何 川，鄭倫舉，王 強(qiáng)，馬中良，馬健飛

(1.中國石化 油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214126； 2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126； 3.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214126)

地質(zhì)條件下烴源巖生成、排出與滯留油氣是一個(gè)漫長而又復(fù)雜的地質(zhì)與物理—化學(xué)過程，如何在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)再現(xiàn)這一過程是石油地質(zhì)實(shí)驗(yàn)重要的研究內(nèi)容之一。19世紀(jì)中葉以來，隨著近現(xiàn)代石油天然氣勘探開發(fā)的興起，人們對油氣成因的研究越發(fā)深入，同時(shí)也引發(fā)了一系列有關(guān)油氣來源的爭論[1-4]。眾多學(xué)者為了探索油氣成因，進(jìn)行了大量實(shí)際地質(zhì)現(xiàn)象的觀察、歸納和總結(jié)，同時(shí)借助于各種先進(jìn)的分析測試手段對烴源巖自然剖面樣品和油氣中的有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行了分子級的定性定量分析檢測，以獲得所持觀點(diǎn)的證據(jù)。亦有部分學(xué)者在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)通過人工條件下的沉積有機(jī)質(zhì)熱解實(shí)驗(yàn)得到與石油天然氣組成接近的有機(jī)物質(zhì)，從而為油氣成因假說提供佐證。國內(nèi)外油氣地球化學(xué)研究者對不同性質(zhì)、成熟度和豐度的烴源巖及原油進(jìn)行了大量生排烴模擬實(shí)驗(yàn)研究[5-9]，其結(jié)果已被廣泛應(yīng)用于石油與天然氣勘探的多個(gè)專業(yè)領(lǐng)域，在不同類型有機(jī)質(zhì)的油氣形成演化模式的建立、沉積盆地油氣資源潛力的評價(jià)以及油氣源對比與示蹤等方面取得了較為顯著的成果。然而，隨著非常規(guī)油氣與深層—超深層油氣勘探開發(fā)的快速推進(jìn)，傳統(tǒng)的生烴理論難以合理解釋常規(guī)和非常規(guī)統(tǒng)一的含油氣系統(tǒng)的形成以及超高溫高壓地質(zhì)條件下油氣的生成與保存機(jī)制，因此有必要將源—儲(chǔ)—藏作為一個(gè)統(tǒng)一整體從地質(zhì)—時(shí)間—空間尺度的全過程動(dòng)態(tài)分析的角度重新審視成烴成藏機(jī)理，這勢必需要進(jìn)一步提升烴源巖生排烴模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)，為現(xiàn)代油氣地質(zhì)理論研究與勘探開發(fā)技術(shù)創(chuàng)新提供必要的實(shí)驗(yàn)手段與方法。

1 生排烴模擬裝置與實(shí)驗(yàn)技術(shù)研究現(xiàn)狀

1.1 生排烴模擬實(shí)驗(yàn)裝置

依據(jù)烴源巖熱解反應(yīng)體系的開放程度，生排烴模擬實(shí)驗(yàn)裝置可分為開放體系、封閉體系和限制體系3類[10]，國內(nèi)外常見的用于開展油氣形成、排出以及滯留的熱壓模擬實(shí)驗(yàn)裝置所能設(shè)置的實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。

表1 不同生排烴模擬實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)驗(yàn)條件對比

1.1.1 開放體系熱解生排烴模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)

