開放、封閉兩種體系對(duì)比模擬確定深層烴源巖成烴機(jī)制——以東營凹陷沙四段烴源巖為例

摘 要

摘要：為研究濟(jì)陽坳陷南部東營凹陷不同演化階段的成烴特征，選取古近系沙河街組四段(Es4)烴源巖，進(jìn)行開放、封閉兩種體系程序升溫條件下的生排烴熱模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了組分的產(chǎn)率及相
摘要：為研究濟(jì)陽坳陷南部東營凹陷不同演化階段的成烴特征，選取古近系沙河街組四段(Es4)烴源巖，進(jìn)行開放、封閉兩種體系程序升溫條件下的生排烴熱模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比了組分的產(chǎn)率及相互轉(zhuǎn)化關(guān)系。模擬樣品來自該區(qū)南部斜坡帶的官107井Es4上段，其有機(jī)碳含量位于該套烴源巖頻率分布統(tǒng)計(jì)的主峰，具有廣泛的代表性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：①干酪根直接降解以生成重質(zhì)油和氣態(tài)烴為主，輕質(zhì)油大多來源于重質(zhì)油的二次裂解；②烴源巖在形成輕質(zhì)油時(shí)即可以大規(guī)模排出，現(xiàn)有的動(dòng)力學(xué)條件下難以造成油的裂解生氣；③烴源巖形成大分子重質(zhì)油是生烴開始的標(biāo)志，而進(jìn)一步降解形成輕質(zhì)油則是烴源巖排烴開始的標(biāo)志。實(shí)驗(yàn)結(jié)果從成烴機(jī)制上解釋了東營凹陷凝析油和天然氣主要來源。
關(guān)鍵詞：開放體系；封閉體系；物理模擬；油氣產(chǎn)率；裂解；成烴條件；東營凹陷；古近紀(jì)
    在濟(jì)陽坳陷南部的東營凹陷發(fā)現(xiàn)了數(shù)量可觀的深層天然氣和凝析油氣，油氣源對(duì)比結(jié)果表明它們主要源自古近系沙四段(Es4)烴源巖中干酪根的降解[1～4]，其形成機(jī)制有待于進(jìn)一步研究。生烴模擬實(shí)驗(yàn)是進(jìn)行有關(guān)研究的主要手段，不同的實(shí)驗(yàn)條件可以獲取不同的生烴率。目前所采用的實(shí)驗(yàn)方法已多見報(bào)道[5～6]。地下烴源巖的演化是一個(gè)“隨生隨排”的半開放的系統(tǒng)，其開放程度是影響生烴演化的一個(gè)重要因素。前人已就這一問題進(jìn)行了探討，在確定氣產(chǎn)率時(shí)采用了開放和封閉體系折中的原則[7]。筆者采用與東營凹陷深層成烴有關(guān)的Es4烴源巖，通過開放體系和封閉體系的對(duì)比模擬實(shí)驗(yàn)，探討生烴過程中各種組分的轉(zhuǎn)化關(guān)系，研究烴源巖不同演化階段成烴特征，以期為有效地進(jìn)行烴源巖評(píng)價(jià)提供理論依據(jù)。
1 實(shí)驗(yàn)樣品與方法
   模擬樣品來自東營凹陷南部斜坡帶的官107井Es4上段，其深度為1972.7m；巖性為深灰色鈣質(zhì)頁巖；有機(jī)碳含量為2.35%；氯仿瀝青“A”含量為0.1257%；Ro為0.41%；干酪根類型為腐泥型；S1+S2含量為12.15mg/g。有機(jī)碳含量位于該套烴源巖頻率分布統(tǒng)計(jì)的主峰[8]，具有廣泛的代表性。
