常象春,薛圣同,崔 晶,王 濤
(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590;2.中國(guó)石化勝利油田 魯明公司,山東 東營(yíng) 257001)
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油藏注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中原油芳烴成熟度參數(shù)變化特征及意義
常象春1,薛圣同1,崔晶2,王濤2
(1.山東科技大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,山東 青島 266590;2.中國(guó)石化勝利油田 魯明公司,山東 東營(yíng) 257001)
摘要:基于原油芳烴組分在油氣地質(zhì)研究中的重要作用,對(duì)注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中原油芳烴成熟度參數(shù)的動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行精細(xì)的地球化學(xué)對(duì)比,探索其變化規(guī)律和成因。研究表明注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中,由于不同芳烴化合物的水溶解度、結(jié)構(gòu)構(gòu)型、極性的不同,導(dǎo)致在水驅(qū)過(guò)程中被優(yōu)先移除的機(jī)會(huì)不同,進(jìn)而使芳烴成熟度參數(shù)呈現(xiàn)不同變化規(guī)律。烷基萘成熟度參數(shù)(MNR、DNR、TNR1、TMNr)呈逐漸變大趨勢(shì),反映了水洗作用影響,而烷基菲成熟度參數(shù)(MPI1、MPI2、F1、F2)、二苯并噻吩成熟度參數(shù)(4-/1-MDBT、(2-+3-)/1-MDBT、MDBI)、三芳甾烷成熟度參數(shù)C2820S/(20S+20R)基本保持不變,仍可有效應(yīng)用于油氣地質(zhì)評(píng)價(jià)中。
關(guān)鍵詞:注水開(kāi)發(fā);原油組份;芳烴;成熟度參數(shù);水洗作用
在油藏開(kāi)發(fā)過(guò)程中,注水是一種常見(jiàn)的提高采收率方法。長(zhǎng)時(shí)間注水驅(qū)油,會(huì)選擇性地溶解原油的易溶解成分,對(duì)原油產(chǎn)生水洗作用。一些研究實(shí)例與實(shí)驗(yàn)?zāi)M均表明,水驅(qū)油首先驅(qū)出的是密度較低、粘度較小的原油組分。水驅(qū)過(guò)程中的水洗作用通過(guò)水溶解并帶走原油中相對(duì)低分子質(zhì)量、溶解度高的化合物[1],造成原油中易溶于水的溶劑大量喪失,從而使溶質(zhì)部分相對(duì)富集[2]。芳烴在水中的溶解度最大,隨著油層水洗程度的增加,其原油組分的芳烴含量減少[3]。水驅(qū)油引起了原油平均分子量增大,芳烴減少,非烴、瀝青質(zhì)增加[4]。水洗過(guò)程中低碳數(shù)的芳烴以很高的速度損失,二環(huán)和三環(huán)芳烴含量下降,四環(huán)以上多環(huán)芳烴,尤其是苯并螢蔥和苯并花化合物相對(duì)含量顯著增加[5],二苯并噻吩在芳烴損失后選擇性損失[6],甚至在水洗作用中可被完全消耗[7]。帶有甲基的芳烴和含硫雜環(huán)化合物的許多立體異構(gòu)體比值,已發(fā)展成為應(yīng)用廣泛的熱成熟度指標(biāo)。在注水動(dòng)態(tài)開(kāi)發(fā)影響下,這些成熟度參數(shù)還能否有效,抑或其變化規(guī)律如何,都值得深入研究。本文以典型注水開(kāi)發(fā)的曲9油藏為例,通過(guò)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)的精細(xì)地球化學(xué)剖析,探究芳烴化合物在注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中的變化規(guī)律。
1地質(zhì)背景
曲堤油田構(gòu)造上位于惠民凹陷臨南斜坡的曲堤地壘,油田北部為臨南洼陷,南面為濟(jì)陽(yáng)地塹,西接西南緩坡帶(圖1)。曲堤地壘北側(cè)為夏口斷層,南側(cè)為曲堤斷層,東側(cè)為白橋斷層。其基底為太古界變質(zhì)巖,缺失元古界。沉積蓋層自下而上依次為寒武系、早—中奧陶統(tǒng)、中—上石炭統(tǒng)、二疊系、中—下侏羅統(tǒng)、古近系、新近系和第四系。其中,古近系沙三段是主要烴源巖,館陶組三段(Ng3)為主要產(chǎn)油層位。自1995年2月,曲斜9井館三段試油獲得日產(chǎn)16.0 t/d的工業(yè)油流后,曲9油藏先后經(jīng)歷了新建產(chǎn)能階段、天然能量開(kāi)采階段,2005年8月起開(kāi)始注水開(kāi)發(fā),進(jìn)行了二次差異化調(diào)整,并適時(shí)提液,水驅(qū)開(kāi)發(fā)效果逐步變好。
