預(yù)測(cè)頁巖不同類型吸附氣非均質(zhì)性分布的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于非常規(guī)油氣勘探開發(fā)領(lǐng)域，具體地，涉及一種頁巖氣預(yù)測(cè)模型和方法， 用于預(yù)測(cè)頁巖中不同類型吸附氣的非均質(zhì)性分布。
【背景技術(shù)】
[0002] 頁巖氣是指儲(chǔ)集在富含有機(jī)質(zhì)的細(xì)粒碎肩巖中的天然氣，一部分以游離態(tài)存在于 孔隙和裂縫中，一部分吸附于有機(jī)質(zhì)和礦物表面，可以是生物成因、熱解成因或混合成因， 在一定地質(zhì)條件下聚集成藏并達(dá)到經(jīng)濟(jì)開采價(jià)值。頁巖吸附氣是頁巖氣中的重要形式和組 成部分，是由頁巖中的有機(jī)和無機(jī)礦物表面吸附所致，這里首次將它分為有機(jī)質(zhì)吸附氣、 粘土礦物吸附氣、石英吸附氣、其他碎肩巖礦物吸附氣、碳酸鹽礦物吸附氣和其他鹽類礦物 吸附氣。如何高精度地預(yù)測(cè)這些不同類型的吸附氣在大套頁巖中的非均質(zhì)性分布，對(duì)科學(xué) 和準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)頁巖氣資源有著重要的意義。
[0003] 由于不斷攀升的能源需求和日益增大的能源壓力，讓頁巖油氣這一非常規(guī)能源受 到越來越多的重視。美國(guó)對(duì)頁巖氣的勘探開發(fā)走在世界的前列，是目前頁巖氣大規(guī)模商 業(yè)開發(fā)取得成功的唯一國(guó)家。1976年，美國(guó)能源部開始關(guān)注東部頁巖氣，就Antrim頁巖、 Ohio頁巖、New Albany頁巖、Barnett頁巖和Lewis頁巖等五大頁巖氣系統(tǒng)開展了針對(duì) 頁巖氣地質(zhì)、地球化學(xué)和石油工程的研究（Curtis，2002)。加拿大緊隨其后，近年來也開 展了頁巖氣的勘探及實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)泥盆系、石炭系和侏羅系頁巖氣的勘探潛力進(jìn)行了評(píng)估 (RossD&Bustin，2007, 2008)。我國(guó)近些年也加大了對(duì)四川、鄂爾多斯等西部盆地頁巖氣的 勘探和研究工作，取得了一些可喜的成績(jī)。這些西部盆地古生代海相地層分布范圍廣、地層 厚度大、有機(jī)質(zhì)含量普遍較高，可作為區(qū)域上頁巖氣勘探研究的重要層系，富集層位主體存 在于中一古生界中。相對(duì)而言，東部地區(qū)的新生界發(fā)育了大套湖相頁巖，也是一個(gè)不可忽視 的重要領(lǐng)域。
[0004] 已有的相關(guān)研究主要涉及到頁巖氣的賦存形式及影響因素、不同盆地頁巖氣的成 藏條件和機(jī)理等。研究認(rèn)為，雖然頁巖氣的賦存形式具有多樣性，如游離態(tài)（游離形式存 在于巖石空隙中）、吸附態(tài)（吸附于有機(jī)質(zhì)、粘土礦物與干酪根顆粒以及孔隙表面之上）、 溶解態(tài)（少量溶解于干酪根、瀝青質(zhì)、殘留水以及液態(tài)原油中），但目前發(fā)現(xiàn)的頁巖氣多以 吸附態(tài)為主，吸附性是頁巖氣的重要性質(zhì)（李新景等，2007 ;張金川等，2008 ;聶海寬等， 2009)，典型的實(shí)例是美國(guó)FortWorth盆地密西西比亞系Barnett組頁巖的吸附態(tài)頁巖氣就 占原始頁巖氣總量的40%~60%(1&^(^，2003出〇￥1?^，2003 ;聶海寬等，2009)。吸附作 用是頁巖氣聚集的基本方式之一，吸附狀天然氣的賦存與游離狀天然氣含量之間呈彼此 消長(zhǎng)關(guān)系，一般前者天然氣的含量變化在20%~85%之間（Curtis, 2002 !Montgomery et al. , 2005) 〇
