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CN110579810B - 一种稀有气体4He估算页岩气藏年龄的方法 - Google Patents

一种稀有气体4He估算页岩气藏年龄的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种稀有气体4He估算页岩气藏年龄的方法，其特征在于，包括以下步骤：选择目标页岩，确定页岩中放射性金属元素含量的特征值；确定页岩气中4He的含量；确定页岩气的游离气量；根据页岩中放射性金属元素含量的特征值、页岩气中4He的含量和页岩气的游离气量估算页岩气藏年龄。本发明能够简捷、有效地估算页岩气藏形成的的地质时间，为成藏过程研究提供技术支撑。

Description

一种稀有气体4He估算页岩气藏年龄的方法
技术领域
本发明涉及使用页岩气中稀有气体4He的量估算页岩气藏年龄的方法，属于石油、地质、矿业勘探开发技术领域。
背景技术
页岩气是指赋存于富含有机质的页岩及其夹层状的泥质粉砂岩中，主体上是自生自储成藏的连续性气藏，稀有气体在页岩气的运移和源岩示踪方面的研究意义不大。但是，由于稀有气体同位素的化学活动性稳定，且同位素分馏具有特殊的地球化学性质，使得稀有气体同位素作为认识油气来源的一种重要的辅助手段，并有其独到之处，因此，稀有气体同位素成为地学研究中的一种非常有效的示踪和定年手段，尤其是稀有气体He(氦)，在源岩追溯、构造历史反演、地下水测年等方面有着广泛的应用。
由于利用页岩中U(铀)、Th(钍)放射性金属元素衰变释放稀有气体4He 的时间累积效应，能够有效估算页岩气藏有效封存的地质时间，因此，建立页岩气中稀有气体4He年龄的定年技术方法具有重要意义。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种稀有气体4He估算页岩气藏年龄的方法，能够简捷、有效地估算页岩气藏形成的地质时间，为成藏过程的研究提供技术支撑。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种稀有气体4He估算页岩气藏年龄的方法，包括以下步骤：选择目标页岩，确定页岩中放射性金属元素含量的特征值；确定页岩气中稀有气体4He的含量；确定页岩气的游离气量；根据页岩中放射性金属元素含量的特征值、页岩气中稀有气体4He的含量和页岩气的游离气量估算页岩气藏年龄。
在一个具体实施例中，根据自然伽马能谱测井方法，确定页岩中铀、钍放射性金属元素的含量，通过求取平均值，获得页岩中铀、钍含量的特征值。
在一个具体实施例中，采用同位素稀释法测定单位体积页岩气中稀有气体4He的含量。
在一个具体实施例中，采用同位素稀释法测定单位体积页岩气中稀有气体4He的含量所依据的步骤为：①采集单位体积的页岩气样品，通过进样口接入稀有气体同位素质谱分析仪前处理系统，页岩气样品中氦的同位素比值 (3He/4He)(样品)已知；②打开同位素质谱分析仪中3He标气罐，向同位素质谱分析仪前处理系统加入已知体积的氦同位素稀释剂n[3He]，使氦同位素稀释剂n[3He] 与页岩气样品混合，3He标气罐内氦的同位素比值(3He/4He)(标准)已知；③打开液氮温度下活性炭阱，吸附待测页岩气样品中的烃类气体、二氧化碳、氮气活性气体，同时吸附除去氦以外的稀有气体组份，实现氦的纯化富集；④利用稀有气体同位素质谱分析仪测定页岩气样品纯化富集后氦的同位素比值(3He/4He)(混合)；⑤确定单位体积页岩气中稀有气体4He的含量。
在一个具体实施例中，确定单位体积页岩气中稀有气体4He含量所依据的公式为：
Figure BDA0001688989750000021
