CN107766657A - 一种页岩气组成定量判识方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种页岩气组成定量判识方法，属于页岩气领域，包括如下步骤：分别对不同类型的干酪根及其生成的原油进行热模拟，并构建相应的图版，其中一种构建方法如下：选取某类型干酪根进行热模拟实验，对干酪根进行升温，并在不同的温度节点采集热解产物并测试其中甲烷的碳、氢同位素值，得干酪根趋势线方程；选取相同类型的干酪根生成的原油进行热模拟实验，参照干酪根热模拟过程，得原油趋势线方程；然后构建该类型干酪根的热解甲烷碳‑氢同位素图版；现场样品采集并测试气体中甲烷碳、氢同位素值；再通过公式计算页岩气中原油裂解气的比例。本发明不仅能定性的判断页岩气中干酪根裂解气和原油裂解气的相对贡献，更能实现定量化。

Description

一种页岩气组成定量判识方法

技术领域

本发明涉及页岩气领域，特别是涉及一种尤其适用于页岩气中干酪根裂解气和原油裂解气的组成定量判识方法。

背景技术

伴随着经济发展对油气资源需求的不断增长和世界油气工业的快速发展，常规的油气资源在剩余油气资源中所占的比例越来越小，非常规油气资源逐渐成为了全球油气勘探开发的热点和接替资源。尤其是美国、加拿大和中国页岩气产量已经取得重大突破，使得页岩气在能源经济结构中占的比重日趋增长。页岩具有低孔低渗的特征，早期生成的大量液态烃类很难大规模运移出去造就了页岩气藏具有自生自储的特点，在有机质进入更高演化阶段，由于液态烃类的相对不稳定性使其开始发生裂解向气态烃类转化，并最终转化成以甲烷为主的小分子烃类，因此页岩气藏气中应当既有干酪根直接热降解成因的烃气，也有早期有机质热演化产生的滞留在页岩内部的液态烃类二次裂解气态烃。如何判识页岩气是干酪根直接降解生成气还是原油裂解气关系着勘探潜力评价和目标区的选取。然而，一个页岩气藏中究竟有多少是干酪根直接降解生成的气，又会有多少是二次裂解气，特别是针对我国南方高-过成熟页岩气目前还未见有相关的定量判识方法。

目前天然气组成的定性判识方法主要由以下几种：(1)C₁/C₂—C₂/C₃图版法：利用干酪根热模拟实验生成的天然气的气体组分进行判别，认为在C₂/C₃接近或相同的条件下，C₁/C₂、C₁/C₃和干燥系数等明显相对较高的天然气为干酪根裂解气，否则为原油裂解气。(2)δ¹³C₂-δ¹³C₃—ln(C₂/C₃)图版法：该方法利用乙烷和丙烷的碳同位素差值结合乙烷、丙烷的含量来判别，认为干酪根初次裂解气δ¹³C₂与δ¹³C₃分馏较大，其差值呈负斜率的近垂直方向总体变大，而ln(C₂/C₃)基本不变；原油裂解气δ¹³C₂与δ¹³C₃分馏较小，其差值基本呈水平方向变化，相反ln(C₂/C₃)值急剧变大。(3)轻烃组成判别：通过对原油和干酪根的热解模拟生气实验中烃类产物中轻烃的组成进行对比研究，这两种裂解气在轻烃组成上存在差别，可以用甲基环己烷/正庚烷和(2-甲基己烷+3-甲基己烷)/正己烷这两项指标来进行判别。一般情况下原油裂解气这两项指标均较高，前者比值大于1.0，后者比值大于0.5，而干酪根裂解气则这两个指标则刚好相反。

整体来看，现有的天然气组成判识方法主要存在以下问题和不足：

1.现有的天然气组成判识方法并不针对页岩气，页岩气的成藏机理与常规天然气存在很大差别，拿现有方法判识页岩气的组成可能产生错误的结论；2.现有的天然气组成判识方法尚处于定性阶段，无法计算出天然气中干酪根裂解气和原油裂解气各自所占的比例；3.现有的天然气组成判识方法均需要丙烷含量数据或者是轻烃组成数据，然而，对于我国南方高-过成熟页岩气来说，页岩气中的烃类主要是甲烷，普遍缺乏丙烷，甚至乙烷含量也只是微量。此外，由于页岩成熟度高，难以获得轻烃数据，因此，现有方法无法用于高-过成熟页岩气组成的判别；4.现有图版是在一定区域或位置的气田气或者一定区域的源岩热解生成气的基础上建立起来的，所以只能适应于某类特定的相似的盆地中气体来源的判识，因此，应用存在很大的局限性。

