烴源巖熱模擬實驗研究新進展

李永新 王紅軍 王兆云

摘要:烴源巖熱模擬是探索油氣形成機制、重現(xiàn)油氣形成過程的重要手段之一。油氣的生成特征首先受樣品本身特質的影響,溫度是有機質生烴、演化的最重要因素,超壓抑制有機質演化、生烴和原油裂解,水和礦物質等介質條件的存在對氣、液態(tài)產物的產率和組成特征均有影響。熱模擬實驗在油氣研究中得到了廣泛應用,但其在實驗結果應用等方面仍有不足,綜合模擬各地質因素對油氣生成的影響將是未來熱模擬的發(fā)展趨勢。

關鍵詞:有機質壓力介質條件熱模擬

熱解模擬實驗是油氣研究的重要手段和內容之一。其主要任務是以時溫補償原理為基礎,在實驗室內對選定的樣品進行人工熱模擬,再現(xiàn)有機質在地質體中所經歷的物理和化學演化過程,為認識生烴過程、建立生烴模式、獲取資源評價參數等提供實驗依據。近些年來,隨著實驗裝置的改進、分析測試手段的提高,熱模擬實驗研究的內容更加細致和深入,有許多工作取得了突破性進展。

1.樣品本身的特性

實驗樣品是熱解實驗的基礎,油氣的生成特征首先受樣品本身特質的影響,如有機質類型、演化程度及其巖性、物性特征等。W. Odden等通過開放體系熱解實驗證實,源巖類型是影響輕烴產物組成特征的主要因素,成熟度變化次之。另外,烴源巖熱解所生成、排出的烴類在數量及化學組成上也會受樣品顆粒大小的影響:粉末樣品熱解結果遠不能代表實際地質條件下源巖的環(huán)境,而大顆粒的巖屑樣品的模擬結果更接近自然演化特點。

有機質類型對源巖生烴也有顯著影響,富氫干酪根裂解產生的濕氣多于貧氫干酪根。近年來,隨著研究工作的深入,可溶有機質的生烴能力受到廣泛關注。鄭倫舉等對比研究了不同性質海相古油藏及可溶有機質的熱裂解生烴(氣)能力,發(fā)現(xiàn)其生烴能力除與巖性、賦存狀態(tài)、演化程度等有關外,主要受所含可溶有機質性質和組成的制約。

2.溫壓條件

在油氣的生成過程中,溫度自始至終都是一個極為活躍的控制因素,沉積有機質向油氣的轉化主要就是在溫度控制下的一系列裂解和縮聚反應。而壓力對有機質的成熟、生烴究竟有何影響尚有一定的爭議,但越來越多的實驗和實際盆地資料顯示,超壓抑制有機質演化、生烴和原油裂解。

Cecil指出有機質裂解為低分子的碳氫化合物,是一個體積增加的過程,從反應的熱力學來看,壓力增加就不利于反應進行。姜峰等對不成熟泥炭樣品進行了高壓高溫模擬實驗,結果顯示,相同溫度條件下,樣品Ro值與壓力呈負相關,說明壓力的存在會抑制有機質向高成熟演化。王兆明等研究認為,當壓力的增加表現(xiàn)為孔隙流體壓力增加時,有機質生烴過程將受到抑制。

3.介質條件

烴源巖是有機質與無機礦物質組成的非均一的混合物,在其生烴、演化過程中,可能包涵了水和礦物質的參與。Lewan率先在有液態(tài)水存在的條件下加熱生油巖,發(fā)現(xiàn)從生油巖中排出的熱解產物與自然界原油是相似的。方杰等通過熱模擬實驗,認為加水有利于向也液態(tài)烴轉化,而抑制了生成氣態(tài)烴的反應;同時,加水量不同對各種產物產率的影響也不一樣,在進行實驗時應根據具體條件加入適量的水,而并非加水越多越好。

有機質中某些礦物基質對烴類的生成具有一定的催化作用,并可對已生成的烴類產生吸附。粘土礦物是影響有機質成烴的一種很重要的物質,且不同的粘土礦物對有機質的催化活性也有不同。Pan等在不同礦物質的情況下分別對干酪根進行了限定體系(黃金管)熱解實驗,發(fā)現(xiàn)礦物質的變化對氣、液態(tài)產物有很大影響,氣態(tài)烴和CO2產物的數量、乙烯/乙烷、丙烯/丙烷的比值均有變化。

4.總結與討論

總的來說,熱模擬實驗技術加深了我們對油氣生成的理解,并已成為目前石油勘探工作中的一項實用技術而被廣泛采用。但是,像其他技術一樣,熱模擬實驗技術也有它的不足。

(1)地下油氣的生成過程是多種因素共同作用的結果,而現(xiàn)有的技術條件還無法完全模擬這一過程,使得實驗結果往往不能與實際地質情況相吻合;因此,如何將溫度、壓力、催化劑、水介質等多種影響因素共同納入模擬實驗的過程中,更加真實地再現(xiàn)烴源巖的生烴過程,將是該方法未來發(fā)展的方向之一。

(2)實驗設備及測試手段尚不夠完善。實驗結果的可靠與否,很大程度上依賴于實驗設備的精度和完備程度,目前的模擬實驗還不能達到完全定量。因此,模擬實驗的發(fā)展還需進一步提高實驗技術,改善和創(chuàng)新實驗設備,完善測試手段。

(3)如何將模擬實驗結果外推至實際地質情況,一直是制約模擬實驗應用的一個瓶頸。動力學研究是聯(lián)系盆地熱史、油氣聚-散史和熱解實驗之間的紐帶,近年來發(fā)展迅速。目前以單一升溫速率為基礎的動力學模型已不為人們認同,發(fā)掘更有效的動力學模型并結合同位素特征進行熱模擬將成為國內外研究的熱點之一?！?/p>

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