李永新 王紅軍 王兆云

摘要:烴源巖熱模擬是探索油氣形成機(jī)制、重現(xiàn)油氣形成過程的重要手段之一。油氣的生成特征首先受樣品本身特質(zhì)的影響,溫度是有機(jī)質(zhì)生烴、演化的最重要因素,超壓抑制有機(jī)質(zhì)演化、生烴和原油裂解,水和礦物質(zhì)等介質(zhì)條件的存在對氣、液態(tài)產(chǎn)物的產(chǎn)率和組成特征均有影響。熱模擬實(shí)驗(yàn)在油氣研究中得到了廣泛應(yīng)用,但其在實(shí)驗(yàn)結(jié)果應(yīng)用等方面仍有不足,綜合模擬各地質(zhì)因素對油氣生成的影響將是未來熱模擬的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞:有機(jī)質(zhì)壓力介質(zhì)條件熱模擬

熱解模擬實(shí)驗(yàn)是油氣研究的重要手段和內(nèi)容之一。其主要任務(wù)是以時(shí)溫補(bǔ)償原理為基礎(chǔ),在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)對選定的樣品進(jìn)行人工熱模擬,再現(xiàn)有機(jī)質(zhì)在地質(zhì)體中所經(jīng)歷的物理和化學(xué)演化過程,為認(rèn)識(shí)生烴過程、建立生烴模式、獲取資源評價(jià)參數(shù)等提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。近些年來,隨著實(shí)驗(yàn)裝置的改進(jìn)、分析測試手段的提高,熱模擬實(shí)驗(yàn)研究的內(nèi)容更加細(xì)致和深入,有許多工作取得了突破性進(jìn)展。

1.樣品本身的特性

實(shí)驗(yàn)樣品是熱解實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),油氣的生成特征首先受樣品本身特質(zhì)的影響,如有機(jī)質(zhì)類型、演化程度及其巖性、物性特征等。W. Odden等通過開放體系熱解實(shí)驗(yàn)證實(shí),源巖類型是影響輕烴產(chǎn)物組成特征的主要因素,成熟度變化次之。另外,烴源巖熱解所生成、排出的烴類在數(shù)量及化學(xué)組成上也會(huì)受樣品顆粒大小的影響:粉末樣品熱解結(jié)果遠(yuǎn)不能代表實(shí)際地質(zhì)條件下源巖的環(huán)境,而大顆粒的巖屑樣品的模擬結(jié)果更接近自然演化特點(diǎn)。

有機(jī)質(zhì)類型對源巖生烴也有顯著影響,富氫干酪根裂解產(chǎn)生的濕氣多于貧氫干酪根。近年來,隨著研究工作的深入,可溶有機(jī)質(zhì)的生烴能力受到廣泛關(guān)注。鄭倫舉等對比研究了不同性質(zhì)海相古油藏及可溶有機(jī)質(zhì)的熱裂解生烴(氣)能力,發(fā)現(xiàn)其生烴能力除與巖性、賦存狀態(tài)、演化程度等有關(guān)外,主要受所含可溶有機(jī)質(zhì)性質(zhì)和組成的制約。

2.溫壓條件

在油氣的生成過程中,溫度自始至終都是一個(gè)極為活躍的控制因素,沉積有機(jī)質(zhì)向油氣的轉(zhuǎn)化主要就是在溫度控制下的一系列裂解和縮聚反應(yīng)。而壓力對有機(jī)質(zhì)的成熟、生烴究竟有何影響尚有一定的爭議,但越來越多的實(shí)驗(yàn)和實(shí)際盆地資料顯示,超壓抑制有機(jī)質(zhì)演化、生烴和原油裂解。