圖1 曲9油藏井位分布圖
2樣品與試驗(yàn)
2.1樣品采集
動(dòng)態(tài)采集曲9油藏Q9-XN1、Q9-65、Q9-X89、Q9-75、Q9-95、Q9-P1、Q9-X81、Q9-NX44、Q9-51、Q9-X73、Q9-P20、Q9-X24等12口開(kāi)發(fā)井的井口原油(圖1),以每4個(gè)月左右為一次采樣周期,樣品均屬于Ng3層位,實(shí)驗(yàn)室對(duì)其脫水后進(jìn)行相關(guān)分析。
2.2族組分分離
使用柱層析法進(jìn)行油樣的族組分分離,采用氧化鋁和硅膠填柱,取 30~50 mg油樣用正己烷沉淀過(guò)濾除去瀝青質(zhì),然后轉(zhuǎn)入氧化鋁硅膠柱,依次用正己烷、二氯甲烷:正己烷(2∶1)、二氯甲烷洗脫出飽和烴、芳香烴及非烴,靜放揮發(fā)試劑,然后取出芳香烴進(jìn)行色譜-質(zhì)譜分析
2.3色譜-質(zhì)譜
美國(guó) Agilent 6890 GC/5975i MS,儀器配置 HP-5MS 彈性石英毛細(xì)柱(60 m×0.2 5 mm×0.25 μm),程序升溫:初溫為50 ℃,保持 1 min,以20 ℃/min的速率升至120 ℃,再以3 ℃/min的速率升至310 ℃,保持25 min。芳烴程序升溫:從初溫80 ℃保持1 min后,以3 ℃/min的速率升至310 ℃,保持 16 min。進(jìn)樣口溫度為300 ℃,載氣為He 氣(99.999%),流速為1.0 ml/min,不分流進(jìn)樣。質(zhì)譜部分:EI 電離源,電離電壓為 70 eV,獲取數(shù)據(jù)方式為全掃描與選擇離子同時(shí)進(jìn)行,質(zhì)量掃描范圍50~600 m/z。
3結(jié)果與討論
3.1烷基萘成熟度參數(shù)
對(duì)比分析不同時(shí)期采集原油的烷基萘成熟度參數(shù),可以看出隨著注水開(kāi)發(fā)過(guò)程的推進(jìn),上述4種烷基萘成熟度參數(shù)均呈逐漸變大的趨勢(shì)(表1,圖2)。低碳數(shù)芳烴是原油中相對(duì)易溶于水的一類(lèi)化合物,但不同結(jié)構(gòu)的芳烴化合物在水中的溶解度也存在差異。就其結(jié)構(gòu)而言,2-MN位于β位,1-MN位于α位,由于β空間阻礙較小,所以2-MN要比1-MN穩(wěn)定。根據(jù)中國(guó)科學(xué)院化學(xué)專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)[14],當(dāng)pH=7時(shí),α-甲基萘在水中的溶解度是0.036 g/100 g水,疏水參數(shù)為3.904,而β-甲基萘的疏水參數(shù)為3.95[15]。疏水參數(shù)是指物質(zhì)的疏水性的量度,它表示其親脂性的大小,其值越大越不易溶于水[16]。因此在注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中,易溶組份α-甲基萘比難溶組份β-甲基萘更易被地下水溶解帶走,故隨著時(shí)間的推移,甲基萘指數(shù)MNR會(huì)越來(lái)越大(圖2(a))。
二甲基萘系列化合物中,1,5-DMN從結(jié)構(gòu)上屬于αα構(gòu)型,2,6-DMN和2,7-DMN屬于ββ構(gòu)型, 6-和7-都屬于β位,2,6-DMN和2,7-DMN為位置異構(gòu)的同分異構(gòu)體,所以2,6-DMN和2,7-DMN性質(zhì)相似[17]。2,7-DMN的疏水參數(shù)為4.447,溶解度0.008 g/100g;1,5-DMN的疏水參數(shù)為4.296,溶解度0.011 g/100 g[16]。故1,5-DMN 比2,6-DMN和2,7-DMN更易溶于水,因此在注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中,二甲基萘比值DNR亦呈升高趨勢(shì)(圖2(b))。
三甲基萘系列化合物中,2,3,6-TMN、1,3,5-TMN和1,4,6-TMN的溶解度(pH=7)為0.002 g/100 g水,1,2,5-TMN的溶解度(pH=7)為0.003 g/100 g水[14]。水溶解性對(duì)這幾種物質(zhì)的影響差別較小,隨著注水開(kāi)發(fā)過(guò)程的推進(jìn),三甲基萘指數(shù)TNR1與三甲基萘TMNr的比值變化幅度較小,但仍呈升高趨勢(shì)(圖2(c), 2(d))。
3.2烷基菲成熟度參數(shù)
