一种页岩复合有机质分子模型的构建方法技术

本发明专利技术提供了一种页岩复合有机质分子模型的构建方法，其包括以下步骤：提取页岩样品中的沥青样品组分和干酪根样品，并对沥青样品进行组分分析；对干酪根样品进行元素分析、FTIR光谱分析、13C NMR谱图测试和XPS能谱分析，判断干酪根样品中的元素组成、碳原子与杂原子的原子比，官能团种类，碳骨架结构参数，杂原子的存在形态；根据元素分析、FTIR光谱分析、13C NMR谱图测试和XPS能谱分析的结果构建干酪根样品的初始分子结构；确定有机质分子模型中干酪根初始分子结构的数量、沥青组分分布和储层条件下的有机质轻质组分分布，采用分子模拟技术构建三维体相的页岩复合有机质分子模型；杂原子为除碳氢以外的原子。

【技术实现步骤摘要】
一种页岩复合有机质分子模型的构建方法
本专利技术属于石油化学领域，涉及一种页岩复合有机质分子模型的构建方法。
技术介绍
页岩气资源丰富，是常规石油与天然气的重要替代能源。但页岩气藏特殊的储层条件和渗流特征，决定了气藏自然递减快，自然产能低的特点，当前页岩气藏多采用衰竭式开发，采收率普遍低于30％。如何从页岩气藏中更多地采出页岩气，尤其是吸附气，是目前页岩气藏开发研究中的热点和难点。吸附气是页岩气的主要赋存形式之一，其含量可达气体总量的60-85％。吸附气主要赋存于页岩有机质的纳米级孔隙。有机质纳米孔隙中的气体吸附行为是深入理解页岩气存储、传递和提高采收率机理的基础。构建合理的有机质分子结构模型是从微观上探究页岩气或注入气与有机质相互作用的重要前提。页岩有机质含量较少，主要以分散形式分布在无机基质中。有机质在储层中为多种组分的混合物，其主要成分为干酪根，同时也含有一定量的沥青组分和残余的轻质组分。干酪根构成了有机质结构的主体骨架，其具有复杂的三维大分子网状结构，与煤的大分子化学结构类似，主要采用“平均分子结构”来表征其化学结构。目前对有机质分子结构的研究停留在干酪根结构模型的构建上，而忽略了真实页岩有机质中沥青组分和轻质组分的存在。沥青组分和轻质组分的含量及组成与有机质类型和所处的热演化阶段密切相关。这些组分分布在有机质的干酪根骨架中，不仅会影响有机质的孔隙度和渗透率，还会影响有机质的孔隙网络结构和力学性质。为表征储层条件下有机质的真实物理和化学性质，有机质模型的构建不能忽略结构中的沥青组分和轻质组分。目前缺乏有机质多组分复合分子模型的研究，因此设计一套页岩复合有机质分子结构模型的构建方法具有重要意义。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种页岩复合有机质分子模型的构建方法。该方法能够构建反应真实页岩有机质中沥青组分和轻质组分的页岩复合有机质分子模型。为了达到前述的专利技术目的，本说明书提供一种页岩复合有机质分子模型的构建方法，其包括以下步骤：步骤一：提取页岩样品中的沥青样品组分和干酪根样品，并对所述沥青样品进行组分分析；步骤二：对所述干酪根样品进行元素分析、FTIR光谱分析、13CNMR谱图测试和XPS能谱分析；并根据元素分析结果判断所述干酪根样品中的元素组成、碳原子与杂原子的原子比；根据FTIR光谱中的特征峰判断所述干酪根样品中的官能团种类；根据13CNMR谱图计算所述干酪根样品中的碳骨架结构参数；根据XPS能谱判断所述干酪根样品中杂原子的存在形态；步骤三：根据所述元素分析、FTIR光谱分析、13CNMR谱图测试和XPS能谱分析的结果构建所述干酪根样品的初始分子结构；步骤四：确定有机质分子模型中干酪根初始分子结构的数量、沥青组分分布和储层条件下的有机质轻质组分分布，采用分子模拟技术构建三维体相的页岩复合有机质分子模型；所述杂原子为除碳氢以外的原子。