CN105842416B

CN105842416B - 一种基于兰格缪尔模型的页岩吸附气含量动态计算方法

Info

Publication number: CN105842416B
Application number: CN201510022085.8A
Authority: CN
Inventors: 张筠; 何传亮; 葛祥; 黎泽刚; 樊靖宇; 季凤玲; 李阳兵; 张世懋; 何会
Original assignee: Sinopec Southwest Petroleum Engineering Co Ltd
Current assignee: Sinopec Southwest Petroleum Engineering Co Ltd
Priority date: 2015-01-16
Filing date: 2015-01-16
Publication date: 2018-06-29
Anticipated expiration: 2035-01-16
Also published as: CN105842416A

Abstract

本发明公开了一种基于兰格缪尔模型的页岩吸附气含量动态计算方法，以实验分析和测井数据为基础，通过对页岩吸附气含量的影响因素分析，发现了兰格缪尔体积和兰格缪尔压力随温度、压力和总有机碳含量变化的规律，从而提出一种基于兰格缪尔模型的页岩吸附气含量的动态计算方法，解决了页岩吸附气含量的计算难题，具有较高的计算精度。

Description

一种基于兰格缪尔模型的页岩吸附气含量动态计算方法

技术领域

本发明涉及页岩气测井评价技术领域，主要涉及利用测井信息定量计算页岩吸附气含量的方法。

背景技术

2011年底，中国将页岩气正式列为新矿种并成为油气资源的新增长点，其中页岩吸附气含量的评价是页岩气勘探开发中的核心技术和技术难题。吸附气含量的准确性则直接影响了页岩气储层评价和储量计算结果的精度，影响勘探开发的决策。

目前吸附气含量的计算途径主要有三种：

一是采用实验室确定的兰格缪尔体积和兰格缪尔压力直接计算吸附气含量。这是静态数据，需要大量实验数据支持，且只能应用于地质背景稳定的同一地区、同一层位。

二是采用概率统计方法，用测井获得的体积密度等信息与岩心总有机碳含量进行拟合，确定地区的总有机碳含量计算公式；再利用总有机碳含量与实验室确定的岩心吸附气含量之间的拟合关系计算吸附气含量。这也需要大量岩心实验分析做支撑，如果埋深、温度、压力等地层条件发生明显变化，则以前的统计规律就不适用了，需用重新取岩心进行分析，将浪费大量资金与时间。

三是依靠斯伦贝谢等美国公司的页岩气解释技术计算吸附气含量。但是，美国页岩吸附气含量解释技术在中国应用时主要存在一些不足：两国页岩气藏的地质背景差异较大。美国页岩气有机质主要处于中低成熟阶段、埋深较浅，而中国页岩气有机质主要处于过成熟阶段、埋深较大。美国公司的页岩吸附气含量计算方法基于本国的页岩岩心实验分析结果，它的计算公式缺乏中国页岩气储层的岩心标定，其计算结果的误差可能较大。

为此，本发明利用测井信息并结合实验分析数据，通过有限的岩心实验建立兰格缪尔体积和兰格缪尔压力随温度、压力和TOC变化的规律，或确定兰格缪尔体积和兰格缪尔压力之间的关系，就可以根据测井资料准确计算页岩吸附气含量，结果准确可信，并将节约大量钻井取心和分析化验的时间和费用。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种页岩吸附气含量的定量计算方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于兰格缪尔模型的页岩吸附气含量动态计算方法，采用如下公式计算吸附气含量：

