CN111175177A - 一种基于烷烃碳同位素倒转的高成熟-过成熟页岩含气量评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于烷烃碳同位素倒转的高成熟‑过成熟页岩含气量评估方法，适用于高成熟‑过成熟页岩，包括以下步骤：开展区块内典型页岩气井的页岩岩心现场解吸实验，测定页岩含气量；分离出解吸气中的两种烷烃，测量这两种烷烃的碳同位素，计算两者的碳同位素差值，然后建立这两种烷烃的碳同位素差值与页岩气含量之间的拟合公式；采集相邻井或相邻区块页岩气井的井口气或解析气，测量两种烷烃的同位素，代入拟合公式计算页岩含气量。本发明的有益之处在于：原理可靠、不受岩心的影响、实现成本低，能有效提升页岩气含量评估的准确性，特别是在针对厚度大的页岩层段进行开发时，能发挥较大的经济优势，具有易于推广、方便实施的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种页岩含气量评估方法，具体涉及一种基于烷烃碳同位素倒转的高成熟-过成熟页岩含气量评估方法，属于油气勘探技术领域。
背景技术
页岩气是赋存于富有机质泥页岩及其夹层中，以吸附和游离状态为主要存在方式的非常规天然气，成分以甲烷为主，含少量乙烷、丙烷和丁烷，被公认是洁净的能源。由于页岩气具有巨大的资源潜力，已经被认为是21世纪天然气勘探的重大发现。近年来，中国大力推进页岩气勘探开发进程，已经取得了许多重大突破，其中以四川盆地龙马溪组高成熟-过成熟页岩气的勘探开发效果最好。2018年中国页岩气产量已达到108亿方，2030-2035年页岩气产量预计将达到650亿立方米/年。
作为研究油气生成、运移、聚集的关键地球化学参数，页岩气的碳同位素组成对识别页岩气的来源、成因类型和预测有利勘探区具有重要意义。前人研究认为，相同来源的热成因烷烃气体的碳同位素往往具有正向序列，即烷烃气体的碳同位素随着碳数的增加而增加。但是，近年来碳同位素倒转在高成熟-过成熟页岩气中被大量发现。基于页岩气的成藏机理，这个特殊现象背后的物理化学过程被广泛讨论。目前，越来越多的证据表明，页岩气碳同位素倒转与热演化程度密切相关。同时，许多页岩气田的勘探开发实践表明，烷烃的碳同位素倒转程度越大，页岩气井的产量越高，如美国的Barnett、Fayetteville、Woodford、Haynesville和Marcellus页岩气、加拿大西部沉积盆地的Foothills页岩气和中国四川盆地的龙马溪组页岩气。
有机质二次裂解是导致处于高成熟-过成熟热演化阶段(1.3％<Ro<4.0％)的页岩气烷烃碳同位素发生倒转的重要原因之一。高成熟-过成熟页岩中往往残留大量的液态烃，其二次裂解烷烃气由于同位素分馏作用而具有更轻的碳同位素。由于二次裂解烷烃气中乙烷、丙烷和丁烷的比例高于初次裂解烷烃气，因此两种气体混合会导致重烃气体(乙烷、丙烷和丁烷)具有更轻的碳同位素。因此，在封闭***中，烷烃碳同位素倒转程度越大指示有机质二次裂解越彻底，而页岩中的含气量也会随之增大。
页岩含气量是页岩气勘探潜力评价中最重要的评价指标之一，也是计算页岩气地质储量的基础参数。目前，页岩含气量测定方法可以分为两类：一类是直接法，即现场解吸法；另一类是间接法，即利用孔隙度分析和等温吸附实验计算游离气量和吸附气量，再求总和。
1、现场解吸法
现场解吸法是将刚出筒的新鲜岩心放入密封罐中直接测量的方法，该方法确定的含气量包括三个部分：解吸气量、残余气量和损失气量。
解吸气量是指刚出筒的新鲜岩心密封后所能解吸出来的气体量，其测量方法是：将刚出筒的新鲜岩心洗净、擦干、称重、装罐、填砂、密闭，放入温度为泥浆温度的水浴中，测量出气量4h后，将密封罐放入温度为地层温度的水浴中，测量出气量直至几乎不出气为止，所测得的气量即为解吸量。
残余气量是指岩心解吸结束后，岩样中仍残余的气体量，其测量方法是：将在密封条件下将岩心粉碎，释放出的气量即为残余气。
损失气量是指岩心在井筒中开始提升直至封闭在密封罐中，岩心所散失的气体量即为损失气量。这部分气体量是通过计算得到的，通常运用在泥浆温度条件下累计解吸气量与解吸时间的平方根之间的经验公式来进行推算。
将解吸气量、残余气量和损失气量三者加和，即为总含气量。其中，解吸气量和残余气量是实验直接测量出，而损失气量是通过计算得到。
由于现场解吸法是基于钻井现场刚刚取出来的完整页岩岩心立刻测量含气量，所以存在页岩取心难度大、实验成本高、测试工序复杂等缺点，并且页岩取心长度有限，对厚层页岩进行含气量评估时往往只能采用简易平均法，造成其准确性降低。