由此可见，由于页岩气具有成藏机理特殊，页岩成熟度跨度大等特征，现有方法无法适用于页岩气的组成判识，更无法将页岩气中干酪根裂解气和原油裂解气各自所占的比例定量化。总之，如何创设一种操作简便并且能够准确判识页岩气中干酪根裂解气和原油裂解气占比的方法，是当前页岩气领域的重要研究课题。

发明内容

本发明的目的是提供一种操作简便并能够准确判识页岩气中干酪根裂解气和原油裂解气占比的页岩气组成定量判识方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明提供一种页岩气组成定量判识方法，包括如下步骤：

1)分别对不同类型的干酪根及其生成的原油进行热模拟，并构建相应的图版，其中某类型的干酪根及其生成的原油的热模拟实验及图版构建方法如下：

某类型干酪根热模拟：选取干酪根进行开放体系的热模拟实验，通过设置升温程序对干酪根进行升温，并在不同的温度节点采集热解产物，随后测试该温度节点的热解产物中甲烷的碳、氢同位素值，得到干酪根随温度升高的热解甲烷碳、氢同位素变化趋势，通过拟合函数获得干酪根的热解甲烷碳-氢同位素变化趋势线方程，记为干酪根趋势线方程；

母质类型原油热模拟：选取与上述干酪根类型相同的干酪根生成的原油进行热模拟实验，参照干酪根热模拟过程，在不同的温度节点测试其热解产物中甲烷的碳、氢同位素值，得到原油随温度升高的热解产物中甲烷碳、氢同位素变化趋势，通过拟合函数获得所述原油的热解甲烷碳-氢同位素变化趋势线方程，记为原油趋势线方程；

将拟合的干酪根趋势线方程和所述原油趋势线方程作为该类型干酪根及其生成的原油的热解甲烷碳-氢同位素图版；

其他类型的干酪根与其相同类型的干酪根生成的原油的热解甲烷碳-氢同位素图版的制作方法与所述步骤1)中所述的构建方法相同；

2)采集样本，现场样品采集并测试气体中甲烷的碳、氢同位素值，分别记为δ¹³C_1(样品)、δ²H_(样品)；

3)对页岩气组成进行定量计算：根据页岩气样品对应页岩层位的干酪根类型，选取对应干酪根类型的图版，将δ²H_(样品)值分别代入该图版的干酪根趋势线方程和与其相同类型原油趋势线方程，分别得到对应的干酪根及其原油的碳同位素值δ¹³C_{1(干酪根热解)}、δ¹³C_{1(原油热解)}；

则页岩气中原油裂解气的比例计算公式为：

原油裂解气_(样品)(％)＝(δ¹³C_1(样品)-δ¹³C_{1(干酪根热解)})×100/(δ¹³C_{1(原油热解)}-δ¹³C_{1(干酪根热解)})；

干酪根裂解气的比例计算公式为：

干酪根裂解气_(样品)(％)＝1-原油裂解气_(样品)(％)。

该计算公式如此而来：假设页岩气中原油裂解气的比例为a，干酪根裂解气的比例即为1-a，可建立公式：δ¹³C_1(样品)＝δ¹³C_{1(原油热解)}×a+δ¹³C_{1(干酪根热解)}×(1-a)，解方程即可得到a＝原油裂解气_(样品)(％)＝(δ¹³C_1(样品)-δ¹³C_{1(干酪根热解)})×100/(δ¹³C_{1(原油热解)}-δ¹³C_{1(干酪根热解)})，通过公式计算页岩气中干酪根裂解气和原油裂解气的占比，式中δ¹³C₁为甲烷的碳同位素值，等同于δ¹³C-CH₄。

干酪根裂解气的比例计算公式为：

干酪根裂解气_(样品)(％)＝1-原油裂解气_(样品)(％)。

本发明可以根据干酪根的类型(I型、II型或III型)提前绘制I型、II型或III型干酪根相对应的图版，待实际检测样品的页岩气时可直接根据当时测试的数据计算得到样品页岩气的定量组成。

进一步地，所述干酪根的类型包括I型干酪根、II型干酪根或III型干酪根。主要根据页岩气中有机质形成的来源，判断样品干酪根的类型。

进一步地，所述步骤1)中不同类型干酪根热模拟中的升温程序为：以20℃/h升温，最高温度设定为600℃，所述原油热模拟的升温程序参照所述干酪根热模拟，可以相同，也可以略有差异。

进一步地，在升温过程中在不同温度节点采集热解产物，在50℃时采集热解产物，其后每隔50℃时采集一次热解产物。

进一步地，在升温过程中在不同温度节点采集热解产物，不同的温度节点分别为：300℃之前分别于50℃、100℃、150℃、200℃、250℃和300℃时采集热解产物，300℃之后每间隔20℃采集一次热解产物。

