江漢盆地潛江凹陷鹽間云質(zhì)頁(yè)巖熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)研究

潘銀華，黎茂穩(wěn)，孫永革，李志明，李璐赟，廖玉宏

(1.浙江大學(xué) 地球科學(xué)系，杭州 310027；2.中國(guó)石化 石油勘探開發(fā)研究院 無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無(wú)錫 214126； 3.頁(yè)巖油氣富集機(jī)理和有效開發(fā)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無(wú)錫 214126；4.中國(guó)科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)地球化學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣州 510640；5.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 資源學(xué)院，武漢 430074)

隨著常規(guī)石油資源的不斷消耗，非常規(guī)油氣資源愈來(lái)愈受到重視，并逐漸成為當(dāng)今油氣勘探領(lǐng)域的熱點(diǎn)。從地質(zhì)特征上看，頁(yè)巖油主要以自生自儲(chǔ)、原位或近源成藏為主，賦存于富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖層段及其夾層內(nèi)，在成熟富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖區(qū)大面積連續(xù)分布、局部富集。頁(yè)巖油主要形成于有機(jī)質(zhì)演化的生油窗內(nèi)(即液態(tài)烴生成階段)。江漢盆地潛江凹陷發(fā)育多個(gè)含鹽韻律層，為鹽巖層與鹽間層頻繁交互沉積，其中鹽間地層屬于較好的生油層，其生成的油氣由于上下鹽巖的有效封堵，從而形成自生自儲(chǔ)的鹽間泥質(zhì)白云巖油藏[1-4]。根據(jù)以往的油氣勘探認(rèn)識(shí)，鹽間頁(yè)巖油主要發(fā)育在物源供給不充分時(shí)期的云質(zhì)頁(yè)巖中，具有層多、分布廣的特點(diǎn)；其烴源條件具有有機(jī)質(zhì)豐度高、母質(zhì)類型好、產(chǎn)油率高和生烴潛力大等特點(diǎn)[5-7]。其中，潛江組潛三段頁(yè)巖含有較高含量的脆性礦物，有利于在外界壓力下產(chǎn)生微裂縫，是潛江組鹽間頁(yè)巖最有利的勘探層段[6,8]。但由于鹽間頁(yè)巖儲(chǔ)集空間復(fù)雜多變，以及頁(yè)巖油流體在頁(yè)巖中的流動(dòng)規(guī)律認(rèn)識(shí)不清等諸多問(wèn)題，目前對(duì)鹽間頁(yè)巖油資源的勘探開發(fā)程度仍有限。因此，研究鹽間頁(yè)巖油形成演化及賦存機(jī)理對(duì)于鹽間頁(yè)巖油資源評(píng)價(jià)和勘探開發(fā)顯得尤為重要。

人工熟化烴源巖方法常用于研究自然系統(tǒng)中不同條件(如溫度、時(shí)間、壓力、水的存在和源巖礦物組成等)對(duì)烴源巖生排烴及其生成油氣的組成的影響，還可用于確定沉積盆地的生烴史及生烴強(qiáng)度等[9]。但不同的熱模擬條件下(如開放系統(tǒng)或封閉系統(tǒng)，加水或無(wú)水，恒溫或非恒溫等)所觀測(cè)到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均有明顯的差異。例如，開放體系和封閉體系熱模擬條件下生烴量雖然接近，但兩者在生烴產(chǎn)物組成上卻有很大區(qū)別，開放體系下的液態(tài)烴產(chǎn)物含有更多的極性組分，而封閉體系下的液態(tài)烴產(chǎn)物更接近于油藏原油[10-11]。此外，熱模擬實(shí)驗(yàn)中水的存在能夠?yàn)橛蜌獾纳商峁湓辞夷艽龠M(jìn)排烴過(guò)程[12]。

