CN110530910B - 一种模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法 - Google Patents

一种模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法，包括如下步骤：步骤一，对阵列纳米管的管壁进行分子修饰，得到致密岩石微纳孔隙模型；步骤二，将步骤一得到的致密岩石微纳孔隙模型置于容器中，向容器中充注储层油气，并对容器加压加热；步骤三，对容器进行同步辐射、中子散射和核磁共振测试，得到储层油气在致密岩石微纳孔隙模型中的原子排布和密度；步骤四，分析步骤三得到的原子排布和密度，表征模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态。本发明采用阵列纳米管模仿致密岩石微纳尺度孔隙，通过对列阵纳米管管壁的分子修饰，使其具有与致密岩石类似的原子种类和元素组成，从而实现真实描述致密岩石微纳尺度孔隙结构。

Description

一种模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法
技术领域
本发明涉及石油与天然气开采技术领域。更具体地，涉及一种模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法。
背景技术
我国非常规油气(特指页岩油、页岩气、致密岩气等)资源丰富，其中陆上非常规天然气地质资源量132万亿立方米(据中国石油第四次油气资源评价结果)，是常规天然气资源量的3倍，已成为油气可持续发展的重要基础。然而非常规油气开采难度极大，油气赋存在渗透率极低的致密岩石微纳米孔隙裂缝中。油气赋存相态是油气高效开采的基础。
物理学研究表明，流体在高温高压且限域空间(例如纳米孔道)内，将以“类固态密堆”形式存在，其密度远超过游离态气体密度。致密岩石发育大量微纳米孔道，深埋于地下高温高压环境，其赋存机理仍然不清，同时天然气赋存相态对天然气吸附量、气体产出预测及储量估算具有重要意义。
因此，本发明提供一种模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法，以解决上述问题。
发明内容
本发明的一个目的在于提供一种模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法。该方法准确描述了真实地层条件下甲烷在致密岩石微纳尺度孔隙中的赋存相态，其利用中子对物质的高穿透能力，为探测高压釜内甲烷分子排列方式提供了关键的手段；同时硅片上生产纳米管列阵为准确模拟致密岩石微纳孔隙提供了快捷、精确的途径。
本发明的另一个目的在于提供一种中子散射方法在致密岩石微纳尺度孔隙甲烷赋存相态表征中的应用。
为达到上述目的，本发明采用下述技术方案：
一种模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法，包括如下步骤：
步骤一，对阵列纳米管的管壁进行分子修饰，得到致密岩石微纳孔隙模型；
步骤二，将步骤一得到的致密岩石微纳孔隙模型置于容器中，向容器中充注储层油气，并对容器加压加热；
步骤三，对容器进行同步辐射、中子散射和核磁共振测试，得到储层油气在致密岩石微纳孔隙模型中的原子排布和密度；
步骤四，分析步骤三得到的原子排布和密度，表征模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态。
优选地，步骤一中，所述阵列纳米管通过在硅片上定向生长得到；进一步地，在硅片上定向生长阵列纳米管之前还包括对硅片进行抛光处理的步骤；进一步地，采用氩离子抛光硅片。
优选地，步骤一中，所述对阵列纳米管的管壁进行分子修饰的具体过程包括：分析致密岩石的元素组成，根据分析得到的元素组成比例对阵列纳米管的管壁进行分子修饰。
进一步地，所述分析致密岩石的元素组成为通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和傅氏转换红外线光谱(FTIR)分析得到致密岩石的元素组成。
优选地，所述致密岩石的元素组成包括碳、氧、氮、磷和硫。
优选地，步骤二中，所述储层油气为甲烷、乙烷和二氧化碳中的一种或多种。
优选地，步骤二中，所述对容器加热加压具体为对容器加热加压至致密岩石所在储层的地层压力和地层温度。
优选地，步骤二中，所述容器为高温高压釜；进一步地，该高温高压釜的材料为石英，满足耐高温120℃且耐压100MPa，可用于核磁共振测试。
优选地，步骤三中，原子排布和密度的分析为采用软件分析，例如可以为Mestrenova核磁数据处理软件。
本发明还提供了一种中子散射方法在表征致密岩石微纳尺度孔隙中甲烷赋存相态的应用。