    為保持有機(jī)質(zhì)的原始賦存狀態(tài)，樣品未粉碎直接進(jìn)行模擬，塊狀直徑一般為1～3cm，一次實(shí)驗(yàn)可放置多塊。開放體系中每份樣品(40～50g不等)由室溫自然升溫至250℃，再按50℃/h的速率分別升溫至300℃，350℃，400℃、450℃、500℃，550℃、600℃共7個(gè)終點(diǎn)溫度，實(shí)驗(yàn)中未施加任何壓力。在加熱的同時(shí)用恒速恒流泵以2mL/min的速率注入蒸餾水，及時(shí)帶出排出的油和氣體產(chǎn)物。達(dá)到終點(diǎn)后停止實(shí)驗(yàn)，冷卻后取出固體樣品殘?jiān)?。封閉體系中樣品在高壓釜中按其地下所處的方向放置，周圍充填石英砂以便承受上覆壓力并接受排出油。每份樣品(80g)由室溫自然升至250℃，同樣按50℃/h的速率分別升溫，同時(shí)對(duì)樣品施加恒定垂向壓力，并且用壓力跟蹤泵向釜內(nèi)注入蒸餾水以保持恒定的流體壓力，高壓釜中的流體可以有限地發(fā)生運(yùn)移，故該類實(shí)驗(yàn)相對(duì)而言只是準(zhǔn)封閉體系。當(dāng)實(shí)驗(yàn)達(dá)到終點(diǎn)溫度后，降低溫度至200℃一次性取出、計(jì)量排出的油和氣，再進(jìn)一步冷卻取出固體樣品殘?jiān)?。封閉體系的終點(diǎn)溫度選擇為400℃、450℃、500℃3個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)，位于主生烴區(qū)間，3個(gè)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)的流體壓力為35MPa、40MPa、45MPa，上覆靜壓力為87.5MPa、100MPa、115.5MPa。
通過模擬實(shí)驗(yàn)，可以獲取天然氣、水樣、含油石英砂(封閉體系)及源巖固體殘?jiān)?。天然氣直接進(jìn)行組分測(cè)試。水樣用二氯甲烷萃取，高壓釜及管線用二氯甲烷清洗，含油石英砂用氯仿抽提，均得到排出重質(zhì)油。源巖固體殘?jiān)寐确鲁樘?，抽提后殘余再進(jìn)行熱解、有機(jī)碳、干酪根處理、Ro及C、H、O元素測(cè)試。為使各種條件下的演化互相對(duì)應(yīng)，采用H/C作為成熟度指標(biāo)與Ro聯(lián)系起來。例如Baskin引用Van Krevelen圖解表明干酪根不同Ro演化區(qū)間H/C原子比的變化[9]，利用該圖解通過內(nèi)差計(jì)算各溫度點(diǎn)的Ro(表1)。
 
表1結(jié)果顯示，同一溫度條件下對(duì)封閉體系計(jì)算的Ro值較高，主要與開放體系模擬過程中不斷注入水帶出熱量有關(guān)，釜內(nèi)樣品的實(shí)際溫度低于測(cè)量的結(jié)果。
2 模擬生烴產(chǎn)率的演化
    模擬產(chǎn)物根據(jù)分子量和物理性質(zhì)大致分為3類：①相對(duì)大分子的重質(zhì)油(氯仿瀝青“A”+排出重質(zhì)油)，可以直接獲取；②小分子的氣體(C1～C5)，也可以直接獲??；③常溫下易揮發(fā)的C6～C14輕質(zhì)油，實(shí)驗(yàn)中不易收集。以檢測(cè)到的重質(zhì)油和氣體為依據(jù)，通過相互補(bǔ)償?shù)姆椒梢苑治鲚p質(zhì)油產(chǎn)率特征。
2.1 重質(zhì)油
    在兩種體系的模擬實(shí)驗(yàn)中形成了不同數(shù)量的重質(zhì)油，并以不同效率的排出(圖1)。開放體系生成的重質(zhì)油，殘留的部分(即氯仿瀝青“A”含量)較少，只在Ro=0.6%附近呈略微增高的趨勢(shì)，其后隨演化一直處于下降階段。在Ro=0.5%之后即開始排油，主生油階段大部分重質(zhì)油即已排出，是由于其生成以后缺少壓力的抑制作用所致。重質(zhì)油總量在Ro=1.0%之前增加速度較快，Ro=1.0%時(shí)的高演化階段變化趨于平緩。這種情形與地下差別較大，即地下烴源巖的生排烴不可能處于完全開放的體系中。
