高、中、低氫指數(shù)蘆草溝組干酪根生烴動力學(xué)差異性研究

劉欣然, 盧 鴻, 趙忠峰, 李 亢, 彭平安

高、中、低氫指數(shù)蘆草溝組干酪根生烴動力學(xué)差異性研究

劉欣然1, 2, 3, 盧 鴻1, 2*, 趙忠峰1, 2, 3, 李 亢1, 2, 3, 彭平安1, 2

(1. 中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所, 有機地球化學(xué)國家重點實驗室, 廣東 廣州 510640; 2. 中國科學(xué)院深地科學(xué)卓越創(chuàng)新中心, 廣東 廣州 510640; 3. 中國科學(xué)院大學(xué), 北京 100049)

蘆草溝組油頁巖在吉木薩爾盆地內(nèi)廣泛分布, 具有很強的非均質(zhì)性。為探究烴源巖非均質(zhì)性對生烴動力學(xué)的影響, 選取大龍口剖面蘆草溝組高(724 mg/g)、中(555 mg/g)、低(219 mg/g)3個不同氫指數(shù)(HI)的干酪根樣品, 進(jìn)行生烴動力學(xué)熱模擬實驗對比研究。結(jié)果表明: HI控制烴源巖的生烴潛力, HI越高, 烴源巖的生烴能力越強, 傾油性越強, 生油氣轉(zhuǎn)化率越快, 氣油比(GOR)越低, 生成的油芳香度越小, 生成的氣態(tài)烴干燥系數(shù)越小; HI越低, 生烴能力越弱, 傾氣性越強, 生油氣轉(zhuǎn)化率越慢, GOR越高, 生成的油芳香度越大, 生成的氣態(tài)烴干燥系數(shù)越大。3個干酪根生油氣動力學(xué)參數(shù)計算結(jié)果表明: HI越高, 生油氣活化能分布越集中; 反之, 生油氣活化能分布越分散。生烴動力學(xué)參數(shù)反演生烴史(5 ℃/Ma)結(jié)果表明: HI越高, 烴源巖生油量越大, 排油越早, 生氣期越短; 反之, 生油量越小, 排油越晚, 生氣期越長。根據(jù)烴源巖排油門限(100 mg/g)和排氣門限(20 mg/g)研究, 將蘆草溝組干酪根生烴動力學(xué)結(jié)果應(yīng)用于吉木薩爾凹陷烴源巖生烴評價, 結(jié)果表明: 吉木薩爾凹陷蘆草溝組成熟度為低熟–生油窗階段, 大部分已達(dá)到排油門限但未至排氣門限, 具有很高的頁巖油開采潛能, 不具有天然氣開采潛力。烴源巖非均質(zhì)性對油氣差異聚集和相態(tài)變化的啟示為: HI高的烴源巖生烴占優(yōu)勢時產(chǎn)物以油相為主, HI低的烴源巖生烴占優(yōu)勢時產(chǎn)物以氣相為主, 二者搭配可形成“油溶氣、氣溶油”的運移模式; 此外, 在高演化階段, 低HI烴源巖的高產(chǎn)氣能力可以對之前充注的油藏產(chǎn)生次生改造, 形成次生凝析氣藏。

蘆草溝組; 干酪根; 生烴動力學(xué); 氫指數(shù); 金管熱解實驗

0 引 言

眾所周知, 烴源巖廣泛存在非均質(zhì)性, 表現(xiàn)為不同時代具有不同類型的烴源巖, 甚至是同一時代的烴源巖之間在縱向剖面和平面上也存在很強的非均質(zhì)性, 具有不同的有機質(zhì)豐度和成熟度, 因此, 它們的生烴動力學(xué)參數(shù)也存在較大差異(Tissot et al., 1987; Jarvie, 1991; Sundararaman et al., 1992; Tegelaarand Noble, 1994; Pepper and Corvi, 1995a; Dieckmannand Keym, 2006; Keym et al., 2006; Chen et al., 2017)。

