陸相泥質(zhì)烴源巖液態(tài)烴生成-排出-滯留模擬實(shí)驗(yàn)及其地質(zhì)意義

金 強(qiáng), 張慧君, 程付啟, 徐進(jìn)軍

(中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580)

陸相生油論是中國石油地質(zhì)界對(duì)世界油氣勘探的理論貢獻(xiàn)[1-2]。前人在烴源巖評(píng)價(jià)[3-4]、油氣生成及模擬實(shí)驗(yàn)方面[5-6]做了大量工作,有效地指導(dǎo)了油氣資源評(píng)價(jià)和勘探,但是烴源巖排烴作用還存在很多問題[7-8],張林曄等通過烴源巖剖面地球化學(xué)測(cè)試進(jìn)行排烴量研究[9-10],馬中良等[11]用數(shù)學(xué)模擬計(jì)算排烴量。前者是對(duì)井下高溫、高壓巖心樣品在地面進(jìn)行井下測(cè)試分析的,必然出現(xiàn)不可估量的損失量;后者在數(shù)值模擬計(jì)算中存在地質(zhì)模型真實(shí)性和模擬條件人為性,其結(jié)果必然存在較大的不確定性。Loucks等[12]認(rèn)為原始有機(jī)質(zhì)含量小于1. 5%的 Ⅰ型烴源巖、小于2. 0%的 Ⅱ1型烴源巖和小于2. 5%的 Ⅱ2型烴源巖在整個(gè)生油階段均達(dá)不到有效排油門限,這可能與實(shí)際不符。在近期興起的頁巖油研究中,非常關(guān)心不同巖性、不同有機(jī)質(zhì)含量的烴源巖在不同埋藏深度條件下能夠生成和排出的液態(tài)烴量[13-14],以了解頁巖油賦存量。筆者利用濟(jì)陽坳陷不同巖性的烴源巖樣品,即渤南洼陷沙河街組沙三段的塊狀、層狀和紋層狀等烴源巖,針對(duì)液態(tài)油生成窗內(nèi)的液態(tài)烴生成、排出和滯留,進(jìn)行模擬地下高溫、高壓條件下的生排烴實(shí)驗(yàn),得到3種巖性烴源巖液態(tài)烴生成和排出的過程數(shù)據(jù),并分析排出油和滯留油的烴類組成,加深對(duì)陸相烴源巖生排烴機(jī)制、油氣資源評(píng)價(jià)基礎(chǔ)的理解,也加深對(duì)油源對(duì)比基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的理解。

1 地質(zhì)背景

與渤海灣盆地一致,渤南洼陷沙三段下部為水進(jìn)體系域、深湖—半深湖相沉積,巖性以深灰—黑色或褐灰色塊狀泥巖、含灰質(zhì)或灰質(zhì)層狀泥巖或頁巖為主,還有褐灰色油頁巖,夾少量灰色石灰?guī)r及白云巖(如羅69井,圖1),是主力陸相烴源巖層段。該時(shí)期浮游生物極為繁盛,溝鞭藻類、疑源類、介形類及魚等遺體化石豐富,且往往順層分布,形成夾于泥質(zhì)紋層中間的有機(jī)質(zhì)富集層[15]。有機(jī)質(zhì)含量豐富的泥頁巖厚度一般大于300 m,頁巖厚度為150～200 m[16]。取芯段進(jìn)行了大量基礎(chǔ)地球化學(xué)分析,有機(jī)碳含量大多分布在2.0%～8.0%,有機(jī)質(zhì)類型以 Ⅰ、 Ⅱ1型為主, 現(xiàn)今埋藏深度在2 900～3 300 m,Ro值為0.7%～0.8%,剛好處于生油門限之內(nèi)。圖1代表的是渤南洼陷主力烴源巖,是渤海灣盆地典型烴源巖,也是目前頁巖油研究的重點(diǎn)層位和區(qū)域。陸相烴源巖中塊狀、層狀還是紋層狀有利于排烴,一直是石油地質(zhì)界未搞清楚的問題,羅69井巖心為本研究提供了很好的機(jī)遇。

2 樣品與實(shí)驗(yàn)