2、等温吸附实验方法
等温吸附实验方法是间接法的一种，分别计算游离气量和吸附气量，利用孔隙度、含气饱和度、地层温度和地层压力等实验数据计算游离气量，通过等温吸附实验计算吸附气量，然后求总和得到页岩总含气量。
甲烷在页岩中的吸附为物理吸附，吸附的作用力是范德华力，通常认为是单分子层吸附，吸附与解吸是可逆的过程。一定温度条件下，甲烷吸附量与压力之间的关系符合兰氏等温吸附方程，方程如下：
Vs＝(P×VL)/(P+PL)
Vs—压力为p时的吸附量，m3/t；
P—压力，Kpa；
VL—兰氏体积，m3/t；
PL—兰氏压力，Kpa。
由兰氏方程可知，地层条件下页岩中吸附气量与兰氏体积、兰氏压力和地层压力有关，其中，兰氏体积是岩石理论最大吸附能力，兰氏压力是1/2兰氏体积所对应的压力(它影响甲烷的解吸速度)，在等温吸附曲线上，地层压力对应的吸附量即为地层条件的页岩吸附量。
用等温吸附实验方法计算游离气时，运用孔隙度、含气饱和度、地层温度和地层压力等实验基础数据，计算方法如下：
VF——游离气含量，m3/t；
POR——孔隙度，％；
Sw——含水饱和度，％；
DEN——密度，g/cm3；
P0——地层压力，Mpa；
T0——地层温度，℃。
等温吸附实验方法与现场解吸法类似，均是基于页岩岩心，同样存在页岩取心难度大、成本高、实验操作复杂等缺点，厚层页岩的含气量评价时采取简易平均法会降低评价结果的准确性。
这两种页岩含气量评估方法均是基于页岩岩心的分析测试，易受到页岩岩心碎裂、岩心数量有限的影响，同时存在实验过程复杂、实验成本高等缺点，特别是在针对厚层页岩含气量进行评价时，通常采取的简易平均法会降低最终评价结果的准确性。
发明内容
为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于烷烃碳同位素倒转的高成熟-过成熟页岩含气量评估方法，通过这种方法能够降低页岩含气量计算的成本，提高评价结果的准确性，特别是在评价厚层页岩的含气量时可以提供可靠依据。
为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：
一种基于烷烃碳同位素倒转的高成熟-过成熟页岩含气量评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：针对研究区地质情况确定被处理井的页岩储层的热演化程度，若该页岩属于高成熟-过成熟页岩则进行步骤2，否则不适宜使用该方法；
步骤2：开展区块内典型页岩气井的页岩岩心现场解吸实验，测定页岩含气量；
步骤3：收集页岩解吸实验中稳定解吸阶段的页岩气，分离出解吸气中的两种烷烃，测量这两种烷烃的碳同位素，计算两者的碳同位素差值；
步骤4：整理这两种烷烃的碳同位素和页岩气含量，建立这两种烷烃的碳同位素差值与页岩气含量之间的拟合公式；
步骤5：采集相邻井或相邻区块页岩气井的井口气或解析气，测量与步骤3中的烷烃相同的两种烷烃的同位素，代入拟合公式计算页岩含气量。
前述的基于烷烃碳同位素倒转的高成熟-过成熟页岩含气量评估方法，其特征在于，在步骤3中，前述两种烷烃为：甲烷和乙烷、甲烷和丙烷、甲烷和丁烷、乙烷和丙烷、乙烷和丁烷、丙烷和丁烷。
本发明的有益之处在于：原理可靠、采样便捷、不受岩心的影响，并且实验方法成熟、实现成本低，能有效提升页岩气含量评估的准确性，特别是在针对厚度大的页岩层段进行开发时，能发挥较大的经济优势，具有易于推广、方便实施的特点。
附图说明
图1是高成熟-过成熟页岩中初次裂解气和二次裂解气混合导致碳同位素倒转的原理示意图；
图2是页岩气烷烃碳同位素随热演化程度变化的示意图；
图3是黄金坝页岩气区块YS108和YS107龙马溪组页岩岩心测试含气量与δ13C甲烷-δ13C乙烷的拟合公式。
具体实施方式
本发明提供的技术方案所依据的原理是：碳同位素倒转与页岩中残余液态烃的二次裂解密切相关。
天然气中烷烃气碳同位素按其分子中碳数相互关系有一定排列规律：
(1)若随烷烃气分子碳数递增，δ13C值依次递增(δ13C甲烷<δ13C乙烷<δ13C丙烷<δ13C丁烷)称为正碳同位素系列，是有机成因烷烃气的一个特征；
(2)若随烷烃气分子碳数递增，δ13C值依次递减(δ13C甲烷>δ13C乙烷>δ13C丙烷>δ13C丁烷)称为负碳同位素系列。
不按以上两规律而出现不规则的增减则称为碳同位素倒转，可简称为倒转。
当页岩达到高成熟-过成熟阶段(即1.3％<Ro<4.0％)时，页岩中的残余液态烃发生二次裂解，生成的二次裂解气的δ13C较轻且C2+(即乙烷、丙烷和丁烷)较多，同时干酪根也在发生初次裂解，生成的初次裂解气的δ13C较重且C1(即甲烷)较多，初次裂解气和二次裂解气混合形成的页岩气的烷烃碳同位素就会发生倒转，如图1所示。