地層孔隙熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)是研究烴源巖熱演化機(jī)理、油氣資源評(píng)價(jià)和油氣源對(duì)比等的重要手段之一[13-14]。以往的模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)主要強(qiáng)調(diào)溫度、壓力和時(shí)間，而忽視了地層流體壓力、生烴空間和高溫高壓地層水等因素對(duì)烴源巖生排烴過(guò)程的影響。例如，常規(guī)高壓釜模擬通常是在比樣品孔隙空間大得多的反應(yīng)空間以及高溫高壓條件下進(jìn)行的。而地層孔隙熱壓生排烴模擬屬于可控生排烴體系，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要來(lái)設(shè)定多種實(shí)驗(yàn)條件，如實(shí)驗(yàn)溫度和時(shí)間、施加的靜巖壓力、地層流體壓力、排烴方式及排烴壓力等[14]。相比以往的模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，它可同時(shí)考慮烴源巖樣品的原始孔隙、生烴空間以及與地質(zhì)條件相近的地層流體壓力和上覆靜巖壓力等多種因素，來(lái)模擬烴源巖的生排烴過(guò)程。由于鹽間云質(zhì)頁(yè)巖層系屬于相對(duì)封閉的頁(yè)巖油系統(tǒng)，地層孔隙熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)可以更有效地模擬地質(zhì)條件下鹽間云質(zhì)頁(yè)巖的生排烴過(guò)程。然而，有關(guān)鹽間云質(zhì)頁(yè)巖的地層孔隙熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)研究工作目前尚未見有報(bào)道。為此，本研究對(duì)潛江凹陷潛三段的一個(gè)未熟的云質(zhì)頁(yè)巖烴源巖樣品開展地層孔隙熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)，研究了云質(zhì)頁(yè)巖在成熟階段(主要是生油窗)的生排烴行為以及排出烴組成隨熱成熟度的變化。本研究旨為深入了解潛江凹陷鹽間云質(zhì)頁(yè)巖層系中頁(yè)巖油形成演化、評(píng)價(jià)鹽間頁(yè)巖油資源提供理論支持。

1 樣品與實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品

樣品采自江漢盆地潛江凹陷潛江組潛三段地層，為其中一個(gè)含鹽韻律層的鹽間層巖心樣品，巖性為云質(zhì)頁(yè)巖，基本地球化學(xué)特征見表1。其中，該烴源巖原始樣品的總有機(jī)碳含量為2.97%，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ1型；實(shí)測(cè)的鏡質(zhì)體反射率(Ro)約為0.4%(可測(cè)點(diǎn)少)。結(jié)合巖石熱解Tmax和產(chǎn)率指數(shù)(IP)，顯示該樣品處于未熟階段。王芙蓉等[8]對(duì)潛江組鹽間頁(yè)巖油的有機(jī)質(zhì)特征研究結(jié)果顯示，潛三段烴源巖樣品的TOC主體分布在1.0%～4.0%，平均為2.53%；有機(jī)質(zhì)以腐泥型和腐殖腐泥型為主，且總體處于低熟—中等成熟階段。因此，本研究所選取的烴源巖樣品在研究區(qū)烴源特征上具有代表性。

1.2 熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)

模擬實(shí)驗(yàn)儀器為中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院無(wú)錫石油地質(zhì)研究所研制的地層孔隙熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)儀。實(shí)驗(yàn)具體流程包括制樣裝樣、加溫加壓模擬以及產(chǎn)物收集和定量等[13-14]?？紤]到烴源巖的非均質(zhì)性，同時(shí)盡可能保持烴源巖樣品的有機(jī)質(zhì)賦存方式、孔隙結(jié)構(gòu)與組成特征等，將樣品搗碎至20目左右，充分混合均勻，每組模擬溫壓點(diǎn)取一小份烴源巖樣品(約100 g)。在裝卸樣品臺(tái)上用約5 MPa的上覆靜巖壓力(相當(dāng)于200～300 m埋深)壓制成直徑為35 mm的小圓柱體巖心(孔隙度約20%左右)。

表1 江漢盆地潛江凹陷云質(zhì)頁(yè)巖熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)的原始樣品的基本地球化學(xué)特征

注：Ip=S1/(S1+S2)。

將巖心樣品置入反應(yīng)釜后，進(jìn)行試漏和注水，按照設(shè)定的靜巖壓力進(jìn)行壓實(shí)，并以升溫速率1 ℃/min升至設(shè)定的溫度，達(dá)到設(shè)定溫度后恒溫48 h。本研究共設(shè)定了10組溫壓條件下生排烴模擬實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件如表2所示。生烴產(chǎn)物收集包括生成氣、排出油、殘留油和固樣殘?jiān)?。?dāng)反應(yīng)釜溫度降到150 ℃時(shí)，打開排烴閥門收集生排烴系統(tǒng)中的油氣水混合物，將分離的氣體產(chǎn)物作為生成氣；烴源巖排到高壓釜內(nèi)壁與樣品室之間的空隙和連接管道內(nèi)空間的油以及油氣水混合物分離后的油一同合并為排出油；模擬實(shí)驗(yàn)后賦存在模擬實(shí)驗(yàn)殘?jiān)械挠?，使用氯仿索氏抽提后獲得的抽提物為殘留油。其中，排出油和殘留油之和即生成油，生成油和烴氣之和即總烴。