羅69井在沙三段下部進(jìn)行了比較完整的取芯,選擇了有機(jī)質(zhì)豐度較高的塊狀泥巖、層狀泥巖和紋層狀泥巖(頁巖)3種樣品(表1和圖2)。它們從巖性和有機(jī)質(zhì)性質(zhì)上代表了湖相烴源巖[17],同時(shí)Gale等認(rèn)為它們的排烴機(jī)制有差異[18],即頁理發(fā)育的烴源巖發(fā)育層間縫隙不易形成微裂縫,所以液態(tài)烴排出量相對(duì)少[19]。

在生排烴模擬之前,對(duì)樣品進(jìn)行熱解、有機(jī)碳和可溶有機(jī)質(zhì)抽提,結(jié)果見表2。可以看出,3塊樣品有機(jī)質(zhì)豐度比較高,有機(jī)質(zhì)類型均為I型,可溶有機(jī)質(zhì)含量在0.63%～1.36%(說明已經(jīng)處于液態(tài)烴生成階段)。還對(duì)樣品進(jìn)行了薄片、熒光薄片和掃描電鏡觀察。在自行設(shè)計(jì)的熱壓模擬裝置中進(jìn)行了液態(tài)烴的生排烴模擬實(shí)驗(yàn),裝置由高壓釜、加熱爐、加壓系統(tǒng)、控溫系統(tǒng)、氣體收集系統(tǒng)組成(圖3)。溫度程序升溫可達(dá)650 ℃,壓力可達(dá)80 MPa。將樣品制成直徑約1.8 cm、高約0.5 cm的圓柱體,將同一樣品的3個(gè)圓柱體裝入內(nèi)徑為2.0 cm的高壓釜,進(jìn)行加水熱模擬實(shí)驗(yàn);模擬后漂浮在水上、附著在高壓釜內(nèi)的液態(tài)烴即是烴源巖生烴過程中排出的液態(tài)烴,將其收集稱量得到排油量;3個(gè)圓柱體巖樣分別用于提取滯留烴、磨制熒光薄片和電鏡觀察。本實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖遣槊魃推趦?nèi)泥質(zhì)烴源巖的生排烴過程,所以設(shè)定的有機(jī)質(zhì)成熟度Ro分別為0.7%、0.8%、0.9%、1.0%和1.1%,對(duì)應(yīng)的模擬溫度分別為345、370、390、420和440 ℃[20]。

對(duì)排出油和滯留油進(jìn)行了飽和烴色譜和色譜質(zhì)譜分析,探討了不同巖性烴源巖生排烴過程和差別,依據(jù)烴源巖生油率、排油率和含油率,建立不同巖性烴源巖生油和排油模型。

圖2 模擬實(shí)驗(yàn)樣品照片F(xiàn)ig.2 Photos showing samples for hydrocarbon generation and expulsion stimulation

編號(hào)S1/(mg·g-1)S2/(mg·g-1)Tmax/℃TOC/%有機(jī)質(zhì)類型主峰碳Pr/PhOEP抽提有機(jī)質(zhì)含量/% L69-13.1712.394403.24IC230.971.240.93 L69-24.9419.174405.93IC240.510.811.11 L69-52.7542.324427.72IC180.630.861.36

圖3 油氣成因熱模擬實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Fig.3 Sketch showing thermal stimulation apparatus for hydrocarbon generation and expulsion

3 結(jié)果及其分析

3.1 三種巖性烴源巖生排油數(shù)量

通過實(shí)驗(yàn)得到了不同巖性烴源巖在主要生油期單位有機(jī)碳液態(tài)烴和氣態(tài)烴生成量、液態(tài)烴排出量和滯留量(表3)。

表3 不同巖性烴源巖液態(tài)烴生成、排出和滯留率與成熟度關(guān)系及氣態(tài)烴生成率Table 3 Hydrocarbon generations, expelled and remaining liquid hydrocarbons from / in different lithological source rocks at different thermal maturities %

注:參數(shù)1—液態(tài)烴生成量,mg/g;參數(shù)2—液態(tài)烴排出量,mg/g;參數(shù)3—液態(tài)烴滯留量,mg/g;參數(shù)4—?dú)鈶B(tài)烴生成量,mL/g。