式中，Agas为吸附气含量，单位：m³/t；

T为地层温度，单位：℃；

P为地层压力，单位：MPa；

F(T)为兰格缪尔体积的温度校正函数；

V_L0为标准温度条件下的兰格缪尔体积，单位：m³/t；

P_Lt为任意气藏温度条件下的兰格缪尔压力，单位：MPa。

与现有技术相比，本发明的积极效果是：本发明利用测井信息并结合实验分析数据，通过有限的岩心实验建立兰格缪尔体积和兰格缪尔压力随温度、压力和TOC变化的规律，或确定兰格缪尔体积和兰格缪尔压力之间的关系，就可以根据测井资料准确计算页岩吸附气含量，结果准确可信。从而形成了可以在不同地区、不同地质条件下应用的页岩吸附气含量定量计算方法，解决了页岩吸附气含量评价难题，具有较高的计算精度。

附图说明

本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：

图1本发明实施例的体积密度与有机碳含量TOC关系图；

图2本发明实施例的同块页岩样品在不同温度下的等温吸附曲线图；

图3本发明实施例的不同温度下吸附气量的比值与压力关系图；

图4本发明实施例的兰氏体积随温度变化特征关系图；

图5本发明实施例的不同页岩样品等温吸附线；

图6本发明实施例的TOC与标准温度下兰氏体积V_L0关系图；

图7本发明实施例的兰氏压力随温度变化特征关系图；

图8本发明实施例的兰氏压力P_LT与兰氏体积V_LT关系图；

图9本发明实施例的地层压力与深度关系图；

图10本发明实施例的测井计算与实测含气量关系图。

具体实施方式

Langmuir模型是目前常用的描述煤和页岩干酪根吸附甲烷等温线的一种模型，而兰格缪尔体积V_L和兰格缪尔压力P_L是确定吸附气含量的最重要参数。

一种基于兰格缪尔模型的页岩吸附气含量动态计算方法，其计算模型为：

式中，

Agas为吸附气含量，m³/t；

T为地层温度，T₀为实验室标准温度，℃；

V_LT为任意温度下的兰格缪尔体积，m³/t，V_LT＝V_L0*F(T)；

F(T)为兰格缪尔体积的温度校正函数，F(T)＝exp(A*(T-T₀))；

V_L0为标准温度下的兰格缪尔体积，m³/t，V_L0＝A₁*TOC+B₁；

P_LT为任意温度下的兰格缪尔压力，MPa，P_LT＝A₂*exp(B₂*T)*P_L0或P_LT＝A₃*V_LT+B₃；

P_L0为实验标准条件下的兰格缪尔压力，MPa；

P为地层压力，MPa，P＝A₄*exp(B₄*Dep)；Dep为垂直井深，m；

A、A₁、A₂、A₃、A₄、B₁、B₂、B₃和B₄均为拟合系数，无量纲，由实验数据标定。

以下为页岩吸附气含量具体计算方法的举例说明：

(1)建立有机碳含量TOC计算模型

有机碳含量(TOC)是反映页岩有机质丰度和生烃潜力的主要指标，国内外常用的方法包括实验室测量TOC、基于测井计算TOC的△logR模型、体积密度概率模型及多元线性回归模型等。通过多方法比较分析后，本技术采用效果较好的密度概率模型及体积模型。

第一种方法是密度概率模型：利用实验室测定的总有机碳含量TOC与测井采集的体积密度，建立计算TOC的概率模型如下，二者关系如图1所示。

TOC＝-11.814*ρ+31.94 (R²＝0.8762)

式中，TOC为实验室测定的有机碳含量，％；

ρ为测井采集的体积密度，g/cm³。

第二种方法是体积模型：基于测井解释的体积模型理论，结合实验测定数据、密度测井及计算的孔隙度，建立了计算TOC的体积模型。

式中，ρ为测井的体积密度值，ρ_mg、ρ_m、ρ_f、ρ_TOC分别为实验测定的页岩颗粒密度、骨架密度、流体密度及有机碳密度值，单位均为g/cm³；Φ为测井计算的孔隙度，％。

(2)建立兰格缪尔体积的温度校正函数F(T)

