CN115701640A - 一种用于计算页岩中吸附油含量的分子模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于计算页岩中吸附油含量的分子模拟方法。本发明的方法建立了页岩中吸附油含量的理论计算模型，可对不同矿物组分含量、不同孔隙大小、不同比表面积、不同温压条件下的页岩样品进行吸附油量计算，弥补了地质—地球化学实验在页岩纳米级孔隙尺度上测试能力的不足，也弥补了以往忽略温度或者压力等地质因素对吸附油量影响的问题，提高了吸附油量计算结果的准确性和可操作性，为页岩油可动性评价提供了重要参数，另一方面，本发明建立的理论计算模型具有普适性，可以在缺少样品的情况下应用于不同的地质条件，对于海外页岩油气资源潜力评价具有重要意义。
Description
技术领域
本发明属于非常规油气地质领域，具体涉及一种用于计算页岩中吸附油含量的分子模拟方法。
背景技术
现有的页岩中吸附油含量测试研究成果主要有以下几个方面：蒋启贵等公开了利用多温阶热解实验测试吸附油含量的方法，其使用热解仪采取恒速升温速率对页岩样品进行热解实验，温度以25℃/min从350℃升温至450℃时并恒温1min 测试得到的热解烃含量S2-1为吸附油含量(2016年，石油实验地质，第38卷，第6期)。该方法是在常压条件下测定的地表温度条件保存的泥页岩样品的吸附油量，未考虑地层温压对泥页岩吸附油含量的影响。
李俊乾等基于毛细凝聚现象建立获取页岩吸附与游离态油定量评价数学模型的方法，借鉴多孔介质吸附烃蒸汽的过程，将实验条件下的烃吸附推广到储层条件下的烃吸附，建立泥页岩储层饱含油孔隙内吸附量和可动量的评价方法，将氮气吸附/解吸实验与烃蒸汽吸附实验进行关联，并据此定量计算页岩油吸附量、可动量和赋存总量，以及吸附量和可动量各自所占的百分比例(专利CN 106547966 B，《一种页岩油吸附量与可动量评价模型及其建立、应用方法》和文章：2019年，石油与天然气地质，第40卷，第3期)。但该类方法对样品有一定要求，且对于不同矿物组分及干酪根含量、温度、压力等条件对吸附量等影响的考虑相对较少。
柳波等公开了一种泥页岩无机矿物赋存油中吸附及游离油量检测方法(专利 CN111912958 A)，对高岭石孔隙-页岩油模型进行分子动力学模拟，确定高岭石表面单位面积吸附油能力并计算吸附量，并以赋存油量减去吸附油量获取游离油量。该方法主要针对的是泥页岩中无机矿物的吸附油量，未对干酪根吸附油量作阐述，且未考虑用实验测试结果对吸附油量进行校正。
支东明等公开了一种吸附油和游离油含量连续表征的页岩油分析方法及装置(专利CN 110687612 B)，该方法基于对岩心样品进行大量实验及分析计算来确定吸附油的下限值，具有较强的实用性。但该类以物理实验为基础的表征方法往往需要较多的样品和较为苛刻的实验条件，考虑到测试成本和分析仪器检测下限的制约，该类方法取样、实验和设备成本往往较高，且难以实现极端条件下的评价和表征。
发明内容
针对以上现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于计算页岩中吸附油含量的分子模拟方法，其通过建立一套页岩中吸附油量的理论计算模型，能够提高吸附油量计算结果的准确性和可操作性。
为此，本发明提供了一种用于计算页岩中吸附油含量的分子模拟方法，其包括以下步骤：
(1)获取不同页岩样品中所含有的矿物组分信息、干酪根信息和页岩油组分信息及页岩样品的比表面积和孔隙结构信息；
(2)分别选定所获得的页岩样品的矿物组分信息、干酪根信息、页岩油组分信息及比表面积和孔隙结构信息中的代表指征，并根据所述代表指征建立模拟相应页岩样品的分子模型；
(3)利用步骤(2)建立的分子模型进行不同页岩样品不同温度、不同压力、不同比表面积和孔隙结构条件下的分子动力学模拟，得到不同温度、不同压力、不同比表面积和孔隙结构条件下页岩样品的页岩油吸附密度，并建立吸附油量与页岩样品的矿物组分、干酪根和比表面积的关系模型；