3.1.1 塊狀泥質(zhì)烴源巖

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,塊狀泥質(zhì)烴源巖液態(tài)烴生成量、液態(tài)烴排出量、液態(tài)烴滯留量和氣態(tài)烴生成量相對(duì)比較高(圖4)。模擬溫度為420 ℃(Ro約為1.0%),均出現(xiàn)了液態(tài)烴生成和排出量高峰(分別為424.1和329.9 mg/g),此時(shí)液態(tài)烴排出率達(dá)到77.8%。而成熟度Ro為0.8%時(shí)(模擬溫度370 ℃),液態(tài)烴產(chǎn)量為357.6 mg/g,液態(tài)烴排出量為141.8 mg/g(液態(tài)烴排出率僅為53.7%),此時(shí)液態(tài)烴滯留量為165.8 mg/g,也是滯留液態(tài)烴最高峰(即液態(tài)烴滯留率為46.3%)。當(dāng)Ro>0.9%時(shí),氣態(tài)烴產(chǎn)量快速增加,可能是導(dǎo)致液態(tài)烴排出量快速增加和液態(tài)烴滯留量下降的直接因素。

3.1.2 層狀泥質(zhì)烴源巖

圖4 塊狀泥質(zhì)烴源巖(L69-1樣品)油氣生成、液態(tài)烴排出、液態(tài)烴滯留量與模擬溫度關(guān)系Fig.4 Curves showing quantities of hydrocarbon generations, liquid hydrocarbon expulsions and liquid hydrocarbon retentions from/in massive muddy source rocks (sample L69-1) at different thermal maturities

圖5 層狀烴源巖(L69-2樣品)液態(tài)烴和氣態(tài)烴生成、液態(tài)烴排出和滯留曲線Fig.5 Curves showing quantities of hydrocarbon generations, liquid hydrocarbon expulsions and liquid hydrocarbon retentions from/in massive muddy source rocks (sample L69-2) at different thermal maturities

對(duì)比層狀烴源巖(L69-2樣品)與塊狀烴源巖樣品(L69-1)的液態(tài)烴和氣態(tài)烴生成曲線(圖4和圖5),可以看出,它們的有機(jī)質(zhì)類型和生烴潛力基本相似,但是液態(tài)烴排出和滯留曲線存在差別。因?yàn)閷訝罱Y(jié)構(gòu)的存在,導(dǎo)致液態(tài)烴排出滯后的現(xiàn)象(與塊狀烴源巖相比):當(dāng)Ro<0.8%時(shí),液態(tài)烴排出量小于液態(tài)烴滯留量,當(dāng)Ro>0.9%時(shí),液態(tài)烴排出量大于滯留量;總體看,層狀烴源巖液態(tài)烴排出量小于塊狀烴源巖,最高液態(tài)烴排出率為55.5%。

3.1.3 紋層狀泥質(zhì)烴源巖

紋層狀烴源巖(L69-5)油氣生成曲線與上述塊狀和層狀烴源巖也很相似(對(duì)比圖4～6),說明選擇的樣品在排烴研究上具有可比性。與層狀烴源巖相比,紋層狀烴源巖的滯留液態(tài)烴的能力有所增加,滯留液態(tài)烴可達(dá)204.8 mg/g;在液態(tài)烴生成高峰期(Ro為0.9～1.0%),液態(tài)烴排出率最高為52.8%,比前兩種烴源巖進(jìn)一步下降。

圖6 紋層狀烴源巖(L69-5樣品)液態(tài)烴和氣態(tài)烴生成、液態(tài)烴排出和滯留曲線Fig.6 Curves showing quantities of hydrocarbon generations, liquid hydrocarbon expulsions and liquid hydrocarbon retentions from/in massive muddy source rocks (sample L69-5) at different thermal maturities

3.2 三種巖性烴源巖模擬前后熒光薄片分析

針對(duì)3種巖性烴源巖排烴情況的差異,對(duì)這些樣品進(jìn)行了熒光薄片分析(圖7),試圖分析泥質(zhì)巖內(nèi)的層狀結(jié)構(gòu)對(duì)液態(tài)烴的滯留問題,因?yàn)闊晒獾念伾桶l(fā)光強(qiáng)度可以表征巖樣內(nèi)烴類的特征。

將生排烴模擬前的烴源巖樣品熒光照片(圖7上排)和模擬后的熒光照片(圖7下排)對(duì)比。由圖7可以看出:

(1)塊狀烴源巖樣品模擬實(shí)驗(yàn)前礦物質(zhì)均勻分布、不顯示任何層理,可見少量的橙褐色熒光點(diǎn)及藍(lán)色或褐色熒光點(diǎn),裂縫中僅有少量熒光顯示(圖7(a));模擬后可見明顯的裂縫、并且充填淺藍(lán)色熒光油質(zhì)瀝青,在均勻分布的礦物基質(zhì)中可見亮橙色熒光斑點(diǎn)(圖7(a′)),說明液態(tài)烴排出比較均一。

