烴源巖生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)方法及影響因素探討

喬 羽

（大慶油田勘探開發(fā)研究院有機(jī)地球化學(xué)研究室，黑龍江大慶163000）

1 概述

沉積盆地中埋藏有機(jī)質(zhì)熱成熟演化生烴為油氣成藏提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，開展盆地?zé)N源巖生烴熱模擬能夠?qū)N源巖生烴潛力及資源量進(jìn)行評價(jià)，在沉積盆地油氣勘探中具有重要意義[1]。尤其是伴隨著頁巖油、頁巖氣等非常規(guī)油氣資源成為勘探熱點(diǎn)，烴源巖資源量評估顯得尤為重要，生烴熱模擬能夠?qū)υ責(zé)N源巖中剩余的油氣資源量進(jìn)行計(jì)算與評估，還能反映烴源巖排烴效率。

有機(jī)質(zhì)熱演化生烴的過程實(shí)質(zhì)是大分子有機(jī)干酪根分解為石油及天然氣的過程，這個過程受到溫度、壓力及反應(yīng)時(shí)間的影響，烴源巖熱模擬實(shí)驗(yàn)就是使用時(shí)間—溫度補(bǔ)償原理[2]，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)，通過控制實(shí)驗(yàn)裝置的溫度和壓力條件，對含有有機(jī)質(zhì)的烴源巖進(jìn)行熱解生烴模擬，將烴源巖在地質(zhì)過程中低溫條件下緩慢演化過程變?yōu)楦邷馗邏簵l件下快速演化過程[3]，獲取烴源巖演化的相關(guān)參數(shù)結(jié)果，為沉積盆地?zé)N源巖生烴潛力評價(jià)、資源量評估等提供依據(jù)。

2 生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)方法

烴源巖生烴熱模擬是基于干酪根熱解生烴原理，采用時(shí)間—溫度補(bǔ)償?shù)姆绞介_展實(shí)驗(yàn)的。烴源巖熱模擬研究的內(nèi)容主要有：①模擬不同地質(zhì)條件下的生烴過程；②不同類型有機(jī)質(zhì)生烴過程及模式；③干酪根熱演化特征；④液態(tài)烴類物質(zhì)生成過程及組成；⑤氣態(tài)烴類物質(zhì)生成過程及組成；⑥烴源巖生烴潛力；⑦有機(jī)質(zhì)成熟度與油氣產(chǎn)率的關(guān)系；⑧生物標(biāo)志物的熱演化特征；⑨無機(jī)鹽及礦物質(zhì)等對有機(jī)質(zhì)熱演化的影響；⑩烴源巖二次生烴熱模擬。烴源巖熱模擬方法按照試驗(yàn)裝置的不同，分為開放體系、半開放體系和封閉體系。

2.1 開放體系

開放體系熱模擬實(shí)驗(yàn)在開放條件下進(jìn)行，有機(jī)質(zhì)熱解后，采用流動載氣從熱反應(yīng)區(qū)將烴類物質(zhì)排出來，然后采用分析化驗(yàn)裝置進(jìn)行檢測。常用的分析化驗(yàn)裝置有Rock-Eval熱解儀、熱解氣相色譜儀、熱解氣相色譜—質(zhì)譜儀、多冷陷熱解氣相色譜儀。開放體系有機(jī)質(zhì)熱演化生烴產(chǎn)物直接進(jìn)入檢測系統(tǒng)檢測，無需氣體收集裝置，這種實(shí)驗(yàn)方法能夠較好反映熱解溫度與烴類產(chǎn)物組成的關(guān)系，分析速度較快，實(shí)驗(yàn)成本相對較低。

Rock-Eval 熱解儀能夠在線分析多種烴類物質(zhì)，分析速度快、樣品用量少，適用于低壓、無水條件下連續(xù)分析，分析精度高，對于評價(jià)烴源巖成熟度及生烴潛力效果較好；熱解氣相色譜儀的組成主要有氣相色譜儀和熱解器，將二者組合使用。試驗(yàn)時(shí)使用一定量的烴源巖樣品置于容器內(nèi)，然后將容器放入熱解探頭內(nèi)，設(shè)定好熱解溫度，通過改變實(shí)驗(yàn)溫度，模擬在不同溫度條件下熱解產(chǎn)物的演化特征；多冷陷熱解氣相色譜儀通過分析不同成熟階段的有機(jī)質(zhì)熱演化特征，模擬烴源巖不同演化階段生烴類型及生烴量，具有樣品用量少、分析精度高的特點(diǎn)。

2.2 半封閉體系

半封閉體系熱模擬實(shí)驗(yàn)裝置有熱解系統(tǒng)和產(chǎn)物收集系統(tǒng)構(gòu)成，有機(jī)質(zhì)在熱解系統(tǒng)發(fā)生熱演化生烴，大量烴類物質(zhì)生成使得體積膨脹排出，自吹掃裝置將排出的烴類物質(zhì)收集，然后烴類物質(zhì)的組成進(jìn)行分析，以確定熱模擬溫度與熱演化產(chǎn)物的關(guān)系。這種實(shí)驗(yàn)方法適用于恒溫或單點(diǎn)熱解模擬，不能進(jìn)行連續(xù)的生烴熱模擬。