    封閉體系模擬過程中殘留的重質(zhì)油在Ro=0.8%左右形成一個(gè)峰值且產(chǎn)率較高，其后隨模擬演化而下降。與開放體系相比，重質(zhì)油排出量明顯較少，壓力的抑制顯然對(duì)排烴有阻滯作用。重質(zhì)油總量在Ro=1.0%為峰值，殘留重質(zhì)油高峰處(Ro=0.8%)并不是累積生油最多的階段，該階段實(shí)際上位于殘留重質(zhì)油高峰之后。只是由于后期排烴作用的增強(qiáng)，使得殘留重質(zhì)油的高峰前移。殘留烴的上升階段已開始排烴，但不是排油的主要階段，主要的排烴期應(yīng)出現(xiàn)在生油高峰及其之后的階段。
   對(duì)比而言，開放體系模擬過程中重質(zhì)油總量一直呈增長趨勢(shì)，基本無二次裂解，而封閉體系在高演化階段發(fā)生了二次裂解，生成小分子的產(chǎn)物。具有一定壓力抑制的生排烴環(huán)境與地下條件是比較吻合的。兩種體系的模擬實(shí)驗(yàn)中，隨著生排烴作用進(jìn)行，熱解潛率
[100×(S1+S2)/Corg]逐漸呈下降趨勢(shì)。
2.2 烴類氣體
烴源巖在降解生油的同時(shí)生成烴類氣體(圖2)。隨熱演化程度增高，開放體系和封閉體系的烴氣產(chǎn)率大致按相近的趨勢(shì)增長，在達(dá)生油高峰之前(Ro＜1.O%)二者差別不大，但其后差別逐漸明顯。在相同的成熟階段封閉體系比開放體系氣產(chǎn)率略低，說明壓力的存在對(duì)氣體的生成有一定抑制作用。前人大多認(rèn)為封閉體系與開放體系相比，由于二次裂解生成的氣體較多，這應(yīng)與實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)的條件有關(guān)。本次封閉體系的實(shí)驗(yàn)中，烴源巖樣品位于反應(yīng)區(qū)，其生成的油氣從樣品排出后由于存在流體壓力的調(diào)整(恒定壓力)及上浮現(xiàn)象會(huì)繼續(xù)運(yùn)移遠(yuǎn)離反應(yīng)區(qū)，在高壓釜溫度相對(duì)較低的上下端部?jī)?chǔ)集起來。因此這是一個(gè)與地下條件較為接近的生排烴動(dòng)平衡過程。
 

2.3 組分生烴率
   獲取重質(zhì)油、烴類氣體產(chǎn)率后，可進(jìn)一步獲取C6～C14輕質(zhì)油產(chǎn)率。采用熱解生烴產(chǎn)率的差減法如下式
    Qlo=Po-Pr-Qo-Qg
式中Qlo為輕質(zhì)油產(chǎn)率；Po為樣品的原始(或總)熱解生烴潛率(假定隨生烴演化基本保持不變)；Pr為某一溫度點(diǎn)模擬(抽提后)殘余樣品熱解生烴潛率；Qo為生成的重質(zhì)油；Qg為生成的烴類氣體。
    通過計(jì)算，大致可以獲取官107井樣品模擬過程中輕質(zhì)油的產(chǎn)率，并與重質(zhì)油、氣態(tài)烴對(duì)比以分析它們的比例關(guān)系(圖3)。從理論上講，如果烴源巖形成的產(chǎn)物能夠及時(shí)運(yùn)移出去，則在烴源巖中發(fā)生二次裂解的程度較小，如果生成的產(chǎn)物不能及時(shí)排出，則可以在烴源巖中較多地發(fā)生二次裂解，造成一次裂解與二次裂解的疊加現(xiàn)象。由于兩種體系模擬條件下生成的氣體量大致相當(dāng)，則可知二者生成的總油量(重質(zhì)油+輕質(zhì)油)也基本相當(dāng)，封閉體系重質(zhì)油二次裂解的主要產(chǎn)物為輕質(zhì)油，其主要的形成階段在重質(zhì)油達(dá)生烴高峰之后(Ro為1.0%～1.2%)，隨演化二次裂解程度增大，輕質(zhì)油產(chǎn)率增大。又由于烴源巖演化過程中的生排烴動(dòng)平衡關(guān)系，生成大量輕質(zhì)油后烴源巖即已進(jìn)入大規(guī)模排油期，再次裂解的程度是有限的，即生成氣體的比率并不是很高。
 

3 不同演化階段的成烴特征
