基于碳同位素分馏的页岩原位含气参数确定方法及系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于碳同位素分馏的页岩原位含气参数确定方法及系统，根据裂缝气体压差渗流的定量模型、解析过程岩心基质孔隙内气体流动的定量模型、干酪根溶解气扩散过程和岩心解析过程的初始条件和边界条件建立页岩气解析过程中的碳同位素分馏耦合模型，基于碳同位素分馏耦合模型确定页岩原位含气量及吸附气/游离气比例，提高了预测页岩气资源的准确性，可操作性和实用性，便于地质推广应用。

【技术实现步骤摘要】
基于碳同位素分馏的页岩原位含气参数确定方法及系统
本专利技术涉及页岩气资源量检测
，特别是涉及一种基于碳同位素分馏的页岩原位含气参数确定方法及系统。
技术介绍
目前，已实现页岩气商业开发的国家有美国、加拿大以及中国，其中美国已实现大规模商业化生产，进入页岩气开发的快速发展阶段。美国含页岩气盆地22个，海相页岩气是目前勘探开发的主要目标，投入商业开发的主要有Barnett、Fayetteville、Haynesville和Marcellus等6个盆地，页岩气主要产气层位是海相古生界石炭系、泥盆系。美国每年大概要开4000口井，目前在生产的井大约有45000口。北美页岩气的突破和工业化生产深刻地改变了世界能源格局，揭示了页岩气的巨大潜力。我国页岩气资源量同样十分丰富，四川盆地及周缘的海相地层累计探明页岩气地质储量达10455亿方(郭旭升，2019)，有着良好的勘探开发前景，是一种可以大力开发的清洁能源。为满足我国持续快速增长的能源需求和能源的清洁高效利用，加强页岩气的研究对中国具有重大的现实意义。作为非常规能源，页岩气是能源资源的重要补充，大规模的开发一旦实现，将在保障中国能源安全、降低对外依存度方面起到积极作用。目前，我国已经形成了由涪陵、威远、长宁、昭通、富顺-永川等页岩气勘探开发区组成的南方海相五大页岩气重点产区(邹才能等，2016；2017)，我国页岩气产量增长迅速，2018年累计产气量已超百亿方(中石化和中石油)。尽管如此，由于我国地质条件的复杂性及中美国情的差异，在页岩气的勘探开发上，我们无法完全复制美国的做法和成果，还有漫长的道路需要探索(查全衡，2014)。在众多有待探索和解决的问题当中，有2个问题受到了特别的关注和重视：一是地层条件下页岩原始含气量的恢复问题；二是地层条件下页岩中吸附/游离气比例确定的问题。这2个问题不仅事关页岩气资源潜力的客观评估，储量、可采储量科学计算及有利目标区、目标层位的筛选，也事关开发方案制定的合理性，因此会影响对有关目标投资力度的决策及勘探开发效益。这2个问题正是我国油公司及勘探家非常关注、但迄今没有满意解决方案的关键难题，值得攻关、探索。数十年来，国内外有关学者和工程技术人员对上述问题进行了多方面的研究和探索，但迄今业已提出并应用的研究及评价方法，包括基于岩心解析法、等温吸附实验法、测井解释法、同位素方法等。但每一种方法均存在各自的局限性，可以说，还没有公认的有效解决方法。岩心解析法通过将钻取后的岩心置于解析罐中获取解析气量，破碎或升温解析获取残余气量，基于解析数据通过计算获取井筒提升和地面暴露阶段的损失气量，损失气量+解析气量+残余气量即为页岩原位含气量。这一方法的关键在于损失气量的恢复，目前应用最为广泛的方法是借用煤层气建立的USBM方法，该方法基于扩散方程推导，在损失时间较短或者损失气比例较低的假设下，推导得到“解析初期解析气量与时间的平方根成正比”，通过绘制解析气量与时间的平方根进行反推获取损失气量。该方法要求取芯时间和暴露时间尽可能短，岩心均质性尽可能高，但页岩气游离气含量高、散失快，且页岩埋深大，取芯时间长，因此该方法的评价结果准确性收到了较大的质疑。此外，该方法由于未考虑气体赋存状态，只能评价页岩原位含气量，无法获取吸附气/游离气比例参数。等温吸附法通过将一定粒度的岩石样品置于等温吸附实验装置中，在一定温度和压力下进行甲烷吸附实验，获取等温吸附量随压力升高的等温吸附曲线，之后借助朗格缪尔、BET等吸附模型，评价页岩的吸附能力。该方法存在的问题主要有：①等温吸附实验评价的是页岩最大吸附能力而非实际吸附量；②朗格缪尔模型中的压力实际应该是评价气体的有效分压，而非地层实际压力，但有效分压往往难以测定；③等温吸附实验难以模拟真实的原位地层条件，包括温度、压力、含水饱和度及水的分布；④该方法只能评价页岩吸附气量，游离气含量的评价还需要借用其他方法。测井解释法利用测井资料计算地下岩石的孔隙度和含水饱和度，有含气饱和度、孔隙体积和地层压力即可计算获得游离气量。这一方法在孔隙度较高的砂岩地层中的评价效果认可度较高，但在致密页岩地层孔隙度和含水饱和度的评价上还存在诸多质疑。另外，建立和标定测井模型是以现场解析为刻度，需要借用其他方法评价的页岩含气量数据，因此，其他方法存在的问题这一方法同样存在。近年来逐渐受到关注和重视的同位素方法展现了解决上述问题的潜力。解析过程中的同位素分馏特征(分馏幅度和分馏时间)与解析进程、页岩的含气量、吸附/游离气比例、页岩的渗透率等因素密切相关，这反过来也为利用分馏作用解决与页岩气有关的地质问题奠定了基础。目前有关页岩气解析过程同位素分馏的研究多停留在定性认识和半定量分析的阶段，缺乏定量化模型，很大程度上限制了同位素分馏方法在解决上述关键问题的应用。