(4)根据实验室实际测定结果对步骤(3)所得关系模型进行校正，得校正因子和页岩吸附油量计算模型关系式，计算页岩的吸附油量。
根据本发明，所述矿物组分信息指能反应页岩样品中矿物组成的信息，包括但不限于页岩样品中矿物组分的具体种类、类型、含量等。在本发明的一些实施方式中，所述矿物组分信息包括矿物组分的具体种类和含量。
根据本发明，所述干酪根信息指能反应页岩样品中干酪根组成的信息，包括但不限于页岩样品中干酪根的类型、含量等。在本发明的一些实施方式中，所述干酪根信息包括干酪根的类型和含量。
根据本发明，所述页岩油组分信息指能反应页岩中页岩油组成的信息，包括但不限于页岩中页岩油的具体组分类型、所包含的化合物及它们的含量等。在本发明的一些实施方式中，所述页岩油信息包括页岩油的组分类型、所包含的化合物及它们的含量。
根据本发明，所述页岩油组分信息指能反应页岩中页岩油组成的信息，包括但不限于页岩中页岩油的具体组分类型、所包含的化合物及它们的含量等。
根据本发明，所述比表面积和孔隙结构信息包括但不限于页岩样品的比表面积大小和孔隙大小。在一些实施方式中，所述孔隙大小以所述孔隙的平均直径进行表征。
根据本发明，所述矿物组分包括无机矿物组分，不包括干酪根。在一些实施方式中，所述矿物组分为无机矿物组分。
根据本发明的一些实施方式，在步骤(1)中，通过对页岩样品进行全岩X 衍射分析，得到所述页岩样品中含有的矿物组分信息。
根据本发明的一些实施方式，在步骤(1)中，通过对新鲜页岩样品的氯仿沥青抽提物进行族组分分离分析得到所述页岩样品中含有的页岩油组分信息，通过对氯仿抽提后的页岩样品进行TOC测试，得到干酪根含量；通过对氯仿抽提后的页岩样品进行热解分析，得到300-500℃时热解烃含量S2、CO2含量S3和热解烃峰值温度Tmax数据并根据热解图版确定页岩样品含有的干酪根类型。
根据本发明，所述热解图版可以为自建热解图版，也可以使用本领域相关的已知热解图版。在一些实施方式中，使用如附图2所示热解图版(引自Chen Z.H., Jiang C.Q.,Lavoie D.,et al.,2016.Model-assisted Rock-Eval data interpretation for sourcerock evaluation:Examples from producing and potential shale gas resourceplays.International Journal of Coal Geology 2016,165:290-302)。
根据本发明的一些实施方式，步骤(1)中，通过对页岩样品对应的页岩储层产出的石油进行族组分分离分析，得到所述页岩样品中含有的页岩油组分信息。
根据本发明的一些实施方式，步骤(1)中，利用核磁共振法、氮气吸附法和压汞法中的至少一种获得所述页岩样品的孔隙结构和比表面积信息。
根据本发明，所述代表指征指能反映页岩样品所含矿物组成、干酪根组成、页岩油组成的信息和反映页岩样品的孔隙结构及比表面积的信息。
根据本发明，所述矿物组分信息的代表指征为能反映页岩样品所含矿物组成的信息，可以是反应页岩样品所含矿物的全部信息，也可以是反应页岩样品所含矿物的代表信息。在一些实施方式中，所述矿物组分信息的代表指征为所述页岩样品含有的全部组成矿物的晶体结构及全部组成矿物的含量。在另一些实施方式中，所述矿物组分信息的代表指征为所述页岩样品含有的主要组成矿物的晶体结构及主要组成矿物的含量。
根据本发明，所述主要组成矿物指页岩样品中含量较高的组成矿物，例如含量排在前1-4位的组成矿物。