壓實(shí)熱解實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚰M恒溫條件下烴類物質(zhì)的熱演化，用以摸清溫度和壓力對有機(jī)質(zhì)熱演化的影響。該種實(shí)驗(yàn)方法樣品用量多，對于有機(jī)質(zhì)含量較低的烴源巖比較適用，不適用有機(jī)質(zhì)含量很高的樣品。由于實(shí)驗(yàn)的壓力較高，在較大的壓力作用下，樣品被壓實(shí)，烴源巖孔隙度下降，生成的烴類物質(zhì)難以被排出，使得樣品局部壓力升高，出現(xiàn)異常高壓的情況，使得烴類物質(zhì)排出不均勻，呈突發(fā)式或間歇式排烴。

2.3 封閉體系

封閉體系熱模擬實(shí)驗(yàn)裝置的分析系統(tǒng)通常直接與收集系統(tǒng)連接，烴源巖熱演化產(chǎn)物經(jīng)富集后，直接進(jìn)入分析系統(tǒng)進(jìn)行分析，能夠有效地減少烴源巖熱演化產(chǎn)物的損失。封閉體系能夠分析模擬烴源巖生烴過程中壓力、溫度、水及礦物質(zhì)對生烴熱演化的影響，并且可以分析烴源巖熱演化生烴最大生氣量。但在封閉條件下，生成的液態(tài)產(chǎn)物不能及時(shí)排出，在封閉高壓高溫條件下，液態(tài)產(chǎn)物會再次發(fā)生裂解。封閉體系常用的實(shí)驗(yàn)裝置有真空玻璃管、高壓釜、小體積密封裝置、高溫高壓水熱裝置等。

（1）高壓釜。高壓釜組成部分主要有反應(yīng)釜、溫度控制器、收集裝置等，模擬實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，將烴源巖樣品置于高溫反應(yīng)釜中，調(diào)節(jié)模擬實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)溫度，使烴源巖中有機(jī)質(zhì)在反應(yīng)釜中發(fā)生熱演化，反應(yīng)釜中不額外施加壓力，其壓力由生烴熱演化的產(chǎn)物類型和產(chǎn)量決定。然后將反應(yīng)釜中產(chǎn)物收集，進(jìn)入分析系統(tǒng)對產(chǎn)物進(jìn)行定性及定量分析。

（2）真空玻璃管。真空玻璃管裝置由真空玻璃管、氣體收集裝置、分析裝置組成。烴源巖樣品置于真空玻璃管中，進(jìn)行抽真空后，將玻璃管密封，然后升溫到一定溫度，控制溫度恒定一段時(shí)間后，使烴源巖中有機(jī)質(zhì)熱演化生烴，然后將熱演化產(chǎn)物收集，利用色譜分析裝置進(jìn)行定性及定量分析，這種方法分析樣品用量少，操作簡單，能夠直觀反映烴源巖中有機(jī)質(zhì)的生烴過程。

（3）小體積密封裝置。小體積密封裝置由石英管、密封碎巖裝置、氣相色譜組成，石英管有一定的弧度，模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)，將含有機(jī)質(zhì)的烴源巖樣品置于石英管內(nèi)，然后向石英管內(nèi)填充玻璃珠來排出剩余空氣，玻璃管密封后加熱，控制玻璃管溫度，使有機(jī)質(zhì)在高溫下熱演化生烴，然后使用密封碎樣裝置破碎石英管，連接氣相色譜在線分析熱演化產(chǎn)物。該裝置可以固定升溫速率，開展多溫度點(diǎn)的生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)。該裝置能夠真實(shí)反映熱演化產(chǎn)物的組成，并且測量的準(zhǔn)確率較高，實(shí)驗(yàn)成本相對較低、效率高。但該裝置的缺點(diǎn)是分析樣品量少，適用于有機(jī)質(zhì)豐度較高的烴源巖樣品熱模擬實(shí)驗(yàn)。

