CN112461912A - 一种利用烷烃碳同位素序列倒转指示页岩气高产层位的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用烷烃碳同位素序列倒转指示页岩气高产层位的方法,包括确定指定区块页岩处于高演化阶段,收集页岩解吸试验中的自然解析气并测量甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素值,制作页岩气烷烃碳同位素序列和判断页岩气高产层位。本发明可以精确快速的指示页岩气高产层位。本发明采样便捷,实验成本低,具有易于推广、实施方便的特点。
Description
技术领域
本发明涉及页岩气开采技术领域,具体涉及一种利用烷烃碳同位素序列倒转指示页岩气高产层位的方法。
背景技术
北美海相页岩油气获得巨大成功后,页岩气在全球范围内成为勘探研究热点。近年来我国虽然也在全国范围内开展页岩气地质调查,但是取得实质性突破的页岩气高产富集区集中分布在中上扬子地区的四川盆地及周缘地区,中上扬子以外地区的页岩气勘探总体而言勘探效果甚微。我国广泛发育的多套优质富有机质页岩,具有良好的生烃基础和储集条件,但其高的热演化程度且普遍受强烈的构造改造,复杂的页岩气成藏过程和保存条件已经成为限制我国页岩气勘探的关键因素。
页岩解吸气的烷烃碳同位素地球化学在气源比对、成因判识、成烃演化、成藏过程示踪、保存条件等方面具有关键指示作用,已经成为构造复杂区页岩气勘探研究的有力工具。页岩气烷烃碳同位素系列是指烷烃碳同位素值(δ13C)随烷烃气分子碳数的变化情况,包括:δ13C值随烷烃气分子碳数递增为正碳同位素序列(δ13C1<δ13C2<δ13C3),δ13C值随烷烃气分子碳数递减为碳同位素序列完全倒转(δ13C1>δ13C2>δ13C3),δ13C值随烷烃气分子碳数先减后增(δ13C1>δ13C2<δ13C3)为“V字型”同位素序列部分倒转,δ13C值随烷烃气分子碳数先增后减(δ13C1<δ13C2>δ13C3)为“倒V字型”同位素序列部分倒转,如图1所示。
目前全世界很多高产页岩气田中都发现了烷烃的碳同位素序列倒转,虽然学者们对于烷烃同位素序列倒转机制引起了广泛关注,也提出了很多假设,目前同位素序列倒转机制仍然存在很大争议。Tilley et al.(2011)认为页岩气中的烷烃同位素序列倒转可以指示封闭的页岩体系,从而可以用来指示页岩气的高产层位。然而,目前人们对烷烃同位素序列倒转指示页岩气高产层位机理的认识仍然不够深入。
一般认为导致同位素序列倒转的原因包括:有机烷烃气和无机烷烃气的混合;煤成气和油型气的混合;同型不同源气或同源不同期气的混合;地温增高;排烃过程或扩散过程造成的同位素分馏;TSR反应;与水发生一些特殊的氧化还原反应;烷烃气中某一或某些组分被细菌氧化;烷烃间碳同位素的交换作用(戴金星等,2003,2010,2016;Hill et al.,2003;Hao et al.,2008;Burruss et al.,2010;Tilley et al.,2013;Dai et al.,2016)。我们认为漫长的地质过程中基本不存在快速显著的脱气作用,因此我们认为天然气成藏演化过程中的排烃、运移、散失、吸附/解吸附等作用引起的同位素分馏应该是十分有限的;TSR、细菌降解等次生演化在地质条件下具有较大的局限性也不是造成烷烃碳同位素演化的主要因素;不同成因、不同来源、不同演化程度的混合作用虽然被普遍认为是造成烷烃同位素演化的主要因素,但是在地质过程中并不存在组分和同位素特征不变的固定端元,而且天然气端元中不同气态组分存在着显著活性差异,将天然气端元中的不同组分按照相同的比例进行混合也是不合理的。
大量的生烃模拟实验表明无论是封闭体系还是开放体系的生烃模拟实验中都没有出现烷烃的同位素序列倒转,暗示无论是生成的烃类在天然气藏中全部保存还是被全部排出都不会出现同位素序列倒转。此外,近期越来越多的研究表明许多高产页岩气田(如四川焦石坝页岩气田)同样经历了多期生烃、运移和成藏,表明高产页岩气田并不一定是封闭的页岩体系。我们对焦石坝页岩气的研究同样表明其为开放体系中的运移天然气,这可能是焦石坝页岩气田多期运移、成藏过程造成的(Zhao et al.,2018)。因此,我们认为在适度开放条件下,不同气态烃类分子在运移和成藏过程中的差异性聚集/散失是造成同位素序列倒转的重要因素,并且这种造成页岩气烷烃碳同位素序列倒转的机制可以识别页岩气甜点段。
本发明提出了一个导致烷烃同位素序列倒转的全新机制,并且建立了一种利用页岩解析气烷烃碳同位素序列倒转指示页岩气高产层位的方法。
