岩石热解实验在页岩油储层含油性评价中的应用——以川东北地区侏罗系凉高山组为例.pdf
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1、中 国 石 油 勘 探CHINA PETROLEUM EXPLORATION2024 年 1 月第 29 卷第 1 期岩石热解实验在页岩油储层含油性评价中的应用以川东北地区侏罗系凉高山组为例陈曼霏1,2 王丽1 何家欢1,2 谭杰1 洪海涛1 赵丹1,2 孔令明1 蔡长宏1,2 谭雅倩1(1中国石油西南油气田公司勘探开发研究院;2页岩气评价与开采四川省重点实验室)摘要:页岩油是保障国家长期稳产和上产的重要战略资源,含油性及可动性评价在页岩油勘探甜点预测中具有重要指导意义。采用液氮冷冻取制样和岩石热解实验方法,对川东北地区侏罗系凉高山组页岩油层系开展含油性及可动性评价实验研究和含油性影响因素分析
2、,取得以下 4 点认识:(1)液氮冷冻取制样技术可有效避免样品中的轻烃损失,所获含油性参数可更为真实地反映储层含油性;(2)分段岩石热解方法可通过游离油、束缚油及固态烃含量表征储层含油性,并通过最大可动油量占比(游离油含量/总含油量)表征原油可动性;(3)凉高山组页岩油储层含油性和可动性受有机质丰度、成熟度、岩性和烃源体系的运移排烃及烃类运聚作用的共同影响,有机质丰度越大储层含油性越好,成熟度越高原油可动性越强,但储层含油性越好和可动性越强,原油越容易在储层中发生短距离运聚现象,从而改变储层含油性;(4)综合分析凉一段、凉三段的含油性、可动性、地球化学特征、物性和页岩油井的开发需求,发现凉一段
3、为优质页岩油勘探层段。岩石热解实验手段为页岩油含油性及可动性评价提供了新思路和新方法,可有效支撑页岩油甜点区预测和开发方案设计。关键词:页岩油;冷冻取制样;分段岩石热解;含油性;可动性;川东北;凉高山组中图分类号:TE125.3 文献标识码:A DOI:10.3969/j.issn.1672-7703.2024.01.013 Application of rock pyrolysis experiment in oil-bearing property evaluation of shale oil reservoir:a case study of the Jurassic Lianggao
4、shan Formation in the northeastern Sichuan BasinChen Manfei1,2,Wang Li1,He Jiahuan1,2,Tan Jie1,Hong Haitao1,Zhao Dan1,2,Kong Lingming1,Cai Changhong1,2,Tan Yaqian1(1 Research Institute of Exploration&Development,PetroChina Southwest Oil and Gasfield Company;2 Sichuan Province Key Laboratory of Shale
5、 Gas Evaluation and Exploitation)Abstract:Shale oil is an important strategic resource to ensure Chinas long-term steady and increase of oil production.The evaluation of oil-bearing property and oil mobility has an important guiding significance in sweet spot prediction in shale oil exploration.By a
6、pplying the liquid nitrogen freezing sampling and rock pyrolysis experiment methods,experimental research on oil-bearing property and mobility evaluation of shale oil series in the Jurassic Lianggaoshan Formation in northeastern Sichuan Basin is conducted,and the influencing factors of oil-bearing p
7、roperty are analyzed.As a result,understanding is obtained in the following four aspects:(1)The liquid nitrogen freezing sampling technology effectively avoids the loss of light hydrocarbons in samples,and the obtained oil-bearing property parameters can better reflect the oil-bearing property of th
8、e reservoir;(2)By using the multi-stage rock pyrolysis method,the oil-bearing property is characterized by free oil,bound oil,and solid hydrocarbon content,and the 基金项目:中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目“四川盆地页岩油有利区综合地质研究与区带优选”(2022KT0301);中国石油西南油气田公司科技处应用研究项目“侏罗系页岩油赋存状态表征实验研究”(20220301-05)。第一作者简介:陈曼霏(1994-),女
