阅读说明：本技术 一种页岩储层含油饱和度的电化学预测方法 (Electrochemical prediction method for shale reservoir oil saturation ) 是由 祝瑜 吴伟 张召才 于静 冯阵东 刘高峰 刘惟庆 李晓斌 高迪 于 2020-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种页岩储层含油饱和度的电化学预测方法,包括以下步骤：(a)在页岩试件的两端放置电极片,通过导线将电极片与电化学工作站数据采集系统连接,再与计算机数据处理系统连接；(b)对页岩试件施加电压或电流扰动信号,输入的扰动信号经过试件后产生相应的响应信号,响应信号经过电化学工作站数据采集系统和计算机数据处理系统处理,得到试件的电化学阻抗谱；(c)通过分析电化学阻抗谱的特征变化,对实测数据电化学阻抗谱进行拟合,建立页岩固-液渗透等效电路模型,通过渗透扩散引起的法拉第阻抗参数的理论计算,建立页岩储层含油饱和度的预测模型。本发明操作简单,方便快捷,样品预处理简单,能够满足大量样品测试需求。(The invention discloses an electrochemical prediction method for oil saturation of a shale reservoir, which comprises the following steps: (a) placing electrode plates at two ends of a shale test piece, connecting the electrode plates with a data acquisition system of an electrochemical workstation through a lead, and then connecting the electrode plates with a computer data processing system; (b) applying a voltage or current disturbance signal to the shale test piece, generating a corresponding response signal after the input disturbance signal passes through the test piece, and processing the response signal by an electrochemical workstation data acquisition system and a computer data processing system to obtain an electrochemical impedance spectrum of the test piece; (c) the method comprises the steps of fitting an electrochemical impedance spectrum of actually measured data by analyzing characteristic changes of the electrochemical impedance spectrum, establishing a shale solid-liquid permeation equivalent circuit model, and establishing a prediction model of the oil saturation of a shale reservoir by theoretical calculation of Faraday impedance parameters caused by permeation diffusion. The method is simple to operate, convenient and quick, simple in sample pretreatment and capable of meeting the test requirements of a large number of samples.)

一种页岩储层含油饱和度的电化学预测方法

技术领域

本发明涉及天然气勘探技术，尤其涉及一种页岩储层含油饱和度的电化学预测方法。

背景技术

页岩油以游离态、溶解态和吸附态赋存于页岩储层中，其中游离态页岩油主要储集在微-纳米级的孔隙和裂缝中，这类页岩油的流动性最好且易于开采，是页岩储层形成工业油流的主要来源。溶解态页岩油主要赋存于有机质生烃形成的残留孔隙中，具有一定的流动性，对页岩油开发具有一定的贡献，有机质含量越高，形成的有机质生烃残留孔隙越多。吸附态页岩油主要附着于干酪根和矿物颗粒的表面，广泛分布的干酪根网络可以为页岩油吸附提供大量的比表面。

页岩含油性的表征参数可以分为有机地球化学参数和岩心物理参数。有机地球化学参数中最具代表性的是残留烃S1和氯仿沥青“A”，这两个参数主要受有机质丰度、类型和热演化程度的影响，两者均可以定量地表征页岩储层的含油性。岩心物理参数中常用的是含油饱和度S0，往往用于常规储层的含油性表征，一般通过洗油的方法来获取含油饱和度，因此其只能对连通孔隙中的游离态烃进行表征，无法计算吸附态烃和封闭孔隙中的液态烃。因此，建立一种能够全面评价页岩储层含油饱和度的预测方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

电化学阻抗谱(Electrochemical Impedance Spectroscopy，缩写EIS)能够反映材料内部结构的一种新方法，能探讨电化学阻抗谱特性与页岩含油饱和度的关系。

发明内容

本发明的目的是提供一种页岩储层含油饱和度的电化学预测方法，全面评价页岩储层含油饱和度。该方法采用电化学阻抗谱原理研究页岩含油饱和度的理论基础上，分析页岩孔隙结构的发展变化情况，从而能够监测页岩孔隙结构的动态演变过程。

