基于巖石熱解參數(shù)圖版的烴源巖內(nèi)部排烴效率計(jì)算方法

張冬梅，張延延，郭雋菁，胡守志，李水福

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢) 資源學(xué)院，武漢 430074；2.中國(guó)石油集團(tuán) 測(cè)井有限公司 新疆分公司，烏魯木齊 831511)

排烴作用是指油氣的初次運(yùn)移，即烴類從烴源巖運(yùn)移到儲(chǔ)集巖的過程，它是油氣成藏過程中的重要地質(zhì)作用之一[1]，也是連接生烴與成藏的重要紐帶[2-6]。排烴效率是排烴研究中的一個(gè)關(guān)鍵地質(zhì)參數(shù)，倍受人們關(guān)注[7-11]。排烴效率的高低不僅影響常規(guī)油氣聚集量，也影響著非常規(guī)油氣的富集程度[12-13]，是常規(guī)與非常規(guī)油氣資源評(píng)價(jià)的關(guān)鍵[14-16]。因此，如何準(zhǔn)確計(jì)算烴源巖排烴效率，對(duì)油氣聚集成藏具有重要的理論意義和實(shí)際價(jià)值。目前排烴效率的計(jì)算有很多種方法，而這些方法或是與實(shí)際地質(zhì)條件有偏差，或是地質(zhì)參數(shù)獲取比較困難，或是計(jì)算過程比較復(fù)雜[7]。其中，原始生烴潛力恢復(fù)法是一種比較通用的方法，它是通過選擇典型的含不同有機(jī)質(zhì)類型的未熟烴源巖進(jìn)行熱解法模擬，以獲得不同成熟度下的熱降解率曲線圖版。其優(yōu)點(diǎn)是熱解數(shù)據(jù)和有機(jī)碳含量容易獲得，避免了復(fù)雜的排烴過程模擬；但也正因?yàn)槭沁x擇為數(shù)有限的典型有機(jī)質(zhì)類型樣品，所以一種類型有機(jī)質(zhì)的原始生烴潛量(指數(shù))僅采用同一個(gè)值[17-19]。

然而，烴源巖地球化學(xué)精細(xì)研究表明，陸相烴源巖具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，即使同一類型有機(jī)質(zhì)，其生烴潛量(指數(shù))跨度較大，僅僅用幾個(gè)數(shù)值顯然很難代表/反映一個(gè)地區(qū)所有烴源巖的原始生烴潛量(指數(shù))。盡管CHEN等[20-21]和郭秋麟等[22]采用數(shù)學(xué)公式擬合，但也是將眾多參差不齊的數(shù)據(jù)擬合為一個(gè)原始?xì)渲笖?shù)，顯然也代表不了非均質(zhì)性很強(qiáng)的每個(gè)烴源巖樣品特征。為了使不同特性的烴源巖樣品具有獨(dú)立的原始生烴量值(指數(shù))，本文在原始生烴潛力恢復(fù)法基礎(chǔ)上，介紹一種利用熱解參數(shù)的氫指數(shù)(IH)與最大熱解峰溫(Tmax)劃分有機(jī)質(zhì)類型圖版來恢復(fù)烴源巖原始生烴潛量(指數(shù))的方法，它是原始生烴潛力恢復(fù)法研究排烴效率的一個(gè)補(bǔ)充。

1 排烴效率概念與計(jì)算方法

烴源巖的排烴效率有3個(gè)不同的概念：即相對(duì)排烴效率、絕對(duì)排烴效率和累計(jì)排烴效率[17]。它們相應(yīng)的計(jì)算公式如下[7,23]：

(1)

(2)

(3)

生烴潛力恢復(fù)法計(jì)算的排烴效率為累積排烴效率。

2 熱解圖版法恢復(fù)烴源巖原始生烴潛量

熱解圖版法是指利用巖石熱解分析獲得的參數(shù)——IH與Tmax關(guān)系圖，在已有的有機(jī)質(zhì)類型分界線(稱類型線)和成熟度趨勢(shì)線(成熟度線)基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)分，將IH和Tmax繪圖區(qū)域網(wǎng)格化(圖1)，并定義Ro=0.2%的成熟度線與類型線交點(diǎn)為每個(gè)樣品的原始值。需要說明的是，圖版可在具有縮放功能的軟件中制作，如Surfer12.0版軟件，既可將樣品數(shù)據(jù)投點(diǎn)，又可畫出趨勢(shì)線，并放大追蹤其原始值。