进一步地，所述步骤2)现场采集的样品的方法为在钻井现场对页岩气井进行气体样品直接采集。

进一步地，所述步骤2)现场采集的样品的方法为在钻井现场对页岩岩心进行现场解吸实验后采集解吸气样。

进一步地，所述步骤1)中干酪根热模拟实验中，干酪根为未成熟干酪根。

由于采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

(1)本发明针对现有方法适用性差、无法定量等问题，采用实验模拟结合理论计算的手段，并选取页岩气中最主要的成分(甲烷)的各项参数作为指标，建立页岩气中干酪根裂解气和原油裂解气占比的计算方法，可适用于任何成熟度阶段页岩气组成的判识，很好的解决了高-过成熟页岩气组成判识难的问题；

(2)本发明不仅能定性的判断页岩气中干酪根裂解气和原油裂解气的相对贡献，更能实现两者的定量化；

(3)本发明相比现有方法，将不同沉积母质类型分开讨论，建立相应的图版，更加符合地质逻辑；并基于不同沉积母质类型的热演化产物中甲烷的碳、氢同位素变化而来，这种规律具有普遍性，不是来自于某一特定研究区，故适用性较现有方法更广泛。

附图说明

上述仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，以下结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。

图1本发明测试页岩类型为II型干酪根的干酪根及其原油的热解曲线图版的一个实施例的示意图。

具体实施方式

本发明提供一种页岩气组成定量判识方法的一个实施例，以样品中的页岩干酪根为II型干酪根为例：具体地，包括如下步骤：

(1)步骤A:选取未成熟II型干酪根进行开放体系热模拟实验，通过设置升温程序对干酪根进行升温，升温程序为：以20℃/h升温，最高温度设定为600℃，并于300℃之前分别于50℃、100℃、150℃、200℃、250℃和300℃的温度节点采集热解产物，300℃之后每间隔20℃的温度节点采集一次热解产物，并测试每个温度节点的热解产物中甲烷的碳、氢同位素值，得到干酪根随温度升高的热解甲烷碳、氢同位素变化趋势，测试结果数据(三角形)投入图版中，这些数据拟合得到干酪根热解产物中甲烷碳、氢同位素变化趋势线为y＝0.0857x-11.429；

步骤B:选取II型干酪根母质类型的原油进行开放体系热模拟实验，通过设置升温程序对原油进行升温，升温程序为：以20℃/h升温，最高温度设定为600℃，并于300℃之前分别于50℃、100℃、150℃、200℃、250℃和300℃的温度节点采集热解产物，300℃之后每间隔20℃的温度节点采集一次热解产物，并测试每个温度节点的热解产物中甲烷的碳、氢同位素值，测试结果数据(圆点)投入图版中，这些数据拟合得到原油热解产物中甲烷碳、氢同位素变化趋势线为y＝0.1517x-18；

将步骤A与步骤B中的趋势线方程作为II型干酪根及其生成的原油的的热解甲烷碳-氢图版(简称II型甲烷碳-氢图版)；

(2)在某实际研究区(页岩干酪根类型为II型)页岩气钻井现场采集气体样品，对气体样品进行甲烷碳、氢同位素测试，得到该样品的甲烷碳、氢同位素值分别记为δ¹³C₁、δ²H，其中，δ¹³C₁为甲烷的碳同位素值，等同于δ¹³C₁-CH₄，δ²H为甲烷的氢同位素值，等同于δ²H-CH₄；例如，该样品中的测试结果为δ¹³C₁＝-33.2‰，δ²H＝-150‰，即如图1中C点(-150，-33.2)；

(3)在图中过C点作垂线，交于两条趋势线，即干酪根热解曲线y＝0.0857x-11.429和原油热解曲线y＝0.1517x-18，交点分别为A(-150，-40.76)，B(-150，-24.28)，则相对应的，原油裂解气甲烷的碳同位素值δ¹³C_{1(原油热解)}＝-40.76‰和干酪根裂解气甲烷的碳同位素值δ¹³C_{1(干酪根裂解)}＝-24.28‰，通过以下公式：

原油裂解气_(样品)(％)＝(δ¹³C_1(样品)-δ¹³C_{1(干酪根热解)})×100/(δ¹³C_{1(原油热解)}-δ¹³C_{1(干酪根热解)})

即可计算出该页岩气样品中原油裂解气所占的比例为54.1％，干酪根裂解气所占的比例为45.9％。

对于干酪根为其他类型(例如I型或III型干酪根)的页岩气的测量，也是可以提前绘制版图，进行热模拟实验建立相应的版图，可以获得例如上述II型甲烷碳-氢图版的版图，即I型甲烷碳-氢图版的版图、III型甲烷碳-氢图版的版图，然后将页岩气的测量数据带入相应类型的版图即可。

