湖湘疊層石生排烴模擬及微生物碳酸鹽巖生烴潛力

佘 敏, 胡安平, 王 鑫, 付小東, 王艷清,夏志遠(yuǎn), 陳 薇

(1.中國石油杭州地質(zhì)研究院,浙江杭州 310023; 2.中國石油集團(tuán)碳酸鹽巖儲(chǔ)層重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,浙江杭州 310023)

微生物碳酸鹽巖[1]正逐步成為中國碳酸鹽巖油氣勘探的主要目的層[2-5]。微生物碳酸鹽巖含有機(jī)質(zhì)屬性的油氣勘探價(jià)值有兩個(gè)重要內(nèi)容:一是高原始生產(chǎn)力的微生物碳酸鹽巖成為有效的烴源巖;二是微生物碳酸鹽巖埋藏過程中產(chǎn)生有機(jī)酸或CO2,從而有利于孔隙的形成和保存。目前中國海相和湖相碳酸鹽巖油氣勘探均已取得重大突破[6-9],也面臨明顯源、藏不匹配的問題,如塔河油田油氣來源仍不明了,其高有機(jī)碳含量(TOC)烴源層空間分布和地球化學(xué)特征與已發(fā)現(xiàn)規(guī)模油氣藏?zé)N類不完全一致[10-12]。以高有機(jī)碳含量烴源巖作為優(yōu)質(zhì)油氣烴源的觀點(diǎn)被質(zhì)疑[13],如奧陶系馬家溝鹽下碳酸鹽巖烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度總體偏低,測試的有機(jī)碳含量平均值約為0.2%,大部分低于0.5%[14]。盡管碳酸鹽巖可以生烴,但并不是所有碳酸鹽巖都可以視為烴源巖。黃籍中等[15]認(rèn)為泥質(zhì)泥晶灰?guī)r和生物泥-粒泥巖-泥粒巖微相應(yīng)該是碳酸鹽巖烴源巖的主要巖類。Walter等[16-19]提出現(xiàn)代海洋疊層石環(huán)境中具有非常豐富的菌藻生物,由于菌藻生物繁殖迅速,所以具有很高的生物生產(chǎn)力,其強(qiáng)大的生產(chǎn)力可與植物生態(tài)系相媲美[16]。微生物碳酸鹽巖具有很高的生物生產(chǎn)力是普遍接受的,但是一直以來對(duì)微生物碳酸鹽巖有機(jī)質(zhì)量與生烴能力的認(rèn)可比較少,原因是普遍認(rèn)為微生物碳酸鹽巖大多產(chǎn)在淺水碳酸鹽臺(tái)地上,正常條件下淺水環(huán)境含氧量較高,生物死亡后其有機(jī)質(zhì)容易被氧化,因此對(duì)生物有機(jī)質(zhì)的埋藏保存及烴源巖的形成非常不利。但是也有觀點(diǎn)認(rèn)為低等生物在無氧(或少氧)環(huán)境下可以富集堆積[20-23],如在中國中元古代高于莊組到霧迷山組含有微小型疊層石的瀝青質(zhì)碳酸鹽巖中,已有相當(dāng)多的地點(diǎn)發(fā)現(xiàn)油苗現(xiàn)象,有的研究者認(rèn)為這是很好的生油層位[18,24]。總之,由于缺少微生物碳酸鹽巖生排烴模擬實(shí)驗(yàn)的直接證據(jù),對(duì)于微生物碳酸鹽巖可以作為烴源巖的認(rèn)識(shí)主要源于推斷[24-25]。針對(duì)微生物碳酸鹽巖,現(xiàn)有研究均未開展過從未熟—低熟—成熟—高成熟系列的熱演化模擬實(shí)驗(yàn),制約了對(duì)微生物碳酸鹽巖生烴潛力的全面認(rèn)識(shí)。筆者采用半封閉半開放體系的烴源巖地層孔隙熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)儀,選取柴達(dá)木盆地微生物碳酸鹽巖樣品,以柴達(dá)木盆地西部地區(qū)中新世地層埋藏演化史為地質(zhì)約束條件[26],開展生烴模擬實(shí)驗(yàn),并與相同模擬實(shí)驗(yàn)方式下湖相泥質(zhì)白云巖[27]、湖相灰色泥巖[28]和海相泥灰?guī)r[29]的油氣產(chǎn)率進(jìn)行對(duì)比,結(jié)合生烴模擬的固體殘余和烴氣與原油產(chǎn)物的地化分析,探討微生物碳酸鹽巖生排烴潛力與特征。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)樣品

