CN103454198A - 一种泥页岩有机孔隙度检测方法 - Google Patents

Abstract

一种泥页岩有机孔隙度检测方法，属于石油、地质、矿业勘探开发技术领域。以代表性泥页岩样品和原油样品的热模拟实验为基础，利用化学动力学方法计算干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气的化学动力学参数，结合目地层埋藏史和热史，确定研究层段泥页岩干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气转化率；利用目地层泥页岩残余氢指数和残余有机碳数据，结合干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气转化率，恢复目地层泥页岩原始氢指数和原始有机碳；利用目地层泥页岩样品的Ar离子抛光薄片分析泥页岩有机孔隙压缩系数；计算目地层段泥页岩样品有机孔隙度。效果是：能计算泥页岩储层有机孔隙度，计算精度高、易于操作。

Description

一种泥页岩有机孔隙度检测方法

技术领域

本发明涉及一种泥页岩有机孔隙度检测方法,属于石油、地质、矿业勘探开发技术领域。

背景技术

泥页岩有机孔隙是指存在于泥页岩有机质颗粒之中的，孔隙直径为纳米级别的孔隙。在对页岩油和页岩气的勘探开发过程中，有机孔隙度是计算页岩油、页岩气资源量和制定开采方案的关键参数之一。页岩油和页岩气储层的有机孔隙度直接影响赋存于泥页岩储层中有机部分之中的油气资源量，是分析页岩气吸附与游离状态比例重要依据。泥页岩储层与常规储层不同是超低孔、超低渗和富含有机质。一般情况下，泥页岩有机质颗粒内的有机孔隙随着热演化程度的升高而更加发育，而且单个颗粒内的有机孔隙连通性也逐渐变好。这些有机孔隙是页岩油和页岩气重要的储集空间，其中相当大一部分的页岩气以吸附状态赋存于有机孔隙表面。目前，还没有有效的方法对泥页岩中的有机孔隙度进行定量评价。

在泥页岩有机孔隙的研究方面主要有以下几种方法：

（1）气体吸附-解吸法；

（2）电子显微成像技术；

（3）压汞法；

（4）三维重构法等。

气体吸附-解吸法是利用氮气、二氧化碳等不同分子直径的气体测量相应孔径大小的孔隙空间体积及连通程度，该方法分析的是相互连通的孔隙，无法评价泥页岩储层中没有相互连通孔隙。电子显微成像技术可以获得高放大倍数的岩石照片，能够清晰反映二维截面的孔隙特征，但无法对孔隙度进行定量评价。利用压汞法分析泥页岩孔隙度需要先钻取标准岩心柱，而钻取岩心柱的成功率较低，另外压汞法只能测量孔隙直径大于1000nm而且相互连通的孔隙。为此，本发明提出一种泥页岩有机孔隙的计算方法，专门用于对泥页岩储层有机孔隙度进行定量评价。

发明内容

本发明的目的是：提供一种泥页岩有机孔隙度检测方法，实现对泥页岩有机孔隙度的计算;克服现有技术、方法难以准确测量泥页岩储层有机孔隙度的不足。

本发明采用的技术方案是：一种泥页岩有机孔隙度检测方法，含有以下步骤：以代表性泥页岩样品和原油样品的热模拟实验为基础，利用化学动力学方法计算干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气的化学动力学参数，结合目地层埋藏史和热史，确定研究层段泥页岩干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气转化率；利用目地层泥页岩残余氢指数和残余有机碳数据，结合干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气转化率，恢复目地层泥页岩原始氢指数和原始有机碳；利用目地层泥页岩样品的Ar离子抛光薄片分析泥页岩有机孔隙压缩系数；计算目地层段泥页岩样品有机孔隙度。

一种泥页岩有机孔隙度检测方法，还含有以下步骤：

步骤1：选取成熟度较低的目地层泥页岩样品（或与目地层源岩类型相近的低成熟度的泥页岩）和目地层源岩排出的原油样品（或母质源岩与目地层源岩相似的原油样品）进行高温热模拟实验，所用的热模拟实验装置为Rock-Eval-II型热解仪，对2～3组样品按照不同的升温速率进行高温热模拟实验，实时记录泥页岩样品产油量、产气量随温度（或时间）的变化，以及和原油样品裂解产气量随温度（或时间）的变化，得到不同升温速率条件下各温度点干酪根成油转化率F_o、干酪根成气转化率F_g和原油裂解成气转化率F_g‘，干酪根成油转化率F_o、干酪根成气转化率F_g和原油裂解成气转化率F_g‘单位为%；