具體做法：(1)將現(xiàn)今樣品熱解分析獲得的IH和Tmax數(shù)據(jù)投點(diǎn)到圖版中，再沿著類型線向左側(cè)追蹤，找到Ro=0.2%的成熟度線，讀出該交點(diǎn)的氫指數(shù)，即為原始?xì)渲笖?shù)；(2)將原始?xì)渲笖?shù)減去現(xiàn)今氫指數(shù)獲得生烴指數(shù)，再減去殘烴指數(shù)，即可得到排烴指數(shù)，生烴指數(shù)與排烴指數(shù)相除的百分?jǐn)?shù)為排烴效率。

具體計(jì)算公式如下：

生烴指數(shù)=原始?xì)渲笖?shù)-現(xiàn)今氫指數(shù)

(4)

排烴指數(shù)=生烴指數(shù)-殘烴指數(shù)

(5)

(6)

圖版說明：(1)圖版類型線的形成。經(jīng)典的IH—Tmax有機(jī)質(zhì)類型劃分圖版[24]只有Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3條類型分界線，國(guó)內(nèi)學(xué)者通過對(duì)我國(guó)不同沉積盆地大量熱解資料統(tǒng)計(jì)，提出了四分法圖版，即在經(jīng)典圖版的Ⅱ型和Ⅲ型分界線之間增加一條新的分界線，并將原來Ⅱ型命名為Ⅱ1型，新加的為Ⅱ2型[25-26]。本圖版的類型線是在此基礎(chǔ)上按照Ⅰ型、Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型變化趨勢(shì)均勻插入多條趨勢(shì)線而成的。(2)圖版成熟度線的形成。同理，圖版成熟度線是在經(jīng)典的IH—Tmax有機(jī)質(zhì)類型劃分圖版[24]中成熟度趨勢(shì)線基礎(chǔ)上，按照它們變化趨勢(shì)均勻插入多條趨勢(shì)線而成的。(3)圖版原始成熟度線的確定。根據(jù)地表鏡質(zhì)體反射率值(一般為Ro=0.2%)確定圖版原始成熟度線，與類型趨勢(shì)線交點(diǎn)的縱坐標(biāo)值即為某樣品點(diǎn)(IH和Tmax決定)的原始?xì)渲笖?shù)值。DOW[27]提出用logRo—H(深度)關(guān)系推到地表的值與0.2%比較來判斷剝蝕量，他將地表處的Ro值定為0.18%～0.2%[27-30]。

圖1 巖石熱解分析參數(shù)圖版 圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)為南襄盆地泌陽凹陷泌頁1井樣品的數(shù)據(jù)點(diǎn)。Fig.1 Parameter chart of Rock-Eval pyrolysis analysis

3 熱解圖版法與人為賦值法對(duì)比

JARVIE 等[18]通過數(shù)據(jù)分析認(rèn)為，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型干酪根的原始?xì)渲笖?shù)值分別為750，450，125，50 mg/g。陳建平等[19]按照烴源巖在未成熟—臨界成熟時(shí)熱解氫指數(shù)劃分有機(jī)質(zhì)類型，即IH<200 mg/g為Ⅲ型，200≤IH<400 mg/g為Ⅱ2型，400≤IH<600 mg/g為Ⅱ1型，IH≥600 mg/g為Ⅰ型，并以150，350，550，750 mg/g代表Ⅲ型、Ⅱ2型、Ⅱ1型和Ⅰ型烴源巖的平均最大生烴量。本文的人為賦值法均采用文獻(xiàn)[19]的賦值計(jì)算。

對(duì)泌陽凹陷泌頁1井的66個(gè)烴源巖熱解分析數(shù)據(jù)，分別用熱解圖版法和人為賦值法計(jì)算出它們的排烴效率(PEE)，并將其分別與代表有機(jī)質(zhì)豐度的TOC、代表有機(jī)質(zhì)類型的IH和代表有機(jī)質(zhì)成熟度的Tmax作圖(圖2)，重點(diǎn)研究排烴效率與有機(jī)質(zhì)ATM特性(有機(jī)質(zhì)豐度Abundance、有機(jī)質(zhì)類型Type、有機(jī)質(zhì)成熟度Maturity)的關(guān)系。

從圖2可以看出，熱解圖版法計(jì)算結(jié)果與有機(jī)質(zhì)ATM特性的相關(guān)性(圖2中A-C)均優(yōu)于人為賦值法(圖2中a-c)。其中，人為賦值法的計(jì)算過程和結(jié)果可能出現(xiàn)負(fù)值，導(dǎo)致排烴效率出現(xiàn)負(fù)值，也可能使排烴效率出現(xiàn)大于100%的現(xiàn)象，但熱解圖版法則不會(huì)出現(xiàn)這種情況(表1)?？梢?，利用熱解圖版法計(jì)算排烴效率更合理一些。