本发明对一种页岩储层含油饱和度的电化学预测方法的原理作出以下描述。

电化学阻抗谱是给电化学系统施加一个频率不同的小振幅交流电势波，测量交流电势与电流信号的比值随正弦波频率的变化，比值即为系统的阻抗，或者测量系统阻抗的相位角随正弦波频率的变化。它是一种频率域测量方法，可测定的频率范围很宽，可以得到比常规电化学方法更多的动力学信息和电极界面结构信息。由于采用小幅度的正弦电势信号对系统进行微扰，电极上交替出现氧化和还原过程。因此，即使扰动信号长时间作用于电极，也不会导致极化现象的积累性发展和电极表面状态的积累性变化。由于电势和电流间存在线性关系，测量过程中电极处于准稳态，使得测量结果的数字处理简化。

本发明是由页岩试件、电极片、导线、电化学工作站及计算机组成的电化学系统实现电化学阻抗谱特征参数数据的连续、自动监测与记录工作，并根据电化学阻抗谱特征参数的变化来判断试件含油饱和度的一种方法。电化学系统可看做是一个等效电路，这个等效电路是由电阻、电容和电感等基本元件按照串、并联等不同方式组合而成的。通过电化学阻抗谱，可以测定等效电路的构成以及各元件的大小，利用这些元件的电化学含义来分析电化学系统的结构和电极过程的性质。页岩试件是一种特殊的电化学系统，在试件两端放置电极，当页岩含油饱和度不同时，相当于在试件中增加了电容，导致试件在不同频率下的阻抗发生变化，通过电化学工作站的分析，得到试件在不同频率下的电化学参数值，由计算机绘制得到试件的电化学阻抗图谱，电化学阻抗图谱的特征变化与页岩含油饱和度存在对应关系，能够很好地反映页岩孔隙结构及其发展情况。

为实现上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

一种页岩储层含油饱和度的电化学预测方法，包括以下步骤：

(a)在页岩试件的两端放置电极片，通过导线将电极片与电化学工作站数据采集系统连接，再与计算机数据处理系统连接；

(b)对页岩试件施加不同频率的正弦交流电压或正弦交流电流扰动信号，输入的扰动信号经过页岩试件后产生相应的响应信号，即正弦交流电流或正弦交流电压信号，响应信号经过电化学工作站数据采集系统和计算机数据处理系统的处理，得到页岩试件的电化学阻抗谱；

(c)通过分析电化学阻抗谱的特征变化，对实测数据电化学阻抗谱进行拟合，建立页岩固-液渗透等效电路模型，通过渗透扩散引起的法拉第阻抗参数的理论计算，建立页岩储层含油饱和度的预测模型。

进一步，所述步骤(a)中电极片的数量为至少两个，位置以均匀分布或非均匀分布的方式放置。

进一步，所述步骤(b)中扰动信号的频率范围为1Hz-10MHz。

进一步，所述步骤(b)中正弦交流电压振幅低于20mV。

进一步，所述步骤(b)中正弦交流电流振幅低于50mA。

进一步，所述步骤(b)中得到的页岩试件的电化学阻抗谱的表示方法包括Warburg图、导纳图、电容图、Nyquist图和Bode图。

更进一步，所述步骤(b)中得到的页岩试件的电化学阻抗谱的表示方法优选为Nyquist图和Bode图。

进一步，所述步骤(c)中页岩试件的电化学阻抗谱的特征变化是指在一定频率范围内的相位角、角频率、阻抗矢量及阻抗模值随着频率增加或减小所对应的变化情况。

进一步，所述步骤(c)中页岩试件的电化学阻抗谱的特征变化与其含油饱和度存在对应关系。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1、本发明页岩储层含油饱和度的电化学预测方法中页岩试件的预测区域不受页岩的结构和空间位置的限制，应用范围广。