步骤2：根据步骤1中高温热模拟实验获得的不同升温速率条件下各温度点干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气转化率，利用化学动力学方法计算不同升温速率条件下各温度点泥页岩干酪根成油转化率F_o、泥页岩干酪根成气转化率F_g和原油裂解成气转化率F_g’，干酪根成油转化率、干酪根成气的转化率和原油裂解成气转化率的单位均为%。同时，计算干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气的反应活化能分布，反应活化能的单位为KJ/mol；

步骤3：根据步骤2中计算得到的不同升温速率条件下各温度点干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气转化率和相应的反应活化能分布，结合研究区目地层段泥页岩沉积埋藏史和热史，计算地质历史时期泥页岩干酪根成油转化率F_o、干酪根成气转化率F_g和原油裂解成气转化率F_g’，干酪根成油转化率F_o、干酪根成气转化率F_g和原油裂解成气转化率F_g’的单位均为%；

步骤4：取目地层段泥页岩样品分别进行残余氢指数、残余有机碳含量分析，结合步骤3计算的泥页岩干酪根成油转化率F_o、泥页岩干酪根成气转化率F_g和原油裂解成气转化率F_g’等恢复泥页岩原始氢指数和原始有机碳，原始氢指数I_H0单位为mg/g，原始有机碳TOC₀的单位为%；

步骤5：取目地层段泥页岩样品制作Ar离子抛光薄片观察，保证Ar离子抛光薄片的视域面垂直或近于垂直水平面，统计有机质颗粒中有机孔隙截面的短轴和长轴比值，大量有机孔隙短轴和长轴比值的平均值即为有机孔隙压缩系数C，有机孔隙压缩系数为无纲量常数；

步骤6：根据以下公式计算泥页岩样品的有机孔隙度Φ_organic，泥页岩样品的有机孔隙度Φ_organic的单位是%：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{organic}}={\mathrm{TOC}}_0\·I_{H0}\·F\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{rock}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{organic}}}/1000\·C\×100\%;$

利用化学动力学方法计算泥页岩干酪根成油、泥页岩干酪根成气和原油裂解成气转化率及相应的活化能分布，地质历史时期泥页岩干酪根成油、泥页岩干酪根成气和原油裂解成气转化率，原始氢指数和原始有机碳计算等可以参考卢双舫所著《有机质成烃动力学理论及其应用》（出版日期：1996-12-01，ISBN:9787502117375，出版社：石油工业出版社）。

有机孔隙压缩系数是泥页岩有机质颗粒中孔隙总体积与在不受压实等作用的理想条件下有机质颗粒因生烃所能够形成孔隙空间的比值。实际泥页岩储层中有机孔隙因受压实等作用呈椭球体状，理想条件下有机孔隙为球体状。假设在不受压实等作用的理想条件下，因生烃所形成的单个有机孔隙形状呈圆球体，球体半径为r。实际地质条件下受压实等作用单个有机孔隙呈近似椭球体，即长轴为b，高为a，b值略大于r，可近似认为b≈r。按照球体和椭球体体积计算公式可计算有机孔隙压缩系数C等于ab²/r³近似等于a/b。

本发明的有益效果：本发明泥页岩有机孔隙度计算方法，实现了对泥页岩有机孔隙度的计算,而且该计算方法费用低廉、操作简单，所计算的泥页岩储层有机孔隙度是页岩油、页岩气的勘探和开发中所必需的重要的评价参数。

附图说明

图1是泥页岩干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气转化率与温度及升温速率的关系之一图。

图2是泥页岩干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气转化率与温度及升温速率的关系之二图。

图3是泥页岩干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气转化率与温度及升温速率的关系之三图。

图4是泥页岩干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气反应活化能分布之一图。

图5是泥页岩干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气反应活化能分布之二图。

图6是泥页岩干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气反应活化能分布之三图。

图7是泥页岩沉积埋藏史和热史图。

图8是各地质时期泥页岩干酪根成油转化率、干酪根成气转化率和原油裂解成气转化率图;