发明内容
本发明的目的在于克服上述问题,提供一种利用烷烃碳同位素序列倒转指示页岩气高产层位的方法。本方案的技术效果如下:
一种利用烷烃碳同位素序列倒转指示页岩气高产层位的方法,包括如下步骤:
S1.确定指定区块页岩的热演化程度,若区块页岩处于高演化阶段,且甲烷保存较好的情况下进行S2,否则不适用本方法;
S2.采集不同层位的页岩岩心样品进行现场解析实验,收集自然解析阶段的页岩气并利用气相同位素比质谱分析页岩气中甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素值δ13C;
S3.根据甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素值,制作页岩气烷烃碳同位素序列,所述页岩气烷烃碳同位素序列包括:
正碳同位素序列:δ13C1<δ13C2<δ13C3;
完全倒转:δ13C1>δ13C2>δ13C3;
“V字型”同位素序列部分倒转:δ13C1>δ13C2<δ13C3;
“倒V字型”同位素序列部分倒转:δ13C1<δ13C2>δ13C3;
S4.当页岩气烷烃碳同位素序列出现完全倒转和“V字形”同位素部分倒转时,指定区块即为页岩气高产层位;
所述δ13C为烷烃碳同位素值,δ13C1为甲烷的碳同位素值,δ13C2为乙烷的碳同位素值,δ13C3为丙烷的碳同位素值。
本发明的优点在于:
本发明可以精确快速的指示页岩气高产层位。本发明采样便捷,实验成本低,具有易于推广、实施方便的特点。
附图说明
图1为页岩气烷烃碳同位素序列类型图;
图2为平凉页岩在不同演化程度时裂解产生的C1-3瞬时/累积产率和同位素;
图3为甲乙丙烷的差异聚散对同位素序列的影响示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施例对本发明进行详细和具体的介绍,以使更好的理解本发明,但是下述实施例并不限定本发明的保护范围。
实施例1
本实施例公开了一种利用烷烃碳同位素序列倒转指示页岩气高产层位的方法,包括如下步骤:
S1.确定指定区块页岩气储层的热演化程度,若区块处于高演化阶段,且甲烷保存较好的情况下进行S2,否则不适用本方法;
S2.采集不同层位的页岩岩心样品进行现场解析实验,收集自然解析阶段的页岩气并利用气相同位素比质谱分析页岩气中甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素值δ13C;
S3.根据甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素值,制作页岩气烷烃碳同位素序列,所述页岩气烷烃碳同位素序列包括:
正碳同位素序列:δ13C1<δ13C2<δ13C3;
完全倒转:δ13C1>δ13C2>δ13C3;
“V字型”同位素序列部分倒转:δ13C1>δ13C2<δ13C3;
“倒V字型”同位素序列部分倒转:δ13C1<δ13C2>δ13C3;
S4.当页岩气烷烃碳同位素序列出现完全倒转和“V字形”同位素部分倒转时,指定区块即为页岩气高产层位;
所述δ13C为烷烃碳同位素值,δ13C1为甲烷的碳同位素值,δ13C2为乙烷的碳同位素值,δ13C3为丙烷的碳同位素值。
本发明采用鄂尔多斯盆地的平凉页岩来模拟页岩气不同烃类组分的差异聚集/散失过程。建立了一个全新的数学模型来表征烃源岩生烃过程中C1-3在不同演化程度的瞬时/累积产率和瞬时/累积同位素(图2)。页岩气中不同组分的差异排滞受扩散、渗流、幕式排烃等机理控制,不同烃类组分的散失量受分子量、极性、扩散系数、粘度、体积分数等多种参数影响,目前关于天然气中甲乙丙烷在地质条件下散失的定量研究还未见报道。因此,本发明将各烷烃组分的排烃比例分别设置为(0、10%、20%、30%……100%)并按照正交法计算多期差异排滞后各烷烃的同位素组成。
以夏新宇等(1998)提出的天然气二元混合同位素值的估算公式为理论基础(式1),利用积分思想建立累积同位素、累积产率、瞬时同位素、瞬时产率间的关系,求出烷烃差异散失后的累积同位素值A(x)(式2)。
指定端元A和端元B的同位素值分别为-10‰和-50‰,端元A与端元B的混合比例范围从1:9999至9999:1。然后分别按照同位素值定义公式和夏新宇等(1998)提出的天然气二元混合同位素值的估算公式对不同混合比例的天然气同位素进行了计算,计算结果表明两种方法计算出的各种混合比例下的混合天然气同位素值至少在小数点后两位都可以保持一致(表1)。而一般而言天然气同位素值的精度控制在小数点后一位时就可以满足研究需求,由此可以证明天然气二元混合同位素值的估算公式完全能够满足地质条件下混合天然气同位素计算的精度。