9、,四川成都人,硕士,2019 年毕业于中国地质大学(武汉),工程师,现主要从事非常规油气地质评价及实验研究方面的工作。地址:四川省成都市双流区华阳天研路 218 号,邮政编码:610213。E-mail:收稿日期:2023-06-19;修改日期:2023-10-15引用:陈曼霏,王丽,何家欢,等岩石热解实验在页岩油储层含油性评价中的应用:以川东北地区侏罗系凉高山组为例 J.中国石油勘探,2024,29(1):166-176.Chen Manfei,Wang Li,He Jiahuan,et al.Application of rock pyrolysis experiment in oil-b
10、earing property evaluation of shale oil reservoir:a case study of the Jurassic Lianggaoshan Formation in the northeastern Sichuan BasinJ.China Petroleum Exploration,2024,29(1):166-176.陈曼霏等:岩石热解实验在页岩油储层含油性评价中的应用167第 1 期oil mobility is characterized by the proportion of maximum mobile oil content(free
11、 oil/total oil content);(3)The oil-bearing property and mobility of shale oil reservoir in Lianggaoshan Formation are jointly affected by organic matter abundance,maturity,lithology,as well as hydrocarbon expulsion,migration,and accumulation in the source rock system.The greater the organic matter a
12、bundance,the higher the oil-bearing property of the reservoir,and the higher the maturity,the better the oil mobility.However,a better oil-bearing property and oil mobility will more easily cause the short-distance oil migration and accumulation in the reservoir,thus changing the oil-bearing propert
13、y of the reservoir;(4)After the comprehensive analysis of oil-bearing property,oil mobility,geochemical characteristics,physical properties of the first and the third members of Lianggaoshan Formation,as well as the development demands of shale oil wells,it is found that the first member of Lianggao
14、shan Formation is a high-quality interval for shale oil exploration.The rock pyrolysis experiment provides a new idea and method for the evaluation of shale oil-bearing property and oil mobility,which effectively supports the prediction of shale oil sweet spot area and the design of development plan
15、.Key words:shale oil,freezing sampling,multi-stage rock pyrolysis,oil-bearing property,mobility,northeastern Sichuan Basin,Lianggaoshan Formation0 引言全球页岩油资源丰富,美国页岩油勘探开发取得了重大突破,页岩油占总原油产量的 65.2%1,已成为原油产量增长的主体。该突破启示了中国非常规油气勘探中页岩油有望成为重要战略性接替领域。近年来随着国内勘探家对页岩油领域的关注2-4,目前在准噶尔盆地吉木萨尔凹陷、鄂尔多斯盆地、江汉盆地潜江凹陷、渤海湾盆地的
16、黄骅坳陷和济阳坳陷以及松辽盆地古龙凹陷均获得突破,引发了中国陆相页岩油勘探开发的热潮5-15。四川盆地侏罗系在以往的勘探思路指导下已发现其为一套既含油又含气的重要含油气层系,但尚未实现油藏的规模效益开发。在当前页岩油勘探思路的指导下,勘探家对侏罗系的研究进入“进源找油”阶段,并在川中及川北自流井组大安寨段和川东北的凉高山组及自流井组东岳庙段见良好的油气显示。其中,龙浅 2 井在大安寨段页岩储层钻试取得较好效果,黑色页岩日产气量(2659m3)明显高于介壳灰岩日产气量(150m3);平安 1 井在凉高山组获重大突破,测试产油 112.8m3/d、产气 11.45104m3/d,试采 139天累计
17、产油 3206.65m3、累计产气 366.39104m3 16,证实了侏罗系具有高产、稳产的潜力。页岩油勘探中甜点预测的基础是页岩的含油性及可动性评价。如何高效且准确地评价页岩油储层含油性与可动性是当前研究的热点问题之一3-6。当前测试页岩油储层含油性的实验手段主要有抽提法、核磁共振实验、定量荧光识别和岩石热解等,其中岩石热解实验周期短、成本低、可准确定量且受实验环境及人为因素的影响小,因此在页岩油储层含油性评价中应用广泛。但随着勘探家对陆相页岩油赋存机理认识的加深16,泥页岩的含油性评价从最初以滞留烃总量为目标的原地滞留油评价,逐渐发展为以游离烃为目标的游离油评价17-18,因此如何改进完
