馬中良, 鄭倫舉, 余曉露, 趙中熙, 李志明

(1.中國(guó)石油化工股份有限公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院無(wú)錫石油地質(zhì)研究所,江蘇無(wú)錫 214126;2.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理與有效開(kāi)發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無(wú)錫 214126;3.國(guó)家能源頁(yè)巖油研發(fā)中心,江蘇無(wú)錫 214126; 4.中國(guó)石化油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇無(wú)錫 214126)

在常規(guī)油氣研究中,烴源巖排烴門(mén)限的判別評(píng)價(jià)一直是石油地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn),以往多在統(tǒng)計(jì)的基礎(chǔ)上以能夠生成并排出烴類(lèi)而形成工業(yè)油氣藏的烴源巖有機(jī)碳下限值作為常規(guī)油氣資源的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[1-4]。由于統(tǒng)計(jì)樣本空間的差異,得出的結(jié)果也差別較大,給烴源巖判別和評(píng)價(jià)帶來(lái)較大的不確定性[5-7]。近年來(lái),隨著頁(yè)巖油氣勘探開(kāi)發(fā)熱潮的興起,如何科學(xué)確定烴源巖的有效排烴門(mén)限再次引起石油地質(zhì)學(xué)家和地球化學(xué)家的關(guān)注[8-10],如果能夠合理地確定烴源巖的排油門(mén)限,對(duì)常規(guī)石油和頁(yè)巖油的資源評(píng)價(jià)都有著非常重要的意義[11]。然而由于現(xiàn)今看到的烴源巖是地質(zhì)時(shí)間尺度已經(jīng)完成生油氣過(guò)程的巖石,測(cè)得的有機(jī)碳是殘余有機(jī)碳,很難確定其開(kāi)始演化時(shí)的有機(jī)質(zhì)豐度,而且一個(gè)潛在的烴源巖變?yōu)橛行N源巖的排烴門(mén)限并非一個(gè)常數(shù)[12],它取決于有機(jī)質(zhì)類(lèi)型、有機(jī)質(zhì)成熟度等其他許多因素的變化。筆者利用無(wú)錫石油地質(zhì)研究所自主研發(fā)的“烴源巖地層孔隙熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)儀”,開(kāi)展不同類(lèi)型、不同有機(jī)碳含量低熟烴源巖地質(zhì)條件約束下的生排油正演模擬實(shí)驗(yàn),根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果,建立一種烴源巖有效排烴門(mén)限的確定方法,確定泥質(zhì)烴源巖的有效排油門(mén)限值,并對(duì)其在頁(yè)巖油勘探的地質(zhì)意義進(jìn)行了探討,以期為常規(guī)石油和頁(yè)巖油勘探提供一定的科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)條件約束下生排烴模擬實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

實(shí)驗(yàn)樣品主要采自東濮凹陷、泌陽(yáng)凹陷、白音查干凹陷、吉林樺甸露頭,篩選出5件低成熟、不同有機(jī)質(zhì)類(lèi)型和豐度的烴源巖樣品,并配制有機(jī)質(zhì)豐度較低的樣品一件,樣品的有機(jī)地球化學(xué)特征見(jiàn)表1。

表1 地層孔隙熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)樣品的基本地化特征

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)與流程

實(shí)驗(yàn)溫壓參數(shù)的設(shè)定:依據(jù)取樣區(qū)典型井的埋藏演化史,可以獲知實(shí)際地區(qū)的埋深與鏡質(zhì)體反射率的關(guān)系,同時(shí)根據(jù)前期烴源巖地層孔隙熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)儀開(kāi)展的其他未熟—低熟烴源巖生烴模擬溫度和鏡質(zhì)體反射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系,以鏡質(zhì)體反射率為橋梁將擬模擬的演化點(diǎn)對(duì)應(yīng)到模擬實(shí)驗(yàn)的溫度點(diǎn),并以對(duì)應(yīng)的Ro值來(lái)選取不同模擬溫度不同演化階段對(duì)應(yīng)的埋深、靜巖壓力和流體壓力值,6件樣品地質(zhì)過(guò)程約束下生排油模擬實(shí)驗(yàn)溫壓參數(shù)見(jiàn)表2。