1.3 生烴產(chǎn)物分析

將生成氣體使用計(jì)量管定量后，使用氣相色譜儀分析氣體組成和含量。排出油進(jìn)行沉淀瀝青質(zhì)后，在氧化鋁—硅膠層析柱上使用正己烷、二氯甲烷∶正己烷(3∶1，v/v)、二氯甲烷∶甲醇(2∶1，v/v)依次洗脫飽和烴、芳烴和膠質(zhì)組分。模擬實(shí)驗(yàn)后的固體殘?jiān)〔糠肿鰩r石熱解分析，分析儀器為Rock-Eval 6型巖石熱解儀[15]；殘?jiān)溺R質(zhì)體反射率使用Easy%Ro法進(jìn)行計(jì)算。

表3展示了不同模擬溫度點(diǎn)固體殘?jiān)娜珟r熱解參數(shù)。隨溫度的增加，有機(jī)碳含量(TOC)、石油潛力(S2)和氫指數(shù)(IH)逐漸降低，而氧指數(shù)(IO)和Tmax逐漸增加，代表了烴源巖逐漸生烴的過(guò)程。通過(guò)Easy%Ro法計(jì)算的殘?jiān)R質(zhì)體反射率范圍為0.50%～1.37%，涵蓋了整個(gè)生油窗階段。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同熱壓模擬實(shí)驗(yàn)生烴產(chǎn)率的變化

不同熱壓模擬實(shí)驗(yàn)條件下的生烴產(chǎn)物，包括殘留油、排出油和烴氣的含量對(duì)原始樣品總有機(jī)碳含量(2.97%)分別進(jìn)行歸一化后獲得的產(chǎn)率如表4所示。圖1也展示了生烴產(chǎn)率隨EasyRo的變化趨勢(shì)。隨著模擬溫度的增加，EasyRo在0.50%～1.37%之間，且在1.0%～1.3%之間達(dá)到生油高峰，總生油產(chǎn)率由61.61 mg/g逐漸增加至258.57 mg/g(圖1a)。在模擬溫度為260～330 ℃(EasyRo=0.50%～0.85%)時(shí)，殘留油產(chǎn)率逐漸增加至最大值(134.07 mg/g)，而排出油和烴氣產(chǎn)率緩慢增加(表4，圖1b)，說(shuō)明干酪根不斷發(fā)生熱降解并以生成瀝青為主；在模擬溫度大于330 ℃(EasyRo> 0.85%)，殘留油產(chǎn)率逐漸下降，而排出油和烴氣產(chǎn)率持續(xù)增加，尤以排出油產(chǎn)率增加最為顯著，說(shuō)明生油階段主要與殘留油發(fā)生熱降解有關(guān)；在模擬溫度在360 ℃左右時(shí)，排出油產(chǎn)率達(dá)到其最大值(226.18 mg/g)。殘留油產(chǎn)率和排出油產(chǎn)率的變化趨勢(shì)與SPIGOLON等[9]的加水熱解模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本一致。在模擬溫度為380 ℃時(shí)，排出油產(chǎn)率稍有下降，烴氣產(chǎn)率由360 ℃時(shí)的39.51 mg/g迅速增加至77.72 mg/g。烴氣產(chǎn)率的快速增加部分與生成的油發(fā)生熱裂解有關(guān)，同時(shí)也有來(lái)自干酪根裂解氣的貢獻(xiàn)，這說(shuō)明烴源巖有機(jī)質(zhì)演化階段已由生油階段逐漸過(guò)渡到生濕氣階段。

表2 江漢盆地潛江凹陷鹽間云質(zhì)頁(yè)巖的熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)條件

注:熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)條件中，埋深、流體壓力和上覆地層壓力均根據(jù)研究區(qū)埋藏演化史而設(shè)定。巖石密度取每100 m埋深增約0.006 6 g/cm3；上覆地層壓力根據(jù)公式P=ρ·g·h計(jì)算獲得，其中h為埋深，ρ為對(duì)應(yīng)埋深的上覆地層巖石密度，g為重力加速度；地層流體壓力取1.5倍的靜水壓力值。