    有機(jī)質(zhì)生烴演化具有階段性，生烴模式的差異很大程度上指有機(jī)質(zhì)不同演化階段生烴能力的差異，這從根本上取決于烴源巖所處的沉積相條件。東營凹陷古近系主力烴源巖總體來自偏淡水和偏咸水兩種沉積環(huán)境，而且有機(jī)質(zhì)富集的優(yōu)質(zhì)烴源巖為生烴的主要貢獻(xiàn)者[5]。淡水環(huán)境集中于成熟期干酪根降解生烴，成水環(huán)境烴源巖表現(xiàn)出低熟和成熟兩個(gè)成烴階段。低熟階段以大分子可溶有機(jī)質(zhì)及富硫干酪根早期降解為主要特征，成熟階段同樣以干酪根降解生烴為主。成熟階段可以伴隨其產(chǎn)物的二次裂解，該階段的降解也具有不同的烴轉(zhuǎn)化機(jī)制，其區(qū)別主要在于大分子可溶有機(jī)質(zhì)(包括重質(zhì)油)、輕質(zhì)烴等幾類組分之間的相互轉(zhuǎn)化。Ro=1.0%之前以生成大分子的可溶有機(jī)質(zhì)為主，而生成少量的氣體及輕質(zhì)油，當(dāng)Ro=1.0%之后，干酪根直接降解生成的大分子可溶有機(jī)質(zhì)的能力下降，而以大分子可溶有機(jī)質(zhì)再次裂解生成輕質(zhì)組分為主。
    本次所采用官107井模擬樣品的優(yōu)質(zhì)烴源巖特征并不明顯，更多地表現(xiàn)出干酪根降解成烴的特征，進(jìn)入生烴期先形成重質(zhì)油，再進(jìn)入更高演化階段后的產(chǎn)物則視情況而定。開放體系模擬中，在Ro=1.0%之后重質(zhì)油的累積生成量增長緩慢，而氣體的生成仍然持續(xù)上升；在封閉體系模擬中，生成的重質(zhì)油不能完全排出，而造成部分裂解，二者的對(duì)比結(jié)果已表明，烴類氣體的生成量并沒有明顯差異，但封閉體系重質(zhì)油的產(chǎn)率下降趨勢(shì)明顯，故其進(jìn)一步降解的產(chǎn)物大多為易揮發(fā)的輕質(zhì)油。如果具備更為充足的熱力條件，輕質(zhì)油可再進(jìn)一步裂解形成氣體，但實(shí)際上，輕質(zhì)組分在模擬高溫、高壓條件下即可迅速排走，避免再次裂解。因此，地質(zhì)條件下的烴源巖，在Ro=1.0%之后即以生成輕質(zhì)油和氣體為主，且也進(jìn)入主要的排烴階段。根據(jù)動(dòng)力學(xué)的計(jì)算，油成氣所需活化能較高[10～11]。烴源巖形成的油在成氣之前即已排出，形成的天然氣基本為干酪根直接降解的產(chǎn)物，而油型氣的情況較為少見。故東營凹陷深層形成的天然氣藏均以干酪根降解氣為主。
    總之，有機(jī)質(zhì)成烴是系列的演化過程(圖4)，大分子非烴類是成油的最直接母源，其成因除傳統(tǒng)地認(rèn)為由干酪根降解形成外，在保存較好的條件下(如咸水環(huán)境)可在沉積過程中直接形成，這種情況一般也與低熟油的形成有關(guān)，即原生沉積的非烴類有機(jī)大分子早期降解可形成低熟油。而干酪根由于所處烴源巖條件的差異可發(fā)生不同期的降解，按序列形成各類產(chǎn)物。重質(zhì)液態(tài)烴開始形成時(shí)烴源巖真正進(jìn)入生烴階段，依次進(jìn)行其后各級(jí)別的降解。該序列是演化的主體過程，但在每一級(jí)降解的過程中，都會(huì)伴隨生成其他級(jí)別的產(chǎn)物，不同的生烴階段所處的降解級(jí)別也有差異。
 

    形成油氣藏的類型往往與烴源巖的演化有密切的關(guān)系。各類油藏由于垂向運(yùn)移，可以在特定的深度區(qū)間上，按其產(chǎn)出的深度范圍出現(xiàn)一個(gè)相對(duì)最低的深度限，該深度也應(yīng)是烴源巖形成該類油氣的下限。根據(jù)對(duì)整個(gè)濟(jì)陽坳陷的統(tǒng)計(jì)，各類油藏出現(xiàn)的底限深度為：重質(zhì)稠油藏為3000m，個(gè)別下延到3500m；常規(guī)油層為4000m；揮發(fā)性油藏為4500m；高揮發(fā)性油至凝析氣層為5000m；濕氣至干氣層接近5500m。該垂向變化特征與總體生烴模式基本是一致的。