在進(jìn)行烴源巖資源評價時, 選擇單個樣品代表整個烴源巖地層的方法可能會引起較大的誤差。Javie (1991)發(fā)現(xiàn)綠河頁巖的5個樣品生烴產(chǎn)率不一致, 生烴動力學(xué)參數(shù)迥異; Sundararaman et al. (1992)發(fā)現(xiàn)Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ型干酪根的動力學(xué)參數(shù)差別較大, 甚至同一類型干酪根的生烴動力學(xué)參數(shù)也存在區(qū)別。在盆地模擬軟件中, 常選用軟件默認(rèn)的或某一烴源巖樣品的動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行整個烴源巖層評價, 顯然忽略了烴源巖在空間上的非均質(zhì)性。Dieckmann and Keym (2006)對來自Draupne組的14個烴源巖進(jìn)行動力學(xué)計算, 發(fā)現(xiàn)用生烴行為差別最大的2個樣品的動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行二維盆地模擬的結(jié)果存在巨大差異。此外, 不同類型干酪根的生油氣性質(zhì)和產(chǎn)量有差別, 會影響其排烴特征和油氣運移成藏過程(Pepper and Corvi, 1995a; 付廣等, 2000; 包友書, 2008; 朱光有等, 2021)?？梢? 烴源巖的非均質(zhì)性貫穿烴源巖生排烴和油氣運移成藏整個過程, 其影響不可忽略。

為了使烴源巖評價更合理, 有機相的概念應(yīng)運而生。有機相的劃分有很多種,如Pepper and Corvi (1995a)將具有相同生源母質(zhì)、相似沉積環(huán)境和成巖作用的干酪根集合定義為有機相, 據(jù)此將全球的烴源巖劃分為5個有機相, 每個有機相按照給定的動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行生烴評價和盆地模擬; 金奎勵和李榮西(1998)根據(jù)沉積學(xué)、組分組合和地球化學(xué)三大標(biāo)志劃分了陸源沉積有機相; 朱創(chuàng)業(yè)(2000)根據(jù)沉積環(huán)境、生物組合、成巖環(huán)境和氧化還原條件以及有機質(zhì)的特征, 將海相碳酸鹽巖劃分為5個沉積有機相, 用于海相烴源巖的生烴評價。可以發(fā)現(xiàn), 雖然有機相劃分方案各不相同, 但都離不開有機質(zhì)類型。

氫指數(shù)(hydrogen index, HI)既可以劃分有機質(zhì)類型(黃第藩和李晉超, 1982)和評價生烴潛力(陳建平等, 1997), 也可以反映生成油的H、C原子比和脂肪碳與芳香碳的比值(Miknis et al., 1982)。本研究采取高(710 mg/g)、中(578 mg/g)、低(462 mg/g)3個不同HI的蘆草溝組干酪根進(jìn)行金管封閉體系生烴動力學(xué)熱模擬實驗, 研究不同HI蘆草溝組烴源巖生烴特征的差異性。

1 樣品與實驗

1.1 樣 品

本研究樣品為準(zhǔn)噶爾盆地南緣大龍口露頭剖面二疊系蘆草溝組油頁巖(圖1), 3個烴源巖樣品的基礎(chǔ)地球化學(xué)數(shù)據(jù)見表1。max值指示這些樣品均處于未熟階段, 適合進(jìn)行生烴動力學(xué)模擬實驗研究。

干酪根制備流程: 將烴源巖樣品粉碎至200目, 先用溶劑(二氯甲烷∶甲醇=93∶7)索氏抽提72 h,然后用HCl和HF分別去除碳酸鹽和硅酸鹽礦物制得干酪根, 其C含量均大于50%(表1), 說明干酪根提取制備比較成功。

1.2 封閉熱解實驗

1.2.1 金管和裝樣

裝樣前, 先將加工制備好的金管(直徑5 mm, 壁厚0.25 mm, 長度50 mm)的一端密封焊接, 然后將3個系列的干酪根分別裝入金管。在每個溫度點均備有平行樣, 一根用于氣態(tài)烴和重?zé)N分析, 一根用于輕烴分析。每根金管裝樣量在15～70 mg之間, 從低溫點到高溫點裝樣量依次遞減。之后將金管已焊接的一端浸沒在水中, 水面高度在金管的2/3處, 用氬氣將金管中的空氣排空, 然后將金管焊封并置于燒開的熱水中檢漏以確保金管完全密封。

1.2.2 熱解裝置

所用熱解爐有15個高壓釜, 在爐子底部安裝有風(fēng)扇, 在熱解實驗過程中, 打開風(fēng)扇, 使整個爐子受熱均勻。本實驗共3個系列(Dlk-1、Dlk-2和Dlk-3), 每個系列設(shè)置18個溫度點, 將3個系列樣品裝入同一個高壓釜中。由于每次最多只能放入15個高壓釜, 所以整個熱模擬實驗分兩次完成。高壓釜采用并聯(lián)的連接方式, 加熱前通過水壓使每個高壓釜的壓力保持在50 Mpa, 在升溫過程中, 壓力控制系統(tǒng)可以通過將水排出或注入壓力管道來自動完成泄壓和補壓, 使整個系統(tǒng)壓力維持在50 Mpa。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地地質(zhì)簡圖和采樣點位(據(jù)Xiang et al., 2016修改)