式中，n[4He]为单位体积页岩气中稀有气体4He的量，n[3He]为已知体积的氦同位素稀释剂，(3He/4He)(混合)为页岩气样品纯化富集后氦的同位素比值， (3He/4He)(标准)为3He标气罐内氦的同位素比值，(3He/4He)(样品)为页岩气样品中稀有气体氦的同位素比值。
在一个具体实施例中，基于页岩等温吸附实验，建立有机碳含量、温度、湿度与吸附能力的经验关系来获取页岩埋藏条件下的吸附气量，通过总孔隙空间扣除孔隙水和吸附气占据空间来厘定游离气占据空间，基于甲烷状态方程获取游离气密度，构建埋藏条件下页岩的游离气量计算方法，确定超压条件下吸附气随埋深呈下降趋势，游离气增加并成为主要赋存形式。
在一个具体实施例中，确定游离气占据空间所依据的公式为：
Vf＝Vt(1-Sw)-Va (2)
式中，Vf为页岩中游离气占据空间，Vt为总孔隙空间，Sw为含水饱和度，Va为吸附气占据空间。
在一个具体实施例中，确定埋藏条件下页岩的游离气量所依据的计算公式为：
Figure BDA0001688989750000031
Figure BDA0001688989750000032
Figure BDA0001688989750000033
f(w)＝0.37464+1.54226w-0.26992w2 (6)
Figure BDA0001688989750000034
式中，w为偏心因子，无量纲，取值为0.0113，Tc为甲烷的临界温度，单位为开氏度，Pc为甲烷的临界压力，单位为4.6兆帕，R为普适气体常数，取值为 8.314472立方米·帕/(开氏度·摩尔)，T为实际温度，单位为开氏度，P为压力，单位为兆帕，V′为气体密度，单位为立方米/摩尔，T1为甲烷的实际温度与临界温度的比值。
在一个具体实施例中，确定页岩中稀有气体4He的累积效应所依据的公式为：
Q×r×n[4He]＝J4×1.0×106×t (8)
式中，Q为单位质量页岩岩石的含气量，单位为立方米/吨，r为游离气所占比例，n[4He]为单位体积页岩气中稀有气体4He含量，单位为体积百分比，t为页岩中稀有气体4He的年龄，单位为百万年，J4为单位时间内每克页岩岩石中铀、钍元素产生稀有气体4He的量，单位为立方厘米标准温度压力下4He/每克页岩岩石·年。
在一个具体实施例中，根据铀、钍的衰变方程，确定单位时间、单位质量页岩岩石中铀、钍放射性金属元素产生的稀有气体4He所依据的公式为：
J4＝0.2355×10-12U×{1+0.123(Th/U-4)} (9)
式中，U为单位质量页岩中铀的质量，单位为百万分比浓度，Th为单位质量页岩中钍的质量，单位为百万分比浓度。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：本发明通过对页岩铀、钍含量和页岩气中稀有气体4He的定量分析，结合页岩气中稀有气体4He的含量和页岩气中游离气的含量，建立数学公式，能够简捷、有效地估算页岩气藏形成的地质时间，为成藏过程的研究提供技术支撑，在页岩气勘探领域具有良好的应用潜力。
本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分的从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过在说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要的附图做简单的介绍：
图1是本发明的一个具体实施例的流程结构示意图。
具体实施方式
以下将结合附图及实施例来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。需要说明的是，只要不构成冲突，本发明中的各个实施例以及各实施例中的各个特征可以相互结合，所形成的技术方案均在本发明的保护范围之内。