图9是泥页岩原始氢指数和原始有机碳恢复结果之一图。

图10是泥页岩原始氢指数和原始有机碳恢复结果之二图。

图11是泥页岩有机孔隙压缩系数计算模型之一图。

图12是泥页岩有机孔隙压缩系数计算模型之二图。

图13是泥页岩有机孔隙度计算结果图。

图14是本发明的流程图。

具体实施方式

实施例1：如图14所述，一种泥页岩有机孔隙度检测方法，含有以下步骤；

步骤1：选取与目地层源岩类型相近的低成熟度的泥页岩和母质源岩与目地层源岩相似的原油样品，利用Rock-Eval-II型热解仪进行高温热模拟实验。将泥页岩样品分为2组，从200℃开始，分别以30℃/min和40℃/min的升温速率将泥页岩样品加热至600℃；将原油样品分为2组，从350℃开始，分别以2℃/min和20℃/min的升温速率将原油样品加热至700℃；实时记录泥页岩样品产油量、产气量随温度（或时间）的变化，以及和原油样品裂解产气量随温度（或时间）的变化，得到不同升温速率条件下各温度点干酪根成油转化率F_o和干酪根成气转化率F_g和原油裂解成气转化率F_g‘，干酪根成油转化率F_o和干酪根成气转化率F_g和原油裂解成气转化率F_g‘单位为%。实验结果参见图1、图2、图3。

步骤2：根据步骤1中高温热模拟实验获得的不同升温速率条件下各温度点泥页岩成油、成气和油裂解成气转化率，利用化学动力学方法计算不同升温速率条件下各温度点泥页岩成油转化率F_o、泥页岩成气转化率F_g和原油裂解成气转化率F_g’，成油转化率和成气的转化率单位为%。计算结果参见图1。同时，计算泥页岩干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气的反应活化能分布，反应活化能的单位为KJ/mol。计算结果参见图4、图5、图6。

步骤3：根据步骤2中计算得到的不同升温速率条件下各温度点干酪根成油、干酪根成气、原油裂解成气转化率和相应的反应活化能分布，结合研究区目地层段泥页岩沉积埋藏史和热史（研究区目地层段泥页岩沉积埋藏史和热史参见图7），计算地质历史时期泥页岩干酪根成油转化率F_o、泥页岩干酪根成气转化率F_g和原油裂解成气转化率F_g’，干酪根成油转化率、干酪根成气转化率和原油裂解成气转化率的单位均为%。计算结果参见图8。

步骤4：取目地层段泥页岩样品分别进行残余氢指数、残余有机碳含量分析，结合步骤3计算的泥页岩干酪根成油转化率F_o、泥页岩干酪根成气转化率F_g和原油裂解成气转化率F_g’等按照以下公式恢复泥页岩原始氢指数I_H0和原始有机碳TOC₀，原始氢指数I_H0单位为mg/g，原始有机碳TOC₀的单位为%。计算结果参见图9、图10。

I_H0=I_H+(I_H0·F_o+B₀-B)+I_H0·(F_g+F_g′)

TOC₀=TOC(1+ΔI_H·K/1000)

其中：I_H0为泥页岩原始氢指数(mg/g)；I_H为泥页岩残余氢指数(mg/g)；F_o为干酪根成油转化率(%)；B_o为源岩中原生沥青（非干酪根热降解成因）的量(mg)；B由氯仿“A”经轻烃补偿校正得到的残油量(mg)或者是烃指数（I_HC）经重烃补偿校正得到的残油量(mg)；F_g为泥页岩干酪根成气转化率(%)；F_g’为原油裂解成气转化率(%)；TOC₀为泥页岩原始有机碳质量分数(%)；TOC为泥页岩残余有机碳质量分数(%)；ΔI_H为氢指数恢复量(mg/g)，K为有机质转化为有机碳的系数，取0.85。

步骤5：取目地层段泥页岩样品制作Ar离子抛光薄片观察，保证Ar离子抛光薄片的视域面垂直或近于垂直水平面，统计有机质颗粒中有机孔隙截面的短轴和长轴比值，大量有机孔隙短轴和长轴比值的平均值即为有机孔隙压缩系数C，有机孔隙压缩系数为无纲量常数。

有机孔隙压缩系数是泥页岩有机质颗粒中孔隙总体积与在不受压实等作用的理想条件下有机质颗粒因生烃所能够形成孔隙空间的比值。实际泥页岩储层中有机孔隙因受压实等作用呈椭球体状，理想条件下有机孔隙为球体状。假设在不受压实等作用的理想条件下，因生烃所形成的单个有机孔隙形状呈圆球体，球体半径为r。实际地质条件下受压实等作用单个有机孔隙呈近似椭球体，即长轴为b，高为a，b值略大于r，可近似认为b≈r。按照球体和椭球体体积计算公式可计算有机孔隙压缩系数C等于ab²/r³近似等于a/b。具体模型参见图11、图12。