表1 3個烴源巖的基本地球化學(xué)數(shù)據(jù)

為完成生烴動力學(xué)計算, 本實驗采用2 ℃/h和20 ℃/h兩套程序升溫: 8 h從室溫升至250 ℃, 再分別以2 ℃/h和20 ℃/h的速率升至602 ℃。實驗過程中采用兩根熱電耦來互相核驗, 一根熱電耦放在高壓釜外側(cè)的爐內(nèi)來記錄爐溫, 另一根熱電耦放在高壓釜內(nèi)來記錄釜溫。爐溫一般比釜溫高, 但相差不會超過0.5 ℃。在336～602 ℃范圍內(nèi)按照10 ℃、12 ℃、20 ℃或者25 ℃的溫度間隔將裝有金管的高壓釜依次取出, 浸沒在冷水中將其萃取到室溫。

1.3 氣態(tài)烴分析

將熱解后的金管置于特制的密閉玻璃系統(tǒng)中, 該裝置一端連接Agilent 6890N氣相色譜(GC; Pan et al., 2006; Wang et al., 2013)。將玻璃系統(tǒng)抽真空后, 用針將金管扎破, 等待30 s使氣體均勻地分布在整個裝置內(nèi)。打開連接GC的閥門, 讓烴類氣體進(jìn)入GC進(jìn)行分析。GC升溫程序為: 60 ℃恒溫1 min, 以20 ℃/min的速率升至80 ℃, 再以30 ℃/min的速率升至190 ℃, 保持1.5 min, 最后以24 ℃/min的速率降至60 ℃, 保持7.42 min。用外標(biāo)法進(jìn)行定量測試, 相對誤差在0.5%以內(nèi)。

1.4 輕烴分析

為使輕烴的定量更為準(zhǔn)確, 本研究采用平行樣收集輕烴。在每個8 mL細(xì)胞瓶中加入2 mL正戊烷和45.875 μg氘代二十四烷, 將金管置于瓶內(nèi), 蓋上加有橡膠墊片的空心蓋, 用鋼針刺穿墊片將金管在正戊烷液面下扎破, 讓氣泡勻速緩慢地冒出, 然后將空心蓋換成實心蓋, 超聲5次, 每次5 min。之后將金管剪開, 浸泡在正戊烷中, 超聲5次, 每次5 min,靜置24 h后取上清液進(jìn)行GC測試。

采用Agilent 7890B GC進(jìn)行分析測試, 分離柱為CP SIL-5 CB(30 m×320 μm×0.4 μm), 升溫程序為: 40 ℃恒溫5 min, 以4 ℃/min的速率升至290 ℃, 恒溫32.5 min。

1.5 重?zé)N分析

氣體成分分析結(jié)束后, 將金管剪開, 放入4 mL細(xì)胞瓶中, 加入二氯甲烷, 蓋上瓶蓋, 超聲5次, 每次5 min。利用二氯甲烷通過布氏漏斗進(jìn)行抽濾, 每次抽濾溶劑量約為60 mL, 之后旋蒸、轉(zhuǎn)移并稱重定量。

1.6 動力學(xué)參數(shù)計算

利用Kinetics 2000軟件計算液態(tài)烴和氣態(tài)烴的生成動力學(xué)參數(shù)(Burnham and Braun, 1999)。基于前人研究成果(Pepper and Corvi, 1995a; Behar et al., 1997; Dieckmann, 2005), 輸入兩套升溫速率下的實驗數(shù)據(jù)(時間、溫度、生烴量和生成轉(zhuǎn)化率等), 計算得到指前因子和對應(yīng)的活化能分布。根據(jù)阿倫尼烏斯平行一級反應(yīng)動力學(xué), 用Easyo表征兩套升溫速率實驗下的熱成熟度(Sweeney and Burnhan, 1990)。

2 結(jié)果和討論

2.1 液態(tài)烴(重?zé)N、輕烴和正構(gòu)烷烴)的生成

3個干酪根的重?zé)N(C14+)、輕烴(C6～C14)和正構(gòu)烷烴(∑-C6+)產(chǎn)率的演化趨勢均為先增加達(dá)到最大值, 然后隨溫度和Easyo增加而降低(圖2)。對于C14+而言, 3個干酪根均在Easyo=1.02%時達(dá)到生烴高峰(圖2a)。慢速系列下, Dlk-1、Dlk-2和Dlk-3的C14+最大產(chǎn)率分別為326.07 mg/g、455.08 mg/g和612.95 mg/g, 表明HI越大, 干酪根的生油能力越強。