針對(duì)微生物碳酸鹽巖生烴模擬實(shí)驗(yàn),巖性為微生物碳酸鹽巖,實(shí)驗(yàn)樣品現(xiàn)今處于未成熟—低成熟階段,地質(zhì)歷史上未經(jīng)歷生烴高峰[30]。由于中國海相微生物碳酸鹽巖具有時(shí)代老和熱演化程度高的特點(diǎn),低成熟度海相微生物碳酸鹽巖樣品難以獲取,此外海相和陸相碳酸鹽巖油氣生成機(jī)制并無差別,因此選擇柴達(dá)木盆地古近系湖相微生物碳酸鹽巖,樣品中礦物組成及有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)見表1。顯微鏡下薄片鑒定1、2、3號(hào)樣品為疊層石白云巖,4號(hào)樣品為疊層石灰?guī)r(圖1)。巖石熱解參數(shù)表明2號(hào)樣品烴源巖可溶烴量S1大于熱解烴潛量S2,為避免樣品中殘留油影響生烴量,選擇4號(hào)疊層石樣品開展微生物碳酸鹽巖生烴模擬實(shí)驗(yàn)。4號(hào)樣品巖石熱解參數(shù)為:S1=0.04 mg/g,S2=0.18 mg/g,熱解烴指數(shù)IH=60 mg/g,鏡質(zhì)體反射率Ro=0.42%?？紤]到柴達(dá)木盆地西部古近系湖相碳酸鹽巖烴源巖中有機(jī)質(zhì)的含量普遍比較低,其總有機(jī)碳含量一般低于0.4%,平均值只有0.32%[31],故4號(hào)細(xì)粒疊層石樣品有機(jī)碳含量符合該地區(qū)碳酸鹽巖烴源巖的要求。

表1 微生物碳酸鹽巖的X衍射全巖和總有機(jī)碳分析

圖1 光學(xué)顯微鏡下微生物碳酸鹽巖鑄體薄片照片F(xiàn)ig.1 Thin section of microbial carbonates observed with optical microscopy

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

疊層石灰?guī)r生烴模擬實(shí)驗(yàn)是由中國石化無錫石油地質(zhì)研究所完成,實(shí)驗(yàn)儀器采用無錫石油地質(zhì)研究所自行研制的地層孔隙熱壓模擬實(shí)驗(yàn)儀,型號(hào)為DK-Ⅲ,儀器原理結(jié)構(gòu)見文獻(xiàn)[32]。地層孔隙熱壓模擬實(shí)驗(yàn)儀器屬于一種有限反應(yīng)空間、高溫、高靜巖壓力和流體壓力,高溫壓反應(yīng)水共同控制的生烴模擬體系。該體系通過向有限的反應(yīng)空間內(nèi)充注高壓反應(yīng)水,以及生烴增壓形成高流體壓力,具體實(shí)驗(yàn)流程與方法見文獻(xiàn)[28]。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

為揭示疊層石灰?guī)r的生烴演化過程,以柴達(dá)木盆地西部地區(qū)中新世地層埋藏演化史為地質(zhì)約束條件,開展低熟—成熟—高成熟系列的熱演化生烴模擬實(shí)驗(yàn)。根據(jù)預(yù)期成熟度Ro設(shè)定對(duì)應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)溫度、流體壓力和靜巖壓力,實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置見表2。

表2 疊層石灰?guī)r地層孔隙熱壓生烴模擬實(shí)驗(yàn)參數(shù)Table 2 Experimental conditions of hydrocarbon generation of stromatolite limestone

為獲取疊層石灰?guī)r生油和生烴高峰對(duì)應(yīng)的模擬溫度,模擬實(shí)驗(yàn)起始溫度設(shè)為280 ℃,最高溫度設(shè)為380 ℃,溫度梯度為20 ℃。生烴實(shí)驗(yàn)在封閉條件下進(jìn)行加水熱解,所加水為去離子水。所有溫度點(diǎn)按1 ℃/min 的升溫速率升至設(shè)定溫度,恒溫48 h進(jìn)行有限空間生烴,再降溫至150 ℃時(shí)收集烴類氣體與無機(jī)氣體產(chǎn)物。采用氣相色譜儀檢測氣體組成,冷阱收集隨氣體排出的凝析油,反應(yīng)系統(tǒng)冷卻至室溫后用二氯甲烷洗滌反應(yīng)釜及管道內(nèi)壁收集輕質(zhì)油,二者合并稱為排出油,相當(dāng)于地質(zhì)情況下排運(yùn)在運(yùn)移通道內(nèi)的油。取出模擬后的疊層石灰?guī)r殘樣經(jīng)氯仿抽提所得到的可溶有機(jī)質(zhì)為殘留油(滯留油),排出油和殘留油之和為模擬實(shí)驗(yàn)的總油,總油與烴氣之和為總烴。