研究表明，随着温度的变化，页岩吸附气含量、兰格缪尔体积和兰格缪尔压力均会发生变化，如图2为某块页岩样品在不同温度下的等温实验吸附曲线。图中纵轴为吸附气量V，横轴为压力P，其中V30、V60、V90、V120等分别表示30℃、60℃、90℃和120℃对应的等温吸附曲线；对应温度下的理论最大吸附气量为兰格缪尔体积，如VL(30)表示30℃对应的兰格缪尔体积；在吸附气量为兰格缪尔体积一半时对应的压力为兰格缪尔压力，如PL(30)表示30℃对应的兰格缪尔压力。

在其他条件相同的情况下，同一块样品在不同温度下的吸附气含量的比值几乎是固定的，并不随压力变化而发生明显变化(如图3)。由于兰格缪尔体积数据通常是在实验室不同温度下获取的，因此需进行温度校正，以建立基于实验室标准温度背景下的吸附气含量计算模型。该特征可用温度校正函数表示：

F(T)＝V_LT/V_L0

式中，T为任意温度；V_L0为实验室标准温度下的兰格缪尔体积；V_LT为任意温度下的兰格缪尔体积；F(T)为温度校正函数，仅与温度相关。

分析发现，随着温度的增加，吸附气含量减小，表征最大吸附能力的兰格缪尔体积V_LT呈指数规律减小，如图4。通过温度与兰格缪尔体积的定量关系，建立了温度校正函数的具体模型为：

F(T)＝V_LT/V_L0

＝[3.9589exp(-0.008*T)]/[3.9589exp(-0.008*T₀)]

将上述模型采用一般表达式：

F(T)＝exp(A*(T-T₀))

式中，T₀为实验室标准温度，比如通常取90℃；T为任意温度；V_L0为标准温度下的兰格缪尔体积；V_LT为任意温度下的兰格缪尔体积；A为拟合系数，介于-0.016～-0.008之间；F(T)为兰格缪尔体积的温度校正函数，仅与温度相关。

(3)建立任意温度下的兰格缪尔体积V_LT计算模型

通过上述模型，可以将实验室条件的兰格缪尔体积转换为任意地层温度下的兰格缪尔体积：

V_LT＝V_L0*F(T)

其中，地层温度T由井温测井获得。

(4)建立标准温度下的兰格缪尔体积V_L0计算模型

在相同实验条件下，不同样品的兰格缪尔等温线则呈各不相同的一簇曲线,如图5为不同页岩样品实验获取的等温线。在同温条件下，不同等温线对应不同的兰格缪尔体积和兰格缪尔压力，这主要由于页岩样品中总有机碳含量不同所致。

采用温度校正模型，将实验室测定的兰格缪尔体积校正到标准温度条件下，得到V_L0。图6为页岩样品的TOC与V_L0关系图，随着TOC的增加，V_L0增大，二者具有良好的线性关系。其关系式为：

V_L0＝0.7184*TOC+0.804

(5)建立任意温度下兰格缪尔压力P_LT计算模型

实验表明，对于同一块样品，随着温度的增加，兰格缪尔压力呈较稳定的指数规律减小，如图7。随着兰格缪尔体积的增加，兰格缪尔压力也逐渐增加，二者呈良好的线性关系。如图8为兰格缪尔压力与兰格缪尔体积的关系图。

因此，兰格缪尔压力可以用与温度的关系计算，也可以用与兰氏体积的关系计算，二者可以相互验证。兰格缪尔压力P_LT的计算模型为：

P_LT＝4.37*exp(-0.004*T)*P_L0

P_LT＝0.4266*V_LT+0.8358

(6)确定地层压力

实验表明，随着压力增加，吸附气含量增加。地层压力参数可以由现场测试得到。另外，一般随深度增加，地层压力逐渐增加，近似呈指数关系，故可以用该方法确定地层压力，如图9。地层压力计算模型为：

P＝12.622*exp(0.0003*Dep)