根据本发明，所述干酪根信息的代表指征为能反映页岩样品所含干酪根组成的信息，可以是全部信息，也可以是能反应页岩样品所含干酪根组成的代表信息。在一些实施方式中，所述干酪根信息的代表指征包括所述页岩样品的全部干酪根类型。在一些实施方式中，所述干酪根信息的代表指征为所述页岩样品的主要干酪根类型。根据本发明的一些实施方式，所述主要干酪根类型指所述页岩样品中所含干酪根的最典型类型。
根据本发明，所述页岩油组分信息的代表指征为能反映页岩样品所含页岩油组成的代表信息。在一些实施方式中，所述页岩油组分信息的代表指征包括页岩油所含主要组分类型的代表性分子及主要组分类型的含量。
根据本发明的一些实施方式，所述页岩油中主要组分类型包括饱和烃、芳香烃、非烃和沥青质。
根据本发明，所述非烃为可溶于正己烷的非烃类组分。
根据本发明，所述代表性分子指页岩油中含有的能反应页岩油各组分类型组成的化合物分子，例如为页岩油各组分类型中含量从高到低排在前1-4位的化合物分子。在一些实施例中，所述代表性分子为页岩油所含各组分类型中含量最高的化合物分子。
根据本发明的一些实施方式，所述比表面积和孔隙结构信息的代表指征包括所述页岩样品的孔隙大小。根据本发明，所述孔隙大小以平均直径进行表征。根据本发明的一些实施方式，所述比表面积和孔隙结构信息的代表指征为所述页岩样品的孔隙大小所述的分布范围。
根据本发明的一些实施方式，步骤(2)中所述根据所述代表指征建立模拟所述页岩样品的分子模型包括：根据页岩样品组成矿物的晶体结构和/或干酪根类型；和/或页岩油中主要组分类型的含量比例；和/或所述页岩样品的孔隙大小来建立分子模型；
其中，根据页岩油中主要组分类型的含量比例来建立分子模型指使得所述主要组分类型中代表性分子的总含量比例与所述页岩样品中主要组分类型的含量比例一致；根据所述页岩样品的孔隙大小来建立分子模型指根据所述页岩样品的孔隙大小设定模型的不同孔隙直径。
根据本发明的一些实施方式，步骤(2)中所述分子动力学模拟方法为蒙特卡洛分子模拟。
根据本发明的一些实施方式，步骤(3)中所述分子动力学模拟通过包括以下步骤的方法实现：对具有不同矿物组分、干酪根类型、比表面积和孔隙结构及页岩油组分的页岩样品分子模型设定力场类型并施加模拟的温度和模拟的压力条件来进行不同温度、压力、比表面积和孔隙结构条件下的分子动力学模拟。
根据本发明的一些实施方式，步骤(3)中，建立吸附油量与页岩样品的矿物组分、干酪根、比表面积的关系模型包括根据获取的页岩样品的页岩油吸附密度，并结合页岩样品中矿物组分和干酪根所占的比重、页岩样品比表面积，建立页岩样品中吸附油量与矿物组分含量、干酪根含量和比表面积的关系模型。
根据本发明的一些实施方式，步骤(4)中，所述页岩吸附油量计算模型关系式如下式(1)所示：
式(1)中，Qao(T，P，r)为温度T、压力P、孔隙直径r条件下的页岩单位面积吸附油量；ρoil-x(T，P，r)为温度T、压力P、孔隙直径r条件下x矿物组分或干酪根表面单位面积的页岩油吸附密度；m(％)x为x矿物组分或干酪根占页岩样品总重量的质量比重；σ为页岩样品的比表面积；l1表示矿物或干酪根孔隙内吸附油密度曲线的起始位置，l2表示矿物或干酪根孔隙内吸附油密度曲线的截止位置，l表示吸附层距矿物或者干酪根的距离；x为任意一种矿物或干酪根；k为校正因子。
根据本发明，吸附层指吸附在矿物或者干酪根表面的页岩油组分分子层，吸附层的页岩油组分分布密度明显高于页岩油组分在孔隙中平均分布时的密度。页岩油组分在孔隙中平均分布的密度可以用页岩油组分的质量除以孔隙体积求得。
根据本发明，l1表示矿物或干酪根孔隙内吸附油密度曲线的起始位置，即l1是页岩油吸附层的起始位置，也即页岩油吸附层距离矿物或者干酪根最近的位置。l2表示矿物或干酪根孔隙内吸附油密度曲线的截止位置，即l2是页岩油吸附层的终点位置，也即页岩油吸附层距离矿物或者干酪根最远的位置。l2-l1即为吸附层厚度。
根据本发明的一些实施方式，式(1)中，Qao(T，P，r)的单位为mg/m2；ρoil-x(T，P，r)的单位为mg/m3；σ的单位为m2/g，的单位为m。
