CN104977624A - 监测非常规烃勘探和开采位点的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及监测非常规烃勘探和开采位点的方法。本发明的目的是提供一种监测非常规烃(HC)回收位点以对勘探和开采区域(Zhc)之上的区域(Zsur)中存在的烃类进行定量的方法。本发明的方法是基于一种模型的调整，该模型使用对在底土样品的流体相中含有的稀有气体和可能需要用于压裂的注射的气体的原位地球化学分析描述了气体浓度随时间的变化。通过稀有气体分析，本发明的方法可用于预见在勘探/开发位点之上的烃泄漏。

Description

监测非常规烃勘探和开采位点的方法

技术领域

本发明涉及回收非常规烃的领域，并且更具体地涉及监测非常规烃勘探和开采位点的领域。

背景技术

非常规(液体或气体)烃类是除了常规钻探手段以外需要增产措施来提取的资源，这与除了水和/或气体注射以外不需要特定处理来增加油回收产量的常规烃类提取相反(增强的油回收EOR)。非常规烃类因此属于不同类型的资源，其中：

-页岩油是一种由于深埋而陷在母岩中的油，

-致密油是一种已经从母岩中移出，但位于渗透性非常低的油藏中的油，

-致密气是与前述的油相似在低渗透性气藏中累积的气体。其通常是在页岩气和常规气之间的中间层中的甲烷，

-在富含吸附的甲烷的煤层中发现的煤层气(CBM)，在采矿业中称为沼气。当岩石中的天然裂缝能释放足量的甲烷以产生显著的流速时，其通过简单的垂直孔产生。在相反的情况中，需要通过水力压裂来刺激岩石，

-煤矿瓦斯(CMM)是与前述气体性质相同的气体，其通过简单地向老的非水淹的矿中泵送来回收，尤其是在法国的北部-加来海峡采矿盆地的老煤层中，

-油页岩和油砂是在母岩内还没有停留足够长的时间以转化为烃类的有机物质。它们的开采不需要水力压裂，但是需要非常消耗能量的热处理，

-页岩气是在保持陷入地表下2000至3000米深度的沉积岩中的气体。其包含的甲烷包含于不连通的微孔中并且其可能吸附于不可透性粘土颗粒上。因此，介质是母岩和藏，但是这种不可透性阻止通过常规的钻探方式的提取。

特别困难的非常规烃类提取需要系统性使用组合的定向钻探和压裂技术，这是特别高成本的。例如，非常规烃类(诸如来自母岩(页岩区块)的烃类)的开采：油页岩和页岩气需要压裂周围的岩石以释放这些烃类。事实上，与保留在易于开采的可透性岩石中的常规天然气不同，页岩气陷入由其包含的粘土而变得不透性的岩石的孔隙中。

对于上述所有的母岩烃类和非常规烃类，岩石发现于约2000至4000m的深度。这些岩石经自然压裂或开裂，但是断裂或裂纹是封闭的，这使得液体不能循环并流过其中。压裂的目的在于再次打开并延伸这种断裂/裂纹网络。一种可能的压裂方法由在压力下注射液体组成。然而，在这种深度下，裂纹再次自然封闭，因此这种裂纹网络需要以一定的方式维持，使其保持对气体和/或油开放以能够循环至产生的孔，从而能够在表面上提取。

这些是几种类型的压裂方法，诸如：

-已经被放弃的核压裂(1967)，由原子弹在地表下爆炸组成，以产生能够开采到这些烃类的断裂/裂纹网络，

-水力压裂，一种使已天然存在的裂纹网络再打开的技术，以延伸该网络从而产生更大的网络。向压裂水中添加的颗粒(支撑剂)和硅石(砂)微珠覆盖断裂/裂纹壁，从而使产生的断裂/裂纹持续并且不自然封闭。也加入增稠剂、杀菌剂(旨在杀死可能存在的细菌)和聚合物型产品，使得负载颗粒的流体更易于以大深度循环，从而能够减少在表面上的能量消耗。也可使用来自食品加工行业的添加剂和可生物降解的产品。水力压裂需要较大量的水：每孔10,000至20,000m³的水，

-机械爆炸性压裂(炸药)，或

-通过注射气体，如氟丙烷(不可燃丙烷)和温氦气的压裂。

在2000年代，当烃类价格由于常规油气生产停滞和全球能源消耗增长升至持续高水平时，已经开始大规模非常规烃开采。这些价格，以及在提取技术的领域中的优势，使得为用于产生大量的孔所需的大量投资提供资金，尤其是在美国。在美国已经产生了与这种类型的烃类开采相关的600000个工作岗位。美国的煤炭价格已经下降了30％至40％，天然气的价格也在美国下降，但是这在世界上其他地方还未发生。此外，因为美国减少了进口，油价受到影响。

