彭艷霞，郭少斌，馬 嘯

(中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引 言

頁巖氣作為一種生產(chǎn)周期很長、產(chǎn)量相對穩(wěn)定、分布面積廣泛、資源量巨大的清潔能源，已成為全球非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)的熱點(diǎn)[1-3]。目前中國頁巖氣勘探開發(fā)和研究多圍繞南方海相地層展開，在海相頁巖的儲(chǔ)層特征、形成條件、成藏機(jī)理、賦存方式、地球化學(xué)特征、選區(qū)評價(jià)及資源潛力等方面取得一定成果[4-14]。而海陸交互相頁巖氣的研究較少[15-19]，針對其有利區(qū)和目標(biāo)區(qū)的評價(jià)仍是空白。海相頁巖與海陸交互相頁巖在泥巖厚度、成氣潛力等方面均存在明顯差異[20]。因此，對海陸交互相頁巖的研究不能照搬海相頁巖氣有利區(qū)和目標(biāo)區(qū)的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，需要根據(jù)海陸交互相富有機(jī)質(zhì)頁巖的有機(jī)碳含量和熱成熟度等特征，確定中國海陸交互相頁氣選區(qū)鏡質(zhì)體反射率Ro的下限，并判斷TOC值是否達(dá)到產(chǎn)氣標(biāo)準(zhǔn)。該研究對中國海陸交互相頁巖氣的進(jìn)一步評價(jià)具有指導(dǎo)意義。

1 實(shí)驗(yàn)樣品及方法

生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)以干酪根熱降解成烴原理和有機(jī)質(zhì)熱演化的時(shí)間-溫度補(bǔ)償原理為依據(jù)，在高溫條件下模擬油、氣的形成，再現(xiàn)有機(jī)質(zhì)熱演化過程，是廣泛應(yīng)用的研究有機(jī)質(zhì)演化過程的重要技術(shù)手段[21-25]。巖石熱解技術(shù)可直接檢測出巖樣中的所含的可溶烴S1、熱解烴S2而被廣泛用于確定不同烴源巖的有機(jī)質(zhì)成熟度和生烴潛力[26-29]。

選取貴州YV-1井2個(gè)不同深度的龍?zhí)督M海陸交互相頁巖樣品進(jìn)行研究。對樣品進(jìn)行了有機(jī)地球化學(xué)和巖石學(xué)分析測試，分成11份，每份質(zhì)量為10 g，顆粒大小為2.5～10.0 mm。對其中1份進(jìn)行原始樣品的總有機(jī)碳、鏡質(zhì)體反射率、干酪根顯微組分分析測定(表1)。其他的10份樣品在封閉系統(tǒng)下進(jìn)行熱模擬實(shí)驗(yàn)[30-32]。

表1 頁巖樣品基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

將磨碎的樣品在氬氣保護(hù)下封入金管放置于高壓釜中，通過高壓充水對實(shí)驗(yàn)樣品施加壓力。壓力設(shè)定為50 MPa，壓力波動(dòng)小于1 MPa。各高壓釜的溫差為1 ℃，溫度波動(dòng)小于1 ℃，以5 ℃/min的升溫速率加熱，在200～650 ℃內(nèi)設(shè)置10個(gè)溫度點(diǎn)，將10份樣品從室溫分別升溫。加熱結(jié)束后，通過GC-6890氣相色譜裝置完成各烴類氣體的分析并統(tǒng)計(jì)質(zhì)量。C6—C14烴類液體組分的質(zhì)量采用GC積分分析，C14以上烴類液體組分的質(zhì)量采用抽提方法分別定出。將樣品從實(shí)驗(yàn)后的金管中取出，分別進(jìn)行了鏡質(zhì)體反射率和巖石熱解的測定。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)氣態(tài)烴產(chǎn)物為C1—C5，液態(tài)烴產(chǎn)物為C6—C14、C14+。由于鏡質(zhì)體反射率在上升過程中，初始干酪根逐漸轉(zhuǎn)化為油、氣、無機(jī)化合物[33-35]，故可以反映有機(jī)質(zhì)的成熟度。

2.1 頁巖熱模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)分析

液態(tài)烴產(chǎn)量隨著Ro的升高呈先增加后減少的趨勢，氣態(tài)烴的產(chǎn)量隨著Ro的升高，先緩慢增加，到達(dá)一定Ro值后氣態(tài)烴產(chǎn)量開始大量增加，總烴量(氣態(tài)烴產(chǎn)量與液態(tài)烴產(chǎn)量之和)隨Ro上升而增加(圖1)。