開放體系熱解生烴模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是指被粉碎的、未經(jīng)壓實(shí)的烴源巖或有機(jī)質(zhì)(如干酪根)樣品在常壓且沒有水作為流體介質(zhì)的條件下，通過快速升溫，在無大小限制的體系中進(jìn)行快速熱降解來獲取相關(guān)生烴評價(jià)參數(shù)的模擬實(shí)驗(yàn)方法。樣品在高溫加熱的條件下生成的油、氣等揮發(fā)物由氦氣或其他載氣驅(qū)掃進(jìn)入檢測器進(jìn)行定量[11]。開放體系熱解生烴模擬實(shí)驗(yàn)所用的儀器設(shè)備已經(jīng)被廣泛應(yīng)用，如Rock-Eval巖石熱解儀(圖1a)、差熱分析儀(DTA)、熱重儀(TG或TGA)、巖石熱解—?dú)庀嗌V儀(Py-GC)、巖石熱解—?dú)庀嗌V質(zhì)譜儀(Py-GC-MS)等，該系列儀器主要有以下特點(diǎn)：(1)最高加熱溫度可達(dá)800～900 ℃，可以較為完全地釋放烴源巖中沉積有機(jī)質(zhì)的生烴潛力；(2)自動(dòng)化程度高，結(jié)果重現(xiàn)性好，產(chǎn)物收集與檢測完整，可在線開展多種油氣地球化學(xué)參數(shù)測定(如有機(jī)碳、無機(jī)碳、生成的烴類物質(zhì)組分)；結(jié)合動(dòng)力學(xué)計(jì)算軟件，還可以獲得總生烴及各個(gè)烴類組分生成的動(dòng)力學(xué)參數(shù)；(3)樣品用量少，分析速度快，可用于快速評價(jià)烴源巖的生烴潛力與特征。但此類實(shí)驗(yàn)?zāi)壳爸豢紤]了溫度對沉積有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)為烴類的影響，未考慮如壓力、流體介質(zhì)、孔隙空間等其他控制因素。與地下油氣生成的實(shí)際邊界條件相比，開放體系的熱解生排烴模擬實(shí)驗(yàn)條件尚存較大的差異，其獲取的S1，S2，Tmax等熱解參數(shù)主要用于表征在上述實(shí)驗(yàn)室條件下沉積有機(jī)質(zhì)熱解生烴潛力，難以刻畫與描述烴源巖生成、排出、滯留油氣的過程，亦無法指示不同演化階段的油氣產(chǎn)率及其相互轉(zhuǎn)化關(guān)系、排出與滯留油氣效率等。

圖1 不同體系生排烴熱壓模擬實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structures of thermal simulation experimental devices of different systems

1.1.2 密閉體系生排烴模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)

密閉體系生排烴模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是指被粉碎的未經(jīng)壓實(shí)的烴源巖或有機(jī)質(zhì)，在一定的流體壓力下，在含水蒸汽、水蒸汽—液態(tài)水或超臨界水的條件下，在相對較大的生烴反應(yīng)空間中先密閉熱裂解反應(yīng)生成油氣，再打開容器排出油氣的烴源巖熱解模擬實(shí)驗(yàn)方法。密閉體系生排烴模擬實(shí)驗(yàn)所用儀器依據(jù)反應(yīng)容器的特性主要可以分為玻璃管、不同密封方式的金屬高壓釜(圖1b)[12-14]、黃金管—高壓釜、微體積密封容器(MSSV)以及金剛石壓腔(DAC)等熱壓生烴模擬實(shí)驗(yàn)裝置。封閉體系生排烴模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)從20世紀(jì)80年代起在石油地質(zhì)實(shí)驗(yàn)領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[15-18]，其具有以下特點(diǎn)：(1)可開展有限加水模擬實(shí)驗(yàn)(玻璃管、MSSV不可加水)。與烴源巖在地下的孔隙空間相比，密閉體系高壓釜的反應(yīng)空間相對較大，受密封能力的限制和出于安全考慮，一般只加入有限體積的水。在高溫低壓條件下，水以水蒸氣、氣—液平衡或超臨界相態(tài)存在，其生烴過程依據(jù)加水量、生烴量與容器體積的相對大小，處于一種介于加水與不加水的熱解狀態(tài)。(2)可開展流體壓力模擬實(shí)驗(yàn)。封閉體系流體壓力的大小取決于不同儀器裝置中反應(yīng)容器的材質(zhì)、密封方式以及加入的水量、模擬溫度、生成的揮發(fā)性產(chǎn)物量和加入樣品后剩余的空間體積大小，最高壓力一般不超過水的超臨界壓力。封閉體系的溫度、壓力、流體介質(zhì)與空間的關(guān)系符合氣體狀態(tài)方程。黃金管—高壓釜模擬裝置是通過高壓釜內(nèi)水的壓力，利用黃金良好的延展性傳遞給金管內(nèi)樣品，所施加的壓力難以確定是圍壓、上覆靜巖壓力還是流體壓力，樣品實(shí)際承受的壓力大小亦不確定，其傳壓介質(zhì)實(shí)質(zhì)上還是氣態(tài)物質(zhì)，不是液態(tài)水。(3)可開展原油裂解生氣模擬實(shí)驗(yàn)。密閉體系熱解生排烴模擬實(shí)驗(yàn)過程中從樣品中排出的油氣主要由熱作用釋放揮發(fā)以及取樣時(shí)由氣體產(chǎn)物攜帶出來的油氣，與地質(zhì)條件下油氣初次運(yùn)移的動(dòng)力、相態(tài)以及通道等物理化學(xué)特征相差甚遠(yuǎn)，其結(jié)果難以有效刻畫油氣的排出、滯留過程與排烴效率。