當(dāng)Easyo>1.02%時, C14+開始大量裂解, C6～C14產(chǎn)率快速增加(圖2b), 在Easyo=1.60%時達(dá)到最大值。慢速系列下, Dlk-1、Dlk-2和Dlk-3的C6～C14最大產(chǎn)率分別為148.12 mg/g、139.88 mg/g和220.35 mg/g,表明HI與C6～C14產(chǎn)率大致成正相關(guān)關(guān)系, 但不如C14+明顯。

當(dāng)Easyo<0.75%時(未進(jìn)入生油窗前), 只有少量∑-C6+生成(圖2c), 生成的油芳香度較高, 隨著熱演化的進(jìn)行芳香度逐漸減小(圖2d)。這是因為干酪根熱解初期主要生成一些氮、硫、氧化合物和瀝青質(zhì), 它們會隨著熱演化的進(jìn)行熱解生成大量以飽和烴為主的烴類, 導(dǎo)致芳香度逐漸減小(Behar et al., 1992, 2008)。當(dāng)Easyo>0.75%時(進(jìn)入主生油窗后), ∑-C6+開始大量生成, 在Easyo=1.44%時, ∑-C6+產(chǎn)率達(dá)到最大值。慢速系列下, Dlk-1、Dlk-2和Dlk-3的∑-C6+最大產(chǎn)率分別為87.88 mg/g、116.51 mg/g和147.92 mg/g, 表明HI越高, ∑-C6+產(chǎn)率越高, 生成的油含有大量∑-C6+(圖3g、h、k), 生成油的芳香度基本不變(圖2d)。當(dāng)Easyo>1.44%時, ∑-C6+開始大量裂解, 生成油的芳香度迅速增加, 在Easyo=2.0%時達(dá)到最大值(1.0), ∑-C6+基本裂解殆盡, 生成的液態(tài)烴以苯、萘和菲系列等輕質(zhì)芳環(huán)化合物為主(圖3c、j、k)。另外, 在整個生油演化階段(生油窗和凝析油階段), HI越高, 生成油的芳香度越低。這是因為干酪根HI越高, 其H/C值越大, 生成的液態(tài)烴產(chǎn)物中脂肪烴含量更高, 芳香烴含量更低, 與Miknis et al. (1982)的研究基本一致。

2.2 氣態(tài)烴的生成

當(dāng)Easyo<2.0%時, 3個干酪根的總氣態(tài)烴(∑C1～5)產(chǎn)率持續(xù)增大(圖4a); 當(dāng)Easyo>2.0%時, Dlk-2和Dlk-3的∑C1～5產(chǎn)率呈稍微降低的趨勢, 而Dlk-1的∑C1～5產(chǎn)率呈稍微增大的趨勢, 說明在過成熟階段, ∑C1～5產(chǎn)率演化發(fā)生了差異。Easyo>2.0%為濕氣裂解和生干氣階段, 濕氣裂解生成甲烷, 干酪根熱解生成甲烷并伴隨著焦瀝青的沉淀(Hill at al., 2003), 焦瀝青的沉淀和來自干酪根的甲烷分別控制著∑C1～5產(chǎn)率的減小和增大。當(dāng)Easyo>2.0%時, Dlk-2和Dlk-3焦瀝青的生成量稍大于甲烷的生成量, 因此Dlk-2和Dlk-3在這個階段的∑C1～5產(chǎn)率稍微降低; 而Dlk-1焦瀝青的生成量稍低于甲烷的生成量, 所以Dlk-1在這個階段的∑C1～5產(chǎn)率稍微升高。

隨溫度和成熟度的增加, 3個干酪根的濕氣(∑C2～5)產(chǎn)率呈先增加后減小的趨勢, 并在Easyo=2.16%時達(dá)到最大值(圖4b)。慢速系列下, Dlk-1、Dlk-2和Dlk-3的∑C2～5最大產(chǎn)率分別為136.76 mg/g、183.18 mg/g和241.84 mg/g。之后, 隨著溫度增大, ∑C2～5大量裂解, 干燥系數(shù)(C1/∑C1～5)迅速增大, 最后達(dá)到1.0(圖4d)。

