貴州龍?zhí)督M海陸交互相頁巖氣評價

彭艷霞，郭少斌，馬 嘯

(中國地質(zhì)大學(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[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，在海相頁巖的儲層特征、形成條件、成藏機理、賦存方式、地球化學特征、選區(qū)評價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)和目標區(qū)的評價仍是空白。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)和目標區(qū)的評價標準，需要根據(jù)海陸交互相富有機質(zhì)頁巖的有機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值是否達到產(chǎn)氣標準。該研究對中國海陸交互相頁巖氣的進一步評價具有指導意義。

1 實驗樣品及方法

生烴熱模擬實驗以干酪根熱降解成烴原理和有機質(zhì)熱演化的時間-溫度補償原理為依據(jù)，在高溫條件下模擬油、氣的形成，再現(xiàn)有機質(zhì)熱演化過程，是廣泛應用的研究有機質(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質(zhì)成熟度和生烴潛力[26-29]。

選取貴州YV-1井2個不同深度的龍?zhí)督M海陸交互相頁巖樣品進行研究。對樣品進行了有機地球化學和巖石學分析測試，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份進行原始樣品的總有機碳、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)下進行熱模擬實驗[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下封入金管放置于高壓釜中，通過高壓充水對實驗樣品施加壓力。壓力設(shè)定為50 MPa，壓力波動小于1 MPa。各高壓釜的溫差為1 ℃，溫度波動小于1 ℃，以5 ℃/min的升溫速率加熱，在200～650 ℃內(nèi)設(shè)置10個溫度點，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。將樣品從實驗后的金管中取出，分別進行了鏡質(zhì)體反射率和巖石熱解的測定。

2 實驗結(jié)果分析

生烴熱模擬實驗氣態(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、無機化合物[33-35]，故可以反映有機質(zhì)的成熟度。

2.1 頁巖熱模擬實驗參數(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%時達到最大，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，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)量達到最大時開始迅速增加。

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值分別達到1.5%和1.6%時，氣態(tài)烴產(chǎn)量突增，在Ro值分別達到1.8%和1.7%時，氣態(tài)烴產(chǎn)量開始大量增加，在Ro分別升至2.1%和2.2%時達到生氣高峰，氣態(tài)烴產(chǎn)量高峰時Ro為1.7%～2.2%。

圖2 熱模擬實驗中氣態(tài)烴增量隨Ro的變化

2.2 頁巖熱解烴與熱模擬實驗參數(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，頁巖樣品a、b的S2分別減少至0.19、0.18 mg/g。目前，由于實驗設(shè)備升溫有限，仍由少量的S2殘余，倘若實驗能夠繼續(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驗升溫過程中的熱解烴量與總烴量具有非常好的線性負相關(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，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Ro為1.2%左右時，S2a為8.33 mg/g、S2b為4.02 mg/g。當Ro上升至2.3%左右時，頁巖樣品a、b的總烴量分別為7.64、5.35 mg/g。

圖4 熱模擬實驗總烴量隨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驗結(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個主要階段。

第1階段為未成熟階段，對應Ro小于0.8%。分析2組頁巖樣品熱模擬實驗過程中的液態(tài)烴生成量，頁巖樣品a在Ro小于0.8%時液態(tài)烴產(chǎn)量增加緩慢，當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%時達到生油高峰，與此同時達到生氣門限(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%時達到生氣高峰(圖3)。

第3階段為過成熟階段，此時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質(zhì)頁巖生氣潛力存在差異，但生氣高峰階段相近，有機質(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)量開始大量增加時和生氣高峰時所對應的Ro值，可初步確定中國海陸交互相頁巖氣有利區(qū)和目標區(qū)的Ro下限。

當頁巖樣品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)需要的含氣量標準為1.0 m3/t，目標區(qū)需要的含氣量標準為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值已達到了產(chǎn)氣評價標準。

4 結(jié) 論

(1) 熱模擬實驗升溫過程中液態(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，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個主要階段：液態(tài)烴低成熟階段，對應Ro小于0.8%；氣液共生高成熟階段，對應Ro范圍為0.8%～2.3%；氣態(tài)烴過成熟階段，對應Ro大于2.3%。

(5) 根據(jù)生烴模擬實驗過程中，頁巖樣品氣態(tài)烴產(chǎn)量突增和生氣高峰時所對應的鏡質(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，目標區(qū)Ro下限為2.1%左右，貴州YV-1井頁巖樣品的TOC值已達到了產(chǎn)氣評價標準。