密閉體系下頁巖油氣產率評價模型建立及參數標定方法
【專利摘要】本發明涉及一種密閉體系下頁巖油氣產率評價模型建立及參數標定方法，包括以下步驟：1)建立頁巖油產率評價模型；2)建立頁巖氣產率評價模型；3)實驗測量頁巖油產率和頁巖氣產率；4)標定頁巖油評價模型和頁巖氣產率評價模型中動力學參數。本發明由于同時考慮了頁巖油生成和二次裂解這兩種情況，在密閉體系中建立頁巖油氣產率評價模型，因此從實驗條件和地質條件的近似程度上考慮，本方法有效地解決了對密閉體系下頁巖油生成和二次裂解同時存在的復雜過程的描述，實現了對頁巖油氣特征的定量、動態地描述。利用本方法標定出的頁巖油氣動力學參數，再結合實際盆地的埋藏史熱史進行地質外推，獲得的頁巖油氣生烴史信息更加準確可靠。
【專利說明】密閉體系下頁巖油氣產率評價模型建立及參數標定方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種非常規頁巖油氣資源評價方法，特別是關于一種密閉體系下頁巖 油氣產率評價模型建立及參數標定方法。
【背景技術】
[0002] 經濟和社會的發展對能源需求的日益攀升和常規油氣資源的不斷消耗，使油氣供 需矛盾日益突出，隨著石油、天然氣等可耗竭資源價格的不斷走高，頁巖油氣的開采、利用 逐漸具備經濟性，此外，頁巖油氣的開采、利用也順應了我國能源結構清潔化的調整方向。 因此，盡快實現頁巖油氣規模開發，對緩解我國油氣資源短缺的現狀、形成油氣勘探開發新 格局、改變我國能源結構、保障國家能源安全以及促進經濟社會發展等都具有十分重要的 意義。
[0003] 中國的頁巖油和頁巖氣資源豐富，分別位居世界第三（年產油量為46億噸）和世 界第一（年產氣量為32萬億方），但是中國的頁巖油和頁巖氣更多的富集在相對較純的泥 頁巖中，油氣成藏復雜、儲集空間復雜致使其具有結構多尺度和非均質性強等特點，另外， 因儲層孔滲極低而需水平井大規模體積壓裂等，上述這些問題致使中國的頁巖油氣開發難 度巨大。為了成功的開采出真正有價值的頁巖油氣，緩解中國油氣緊張的現狀，首先需要 解決泥頁巖的成儲、賦存機理以及油氣在泥頁巖中可流動性的定量表征，進而研究頁巖油 氣的可采和可動性。沉積盆地中有機質成烴過程可視為熱力作用下的化學反應過程，即大 分子有機質熱裂解為小分子過程，這個過程可以用化學動力學方程來定量、動態描述，具體 為：在可控的實驗室溫度和時間條件下以不同的升溫速率對有機質進行熱裂解，獲得烴量 和轉化率與溫度之間的關系曲線，標定有機質成烴的動力學參數，再結合地質條件下的升 溫速率進行外推，能夠方便地獲得成烴史信息，從而對頁巖油氣進行定量、動態研究。
[0004] 到目前為止，國內外已有許多學者用不同的實驗設備，如高壓釜、真空管、金管、 Rock-Eval (生油巖評價儀）熱解儀和各種自制的加熱設備等，在不同的加熱溫度、時間和 壓力條件下，對各類烴源巖進行了許多熱解模擬實驗。熱解模擬實驗主要可分為開放體系 熱解模擬實驗和密閉體系熱解模擬實驗，其中，采用Rock-Eval熱解儀進行的熱解模擬實 驗屬于開放體系熱解實驗中的一種，而采用MSSV(小體積密封模擬裝置）和金管的熱解模 擬實驗均為密閉體系熱解模擬實驗。由于這兩類熱解模擬實驗可以方便地獲得不同升溫速 率下，有機質成烴（油/氣）量和轉化率與溫度的關系曲線數據，有利于標定有機質成烴的 動力學參數，因此在油氣資源定量評價中被廣泛采用。