芳香度=甲基萘/(甲基萘+2×n-C13)。

1. 甲苯; 2. 萘; 3和4. 甲基萘; 5. 菲。

甲烷(C1)產(chǎn)率隨模擬溫度和成熟度的增加持續(xù)增加(圖4c)。2 ℃/h的升溫速率下, Dlk-1、Dlk-2和Dlk-3的C1最大產(chǎn)率分別為258.86 mg/g、272.56 mg/g和336.32 mg/g。由此可見, HI對C1產(chǎn)率的影響小于對氣態(tài)烴和油產(chǎn)率的影響。因為C1既可以來源于干酪根降解, 也可以來源于二次油裂解(Hill et al., 2003; Wang et al., 2013)。在干酪根演化后期生干氣階段, 與HI較高的干酪根相比, HI較低的干酪根能產(chǎn)生更多的甲烷, 可以彌補由于二次油裂解生氣而導(dǎo)致的差距。

當(dāng)Easyo<1.0%時, 3個干酪根的C1/∑C1～5持續(xù)降低; 當(dāng)Easyo=1.0%～2.0%時, C1/∑C1～5變化不大; 當(dāng)Easyo>2.0%時, C1/∑C1～5迅速增大, 最后達(dá)到1.0(圖4d)?？梢园l(fā)現(xiàn), 當(dāng)Easyo<1.6%時, HI對C1/∑C1～5影響不大; 當(dāng)Easyo>1.6%時, HI越高, C1/∑C1～5越低, 表明HI對傾油型蘆草溝干酪根氣態(tài)烴C1/∑C1～5的影響主要發(fā)生在二次油裂解和生干氣階段。

2.3 熱解生油氣演化過程

2.3.1 生油氣轉(zhuǎn)化率

3個干酪根的生氣(∑C1～5)轉(zhuǎn)化率計算結(jié)果(圖5a)表明, 當(dāng)Easyo<1.6%時(濕氣大量裂解前), 生氣轉(zhuǎn)化率緩慢增加到0.3～0.4; 當(dāng)Easyo=1.6%～2.0%時(輕烴大量裂解階段), 生氣轉(zhuǎn)化率快速增加到0.8～0.9,之后緩慢增大至1.0。當(dāng)Easyo<2.0%時, 3個干酪根的生氣轉(zhuǎn)化率差別不大。當(dāng)Easyo>2.0%時, 濕氣開始大量裂解生成干氣, 生氣轉(zhuǎn)化率與HI的關(guān)系表現(xiàn)為: HI越高, 生氣越快, 表明干酪根具有更短的生干氣階段; 反之, 干酪根有更長的生干氣階段。造成這一現(xiàn)象的原因為: 作為同一套烴源巖, HI越高, 其干酪根中的傾油組分占比越大, 傾氣組分占比越小, 因而HI越大的干酪根具有更短的生氣階段(Pepper and Corvi, 1995a)。

3個干酪根的生油(∑C6+)轉(zhuǎn)化率計算結(jié)果(圖5b)表明, 當(dāng)Easyo<0.65%時, 干酪根緩慢生油; 當(dāng)Easyo>0.65%時, 干酪根生油轉(zhuǎn)化率迅速增大; 當(dāng)Easyo=0.9%時, 生油轉(zhuǎn)化率幾乎達(dá)到1.0。3個干酪根總體上表現(xiàn)為HI越高, 干酪根生油越快。

2.3.2 氣油比

本研究將∑C1～5和∑C6+分別當(dāng)作干酪根演化過程中生成的氣態(tài)烴(天然氣)和液態(tài)烴(油)。當(dāng)Easyo<2.0%時, 3個干酪根的氣油比(GOR= ∑C1～5/∑C6+)緩慢增加; 當(dāng)Easyo>2.0%時, GOR開始呈指數(shù)增加(圖6)。此外, 在相同的成熟度下, HI更高的干酪根具有更低的GOR, HI更低的干酪根具有更高的GOR。

2.4 生烴動力學(xué)計算與模擬

2.4.1 生油動力學(xué)參數(shù)

動力學(xué)參數(shù)模擬計算時, 通常采用單個指前因子和活化能分布的平行一級反應(yīng)動力學(xué)來描述干酪根的生烴過程(Ungerer and Pelet, 1987; Schenk et al., 1993; Behar et al., 1997; Dieckmann et al., 1996; Burnham and Braun, 1999)。由于封閉體系下石油的生成和裂解存在重疊現(xiàn)象(Dieckmann et al., 2000), 一般假設(shè)實驗測得的最大生油量占真實總生油量的95%。因此, Dlk-1、Dlk-2和Dlk-3的最大產(chǎn)油率分別為456 mg/g、575 mg/g和744 mg/g。考慮到補償效應(yīng)(Ungerer, 1990; Waples, 2000; Lewan et al., 2006), 并方便比較活化能的大小和分布, 本研究采用相同的指前因子((1e+14) s-1)。使用Kinetics 2000軟件擬合生烴曲線并計算動力學(xué)參數(shù), 結(jié)果顯示, 3個干酪根的∑C6+生成活化能分布范圍相近,約43～64 kcal/mol,平均值約53 kcal/mol(圖7)。HI越高, 活化能分布越集中。