4 結(jié)論
    生烴演化是一個(gè)序列的降解過程，實(shí)驗(yàn)條件對(duì)烴源巖成烴產(chǎn)物的組分特征有明顯影響。開放體系產(chǎn)物二次裂解少，相對(duì)而言封閉體系的產(chǎn)物則會(huì)按照生烴序列出現(xiàn)二次乃至多次裂解。對(duì)東營凹陷Es4上烴源巖所進(jìn)行的開放一封閉兩種體系程序升溫條件下的生排烴對(duì)比模擬結(jié)果表明：
    1) 干酪根直接降解以生成重質(zhì)油和烴氣為主，而輕質(zhì)油大多來源于高含非烴瀝青質(zhì)的大分子可溶有機(jī)質(zhì)(包括重質(zhì)油)的進(jìn)一步裂解。烴源巖形成大分子重質(zhì)油是生烴的主要標(biāo)志。
    2) 烴源巖在形成輕質(zhì)油時(shí)即容易排出，如果要形成油裂解氣，則需要在較封閉的條件下達(dá)到更深的演化程度，但這樣的條件在地下很難實(shí)現(xiàn)。輕質(zhì)油的形成是烴源巖排烴的主要標(biāo)志。
參考文獻(xiàn)
[1] 張勇.東營凹陷北部陡坡帶沙四段鹽下天然氣成因類型分析——以豐深1井為例[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2008，30(2)：394-398.
[2] 宋國奇，蔣有錄，劉華，等.東營凹陷利津-民豐地區(qū)中深層裂解氣成藏史[J].天然氣工業(yè)，2009，29(4)：14-17.
[3] 陳中紅，查明，張善文，等.東營凹陷古近系天然氣成藏條件及其主控因素[J].天然氣工業(yè)，2008，28(9)：9-12.
[4] 姜福杰，龐雄奇，姜振學(xué)，等.東營凹陷沙三段源巖排烴特征及潛力評(píng)價(jià)[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)，2007，29(4)：7-11.
[5] 姜峰，張友聯(lián)，杜建國.油氣生成熱模擬實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展[J].地球科學(xué)進(jìn)展，1996，11(5)：453-459.
[6] 馬中振，龐雄奇，孫俊科，等.生烴潛力法在排烴研究中應(yīng)注意的幾個(gè)問題[J].西南石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，31(1)：14-18.
[7] 胡國藝，李志生，羅霞，等.兩種熱模擬體系下有機(jī)質(zhì)生氣特征對(duì)比[J].沉積學(xué)報(bào)，2004，22(4)：718-723.
[8] 張林曄，劉慶，張春榮.東營凹陷成烴與成藏關(guān)系研究[M].北京：地質(zhì)出版社，2005：49-89.
[9] BASKIN D K.Atomic H/C ratio of kerogen as an estimate of thermal maturity and organic matter conversion[J].AAPG Bulletin，1997，81(9)：1437-1450.
[10] 盧雙舫.有機(jī)質(zhì)成烴動(dòng)力學(xué)理淪及其應(yīng)用[M].北京：石油工業(yè)出版社，1996：62-121.
[11] 熊永強(qiáng)，耿安松，張海祖，等.油型氣的形成機(jī)理及其源巖生烴潛力恢復(fù)[J].天然氣工業(yè)，2004，24(2)：11-13.
 
(本文作者：張守春1，2 張林曄2 王宇蓉2 張蕾2 包友書2 1.中國石油大學(xué)(華東)；2.中國石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院)