根据本发明的一些实施方式，步骤(4)中所述实验室实际测定结果通过对页岩样品在实验室条件下进行多温阶热解实验获得。
根据本发明的一些实施方式，步骤(4)中所述实验室实际测定结果通过使用热解仪采取恒速升温速率对所述页岩样品进行热解实验，温度以25℃/min从 350℃升温至450℃时并恒温1min测试得到的热解烃含量S2-1获得。
根据本发明的一些实施方式，步骤(4)中根据S2-1与350℃、0.1MPa条件下页岩吸附油含量的比值得到校正因子。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
本发明提供的计算页岩中吸附油含量的分子模拟方法，建立了页岩中吸附油含量的理论计算模型，可对不同矿物组分及含量、不同孔隙大小、不同比表面积、不同温压条件下的页岩样品进行吸附油量计算，一定程度上弥补了地质—地球化学实验在页岩纳米级孔隙尺度上测试能力的不足，也弥补了以往忽略温度或者压力等地质因素对吸附油量影响的问题，提高了吸附油量计算结果的准确性和可操作性，为页岩油可动性评价提供了重要参数。另一方面，所建立的理论计算模型在具有普适性，可以在缺少样品的情况下应用于不同的地质条件，对于海外页岩油气资源潜力评价具有重要意义。
附图说明
图1为本发明的计算页岩中吸附油含量的分子模拟方法流程示意图。
图2为本发明的一些实施方式中确定页岩样品含有的干酪根类型所用热解图版。
具体实施方式
为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例和附图来详细说明本发明，这些实施例仅用于说明本发明，而不应被视作对本发明的范围的限定。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或者制造商建议的条件进行。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
以下以页岩中矿物为蒙脱石，干酪根类型为II1型，页岩油组分为饱和烃为例，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
一种用于计算页岩中吸附油含量的分子模拟方法，依次包括以下步骤：
步骤1：获取页岩样品矿物组分、干酪根和页岩油组分信息；
矿物组分为蒙脱石，质量占页岩样品的比重为75％；干酪根类型为II1型，质量占页岩样品的比重为25％；页岩油组分为饱和烃。
步骤2：选择页岩中的主要矿物和干酪根类型，选取页岩油组分中代表性分子，并分别建立分子模型；
页岩矿物组分选取钙蒙脱石，干酪根选取II1型，页岩油组分选取C19H40，用Materials Studio软件建立其分子模型。
步骤3：对所述页岩矿物、干酪根和页岩油组分进行不同温压、孔隙条件下的分子模拟，分别得到页岩矿物和干酪根的表面页岩油吸附密度；
采用Materials Studio软件对所述页岩矿物-干酪根-页岩油模型进行页岩油吸附能力模拟，力场类型选用COMPASSII，模拟时间设为1ns，范德华半径为 1.25nm；以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组实际地层温压条件(85℃，30MPa) 对矿物-干酪根-页岩油模型进行分子模拟，得到矿物和干酪根表面吸附油密度。
步骤4：建立吸附油量与矿物组分、干酪根含量、比表面积的关系模型，并对理论计算模型进行多温阶热解实验结果校正，计算得到页岩样品的吸附油含量；
根据页岩不同矿物和干酪根下页岩油在85℃、30MPa条件下的吸附能力，建立吸附油量与矿物组分含量、干酪根含量、孔隙大小、比表面积的关系模型。对多个页岩样品在实验室条件下进行多温阶热解实验得到吸附油量，对比理论计算模型与实验测试的吸附油量数据，得到校正因子k，计算得到页岩样品的吸附油含量。