随着热演化程度的加深(即Ro增大)二次裂解气增多，并在页岩气占据更大的比例，进而导致烷烃的碳同位素倒转程度增大，如图2所示，同时页岩的含气量也会随二次裂解气的增多而加大。
基于上述原理，就可以建立页岩气烷烃碳同位素倒转与含气量的拟合公式，并进而利用页岩气烷烃碳同位素倒转来预测相邻井或相邻区块的页岩含气量。
以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。
在本具体实施例中，我们根据四川盆地南部黄金坝页岩气区块YS108井和YS107井的龙马溪组页岩含气量情况，对相邻区块的YS112井的龙马溪组页岩进行了含气量预测。
步骤1：确定被处理井的页岩储层的热演化程度
选取黄金坝YS108井和YS107井龙马溪组页岩气作为被处理对象，根据YS108井和YS107井龙马溪组的页岩储层特征，确定被处理对象的Ro分布在2.30％-2.51％，属于过成熟页岩，在本发明的方法的适用范围内。
步骤2：开展区块内典型页岩气井的页岩岩心现场解吸实验在钻井取心现场，分别采集YS108井2391-2514m井段7块页岩岩心和YS107井2210-2290m井段6块岩心，进行现场解吸附实验，测定页岩的含气量。
表1 YS108和YS107井页岩的含气量
步骤3：分离出解吸气中的甲烷和乙烷并计算两者的碳同位素差值
收集上述页岩解吸附实验中稳定解析阶段的页岩气，分离出气样中的甲烷和乙烷，然后测量甲烷和乙烷的碳同位素，之后计算两者的碳同位素的差值。
表2页岩气甲烷和乙烷的碳同位素及差值
步骤4：建立甲烷和乙烷的碳同位素差值与页岩气含量之间的拟合公式
整理甲烷、乙烷的碳同位素和页岩气含量，以甲烷和乙烷的碳同位素的差值为横坐标、以页岩气含量为纵坐标，建立甲烷和乙烷碳同位素差值与页岩气含量之间的拟合公式(图3)，建立得到的拟合公式具体如下：
y＝-0.0757x2+1.4135x-3.1535
步骤5：根据拟合公式预估相邻区块页岩气井的页岩含气量采集相邻区块页岩气井YS112井2419-2460m井段的井口气，测量甲烷和乙烷的碳同位素，其中，甲烷的碳同位素为-27.0‰，乙烷的碳同位素为-34.3‰,两者的碳同位素的差值为7.3‰，即x＝7.3，代入拟合公式y＝-0.0757x2+1.4135x-3.1535进行计算，y＝3.13，即得到页岩含气量为3.13m3/t。
经实测，YS112井该层段的平均页岩含气量为3.36m3/t。
可见，计算结果与实测结果相比，相对误差为0.23m3/t，小于8％。
这说明：本发明提供的方法，其预测精度能够满足生产需要。
综上，本发明通过少量页岩气井的岩心分析数据建立拟合公式，可以推广到其他未取心井的含气量评价上，此举能大幅减少区域内页岩气井的取心数量，进而可以节约大量成本，为开发方案设计和优化调整提供更多含气量方面的数据支撑。
此外，本发明直接采用厚层页岩压裂后混合的页岩气，相对岩心分析(含气量数据相对较少，在评价厚层页岩的含气量多采用简单平均法，会大大降低分析精度)来说，更直接更准确。
需要说明的是，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (2)
1.一种基于烷烃碳同位素倒转的高成熟-过成熟页岩含气量评估方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：针对研究区地质情况确定被处理井的页岩储层的热演化程度，若该页岩属于高成熟-过成熟页岩则进行步骤2，否则不适宜使用该方法；
步骤2：开展区块内典型页岩气井的页岩岩心现场解吸实验，测定页岩含气量；
步骤3：收集页岩解吸实验中稳定解吸阶段的页岩气，分离出解吸气中的两种烷烃，测量这两种烷烃的碳同位素，计算两者的碳同位素差值；
步骤4：整理这两种烷烃的碳同位素和页岩气含量，建立这两种烷烃的碳同位素差值与页岩气含量之间的拟合公式；
步骤5：采集相邻井或相邻区块页岩气井的井口气或解析气，测量与步骤3中的烷烃相同的两种烷烃的同位素，代入拟合公式计算页岩含气量。
2.根据权利要求1所述的基于烷烃碳同位素倒转的高成熟-过成熟页岩含气量评估方法，其特征在于，在步骤3中，所述两种烷烃为：甲烷和乙烷、甲烷和丙烷、甲烷和丁烷、乙烷和丙烷、乙烷和丁烷、丙烷和丁烷。
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