表1夏新宇等(1998)天然气二元混合同位素简化算法与定义算法对比表
其中,niA和niB分别代表混合端元A和端元B中烷烃i的含量,δ13CiA和δ13CiB分别代表混合端元A和端元B中烷烃i的碳同位素值,δ13Ci为混合后烷烃i的同位素值。
其中,A(x)代表烷烃i在[x0,x]成熟度区间的累积同位素,x0为该开始生烃时的成熟度值,B(x)代表烷烃i的累积产率,C(x)代表烷烃i的瞬时同位素,D(x)代表烷烃i的瞬时产率。
总体来说,热成因天然气的甲烷含量占80%以上,而生烃模拟气中的甲烷一般不超过60%(Mango et al.,2010)。虽然生烃模拟实验不一定能完全反映烃源岩生成的原始天然气,我们认为热成因天然气和生烃模拟气之间烷烃组分的差异很可能归因于C1-3从烃源岩到天然气藏过程中的差异聚集/散失。很多研究也证实了甲烷在储层中相对于烃源岩的富集。Lorant et al.(1998)研究表明封闭体系生烃模拟实验甲乙丙烷同位素随演化程度增高是离散的,而开放体系生烃模拟实验甲乙丙烷同位素随演化程度增高是收敛的,表明甲乙丙烷的聚集/散失对烷烃同位素特征有重要影响。因此,烷烃差异聚散模型很可以解释常规和非常规天然气中烷烃同位素序列倒转问题。低演化程度时,生成的甲烷运移速度大于乙烷和丙烷,高演化程度时甲烷的产率明显高于乙烷和丙烷。因此,天然气藏中的烷烃很可能是低演化阶段形成的丙烷、中演化阶段形成的乙烷和高演化阶段形成的甲烷,从而造成烷烃同位素序列倒转(图3)。
同位素序列完全倒转(i.e.,δ13C1>δ13C2>δ13C3)和“V字型”同位素序列部分倒转(i.e.,δ13C1>δ13C2<δ13C3)在高成熟页岩气中非常普遍,而“倒V字型”同位素序列部分倒转(i.e.,δ13C1<δ13C2>δ13C3)在页岩气中非常罕见。一般而言,同位素序列完全倒转要求δ13C1重于大约-30‰,因为生烃模拟实验中最轻的δ13C3值已经接近-30‰;“V字型”同位素序列部分倒转要求δ13C1值重于大约-35‰,因为生烃模拟实验中最轻的δ13C2值已经接近-35‰;“倒V字型”同位素序列部分倒转对δ13C1值没有明显限制(图2、图3)。根据烷烃差异聚散模型(图3),烷烃同位素序列倒转对δ13C1值的限制意味着对高成熟阶段甲烷的保存较好。出现同位素序列完全倒转和“V字型”同位素序列部分倒转的页岩气一般成熟度很高,烷烃组分以甲烷为主(很多页岩气干燥系数大于0.98)。此外,甲烷在任意演化阶段的产率都明显高于其它重烃,而高演化阶段的甲烷又占甲烷产率的主要部分。
因此,同位素序列完全倒转和“V字型”同位素序列部分倒转在保证高演化阶段甲烷较好保存的情况下就可以指示页岩气高产层位,而“倒V字型”同位素序列倒转不能有效指示页岩气高产层位。
以上对本发明的具体实施例进行了详细描述,但其只是作为范例,本发明并不等同于以上描述的具体实施例。对于本领域技术人员而言,任何对本发明进行的等同修改和替代也都在本发明的范畴之中。因此,不脱离本发明的精神和范围下所做的均等变换和修改,都应涵盖在本发明的范围内。
Claims (1)
1.一种利用烷烃碳同位素序列倒转指示页岩气高产层位的方法,其特征在于,包括如下步骤:
S1.确定指定区块页岩的热演化程度,若区块页岩处于高演化阶段,且甲烷保存较好的情况下进行S2,否则不适用本方法;
S2.采集不同层位的页岩岩心样品进行现场解析实验,收集自然解析阶段的页岩气并利用气相同位素比质谱分析页岩气中甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素值δ13C;
S3.根据甲烷、乙烷、丙烷的碳同位素值,制作页岩气烷烃碳同位素序列,所述页岩气烷烃碳同位素序列包括:
正碳同位素序列:δ13C1<δ13C2<δ13C3;
完全倒转:δ13C1>δ13C2>δ13C3;
“V字型”同位素序列部分倒转:δ13C1>δ13C2<δ13C3;
“倒V字型”同位素序列部分倒转:δ13C1<δ13C2>δ13C3;
S4.当页岩气烷烃碳同位素序列出现完全倒转和“V字形”同位素部分倒转时,指定区块即为页岩气高产层位;
所述δ13C为烷烃碳同位素值,δ13C1为甲烷的碳同位素值,δ13C2为乙烷的碳同位素值,δ13C3为丙烷的碳同位素值。
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