致密岩石孔隙是甲烷赋存和流动的主要场所，其成分结构复杂，难以准确表征甲烷在致密岩石微纳尺度孔隙的赋存相态，而本发明通过对列阵纳米管管壁的分子修饰，使其具有与致密岩石类似的原子种类和元素组成，从而模拟致密岩石复杂的微纳尺度孔隙；
本发明的技术原理基础是同步辐射、中子散射和核磁共振技术；其中，同步辐射是速度接近光速的带电粒子在磁场中沿弧形轨道运动时放出的电磁辐射。同步辐射是具有从远红外到X光范围内的连续光谱、高强度、高度准直、高度极化、特性可精确控制等优异性能的脉冲光源，可以用以开展其它光源无法实现的许多前沿科学技术研究；中子散射技术利用中子散射方法研究物质的静态结构及物质的微观动力学性质。中子具备不带电、穿透力强、可鉴别同位素、较之X射线对轻元素灵敏、具有磁矩等优点，因此中子散射技术作为一种独特的、从原子和分子尺度上研究物质结构和动态特性的表征手段；核磁共振技术已经广泛应用于医学诊断、石油勘探开发、农业、视频等领域，具有试样可重复使用、无损检测、检测速度快等显著优点。核磁共振技术作为一种岩石物理试验分析检测的手段，通过测定岩石孔隙中流体的核磁特性，来反映油气在致密孔隙中的密度。上述同步辐射、中子散射和核磁共振技术均为现有方法，本发明对此不再赘述。
本发明将中子散射技术应用于致密岩石微纳尺度孔隙储层油气的赋存相态表征，精细描述微纳米孔内储层油气分子的排布方式，为准确判断真实地层条件下储层油气赋存相态提供关键的实验手段；纳米管模拟致密岩石微纳尺度孔隙特性为表征孔隙结构提供原理依据；中子散射分析软件为储层油气赋存相态判别提供技术支撑。
本发明的有益效果如下：
(1)本发明采用阵列纳米管模仿致密岩石微纳尺度孔隙，通过对列阵纳米管管壁的分子修饰，使其具有与致密岩石类似的原子种类和元素组成，从而实现真实描述致密岩石微纳尺度孔隙结构；
(2)本发明采用高温围压釜，可真实地提供地层高温高压环境，为油气赋存条件提供物质基础；
(3)本发明将同步辐射、中子散射和核磁共振方法结合，研究储层油气的赋存相态，为准确判断真实地层条件下储层油气的赋存相态提供关键的实验手段。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。
图1示出本发明提供的模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法的流程图。
图2示出本发明实施例1中致密岩石样品图。
图3示出本发明实施例1中致密岩石样品的元素组成图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例对本发明做进一步的说明。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
由于致密岩石发育大量微纳米孔道，同时深埋于地下高温高压环境，其赋存机理仍然不清，为解决上述问题，本发明提供了一种模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法，其流程如图1所示，包括如下步骤：
S101、对阵列纳米管的管壁进行分子修饰，得到致密岩石微纳孔隙模型；
S102、将步骤S101得到的致密岩石微纳孔隙模型置于容器中，向容器中充注储层油气，并对容器加压加热；
S103、对容器进行同步辐射、中子散射和核磁共振测试，得到储层油气在致密岩石微纳孔隙模型中的原子排布和密度；
S104、分析步骤S103得到的原子排布和密度，表征模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态。
本发明采用阵列纳米管模仿致密岩石微纳尺度孔隙；通过对阵列纳米管的管壁进行分子修饰，使其具有致密岩石孔隙表面性质；通过对容器加热加压来模拟真实地层温度和压力环境；通过同步辐射、中子散射和核磁共振研究储层油气在纳米管内的原子位置、排列方式及密度，从而精确表征致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态。本领域技术人员应当理解的是，同步辐射、中子散射和核磁共振测试方法为常规技术方法，在此不做赘述。
作为本发明一个优选的实施方式，S101中，所述阵列纳米管的制备包括如下步骤：采用氩离子抛光硅片，在抛光后的硅片上定向生长得到阵列纳米管。本领域技术人员应当理解的是，在硅片生长阵列纳米管的方法为常规方法，在此不做赘述。
作为本发明一个优选的实施方式，S101中，所述对阵列纳米管管壁进行分子修饰的具体过程包括：通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和傅氏转换红外线光谱(FTIR)分析致密岩石的元素组成，根据分析得到的元素组成比例对阵列纳米管的管壁进行分子修饰；进一步地，所述致密岩石的元素组成包括碳、氧、氮、磷和硫等。本领域技术人员应当理解的是，对阵列纳米管的管壁进行分子修饰的方法为常规方法，在此不做赘述。