由圖1可知，a、b頁巖樣品液態(tài)烴產(chǎn)量分別在Ro升至1.5%和1.6%時(shí)達(dá)到最大，隨Ro繼續(xù)升高，液態(tài)烴產(chǎn)量開始下降，在Ro分別升至2.4%和2.2%時(shí)，液態(tài)烴產(chǎn)量接近零值，液態(tài)烴基本消失。氣態(tài)烴產(chǎn)量在液態(tài)烴產(chǎn)量達(dá)到最大時(shí)開始迅速增加。

圖1 頁巖樣品烴類產(chǎn)出量隨Ro變化關(guān)系

氣態(tài)烴增量隨著Ro的升高先增加后減少(圖2)，頁巖樣品a、b在Ro值分別達(dá)到1.5%和1.6%時(shí)，氣態(tài)烴產(chǎn)量突增，在Ro值分別達(dá)到1.8%和1.7%時(shí)，氣態(tài)烴產(chǎn)量開始大量增加，在Ro分別升至2.1%和2.2%時(shí)達(dá)到生氣高峰，氣態(tài)烴產(chǎn)量高峰時(shí)Ro為1.7%～2.2%。

圖2 熱模擬實(shí)驗(yàn)中氣態(tài)烴增量隨Ro的變化

2.2 頁巖熱解烴與熱模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)分析

熱解烴(S2)量隨Ro上升逐步減少，二者之間呈良好線性函數(shù)關(guān)系，頁巖樣品a、b相關(guān)系數(shù)分別為0.979 9和0.977 5(圖3)，在Ro升至2.4%和2.3%時(shí)，頁巖樣品a、b的S2分別減少至0.19、0.18 mg/g。目前，由于實(shí)驗(yàn)設(shè)備升溫有限，仍由少量的S2殘余，倘若實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚶^續(xù)升溫，S2將隨溫度的不斷升高而繼續(xù)消耗直至耗盡。

圖3 S2隨Ro變化關(guān)系

頁巖樣品在熱模擬實(shí)驗(yàn)升溫過程中的熱解烴量與總烴量具有非常好的線性負(fù)相關(guān)性(圖4)，頁巖樣品a、b相關(guān)系數(shù)分別為0.965 7和0.983 3?？偀N量在S2減少的過程中呈線性增加(2組樣品線性回歸方程中斜率相近)。S2對總烴量具有重要影響，不同樣品Ro相同或相近時(shí)，在S2升溫減少的過程中，樣品S2含量越大，生烴潛力越大。如圖4所示，頁巖樣品a、b初始S2分別為10.15和4.02 mg/g，當(dāng)Ro為1.2%左右時(shí)，S2a為8.33 mg/g、S2b為4.02 mg/g。當(dāng)Ro上升至2.3%左右時(shí)，頁巖樣品a、b的總烴量分別為7.64、5.35 mg/g。

圖4 熱模擬實(shí)驗(yàn)總烴量隨S2變化關(guān)系

3 頁巖生烴演化階段及關(guān)鍵參數(shù)下限的確定

3.1 海陸交互相頁巖生烴演化階段

根據(jù)生烴熱模擬和巖石熱解實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對液態(tài)烴產(chǎn)量、氣態(tài)烴產(chǎn)量、氣態(tài)烴增量、總烴量、S2隨Ro變化的規(guī)律進(jìn)行綜合分析，可以看出中國海陸交互相頁巖生烴演化過程大致可分為3個(gè)主要階段。

第1階段為未成熟階段，對應(yīng)Ro小于0.8%。分析2組頁巖樣品熱模擬實(shí)驗(yàn)過程中的液態(tài)烴生成量，頁巖樣品a在Ro小于0.8%時(shí)液態(tài)烴產(chǎn)量增加緩慢，當(dāng)Ro大于0.8%后液態(tài)烴產(chǎn)量開始大量增加，說明頁巖樣品在Ro大于0.8%后已進(jìn)入生油窗。因此，將Ro小于0.8%階段劃分為未成熟階段。