[0005] 基于吸附性對(duì)于頁巖氣的重要性，許多研究人員研究了影響頁巖氣吸 附作用的地質(zhì)因素。勘探實(shí)踐和相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明，頁巖的復(fù)雜的礦物成分 (Schettler&Parmoly, 1990 ;Loucks&Ruppel, 2007)能影響頁巖氣的賦存形式和吸 附作用。富有機(jī)質(zhì)頁巖的孔隙結(jié)構(gòu)對(duì)于吸附作用及頁巖儲(chǔ)層中儲(chǔ)氣潛力的含量 來說甚為關(guān)鍵（Montgomery et al.，2005 ;Bustin, 2005 ;Loucks&Ruppel, 2007 ; Ross&Bustin, 2007, 2008)。頁巖中孔隙結(jié)構(gòu)分布的非均質(zhì)性決定了頁巖氣的資源評(píng)價(jià)是 復(fù)雜的，原因是孔隙結(jié)構(gòu)與許多因素有關(guān)，包括有機(jī)碳含量、礦物分布、成熟度和顆粒大小 (Ross，2004 ;Ross&Bustin, 2007 ;Chalmers&Bustin, 2007)。頁巖中孔隙結(jié)構(gòu)的分布與頁巖 中礦物組成有很大關(guān)系，因此礦物組成是頁巖油氣聚集的重要因素（Ross&Bustin，2009 ; 聶海寬等，2009)。同時(shí)，頁巖層中礦物的組成一方面會(huì)影響有機(jī)質(zhì)的賦存形式，如粘土型頁 巖中有機(jī)質(zhì)主要以有機(jī)粘土復(fù)合體的形式存在（蔡進(jìn)功等，2004);另一方面不同礦物的物 理化學(xué)性質(zhì)不同會(huì)導(dǎo)致對(duì)油氣吸附能力的差異，因此頁巖層中礦物的組分會(huì)影響頁巖氣的 向外排出乃至頁巖系統(tǒng)內(nèi)的生排烴平衡。
[0006] 粘土礦物是頁巖層系中的一種主要礦物組分，如北美福特沃斯盆地Barnett頁 巖氣產(chǎn)量最高的地區(qū)粘土礦物含量平均約為27% (Loucks&Ruppel，2007 Jarvie et al.，2007)，著名的Uinta盆地綠河頁巖粘土礦物含量則小于10 %，北海地區(qū)Heather頁巖 粘土礦物含量小于5% (Hunt, 1996)，Willistton盆地Bakken頁巖粘土礦物含量小于20% (郝芳等，2004)。中國(guó)南方中上揚(yáng)子區(qū)古生界大隆組頁巖中粘土礦物含量極低，分布在 0. 1 %~8. 0 %，平均僅2. 1 %，粘土礦物主要為伊利石和伊蒙混層礦物，相對(duì)含量平均分別 為56%和23% ;然而同為中上揚(yáng)子區(qū)古生界的龍?zhí)督M粘土礦物中粘土礦物含量變化大，最 低僅0. 5%，最高可達(dá)80. 0%，平均為14. 4%，為粘土型頁巖，粘土礦物中主要為伊利石，相 對(duì)含量平均約50% (付小東等，2011);四川盆地南緣下志留統(tǒng)龍馬溪組粘土礦物含量高， 為16. 8%~70. 1%，平均達(dá)53. 39% (陳尚斌等，2011)。以前的勘探表明，雖然海相地層 中粘土礦物含量一般小于50%，但粘土礦物對(duì)頁巖氣的吸附有重要影響。在同等地層壓力 和TOC值條件下，粘土礦物含量為45%的頁巖單位體積吸附氣量是粘土土礦物含量為7% 的頁巖的近兩倍（Mavor，2003)。