Cecil指出有機(jī)質(zhì)裂解為低分子的碳?xì)浠衔?是一個(gè)體積增加的過程,從反應(yīng)的熱力學(xué)來看,壓力增加就不利于反應(yīng)進(jìn)行。姜峰等對不成熟泥炭樣品進(jìn)行了高壓高溫模擬實(shí)驗(yàn),結(jié)果顯示,相同溫度條件下,樣品Ro值與壓力呈負(fù)相關(guān),說明壓力的存在會(huì)抑制有機(jī)質(zhì)向高成熟演化。王兆明等研究認(rèn)為,當(dāng)壓力的增加表現(xiàn)為孔隙流體壓力增加時(shí),有機(jī)質(zhì)生烴過程將受到抑制。

3.介質(zhì)條件

烴源巖是有機(jī)質(zhì)與無機(jī)礦物質(zhì)組成的非均一的混合物,在其生烴、演化過程中,可能包涵了水和礦物質(zhì)的參與。Lewan率先在有液態(tài)水存在的條件下加熱生油巖,發(fā)現(xiàn)從生油巖中排出的熱解產(chǎn)物與自然界原油是相似的。方杰等通過熱模擬實(shí)驗(yàn),認(rèn)為加水有利于向也液態(tài)烴轉(zhuǎn)化,而抑制了生成氣態(tài)烴的反應(yīng);同時(shí),加水量不同對各種產(chǎn)物產(chǎn)率的影響也不一樣,在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)應(yīng)根據(jù)具體條件加入適量的水,而并非加水越多越好。

有機(jī)質(zhì)中某些礦物基質(zhì)對烴類的生成具有一定的催化作用,并可對已生成的烴類產(chǎn)生吸附。粘土礦物是影響有機(jī)質(zhì)成烴的一種很重要的物質(zhì),且不同的粘土礦物對有機(jī)質(zhì)的催化活性也有不同。Pan等在不同礦物質(zhì)的情況下分別對干酪根進(jìn)行了限定體系(黃金管)熱解實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)礦物質(zhì)的變化對氣、液態(tài)產(chǎn)物有很大影響,氣態(tài)烴和CO2產(chǎn)物的數(shù)量、乙烯/乙烷、丙烯/丙烷的比值均有變化。

4.總結(jié)與討論

總的來說,熱模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)加深了我們對油氣生成的理解,并已成為目前石油勘探工作中的一項(xiàng)實(shí)用技術(shù)而被廣泛采用。但是,像其他技術(shù)一樣,熱模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)也有它的不足。

(1)地下油氣的生成過程是多種因素共同作用的結(jié)果,而現(xiàn)有的技術(shù)條件還無法完全模擬這一過程,使得實(shí)驗(yàn)結(jié)果往往不能與實(shí)際地質(zhì)情況相吻合;因此,如何將溫度、壓力、催化劑、水介質(zhì)等多種影響因素共同納入模擬實(shí)驗(yàn)的過程中,更加真實(shí)地再現(xiàn)烴源巖的生烴過程,將是該方法未來發(fā)展的方向之一。

(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)備及測試手段尚不夠完善。實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠與否,很大程度上依賴于實(shí)驗(yàn)設(shè)備的精度和完備程度,目前的模擬實(shí)驗(yàn)還不能達(dá)到完全定量。因此,模擬實(shí)驗(yàn)的發(fā)展還需進(jìn)一步提高實(shí)驗(yàn)技術(shù),改善和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)備,完善測試手段。

(3)如何將模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果外推至實(shí)際地質(zhì)情況,一直是制約模擬實(shí)驗(yàn)應(yīng)用的一個(gè)瓶頸。動(dòng)力學(xué)研究是聯(lián)系盆地?zé)崾?、油氣?散史和熱解實(shí)驗(yàn)之間的紐帶,近年來發(fā)展迅速。目前以單一升溫速率為基礎(chǔ)的動(dòng)力學(xué)模型已不為人們認(rèn)同,發(fā)掘更有效的動(dòng)力學(xué)模型并結(jié)合同位素特征進(jìn)行熱模擬將成為國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。◆

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