已有研究发现，相同来源的干酪根和原油在同等成熟度条件下氢同位素值变化不大，即干酪根生成的原油和原始干酪根有类似的氢同位素组成，而碳同位素值却不同，因此本发明以氢同位素作为计算端元的参数。

本发明针对现有方法适用性差、无法定量等问题，采用实验模拟结合理论计算的手段，并选取页岩气中最主要的成分(甲烷)的各项参数作为指标，建立页岩气中干酪根裂解气和原油裂解气占比的计算方法，可适用于任何成熟度阶段页岩气组成的判识，很好的解决了高-过成熟页岩气组成判识难的问题；本发明不仅能定性的判断页岩气中干酪根裂解气和原油裂解气的相对贡献，更能实现两者的定量化；本发明相比现有方法，将不同沉积母质类型分开讨论，建立相应的图版，更加符合地质逻辑；并基于不同沉积母质类型的热演化产物中甲烷的碳、氢同位素变化而来，这种规律具有普遍性，不是来自于某一特定研究区，故适用性较现有方法更广泛。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种页岩气组成定量判识方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)分别对不同类型的干酪根及其生成的原油进行热模拟，并构建相应的图版，其中某类型的干酪根及其生成的原油的热模拟实验及图版构建方法如下：

某类型干酪根热模拟：选取干酪根进行开放体系的热模拟实验，通过设置升温程序对干酪根进行升温，并在不同的温度节点采集热解产物，随后测试该温度节点的热解产物中甲烷的碳、氢同位素值，得到干酪根随温度升高的热解甲烷碳、氢同位素变化趋势，通过拟合函数获得干酪根的热解甲烷碳-氢同位素变化趋势线方程，记为干酪根趋势线方程；

母质类型原油热模拟：选取与上述干酪根类型相同的干酪根生成的原油进行热模拟实验，参照干酪根热模拟过程，在不同的温度节点测试其热解产物中甲烷的碳、氢同位素值，得到原油随温度升高的热解产物中甲烷碳、氢同位素变化趋势，通过拟合函数获得所述原油的热解甲烷碳-氢同位素变化趋势线方程，记为原油趋势线方程；

将拟合的干酪根趋势线方程和所述原油趋势线方程作为该类型干酪根及其生成的原油的热解甲烷碳-氢同位素图版；

其他类型的干酪根和与其相同类型的干酪根生成的原油的热解甲烷碳-氢同位素图版的构建方法与上述构建方法相同；

2)采集页岩气样品：现场样品采集并测试气体中甲烷的碳、氢同位素值，分别记为δ¹³C_1样品、δ²H_样品；

3)对页岩气组成进行定量计算：根据页岩气样品对应页岩层位的干酪根类型，选取对应的图版，将δ²H_样品值分别代入该图版的干酪根趋势线方程和与其相同类型原油趋势线方程，分别得到对应的干酪根及其原油的碳同位素值δ¹³C_{1干酪根热解}、δ¹³C_{1原油热解}；

则页岩气中原油裂解气的比例计算公式为：

原油裂解气_样品％＝(δ¹³C_1样品-δ¹³C_{1干酪根热解})×100/(δ¹³C_{1原油热解}-δ¹³C_{1干酪根热解})；

干酪根裂解气的比例计算公式为：

干酪根裂解气_样品％＝1-原油裂解气_样品％。

2.根据权利要求1所述的页岩气组成定量判识方法，其特征在于，所述干酪根的类型包括I型干酪根、II型干酪根或III型干酪根。

3.根据权利要求1所述的页岩气组成定量判识方法，其特征在于，所述步骤1)中不同类型干酪根热模拟中的升温程序为：以20℃/h升温，最高温度设定为600℃，所述原油热模拟的升温程序参照所述干酪根热模拟。

4.根据权利要求3所述的页岩气组成定量判识方法，其特征在于，在升温过程中在不同温度节点采集热解产物，在50℃时采集热解产物，其后每隔50℃时采集一次热解产物。

5.根据权利要求3所述的页岩气组成定量判识方法，其特征在于，在升温过程中在不同温度节点采集热解产物，不同的温度节点分别为：300℃之前分别于50℃、100℃、150℃、200℃、250℃和300℃时采集热解产物，300℃之后每间隔20℃采集一次热解产物。

6.根据权利要求1至5任一所述的页岩气组成定量判识方法，其特征在于，所述步骤2)现场采集的样品的方法为在钻井现场对页岩气井进行气体样品直接采集。

7.根据权利要求1至5任一所述的页岩气组成定量判识方法，其特征在于，所述步骤2)现场采集的样品的方法为在钻井现场对页岩岩心进行现场解吸实验后采集解吸气样。

8.根据权利要求1至5任一所述的页岩气组成定量判识方法，其特征在于，所述步骤1)中干酪根热模拟实验中，干酪根为未成熟干酪根。