上述页岩复合有机质分子模型的构建方法中，对页岩粉末样品进行沥青抽提，并对抽提出的沥青样品进行组分分离获得沥青样品，对抽提后的页岩样品进行酸化处理脱去页岩中的无机成分，获得干酪根样品。所述酸化处理包括HCl，HNO3，HCl/HF处理。其中HCl处理用于除去页岩中的碳酸盐矿物，HNO3处理用于除去黄铁矿，HCl/HF处理用于除去硅酸盐矿物。XPS能谱是指X射线光电子能谱，包括XPS全谱和XPS精细谱；FTIR光谱是指傅里叶红外光谱，元素组成一般可以根据XPS全谱分析得到，也可以结合常规的元素分析方法进行综合分析后确定；同理，碳原子与杂原子的原子比可以通过XPS全谱中各元素分峰拟合后的峰面积计算，也可以结合常规的元素分析方法进行综合分析后确定；13CNMR谱图是指固体碳核磁共振谱图，能够反应有机质中碳的存在形态和各类碳的占比。步骤二中，杂原子的存在形态可以由对应元素的XPS精细谱分峰拟合判断其可能存在的与碳原子或者其他杂原子的键合结构，再推测出杂原子在干酪根样品中可能的存在形态，结合FTIR光谱和13CNMR谱图分析可以确定杂原子在干酪根样品中的存在形态。所述杂原子包括但不限于O、N和S。其中，N原子的存在形态可以直接由XPS精细谱中N1s分峰拟合后的峰位置确定。而O原子的存在形态较为复杂，一般需要由XPS精细谱中C1s、N1s和S1s分峰拟合后的峰位置结合FTIR光谱和13CNMR谱图才能定性分析出各种含氧基团，然后再根据各含氧基团在XPS精细谱分峰面积计算各含氧基团的占比百分数，定量确定O原子在干酪根样品中的存在形态。通常基于分子模型的最小尺寸要求以及模拟的计算经济性原则，选取10个左右的干酪根初始分子结构模型建立三维体相的页岩复合有机质分子模型。在上述页岩复合有机质分子模型的构建方法中，优选地，所述干酪根样品中的碳骨架结构参数包括脂碳率、芳碳率、芳香簇尺寸、亚甲基链长度、烷链支化度和芳环取代度中的至少一种。在上述页岩复合有机质分子模型的构建方法中，优选地，所述碳骨架结构参数通过所述13CNMR谱图中各特征峰对应的峰面积计算获得。在上述页岩复合有机质分子模型的构建方法中，优选地，所述构建方法还包括将FTIR光谱分析结果、13CNMR谱图分析结果和XPS能谱分析结果相互检验的步骤，检测FTIR光谱、13CNMR谱图和XPS能谱的一致性。在上述页岩复合有机质分子模型的构建方法中，优选地，所述沥青组分分布根据对所述沥青样品进行组分分析结果确定，包括沥青样品的组分和各组分的分子数量比；更优选地，所述沥青样品的组分包括沥青质、胶质、芳香烃和饱和烃中至少一种。在上述页岩复合有机质分子模型的构建方法中，优选地，所述储层条件下的有机质轻质组分分布由以下步骤确定：基于原子平衡假设，参照相同有机质类型的未成熟干酪根的原子组分信息，确定有机质分子模型中的初始轻质组分分布；对所述页岩样品所在区域的页岩气进行气相色谱测试，确定产出气的组分分布，并其从所述初始轻质组分分布中扣除，获得所述储层条件下的有机质轻质组分分布。其中，所述原子平衡假设是指有机质热演化过程中，由干酪根产生的流体组分没有排出有机质，有机质体系中H、O、N、S原子与C原子的比值满足守恒原理。在上述页岩复合有机质分子模型的构建方法中，优选地，所述有机质轻质组分包括轻烃组分和/或非烃组分；更优选地，所述轻烃组分包括甲烷和/或乙烷；优选地，所述非烃组分包括二氧化碳、氮气和水中的至少一种。在上述页岩复合有机质分子模型的构建方法中，优选地，所述杂原子包括O、N和S的至少一种。在上述页岩复合有机质分子模型的构建方法中，优选地，所述N原子的存在形态由所述XPS能谱上的N1s分峰经拟合后定量分析确定。在上述页岩复合有机质分子模型的构建方法中，优选地，所述N原子的存在形态包括吡咯、吡啶、胺和氮氧化合物中的至少一种。