表3 江漢盆地潛江凹陷云質(zhì)頁(yè)巖不同熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)固樣殘?jiān)娜珟r熱解參數(shù)

注:S2轉(zhuǎn)化率(%) = [(S2原始-S2殘余)/S2原始] × 100，其中，S2原始取260 ℃時(shí)的S2值，即4.87 mg/g。

表4 江漢盆地潛江凹陷云質(zhì)頁(yè)巖不同熱壓模擬實(shí)驗(yàn)生烴產(chǎn)物產(chǎn)率及轉(zhuǎn)化率

注:總生烴量= (殘留油+排出油+烴氣)；總生油量= (殘留油+排出油)；總排烴量= (排出油+烴氣)；轉(zhuǎn)化率(%)= (各溫度點(diǎn)的總排烴量/最大總排烴量)×100，其中，最大總排烴量為298.75 mg/g。

在生瀝青階段，排出油和烴氣均緩慢增加(圖1b)，這可能是伴隨干酪根裂解形成瀝青(即殘留油)的同時(shí)，瀝青也裂解形成了小部分具相態(tài)分異的原油和烴氣并排出烴源巖體系。烴源巖在生烴的同時(shí)也不斷地排烴，但生成烴首先要滿足有機(jī)質(zhì)本身和礦物顆粒表面的吸附后才會(huì)開始大量排烴[16]。當(dāng)殘留油達(dá)到最大產(chǎn)率時(shí)，有機(jī)質(zhì)和礦物顆粒表面的吸附烴不再增加，排烴作用增強(qiáng)，因此排出油產(chǎn)率快速增長(zhǎng)。在排出油產(chǎn)率達(dá)到最大值時(shí)(取360 ℃溫度點(diǎn)的產(chǎn)率)，殘留油產(chǎn)率為32.39 mg/g，占?xì)埩粲妥畲螽a(chǎn)率(134.07 mg/g)的24.2%，這部分殘留油被認(rèn)為在更高有機(jī)質(zhì)演化階段仍對(duì)形成液態(tài)烴(凝析油)和原生氣有貢獻(xiàn)[9]；而在排出油最大產(chǎn)率點(diǎn)上，烴氣產(chǎn)率僅占總排烴量的14.9%，但在380 ℃時(shí)烴氣產(chǎn)率已占總排烴量的26.0%，說(shuō)明在生濕氣階段烴氣產(chǎn)率的迅速增加除了與干酪根的裂解有關(guān)外，還與生成的油發(fā)生熱裂解有關(guān)。此外，排出油最大產(chǎn)率點(diǎn)與生油高峰十分接近，說(shuō)明烴源巖生排烴過(guò)程是邊生邊排的過(guò)程。研究表明有機(jī)質(zhì)生油過(guò)程為“干酪根→瀝青→原油”分兩步的轉(zhuǎn)化過(guò)程[17-18]。LEWAN[19]也認(rèn)為殘留油和排出油兩者之間存在“前驅(qū)體—產(chǎn)物”關(guān)系。本研究中熱壓模擬實(shí)驗(yàn)生烴產(chǎn)率的定量結(jié)果同樣也反映了這樣的過(guò)程。然而，根據(jù)物質(zhì)平衡計(jì)算，排出油最大產(chǎn)率明顯要高于殘留油最大產(chǎn)率(圖1b)，這可能說(shuō)明了干酪根向?yàn)r青轉(zhuǎn)化與瀝青向原油轉(zhuǎn)化這兩個(gè)過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的，且這兩個(gè)過(guò)程的轉(zhuǎn)化程度在不同成熟階段存在差異。此外，由于本研究采用氯仿索氏抽提來(lái)獲取殘留油，具有揮發(fā)性的C15-烴類的虧損也有可能是造成排出油最大產(chǎn)率高于殘留油最大產(chǎn)率的原因之一。