圖4 ∑C1～5(a)、∑C2～5(b)、C1(c)生烴曲線及C1/∑C1～5(d)演化

圖5 ∑C1～5(a)和∑C6+(b)轉(zhuǎn)化率

圖6 20 ℃/h(a)和2 ℃/h(b)升溫速率下GOR的變化

2.4.2 生氣動力學(xué)參數(shù)

考慮到可能存在的實驗誤差, 本研究將260 mg/g、292 mg/g和359 mg/g分別作為Dlk-1、Dlk-2和Dlk-3的最大氣態(tài)烴產(chǎn)率。使用kinetics 2000軟件擬合生烴曲線, 采用相同的指前因子((1e+15) s-1), 擬合結(jié)果顯示, 3個干酪根的∑C1～5生成活化能分布范圍相近, 約53～77 kcal/mol, 平均值約64 kcal/mol(圖8)。HI越高, 生氣活化能分布越集中, 表明生氣來源更單一。

2.4.3 生烴史反演

Pepper and Corvi (1995a)將生油窗和生氣窗定義為轉(zhuǎn)化率介于10%～90%對應(yīng)的溫度, 據(jù)此可推算Dlk-1、Dlk-2和Dlk-3的生油窗分別為123～162 ℃、121～161 ℃和120～159 ℃, 生氣窗分別為166～282 ℃、170～232 ℃和172～228 ℃(圖9)。可見HI越高, 油氣窗下限(10%)越低, 更早進(jìn)入生油氣窗; 生油氣死亡線(90%)更低, 具有更短的生油氣期。為比較3個干酪根生油氣轉(zhuǎn)化率的差異, 以轉(zhuǎn)化率一半(50%)時的溫度和成熟度為標(biāo)尺(Xiang et al., 2016; Xu et al., 2017), 3個干酪根對應(yīng)的Easyo分別為0.90%、0.89%和0.88%, 差別不大; 當(dāng)生氣轉(zhuǎn)化率為50%時, 3個干酪根對應(yīng)的Easyo分別為2.06%、2.02%和1.98%, 較為相近。

生烴史模擬結(jié)果表明, 蘆草溝組以生油為主, 大量生氣需要到高–過熟階段。根據(jù)Pepper and Corvi (1995b)的排油門限值(100 mg/g), 用本研究實驗生烴數(shù)據(jù)反演, 得到Dlk-1、Dlk-2和Dlk-3排油門限Easyo值分別為0.84%、0.79%和0.78%。因此不同HI的干酪根排油門限有一些差異, 表現(xiàn)為HI越高, 排油門限越低, 烴源巖排油時間越早。吉木薩爾凹陷內(nèi)蘆草溝組成熟度為低熟–生油窗階段(o平均為0.85%), 說明大部分烴源巖已達(dá)到排油門限并一直處于生排油階段。同樣, 根據(jù)Pepper and Corvi (1995b)的排氣門限值(20 mg/g), 吉木薩爾凹陷蘆草溝組未達(dá)到排氣門限, 這解釋了為什么吉木薩爾凹陷有油田卻沒有氣田(陳磊等, 2020)。此外, 蘆草溝組屬優(yōu)質(zhì)烴源巖, 富有機質(zhì)頁巖的吸附作用會使烴源巖內(nèi)部儲存大量石油(Sandvik et al., 1992), 成為重要的致密油勘探儲層(Gao et al., 2016; Hu et al., 2018; 霍進(jìn), 2020)。

圖7 Dlk-1、Dlk-2和Dlk-3干酪根生油活化能分布(a、c、e)及生油曲線擬合(b、d、f)

圖8 Dlk-1、Dlk-2和Dlk-3干酪根生氣活化能分布(a、c、e)及生氣曲線擬合(b、d、f)