经常提及关于这些非常规烃类的勘探和开采的风险在于压裂水(尤其是在水力压裂后)可能与用于其他目的的水，如饮用水产生冲突。现在，特别可能将不适于饮用的水用于水力压裂目的，如海水(虽然其产生硫酸盐、H₂S...之类的限制物，但是这些限制物易于处理)，或稍带咸味的水(盐水)。

另一个经常提及的重要风险在于通过天然底土饮用水的水力压裂的直接污染。然而，由于实施这种水力压裂的深度(用以提醒，2000至4000m)，很难想到直接污染的风险。在另一个方面，与孔一起存在的更大的风险在于其致密性。

因此，与页岩气提取相关的环境问题，尤其是由于烃类和注射的用于底土压裂的流体的潜在泄漏对水储层的污染，尤其是在饮用水地下蓄水层内(即使其接近为零)，以及温室气体的排放，已经在一些国家中造成了强烈的公众质疑。

为了限制这些环境问题，在勘探期间，然后在开采期间和开采后(即，非常规烃类提取)监测非常规烃回收位点对于该技术的开发是一项重要的挑战。

这种监测目的考虑将探漏气体注射到地下层中，其是完全化学惰性的。然而，考虑到体积压缩，这种方法需要注射大量的特定气体，因而难以实施。

因此，本发明的目的涉及监测非常规烃回收位点以对勘探和开采区域之上的区域中存在的烃类进行定量的方法。本发明的方法是基于一种模型的调整，该模型使用对在底土样品的流体相中含有的稀有气体和可能需要用于压裂的注射的气体的原位地球化学分析描述了气体浓度随时间的变化。通过稀有气体分析的方式，本发明的方法可用于预见在勘探/开采位点之上的烃泄漏。

发明内容

本发明涉及监测地下层的方法，其中回收非常规烃类，在所述地下层中存在至少一种稀有气体。对于该方法，进行以下阶段：

a)选择所述稀有气体的扩散模型和待回收的烃的扩散模型，各模型描述了浓度随时间、深度和扩散系数的变化，

b)在回收所述烃之前，从位于所述地下层之上的称作底土监测区域的区域中存在的流体中取至少第一样品，并且测量所述第一样品中至少一种稀有气体的组成，

c)在回收所述烃期间和/或之后，从所述监测区域中存在的流体中取至少第二样品，并且测量所述第二样品中所述稀有气体的浓度，

d)在不同的时间重复阶段c)，

e)当所述稀有气体的所述浓度增加时，调节稀有气体扩散模型的所述有效扩散系数，使得稀有气体扩散模型与所述测量一致，并且推导所述扩散系数和所述经调节的扩散系数之间的比率，并且

