地球化學錄井原理及圖譜研究

楊毅,袁勝斌,郭東明

(中法渤海地質(zhì)服務有限公司,天津 300452)

地球化學錄井可以在隨鉆過程中對烴源巖有效性和儲集層流體進行評價,為油氣水解釋和石油地質(zhì)研究提供基礎數(shù)據(jù)[1]。地球化學錄井技術已經(jīng)歷了近半個世紀的發(fā)展,從定性分析儲層含烴量,到油氣水解釋,目前已應用于儲層評價領域[2]。自地球化學分析技術引入到各油田單位的錄井作業(yè)中以來,積累了大量的地化分析數(shù)據(jù),但現(xiàn)有分析過程相對粗糙,評價方法單一。本文擬從地球化學原理分析入手,開展地球化學錄井解釋圖譜對比研究,以期為地球化學錄井解釋應用提供借鑒。

1 地球化學錄井概念及相關技術

目前,地化錄井主要有巖石熱解分析和氣相色譜分析(包括熱蒸發(fā)烴氣相色譜、輕烴氣相色譜、全二維輕烴氣相色譜等),其中輕烴主要用于泥漿氣,熱解分析、熱蒸發(fā)烴主要針對巖樣。石油是由大量烴類和非烴物質(zhì)組成的天然有機混合物,其中的膠質(zhì)等大分子化合物在溫度升高時會發(fā)生熱裂解形成小分子,因此在熱解過程中可裂解汽柴油、煤油等不同的烴類物質(zhì)[3]。

1.1 巖石熱解技術

1.1.1 分析原理及方法

巖石熱解技術的基本過程為:將巖樣置于可控升溫反應爐中,通過分階段加熱的方法,將地層原始烴類升溫從而產(chǎn)生熱蒸發(fā)甚至熱裂解。在此過程中形成的氣態(tài)烴類物質(zhì),在載氣的幫助下進入氫火焰色譜柱分析,通過檢測色譜柱輸出的電流信號來分析氣態(tài)烴類物質(zhì)的數(shù)量和類型,最終得到不同組分烴類的數(shù)量和熱解溫度情況。具體的分析方法包括五峰分析技術(周期Ⅰ分析法)和三峰分析技術(周期Ⅱ分析法)。

1.1.1.1 三峰分析技術(周期Ⅱ分析法)

主要采用把樣品中的原油分為3種組分的分析方法,如表1所示。

表1 巖石熱解三峰分析周期表

1.1.1.2 五峰分析技術(周期Ⅰ分析法)

主要采用把樣品中的原油分為5種組分的分析方法,如表2所示。

表2 巖石熱解五峰分析周期表

1.1.2 巖石熱解參數(shù)及其意義

1.1.2.1 “三峰法”分析參數(shù)

S0:從開始升溫到90 ℃區(qū)間由儀器檢測到的烴含量,相當于氣態(tài)烴成分,mg/g;

S1:從90 ℃升溫到300 ℃區(qū)間由儀器檢測到的烴含量,相當于液態(tài)烴成分,mg/g;

S2:從300 ℃升溫到600 ℃區(qū)間由儀器檢測到的烴含量,mg/g;

S4:一般指的是儲層樣品熱解后檢測到的烴含量,為殘余有機碳含量,mg/g;

其中Tmax為S2的峰值對應的溫度,一般與有機質(zhì)中干酪根的熱成熟度有關,℃。

1.1.2.2 “五峰法”分析參數(shù)

包括5個分析參數(shù)S0、S1、S21、S22、S23和4個計算參數(shù)P1、P2、P3、P4。

S0:從開始升溫到90 ℃區(qū)間由儀器檢測到的烴含量,與“三峰法”中的S0相同含義mg/g;

S1:在200 ℃時檢測的單位質(zhì)量儲集巖中的烴含量,mg/g;

S21:在200 ～350 ℃檢測的單位質(zhì)量儲集巖中的烴含量,mg/g;

S22:在350 ～450 ℃檢測的單位質(zhì)量儲集巖中的烴含量,mg/g;

S23:在450 ～600 ℃由儀器檢測到的烴含量,mg/g。

“三峰”和“五峰”周期溫度時序圖見圖1。

1.1.2.3 用于儲層含油氣性評價的相關參數(shù)

在分析評價儲層含油性時,除應用“三峰法”和“五峰法”獲得的一系列直接參數(shù)之外,還可以利用一系列數(shù)學模型得到一些衍生參數(shù),其中有下列9個衍生參數(shù)常用于儲層含油氣性的評價:

1)1個含油氣總量相關指數(shù):

PG(含油氣總量):PG=S0+S1+S2(三峰法)

(1)

或PG=S0+S1+S21+S22+S23(五峰法)

(2)

式中,PG,mg/g。

2)4個含油氣性相關指數(shù):

P1(凝析油)、P2(輕質(zhì)原油)、P3(中質(zhì)原油)、P4(重質(zhì)原油),均為無量綱,據(jù)五峰法分析參數(shù)計算。

3)4個油氣產(chǎn)量指數(shù):