2 結(jié)果分析

疊層石灰?guī)r經(jīng)過地層孔隙熱壓生排烴模擬,生成的產(chǎn)物主要包括烴類和非烴氣體、液態(tài)烴和固態(tài)殘余物,產(chǎn)物產(chǎn)量分析均由中國石化無錫石油地質(zhì)研究所完成。參考彭平安等[27-29,31-32]文獻(xiàn)報(bào)道,本次實(shí)驗(yàn)結(jié)果采用巖石中單位有機(jī)碳產(chǎn)率來表征疊層石灰?guī)r的生排烴能力,其中CO2、H2、烴氣、排出油和殘留油的產(chǎn)率見表3。

表3 疊層石灰?guī)r地層孔隙熱壓生烴模擬實(shí)驗(yàn)中單位有機(jī)碳產(chǎn)率

2.1 液態(tài)產(chǎn)物的演化特征與對(duì)比

2.1.1 疊層石灰?guī)r液態(tài)產(chǎn)物產(chǎn)率變化特征

疊層石灰?guī)r在地層孔隙模擬實(shí)驗(yàn)下單位有機(jī)碳的總油產(chǎn)率、殘留油產(chǎn)率和排出油產(chǎn)率隨溫度變化如圖2和表3所示?？傆彤a(chǎn)率曲線表明,疊層石灰?guī)r生油過程可大致劃分為3個(gè)階段:①280～320 ℃,疊層石灰?guī)r尚未大量生油,總油產(chǎn)率隨溫度變化緩慢,總油產(chǎn)率值約為143～168 kg/t;②320～360 ℃,隨著溫度增加,疊層石灰?guī)r單位有機(jī)碳的生油產(chǎn)率快速增加,生油高峰約在360 ℃,最大生油產(chǎn)率約為379.99 kg/t;③高于360℃,疊層石灰?guī)r生油產(chǎn)率隨著溫度增加而轉(zhuǎn)為減少。

圖2 疊層石灰?guī)r地層孔隙熱壓模擬油產(chǎn)率特征Fig.2 Oil production rate of of hydrocarbon generation and expulsion for stromatolite limestone

疊層石灰?guī)r單位有機(jī)碳的總油產(chǎn)率、殘留油產(chǎn)率和排出油產(chǎn)率對(duì)比看出:當(dāng)溫度低于320 ℃時(shí),排出油產(chǎn)率低于殘余油產(chǎn)率,說明在孔隙空間和地層壓力生烴條件下,疊層石灰?guī)r在進(jìn)入生烴高峰前,由于孔隙空間內(nèi)含油飽和度較低,排油能力相對(duì)低;當(dāng)溫度超過320 ℃時(shí),疊層石灰?guī)r進(jìn)入生烴窗口,生油量快速增加,排出油和殘余油也相應(yīng)增加,盡管排出油產(chǎn)率低于殘余油產(chǎn)率,但排出油產(chǎn)率增加幅度超過殘余油產(chǎn)率;當(dāng)溫度超過340 ℃時(shí),排出油產(chǎn)率繼續(xù)增加,殘留油產(chǎn)率逐漸減少并低于排出油產(chǎn)率,且排油率超過50%。