[0007] 湖相頁巖相對(duì)海相頁巖而言，其中的粘土礦物更發(fā)育，含量在40% -60%左右。由 于頁巖氣的吸附能力受粘土礦物影響大，因此粘土礦物中吸附氣的含量來是預(yù)測(cè)湖相頁巖 中的吸附氣含量的一項(xiàng)必要和重要內(nèi)容。粘土礦物中不同成分如蒙脫石、伊/蒙混層、伊利 石及綠泥石具有不同的吸附能力，建立不同粘土礦物成分的頁巖氣預(yù)測(cè)模型也是進(jìn)一步分 析和評(píng)價(jià)是頁巖氣賦存機(jī)制的一個(gè)必要環(huán)節(jié)。同時(shí)湖相頁巖中，石英含量高，石英對(duì)吸附氣 的貢獻(xiàn)也應(yīng)該考慮；而在海相頁巖中，碳酸鹽礦物含量高，碳酸鹽礦物吸附氣的能力不可忽 略。
[0008] 對(duì)于頁巖而言，存在一個(gè)普遍的非均質(zhì)性特征，即頁巖的礦物組成在不同的深度 段會(huì)有一定的變化，這會(huì)導(dǎo)致吸附的頁巖氣含量在剖面上的非均質(zhì)性分布特征。目前在頁 巖氣勘探中，對(duì)頁巖氣資源量的定量評(píng)價(jià)均是采用整體評(píng)價(jià)的方法，即采用某一深度頁巖 氣含量來代表整段頁巖氣的平均含量，這種評(píng)價(jià)方法忽略了頁巖氣的非均質(zhì)性分布，缺乏 科學(xué)性和準(zhǔn)確性。在此背景上，發(fā)明一種可表征頁巖不同類型吸附氣非均質(zhì)性分布的定量 預(yù)測(cè)模型非常有必要。
[0009] 授權(quán)專利（授權(quán)公告號(hào)：CN103411848B)介紹了一種頁巖吸附頁巖氣能力評(píng)價(jià)方 法。該方法的步驟為：對(duì)同一套頁巖儲(chǔ)層不同深度的若干樣品分別測(cè)定有機(jī)質(zhì)含量、粘土礦 物含量和其它礦物含量；對(duì)上述頁巖樣品進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，測(cè)定頁巖樣品在地層溫度下 的蘭氏體積；結(jié)合上述頁巖樣品的有機(jī)質(zhì)、粘土礦物、其它礦物含量和蘭氏體積，建立方程 組求解有機(jī)質(zhì)、粘土礦物和其它礦物在地層溫度下吸附頁巖氣的能力。
[0010] 申請(qǐng)專利（申請(qǐng)?zhí)?01410727185. 6)公布了一種頁巖吸附氣含量預(yù)測(cè)方法和裝 置，通過根據(jù)在研究區(qū)采集獲得的各頁巖樣本在不同溫度T下的蘭氏體積\，建立蘭氏體積 \、溫度T和頁巖樣本的有機(jī)質(zhì)豐度TOC之間的第一關(guān)系式，以及根據(jù)各頁巖樣本在不同溫 度T下的蘭氏壓力，建立蘭氏壓力的對(duì)數(shù)與溫度T的倒數(shù)之間的第二關(guān)系式，進(jìn)而將 第一關(guān)系式和第二關(guān)系式代入蘭氏方程，獲得溫度T、壓力P、頁巖樣本的有機(jī)質(zhì)豐度TOC與 吸附氣含量V的第三關(guān)系式，最后根據(jù)第三關(guān)系式，預(yù)測(cè)研究區(qū)的吸附氣含量V，解決了現(xiàn) 有技術(shù)中頁巖吸附氣含量預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度不高的技術(shù)問題。
[0011] 這兩種評(píng)價(jià)頁巖吸附氣的方法均沒有涉及到礦物石英和碳酸鹽礦物吸附能力的 問題，沒有設(shè)計(jì)和無法計(jì)算、評(píng)價(jià)這兩種礦物吸附氣的能力，并且這兩種方法均是建立在有 限樣品的檢測(cè)和計(jì)算上，不能獲得不同類型吸附氣含量在剖面上的連續(xù)型分布曲線，因而 對(duì)剖面上吸附氣的非均質(zhì)性無法進(jìn)行高精度評(píng)價(jià)，其