如图1所示，本发明提出的稀有气体4He估算页岩气藏年龄的方法，包括以下步骤：
1)确定目标页岩中铀、钍放射性金属元素含量的特征值
选择目标页岩(页岩气藏储集岩)，根据自然伽马能谱测井方法，确定页岩中铀、钍放射性金属元素的含量，通过求取平均值的方法，获得页岩中铀、钍含量的特征值。(铀、钍放射性金属元素含量的特征值是测井时目标页岩气藏近百米页岩的数据的统计值，代表页岩气藏中页岩的铀、钍含量，单位是ppm(百万分比浓度))。
2)确定页岩气中稀有气体4He的含量
采用同位素稀释法测定单位体积(毫升)页岩气中稀有气体4He含量。此处稀有气体4He含量是标准大气压下，单位体积页岩气中含有的4He的量，若知道单位质量页岩含有页岩气的体积，则可以计算的得到单位质量页岩中4He的含量。
具体步骤如下：
①采集单位体积的页岩气样品，通过进样口接入稀有气体同位素质谱分析仪前处理系统，页岩气样品中稀有气体He的同位素比值(3He/4He)(样品)已知；
②打开同位素质谱分析仪中3He标气罐，向同位素质谱分析仪前处理系统加入已知体积的He同位素稀释剂n[3He]，使He同位素稀释剂n[3He]与页岩气样品混合，3He标气罐内He的同位素比值(3He/4He)(标准)已知；
③打开液氮温度下活性炭阱，吸附待测页岩气样品中的烃类气体、二氧化碳、氮气等活性气体，同时吸附除He以外的稀有气体组份，实现He的纯化富集；
④利用稀有气体同位素质谱分析仪测定页岩气样品纯化富集后稀有气体He 的同位素比值(3He/4He)(混合)；
⑤确定单位体积页岩气中稀有气体4He的量。
确定单位体积页岩气中稀有气体4He的量所依据的公式为：
Figure BDA0001688989750000051
式中，n[4He]为单位体积页岩气中稀有气体4He的量，n[3He]为已知体积的He同位素稀释剂，(3He/4He)(混合)为页岩气样品纯化富集后稀有气体He的同位素比值，(3He/4He)(标准)为3He标气罐内He的同位素比值，(3He/4He)(样品)为页岩气样品中稀有气体He的同位素比值。
3)确定页岩气中游离气的含量
首先，确定埋藏条件下页岩气赋存形式。具体包括：基于页岩等温吸附实验，分析有机碳含量、温度、湿度对页岩吸附能力的影响，建立有机碳含量、温度、湿度与吸附能力的经验关系来获取埋藏条件下页岩的吸附气量。接着，通过总孔隙空间扣除孔隙水和吸附气占据空间来厘定游离气占据空间。
确定游离气占据空间所依据的公式为：
Vf＝Vt(1-Sw)-Va (2)
式中，Vf为页岩中游离气占据空间，Vt为总孔隙空间，Sw为含水饱和度，Vx 为吸附气占据空间。
然后，基于甲烷状态方程(PR方程)获取游离气密度，构建埋藏条件下页岩的游离气量的计算方法。
确定埋藏条件下页岩的游离气量所依据的计算公式为：
Figure BDA0001688989750000052
Figure BDA0001688989750000053
Figure BDA0001688989750000054
f(w)＝0.37464+1.54226w-0.26992w2 (6)
Figure BDA0001688989750000061
式中，w为偏心因子，无量纲，取值为0.0113，Tc为甲烷的临界温度，其为 191k(开氏度)，Pc为甲烷的临界压力，其为4.6MPa(兆帕)，R为普适气体常数，取值为8.314472m3·Pa/(k·mol)(立方米·帕/(开氏度·摩尔))，T为实际温度，单位为开氏度，P为压力，单位为兆帕，V′为气体密度，单位为m2/mol (立方米/摩尔)，T1为甲烷的实际温度与临界温度的比值。
确定超压条件下吸附气随埋深呈下降趋势，而游离气增加明显并成为主要赋存形式。