2.1.2 巖性液態(tài)產(chǎn)物產(chǎn)率變化特征

疊層石灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖和灰色泥巖為湖相樣品,泥灰?guī)r為海相樣品,通過相同的地層孔隙熱壓模擬實(shí)驗(yàn),4種巖性樣品單位有機(jī)碳的生油產(chǎn)率對(duì)比見圖3。泥質(zhì)白云巖取自二連盆地西部邊緣川井坳陷查1井,埋深788.8 m,w(TOC)=3.45%，S1=0.51 mg/g，S2=17.41 mg/g，IH=505 mg/g,Ro=0.56%[27];灰色泥巖取自泌陽凹陷泌215井核三段,埋深1 523.0 m,w(TOC)=2.64%，S2=15.83 mg/g，IH=600 mg/g,Ro=0.38%[28];泥灰?guī)r取自祿勸茂山剖面D2層位,w(TOC)=3.33%、S1=1.11 mg/g、S2=13.9 mg/g、IH=403 mg/g,Ro=0.42%[29]。對(duì)比單位有機(jī)碳的總油產(chǎn)率實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)看出:隨著溫度增加,4種巖性樣品總油產(chǎn)率均具有先增后降特征;在280～340 ℃,即低成熟階段,疊層石灰?guī)r的總油產(chǎn)率盡管低于泥質(zhì)白云巖,但高于灰色泥巖,其中疊層石灰?guī)r的總油產(chǎn)率可達(dá)灰色泥巖的2.5倍,說明碳酸鹽巖烴源巖進(jìn)入生油階段要早于灰色泥巖;模擬溫度超過320 ℃后,4種巖性樣品的總油產(chǎn)率均快速增加,當(dāng)溫度達(dá)到360或370 ℃時(shí),疊層石灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、灰色泥巖和泥灰?guī)r進(jìn)入生油高峰,對(duì)應(yīng)單位有機(jī)碳的最大總油產(chǎn)率值分別為379.99、574.49、611.11和392.56 kg/t。在有機(jī)碳含量相同的背景下,疊層石灰?guī)r單位有機(jī)碳的最大總油產(chǎn)率值小于湖相泥質(zhì)烴源巖,但與海相泥質(zhì)碳酸鹽巖烴源巖基本相當(dāng),考慮到奧陶系馬家溝組主力烴源巖為有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.2%的碳酸鹽巖,以及柴達(dá)木盆地西部古近系湖相碳酸鹽巖烴源巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均值只有0.32%,疊層石灰?guī)r應(yīng)該可以成為有效的烴源巖。

4種巖性樣品單位有機(jī)碳的殘留油產(chǎn)率特征與溫度關(guān)系存在2個(gè)階段(圖3(b)):①280～320 ℃,4種巖性樣品的殘留油產(chǎn)率隨溫度增加變化不大,且具有較高的殘留率,其中疊層石灰?guī)r殘留率最大值為65.8%、泥質(zhì)白云巖殘留率最大值為92.7%，灰色泥巖殘留率最大值為83.9%、泥灰?guī)r殘留率最大值為86.2%;②320～380 ℃,4種巖性樣品殘留油產(chǎn)率隨溫度增加具有先增后降特征,且疊層石灰?guī)r殘留油產(chǎn)率遠(yuǎn)低于灰色泥巖和泥灰?guī)r。

由4種巖性樣品單位有機(jī)碳的排出油產(chǎn)率特征(圖3(c))看出,在溫度280～380 ℃內(nèi),疊層石灰?guī)r排出油產(chǎn)率高于泥質(zhì)白云巖、灰色泥巖和泥灰?guī)r,且4種巖性樣品排出油產(chǎn)率隨溫度增加而提高。疊層石灰?guī)r排出油產(chǎn)率快速增加的溫度約為320 ℃,泥質(zhì)白云巖排出油產(chǎn)率快速提高的溫度約為340 ℃,灰色泥巖和泥灰?guī)r排出油產(chǎn)率快速提高的溫度約為350 ℃,當(dāng)溫度達(dá)到380 ℃時(shí),灰色泥巖和泥灰?guī)r的排出油產(chǎn)率逐漸接近疊層石灰?guī)r的排出油產(chǎn)率。在280～380 ℃,疊層石灰?guī)r排油率約為34%～68%,泥質(zhì)白云巖排油率約為8.2%～70.6%,灰色泥巖排油率約為10.7%～36.5%,3種碳酸鹽巖的排油率隨溫度增加而提高,灰色泥巖的排油率隨溫度增加是先降后增,泥灰?guī)r排油率為13.8%～63.2%。根據(jù)4種巖性的殘留油產(chǎn)率、排出油產(chǎn)率和排油率對(duì)比數(shù)據(jù)可知,疊層石灰?guī)r和泥質(zhì)白云巖具有較高的排油能力,原因可能是與灰色泥巖和泥灰?guī)r相比,疊層石灰?guī)r和泥質(zhì)白云巖中泥質(zhì)成分相對(duì)欠發(fā)育,對(duì)油吸附能力相對(duì)偏弱,排油能力相對(duì)更強(qiáng)。

通過與泥質(zhì)白云巖、灰色泥巖和泥灰?guī)r單位有機(jī)碳的生油產(chǎn)率數(shù)據(jù)對(duì)比,疊層石灰?guī)r的生油、排油特征有:①疊層石灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖和泥灰?guī)r均比灰色泥巖更早進(jìn)入生油階段;②疊層石灰?guī)r的排油效率高于灰色泥巖和泥灰?guī)r;③疊層石灰?guī)r與灰質(zhì)白云巖、灰色泥巖和泥灰?guī)r具有相同的演化路徑,即4種巖性樣品的總油產(chǎn)率均隨溫度增加具有先增后降的特征。