2.5 非均質(zhì)性生烴動力學(xué)研究的意義

烴源巖的非均質(zhì)性在縱向剖面和平面上廣泛存在, 對盆地模擬和資源評價的影響是顯而易見的(Dieckmann and Keym, 2006; Keym et al., 2006), 在盆地模擬軟件中采用一個(一套)生烴動力學(xué)參數(shù)進(jìn)行全盆地模擬顯然是不合適的。本研究系統(tǒng)提供了3個不同HI干酪根的生油動力學(xué)和生氣動力學(xué)參數(shù), 有助于開展盆地生油和生氣資源量的對比和量化計算, 甚至可以結(jié)合烴源巖有機相的分布以及成熟度演化進(jìn)行更細(xì)致的盆地區(qū)塊模擬。而且本研究提供的基于烴源巖非均質(zhì)性基礎(chǔ)上的生烴模擬實驗數(shù)據(jù), 還有助于理解地質(zhì)條件下不同成熟演化階段區(qū)塊的油氣相態(tài)表現(xiàn)。

眾所周知, 氣油比是指示油氣相態(tài)的重要指標(biāo)。生成和排驅(qū)后的地下烴類流體(油和氣)之間存在相互溶解和擴散(劉靜江等, 2009)。氣少油多時, 氣溶于油中以油相存在, 當(dāng)氣逐漸增多, 氣油比超過臨界值, 將造成油相的消失和相態(tài)的轉(zhuǎn)變(Claypool and Mancini, 1989), 例如油–輕質(zhì)油–凝析油/凝析氣–氣的相態(tài)轉(zhuǎn)變。不同類型的干酪根, 其產(chǎn)物發(fā)生相態(tài)轉(zhuǎn)變的熱成熟度條件不同, Ⅱ型干酪根的凝析油和濕氣帶對應(yīng)的o為1.2%～1.4%, 而Ⅲ型干酪根的凝析油和濕氣帶對應(yīng)的o可低至0.5%～1.0% (楊海軍和朱光有, 2013)。

圖9 5 ℃/Ma下Dlk-1、Dlk-2和Dlk-3干酪根的生油氣演化史

本研究結(jié)果顯示, HI高的烴源巖具有早生早排和氣油比低的特點, HI低的烴源巖具有晚生晚排和氣油比高的特點, 與Pepper and Corvi (1995a, 1995b)的研究結(jié)果吻合。本研究實驗結(jié)果揭示HI低的烴源巖在高演化階段主要生氣, 與Cornford et al. (1998)的研究結(jié)果吻合。因此, 可以推斷, 具有強烈非均質(zhì)性的烴源巖, 在整個成熟演化生排烴階段會發(fā)生明顯的生烴產(chǎn)物演化差異。在低熟–生油窗階段, HI高的優(yōu)質(zhì)烴源巖優(yōu)先生油、排油, 并被優(yōu)先排驅(qū)運移占據(jù)孔隙度和滲透率較高的儲集空間, 分布在盆地周邊高地。在高演化階段, HI低的烴源巖更傾向生成氣態(tài)烴占優(yōu)勢的輕質(zhì)油和凝析油甚至凝析氣, 大量后期生成的天然氣經(jīng)排驅(qū)、運移并充注至油藏時, 就會產(chǎn)生氣侵作用。后期充注的天然氣量足夠大, 或者配合原油裂解氣的加入, 都會使油藏向凝析氣藏轉(zhuǎn)變, 形成次生凝析油氣藏(楊海軍和朱光有, 2013; 朱光有等, 2021)。事實上, 在運移疏導(dǎo)層中的分散油, 結(jié)合后期的天然氣組分進(jìn)行“油溶氣、氣溶油”式的運移, 也是烴源巖非均質(zhì)性對油氣運移的有利因素。總之, 烴源巖非均質(zhì)性不僅對生烴有重要影響, 對油氣藏差異聚集也有一定的影響。

3 結(jié) 論

(1) HI控制烴源巖的生烴潛力。HI越高, 烴源巖的生烴能力越強, 傾油性越強, GOR越低, 生成的油芳香度越小; 反之, 傾氣性越強, GOR越高, 生成的油芳香度越大。HI對傾油型蘆草溝干酪根氣態(tài)烴干燥系數(shù)的影響主要發(fā)生在二次油裂解和生干氣階段, 表現(xiàn)為HI越大, 干燥系數(shù)越小。

(2) HI越高, 生油氣活化能分布越集中, 生氣期越短; 反之, 生油氣活化能分布越分散, 生氣期更長。應(yīng)用生烴動力學(xué)對吉木薩爾凹陷蘆草溝組進(jìn)行評價, 處于低熟–生油窗階段的吉木薩爾凹陷蘆草溝組生油潛力較高, 大部分已過排油門限, 但未達(dá)到排氣門限, 具有很高的頁巖油開采潛能。