1.1.3 限制體系熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)

限制體系熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)是一種對烴源巖樣品施加上覆靜巖壓力進(jìn)行壓實(shí)，同步控制調(diào)節(jié)反應(yīng)體系內(nèi)部的油氣水流體壓力與排出方式的熱解生排滯油氣模擬實(shí)驗(yàn)方法。所得油氣產(chǎn)物在一定的溫壓條件下離開反應(yīng)區(qū)進(jìn)入計(jì)量裝置，收集各種產(chǎn)物后在線或離線定量測定產(chǎn)物的質(zhì)量，檢測產(chǎn)物的有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)。對反應(yīng)容器中的樣品進(jìn)行加熱較易實(shí)現(xiàn)，但在壓實(shí)的同時(shí)對反應(yīng)容器中的流體進(jìn)行高壓密封較難做到，需要特殊結(jié)構(gòu)的密封方式。依據(jù)儀器的密封能力、氣液產(chǎn)物排出的方式以及與產(chǎn)物收集裝置的連接關(guān)系，限制體系模擬實(shí)驗(yàn)裝置又可以分為無流體壓力的壓實(shí)模擬(壓實(shí)開放體系，邊生邊排)、低流體壓力壓實(shí)模擬(壓實(shí)條件下體系流體壓力不超過30 MPa)與高流體壓力(最高可達(dá)120 MPa)壓實(shí)熱解模擬3種類型。中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所自主研發(fā)的烴源巖地層孔隙熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)裝置即屬于此類儀器，該熱解模擬裝置可以控制溫度、上覆靜巖壓力(壓實(shí)程度)、流體壓力、反應(yīng)空間和產(chǎn)物的排出方式(連續(xù)排烴、一次排烴、幕式間歇式排烴等)，可以將油氣的生成與排出、滯留過程進(jìn)行聯(lián)動(dòng)控制，從而實(shí)現(xiàn)了油氣的生成、排出與滯留一體化模擬。與地質(zhì)條件下油氣的形成、排出、滯留過程相比，利用這種裝置開展的烴源巖熱解生排烴模

擬更加接近地質(zhì)條件下的生排烴過程[19](圖1c)。

1.2 生排烴模擬實(shí)驗(yàn)條件

油氣的生成演化與排出、滯留過程是沉積有機(jī)質(zhì)在地質(zhì)作用下復(fù)雜的物理—化學(xué)反應(yīng)過程，在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)模擬此過程必然受到各種實(shí)驗(yàn)邊界條件的制約。在沉積有機(jī)質(zhì)的人工熱壓演化過程中，樣品的形態(tài)、溫度、壓力、時(shí)間、介質(zhì)、壓實(shí)程度、空間和反應(yīng)體系的開放程度等條件對模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果均會(huì)產(chǎn)生較大的影響[20]。在制定模擬實(shí)驗(yàn)方案時(shí)，需根據(jù)研究的目的、樣品特性以及采用的儀器設(shè)備技術(shù)參數(shù)等的差異，選擇合適的模擬實(shí)驗(yàn)條件。在解釋模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果時(shí)，需要綜合考慮地質(zhì)條件與實(shí)驗(yàn)條件的區(qū)別，不可一概而論。