圖3 疊層石灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、灰色泥巖和泥灰?guī)r液態(tài)產(chǎn)物產(chǎn)率的對(duì)比Fig.3 Comparison of oil production rates of stromatolite limestone, argillaceous dolomite, gray mudstone and marlstone

2.2 氣體產(chǎn)物的演化特征

從氣體組分分析結(jié)果可知,疊層石灰?guī)r單位有機(jī)碳的模擬實(shí)驗(yàn)氣體產(chǎn)物成分豐富,主要含二氧化碳、氫氣、氮?dú)獾确菬N氣體和C1至C5+重?zé)N及少量烯烴氣體等烴氣。

2.2.1 疊層石灰?guī)r氣體產(chǎn)物產(chǎn)率

圖4為疊層石灰?guī)r在地層孔隙模擬實(shí)驗(yàn)下氣體體積產(chǎn)率的演化特征。結(jié)合表3可以看出:實(shí)驗(yàn)溫度范圍內(nèi),模擬氣體的產(chǎn)物中以二氧化碳的體積產(chǎn)率最大,其次為氫氣,烴氣最小;二氧化碳體積產(chǎn)率隨溫度的升高保持快速增加再下降,生成二氧化碳高峰約在380 ℃,產(chǎn)率為2 759.18 m3/t,二氧化碳產(chǎn)率占總氣體產(chǎn)率比值為67.6%～92.1%;烴氣體積產(chǎn)率隨溫度的升高而增加,具有先緩慢增加后快速增加特征,產(chǎn)率由6.5 m3/t增加至86.14 m3/t;烴氣體積產(chǎn)率占總氣體體積產(chǎn)率比值范圍是0.7%～3.0%,總體偏低;隨著溫度升高,疊層石灰?guī)r的烴氣質(zhì)量產(chǎn)率占總烴產(chǎn)率比例總體逐漸增加,在360 ℃時(shí)達(dá)到23.8%(圖4(e));氫氣體積產(chǎn)率隨溫度的升高而增加,總體呈緩慢增加—快速增加—緩慢增加特征,體積產(chǎn)率為52.1～568.6 m3/t,占總氣體產(chǎn)率比值范圍為5.7%～21.5%。在整個(gè)模擬實(shí)驗(yàn)階段中,疊層石灰?guī)r持續(xù)生產(chǎn)出二氧化碳?xì)怏w,導(dǎo)致地層孔隙中二氧化碳?xì)怏w分壓增加,地層水中二氧化碳溶解量相應(yīng)增加,從而構(gòu)建地層孔隙中微生物碳酸鹽巖-地層水相互作用的緩沖體系環(huán)境,有助于微生物碳酸鹽巖儲(chǔ)集層的次生孔隙形成和先存孔隙保存。疊層石灰?guī)r生成二氧化碳存在2種成因：一種是巖石中干酪根上的羧基等含氧基團(tuán)分解產(chǎn)物；另一種是碳酸鹽礦物熱解生成的二氧化碳。

2.2.2 巖性氣體產(chǎn)物產(chǎn)率

疊層石灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、灰色泥巖和泥灰?guī)r主要?dú)怏w產(chǎn)物產(chǎn)率的演化對(duì)比見圖5?？梢钥闯?在溫度為280～380 ℃內(nèi),疊層石灰?guī)r、灰色泥巖和泥灰?guī)r模擬氣體產(chǎn)物均主要包括二氧化碳、氫氣等非烴氣體和烴氣,以二氧化碳產(chǎn)率最大,且模擬所得3種主要?dú)怏w產(chǎn)率均隨熱演化程度的增加而提高。不同的是,疊層石灰?guī)r模擬氣體產(chǎn)物產(chǎn)率值明顯高于灰質(zhì)白云巖、灰色泥巖和泥灰?guī)r。疊層石灰?guī)r單位有機(jī)碳的烴氣質(zhì)量產(chǎn)率約是灰質(zhì)白云巖的1.8～4.7倍、灰色泥巖的1.8～11倍、泥灰?guī)r的20倍;疊層石灰?guī)r單位有機(jī)碳的二氧化碳?xì)怏w產(chǎn)率約是灰色泥巖的4～14倍、泥灰?guī)r的400倍;疊層石單位有機(jī)碳的氫氣產(chǎn)率約是灰色泥巖的3～14倍、泥灰?guī)r的11～104倍。從4種巖性的地層孔隙熱壓模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比看出,在有機(jī)碳含量相同背景下,疊層石灰?guī)r比傳統(tǒng)泥質(zhì)烴源巖有更高的烴氣產(chǎn)率。當(dāng)前深層油氣勘探以尋找天然氣為主,微生物碳酸鹽巖具有更高的烴氣產(chǎn)率,將更有利于其成為天然氣源巖,深層天然氣勘探應(yīng)重視微生物碳酸鹽巖作為天然氣源巖的潛在貢獻(xiàn)。