在上述页岩复合有机质分子模型的构建方法中，优选地，所述O原子的存在形态由所述XPS能谱上各种含氧基团的分峰经拟合后定量分析确定，所述含氧基团根据所述FTIR光谱中的特征峰判断。在上述页岩复合有机质分子模型的构建方法中，优选地，所述含氧基团包括羰基、醇基、醚基和羧基中的至少一种。在上述页岩复合有机质分子模型的构建方法中，优选地，所述S原子的存在形态由所述XPS能谱上的S2p分峰经拟合后定量分析确定。在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种页岩复合有机质分子模型的构建方法，其包括以下步骤：步骤一：提取页岩样品中的沥青样品组分和干酪根样品，并对所述沥青样品进行组分分析；步骤二：对所述干酪根样品进行元素分析、FTIR光谱分析、13C NMR谱图测试和XPS能谱分析；并根据元素分析结果判断所述干酪根样品中的元素组成、碳原子与杂原子的原子比；根据FTIR光谱中的特征峰判断所述干酪根样品中的官能团种类；根据13C NMR谱图计算所述干酪根样品中的碳骨架结构参数；根据XPS能谱判断所述干酪根样品中杂原子的存在形态；步骤三：根据所述元素分析、FTIR光谱分析、13C NMR谱图测试和XPS能谱分析的结果构建所述干酪根样品的初始分子结构；步骤四：确定有机质分子模型中干酪根初始分子结构的数量、沥青组分分布和储层条件下的有机质轻质组分分布，采用分子模拟技术构建三维体相的页岩复合有机质分子模型；所述杂原子为除碳氢以外的原子。

【技术特征摘要】
1.一种页岩复合有机质分子模型的构建方法，其包括以下步骤：步骤一：提取页岩样品中的沥青样品组分和干酪根样品，并对所述沥青样品进行组分分析；步骤二：对所述干酪根样品进行元素分析、FTIR光谱分析、13CNMR谱图测试和XPS能谱分析；并根据元素分析结果判断所述干酪根样品中的元素组成、碳原子与杂原子的原子比；根据FTIR光谱中的特征峰判断所述干酪根样品中的官能团种类；根据13CNMR谱图计算所述干酪根样品中的碳骨架结构参数；根据XPS能谱判断所述干酪根样品中杂原子的存在形态；步骤三：根据所述元素分析、FTIR光谱分析、13CNMR谱图测试和XPS能谱分析的结果构建所述干酪根样品的初始分子结构；步骤四：确定有机质分子模型中干酪根初始分子结构的数量、沥青组分分布和储层条件下的有机质轻质组分分布，采用分子模拟技术构建三维体相的页岩复合有机质分子模型；所述杂原子为除碳氢以外的原子。2.根据权利要求1所述的页岩复合有机质分子模型的构建方法，其特征在于，所述干酪根样品中的碳骨架结构参数包括脂碳率、芳碳率、芳香簇尺寸、亚甲基链长度、烷链支化度和芳环取代度中的至少一种；优选地，所述碳骨架结构参数通过所述13CNMR谱图中各特征峰对应的峰面积计算获得。3.根据权利要求1或2所述的页岩复合有机质分子模型的构建方法，其特征在于，所述构建方法还包括将FTIR光谱分析结果、13CNMR谱图分析结果和XPS能谱分析结果相互检验的步骤，检测FTIR光谱、13CNMR谱图和XPS能谱的一致性。4.根据权利要求1所述的页岩复合有机质分子模型的构建方法，其特征在于，所述沥青组分分布根据对所述沥青样品进行组分分析结果确定，包括沥青样品的组分和各组分的分子数量比；优选地，所述沥青样品的组分包括沥青质、胶质、芳香烃和饱和烃中至少一种。5.根据权利要求1所述的页岩复合有机质分子模型的构建方法，其特征在于，所述储层条件下的有机质轻质组分分布由以下步骤确定：基于原子...

【专利技术属性】
技术研发人员：宁正福，黄亮，王庆，陈志礼，孙逢瑞，林浩，吕兆兰，
申请(专利权)人：中国石油大学北京，
类型：发明
国别省市：北京,11