甲基菲異構(gòu)體分布是最常用的成熟度指標(biāo)之一。Radke等[18]提出甲基菲指數(shù)(MPI1、MPI2)。Kvalheim等[19]提出甲基菲比值F1和F2來(lái)評(píng)價(jià)原油成熟度(F1、F2)。從圖2(e-h)中可以看出,隨著注水開(kāi)發(fā)過(guò)程的推進(jìn),烷基菲成熟度參數(shù)并沒(méi)有大的波動(dòng),基本穩(wěn)定。
表1 注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中曲9油藏原油芳烴成熟度參數(shù)表
注:R1:MNR=2-MN/1-MN;R2:DNR=(2,6-+2,7-DMN)/1,5-DMN;R3:TNR1=2,3,6-TMN/ (1,3,5-TMN+1,4,6-TMN);R4:TMNr=2,3,6-TMN/ (1,2,5-TMN+2,3,6-TMN);R5:F1=(3-MP+2-MP)/(1-MP+9-MP+3-MP+2-MP);R6:F2=(2-MP)/(1-MP+9-MP+3-MP+2-MP);R7:MPI1=1.5×(3-MP+2-MP)/(P+9-MP+1-MP);R8:MPI2=3×(2-MP)/(P+9-MP+1-MP);R9:4-/1-MDBT;R10:(2-+3-)/1-MDBT;R11:MDBI=4-MDBT/(DBT+1-MDBT+2-MDBT +3-MDBT+ 4-MDBT);R12:C2820S/(20S+20R)
王連生等[15]利用高效液相色譜法對(duì)多環(huán)芳烴化合物的水溶解度及疏水參數(shù)進(jìn)行估算,得出1-甲基菲、2-甲基菲、3-甲基菲、9-甲基蒽的疏水參數(shù)均為5.11。其中,9-甲基蒽是9-甲基菲的同分異構(gòu)體,性質(zhì)相似[17],所以水溶解性對(duì)這幾種物質(zhì)的影響基本一致。在注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中,隨著時(shí)間的推移,烷基菲成熟度參數(shù)沒(méi)有變化。
3.3二苯并噻吩參數(shù)
二苯并噻吩系列化合物隨熱成熟度增高而變化的規(guī)律性很強(qiáng),并且與鏡質(zhì)體反射率間存在良好的線性關(guān)系[20]。4-MDBT和2-、3-MDBT的相對(duì)豐度隨埋深增加而增加,1-MDBT則隨之下降,故而4-/1-MDBT和(2-+3-)/1-MDBT是兩個(gè)應(yīng)用廣泛的成熟度參數(shù)[21]。魏志彬等[22]提出采用甲基二苯并噻吩分布指數(shù)(MDBI)來(lái)評(píng)價(jià)原油成熟度。
圖2 原油烷基菲與烷基萘成熟度參數(shù)隨注水開(kāi)發(fā)過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化
動(dòng)態(tài)對(duì)比分析表明,二苯并噻吩成熟度參數(shù)在注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中變化不大,相對(duì)穩(wěn)定(圖3(a~c))。根據(jù)化學(xué)專(zhuān)業(yè)數(shù)據(jù)庫(kù)可知,1-MDBT、2-MDBT、3-MDBT和4-MDBT的疏水參數(shù)均為5.034,所以水溶解性對(duì)這幾種物質(zhì)的影響基本一致。故在注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中,隨著時(shí)間的推移,二苯并噻吩成熟度參數(shù)沒(méi)有變化。
圖3 原油二苯并噻吩和三芳甾烷成熟度參數(shù)隨注水開(kāi)發(fā)過(guò)程的動(dòng)態(tài)變化
3.4三芳甾烷成熟度參數(shù)
在有機(jī)質(zhì)熱演化過(guò)程中,三芳甾烷結(jié)構(gòu)和異構(gòu)化作用比單芳甾烷和甾烷更敏感,因此有關(guān)三芳甾烷的參數(shù)可以反映有機(jī)質(zhì)的熱演化程度[23-24]。其中C2820S/(20S+20R)比值可以作為評(píng)價(jià)烴源巖中有機(jī)質(zhì)和原油成熟度指標(biāo)。對(duì)比分析表明,注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中,無(wú)論同一口井的樣品C2820S/(20S+20R)比值變化,還是不同井的樣品參數(shù)值變化范圍,均呈現(xiàn)相對(duì)穩(wěn)定、基本不變的規(guī)律(圖3(d))。根據(jù)C28三芳甾烷結(jié)構(gòu)來(lái)看,側(cè)鏈20碳位為手性中心,具有R、S兩種構(gòu)型,即C2820S和C2820R,互為旋光異構(gòu)體,其物理和化學(xué)性質(zhì)極其相似[25]。因此在注水開(kāi)發(fā)過(guò)程中,C2820S/(20S+20R)參數(shù)值不會(huì)有太大變化。
4結(jié)論