圖4 疊層石灰?guī)r氣體產(chǎn)物體積產(chǎn)率和生烴產(chǎn)率特征Fig.4 Characteristics of gas production rate of stromatolite limestone

圖5 疊層石灰?guī)r、灰質(zhì)白云巖、灰色泥巖和泥灰?guī)r的氣體產(chǎn)物質(zhì)量產(chǎn)率對(duì)比Fig.5 Comparison of hydrocarbon gas production rates of stromatolite limestone, argillaceous dolomite, gray mudstone and marlstone

2.3 模擬產(chǎn)物地球化學(xué)特征

2.3.1 固體殘余物有機(jī)地化特征

針對(duì)疊層石灰?guī)r模擬所得到各個(gè)溫度點(diǎn)的固體產(chǎn)物進(jìn)行巖石熱解和全巖反射率分析,其中S2為在300～600 ℃下單位質(zhì)量烴源巖中熱解生成的烴含量,IH為單位質(zhì)量有機(jī)碳熱解生烴量,二者均可用于表示干酪根中潛在的可以轉(zhuǎn)化為油氣的量,是評(píng)價(jià)烴源巖生烴潛力的重要參數(shù)。疊層石灰?guī)r原始樣品S2(0.18 mg/g)和IH(60 mg/g)反映了該樣品模擬實(shí)驗(yàn)前的原始生烴潛力。圖6為疊層石經(jīng)過生烴模擬后殘余固體樣品S2和IH變化曲線?？梢钥闯?二者隨模擬溫度的升高呈升降震蕩并總體下降的特征,在360 ℃后開始快速衰減,這與灰色泥巖的S2和IH變化特征基本一致。

鏡質(zhì)體反射率Ro反映有機(jī)質(zhì)成熟度。疊層石灰?guī)r原始樣品中鏡質(zhì)體含量低,經(jīng)過熱模擬實(shí)驗(yàn)后部分溫度點(diǎn)的固體產(chǎn)物中檢測出鏡質(zhì)體,280、350、360和380 ℃溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)固體產(chǎn)物的Ro分別為1.06%、2.08%、2.13%和2.30%。當(dāng)生烴模擬溫度由280 ℃升至380 ℃,疊層石熱模擬產(chǎn)物的Ro也從1.06%上升到2.30%,說明隨著熱模擬溫度升高,疊層石中有機(jī)質(zhì)熱變質(zhì)作用越深,鏡質(zhì)體反射率越大。與泥灰?guī)r的數(shù)據(jù)相比,經(jīng)過相同溫度的熱模擬實(shí)驗(yàn)后,疊層石和泥灰?guī)r固體產(chǎn)物鏡質(zhì)體反射率值都有所增加,但是疊層石固體產(chǎn)物鏡質(zhì)體反射率值偏高約1%。

2.3.2 液體產(chǎn)物組成特征

疊層石灰?guī)r模擬采用柱層析法,生成的原油族組分見表4。在整個(gè)生烴模擬過程中,疊層石灰?guī)r模擬所得殘留油和排出油總體上都表現(xiàn)為高含非烴和瀝青質(zhì)、低含飽和烴和芳香烴的特點(diǎn),其中飽和烴或芳香烴約為非烴或?yàn)r青質(zhì)的一半。泥灰?guī)r樣品在相同熱模擬方式下,模擬所得原油產(chǎn)物也具有高含瀝青質(zhì)與非烴組分,瀝青質(zhì)含量主要在20%～50%;但常規(guī)模擬方式所得排出油和殘留油總體上表現(xiàn)為高含芳香烴、較高飽和烴和非烴、低含瀝青質(zhì)的特點(diǎn)。通過對(duì)比看出,采用不同的生烴模擬方式,疊層石灰?guī)r模擬所得原油產(chǎn)物族組分可能有所差異。疊層石灰?guī)r模擬所得原油中高含非烴和瀝青質(zhì)、低含飽和烴和芳香烴的特點(diǎn)說明,地層孔隙模擬實(shí)驗(yàn)中高壓及高溫壓縮態(tài)水的存在促進(jìn)了疊層石生烴過程中“解聚型”生油氣方式的發(fā)生,生成了更多的瀝青質(zhì)和膠質(zhì)等可溶中間產(chǎn)物,提高“油”的產(chǎn)率,從而使原油產(chǎn)物族組分中瀝青質(zhì)和非烴含量偏高。