1.2.1 模擬實(shí)驗(yàn)溫度

模擬實(shí)驗(yàn)溫度分為恒溫和程序升溫兩種，其設(shè)置范圍一般為150～600 ℃，溫度間隔在10～50 ℃之間。初始溫度的高低取決于烴源巖樣品的起始成熟度，起始成熟度越大，初始溫度越高。對特殊有機(jī)質(zhì)類型的(如高硫干酪根、現(xiàn)代生物質(zhì)和泥炭等)烴源巖的模擬實(shí)驗(yàn)，起始溫度應(yīng)低于250 ℃。相反，原油裂解的模擬實(shí)驗(yàn)溫度較高，其模擬的起始溫度建議選擇在350 ℃左右。終點(diǎn)溫度的高低取決于研究目的和研究區(qū)的熱演化程度，以我國東部斷陷盆地古近系主力烴源巖為例，其總體處于生油窗內(nèi)，開展該地區(qū)的烴源巖模擬實(shí)驗(yàn)，其最高終點(diǎn)溫度一般不應(yīng)高于400 ℃，而用于研究我國南方海相高過成熟地區(qū)烴源巖演化特征的模擬實(shí)驗(yàn)，應(yīng)適當(dāng)提高終點(diǎn)模擬實(shí)驗(yàn)溫度，建議不低于600 ℃，或降低升溫速率使演化程度達(dá)到過成熟階段。由于不同研究者所用模擬實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備的溫度控制部分存在較大的差異，也就是儀器顯示的溫度與實(shí)際加熱樣品的受熱溫度存在一定的差異，具體溫度設(shè)置應(yīng)結(jié)合所用模擬儀器的加熱體系特征確定。

1.2.2 模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)間

自然界中較短的時(shí)間對生油過程影響較小，但在實(shí)驗(yàn)室高溫條件下，特別是封閉體系下，模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)間長短會(huì)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生明顯影響[21-22]。模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)間的長短與研究的目的以及實(shí)驗(yàn)裝置的裝樣量、傳熱效率等有關(guān)。目前大型生排烴模擬實(shí)驗(yàn)，如高壓釜與壓實(shí)限制體系模擬實(shí)驗(yàn)通常按照1 ℃/min的升溫速率加熱，恒溫24～96 h；各種小型熱解生排烴模擬實(shí)驗(yàn)裝置，如巖石熱解儀、MSSV以及黃金管模擬儀，升溫速度較快，加熱時(shí)間較短。如進(jìn)行生烴動(dòng)力學(xué)研究，需要至少設(shè)置三組不同的升溫速率。

1.2.3 模擬實(shí)驗(yàn)壓力體系

在地質(zhì)埋藏條件下的烴源巖層系，其壓力體系包括上覆巖層的靜巖壓力和體系空間內(nèi)的流體壓力[23-25]。在模擬實(shí)驗(yàn)條件設(shè)置時(shí)，應(yīng)明確向樣品施加何種壓力，施壓與傳壓介質(zhì)的性質(zhì)如何。高壓釜和玻璃管、金剛石壓腔、MSSV封閉體系模擬實(shí)驗(yàn)裝置均不能施加上覆靜巖壓力，其壓力是指反應(yīng)體系的流體壓力，壓力值高低取決于模擬實(shí)驗(yàn)溫度、加水量、可揮發(fā)產(chǎn)物的產(chǎn)量等，壓力值無法預(yù)先設(shè)置和準(zhǔn)確控制。不銹鋼高壓釜所能承受的流體壓力高低取決于釜體容積大小及其密封方式，體積較小采用壓緊螺母密封的高壓容器可以承受100 MPa的流體壓力，而壓機(jī)密封的微型高壓容器(如金剛石壓腔)可承受的流體壓力更高。國內(nèi)外廣泛用于生排烴模擬實(shí)驗(yàn)的高壓釜是以法蘭盤密封的不銹鋼高壓容器，一般只能承受低于30 MPa的流體壓力。黃金管密封體系模擬裝置所提供的壓力是通過與高壓泵連接的微型不銹鋼高壓釜中的高壓水對充滿氬氣和揮發(fā)組分的裝樣黃金管施加機(jī)械壓力，黃金管在該壓力作用下產(chǎn)生塑性變形，從而對樣品施加一定的壓力。由于模擬實(shí)驗(yàn)生成的揮發(fā)性產(chǎn)物在金管內(nèi)也能形成大小不定的流體壓力，因此通過金管形變施加在樣品上的壓力難以確定是靜巖壓力還是流體壓力，其大小并不等同于高壓釜內(nèi)水的流體壓力。各種壓實(shí)—限制體系生排油氣模擬實(shí)驗(yàn)裝置既可對樣品施加靜巖壓力，也能保持反應(yīng)體系存在一定的流體壓力，即可模擬施加在烴源巖樣品上的有效應(yīng)力。上覆靜巖壓力的大小依據(jù)所研究區(qū)烴源巖的埋深設(shè)置，如烴源巖埋深3 km，巖石密度為2.5 mg/cm3，上覆靜巖壓力可設(shè)置為75 MPa左右。在壓實(shí)條件下，所能設(shè)置的流體壓力大小與實(shí)驗(yàn)裝置的密封性能有關(guān)，現(xiàn)有用于生排油氣模擬的壓實(shí)—限制體系模擬裝置可以設(shè)置的流體壓力通常在常壓至120 MPa之間。