GPI(氣產(chǎn)率)、OPI(油產(chǎn)率)、TPI(總產(chǎn)率),均為無量綱,據(jù)三峰法和五峰法分析參數(shù)計算。

HPI(重烴及瀝青質(zhì)膠質(zhì)含量):HPI=S2/(S0+S1+S2)

(3)

4)1個反映原油輕重組分的相關指數(shù)Ps1:

Ps1=S1/S2

(4)

式中,Ps1無量綱,據(jù)三峰法分析參數(shù)計算。

輕重比Ps:

Ps=(S0+S1)/S2

(5)

儲層的地化亮點值M:

M=(S0+S1)/S2×Pg=Ps×Pg

(6)

1.1.2.4 烴源巖評價計算參數(shù)

同理,烴源巖評價,除應用三峰法(周期Ⅱ)分析參數(shù)S0、S1、S2、S4、Tmax、Rc外,還可經(jīng)一定的數(shù)學計算,得出7個評價烴源巖重要性和有效性的計算參數(shù)。

1)有機質(zhì)豐度評價參數(shù):

生烴潛量Pg:

Pg=S0+S1+S2

(7)

有效碳PC:

PC=0.083Pg

(8)

產(chǎn)率指數(shù)PI:

PI=S1/(S1+S2)

(9)

總有機碳TOC:

TOC=PC+RC=0.083Pg+S4/10

(10)

降解潛率D:

D=100PC/TOC

(11)

類型指數(shù)TI:

TI=S2/S3

(12)

式中,S3為二氧化碳峰,mg/g。

可采用生烴潛量Pg的高低對烴源巖進行評價,標準如表3所示。

表3 烴源巖的熱解評價標準

2)有機質(zhì)類型評價參數(shù):

烴指數(shù)IHC:

IHC=100S1/TOC

(13)

氫指數(shù)IH:

IH=100S2/TOC

(14)

氧指數(shù)IO:

IO=100S3/TOC

(15)

式中,IHC、IH、IO分別為烴指數(shù)、氫指數(shù)、氧指數(shù),mg/g。

可根據(jù)降解潛率和氫指數(shù)劃分干酪根類型,如表4所示。

表4 利用降解潛率和氫指數(shù)劃分干酪根類型

1.2 熱蒸發(fā)烴氣相色譜技術

熱蒸發(fā)烴氣相色譜技術也稱為飽和烴氣相色譜分析技術、熱解氣相色譜。

1.2.1 分析原理

熱解氣相色譜本身是一項非常成熟的地球化學分析方法,因為氣相色譜技術可以把混合狀態(tài)的氣相物質(zhì)進行不同組分的分離,所以在生產(chǎn)和科研工作中應用非常廣泛。當巖樣被冷溶或者加溫蒸發(fā)后,巖樣中賦存的烴類物質(zhì)被載氣攜帶進色譜柱中,由于各組分在固定相中的溶解或被吸附能力各有差異,因此氣態(tài)組分在固定相和流動相之間反復分配的過程中產(chǎn)生分異,體現(xiàn)在不同組分的運移速率不同,進入色譜柱之后不同組分發(fā)生自然分異,當不同組分從色譜柱中先后離開并進入檢測模塊后,由監(jiān)測模塊產(chǎn)生的離子流信號被放大,最終由電腦將不同組分的信號峰強度和時間記錄下來。因為氣相色譜可以分析油氣物質(zhì)中不同的烴類組分類型和相對數(shù)量,因此可廣泛用于油氣儲層含油氣性的定性以及定量評價。目前錄井行業(yè)使用的氣相色譜分析方法一般進行飽和烴的分析,可以在作業(yè)現(xiàn)場得到熱解最高溫300 ℃以前的所有飽和烴組分信息[4]。

1.2.2 分析方法

所謂的熱蒸發(fā)是描述將巖樣中的非氣態(tài)烴類轉(zhuǎn)化為氣態(tài)烴類的加熱過程。在實際操作過程中,這一加熱過程一般將最高溫度控制在350 ℃以下,因為超過這一溫度時可能會發(fā)生油母質(zhì)成分的降解。

色譜參數(shù)設置:一般熱解爐口的最高溫度為300 ℃,氫火焰離子化檢測模塊(FID)的最高分析溫度為310 ℃,色譜柱初始溫度為100 ℃,加熱后以10 ℃/min的升溫速率上升至300 ℃,并恒溫運行至少25 min,隨后完成整個分析流程。在分析過程中,一般使用氮氣作為烴組分流動的載氣,以氫氣作為烴組分燃燒的助燃氣體,以空氣作為動力氣體和助燃氣體,分析完后以氮氣作為吹掃氣體。

利用熱解氣相色譜可以分析得到樣品中碳9至碳37分布的烷烴、植烷和姥鮫烷等不同組分的相對占比,如圖2所示,以出峰時間為橫坐標、響應信號為縱坐標可繪制色譜分析譜圖。

圖2 氣相色譜分析譜圖

1.2.3 主要參數(shù)