结果显示，在温度85℃、压力30MPa、孔隙直径10nm条件下干酪根对页岩油的吸附密度平均值为2.5×109mg/m3，吸附层厚度(l2-l1)为3.2×10-9m，蒙脱石对页岩油的吸附密度平均值为0.8×109mg/m3，吸附层厚度(l2-l1)为0.2×10-9m，比表面积为300m2/g。校正因子k取值0.001，页岩吸附油含量为6.36mg/g。
应当注意的是，以上所述的实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明的任何限制。通过参照典型实施例对本发明进行了描述，但应当理解为其中所用的词语为描述性和解释性词汇，而不是限定性词汇。可以按规定在本发明权利要求的范围内对本发明作出修改，以及在不背离本发明的范围和精神内对本发明进行修订。尽管其中描述的本发明涉及特定的方法、材料和实施例，但是并不意味着本发明限于其中公开的特定例，相反，本发明可扩展至其他所有具有相同功能的方法和应用。
Claims (10)
1.一种用于计算页岩中吸附油含量的分子模拟方法，其包括以下步骤：
(1)获取不同页岩样品中所含有的矿物组分信息、干酪根信息和页岩油组分信息及页岩样品的比表面积和孔隙结构信息；
(2)分别选定所获得的页岩样品的矿物组分信息、干酪根信息、页岩油组分信息及比表面积和孔隙结构信息中的代表指征，并根据所述代表指征建立模拟相应页岩样品的分子模型；
(3)利用步骤(2)建立的分子模型进行不同页岩样品不同温度、不同压力、不同比表面积和孔隙结构条件下的分子动力学模拟，得到不同温度、不同压力、不同比表面积和孔隙结构条件下页岩样品的页岩油吸附密度，并建立吸附油量与页岩样品的矿物组分、干酪根和比表面积的关系模型；
(4)根据实验室实际测定结果对步骤(3)所得关系模型进行校正，得校正因子和页岩吸附油量计算模型关系式，计算页岩的吸附油量。
2.根据权利要求1所述的分子模拟方法，其特征在于，所述矿物组分信息包括矿物组分的具体种类和含量，和/或所述干酪根信息包括干酪根的类型和含量，和/或所述页岩油组分信息包括所述页岩油的组分类型、所包含的化合物及所述页岩油的组分类型的含量和所述所包含的化合物的含量；
和/或所述比表面积和孔隙结构信息包括页岩样品的比表面积大小和孔隙大小。
3.根据权利要求1或2所述的分子模拟方法，其特征在于，在步骤(1)中，通过对页岩样品进行全岩X衍射分析，得到所述页岩样品中含有的矿物组分信息；
和/或通过对新鲜页岩样品的氯仿沥青抽提物进行族组分分离分析得到所述页岩样品中含有的页岩油组分信息，通过对氯仿抽提后的页岩样品进行TOC测试，得到干酪根含量，通过对氯仿抽提后的页岩样品进行热解分析，得到300-500℃时热解烃含量S2、CO2含量S3和热解烃峰值温度Tmax数据并根据热解图版确定页岩样品含有的干酪根类型；
和/或利用核磁共振法、氮气吸附法和压汞法中的至少一种获得所述页岩样品的孔隙结构和比表面积信息。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的分子模拟方法，其特征在于，步骤(1)中，通过对所述页岩样品对应的页岩储层产出的石油进行族组分分离分析，得到所述页岩样品中含有的页岩油组分信息。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的分子模拟方法，其特征在于，步骤(2)中，所述矿物组分信息的代表指征包括所述页岩样品含有的全部组成矿物的晶体结构及全部组成矿物的含量或主要组成矿物的晶体结构及主要组成矿物的含量；和/或所述干酪根信息的代表指征包括所述页岩样品含有的最典型干酪根类型；和/或所述页岩油组分信息的代表指征包括页岩油中主要组分类型的代表性分子及主要组分类型的含量，优选所述页岩油中主要组分类型包括饱和烃、芳香烃、非烃和沥青质；和/或所述比表面积和孔隙结构信息的代表指征包括所述页岩样品的比表面积大小和孔隙大小。