1.2.4 模擬實(shí)驗(yàn)樣品的形態(tài)與質(zhì)量

這是一個(gè)容易被大多數(shù)研究者忽略的問題。采用不同顆粒大小或形貌(塊狀、柱狀)的烴源巖樣品進(jìn)行生排烴模擬實(shí)驗(yàn)，樣品的形態(tài)與質(zhì)量對實(shí)驗(yàn)結(jié)果均會(huì)產(chǎn)生重要影響。秦建中等[26]采用高壓釜封閉體系模擬實(shí)驗(yàn)方法對比研究了1～2.5 mm的小顆粒樣品與5～10 mm大顆粒樣品的總產(chǎn)氣率、烴氣產(chǎn)率、總油和總烴產(chǎn)率，結(jié)果表明二者存在明顯差異。塊狀或小直徑圓柱體烴源巖樣品有利于全巖有機(jī)顯微組分分析、鏡質(zhì)體反射率以及孔隙度、氬離子拋光—掃描電鏡等物性與有機(jī)巖石學(xué)項(xiàng)目的測定，也有利于油氣排出與滯留機(jī)理和巖石物性特征研究。模擬實(shí)驗(yàn)需要的樣品質(zhì)量主要取決于烴源巖中有機(jī)碳含量、模擬實(shí)驗(yàn)方法與方式、溫度點(diǎn)的數(shù)量以及后繼項(xiàng)目分析需求等。有機(jī)碳含量高的樣品，其實(shí)驗(yàn)用樣品質(zhì)量可相對減少；單溫階累計(jì)生排烴模擬實(shí)驗(yàn)方式需要的樣品質(zhì)量較大，多溫階連續(xù)生排烴模擬實(shí)驗(yàn)方式所需樣品質(zhì)量較少；高壓釜生排烴模擬實(shí)驗(yàn)方法要求樣品質(zhì)量較大，黃金管與玻璃管生排烴模擬實(shí)驗(yàn)方法樣品要求質(zhì)量較小(表1)；設(shè)置的模擬溫度點(diǎn)越多，所用樣品的質(zhì)量越大。

1.2.5 模擬實(shí)驗(yàn)中的無機(jī)反應(yīng)介質(zhì)

20世紀(jì)80年代以前烴源巖熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)主要在無水條件下進(jìn)行，1979年LEWAN等[27]首次采用加水熱模擬實(shí)驗(yàn)方法，生排烴模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)開始考慮實(shí)際地質(zhì)過程中水介質(zhì)和黏土礦物、金屬氧化物、碳酸鹽、硫酸鹽礦物等礦物質(zhì)對油氣生成過程中的氧化、脫水、加氫及聚合等熱裂解有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的影響[28-29]。對于加水熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)，加入的水在高溫高壓下的相態(tài)(水蒸汽、液態(tài)水—水蒸氣平衡態(tài)、高溫高壓液態(tài)水以及超臨界水等)以及水中溶解無機(jī)鹽類的性質(zhì)與量(礦化度)對油氣形成演化過程會(huì)產(chǎn)生明顯影響，因此需要特別關(guān)注水的性質(zhì)與相態(tài)對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。依據(jù)純水相圖，水的臨界溫度為374.2 ℃，臨界壓力為22.1 MPa，由于在地質(zhì)條件油氣生成的溫度壓力下，地層水均為液態(tài)，因此模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)也應(yīng)盡可能保持水在模擬實(shí)驗(yàn)過程中全部以液態(tài)的形式存在。