1) 隨著注水開(kāi)發(fā)過(guò)程的推進(jìn),不同構(gòu)型的芳烴化合物,由于溶解度或極性不同,體現(xiàn)不同的變化規(guī)律。
2) 烷基萘成熟度參數(shù),甲基萘指數(shù)(MNR)、二甲基萘比值(DNR)、三甲基萘指數(shù)(TNR1)和三甲基萘比值(TMNr)隨開(kāi)采時(shí)間的推進(jìn)逐漸升高,可以用于指示注水開(kāi)發(fā)的進(jìn)程。
3) 烷基菲成熟度參數(shù)(MPI1、MPI2、F1、F2)、二苯并噻吩成熟度參數(shù)(4-/1-MDBT、(2-+3-)/1-MDBT)、三芳甾烷成熟度參數(shù)(C2820S/(20S+20R))隨開(kāi)采時(shí)間的推進(jìn)基本保持不變,可以有效應(yīng)用于原油成熟度評(píng)價(jià)、油氣充注等研究。
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(責(zé)任編輯:高麗華)
收稿日期:2016-03-25
基金項(xiàng)目:山東省自然科學(xué)杰出青年基金項(xiàng)目(JQ201311)
作者簡(jiǎn)介:常象春(1974—),男,陜西綏德人,教授,博士生導(dǎo)師,主要從事油氣地質(zhì)與地球化學(xué)方面的教學(xué)與科研工作.E-mail:xcchang@sina.com
中圖分類(lèi)號(hào):TE122.1
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A
文章編號(hào):1672-3767(2016)04-0021-07
Variation and Implications of Aromatic Hydrocarbon Maturity Parameters in Waterflooded Oil Reservoir
CHANG Xiangchun1, XUE Shengtong1, CUI Jing2, WANG Tao2
(1.College of Earth Science and Engineering, Shandong University of Science and Technology, Qingdao, Shandong 266590,China; 2.Luming Oilfield Branch, Shengli Oil Company, SINOPEC, Dongying, Shandong 257001, China)
Abstract:In view of the importance of crude oil aromatic hydrocarbon in petroleum geology research, geochemical comparisons of the dynamic variations of aromatic hydrocarbon maturity parameters during the process of waterflooding were made, and the variations and genesis were investigated. The results indicate that aromatic maturity parameters change differently due to the different solubility, configuration and polarity of aromatic fractions, which leads to different reducing preference during the process of waterflooding and different variation laws of aromatic hydrocarbon maturity parameters. The alkylnaphthalene maturity parameters (MNR, DNR, TNR1, TMNr) tend to increase, implying the effect of water washing, while the alkylphenanthrene maturity parameters (MPI1, MPI2, F1, F2), DBT maturity parameters (4-/1-MDBT, (2-+3-)/1-MDBT, MDBI) and TAS maturity parameters C2820S/(20S+20R) keep almost unchanged, which can still be effectively used in geological assessment of petroleum.
Key words:waterflooding; oil component; aromatic hydrocarbon; maturity parameter; water washing