6.根据权利要求5所述的分子模拟方法，其特征在于，步骤(2)中所述根据所述代表指征建立模拟所述页岩样品的分子模型包括：根据页岩样品组成矿物的晶体结构和/或干酪根类型；和/或页岩油中主要组分类型的含量比例；和/或所述页岩样品的孔隙大小来建立分子模型；
其中，根据页岩油中主要组分类型的含量比例来建立分子模型指使得所述主要组分类型中代表性分子的总含量比例与所述页岩样品中主要组分类型的含量比例一致；根据所述页岩样品的孔隙大小来建立分子模型指根据所述页岩样品的孔隙大小设定模型的不同孔隙直径。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的分子模拟方法，其特征在于，步骤(3)中所述分子动力学模拟通过包括以下步骤的方法实现：对具有不同矿物组分、干酪根类型、比表面积和孔隙结构及页岩油组分的页岩样品分子模型设定力场类型并施加模拟的温度和模拟的压力条件来进行不同温度、不同压力、不同比表面积和孔隙结构条件下的分子动力学模拟。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的分子模拟方法，其特征在于，步骤(3)中，建立吸附油量与页岩样品的矿物组分、干酪根、比表面积和孔隙的关系模型包括根据获取的页岩样品的页岩油吸附密度，并结合页岩样品中矿物组分和干酪根所占的比重、页岩样品比表面积，建立页岩样品中吸附油量与矿物组分含量、干酪根含量和比表面积的关系模型。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的分子模拟方法，其特征在于，步骤(4)中，所述页岩吸附油量计算模型关系式如下式(1)所示：
式(1)中，Qao(T，P，r)为温度T、压力P、孔隙直径r条件下的页岩单位面积吸附油量；ρoil-x(T，P，r)为温度T、压力P、孔隙直径r条件下x矿物组分或干酪根表面的页岩油吸附密度；m(％)x为x矿物组分或干酪根占页岩样品总重量的质量比重；σ为页岩样品的比表面积；l1表示矿物或干酪根孔隙内吸附油密度曲线的起始位置，l2表示矿物或干酪根孔隙内吸附油密度曲线的截止位置；l表示吸附层距矿物组分或者干酪根的距离，所述吸附层为吸附在矿物组分或者干酪根表面的页岩油组分分子层；x为任意一种矿物或干酪根；k为校正因子。
10.根据权利要求9所述的分子模拟方法，其特征在于，步骤(4)中所述实验室实际测定结果通过对页岩样品在实验室条件下进行多温阶热解实验获得，优选地，通过使用热解仪采取恒速升温速率对所述页岩样品进行热解实验，温度以25℃/min从350℃升温至450℃时并恒温1min测试得到的热解烃含量S2-1获得；校正因子k为S2-1与350℃、0.1MPa条件下页岩吸附油含量的比值。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116758996A (zh) * | 2023-04-18 | 2023-09-15 | 中国石油大学(华东) | 页岩油赋存的分子动力学模拟方法、系统、设备及终端 |
| CN116758996B (zh) * | 2023-04-18 | 2024-05-24 | 东北石油大学 | 页岩油赋存的分子动力学模拟方法、系统、设备及终端 |
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2021
- 2021-08-02 CN CN202110880958.4A patent/CN115701640A/zh active Pending
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