(2)層狀烴源巖樣品模擬前,可見灰質(zhì)條帶和泥質(zhì)條帶間零星的膠質(zhì)瀝青的橙黃色熒光顯示,在方解石和泥質(zhì)基質(zhì)內(nèi)也可見零星熒光顯示(圖7(b));模擬后可見順層分布的藍(lán)色細(xì)長熒光和大量橙色熒光點(diǎn),結(jié)核狀方解石表面也發(fā)熒光,當(dāng)模擬溫度高于390 ℃時(shí),可見新生的微裂縫,并且充填有藍(lán)色熒光的油質(zhì)瀝青,方解石條帶橙色熒光非常明顯,泥質(zhì)層與與方解石層間充填藍(lán)色熒光,說明層狀烴源巖有集中的油質(zhì)瀝青分布,導(dǎo)致液態(tài)烴排出率相對(duì)塊狀烴源巖下降(圖7(b′))。

圖7 三種巖性烴源巖生排烴模擬實(shí)驗(yàn)前后熒光薄片特征Fig.7 Fluorescence photos of three samples before and after the stimulations of hydrocarbon generations and expulsions

(3)紋層狀烴源巖生排烴模擬前,可見方解石紋層和灰質(zhì)紋層間少量橙褐色熒光(為瀝青質(zhì)-膠質(zhì)瀝青,圖7(c));當(dāng)模擬溫度為390 ℃時(shí),泥質(zhì)紋層和灰質(zhì)紋層間出現(xiàn)藍(lán)色熒光(油質(zhì)瀝青),方解石間橙褐色熒光形成網(wǎng)絡(luò)狀,說明紋層狀烴源巖滯留液態(tài)烴能力也較強(qiáng)(圖7(c′))。

4 三種巖性烴源巖排出和滯留的液態(tài)烴組成

在對(duì)滯留和排出的液態(tài)烴進(jìn)行定量同時(shí),還對(duì)其飽和烴進(jìn)行了氣相色譜分析,得到不同巖樣烴源巖生成和排出的液態(tài)烴組成的異同。

4.1 液態(tài)烴生成階段飽和烴含量變化

生排烴模擬實(shí)驗(yàn)以后,對(duì)排出和滯留液態(tài)烴進(jìn)行了飽和烴相對(duì)含量分析(表4),發(fā)現(xiàn)塊狀烴源巖排出和滯留的液態(tài)烴飽和烴含量在45%～50.5%,說明塊狀烴源巖對(duì)液態(tài)烴的排出選擇性較弱;層狀和紋層狀烴源巖排出的飽和烴相對(duì)含量比塊狀烴源巖低,而它們的滯留液態(tài)烴飽和烴含量相對(duì)更低一些,說明這兩種巖性烴源巖液態(tài)烴排出具有一定的選擇性。

表4 三種巖性烴源巖不同成熟度排出和滯留飽和烴相對(duì)含量Table 4 Percentages of saturated hydrocarbon in expulsive hydrocarbons and in rententioned hydrocarbons in the three lithological source rocks %

4.2 液態(tài)烴生成階段飽和烴組成變化

由生排烴模擬實(shí)驗(yàn)得到的排出和滯留液態(tài)烴飽和烴色譜圖可以明顯看出(圖8):

(1)塊狀烴源巖排出和滯留液態(tài)烴飽和烴色譜特征相似,只是前者正構(gòu)烷烴主峰為C-20、后者為C-23,說明塊狀烴源巖排烴的選擇性很小(圖8(a)、(a′));

(2)層狀和紋層狀烴源巖排出液態(tài)烴的低碳數(shù)正構(gòu)烷烴明顯多于滯留液態(tài)烴,正構(gòu)烷烴主峰碳為C-15或C-16、而滯留液態(tài)烴飽和烴主峰碳為C-25或C-26,明顯地反映了層狀和紋層狀烴源巖具有選擇性的排烴作用。

3種巖性烴源巖不同成熟度的排出和滯留液態(tài)飽和烴色譜參數(shù)見表5。

由表5可見,輕質(zhì)組分較重質(zhì)組分更容易排出,反映成熟度和沉積環(huán)境的參數(shù)OEP和Pr/Ph等并無明顯變化,紋層狀烴源巖排出液態(tài)烴與滯留液態(tài)烴的輕、重組分的分餾現(xiàn)象最明顯。

