤S3得到的吸附势进行非线性拟合，获得初始吸附特征曲线；
S6.以多组温度下拟合的最大k值为初始值，代入步骤S5得到的初始吸附特征曲线中，不断增大参数k，在拟合精度达到最大时，k值记为k’，获得最优拟合曲线，作为最优吸附特征曲线，将最优吸附特征曲线对应的拟合方程作为特征方程，利用吸附势理论将特征方程改写为吸附量与温度、压力的函数；
S7.获取储层温度、压力及相关的地质数据，并将该数据代入步骤S6得到的吸附量与温度、压力的函数中，通过计算，即得到储层中有机质页岩吸附量。
2.根据权利要求1所述的基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法，其特征在于，所述步骤S1中，有机质页岩样品为粒径60～80目的微粒。
3.根据权利要求1所述的基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法，其特征在于，所述步骤S3中，超临界态DA方程为：
式中：nmax为最大吸附量mol/kg；ne为过剩吸附量mol/kg；A为吸附势kJ/mol；E为吸附质的特征吸附能kJ/mol；n为拟合参数；ρg为气态甲烷密度kg/m3；ρa为吸附态甲烷密度kg/m3。
4.根据权利要求3所述的基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法，其特征在于，所述步骤S3中，吸附势的方程为：
式中：R为理想摩尔气体常数；T为绝对温度K；pC为临界压力MPa；p为平衡压力MPa；TC为临界温度K；TC为临界温度K；k为拟合参数。
5.根据权利要求4所述的基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法，其特征在于，所述步骤S3中，过剩吸附量的方程为：
6.根据权利要求5所述的基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法，其特征在于，所述步骤S4中，绝对吸附量的方程为：
7.根据权利要求6所述的基于吸附特征曲线与特征方程的页岩吸附量的预测方法，其特征在于，所述步骤S6中，吸附量与温度、压力的函数方程为：
式中：k'为拟合参数；n'max为k'值对应的最大吸附量；E'为k'值对应的特征吸附能kJ/mol。
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