儀器采用自主研發(fā)的烴源巖地層孔隙熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)儀[13-15],具體實(shí)驗(yàn)流程和步驟見(jiàn)參考文獻(xiàn)[13]～[15]。排出油由3部分組成:一是當(dāng)生烴系統(tǒng)壓力超過(guò)設(shè)定的地層流體壓力值時(shí),開(kāi)啟閥門(mén)使生烴系統(tǒng)壓力維持在設(shè)定值,最終在排烴裝置中收集到的油;二是實(shí)驗(yàn)加溫結(jié)束后待整個(gè)反應(yīng)體系溫度降到150 ℃時(shí),打開(kāi)排烴閥門(mén)由生成的氣體攜帶出的輕質(zhì)油;三是烴源巖排到樣品室內(nèi)壁和連接管道空間的油。殘留油是指模擬后的烴源巖殘樣的氯仿瀝青“A”,總生油量是排出油和殘留油之和。

表2 模擬實(shí)驗(yàn)樣品溫壓參數(shù)Table 2 Experimental temperature andpressure parameters

1.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

排烴門(mén)限是指在埋藏演化過(guò)程中,烴源巖由于生烴量滿(mǎn)足了自身吸附、孔隙水溶、油溶(氣)和毛細(xì)管飽和等多種形成的殘留需要,并開(kāi)始以游離相排出的臨界點(diǎn)[5-7],油氣只有在排出源巖后才能對(duì)常規(guī)油氣成藏作貢獻(xiàn)。排烴門(mén)限并非一個(gè)概念性名詞,而是可以加以定性與定量的一個(gè)重要地質(zhì)指標(biāo)。由干酪根晚期熱降解生烴的理論模式[6],可知生烴門(mén)限主要受有機(jī)質(zhì)的成熟度控制,一般把鏡質(zhì)體反射率Ro達(dá)到0.5%作為臨界點(diǎn)。同樣,排烴門(mén)限也可以用某些確定的指標(biāo)來(lái)加以定性與定量。常用的排烴門(mén)限的識(shí)別方法主要有:①源巖生烴潛力變化特征反映排烴門(mén)限的存在,在熱解參數(shù)中,S1和S2分別代表游離烴、熱解烴,“S1+S2”反映烴源巖生烴潛能,包含殘存于烴源巖中的烴以及尚未生成的烴,生烴潛力“S1+S2”值的降低意味著烴源巖已達(dá)排烴門(mén)限并開(kāi)始排出烴類(lèi),降低點(diǎn)即是排烴門(mén)限[6-7];②源巖殘留烴量變化特征反映排烴門(mén)限的存在,氯仿瀝青“A”反映烴源巖中的殘存有機(jī)質(zhì),理論上,在熱演化過(guò)程中氯仿瀝青“A”值有逐漸增大然后減少的趨勢(shì),在原始烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度和類(lèi)型保持一致的前提下,氯仿瀝青“A”含量的降低表明烴類(lèi)的排出,開(kāi)始降低的點(diǎn)即是排烴門(mén)限[6-7]。

然而常用的這些方法需要找到一個(gè)較為系統(tǒng)的從未熟—低熟—成熟—高過(guò)成熟的自然演化剖面,通過(guò)系統(tǒng)采樣分析來(lái)查找排烴的臨界點(diǎn),但排烴受多種因素影響,系統(tǒng)的自然演化剖面又難以尋找,因此給排烴門(mén)限的研究帶來(lái)一定困難。通過(guò)地質(zhì)過(guò)程約束下的未熟烴源巖的熱模擬實(shí)驗(yàn)可以建立一個(gè)完整的人工演化系列剖面,根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果得知烴源巖在不同演化階段的生、排油量,單位巖石的排油量可以表征烴源巖的排油能力,因此可以直接利用單位巖石的排油量在深度剖面或成熟度剖面的變化來(lái)確定排油(烴)門(mén)限[16]。