4 與頁巖油富集程度相關(guān)性

在常規(guī)油氣地質(zhì)理論中，排烴效率一般是指一套烴源巖層段，或一個(gè)洼陷，甚至整個(gè)凹陷的總體排烴效率，因此，檢驗(yàn)排烴效率的可靠性，可以用常規(guī)的油氣資源量來反推驗(yàn)證。但是，在本文如果仍用這種方法驗(yàn)證，則就失去了本方法的意義，而又回到原來的原始生烴潛力恢復(fù)法的狀況，即一種類型干酪根只用一個(gè)原始生烴潛力指數(shù)，而獲得的排烴效率也可能是一套烴源巖層，甚至一個(gè)凹陷只有一個(gè)或僅有幾個(gè)排烴效率值。

因此，驗(yàn)證熱解圖版法計(jì)算的烴源巖內(nèi)部排烴效率可靠性，最好的方法是用經(jīng)過排烴作用后殘留在烴源巖中的滯留烴量。但是，滯留烴量不等于頁巖油資源量，只有其中的游離油才對(duì)頁巖油資源有貢獻(xiàn)。所以，不能直接用滯留烴量來衡量頁巖油資源量，目前判斷頁巖油資源的有效指標(biāo)之一是含油飽和指數(shù)(OSI)[31-33]，它是單位質(zhì)量有機(jī)碳所含的游離烴量，即OSI=S1/ω(TOC)。因此，我們對(duì)泌頁1井5號(hào)頁巖層(2 415～2 451 m)的樣品分析，通過研究?jī)煞N計(jì)算方法獲得的排烴效率與頁巖含油飽和指數(shù)的關(guān)系，可以發(fā)現(xiàn)，熱解圖版法的排烴效率與OSI具有較好的對(duì)應(yīng)性(圖3a)。這說明用熱解圖版法計(jì)算的排烴效率，在一定程度上可以反映烴源巖內(nèi)部的頁巖油富集情況。而人為賦值法的排烴效率與OSI的變化幾乎無規(guī)律，而且很多排烴效率為負(fù)值，更有超過100%者(圖3b)，這顯然很不合理。

圖2 南襄盆地泌陽凹陷泌頁1井烴源巖排烴效率與有機(jī)質(zhì)特性(ATM)的關(guān)系(兩種排烴效率計(jì)算方法對(duì)比) 圖a—c為人為賦值法計(jì)算結(jié)果，A—C為熱解圖版法計(jì)算結(jié)果。Fig.2 Correlation between hydrocarbon expulsion efficiency and organic matter characteristics (ATM) of well BYHF 1, Biyang Sag, Nanxiang Basin

表1 南襄盆地泌陽凹陷泌頁1井烴源巖內(nèi)部排烴效率Table 1 Internal expulsion efficiency of source rock of well BYHF 1, Biyang Sag, Nanxiang Basin

續(xù)表1

圖3 南襄盆地泌陽凹陷泌頁1井5號(hào)頁巖層不同方法計(jì)算的排烴效率與頁巖油富集程度吻合性Fig.3 Correlation between hydrocarbon expulsion efficiency calculated by different methods and shale oil enrichment degree for No.5 shale layer, well BYHF1, Biyang Sag, Nanxiang Basin

5 結(jié)論

(1)準(zhǔn)確計(jì)算烴源巖排烴效率，對(duì)常規(guī)和非常規(guī)油氣聚集都非常重要，但現(xiàn)行計(jì)算方法中，或是地質(zhì)參數(shù)獲取比較困難，或是計(jì)算過程比較復(fù)雜。其中，原始生烴潛力恢復(fù)法雖有參數(shù)易于獲取的優(yōu)點(diǎn)，但也有一種類型有機(jī)質(zhì)的原始生烴潛力僅有一個(gè)且是人為賦值的不足。在氫指數(shù)與最大熱解峰溫關(guān)系劃分有機(jī)質(zhì)類型的經(jīng)典圖版基礎(chǔ)上,將有機(jī)質(zhì)類型分界線和成熟度趨勢(shì)線均勻插值網(wǎng)格化的圖版法，其參數(shù)獲取相對(duì)合理,計(jì)算過程較為簡(jiǎn)單，是原始生烴潛力恢復(fù)法的修正和補(bǔ)充。

(2)通過泌陽凹陷泌頁1井66個(gè)烴源巖的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，重點(diǎn)研究了排烴效率與有機(jī)質(zhì)ATM特性以及頁巖油富集程度的關(guān)系。結(jié)果表明，與人為賦值法相比，熱解圖版法獲得的排烴效率與有機(jī)質(zhì)ATM特性更具規(guī)律性，與頁巖油富集程度(OSI)的吻合度較高，而且計(jì)算結(jié)果不會(huì)出現(xiàn)負(fù)值和排烴效率大于100%的現(xiàn)象。由此可見，熱解圖版法計(jì)算烴源巖內(nèi)部排烴效率比較合理可行。