圖8 不同巖性烴源巖成熟度為0.9%時(shí)排出與滯留液態(tài)烴飽和烴色譜Fig.8 Chromatographs of saturated hydrocarbons in expelled hydrocarbons and in remaining hydrocarbons from/in three different lithological source rocks at thermal maturity of Ro equal to 0.9%

樣品性質(zhì)成熟度Ro/%液態(tài)烴產(chǎn)狀主峰碳∑C21-/∑C22+∑C21-(%)/總烴OEPPr/Ph塊狀烴源巖層狀烴源巖紋層狀烴源巖0.70.80.91.01.10.70.80.91.01.10.70.80.91.01.1排出C-230.920.591.231.22滯留C-250.310.221.240.89排出C-200.490.170.841.04滯留C-230.490.201.530.88排出C-230.790.201.091.10滯留C-202.360.570.860.37排出C-231.060.151.211.56滯留C-225.070.960.980.25排出C-191.060.761.001.30滯留C-221.130.590.920.26排出C-161.952.050.930.59滯留C-240.560.390.790.44排出C-201.210.910.840.51滯留C-220.480.300.900.55排出C-151.380.701.020.58滯留C-240.500.231.150.92排出C-151.360.461.000.68滯留C-250.430.361.040.76排出C-163.740.930.960.98滯留C-184.622.150.800.80 排出C-165.022.870.950.61滯留C-220.930.390.840.51排出C-152.412.421.000.60滯留C-250.360.171.060.68排出C-151.521.220.970.71滯留C-220.520.190.930.79排出C-191.130.300.941.15滯留C-240.420.140.930.99排出C-151.280.280.981.14滯留C-232.440.600.800.85

此外,對(duì)部分模擬實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行了排出和滯留液態(tài)烴色-質(zhì)分析,統(tǒng)計(jì)了表征成熟度參數(shù)Ts/Tm、

C29ββ/(ββ+αα)[21],表征水體鹽度參數(shù)γ-蠟烷/C31-藿烷,以及反映運(yùn)移的參數(shù)三環(huán)/五環(huán)、ΣC27/ΣC29等參數(shù)(表6)[22]。可以看出,塊狀烴源巖排出的液態(tài)烴中γ-蠟烷/C31-藿烷參數(shù)是小于滯留液態(tài)烴的,而對(duì)于層狀和紋層狀烴源巖,該參數(shù)是相反的;不同巖性烴源巖排出液態(tài)烴多數(shù)Ts/Tm是高于滯留液態(tài)烴的,C29ββ/(ββ+αα)參數(shù)也是如此;三環(huán)/五環(huán)、ΣC27/ΣC29兩個(gè)參數(shù)在排出液態(tài)烴中高、在滯留液態(tài)烴中低,與烴源巖巖性無直接關(guān)系。

表6 三種巖性烴源巖不同演化階段排出和滯留液態(tài)烴飽和烴色-質(zhì)譜參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 6 Parameters of saturated hydrocarbon chromatograph-mass spetrometry of expulsive hydrocarbons and retentioned hydrocarbons from/in three lithological source rocks at different thermal maturies

5 結(jié) 論

(1)塊狀烴源巖生成的液態(tài)烴排出率比較高,最高可達(dá)77.8%,層狀和紋層狀烴源巖生成的液態(tài)烴排出率低一些,分別為55.5%和52.8%。層狀和紋層狀烴源巖在液態(tài)烴生成過程中礦物層間產(chǎn)生可以滯留液態(tài)烴的縫隙網(wǎng)絡(luò),導(dǎo)致了這兩種巖性的液態(tài)烴排出率下降。

(2)排出和滯留的液態(tài)烴組成上有差別,特別是常用的飽和烴色譜及色-質(zhì)分析差別明顯:液態(tài)烴中輕組分排出的較多(10%～20%),正構(gòu)烷烴主峰碳比滯留液態(tài)烴前移2～5位,反映運(yùn)移的生物標(biāo)志物參數(shù)比滯留液態(tài)烴高20%以上。這些差別在油源對(duì)比中值得考慮,否則會(huì)出現(xiàn)非正常的結(jié)果。

致謝勝利油田勘探開發(fā)研究院幫助做了研究過程中的部分分析測(cè)試工作,在此表示誠摯的謝意。