圖1 江漢盆地潛江凹陷云質(zhì)頁(yè)巖 不同熱壓模擬實(shí)驗(yàn)生烴產(chǎn)物產(chǎn)率隨EasyRo的變化

由熱壓模擬實(shí)驗(yàn)獲得的成烴演化趨勢(shì)與TISSOT和WELTE[20]提出的干酪根熱降解生烴演化模式基本吻合。TISSOT模式[20]認(rèn)為有機(jī)質(zhì)成熟階段(即熱催化生油氣階段)和高成熟階段(即熱裂解生濕氣階段)所對(duì)應(yīng)的Ro分別為0.7%～1.3%和1.3%～2.0%，而生油高峰所對(duì)應(yīng)的Ro在1.0%左右。本研究中云質(zhì)頁(yè)巖烴源巖的生油高峰對(duì)應(yīng)EasyRo值在1.0%～1.3%，而進(jìn)入生濕氣階段對(duì)應(yīng)的EasyRo> 1.3%。蒲秀剛等[2]對(duì)潛江凹陷潛江組鹽間段的成烴演化特征研究也表明，該地區(qū)在Ro≈1.02%時(shí)達(dá)到生油高峰。因此，本研究的熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)在一定程度上能夠反映研究區(qū)地質(zhì)條件下烴源巖的生排烴過(guò)程。

2.2 EasyRo和轉(zhuǎn)化率的關(guān)系

轉(zhuǎn)化率(TR)常用來(lái)表示有機(jī)質(zhì)演化生烴過(guò)程，用于表示干酪根向油氣轉(zhuǎn)化的程度，通過(guò)轉(zhuǎn)化率可以計(jì)算出生烴量等。計(jì)算轉(zhuǎn)化率的方法除了根據(jù)反應(yīng)物的分解過(guò)程外，還可根據(jù)生成物的形成過(guò)程來(lái)計(jì)算。例如，常用的方法是采用巖石熱解參數(shù)S2來(lái)比較原始生烴潛力和殘余生烴潛力之間的關(guān)系[20]，即S2轉(zhuǎn)化率(%)= [(S2原始-S2殘余)/S2原始] × 100?？紤]到原始烴源巖樣品和模擬樣品在地質(zhì)條件和模擬實(shí)驗(yàn)條件之間或多或少存在差異，本研究以第一個(gè)模擬溫度點(diǎn)(260 ℃)的S2作為起始點(diǎn)，以便更合理地進(jìn)行對(duì)比分析。表3中列出了不同熱壓模擬實(shí)驗(yàn)的S2轉(zhuǎn)化率。隨模擬溫度增加，S2轉(zhuǎn)化率由0逐漸增加至94.3%，顯示了干酪根逐漸轉(zhuǎn)化為油氣(殘余油、排出油和烴氣)的過(guò)程。

SPIGOLON等[9]的研究?jī)H考慮了生烴產(chǎn)物中的總排烴量(即排出油與烴氣之和)，用總排烴量來(lái)計(jì)算轉(zhuǎn)化率[轉(zhuǎn)化率(%)= 各溫度點(diǎn)的總排烴量/最大總排烴量 × 100]，以考察排出烴的地球化學(xué)性質(zhì)隨成熟度增加至排出烴最大產(chǎn)率時(shí)的變化。本研究采用該方法計(jì)算了不同熱壓模擬實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)化率(表4)，隨模擬溫度的增加，轉(zhuǎn)化率由3.5%逐漸增加至100%。這一變化趨勢(shì)和由S2計(jì)算的轉(zhuǎn)化率的變化趨勢(shì)雖然相似，但所描述的對(duì)象有差異，由總排烴量計(jì)算的轉(zhuǎn)化率側(cè)重于描述烴源巖在生油窗內(nèi)排出烴的變化情況。本研究也基于該方法對(duì)排出油和烴氣組成隨熱成熟度的變化做了討論。

由圖2所示，由總排烴量計(jì)算的轉(zhuǎn)化率與EasyRo之間服從較嚴(yán)格的玻爾茲曼分布(擬合系數(shù)R2= 0.998)。玻爾茲曼分布函數(shù)常用于描述由電場(chǎng)或溫度梯度等外場(chǎng)而引起的系統(tǒng)變化。隨成熟度增加，不同熱壓模擬實(shí)驗(yàn)條件下的轉(zhuǎn)化率呈“S”型增長(zhǎng)趨勢(shì)，表現(xiàn)為排出烴(排出油和烴氣)產(chǎn)率依次經(jīng)歷了緩慢增加—快速增加—緩慢增加3個(gè)變化階段(圖2)。值得注意的是，擬合S型曲線的線性拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的EasyRo=0.85%，轉(zhuǎn)化率為25%。該拐點(diǎn)的EasyRo值恰好對(duì)應(yīng)于殘留油最大產(chǎn)率時(shí)的EasyRo值，反映了在生瀝青階段殘留油產(chǎn)率達(dá)最大值以后，排出烴產(chǎn)率開始快速增加，即排烴快速進(jìn)行。SPIGOLON等[9]的封閉體系加水熱模擬實(shí)驗(yàn)同樣顯示，轉(zhuǎn)化率為20%～25%時(shí)殘留油產(chǎn)率達(dá)到最大值。由總排烴量計(jì)算的轉(zhuǎn)化率與EasyRo的關(guān)系可以有效地描述生油窗內(nèi)烴源巖的排烴行為，可作為熱成熟度的有效標(biāo)尺。另外，通過(guò)該方法可根據(jù)盆地埋藏演化史估算的Ro值來(lái)推算總排烴量的轉(zhuǎn)化率，這能夠?yàn)槭唾Y源評(píng)價(jià)提供非常有益的信息。