[0005] 熱解模擬實驗數據標定的動力學參數能否成功地外推到地質情況下，熱解模擬實 驗的條件和地質情況的近似度是關鍵性因素之一。從近似度方面考慮，由開放體系熱解模 擬實驗數據標定得到的動力學參數更適合評價烴源巖邊生邊排的地質情況，而由密閉體系 熱解模擬實驗數據標定得到的動力學參數適合評價有二次裂解的地質情況。頁巖油是典型 的源儲一體、滯留聚集和連續分布的石油聚集，雖然其有機質類型相對較好，但其生成和裂 解都在烴源巖內進行，并未排出，生烴環境相對密閉；對于成熟度較高的有機質，頁巖油的 二次裂解導致頁巖油的大量減少，最后甚至全部裂解成氣。基于以上特點，若采用開放體系 熱解模擬實驗顯然是不科學的，因此頁巖油生成的實際地質情況更近似于密閉體系。目前 有機質成烴動力學模型主要有總包反應模型、串聯反應模型、無數平行一級反應模型及平 行一級反應模型。從20世紀90年代以來，各模型在源巖潛力評價中的應用情況和眾多盆地 模擬系統中采用的動力學參數來看，具有一個相同指前因子和一個離散分布活化能的平行 一級反應模型應用最為廣泛。前人對此類模型也做過大量研究，最初僅利用Rock-Evel實 驗數據對烴源巖成烴進行動力學標定，逐漸發展到結合PY-GC數據，對成烴數據進行油氣 分離，再利用金管實驗得到生成油的二次裂解數據，實現對烴源巖成油，成氣以及油成氣的 動力學標定。但若要準確地實現對頁巖油氣地質條件下的熱模擬，應使源巖生烴與油的二 次裂解在同一環境下實現，前人的方法顯然無法做到。而且，以往的研究主要對在開放體系 熱解模擬實驗中干酪根成油、干酪根成氣以及在密閉體系熱解模擬實驗中頁巖油二次裂解 成頁巖氣的動力學模型的標定，并無在密閉體系中，頁巖油生成與裂解同時存在的情況下， 對頁巖油氣產率評價模型及參數標定進行建立和研究。
【發明內容】
[0006] 針對上述問題，本發明的目的是提供一種準確、可靠地密閉體系下頁巖油氣產率 評價模型建立及參數標定方法。
[0007] 為實現上述目的，本發明采取以下技術方案：一種密閉體系下頁巖油氣產率評價 模型建立及參數標定方法，包括以下步驟：
[0008] 1)建立頁巖油產率評價模型，包括以下步驟：
[0009] ①建立頁巖油的化學動力學模型：
[0010]
【權利要求】
1. 一種密閉體系下頁巖油氣產率評價模型建立及參數標定方法，包括以下步驟： 1) 建立頁巖油產率評價模型，包括以下步驟： ① 建立頁巖油的化學動力學模型：
模型中，ki為干酪根生成頁巖油的反應速率系數；k2為頁巖油裂解成氣的反應速率系 數； ② 建立頁巖油產率評價模型 從頁巖油的化學動力學模型中可以看出：密閉體系下，當頁巖的成熟度達到并超過 0.9%時，頁巖油的生成和裂解同時存在，頁巖油的產率（CY)是生成和裂解兩個反應過程 的綜合結果，這種情況下，頁巖油的反應速率為：
式中，CYG為干酪根生成頁巖油的產率；CYL為頁巖油二次裂解成氣的產率；t為時間； &為干酪根生成頁巖油的反應速率系數；k2為頁巖油裂解成氣的反應速率系數。 假設頁巖油的生成和裂解由NY個平行一級反應組成，將每個平行一級反應的頁巖油 的產率為CYy將每個平行一級反應的頁巖油的生成和裂解的指前因子設為AY,，活化能設 為EYp i = 1，2，……NY ;升溫速率為V ;干酪根初始生油潛量為CYGiQ ;頁巖油裂解的原始 潛量為CYLi(l ;實驗開始時的絕對溫度為T0 ;實驗結束時的絕對溫度為T ;R為氣體常數，R = 8. 31447kj/mol · K，則頁巖油產率評價模型為：
2) 建立頁巖氣產率評價模型，包括以下步驟： ① 建立頁巖氣的化學動力學模型：
模型中，k2為頁巖油裂解成氣的反應速率系數；k3為干酪根生成頁巖氣的反應速率系 數。 ② 建立頁巖氣產率評價模型 從頁巖氣的化學動力學模型中可以看出：由于頁巖油的生成和裂解同時存在，因此，當 頁巖的成熟度達到并超過0.9%時，頁巖氣的產率（CQ)為干酪根直接生成的頁巖氣產率與 頁巖油二次裂解成的頁巖氣產率之和，頁巖氣的反應速率為：