第2階段為成熟階段，對應(yīng)Ro范圍為0.8%～2.3%。隨著烴源巖成熟度的升高，干酪根母質(zhì)繼續(xù)受熱降解，產(chǎn)生大量液態(tài)烴。頁巖樣品a、b在Ro為1.5%和1.6%時(shí)達(dá)到生油高峰，與此同時(shí)達(dá)到生氣門限(圖2)，熱降解產(chǎn)生的大量液態(tài)烴繼續(xù)受熱開始二次裂解，產(chǎn)生大量的氣態(tài)烴，氣態(tài)烴增加量在Ro分別為2.1%和2.2%時(shí)達(dá)到生氣高峰(圖3)。

第3階段為過成熟階段，此時(shí)Ro大于2.3%。剩余的干酪根繼續(xù)裂解，液態(tài)烴消失，氣態(tài)烴開始緩慢增加。C2+含量極少，氣態(tài)逐步裂解成為最穩(wěn)定的甲烷氣。

3.2 關(guān)鍵參數(shù)值下限的確定

不同海陸過渡相有機(jī)質(zhì)頁巖生氣潛力存在差異，但生氣高峰階段相近，有機(jī)質(zhì)的生氣高峰期在Ro為1.7～2.3%。根據(jù)生烴模擬中2組頁巖樣品氣態(tài)烴產(chǎn)量開始大量增加時(shí)和生氣高峰時(shí)所對應(yīng)的Ro值，可初步確定中國海陸交互相頁巖氣有利區(qū)和目標(biāo)區(qū)的Ro下限。

當(dāng)頁巖樣品a在Ro為1.8%，不考慮排烴效率的情況下，頁巖的氣態(tài)烴產(chǎn)量為2.96 m3/t；在Ro為2.1%左右，考慮排烴效率為50%的情況下，頁巖的氣態(tài)烴產(chǎn)量為3.25 m3/t。

當(dāng)頁巖樣品b在Ro為1.7%，不考慮排烴效率的情況下，頁巖的氣態(tài)烴產(chǎn)量為1.17 m3/t；在Ro為2.1%，考慮排烴效率為50%的情況下，頁巖的氣態(tài)烴產(chǎn)量為2.38 m3/t。

目前頁巖氣有利區(qū)需要的含氣量標(biāo)準(zhǔn)為1.0 m3/t，目標(biāo)區(qū)需要的含氣量標(biāo)準(zhǔn)為2.0 m3/t[36-37]，可初步確定中國海陸交互相頁巖氣有利區(qū)Ro下限為1.7%左右，目標(biāo)區(qū)的Ro下限為2.1%左右，貴州YV-1井頁巖樣品的TOC值已達(dá)到了產(chǎn)氣評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié) 論

(1) 熱模擬實(shí)驗(yàn)升溫過程中液態(tài)烴產(chǎn)量隨著Ro的升高呈先增加后減少的趨勢，氣態(tài)烴的產(chǎn)量隨著Ro的升高，先緩慢增加，到達(dá)一定Ro值后，氣態(tài)烴產(chǎn)量開始大量增加，總烴量隨Ro上升而增加。

(2) 氣態(tài)烴增量隨著Ro的升高先增加后減少。不同海陸交互相有機(jī)質(zhì)頁巖生氣潛力存在差異，但生氣高峰階段相近，中國南方貴州龍?zhí)督M頁巖樣品的氣態(tài)烴產(chǎn)量高峰期Ro為1.7%～2.2%。

(3)S2隨Ro上升逐步減少，二者之間具有非常好的線性負(fù)相關(guān)性?？偀N量在S2減少的過程中呈線性增加。S2對總烴量具有重要影響，不同樣品的Ro相同或相近時(shí)，在S2升溫減少的過程，樣品S2含量越大，生烴潛力越大。

(4) 海陸交互相頁巖的生烴演化過程可分為3個(gè)主要階段：液態(tài)烴低成熟階段，對應(yīng)Ro小于0.8%；氣液共生高成熟階段，對應(yīng)Ro范圍為0.8%～2.3%；氣態(tài)烴過成熟階段，對應(yīng)Ro大于2.3%。

(5) 根據(jù)生烴模擬實(shí)驗(yàn)過程中，頁巖樣品氣態(tài)烴產(chǎn)量突增和生氣高峰時(shí)所對應(yīng)的鏡質(zhì)體反射率Ro值，可初步確定中國海陸交互相的頁巖氣有利區(qū)Ro下限為1.7%左右，目標(biāo)區(qū)Ro下限為2.1%左右，貴州YV-1井頁巖樣品的TOC值已達(dá)到了產(chǎn)氣評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。