3 生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)樣品

根據(jù)生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡牟煌?，?shí)驗(yàn)樣品的選擇也不同，通常包括地質(zhì)樣品和標(biāo)準(zhǔn)化合物樣品。常用于模擬實(shí)驗(yàn)的地質(zhì)樣品有烴源巖全巖樣品及抽提物、現(xiàn)代沉積物及淤泥、干酪根、原油及瀝青等。不同類型地質(zhì)樣品反映的有機(jī)質(zhì)生烴過程不同。烴源巖全巖樣品能夠反映烴源巖生烴熱演化過程及產(chǎn)物；抽提物為單一組分，能夠模擬單一組分的生烴潛力及對烴源巖生烴的貢獻(xiàn)；干酪根熱模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚺懦渌镔|(zhì)對熱模擬過程的影響，分析干酪根在無催化條件下的熱演化過程，受影響較小，能夠真實(shí)可靠地反映有機(jī)質(zhì)的熱演化特征。對于有機(jī)質(zhì)含量低的烴源巖樣品，在實(shí)驗(yàn)時(shí)樣品用量大，可以提取巖樣中干酪根進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，達(dá)到理想的實(shí)驗(yàn)效果。瀝青能夠反演有機(jī)質(zhì)熱演化過程。對原油的熱模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚍从吃驮诘貙又械姆€(wěn)定性，還能用于分析油氣成藏過程及模式。在對地質(zhì)樣品進(jìn)行選擇時(shí)，通常挑選有機(jī)質(zhì)豐度較高、成熟度較低、有機(jī)質(zhì)類型代表性較好的樣品。

4 影響因素分析

烴源巖生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)的溫度、壓力、介質(zhì)及催化劑對有機(jī)質(zhì)熱演化生烴影響較大。

（1）溫度的影響。烴源巖生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)過程中溫度對演化過程的影響最大。溫度影響熱模擬過程及產(chǎn)物類型。通常熱模擬實(shí)驗(yàn)的溫度控制在300℃～600℃之間，對于加水熱模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)溫度通常不超過360℃。對于封閉體系實(shí)驗(yàn)，當(dāng)實(shí)驗(yàn)的干酪根樣品中硫含量較高時(shí)，實(shí)驗(yàn)的初始溫度不超過300℃。此外，對于一些特殊的有機(jī)質(zhì)模擬實(shí)驗(yàn)需要根據(jù)實(shí)際情況選擇實(shí)驗(yàn)溫度。

（2）壓力的影響。在封閉系統(tǒng)中，壓力對生烴熱演化過程的影響主要是能夠抑制體積膨脹反應(yīng)。研究表明，隨著壓力的增加，干酪根和煤的降解速率變快，熱演化產(chǎn)物中液態(tài)烴產(chǎn)率升高，氣態(tài)烴的產(chǎn)率變低。在有機(jī)質(zhì)成熟過程中，壓力對已生產(chǎn)的烴類物質(zhì)排出起到抑制作用。

（3）介質(zhì)條件的影響。有機(jī)質(zhì)演化過程中的介質(zhì)條件，指的是在實(shí)際地質(zhì)環(huán)境中的地層水、pH值、Eh等影響。在有機(jī)質(zhì)熱演化過程中，水能夠提供反應(yīng)所需的氫和氧，使得產(chǎn)物中氫氣、二氧化碳、甲烷等飽和烴的產(chǎn)率升高。研究表明，隨著水與有機(jī)質(zhì)的比值增加，熱演化產(chǎn)物中氣態(tài)烴和二氧化碳的含量升高。有水條件的模擬實(shí)驗(yàn)較無水條件的模擬實(shí)驗(yàn)更接近自然條件，熱演化產(chǎn)物的組成與自然條件下生成的烴類物質(zhì)較為接近，具有較好的可比性。因此，加水模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果更具有代表性。

（4）催化劑影響。生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)中常用的催化劑有礦物和純化學(xué)化合物。礦物常見的有粘土礦物、石英、含鈾礦物等，其中，粘土礦物吸附力強(qiáng)，能夠吸附有機(jī)質(zhì)，且對有機(jī)質(zhì)具有較好的選擇性，在生烴過程中起到降低活化能、提升反應(yīng)速度，粘土礦物的催化效果最好。含鈾礦物具有一定的放射性，在其作用下，有機(jī)質(zhì)生烴量明顯增加，具有加速有機(jī)質(zhì)熱演化的效果。方解石在生烴演化過程中作用較弱，其催化效果基本可以忽略不計(jì)。

5 結(jié)束語

烴源巖生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蛟佻F(xiàn)烴類物質(zhì)生成過程，從而厘清有機(jī)質(zhì)熱演化生烴機(jī)理，實(shí)現(xiàn)定量分析地質(zhì)歷史過程中油氣的生成量，對于準(zhǔn)確評價(jià)沉積盆地油氣資源量意義重大。隨著頁巖氣、頁巖油、致密砂巖油氣藏等非常規(guī)油氣資源開發(fā)成為熱點(diǎn)，對非常規(guī)油氣藏中有機(jī)質(zhì)開展二次裂解動力學(xué)模擬、高溫高壓條件下烴源巖排烴模擬實(shí)驗(yàn)、有機(jī)質(zhì)、地層水和礦物質(zhì)相互作用模擬實(shí)驗(yàn)等將成為烴源巖生烴熱模擬的發(fā)展方向。要持續(xù)開展烴源巖生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究，為非常規(guī)油氣資源開發(fā)提供可靠的技術(shù)手段。