技术实现思路
基于此，本专利技术的目的是提供一种基于碳同位素分馏的页岩原位含气参数确定方法及系统，通过建立表征解析过程同位素分馏效应的碳同位素分馏耦合模型，进而确定页岩原位含气量及吸附气/游离气比例。为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于碳同位素分馏的页岩原位含气参数确定方法，所述方法包括：步骤S1：钻取岩心出筒后，装罐密封后在泥浆循环温度下进行恒温解析；步骤S2：恒温解析过程中按照固定时间间隔连续、密集采集气样，连续记录解析过程中的实测总解析气量以及对应的甲烷碳同位素值；步骤S3：建立裂缝气体压差渗流的定量模型；步骤S4：建立解析过程岩心基质孔隙内气体流动的定量模型；步骤S5：确定干酪根溶解气扩散过程；步骤S6：根据岩心样品取心、地面暴露过程和装罐解析全过程构建岩心解析过程的初始条件和边界条件；步骤S7：根据所述裂缝气体压差渗流的定量模型、所述解析过程岩心基质孔隙内气体流动的定量模型、所述干酪根溶解气扩散过程和所述岩心解析过程的初始条件和边界条件建立页岩气解析过程中的碳同位素分馏耦合模型；步骤S8：根据实测总解析气量以及对应的甲烷碳同位素值标定碳同位素分馏耦合模型，获得优化参数；步骤S9：将所述优化参数代入所述碳同位素分馏耦合模型，确定页岩原位含气量及吸附气/游离气比例。可选地，所述建立裂缝气体压差渗流的定量模型，具体公式为：其中，Qfrac(ti)为ti时刻裂缝游离甲烷12CH4的解析量，P(ti-1)和P(ti)分别为ti-1和ti时刻裂缝内游离甲烷12CH4分压，zi-1和zi分别为ti-1和ti时刻气体压缩因子，Vf为裂缝体积，Vm为摩尔体积，R为理想气体常数，T为解析温度，为ti时刻裂缝游离甲烷13CH4的解析量，P*(ti-1)和P*(t)分别为ti-1和ti时刻裂缝内游离甲烷13CH4分压。可选地，所述建立解析过程岩心基质孔隙内气体流动的定量模型，具体包括：步骤S41：确定质量平衡比值；步骤S42：确定12CH4吸附速率常数和解析速率常数的比值；步骤S43：确定13CH4吸附速率常数和解析速率常数的比值；步骤S44：根据所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于碳同位素分馏的页岩原位含气参数确定方法，其特征在于，所述方法包括：/n步骤S1：钻取岩心出筒后，装罐密封后在泥浆循环温度下进行恒温解析；/n步骤S2：恒温解析过程中按照固定时间间隔连续、密集采集气样，连续记录解析过程中的实测总解析气量以及对应的甲烷碳同位素值；/n步骤S3：建立裂缝气体压差渗流的定量模型；/n步骤S4：建立解析过程岩心基质孔隙内气体流动的定量模型；/n步骤S5：确定干酪根溶解气扩散过程；/n步骤S6：根据岩心样品取心、地面暴露过程和装罐解析全过程构建岩心解析过程的初始条件和边界条件；/n步骤S7：根据所述裂缝气体压差渗流的定量模型、所述解析过程岩心基质孔隙内气体流动的定量模型、所述干酪根溶解气扩散过程和所述岩心解析过程的初始条件和边界条件建立页岩气解析过程中的碳同位素分馏耦合模型；/n步骤S8：根据实测总解析气量以及对应的甲烷碳同位素值标定碳同位素分馏耦合模型，获得优化参数；/n步骤S9：将所述优化参数代入所述碳同位素分馏耦合模型，确定页岩原位含气量及吸附气/游离气比例。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于碳同位素分馏的页岩原位含气参数确定方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：钻取岩心出筒后，装罐密封后在泥浆循环温度下进行恒温解析；
步骤S2：恒温解析过程中按照固定时间间隔连续、密集采集气样，连续记录解析过程中的实测总解析气量以及对应的甲烷碳同位素值；
步骤S3：建立裂缝气体压差渗流的定量模型；
步骤S4：建立解析过程岩心基质孔隙内气体流动的定量模型；
步骤S5：确定干酪根溶解气扩散过程；
步骤S6：根据岩心样品取心、地面暴露过程和装罐解析全过程构建岩心解析过程的初始条件和边界条件；
步骤S7：根据所述裂缝气体压差渗流的定量模型、所述解析过程岩心基质孔隙内气体流动的定量模型、所述干酪根溶解气扩散过程和所述岩心解析过程的初始条件和边界条件建立页岩气解析过程中的碳同位素分馏耦合模型；
步骤S8：根据实测总解析气量以及对应的甲烷碳同位素值标定碳同位素分馏耦合模型，获得优化参数；
步骤S9：将所述优化参数代入所述碳同位素分馏耦合模型，确定页岩原位含气量及吸附气/游离气比例。