在干酪根或原油中加入不同的無機(jī)鹽、金屬氧化物以及巖石礦物進(jìn)行的催化生烴模擬實(shí)驗(yàn)，在探討有機(jī)質(zhì)—無機(jī)質(zhì)的相互作用對生烴過程的影響方面也取得了不少認(rèn)識。然而，由于這種機(jī)械混合方式與烴源巖的沉積—成巖過程差異巨大，特別是有機(jī)質(zhì)與無機(jī)質(zhì)之間的賦存形態(tài)與結(jié)合方式差異較大，且在烴源巖中也不存在單一的礦物或無機(jī)鹽類，而是多種巖石礦物的混合體，與沉積有機(jī)質(zhì)共存接觸的無機(jī)礦物與烴源巖的巖性也存在不一致性，如富有機(jī)質(zhì)泥灰?guī)r，基質(zhì)礦物主要是方解石，而與有機(jī)質(zhì)結(jié)合的礦物主要是黏土，因此，依據(jù)有機(jī)質(zhì)人工混合無機(jī)物配制的“烴源巖”，其催化生烴模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在用于解釋地下油氣形成演化機(jī)理方面時(shí)應(yīng)保持謹(jǐn)慎的態(tài)度。

2 生排烴模擬實(shí)驗(yàn)方式

目前，廣泛應(yīng)用的生排烴模擬實(shí)驗(yàn)方式主要有單溫階累計(jì)模擬法和多溫階連續(xù)模擬法兩種。具體方法的選擇與研究目的和研究區(qū)的埋藏生烴史等密切相關(guān)。

2.1 單溫階累計(jì)生排油氣模擬實(shí)驗(yàn)

單溫階累計(jì)生排油氣模擬實(shí)驗(yàn)是每個(gè)溫度點(diǎn)都取原始樣品進(jìn)行成熟度更高的生排烴模擬實(shí)驗(yàn)，模擬生成的流體產(chǎn)物部分或完全不脫離反應(yīng)體系。因此每個(gè)溫度點(diǎn)模擬生成的油氣，其地球化學(xué)特征是該溫度點(diǎn)之前所有溫度點(diǎn)生成的油氣地球化學(xué)特征的綜合。在該溫度點(diǎn)的生、排、滯留油氣量為樣品持續(xù)埋藏至該溫度點(diǎn)對應(yīng)成熟度生成油氣的累計(jì)總量，其中也包含了部分先期生成、滯留的油氣再發(fā)生熱解反應(yīng)生成的產(chǎn)物(圖2)。用于建立生排油氣模式、排出與滯留效率、油氣地球化學(xué)參數(shù)演變特征等方面研究的生排油氣模擬實(shí)驗(yàn)一般采用這種方式，此外，原油裂解生氣、較高成熟度烴源巖生成天然氣以及二次生烴、純有機(jī)質(zhì)的熱解反應(yīng)等模擬實(shí)驗(yàn)也建議采用單溫階累計(jì)生排油氣模擬實(shí)驗(yàn)方式。

圖2 單溫階累計(jì)生排油氣模擬實(shí)驗(yàn)流程示意Fig.2 Simulation experiment process of accumulative oiland gas generation and expulsion at single temperature step

2.2 多溫階連續(xù)生排油氣模擬實(shí)驗(yàn)

多溫階連續(xù)生排烴模擬實(shí)驗(yàn)是將一定成熟度的原始樣品加熱達(dá)到一定的溫度后，保持設(shè)定溫度不變，持續(xù)一段時(shí)間后降低溫度以收集在該溫度點(diǎn)產(chǎn)生的油氣樣品。收集結(jié)束后取出烴源巖樣品，使用有機(jī)溶劑抽提該溫度點(diǎn)模擬殘余樣品，確保將該溫度點(diǎn)產(chǎn)生的可溶有機(jī)質(zhì)完全分離。隨后，使用被抽提過的樣品，對下一個(gè)更高溫的溫度點(diǎn)進(jìn)行生排烴模擬實(shí)驗(yàn)。生烴結(jié)束后再重復(fù)上述過程，并以此類推，直至完成最后一個(gè)溫度點(diǎn)的模擬實(shí)驗(yàn)。圖3指示了其升溫與取樣的過程。通常多溫階連續(xù)生排烴模擬實(shí)驗(yàn)法在探討不同演化階段剩余干酪根與滯留油的生烴機(jī)理方法中應(yīng)用比較廣泛，多見于低成熟烴源巖樣品的模擬。多溫階連續(xù)生排油氣模擬實(shí)驗(yàn)法可對不同溫度點(diǎn)生成與排出的油氣進(jìn)行定量計(jì)算，將各個(gè)溫度階段的油氣量相加可以獲得累計(jì)油、氣總量，可用于評價(jià)烴源巖的最大生油氣潛力以及滯留油的生烴能力，能夠精細(xì)刻畫沉積有機(jī)質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化的過程。