(3) HI高的優(yōu)質(zhì)烴源巖具有早生早排的生烴行為和以油為主的產(chǎn)物特征, HI低的烴源巖晚生晚排, 生烴產(chǎn)物以輕質(zhì)油和天然氣為主。烴源巖的非均質(zhì)性不僅對生烴產(chǎn)物影響較大, 在高演化階段也可能對地下的油氣相態(tài)產(chǎn)生重要影響, 在疏導(dǎo)層造成“油溶氣、氣溶油”式的運移, 高產(chǎn)氣時更加強烈的充注甚至可以對油藏產(chǎn)生氣侵作用形成凝析油氣藏。

致謝:中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所王強博士在氣體組分分析和碳同位素測量工作中提供了技術(shù)支持; 中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所蓋海峰副研究員和另一位匿名審稿人對本文提出了建設(shè)性修改意見, 在此一并表示感謝。

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Comparative analysis of kerogens hydrocarbon generation kinetics in the Lucaogou Formation source rocks with high, medium, and low hydrogen indices

LIU Xinran1, 2, 3, LU Hong1, 2*, ZHAO Zhongfeng1, 2, 3, LI Kang1, 2, 3, PENG Ping’an1, 2

(1. State Key Laboratory of Organic Geochemistry, Guangzhou Institute of Geochemistry, Chinese Academy of Sciences, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 2. CAS Center for Excellence in Deep Earth Science, Guangzhou 510640, Guangdong, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Oil shales from the Lucaogou Formation are widespread in the Jimusar Sag, exhibiting significantheterogeneity. We conducted pyrolysis experiments on three kerogens isolated from source rocks with high (724 mg/g),medium (555 mg/g), and low (219 mg/g) hydrogen indices (HI) within confined gold tubes to investigate hydrocarbon generation kinetics. Results indicate that hydrocarbon generation potential is closely associated with HI, with larger HI values corresponding to higher hydrocarbon generation potentials. Such source rocks are predisposed to generate oil with more aliphatics and fewer aromatics, resulting in lower gasoil ratios (GOR) and dryness coefficients, and faster conversion of oil and gas generation. Conversely, lower HI values lead to lower hydrocarbon generation potentials, more gas generation, and oil with more aromatics and fewer aliphatics, resulting in higher GOR and dryness coefficients, and a slower conversion of oil and gas generation. Kinetic parameter calculations revealed that higher HI values correspond to a more concentrated activation energy distribution, while lower HI values exhibit a more dispersed distribution. Hydrocarbon generation histories were reconstructed under a natural geological heating rate of 5 ℃/Ma using kinetic parameters. The results indicate that higher HI values result in increased oil generation, earlier oil discharge, and shorter gas generation times. Conversely, lower HI values are associated with reduced oil generation, delayed oil discharge, and extended gas generation periods. Applying previously established hydrocarbon expulsion thresholds for oil (100 mg/g) and gas (20 mg/g), our calculated kinetic results were used to evaluate source rock hydrocarbon generation in the Jimusar Sag. Findings suggest that the Lucaogou Formation has reached the low maturity stage in the oil window, with most source rocks exceeding the oil expulsion threshold but not reaching the gas expulsion threshold. This implies a high prospecting potential for shaleoil exploration without significant gas exploration potential. Differential hydrocarbon accumulation and phase change in strongly heterogeneous source rocks during hydrocarbon generation and evolution stages can be attributed to their distinct characteristics. Source rocks with high HI valuespredominantly yield oil-phase hydrocarbon products, while Source rocks with lower HI values favor gas-phase products. The combination of these characteristics result in the expulsion pattern of “oil dissolved in gas and gas dissolved in oil”. During the high thermal evolution stage, the high gas generation potential of low HI source rocks may exert a strong gas intrusion effect on preceding filled oil reserves, eventually leading to the formation of secondary condensate gas reservoirs.

Lucaogou Formation; kerogen; hydrocarbon generation kinetics; hydrogen index; pyrolysis experiment in gold-tube

P618.13

A

0379-1726(2023)06-0685-13

10.19700/j.0379-1726.2023.06.003

2021-11-27;

2022-03-30

國家重點研發(fā)計劃“深地資源勘查開采”重點專項(2017YFC0603102)、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項A類(XDA14010102)、國家重點研發(fā)項目(2019YFC0605502)和國家自然科學(xué)基金項目(41973069、41673045)聯(lián)合資助。

劉欣然(1995–), 男, 博士研究生, 油氣地球化學(xué)專業(yè)。E-mail: 2543674795@qq.com

盧鴻(1971–), 男, 研究員, 主要從事油氣地球化學(xué)研究。E-mail: luhong@gig.ac.cn