2.根据权利要求1所述的基于碳同位素分馏的页岩原位含气参数确定方法，其特征在于，所述建立裂缝气体压差渗流的定量模型，具体公式为：



其中，Qfrac(ti)为ti时刻裂缝游离甲烷12CH4的解析量，P(ti-1)和P(ti)分别为ti-1和ti时刻裂缝内游离甲烷12CH4分压，zi-1和zi分别为ti-1和ti时刻气体压缩因子，Vf为裂缝体积，Vm为摩尔体积，R为理想气体常数，T为解析温度，为ti时刻裂缝游离甲烷13CH4的解析量，P*(ti-1)和P*(t)分别为ti-1和ti时刻裂缝内游离甲烷13CH4分压。


3.根据权利要求1所述的基于碳同位素分馏的页岩原位含气参数确定方法，其特征在于，所述建立解析过程岩心基质孔隙内气体流动的定量模型，具体包括：
步骤S41：确定质量平衡比值；
步骤S42：确定12CH4吸附速率常数和解析速率常数的比值；
步骤S43：确定13CH4吸附速率常数和解析速率常数的比值；
步骤S44：根据所述质量平衡比值、所述12CH4吸附速率常数和解析速率常数的比值和所述13CH4吸附速率常数和解析速率常数的比值建立解析过程岩心基质孔隙内气体流动的定量模型。


4.根据权利要求3所述的基于碳同位素分馏的页岩原位含气参数确定方法，其特征在于，建立解析过程岩心基质孔隙内气体流动的定量模型，具体公式为：



其中，φ为有效孔隙度，p为基质孔隙内12CH4气体分压，p*为基质孔隙内13CH4气体分压，t为解析时间，x为距离，m为形状因子，θ为吸附气覆盖率，D为基质孔隙游离12CH4扩散系数，D*为基质孔隙游离13CH4扩散系数，c为质量平衡比值，K*为13CH4吸附速率常数和解析速率常数的比值，K为12CH4吸附速率常数和解析速率常数的比值，p0为标准压力。


5.根据权利要求1所述的基于碳同位素分馏的页岩原位含气参数确定方法，其特征在于，所述确定干酪根溶解气扩散过程，具体公式为：



其中，Ck为干酪根结构孔隙内12CH4气体浓度，为干酪根结构孔隙内13CH4气体浓度，tk为干酪根溶解气扩散累积时间，Dk为干酪根结构孔内12CH4气体扩散系数，为干酪根结构孔内13CH4气体扩散系数，x为距离。


6.一种基于碳同位素分馏的页岩原位含气参数确定系统，其特征在...

【专利技术属性】
技术研发人员：李文镖，卢双舫，李俊乾，张俊，魏永波，冯文俊，宋兆京，林子智，
申请(专利权)人：中国石油大学华东，
类型：发明
国别省市：山东;37