f)对所述待回收的烃的扩散模型应用所述比率，从而确定在时间t时所述监测区域中存在的所述待回收的烃的量。

根据本发明，所述监测区域是地下蓄水层。

优选地，通过所述监测区域中存在的待回收的烃的所述确定的量测定所述待回收的烃从地下层的泄漏。

优选地，通过压裂所述地下层来回收所述非常规烃类。

优选地，通过注射气体，诸如氟丙烷或氦气来进行所述压裂。

优选地，通过所述注射的气体的扩散模型测定在时间t时所述监测区域中存在的所述注射的气体的量，对该气体应用所述扩散系数和所述经调节的扩散系数之间的所述比率。

根据本发明的一个方面，所述注射的气体包含至少一种稀有气体。

根据本发明的一个实施方式，烃类含有甲烷。

优选地，所述稀有气体是氦气或氩气。

附图简要说明

通过阅读下文中以非限制性实施例的方式给出的实施方式的描述并参考附图，可以了解本发明方法的其他特征和益处，其中：

-图1显示了回收非常规烃的示例，

-图2显示了通过地球化学测量的方式校正的氦气(He)、氩气(Ar)、氟丙烷(FP)和甲烷(CH₄)扩散模型，

-图3显示了利用后续地球化学测量对校正的改善，和

-图4显示了采取行动以解决未来泄漏问题的时间限制的计算。

具体实施方式

本发明的监测方法涉及非常规烃勘探或开采位点。

根据图1所示的非限制性实施方式，通过孔P对地下层Zhc(如特定的围岩，例如可透性非常低的粘土型岩石)中含有的非常规烃类HC进行回收。含烃类的Zhc区域的顶部设为上部区域，尤其是含水地下蓄水层。非常规烃类HC的回收需要特定处理，尤其是地下层Zhc的压裂。这种压裂允许通过孔P回收HC，但是其可能导致烃类向上部区域迁移。这种迁移在压裂过度并且控制薄弱的情况下可能是平流迁移，或者是在所有位点发生的扩散性迁移。扩散与可透性无关并且仅依赖于孔隙率，甚至在可透性非常低的层的情况中，发生扩散现象。在扩散的情况中，在图1中，通过弯曲的箭头表示烃类HC(甲烷CH₄、乙烷C₂H₆、丙烷C₃H₈、丁烷C₄H₁₀等)的扩散，在大多数情况中，甲烷是主要物质，并且由于其分子最小，其是烃类中扩散最快的物质。优选避免向上部区域(尤其是在其是地下蓄水层的情况下)扩散，以限制与非常规烃类的开采相关的环境问题。本发明的方法可用于监测这种向上部区域(称为监测区域Zsur)的扩散。优选地，这种监测区域Zsur对应于由非饮用水组成的盐水地下蓄水层，之后是饮用水地下蓄水层(在水层中较高(接近表面))。

存在几种类型的压裂方法，诸如：(i)注射压力水(称作水力压裂)，例如与二氧化硅(砂)微珠相关以保持产生的断裂开放，(ii)通过爆炸(炸药)机械压裂，或(iii)注射气体，如氟丙烷(不可燃丙烷)或温氦气(尤其用于北极地区钻探/压裂，在该地区中，水过快冻结并且由于相同的原因，氟丙烷似乎无效)。

用作“压裂试剂”的注射的气体，例如氟丙烷或氦气，也可能通过扩散泄漏并且污染覆盖压裂的开采的岩石的区域。也可防止这种扩散以限制与通过气体注射压裂对非常规烃类进行开采相关的环境问题。

本发明的监测方法允许对扩散到上部区域中的烃类进行定量并且通过对尤其是上部区域中存在的稀有气体和可能的用于压裂的注射的气体(例如，氟丙烷或氦气)的分析得知烃向该区域的泄漏。事实上，包含非常规烃类的地下层也含有同样会扩散到上部区域的稀有气体(例如，氦气或氩气)。氦气在地质环境中天然存在，在地质环境很深时更是如此。此外，对于通过气体注射压裂，注射的气体也可含有会扩散至上部区域的稀有气体(尤其是在温氦气注射的情况中)。

监测方法是基于使用稀有气体相对于烃类，和合适时相对于注射的气体的三种令人感兴趣的特征：

-更快地扩散至水性介质中，

-可通过测量工具更精细地检测到，和

-从化学和生物学的观点而言，相对于其环境无活性。

该监测方法基本包括以下阶段：

1.对于稀有气体和烃类的扩散模型选择

2.在勘探和开采之前的稀有气体浓度测量

3.在勘探期间、在开采期间和开采后的稀有气体浓度测量

4.用浓度测量结果校正稀有气体扩散模型

5.根据经校正的稀有气体扩散模型更新烃扩散模型

6.根据更新的模型确定在监测区域中时间t时存在的烃类的量。

这些阶段在下文中详细描述为非限制性实施例，其中甲烷CH₄是在地下层中含有的待回收的烃。然而，这些阶段适于地下层中含有的任意类型的烃，例如，乙烷C₂H₆、丙烷C₃H₈、丁烷C₄H₁₀，或其混合物。

1.对于稀有气体和CH ₄ 的扩散模型选择

选择在地质环境中天然存在的稀有气体，例如氦气的扩散模型，和烃CH₄的扩散模型。各模型描述了化学物质的浓度随着时间、深度、氦气和CH₄的特定扩散系数的变化。

组分通过扩散垂直迁移的1D模型是例如，已知的，其中通过以下等式确定组分浓度(C)在空间和时间(t)上的变化：

$C(z,t)=C_0\mathrm{erfc}\left(\frac{z}{2\sqrt{\mathrm{Dt}}}\right)$     等式1

其中：

-z：深度

-t：时间

-D：组分(稀有气体、烃类、注射的气体)的有效扩散系数，使得D＝Dm*比率，其中Dm是组分的分子扩散系数，并且比率(初始等于孔隙率)是在该方法的阶段4中更新的参数，