式中，P为地层压力(Mpa)；Dep为垂直井深(m)。

(7)建立页岩吸附气含量定量计算模型

综合上面的定量分析，改进兰格缪尔方程，建立了适用于地层条件的页岩吸附气含量的动态计算模型

式中：

Agas为吸附气含量(m³/t)；

F(T)＝exp(A*(T-T₀))，为温度校正函数；A为拟合系数，无量纲；

V_L0＝0.7184*TOC+0.804，为标准温度下的兰格缪尔体积(m³/t)；

V_LT＝V_L0*F(T)，为任意温度下的兰格缪尔体积(m³/t)；

P_LT＝4.37*exp(-0.004*T)*P_L0或者P_LT＝0.4266*V_LT+0.8358，为任意温度下的兰格缪尔压力(Mpa)；

P_L0为实验标准条件下的兰格缪尔压力，单位：MPa；

P＝12.622*exp(0.0003*Dep)，为地层压力(Mpa)；

T为温度(℃)。

因此，页岩吸附气含量定量计算的通用模型可以表示为：

F(T)＝exp(A*(T-T₀))

V_L0＝A₁*TOC+B₁

V_LT＝V_L0*F(T)，为任意温度下的兰格缪尔体积(m³/t)；

P_LT＝A₂*exp(B₂*T)*P_L0或P_LT＝A₃*V_LT+B₃；

P＝A₄*exp(B₄*Dep)

TOC＝A₅*ρ+B₅

式中，A、A₁、A₂、A₃、A₄、A₅、B₁、B₂、B₃、B₄和B₅均为拟合系数，在不同地区由具体实验数据标定。

基于建立的页岩吸附气含量计算模型，其计算成果与实测含气量具有很好的相关关系，相关系数R²＝0.91，如图10所示。采用该方法对多口页岩气井的含气量进行了计算。从应用结果来看，本发明方法在实际计算中具有较高的精度，应用效果较好。

Claims

1.一种基于兰格缪尔模型的页岩吸附气含量动态计算方法，其特征在于：采用如下公式计算吸附气含量：

式中，A_gas为吸附气含量，单位：m³/t；

T为地层温度，单位：℃；

P为地层压力，单位：MPa，P＝A₄*exp(B₄*Dep)，式中：Dep为垂直井深，m；A₄、B₄均为拟合系数，由实验数据标定；

F(T)为兰格缪尔体积的温度校正函数，F(T)＝exp(A*(T-T₀))，式中，T₀为实验室标准温度；A为拟合系数，介于-0.016～-0.008之间，由实验数据标定；

P_Lt为任意气藏温度条件下的兰格缪尔压力，单位：MPa；所述P_LT＝A₂*exp(B₂*T)*P_L0，式中：P_L0为实验标准条件下的兰格缪尔压力，单位：MPa；A₂、B₂均为拟合系数，由实验数据标定；或者所述P_LT＝A₃*V_LT+B₃；式中：V_LT＝V_L0*F(T)，A₃、B₃均为拟合系数，由实验数据标定；

V_L0为标准温度条件下的兰格缪尔体积，单位：m³/t，V_L0＝A₁*TOC+B₁，式中：TOC为总有机碳含量，％；A₁、B₁均为拟合系数，由实验数据标定。

2.根据权利要求1所述的一种基于兰格缪尔模型的页岩吸附气含量动态计算方法，其特征在于：所述总有机碳含量TOC＝A₅*ρ+B₅，式中：ρ为测量岩石体积密度，g/cm³；A₅、B₅均为拟合系数，由实验数据标定。

3.根据权利要求1所述的一种基于兰格缪尔模型的页岩吸附气含量动态计算方法，其特征在于：所述总有机碳含量TOC为：

式中，ρ为测井的体积密度值，ρ_mg、ρ_m、ρ_f、ρ_TOC分别为实验测定的页岩颗粒密度、骨架密度、流体密度及有机碳密度值，单位均为g/cm³；Φ为孔隙度，％。