18、善岩石热解实验流程获得泥页岩地层中真实的游离油含量是该实验方法的发展方向。针对川东北地区中高成熟度页岩油特征,本文改进常规岩石热解实验流程和引入新的评价参数,再将新方法及新参数应用于页岩油储层含油性评价和含油性影响因素讨论,并对该实验方法的下一步发展方向进行分析。1 样品来源样品来自川东北地区龙会场构造带的页岩油探井HQ1 井下侏罗统凉高山组凉一段暗色页岩及粉细砂岩和凉三段顶部暗色页岩的新鲜含油岩心样品,深度分别介于 1748.71766.7m 和 1880.01952.0m,有机质类型以型为主19,Ro为 1.0%1.4%,位于生油窗后期和生气阶段早期,产中高成熟度页岩油。川东北地区凉高山组
19、主要为一套细粒沉积,发育两期湖盆沉积,其中凉一段发育暗色泥页岩夹薄层泥质粉砂岩,为半深湖沉积;凉二段发育暗色泥页岩与薄层粉细砂岩、泥质粉砂岩互层,为三角洲前缘席状砂前三角洲沉积;凉三段发育暗色泥页岩及泥质粉砂岩,底部夹有灰绿色粉细砂岩,主要为滨浅湖三角洲前缘席状砂沉积20。本文选取 HQ1 井中页岩油储层段 14 块泥页岩、粉砂质泥岩和泥质粉砂岩夹层样品开展常规与液氮冷冻取制样条件下的常规岩石热解实验及分段岩石热解实验,探讨凉高山组页岩油储层的含油性特征及影响因素。样品的基础地球化学特征及矿物组成数据见表。2 实验方法及参数意义2.1 常规及液氮冷冻取制样常规取制样,即在岩心出筒后,擦拭去除岩
20、心上的钻井液,敲取 20g 左右块样放入纸质样品袋不包裹,在常温常压条件下保存及运输。测试前将样品在中 国 石 油 勘 探1682024 年第 29 卷2.2 常规及分段岩石热解实验常规岩石热解实验,即遵循国家标准岩石热解分析(GB/T 186022012),并根据标准中制定的程序升温方法进行测试,由氢火焰离子化检测器检测岩石在载气热流热解过程中S0、S1、S2和Tmax值。S0、S1、S2值分别为 90、90300和 300600条件下单位质量烃源岩中的烃含量;Tmax值为S2峰最高点对应的温度,指示有机质热裂解最高温度。由于本文目的为讨论岩石中烃类含量,不涉及样品中有机碳含量,因此未测试热
21、解有机碳含量(S3)和残余有机碳含量(S4)。其中,岩石热解参数S1值可快速、直观地表征样品的含油率,S1值越高,表明页岩含油率越好,再采用 Jarvie 等21-23提出的含油饱和度指数(OSI)表征页岩油可动性。含油饱和度指数为S1值与总有机碳含量(TOC)的比值,即 OSI=100S1/TOC。当含油饱和度指数OSI100mg/g 时,岩石中的原油含量超过有机质对原油的吸附量,出现石油跨越效应,通常认为此类页岩中原油具备可动条件。分段岩石热解实验,即依据不同赋存状态页岩油的分子热挥发能力和不同组分的蒸发温度19,设计不同梯度的升温程序,对页岩体系中不同赋存状态油量及固态烃含量进行测试。本
22、次分段岩石热解实验温度段为室温200、200350、350450、450600,分别获得 4 个热解峰S1-1、S1-2、S2-1、S2-2。其中,S1-1为游离烃中的轻质组分,为最容易动用的油量;S1-2为游离烃中的轻中质组分,S1-1与S1-2之和代表页岩中游离油总量,为最大可动油量,其占比可反映页岩储层中原油可动性;S2-1为重烃、胶质沥青质组分,与干酪根呈吸附互溶态,为束缚油,为一般开采条件下不可动烃,S1-1、S1-2、S2-1之和为页岩储层中总含油量;S2-2主要为页岩干酪根裂解再生烃,为固态烃含量。表 1 实验样品基础数据统计表Table 1 Basic data of expe
23、rimental samples样号层段深度/m总有机碳/%S0/(mg g-1)S1/(mg g-1)S2/(mgg-1)Tmax/矿物组分含量/%岩性黏土矿物 长英质矿物 碳酸盐矿物1凉三段1751.251.810.0052.103.0045945.554.5泥页岩21751.592.370.0052.404.2445953.746.3泥页岩31761.111.710.0061.602.0546330.568.21.3泥质粉砂岩41764.222.150.0041.803.4546054.743泥页岩51765.071.430.0061.772.6945646.951.8泥页岩61765.
24、552.280.0051.723.6046450.444.33.9泥页岩71766.172.140.0051.703.7546453.246.20.7泥页岩8凉一段1892.042.170.0061.653.0546548.251.10.7泥页岩91900.072.030.0061.732.4446641.957.20.9粉砂质泥岩101904.751.440.0071.271.7946549.950.1泥页岩111907.381.220.0060.971.3846841.258.8泥页岩121916.471.020.0053.472.0847031.866.81.4泥质粉砂岩131917.9
25、91.040.0051.171.2647034.457.97.8粉砂质泥岩141918.880.930.0060.670.8647134.764.60.7粉砂质泥岩常温常压下用研钵将样品粉碎至 100 目以下。液氮冷冻取制样,即在岩心出筒后,快速擦拭去除岩心上的钻井液,敲取岩心内部 20g 左右块样用塑料薄膜包裹后放入液氮中保存及运输。测试前,在研磨仪内添加液氮,至器皿中液氮不沸腾,随后逐一将冷冻样品放入研钵中快速粉碎至 100 目以下并立即上机测试。此操作是对研磨仪进行预冷处理,再通过研磨仪中液氮气化吸收研磨仪摩擦样品所产生的热量,使样品处于低温环境,降低制样过程中样品液态烃(C5C16)的
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