-C₀：溶解的组分(He或CH₄)的最大浓度，即注射前的初始浓度。它是在水/气体界面处的浓度。

根据本发明的实施方式，通过用气体注射压裂来实现烃类的回收，类似地选择注射的气体的扩散模型，例如，等式1中所述的1D模型。

图2显示了氦气(He)、氩气(Ar)、氟丙烷(FP)(用于压裂的注射的气体)和CH₄(烃类)的扩散模型(曲线)。

2.在勘探/开采之前的稀有气体浓度测量

在勘探和开采之前(考虑勘探包含压裂阶段)，即在压裂和烃回收之前，取在监测区域中存在的流体的至少第一样品(烃类可能达到的底土区域)并且在该第一样品中测量稀有气体浓度。使用至少一个监测孔进行取样，监测孔中运行井下取样器以回收存在的流体(水)，而不破坏该系统的物理-化学平衡。

该孔允许取样器放置在底土的区域中，烃类可能达到该底土。该监测区域位于含烃类的地下层之上，特别是地下蓄水层。

然后在该第一样品上进行在开采之前表征底土区域的初始状态的第一测量。测量该第一样品中稀有气体的浓度。如果可能，也可测量其他稀有气体、烃类和注射的气体的浓度。

该阶段可用于限制烃类的组成(溶解于地下层中的气体形式的元素)。早于甲烷检测氦气取决于含烃层和检测区域之间的氦气组成差异。在地质环境中天然存在氦气，在地质环境很深时更是如此，需要通过对天然流体的初步分析来限制这种差异。

3.开采期间和开采后的稀有气体浓度测量

在压裂和开采(烃回收)期间和之后，对检测区域中存在的流体取至少第二样品，并且测量该第二样品内的稀有气体浓度。

使用之前阶段所述的相同方式：监测孔和井下取样器。

该阶段可重复不同次数，并且可能在不同的监测孔中。

由此得到在开采期间和开采后的时间t时的稀有气体浓度相对于开采前稀有气体浓度的比率的一组值(在各取样和测量时间t时的值)。

4.用浓度测量结果校正的稀有气体扩散模型

当稀有气体(He)浓度增加时，对阶段1中选择的模型的有效扩散系数进行调节，使得该模型与测量结果相一致。然后由此推导出分子扩散系数与经调节的扩散系数(等式1)的比率。

我们简单地假定该比率仅表征基质(孔隙率和弯曲度)。如果使用几种稀有气体，则计算平均比率对一求模误差(average ratio modulo oneerror)。

图2显示了这一阶段的校正分析方案(等式1)，其表征为稀有气体浓度随时间和阶段3中进行测量的测量点位置变化。通过图2中的点显示测量点。图2显示了通过校正测量点上分析方案(等式1)得到的氦气(He)和氩气(Ar)扩散模型(曲线)。这两个扩散曲线允许限定分子扩散和有效扩散之间的平均比率。该比率允许校正CH₄和注射的气体，例如氟丙烷(FP)的扩散模型(曲线)。

之后进行的测量允许通过调节比率对结果进行完善(图3)。

5.烃和注射的气体扩散模型更新

为了根据经校正的稀有气体扩散模型更新CH₄扩散模型，将在之前阶段中计算的比率应用于阶段1中选择的CH₄扩散模型。

因此，将该比率应用于CH₄分子扩散，该扩散用于阶段1中选择的CH₄扩散模型。由此得到新的有效CH₄扩散，其使得能够基于对在阶段4中的实验数据进行校正的稀有气体扩散模型得到新的CH₄扩散模型。

对于本发明通过用气体注射压裂实现烃回收的实施方式，可通过使用相同的比率来更新注射的气体的扩散模型，其允许基于对实验数据校正的稀有气体扩散模型得到新的注射的气体扩散模型。

这一阶段示于图2和3。

6.根据更新的模型确定监测区域中烃类的量

在这一阶段，我们确定了在任意时间t时在监测区域中存在的烃类的量，以确定在监测区域中的烃泄漏。因此，进行以下阶段：

a)确定溶解的CH₄的量，并且

b)确定CH₄泄漏。

a)根据更新模型确定时间t时溶解的CH₄的量

然后使用由此更新的CH₄扩散模型以确定时间t时溶解的CH₄的量。

通过该模型的体积积分(更新的等式1)，推导出在时间t时溶解的CH₄的质量：

$M\left(t\right)=2\mathrm{\φ}{\mathrm{SMC}}_0\sqrt{\frac{\mathrm{Dt}}{\mathrm{\π}}}$     等式2