圖2 江漢盆地潛江凹陷云質(zhì)頁(yè)巖 不同熱壓模擬實(shí)驗(yàn)條件下轉(zhuǎn)化率與EasyRo的關(guān)系

2.3 排出烴組成隨熱成熟度的變化

2.3.1 排出油組成的變化

排烴量是評(píng)價(jià)烴源巖有效生烴條件的重要指標(biāo)之一，而計(jì)算排烴量是油氣資源評(píng)價(jià)的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。烴源巖在生油窗階段生成的但滯留于烴源巖層系的液態(tài)烴是頁(yè)巖油資源的主體部分。因此，本研究著重討論了熱模擬實(shí)驗(yàn)中排出烴組成隨熱成熟度的變化情況。圖3展示了不同熱壓模擬實(shí)驗(yàn)排出油族組成的分布情況，可以看出，隨熱成熟度的增加，非烴(膠質(zhì) +瀝青質(zhì))的相對(duì)含量逐漸減少，而C15+飽和烴和芳烴組分則逐漸增加，其中C15+飽和烴組分增加更明顯，反映了排出油組成逐漸富烴的過(guò)程。膠質(zhì)和瀝青質(zhì)組分中的大分子—極性化合物在成熟階段通過(guò)去雜原子化和熱裂解等反應(yīng)過(guò)程形成相對(duì)小分子烴類[17]，同時(shí)改善了烴類流體的流動(dòng)性，因而更利于排烴。這一結(jié)果論證了圖1中殘留油和排出油產(chǎn)率曲線的變化趨勢(shì)，即殘留油(即瀝青)中大分子化合物熱裂解形成更多的小分子流動(dòng)相，也促進(jìn)了烴源巖的排烴。

圖4展示了排出油族組成含量隨轉(zhuǎn)化率的變化情況。轉(zhuǎn)化率在0～25%之間時(shí)，排出油的瀝青質(zhì)組分的相對(duì)含量稍有下降，而飽和烴和芳烴組分的相對(duì)含量有輕微的增加趨勢(shì)。但當(dāng)轉(zhuǎn)化率在25%～100%時(shí)，排出油瀝青質(zhì)組分的相對(duì)含量迅速下降，由37.04%逐漸下降至8.02%；飽和烴和芳烴組分的相對(duì)含量均明顯地增加，其中飽和烴組分由18.35%增至39.12%，芳烴組分由11.07%增至23.83%；而膠質(zhì)組分含量沒(méi)有明顯的變化。這可能說(shuō)明了本研究中瀝青是排出油中烴類化合物逐漸富集的主要物質(zhì)來(lái)源。這與以往的許多研究工作的認(rèn)識(shí)是基本相符的[9,18,21-22]。