4)根据页岩中铀、钍放射性金属元素含量的特征值、单位体积页岩气中稀有气体4He的含量和页岩气的游离气量确定页岩气藏的年龄
由于稀有气体He是惰性气体，其分子量和分子直径小，扩散性强，吸附气中的含量可以忽略。在此基础上，
确定页岩中稀有气体4He的累积效应(页岩气藏年龄)所依据的公式为：
Q×r×n[4He]＝J4×1.0×106×t (8)
式中，Q为单位质量页岩的含气量m3/T(立方米/吨)，r为游离气所占比例， n[4He]为单位体积的页岩气中4He的含量(v/v，体积百分比)，t为页岩中4He 的年龄(Ma，百万年)，J4为页岩每年每克页岩岩石中铀、钍元素产生4He的量，单位为cm3STP4He/grock·year(立方厘米标准温度压力下4He/每克页岩岩石·年)。
根据铀、钍的衰变方程，确定单位时间、单位质量页岩岩石中铀、钍放射性金属元素产生的稀有气体4He所依据的公式为：
J4＝0.2355×10-12U×{1+0.123(Th/U-4)} (9)
式中，U为单位质量页岩岩石中铀的含量(ppm，百万分比浓度)，Th为单位质量页岩岩石钍的质量(ppm，百万分比浓度)。
下面列举一具体实施例：
本实施例中，富有机质页岩中铀钍的含量远远高于四川盆地的地质背景值，测井结果显示焦石坝地区五峰组-龙马溪组页岩中铀、钍元素含量的高值均超过 30ppm。以川东南龙马溪组页岩为主要研究对象，考虑不同地区整个五峰～龙马溪组层段页岩中的含气量、赋存比例与铀、钍元素含量来开展页岩气封存4He年龄测算。模型中的关键参数选自文献报道及实验定量结果。氦浓度根据页岩气生产井取得的气样测试所得，焦石坝地区共取得30个气样开展测试。焦页1井整个页岩气层段平均含气量为1.97方/吨。根据测井资料，统计五峰～龙马溪组页岩层段80～98米厚度中铀、钍元素平均含量数据作为特征。根据公式(8)、(9)计算所需特征参数进行整理，页岩气封存时间计算结果(如表1所示)。所得焦石坝页岩气4He年龄为231±16(百万年)。
表1焦石坝、彭水页岩气封存4He年龄
Figure BDA0001688989750000071
焦石坝页岩气封存年龄对应于晚二叠～早三叠纪，该年龄刚好对应高温裂解生气初期阶段(Ro(有机质热演化成熟度)介于(1.0％～1.3％))，后续生成的气将被封存滞留并在页岩储集空间中富集，是焦石坝地区现今处于异常高压的主要原因之一。
虽然本发明所公开的实施方式如上，但所述的内容只是为了便于理解本发明而采用的实施方式，并非用以限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所公开的精神和范围的前提下，可以在实施的形式上及细节上作任何的修改与变化，但本发明的专利保护范围，仍须以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1.一种稀有气体4He估算页岩气藏年龄的方法，其特征在于，包括以下步骤：
选择目标页岩，确定页岩中放射性金属元素含量的特征值；
确定页岩气中稀有气体4He的含量；
确定页岩气的游离气量；
根据页岩中放射性金属元素含量的特征值、页岩气中稀有气体4He的含量和页岩气的游离气量估算页岩气藏年龄，确定页岩中稀有气体4He的累积效应所依据的公式为：
Q×r×n[4He]＝J4×1.0×106×t (8)
式中，Q为单位质量页岩岩石的含气量，单位为立方米/吨，r为游离气所占比例，n[4He]为单位体积页岩气中稀有气体4He含量，单位为体积百分比，t为页岩中稀有气体4He的年龄，单位为百万年，J4为单位时间内每克页岩岩石中铀、钍元素产生稀有气体4He的量，单位为立方厘米标准温度压力下4He/每克页岩岩石·年；其中，
根据铀、钍的衰变方程，确定单位时间、单位质量页岩岩石中铀、钍放射性金属元素产生的稀有气体4He所依据的公式为：