綜合6組地質(zhì)過(guò)程約束下的不同類(lèi)型、不同有機(jī)碳含量烴源巖的熱壓生排油模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果,統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn),在整個(gè)生油演化階段,單位巖石生油量小于5～8 mg/g時(shí)基本沒(méi)有石油排出,只有單位巖石的生油量大于5～8 mg/g時(shí)石油才開(kāi)始排出,對(duì)常規(guī)油氣成藏貢獻(xiàn)較大,因此將單位巖石生油量Q生油量=5～8 mg/g確立為烴源巖發(fā)生有效排油的最低條件(圖1、2)。值得注意的是,此次選擇的是單位巖石的生油量,而不是單位有機(jī)碳的生油量,這是因?yàn)橐酝S多學(xué)者按照單位有機(jī)碳生油量得出的排烴門(mén)限值差異較大。如Philippi[17]最早估計(jì)了烴源巖吸附石油的數(shù)量,認(rèn)為單位有機(jī)碳吸附油量大概在30～120 mg/g才能發(fā)生有效排油;Tissot等[18]認(rèn)為未熟—低成熟階段單位有機(jī)碳吸附油量基本上小于40 mg/g,生油高峰階段在100～180 mg/g;Sandvik等[19]對(duì)以往研究數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核后認(rèn)為,發(fā)生排烴的單位有機(jī)碳吸附油量應(yīng)該是100 mg/g;Pepper等[20]通過(guò)地球化學(xué)分析得出烴源巖發(fā)生排烴的單位有機(jī)碳吸附油量利用熱解法是100 mg/g,抽提法是200 mg/g;陳建平等[8]對(duì)中國(guó)大量典型的湖相烴源巖統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)排烴門(mén)限時(shí),單位有機(jī)碳吸附油量利用熱解法是100 mg/g,抽提法是250 mg/g?？梢?jiàn)，以單位有機(jī)碳生油量得出的排油門(mén)限不是一個(gè)固定值,這可能是由于源巖有機(jī)質(zhì)豐度、類(lèi)型和烴類(lèi)轉(zhuǎn)化程度影響的差異。本次研究以單位巖石的吸附量劃定排油門(mén)限發(fā)現(xiàn)盡管這6個(gè)樣品的有機(jī)質(zhì)類(lèi)型、豐度等存在差異,但都顯示在單位巖石生油5～8 mg時(shí)發(fā)生排油,這也可能意味著用單位巖石的生油量作為烴源巖排油門(mén)限的參數(shù)更為合適,避免了有機(jī)質(zhì)豐度、類(lèi)型的影響。

圖1 不同類(lèi)型、不同有機(jī)碳含量烴源巖單位巖石生油量變化曲線(xiàn)Fig.1 Oil generarion rate of different types and different organic carbon content of source rock

圖2 不同類(lèi)型、不同有機(jī)碳含量烴源巖單位巖石排油量變化曲線(xiàn)Fig.2 Oil discharge rate of different types and different organic carbon content of source rock

2 有效排油門(mén)限的確定及頁(yè)巖油地質(zhì)意義

2.1 有效排油門(mén)限的確定方法

由模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果(圖1、2)可知,烴源巖發(fā)生有效排油存在一個(gè)最低的生油量門(mén)限值,且不同類(lèi)型、不同有機(jī)碳含量的烴源巖發(fā)生有效排油的演化階段也有較大差異,類(lèi)型好、有機(jī)碳含量高的烴源巖在更低的演化程度時(shí)即可發(fā)生排油。