表4 疊層石灰?guī)r生烴模擬實(shí)驗(yàn)的殘留油和排出油族組分

3 地質(zhì)意義

以疊層石灰?guī)r為例,針對(duì)微生物碳酸鹽巖開展了從低熟—成熟—高成熟系列的熱演化模擬,實(shí)驗(yàn)條件考慮了溫度、靜巖壓力和流體壓力、地層水相同以及反應(yīng)空間等因素對(duì)生烴作用的影響,反應(yīng)條件接近地質(zhì)環(huán)境,獲得了疊層石灰?guī)r單位有機(jī)碳的生油產(chǎn)率、生氣產(chǎn)率等數(shù)據(jù),其中最大生油產(chǎn)率為379.99 kg/t。彭平安等[33]指出海相碳酸鹽巖Ⅰ型干酪根最高生成液態(tài)烴量為325.77 kg/t,Ⅱ型干酪根最高生成液態(tài)烴量為235.84 kg/t,Ⅲ型干酪根最高生成液態(tài)烴量為56.04 kg/t。對(duì)比來看,本文中疊層石灰?guī)r生成液態(tài)烴的能力相當(dāng)于海相碳酸鹽巖Ⅰ型干酪根。通過相同的地層孔隙模擬實(shí)驗(yàn),疊層石灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、灰色泥巖和泥灰?guī)r4種巖性單位有機(jī)碳的最大生烴產(chǎn)率分別為470.59、574.45、611.11和450.10 kg/t,最大烴氣質(zhì)量產(chǎn)率分別為101.74、57.76、49.60和57.48 kg/t,最大排油率分別為68%、71%、36%和63%。在含相同有機(jī)碳數(shù)量的背景下,疊層石灰?guī)r的最大生烴產(chǎn)率值小于湖相泥質(zhì)烴源巖,但高于海相泥質(zhì)碳酸鹽巖烴源巖,根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)推斷微生物碳酸鹽巖應(yīng)該可以成為有效的烴源巖。此外疊層石灰?guī)r的最大烴氣產(chǎn)率約是泥灰?guī)r的2倍,加之其排烴率高,據(jù)此推算微生物碳酸鹽巖作為烴源巖有機(jī)碳下限值約為泥灰?guī)r的一半,即約為0.2%,這對(duì)中國以天然氣為主的深層碳酸鹽巖勘探來說具重要意義。以柴達(dá)木盆地西部古近系烴源巖為例,當(dāng)前勘探表明湖相碳酸鹽巖烴源巖中總有機(jī)碳含量一般低于0.4%,平均值只有0.32%,因此有機(jī)碳含量為0.288%的疊層石灰?guī)r符合該地區(qū)烴源巖要求,熱演化模擬進(jìn)一步表明研究地區(qū)微生物碳酸鹽巖可以成為有效的烴源巖,尤其對(duì)淺層氣的貢獻(xiàn)可能更大。

