海相干酪根天然气生成成熟度上限与生气潜力极限探讨

论 文

第52卷 增刊Ⅰ 2007年9月

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海相干酪根天然气生成成熟度上限与生气潜力

极限探讨

——以塔里木盆地研究为例

陈建平①② 赵文智① 王招明③ 张水昌①② 邓春萍①② 孙永革④ 肖中尧③

(① 中国石油勘探开发研究院, 北京 100083; ② 中国石油天然气集团公司油气地球化学重点实验室, 北京 100083; ③ 中国石油塔里

木油田分公司勘探开发研究院, 库尔勒 841000; ④ 中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家

重点实验室, 广州 510640. E-mail: chenjp@)

摘要 塔里木盆地海相寒武系—奥陶系烃源岩的热解、干酪根元素、高温热解气相色谱及黄金管封闭热模拟实验揭示, 海相Ⅰ, Ⅱ型干酪根的天然气生成成熟度上限或“生气死亡线”为镜质体反射率3.0%; 以煤为代表的Ⅲ型有机质的“生气死亡线”最高可达镜质体反射率10%. 不同类型有机质生成天然气的极限量存在明显差别. 干酪根元素物质平衡法计算, 海相Ⅱ型干酪根在R o >1.5%以后演化阶段的生气量极限小于185 m 3/t(TOC), 不足其总生烃量的30%; 在R o >2.0%演化阶段的生气量极限小于110 m 3/t(TOC), 不足其总生烃量的20%. 岩石热解法获得的相同演化阶段天然气生成量仅为干酪根元素质量平衡法计算值的1/10左右. 黄金管封闭高温高压热模拟和高温热解方法获得的生气量介于两者之间, 镜质体反射率1.3%以后的生气量极限为60~90 m 3/t(TOC). 岩石热解法获得的生气量是最小生气潜力, 而干酪根元素质量平衡法获得的生气量是其极限生气潜力, 实际生气量应低于元素质量平衡法计算出来的生气量极限.

关键词 海相烃源岩 干酪根 成熟度 天然气 生气死亡线 生气潜力极限

2006-12-20收稿, 2007-05-08接受

国家重点基础研究发展计划项目(批准号: 2001CB209100)和国家“十五”科技攻关项目(批准号: 2004BA616A020-01-01)资助

中国海相沉积地层从中上元古代到三叠纪都大量发育, 分布面积逾300×104 km 2, 约占陆上国土面积的1/3, 其中覆盖区海相地层(以古生界为主)面积约146×104 km 2, 主要分布在塔里木盆地、华北克拉通和扬子克拉通盆地[1,2]. 长期以来, 中国石油工作者对这些海相沉积盆地的油气资源寄予厚望, 许多学者进行了大量的地质、地球化学研究[1,3~9].

与国外富油气海相盆地相比[10], 中国海相沉积盆地有五方面的显著差异, 即: 烃源岩发育时代老、有机质丰度低、生烃时代早且目前热演化程度高、构造变形与改造作用强、油气藏保存条件差. 地质历史时期经历的多次构造运动, 使原型盆地被强烈改造, 改变了原生油气藏的保存条件, 使已聚集油气处于不断再分配调整和散失过程中, 对油气勘探具有现实意义的应该是中新生代以来形成的天然气[5,9].

但是, 这些海相烃源岩在古生代基本上已经达到了高-过成熟演化阶段, 按照Tissot 等人[11]经典的干

酪根热降解生烃理论和模式, 烃源岩中有机质在成熟演化阶段已经生成了大量的液态烃和天然气, 这些高-过成熟烃源岩在中、新生代能生成多少油气? 能否形成商业性天然气藏? 要回答这一问题, 首先涉及的是干酪根在多高的成熟度情况下不再具有生气潜力? 也即生气的成熟度上限或者“生气死亡线”是多少? 其次是在高-过成熟演化阶段的生气潜力有多大? 这两个问题是目前石油界普遍关注的问题, 尤其是在国内海相烃源岩所具有的特殊情况下显得尤为重要.