式中，CQG為干酪根生成頁巖氣的產率；CQL為頁巖油二次裂解成氣的產率； 假設頁巖氣的生成由NY個平行一級反應組成，假設每個平行一級反應的頁巖氣的 產率為CQp假設每個平行一級反應的頁巖氣生成的指前因子為AQp活化能為EQp i = 1,2,……NY ;升溫速率為V ;干酪根初始生氣潛力為CQGi(l ;頁巖油裂解為氣的原始潛 量CQLi(l ;實驗開始時的絕對溫度為T0 ;實驗結束時的絕對溫度為T ;R為氣體常數，R = 8. 31447kj/mol · K，則頁巖氣的產率評價模型為：
? 3) 實驗測量頁巖油產率CY1W和頁巖氣產率CQ1U ; 4) 標定頁巖油評價模型和頁巖氣產率評價模型中動力學參數，包括以下步驟： ① 構造包含動力學參數的目標函數 假設某一升溫速率為V = 1，達到某一溫度j時由實驗所測得的頁巖油產率為CYlij，在 相同的條件下，假設干酪根生成頁巖油的活化能為EYGi，干酪根生成頁巖油的指前因子為 AYGp干酪根生成頁巖油的反應系數為FYGi(l，頁巖油二次裂解成頁巖氣的活化能為EYQ，頁 巖油二次裂解成頁巖氣的指前因子為AYQ，頁巖油二次裂解成頁巖氣的反應分數為FYL i(l， 通過頁巖油產率評價模型計算得到的頁巖油產率為CYU ; 如果存在一組 EYGp AYGp FYGi(l、EYQ、AYQ、FYLi(l 的數據，使 CYlu-CYu = 0,則該組數 據為所要標定的數據，但是，由于不可避免的實驗誤差的存在，這種情況實際上是不可能存 在的，因此，只需要求出使CYhj-CY^為極小值時的EYGp AYGp FYGi(l、EYQ、AYQ、FYLi(l的取 值，為此構造目標函數：
式中，U為不同升溫速率實驗的數目；上為一條升溫速率下的實驗轉化率曲線（曲線 由實驗數據所得）上選取的采樣點的數目； 由于EYh和EYQ通過確定平行一級反應的活化能的分布范圍和相鄰平行一級反應 的活化能間隔而求解，而且干酪根成油及頁巖油二次裂解成頁巖氣可以使用相同的指前因 子，因此，目標函數能夠簡化為：
A、FYGi0、FYLi0應該同時滿足以下約束條件：0彡FYGi0彡Μ油；?彡FYL i0彡Μ氣；A>0 ;
其中，為定值，此時，頁巖油動力學參數的求取問題就轉化為求非負的目標函 數在滿足約束條件時的極小點的問題； ② 構造求解目標函數的懲罰函數； ③ 初始化Μ油和Μ氣； ④ 求解目標函數和懲罰函數的一階偏導函數； ⑤ 求取動力學參數的近似極小值并判斷是否達到精度要求，通過優化方法求解出逼近 懲罰函數極小點的近似解，并計算出該點的梯度，判斷該梯度是否小于某一給定的小正數 ε，如果是，則輸出標定結果，過程結束；否則，求解新點處使懲罰函數值下降的方向，進行 一維搜索，直到求解出滿足精度要求的近似極小點為止，從而達到標定頁巖油產率評價模 型的動力學參數的目的。
2. 如權利要求1所述的密閉體系下頁巖油氣產率評價模型建立及參數標定方法，其特 征在于，所述步驟1)中的ki、k2以及所述步驟2)中匕通過下式計算： k = Aexp(-E/RT) 式中，A為指前因子；E為活化能；R為氣體常數，R = 8. 31447kj/mol · K ;T為絕對溫 度。
3. 如權利要求1或2所述的密閉體系下頁巖油氣產率評價模型建立及參數標定方法， 其特征在于，所述步驟3)包括以下步驟： ① 選擇代表性的巖樣； ② 在密閉體系下進行熱解模擬實驗； ③ 實時記錄實驗數據； ④ 求取不同升溫速率下頁巖油產率CY1U和頁巖氣產率CQlp
【文檔編號】G06F19/00GK104156593SQ201410391014
【公開日】2014年11月19日 申請日期:2014年8月8日 優先權日:2014年8月8日
【發明者】王民, 黃愛華, 王志偉, 王文廣, 盧雙舫, 薛海濤, 李吉君 申請人:中國石油大學(華東)