地質(zhì)條件約束下的烴源巖生排油模擬實(shí)驗(yàn)為有效判別某一地區(qū)某種類(lèi)型烴源巖在何種演化階段有效排油提供了重要依據(jù),但由于模擬實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長(zhǎng),往往不可能大量開(kāi)展研究區(qū)不同類(lèi)型、不同有機(jī)碳含量的烴源巖生排油模擬實(shí)驗(yàn)來(lái)確定某一烴源巖的排油門(mén)限。

故在此基礎(chǔ)上,分別選取王24井、查1井、樺甸-3樣品作為Ⅰ型、Ⅱ1型、Ⅱ2型陸相泥質(zhì)烴源巖作為代表性樣品,通過(guò)這3個(gè)樣品的Ro-Q生油量的關(guān)系,求取生油指數(shù)Io(單位有機(jī)碳的生油量)。具體求取過(guò)程為:依據(jù)單位有機(jī)碳生油量為600～800 mg/g的烴源巖為Ⅰ型烴源巖、生油量為500～600 mg/g的烴源巖為Ⅱ1型烴源巖、生油量為400～500 mg/g的烴源巖為Ⅱ2型烴源巖,按照達(dá)到每種類(lèi)型最低生油量的標(biāo)準(zhǔn)(Ⅰ型烴源巖要求單位有機(jī)碳生油量最低為600 mg/g、Ⅱ1型烴源巖要求單位有機(jī)碳生油量最低為500 mg/g、Ⅱ2型烴源巖要求單位有機(jī)碳生油量最低為400 mg/g),除以遴選的3個(gè)代表性樣品的最大生油量,得出一個(gè)系數(shù)。3個(gè)代表性樣品不同演化階段的單位有機(jī)碳生油量乘以該系數(shù)得出的即是該種類(lèi)型烴源巖不同演化階段的最低生油指數(shù),也即該類(lèi)烴源巖單位有機(jī)碳需要達(dá)到的最低生油量(表3)。

表3 不同類(lèi)型烴源巖Ro-Io生油指數(shù)關(guān)系

根據(jù)表3建立的3種沉積有機(jī)質(zhì)類(lèi)型烴源巖的Ro-Io關(guān)系,繼而可推算不同類(lèi)型、不同有機(jī)碳含量的烴源巖TOC-Ro-Q生油量演化模型(圖3～5),根據(jù)統(tǒng)計(jì)確定的有效排油門(mén)限值為單位巖石生油量Q生油量=5～8 mg/g,得到不同類(lèi)型、不同有機(jī)質(zhì)豐度的陸相泥質(zhì)烴源巖有效排油門(mén)限Ro。

2.2 有效排油門(mén)限及其頁(yè)巖油地質(zhì)意義

由表4可知,不同類(lèi)型陸相泥質(zhì)烴源巖達(dá)到排油門(mén)限所需要的有機(jī)碳TOC和演化程度Ro具有較大差異,對(duì)于同一類(lèi)型的烴源巖來(lái)說(shuō),其有機(jī)質(zhì)含量越高,達(dá)到排油門(mén)限所需的演化程度越低。在整個(gè)生油階段,若Ⅰ型烴源巖的原始有機(jī)質(zhì)含量TOC<1.5%、Ⅱ1型烴源巖的原始有機(jī)質(zhì)含量TOC<2.0%、Ⅱ2型烴源巖的原始有機(jī)質(zhì)含量TOC<2.5%,在整個(gè)生油窗內(nèi)都達(dá)不到排油門(mén)限,對(duì)于常規(guī)油藏研究來(lái)說(shuō)可視為無(wú)效烴源巖,生成的油只能滯留在烴源巖層系內(nèi),是頁(yè)巖油勘探的有利目標(biāo)。同時(shí),對(duì)于一定類(lèi)型、一定有機(jī)碳含量的烴源巖來(lái)說(shuō),如果其地質(zhì)過(guò)程中未達(dá)到有效排油的門(mén)限Ro,也是頁(yè)巖油勘探的有利目的層。

圖3 不同有機(jī)碳含量Ⅰ型烴源巖單位巖石生油定量圖版Fig.3 Oil generation quantitative plate of different organic carbon content ofⅠtype source rock