圖3 江漢盆地潛江凹陷云質(zhì)頁(yè)巖 不同熱壓模擬實(shí)驗(yàn)排出油族組成相對(duì)含量三角圖

圖4 江漢盆地潛江凹陷云質(zhì)頁(yè)巖 不同熱壓模擬實(shí)驗(yàn)排出油族組成含量隨轉(zhuǎn)化率的變化

2.3.2 烴氣組成的變化

烴氣的分子參數(shù)，如C1/C2、C1/(C2+ C3)和C1/(C2+C3+C4+C5)等，常用于評(píng)價(jià)甲烷和重?zé)N氣比例隨轉(zhuǎn)化率增加的變化趨勢(shì)[23-24]。當(dāng)轉(zhuǎn)化率在0～25%之間時(shí)，C1/(C2+C3+C4+C5)、C1/(C2+C3)和C1/C2具有較高的摩爾比(圖5)，說(shuō)明該階段主要以甲烷氣為主。HUNT[25]認(rèn)為在低成熟階段(Ro< 0.5%)，干酪根熱成因氣以干氣為主。隨著轉(zhuǎn)化率逐漸增至25%，這些參數(shù)迅速下降至最低值，并且在轉(zhuǎn)化率大于25%之后沒(méi)有明顯變化。烴氣產(chǎn)率在生油階段尤其是生濕氣階段顯著增加(圖1，表4)，而C1/(C2+C3+C4+C5)、C1/(C2+C3)和C1/C2摩爾比參數(shù)并沒(méi)有明顯變化，這說(shuō)明烴氣產(chǎn)物在轉(zhuǎn)化率大于25%時(shí)以重?zé)N氣為主。

圖5 江漢盆地潛江凹陷云質(zhì)頁(yè)巖 不同熱壓模擬實(shí)驗(yàn)烴氣的分子參數(shù)隨轉(zhuǎn)化率的變化

圖6也展示了烴氣分子參數(shù)ln(C1/C2)與ln(C2/C3)的關(guān)系。隨成熟度的增加，ln(C1/C2)值逐漸減小，反映了干酪根初次裂解氣逐漸富集重?zé)N氣；而ln(C2/C3)值變化很小，其值在0～0.25之間。大量的研究表明，無(wú)論是在封閉體系還是開放體系熱解條件下，C2和C3烴氣的比值在整個(gè)生油窗階段基本恒定，但在高—過(guò)成熟階段該比值會(huì)受到烴類二次裂解的影響[26-28]。因此，根據(jù)ln(C1/C2)與ln(C2/C3)的關(guān)系圖(圖6)還可判定，本研究中的烴源巖樣品主要處于生油窗階段。

3 結(jié)論

(1)對(duì)潛江組鹽間云質(zhì)頁(yè)巖的熱壓生排烴模結(jié)果表明，熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)在一定程度上能夠反映地質(zhì)條件下烴源巖的生排烴過(guò)程。隨熱成熟度增加，云質(zhì)頁(yè)巖烴源巖在EasyRo=1.0%～1.3%時(shí)達(dá)生油高峰；在EasyRo>1.3%以后進(jìn)入生濕氣階段。殘留油產(chǎn)率和排出油產(chǎn)率分別在EasyRo值為0.85%和1.13%左右時(shí)達(dá)到其最大值，且排出油最大產(chǎn)率高于殘留油最大產(chǎn)率，它們之間存在明顯的“前驅(qū)體—產(chǎn)物”關(guān)系，說(shuō)明有機(jī)質(zhì)生油過(guò)程為“干酪根→瀝青→原油”兩步同時(shí)進(jìn)行的轉(zhuǎn)化過(guò)程。

圖6 江漢盆地潛江凹陷云質(zhì)頁(yè)巖 熱模擬樣品烴氣分子參數(shù)ln(C1/C2)和ln(C2/C3)關(guān)系

(2)根據(jù)總排烴量計(jì)算的轉(zhuǎn)化率可作為烴源巖在生油窗內(nèi)的熱成熟度標(biāo)尺，它與由Easy%Ro方法獲得的鏡質(zhì)體反射率服從較嚴(yán)格的玻爾茲曼分布，可用于描述烴源巖在生油窗內(nèi)的排烴行為，即排出烴產(chǎn)率依次經(jīng)歷了緩慢增加—快速增加—緩慢增加3個(gè)變化階段。

(3)在生油窗內(nèi)排出烴組成隨著轉(zhuǎn)化率的增加而發(fā)生明顯的變化。在轉(zhuǎn)化率小于25%時(shí)，排出油族組成變化較小，烴氣以甲烷氣為主；但在轉(zhuǎn)化率大于25%以后，排出油瀝青質(zhì)組分的相對(duì)含量迅速下降，而飽和烴和芳烴組分均明顯增加,膠質(zhì)組分在整個(gè)階段均無(wú)明顯變化，烴氣以富集重?zé)N氣為特征。在主生油階段,瀝青熱裂解形成的更多小分子烴類同時(shí)也改善了烴類流體的流動(dòng)性，使得排烴作用得到增強(qiáng)。

致謝：由衷感謝中國(guó)石化石油勘探開發(fā)研究院無(wú)錫石油地質(zhì)研究所鄭倫舉、李廣友、趙中熙和張彩明等在熱模擬實(shí)驗(yàn)和分析中給予的幫助。