统计Ar离子抛光薄片中有机质颗粒内211个有机孔隙的短轴与长轴的比值，其平均值为0.45，得到研究层段泥页岩有机孔隙压缩系数C值为0.45。

步骤6：根据以下公式计算泥页岩样品的有机孔隙度Φ_organic，泥页岩样品的有机孔隙度Φ_organic的单位是%：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{organic}}={\mathrm{TOC}}_0\·I_{H0}\·F\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{rock}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{organic}}}/1000\·C\×100\%$

其中，ρ_rock是泥页岩密度，值为2.4g/cm³；ρ_organic是泥页岩中干酪根密度，值为1.2g/cm³。计算目地层泥页岩2300m至2430m深度范围内的有机孔隙度参见图13。

Claims (3)

1.一种泥页岩有机孔隙度检测方法，含有以下步骤：以代表性泥页岩样品和原油样品的热模拟实验为基础，利用化学动力学方法计算干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气的化学动力学参数，结合目地层埋藏史和热史，确定研究层段泥页岩干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气转化率；利用目地层泥页岩残余氢指数和残余有机碳数据，结合干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气转化率，恢复目地层泥页岩原始氢指数和原始有机碳；利用目地层泥页岩样品的Ar离子抛光薄片分析泥页岩有机孔隙压缩系数；计算目地层段泥页岩样品有机孔隙度。

2.根据权利要求1所述的一种泥页岩有机孔隙度检测方法，其特征是：

步骤1：选着代表性的泥页岩样品和原油样品进行高温热模拟实验，实时记录泥页岩样品产油量、产气量随温度（或时间）的变化，以及和原油样品裂解产气量随温度（或时间）的变化，得到不同升温速率条件下各温度点干酪根成油转化率F_o、干酪根成气转化率F_g和原油裂解成气转化率F_g‘，干酪根成油转化率、干酪根成气转化率和原油裂解成气转化率单位为%；

步骤2：根据步骤1中高温热模拟实验获得的不同升温速率条件下各温度点泥页岩成油、成气和油裂解成气转化率，利用化学动力学方法计算不同升温速率条件下各温度点泥页岩干酪根成油转化率F_o、泥页岩干酪根成气转化率F_g和原油裂解成气转化率F_g’，成油转化率、成气的转化率和原油裂解成气转化率的单位为%；同时，计算干酪根成油、干酪根成气和原油裂解成气的反应活化能分布，反应活化能的单位为KJ/mol；

步骤3：根据步骤1中获得的不同升温速率条件下各温度点干酪根成油、干酪根成气和油裂解成气转化率和步骤2中计算的化学动力学参数，结合研究区目地层段泥页岩沉积埋藏史和热史，计算地质历史时期泥页岩干酪根成油转化率F_o、干酪根成气转化率F_g和原油裂解成气转化率F_g’，泥页岩干酪根成油转化率、干酪根成气转化率和原油裂解成气转化率的单位为%；

步骤4：取目地层段泥页岩样品分别进行残余氢指数、残余有机碳含量分析，结合干酪根成油转化率F_o、干酪根成气转化率F_g和原油裂解成气转化率F_g’等恢复泥页岩原始氢指数I_H0和原始有机碳TOC₀，原始氢指数I_H0单位为mg/g，原始有机碳TOC₀的单位为%，具体计算公式如下：

I_H0=I_H+(I_H0·F_o+B₀-B)+I_H0·(F_g+F_g′)

TOC₀=TOC(1+ΔI_H·K/1000)

步骤5：取目地层段泥页岩样品制作Ar离子抛光薄片观察，统计有机质颗粒中有机孔隙截面的短轴和长轴比值，大量有机孔隙的短轴和长轴比值的平均值即为有机孔隙压缩系数C，有机孔隙压缩系数为无纲量常数；

步骤6：根据以下公式计算泥页岩样品的有机孔隙度Φ_organic，泥页岩样品的有机孔隙度Φ_organic的单位是%：

${\mathrm{\Φ}}_{\mathrm{organic}}={\mathrm{TOC}}_0\·I_{H0}\·(F_o+F_g)\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{rock}}}{{\mathrm{\ρ}}_{\mathrm{organic}}}/1000\·C\×100\%.$

3.根据权利要求1或2所述的一种泥页岩有机孔隙度检测方法，其特征是：所述的Ar离子抛光薄片的视域面垂直或近于垂直水平面；通过统计大量孔隙截面的短轴与长轴比值的平均值确定有机孔隙压缩系数C，有机孔隙压缩系数为无纲量常数。

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