2、本发明页岩储层含油饱和度的电化学预测方法能够全面评价页岩储层含油饱和度，解决现有技术不能全面评价页岩储层含油饱和度的技术问题。

附图说明

图1为本发明页岩储层含油饱和度的电化学预测方法的示意图；

图2为本发明实施例1得到的页岩试件的Nyquist曲线；

图3为本发明实施例1得到的页岩试件的Nyquist曲线的拟合曲线；

图4a为本发明实施1中页岩水层隙固液渗透模型阻抗谱；

图4b为本发明实施1中页岩水层隙固液渗透模型等效电路；

图4c为本发明实施1中页岩水层隙固液渗透模型等效电路的法拉第阻抗；

图5a为本发明实施1中含油饱和度较低条件下页岩油水层隙固液渗透模型Ⅰ阻抗谱，图中基于R_x预测含油饱和度：R1＜R2＜R3；

图5b为本发明实施1中含油饱和度较低条件下页岩油水层隙固液渗透模型Ⅰ等效电路，图中基于R_x预测含油饱和度：R1＜R2＜R3；

图5c为本发明实施1中含油饱和度较低条件下页岩油水层隙固液渗透模型Ⅰ等效电路的法拉第阻抗，图中基于R_x预测含油饱和度：R1＜R2＜R3；

图6a为本发明实施1中含油饱和度中等条件下的页岩油水层隙固液渗透模型Ⅱ阻抗谱，图中Z_w值越大，含油饱和度越高；

图6b为本发明实施1中含油饱和度中等条件下的页岩油水层隙固液渗透模型Ⅱ等效电路，图中Z_w值越大，含油饱和度越高；

图6c为本发明实施1中含油饱和度中等条件下的页岩油水层隙固液渗透模型Ⅱ油水半无限扩散层的阻抗，图中Z_w值越大，含油饱和度越高；

图7a为本发明实施1中含油饱和度较高条件下页岩油水层隙固液渗透模型Ⅲ阻抗谱，图中Z_T值越大，含油饱和度越高；

图7b为本发明实施1中含油饱和度较高条件下页岩油水层隙固液渗透模型Ⅲ等效电路，图中Z_T值越大，含油饱和度越高；

图7c为本发明实施1中含油饱和度较高条件下页岩油水层隙固液渗透模型Ⅲ油水阻挡层扩散的阻抗，图中ZT值越大，含油饱和度越高；

图中，1、第一工作电极，2、参比电极，3、第二工作电极，4、辅助电极，5、电极片，6、电化学工作站数据采集系统，7、计算机数据处理系统。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

图1示出了本实施例页岩储层含油饱和度的电化学预测方法的示意图。如图1所示，页岩储层含油饱和度的电化学预测方法包括以下步骤：

(1)页岩试件制作

在本发明的具体实施例中，现通过但不限于以下方法来制备本发明所需要的页岩试件。

采集的大块页岩样品切割为直径50mm的圆柱形样品，进行饱水。样品上端和下端需放置饱水海绵，保证样品和电极片之间的紧密接触。

(2)构建监测系统

在页岩试件的两端各放置一片电极片5，通过导线将电极片5与电化学工作站数据采集系统6连接，再与计算机数据处理系统7连接；其中，电化学工作站数据采集系统6包括电化学工作站、第一工作电极1、参比电极2、第二工作电极3、辅助电极4，将第一工作电极1和参比电极2连接页岩试件一端的电极片5，第二工作电极3和辅助电极4连接页岩试件另一端的电极片5；其中，第一工作电极1和第二工作电极3为不锈钢、镍、铜；可自制，也可购买，在本实施例中为不锈钢；参比电极2为饱和甘汞电极；辅助电极4为铂丝电极。

(2)将1Hz～10MHz频率及5mV振幅的正弦交流电压扰动信号通过电极片5施加到页岩试件上，经过电化学工作站数据采集系统6收集到响应信号，即正弦交流电流信号，再由计算机数据处理系统7对收集到的响应信号进行处理，记录该试件电化学阻抗谱中的Nyquist曲线，如图2所示。

(3)通过分析电化学阻抗谱的特征变化，对实测数据电化学阻抗谱进行拟合，建立页岩固-液渗透等效电路模型，通过渗透扩散引起的法拉第阻抗参数的理论计算，建立页岩储层含油饱和度的预测模型。

采用“含油饱和度中等条件下的页岩油水层隙固液渗透模型Ⅱ”的等效电路对图2中的Nyquist曲线进行拟合，如图3所示。根据油水半无限扩散层的阻抗计算Zw。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。