圖4 不同有機(jī)碳含量Ⅱ1型烴源巖單位巖石生油定量圖版Fig.4 Oil generation quantitative plate of different organic carbon content ofⅡ1 type source rock

從另一方面來(lái)說(shuō),這些未達(dá)到有效排油門(mén)限的烴源巖層系經(jīng)歷的演化程度也不會(huì)太高,生成的多是大分子的重質(zhì)油,生成的氣體也較少,原油流動(dòng)性差,開(kāi)采前景較差。如中國(guó)東部古近系湖相泥頁(yè)巖,干酪根類(lèi)型主體以Ⅰ、Ⅱ1為主原始有機(jī)質(zhì)含量較高(平均大于2.0%),在成熟度不超過(guò)1.0%時(shí),生成的油含蠟量較高、瀝青質(zhì)/膠質(zhì)較多,而伴生的輕烴與氣態(tài)烴含量較低,因而其彈性能量不足,可流動(dòng)性較差,出現(xiàn)“口口井見(jiàn)油,口口井不流”的現(xiàn)象。因此,頁(yè)巖油的勘探開(kāi)發(fā)當(dāng)前還是要定位于已發(fā)生過(guò)有效排油的烴源巖層系[21],鏡質(zhì)體反射率Ro為1.0%～1.3%,由于熱成熟度的提高,滯留油氣中含有較多的輕質(zhì)油和天然氣,氣油比高,具有更大的“彈性能”,流動(dòng)性較好,開(kāi)采前景樂(lè)觀。對(duì)于未發(fā)生過(guò)有效排油的烴源巖層系的石油資源或許可以期許地下原位開(kāi)采技術(shù),如SHELL公司已開(kāi)展過(guò)油頁(yè)巖(未熟烴源巖)的原位加熱轉(zhuǎn)化開(kāi)采試驗(yàn)[22-23],雖然由于經(jīng)濟(jì)的原因還未大規(guī)模工業(yè)化,但隨著技術(shù)的進(jìn)步,也是開(kāi)采這部分頁(yè)巖油資源的一種有利手段。

表4 烴源巖有效排油門(mén)限標(biāo)準(zhǔn)

3 結(jié) 論

(1)通過(guò)地質(zhì)過(guò)程約束下不同類(lèi)型、不同原始有機(jī)質(zhì)豐度的烴源巖生排油模擬實(shí)驗(yàn),提出了以單位巖石生油量為單位劃定烴源巖排油門(mén)限,統(tǒng)計(jì)出了烴源巖發(fā)生有效排油的最低生油量門(mén)限值為5～8 mg/g。

(2)原始有機(jī)質(zhì)豐度小于1.5%的Ⅰ型烴源巖、小于2.0%的Ⅱ1型烴源巖、小于2.5%的Ⅱ2型烴源巖,在整個(gè)生油窗內(nèi)都達(dá)不到排油門(mén)限,生成的油只能滯留在烴源巖層系內(nèi);對(duì)于一定類(lèi)型、一定有機(jī)質(zhì)豐度的烴源巖來(lái)說(shuō),如果其在地質(zhì)過(guò)程中未達(dá)到有效排油的門(mén)限Ro,生成的油也只能滯留在烴源巖層系;但由于其演化程度低、油品差,當(dāng)前開(kāi)采前景較差,原位加熱轉(zhuǎn)化開(kāi)采技術(shù)可能是開(kāi)發(fā)這部分頁(yè)巖油資源的一種有利手段。

(3)頁(yè)巖油的勘探開(kāi)發(fā)當(dāng)前要定位于已發(fā)生過(guò)有效排油、鏡質(zhì)體反射率Ro為1.0%～1.3%的烴源巖層系,由于熱成熟的提高,滯留油氣中含有較多的輕質(zhì)油和天然氣,氣油比高,具有更大的“彈性能”,流動(dòng)性較好,開(kāi)采前景樂(lè)觀。

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