以往国内学者对海相烃源岩的地球化学研究主要集中在有机质丰度评价标准、生烃潜力研究、产气率模拟实验及成气机理等方面[3,5,12~27], 即使涉及到天然气生成的成熟度上限也都是通过样品的室内模拟实验获得, 或者在模拟实验的基础上应用动力学的方法推算获得, 基本没有涉及沉积盆地实际地质条件下有机质生气的成熟度上限及在高-过成熟阶段

第52卷 增刊Ⅰ 2007年9月

论 文

的生气量. 众所周知, 室内模拟实验与沉积盆地地质实际条件差别巨大, 无法真正反映沉积盆地中烃源岩实际成烃演化情况. 本文通过对塔里木盆地具有不同成熟度的海相寒武系—奥陶系烃源岩生气潜力的测定并结合高温模拟实验, 探讨干酪根热裂解生气成熟度上限(或生气死亡线)及其在高-过成熟阶段的生气潜力极限.

1 样品及实验方法

1.1 样品及其有机质丰度

本文涉及的样品采自塔里木盆地台盆区, 以寒武系泥岩为主, 少量泥灰岩和奥陶系泥岩或泥灰岩, 样品的有机碳含量均大于0.6%, 超过作为生烃源岩的有机质丰度下限[5,16], 属于生烃源岩. 这些烃源岩目前的镜质体(镜状体)反射率为1.2%~3.0%, 处于高-过成熟演化阶段. 系统地进行高温热解色谱模拟的样品为英东2井4238.5和4356 m 中、下奥陶统泥岩及4676 m 中、下寒武统泥岩, 黄金管热模拟样品为英东2井4173 m 中、上奥陶统泥岩和4677 m 中、下寒武统泥岩. 1.2 实验方法

样品的有机碳、热解、干酪根的分离、干酪根元素、干酪根镜质体反射率、沥青抽提等分析均为常规分析项目, 按照相应的国家标准或者行业标准进行.

干酪根高温热解模拟实验采用热解色谱法, 属于开放体系下热模拟. 热解器为澳大利亚SGE 公司生产的高温热解器, 通过接口与HP5890A 气相色谱仪及微机数据系统连接(PY-GC). 实验仪器详细资料参见文献[28]. 本次热模拟设定350, 450, 500, 550, 600, 700和800℃共7个温度点. 干酪根样品经抽提处理去除其中残余的可溶有机质烘干备用. 根据样品的有机质丰度、成熟度及热模拟温度, 称取20~120 mg 干酪根样品装入SGE 高温热解器, 样品在氦气流中加热到设定温度, 烃类组分在氦气吹扫下进入液氮冷阱中, 达到预定时间后热解器温度迅速降至室

温. 撤去冷阱, 烃类进入填充柱中进行C 1~C 5气态烃组分的定量分析, 计算机采集和处理分析数据, 测定产气率.

黄金管封闭热模拟实验属于封闭体系的热模拟(类似于压力体系下的MSSV 技术), 具体实验装置和方法见文献[29,30]. 本次实验压力50 MPa, 恒压, 以2℃/h 程序升温至600℃, 然后测定气体组分, 烃类气体定量采用内标法. 本次实验同时进行了全岩样品和干酪根样品平行对照实验, 实验结果见表1.

2 干酪根热降解生气成熟度上限

2.1 干酪根元素方法确定生气成熟度上限

干酪根的H/C 原子比随着有机质生烃演化进程逐渐降低, 是一项衡量有机质成熟演化程度的有效指标[11,31]. 由图1可见, 塔里木盆地高-过成熟的海相寒武系—奥陶系烃源岩中有机质即干酪根在镜质体反射率1.5%时, 其H/C 原子比通常为0.6~0.7, 与腐殖煤基本相当. 随着镜质体反射率的继续增加, 海相烃源岩干酪根的H/C 原子比迅速下降, 当镜质体反射率在2.0%时, 其H/C 原子比通常为0.4~0.5; 当镜质体反射率达到 3.0%时, 其H/C 原子比已经降至0.1以下. 但是, 高煤级(高成熟度的无烟煤和超无烟煤[32])腐殖煤

的H /C 原子比降低的速率却相对比较小,

图1 腐殖煤、海相源岩干酪根H/C 原子比随成熟度的变化

表1 黄金管封闭热模拟600℃时产气率

编号 层位 属性 TOC (%)

称样重/mg

CH 4/m 3·t −1

C 2H 6/m 3·t −1 总产气率/m 3·t −1 (TOC)

R1-1 O 2＋3 干酪根 16.40 61.90 10.23 0.020 62.5 R1-2 O 2＋3 全岩 0.87 301.13 0.78 0.003 90.0 R1-3 O 2＋3 全岩 0.87 322.60 0.57 n.d. 65.5 R2-1 −C

干酪根 19.55 51.11 17.28 0.039 88.6 R2-2

−C

全岩

1.82 321.92 1.49

n.d.

81.9

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