J4＝0.2355×10-12U×{1+0.123(Th/U-4)} (9)
式中，U为单位质量页岩中铀的质量，单位为百万分比浓度，Th为单位质量页岩中钍的质量，单位为百万分比浓度。
2.根据权利要求1所述的稀有气体4He估算页岩气藏年龄的方法，其特征在于，根据自然伽马能谱测井方法，确定页岩中铀、钍放射性金属元素的含量，通过求取平均值，获得页岩中铀、钍含量的特征值。
3.根据权利要求1所述的稀有气体4He估算页岩气藏年龄的方法，其特征在于，采用同位素稀释法测定单位体积页岩气中稀有气体4He的含量。
4.根据权利要求3所述的稀有气体4He估算页岩气藏年龄的方法，其特征在于，采用同位素稀释法测定单位体积页岩气中稀有气体4He的含量所依据的步骤为：
①采集单位体积的页岩气样品，通过进样口接入稀有气体同位素质谱分析仪前处理系统，页岩气样品中氦的同位素比值(3He/4He)(样品)已知；
②打开同位素质谱分析仪中3He标气罐，向同位素质谱分析仪前处理系统加入已知体积的氦同位素稀释剂n[3He]，使氦同位素稀释剂n[3He]与页岩气样品混合，3He标气罐内氦的同位素比值(3He/4He)(标准)已知；
③打开液氮温度下活性炭阱，吸附待测页岩气样品中的烃类气体、二氧化碳、氮气活性气体，同时吸附除去氦以外的稀有气体组份，实现氦的纯化富集；
④利用稀有气体同位素质谱分析仪测定页岩气样品纯化富集后氦的同位素比值(3He/4He)(混合)；
⑤确定单位体积页岩气中稀有气体4He的含量。
5.根据权利要求4所述的稀有气体4He估算页岩气藏年龄的方法，其特征在于，确定单位体积页岩气中稀有气体4He含量所依据的公式为：
Figure FDA0002861207510000021
式中，n[4He]为单位体积页岩气中稀有气体4He的量，n[3He]为已知体积的氦同位素稀释剂，(3He/4He)(混合)为页岩气样品纯化富集后氦的同位素比值，(3He/4He)(标准)为3He标气罐内氦的同位素比值，(3He/4He)(样品)为页岩气样品中稀有气体氦的同位素比值。
6.根据权利要求1所述的稀有气体4He估算页岩气藏年龄的方法，其特征在于，基于页岩等温吸附实验，建立有机碳含量、温度、湿度与吸附能力的经验关系来获取页岩埋藏条件下的吸附气量，通过总孔隙空间扣除孔隙水和吸附气占据空间来厘定游离气占据空间，基于甲烷状态方程获取游离气密度，构建埋藏条件下页岩的游离气量计算方法，确定超压条件下吸附气随埋深呈下降趋势，游离气增加并成为主要赋存形式。
7.根据权利要求6所述的稀有气体4He估算页岩气藏年龄的方法，其特征在于，确定游离气占据空间所依据的公式为：
Vf＝Vt(1-Sw)-Va (2)
式中，Vf为页岩中游离气占据空间，Vt为总孔隙空间，Sw为含水饱和度，Va为吸附气占据空间。
8.根据权利要求6所述的稀有气体4He估算页岩气藏年龄的方法，其特征在于，确定埋藏条件下页岩的游离气量所依据的计算公式为：
Figure FDA0002861207510000031
Figure FDA0002861207510000032
Figure FDA0002861207510000033
f(w)＝0.37464+1.54226w-0.26992w2 (6)
Figure FDA0002861207510000034
式中，w为偏心因子，无量纲，取值为0.0113，Tc为甲烷的临界温度，单位为开氏度，Pc为甲烷的临界压力，单位为4.6兆帕，R为普适气体常数，取值为8.314472立方米·帕/(开氏度·摩尔)，T为实际温度，单位为开氏度，P为压力，单位为兆帕，V'为气体密度，单位为立方米/摩尔，Tl为甲烷的实际温度与临界温度的比值。
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