對(duì)于微生物碳酸鹽巖來說,能否成為烴源巖的另一前提是有機(jī)質(zhì)如何規(guī)模保存至生烴階段。事實(shí)上,關(guān)于沉積有機(jī)質(zhì)富集機(jī)制存在2種模式:一是生產(chǎn)力模式,認(rèn)為主控因素是形成有機(jī)質(zhì)的生物生產(chǎn)力[34-36],生物的高產(chǎn)率與富有機(jī)碳沉積層之間具有更強(qiáng)的關(guān)聯(lián)性[37],良好的保存條件只是形成有機(jī)質(zhì)高豐度的重要條件之一,而非唯一條件;二是保存模式,認(rèn)為主控因素是沉積或底層水的缺氧條件[34,38]。楊浩等[18]認(rèn)為由于前寒武紀(jì)及顯生宙重大地質(zhì)轉(zhuǎn)折期的海洋水化學(xué)條件或大氣環(huán)境比較特殊,特殊的環(huán)境條件使得淺水區(qū)微生物巖中有機(jī)質(zhì)的有效保存成為可能。例如,Arnold等[39]通過對(duì)澳大利亞中元古宙地層中鉬同位素研究分析,發(fā)現(xiàn)鉬氧化物中鉬同位素比值較現(xiàn)代靜海相沉積物的要低約2‰,顯示在前寒武紀(jì)相當(dāng)長的時(shí)間階段里海洋底部處于缺氧狀態(tài)。Wignall等[40]通過對(duì)意大利北部、奧地利南部以及斯洛文尼亞地區(qū)二疊系—三疊系界線附近地球化學(xué)分析,發(fā)現(xiàn)界線附近Th/U的值都低于2,顯示在這個(gè)時(shí)期古海洋是一個(gè)缺氧的環(huán)境。此外史曉穎等[19]研究發(fā)現(xiàn),由于在中元古代尚未出現(xiàn)動(dòng)物,海洋處于永久性分層、底層缺氧且硫化的環(huán)境條件,海洋表層光合作用和底層微生物席產(chǎn)生的有機(jī)物質(zhì)在水體中不容易被氧化分解,中元古代海洋的有機(jī)質(zhì)埋藏率應(yīng)高于顯生宙和現(xiàn)代海洋環(huán)境的認(rèn)識(shí)。微生物碳酸鹽巖不僅具有高的原始生物生產(chǎn)力水平,而且因?yàn)槠涑霈F(xiàn)在特殊的地質(zhì)歷史時(shí)期,海洋和大氣環(huán)境對(duì)微生物有機(jī)質(zhì)的規(guī)模埋藏和保存總體有利的。

目前對(duì)于微生物碳酸鹽巖作為烴源巖的關(guān)注度仍然不夠[41]。對(duì)比疊層石灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、灰色泥巖和泥灰?guī)r在地層孔隙熱壓生排烴模擬結(jié)果來看,微生物碳酸鹽巖與傳統(tǒng)泥質(zhì)烴源巖有2點(diǎn)不同:一是本次生烴模擬實(shí)驗(yàn)所用疊層石灰?guī)r有機(jī)碳含量偏低,在與傳統(tǒng)泥質(zhì)烴源巖具有相同有機(jī)碳背景下,疊層石灰?guī)r仍然具備較高的生油能力,甚至更高的烴氣產(chǎn)率,不能因?yàn)橛袡C(jī)碳含量低而抹殺微生物碳酸鹽巖的生烴能力;二是微生物碳酸鹽巖具有更高的排油效應(yīng),加之微生物碳酸鹽巖本身就是良好的儲(chǔ)層,生成的油氣不用發(fā)生長距離運(yùn)移,更多是經(jīng)短距離運(yùn)移或未運(yùn)移出烴源巖內(nèi)部即聚集成藏,或許存在新的成藏模式。

4 結(jié) 論

(1)在280～380 ℃階段,疊層石灰?guī)r單位有機(jī)碳的總油產(chǎn)率隨著溫度增加具有先增后降特征,生油高峰約在360 ℃,對(duì)應(yīng)最大生油產(chǎn)率約為379.99 kg/t,疊層石灰?guī)r生油的能力相當(dāng)于海相碳酸鹽巖Ⅰ型干酪根,烴氣產(chǎn)率隨溫度增加而增加,最大烴氣產(chǎn)率約為101.74 kg/t,因此微生物碳酸鹽巖具有較強(qiáng)的生油能力;

(2)在280～380 ℃階段,疊層石灰?guī)r、泥質(zhì)白云巖、灰色泥巖和泥灰?guī)r單位有機(jī)碳的最大生烴產(chǎn)率分別為470.59、574.45、611.11和450.10 kg/t,最大烴氣產(chǎn)率分別為101.74、57.76、49.60和57.48 kg/t,疊層石灰?guī)r單位有機(jī)碳的最大生烴產(chǎn)率值小于湖相泥質(zhì)烴源巖,但高于海相泥質(zhì)碳酸鹽巖烴源巖,故疊層石灰?guī)r生烴模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明微生物碳酸鹽巖可以成為有效烴源巖。

致謝中國石油青海油田公司勘探開發(fā)研究院提供了疊層石樣品,中國石化無錫石油地質(zhì)研究所提供了樣品的生烴模擬實(shí)驗(yàn),鄭倫舉教授指導(dǎo)了生烴模擬方案設(shè)計(jì),馬中良高級(jí)工程師提供了文獻(xiàn)報(bào)道的泥灰?guī)r模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),有助于疊層石灰?guī)r生烴模擬實(shí)驗(yàn)完成和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)比,在此表示感謝!