作为本发明一个优选的实施方式，S101中，所述储层油气为甲烷、乙烷和二氧化碳中的一种或多种。
为提供真实地层高温高压环境，为油气赋存条件提供物质基础，作为本发明一个优选的实施方式，S102中，所述对容器加热加压具体为对容器加热加压至致密岩石所在储层的地层压力和地层温度。
为保证容器能够承受储层的地层压力和地层温度，作为本发明一个优选的实施方式，S102中，所述容器为高温高压釜；进一步地，该高温高压釜的材料为石英，满足耐高温120℃且耐压100MPa，可用于核磁共振测试。
作为本发明一个优选的实施方式，S104中，原子排布和密度的分析为采用软件分析。
作为本发明的另一方面，本发明还提供了一种中子散射方法在表征致密岩石微纳尺度孔隙中甲烷赋存相态的应用。
下面，通过实施例对本发明的内容做进一步的说明。
实施例1
本实施例提供了一种模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法，包括如下步骤：
1)取致密岩石样品，通过X射线衍射(XRD)、X射线光电子能谱(XPS)和傅氏转换红外线光谱(FTIR)分析得到该致密岩石样品的元素质量百分数组成为：5％碳元素、19％氧元素、2％镁元素、8％铝元素、59％硅元素、3％钾元素、2％钙元素和2％铁元素(如图2和图3所示)；
采用氩离子抛光硅片，在抛光后的硅片上定向生长得到阵列纳米管；
按照致密岩石样品的元素组成，对阵列纳米管的管壁进行分子修饰，使纳米管管壁具有致密岩石孔隙表面化学性质，模拟致密岩石微纳孔隙，得到致密岩石微纳孔隙模型；
2)将步骤1)得到的致密岩石微纳孔隙模型置于耐高温高压釜中，向釜中充注甲烷，并对釜加压加热至致密岩石样品所在储层的压力45MPa和温度110℃；
3)对步骤2)中容纳有致密岩石微纳孔隙模型和甲烷的高温高压釜进行同步辐射、中子散射和核磁共振测试，得到储层油气在致密岩石微纳孔隙模型中的原子排布和密度；通过软件分析该原子排布和密度，表征模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一，对阵列纳米管的管壁进行分子修饰，得到致密岩石微纳孔隙模型；
所述对阵列纳米管的管壁进行分子修饰的具体过程包括：分析致密岩石的元素组成，根据分析得到的元素组成比例对阵列纳米管的管壁进行分子修饰；
步骤二，将步骤一得到的致密岩石微纳孔隙模型置于容器中，向容器中充注储层油气，并对容器加压加热；
步骤三，对容器进行同步辐射、中子散射和核磁共振测试，得到储层油气在致密岩石微纳孔隙模型中的原子排布和密度；
步骤四，分析步骤三得到的原子排布和密度，表征模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态。
2.根据权利要求1所述的模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法，其特征在于，步骤一中，所述阵列纳米管通过在硅片上定向生长得到。
3.根据权利要求2所述的模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法，其特征在于，在硅片上定向生长阵列纳米管之前还包括对硅片进行抛光处理的步骤。
4.根据权利要求3所述的模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法，其特征在于，所述对硅片进行抛光处理为采用氩离子抛光硅片。
5.根据权利要求1所述的模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法，其特征在于，所述分析致密岩石的元素组成为通过X射线衍射、X射线光电子能谱和傅氏转换红外线光谱分析得到致密岩石的元素组成。
6.根据权利要求1或5所述的模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法，其特征在于，所述致密岩石的元素组成包括碳、氧、氮、磷和硫。
7.根据权利要求1所述的模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法，其特征在于，步骤二中，所述储层油气为甲烷、乙烷和二氧化碳中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的模拟致密岩石微纳孔隙环境的油气赋存相态测定方法，其特征在于，步骤二中，所述对容器加热加压具体为对容器加热加压至致密岩石所在储层的地层压力和地层温度。
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