1)色譜主峰的碳數(shù)分布特征Cmax:一般使用色譜峰圖中質(zhì)量分數(shù)占比最大的正構(gòu)烷烴來表征主峰碳數(shù)。主峰碳數(shù)與有機質(zhì)中生油母質(zhì)的不同類型、有機質(zhì)成熟度有關,反映了烴類物質(zhì)的相對輕重程度。相對而言,以藻類為主要生油母質(zhì)的烴類主峰碳數(shù)一般偏小,而以陸源高等植物為主要生油母質(zhì)的烴類主峰碳數(shù)一般偏大。在有機質(zhì)埋藏之前,生物體內(nèi)正構(gòu)烷烴的偶數(shù)碳低于奇數(shù)碳,有著非常顯著的奇偶分布特征。而有機質(zhì)成熟度不斷升高后,這種奇偶分布特征將不斷消減,直至無限趨近于1。

2)∑nC21-/∑nC22+:指的是碳數(shù)小于等于21的正烷烴與碳數(shù)大于等于22的正烷烴質(zhì)量分數(shù)之比,可以反映有機質(zhì)熱演化程度,與生油母質(zhì)類型和烴類性質(zhì)有關。

3)(nC21+nC22)/(nC28+nC29):兩組不同特征碳數(shù)的正烷烴質(zhì)量分數(shù)之比。由于海生生物來源烴類的正烷烴碳數(shù)以碳21和碳22為主,而陸源植物來源烴類的正烷烴碳數(shù)以碳28和碳29為主,因此該參數(shù)可用于區(qū)分有機質(zhì)的生油母質(zhì)來源。統(tǒng)計結(jié)果表明,由陸源有機質(zhì)組成的生油巖及其形成的原油,該參數(shù)比值一般為0.6～1.2,由海洋有機質(zhì)組成的生油巖及其形成的原油該參數(shù)一般大于1.5。需要注意的是,使用該參數(shù)時需要參考有機質(zhì)成熟度的分布情況。

4)姥植比:即姥鮫烷與植烷的相對質(zhì)量分數(shù)之比,這一參數(shù)與有機質(zhì)成熟度和有機質(zhì)生油母質(zhì)來源有關。有機質(zhì)成熟度越高,姥植比越大。一般陸源有機質(zhì)的姥植比大于1,海洋有機質(zhì)的姥植比小于1。

5)類似的特征峰比值參數(shù),還有Pr/nC17、Ph/nC18等,這些參數(shù)一般與有機質(zhì)成熟相關,在油氣成藏研究中可用于油氣運移示蹤。

2 地球化學錄井圖版

2.1 3種常用的地化錄井圖版

現(xiàn)在常用的地化錄井資料解釋圖版大都基于各種參數(shù)的交會比值分析,前人提出的圖版分析方法可以概括為以下三種類型:

1)基于可溶烴含量和含油氣總量的交會圖版。前已述及,通過熱解氣相色譜可以獲得分別反映不同氣液態(tài)和中烴的相對含量,以及儲層樣品中含烴物質(zhì)的總體質(zhì)量。利用這種不同組分的相對含量比值,以及含烴類物質(zhì)的總量,二者的交會投點特征即可較好地反映樣品烴類的特征,這也是最常用的地化錄井資料解釋策略。

2)單參數(shù)解釋方法。在應用熱解氣相色譜數(shù)據(jù)進行儲層油質(zhì)類型分析時,使用S1、S2值的變化,可以較為方便地區(qū)分重質(zhì)油與非重質(zhì)油,而輕質(zhì)油與中質(zhì)油不易區(qū)分。由此提出了基于不同烴類百分數(shù)計算得到的地化亮點參數(shù),該參數(shù)可表征為(S0+S1)/S2×PG。

3)色譜圖峰面積特征識別方法。當儲層含水時,色譜峰的未分辨峰面積將顯著增大,有觀點認為這種未分辨峰面積的占比與儲層含水量直接相關,可以利用未分辨峰面積除以總峰面積,這個比值用來分析儲層含水的情況。

2.2 其他的數(shù)學分析方法

主要采用統(tǒng)計分析、聚類、模糊數(shù)學及神經(jīng)網(wǎng)絡等方法[5]。數(shù)學方法的應用主要有三點用途:第一,可以融合多參數(shù)進行判別函數(shù)的建立,相比圖版法一般只采用2～3個參數(shù),數(shù)學方法在理論上對參數(shù)個數(shù)沒有限制,在需要的情況下可以全面結(jié)合地化錄井資料的多項參數(shù)進行判斷。第二,可以對圖版法的分區(qū)進行精細刻畫;當運用圖版法找到規(guī)律時,簡單的矩形分區(qū)或者回歸分區(qū)可能還不夠精細,運用數(shù)學方法的多次迭代或收斂能達到精益求精的效果,使圖版解釋準確率更高。第三,當某些層位運用圖版法和形態(tài)法難以發(fā)現(xiàn)規(guī)律時,還能用聚類的方法指引思路;當最終仍無法突破時,可以從實用的角度出發(fā),采用如BP神經(jīng)網(wǎng)絡、馬爾科夫鏈等數(shù)學模型對地化錄井資料進行未知分類方面的探索。