其中：

基质的孔隙率，

S：水/气体接触表面，

M：CH₄的分子量。

b)确定CH₄泄漏至覆盖的地下蓄水层

根据一个实施方式，也可能确定注射的CH₄泄漏到储存区域(藏)以外。根据该方法，监测区域，即通过监测孔和取样器的方式取样的区域是位于底土区域之上的地下蓄水层，向该地下蓄水层中注射CH₄。通过确定在该地下蓄水层中溶解的CH₄的量来检测CH₄泄漏到注射区域以外(使用本发明的CH₄扩散模型(阶段6a))。

在覆盖地下蓄水层中的这种类型的监测避免了必须设定穿过地质覆盖的监测孔，该地质覆盖将CH₄保持在地下层中。此外，迄今为止，扩散现象是冠岩内的主要现象，更为有趣的是关于稀有气体，以及由此的本发明的方法。

该方法允许对在可通过常规方式检测CH₄泄漏之前提供的时间限制进行定量，并且建立泄漏修复和密封方案。这是基于稀有气体具有比CH₄低得多的检测阈值并且它们扩散地更快。由此，根据本发明的方法在可在检测到地下蓄水层中CH₄浓度的增加之前通过地球化学测量检测到CH₄泄漏。

图4显示了对测量校正的氦气和CH₄扩散模型(曲线)。SHe显示了进行地球化学测量时氦气浓度增加的检测阈值。SCH₄进行地球化学测量时CH₄浓度增加的检测阈值。因此，TDHe显示可检测到氦气浓度增加时的日期，并且TDCH₄显示可检测到CH₄浓度增加时的日期。然后可计算供采取行动并固定潜在CH₄泄漏的时限DEL。

对于本发明通过用气体注射压裂进行烃回收的实施方式，可测定向监测区域中注射的气体的量以检测监测区域中的注射的气体泄漏。可通过以与上述阶段a)、b)和c)相同的方式进行，使用更新的注射的气体扩散模型来实现这种测定。

此外，通过对用于压裂的注射的气体的分析(以相当的体积计)，本发明的方法允许在勘探/开发位点上获知烃泄漏。

通过氦气注射的压裂对于本发明的方法是有优势的，因为注射氦气(稀有气体)以大量压裂岩石，并且因此，为避免泄漏，更大量的氦气存在于监测区域中，这允许更容易和快速地检测泄漏。

本发明的方法特别适于监测地下层，从中提取页岩油和/或页岩气，并且其中进行了通过注射气体(如氟丙烷或氦气)的压裂。

Claims (9)

1.一种监测地下层的方法，其中所述地下层中可回收非常规烃类，在所述地下层中存在至少一种稀有气体，其特征在于进行以下阶段：

a)选择所述稀有气体的扩散模型和待回收的烃的扩散模型，各模型描述了浓度随时间、深度和扩散系数的变化，

b)在回收所述烃之前，从位于所述地下层之上的称作底土监测区域的区域中存在的流体中取至少第一样品，并且测量所述第一样品中至少一种稀有气体的组成，

c)在所述烃回收期间和/或之后，从所述监测区域中存在的流体中取至少第二样品，并且测量所述第二样品中所述稀有气体的浓度，

d)在不同的时间重复阶段c)，

e)当所述稀有气体的所述浓度增加时，调节所述稀有气体扩散模型的有效扩散系数，使得所述稀有气体扩散模型与所述测量结果一致，并且推导所述扩散系数和所述经调节的扩散系数之间的比率，并且

f)对所述待回收的烃的扩散模型应用所述比率，从而确定在时间t时所述监测区域中存在的所述待回收的烃的量。

2.如权利要求1所述的方法，所述监测区域是地下蓄水层。

3.如前述权利要求中任一项所述的方法，通过测定所述监测区域中存在的待回收的烃的量的方式检测所述待回收的烃从地下层的泄漏。

4.如前述权利要求中任一项所述的方法，通过压裂所述地下层回收所述非常规烃类。

5.如权利要求4所述的方法，通过注射气体如氟丙烷或氦气来进行所述压裂。

6.如权利要求5所述的方法，通过所述注射的气体的扩散模型测定在时间t时所述监测区域中存在的所述注射的气体的量，对所述注射的气体应用所述扩散系数和所述经调节的扩散系数之间的所述比率。

7.如权利要求5或6中任一项所述的方法，所述注射的气体包含至少一种稀有气体。

8.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述烃类包含甲烷。

9.如前述权利要求中任一项所述的方法，所述稀有气体是氦气或氩气。