圖3 多溫階連續(xù)生排烴模擬實(shí)驗(yàn)流程示意Fig.3 Simulation experiment process of continuous oiland gas generation and expulsion in multi temperature steps

除了上述兩種恒溫恒壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)方式之外，也可以按照一定的升溫與加壓速率開展烴源巖生烴動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)。

3 生排烴模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)用

生排烴模擬實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚪鉀Q眾多石油地質(zhì)問題，并已在油氣的勘探開發(fā)中得到廣泛應(yīng)用。目前該方法在油氣形成、盆地資源潛力評價(jià)、油氣運(yùn)移等多個(gè)方面發(fā)揮了重要作用[30]。生排烴模擬實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用大體可概括如下：(1)認(rèn)識不同母質(zhì)類型油氣形成的機(jī)理，建立油氣生、排、滯演化模式；(2)研究各種地質(zhì)與實(shí)驗(yàn)因素(溫度場、壓力場、時(shí)間、空間以及各種無機(jī)礦物、地層水等)對油氣形成過程的影響；(3)用于烴源巖生烴能力、油氣初次運(yùn)移與滯留效率研究；(4)研究油氣與其母質(zhì)在成巖演化過程中的組成、生物標(biāo)志物、碳?xì)浞€(wěn)定同位素等地球化學(xué)參數(shù)的演變特征與關(guān)聯(lián)性分析[31-33]。

3.1 建立不同類型有機(jī)質(zhì)的油氣形成模式

通過對地層剖面的研究，可以明確原油隨埋深和地層溫度等的變化情況。天然氣等氣態(tài)產(chǎn)物不易在地層中保存，因此較難研究。生排烴模擬實(shí)驗(yàn)可以完整取得烴源巖樣品生成的油氣，并可對其不同演化階段的生、排、滯油氣進(jìn)行定量計(jì)算，建立不同類型有機(jī)質(zhì)的油氣演化模式，明確烴源巖產(chǎn)物在成巖演化過程中的變化規(guī)律，預(yù)測沉積盆地中不同層位油氣的分布，從而指導(dǎo)新區(qū)與新層系的油氣勘探。

3.2 油氣生、排、滯機(jī)理及其主控因素研究

在生排烴模擬實(shí)驗(yàn)中，可人為改變一個(gè)或幾個(gè)因素來研究各因素對油氣生成、排出與滯留的影響。在各種影響因素中，溫度與時(shí)間對于生排烴模擬結(jié)果的影響較大[20-22]。水在實(shí)驗(yàn)中的加入使生排烴模擬結(jié)果更符合地下烴源巖的真實(shí)情況[26-28]，但溫度與壓力會(huì)改變水的相態(tài)，從而對生排烴模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生較大影響。烴源巖中礦物的催化作用也對熱演化過程有較大影響[34]。在模擬實(shí)驗(yàn)中可以通過控制單一變量的影響因素研究其對生排烴過程的影響程度，但在進(jìn)行地質(zhì)應(yīng)用研究時(shí)應(yīng)考慮地下油氣生成過程的實(shí)際情況，綜合多重因素做出判斷。

3.3 為沉積盆地油氣資源潛力評價(jià)提供關(guān)鍵參數(shù)

沉積盆地油氣資源潛力的大小與烴源巖的生排烴能力息息相關(guān)。氯仿瀝青“A”法被廣泛應(yīng)用于烴源巖生烴量的計(jì)算與資源量評價(jià)，但瀝青“A”屬于滯留在烴源巖中的重質(zhì)油，對形成常規(guī)油藏并沒有做出貢獻(xiàn)，實(shí)際上只有那些排出烴源巖，且匯聚在儲(chǔ)層中的油，才可能是有效的油氣資源，因此烴源巖的排油能力與初次運(yùn)移效率才是常規(guī)油氣資源潛力評價(jià)的關(guān)鍵參數(shù)。現(xiàn)有的排油系數(shù)并非通過實(shí)驗(yàn)測試獲得，僅為經(jīng)驗(yàn)估算值，致使生油氣量的計(jì)算結(jié)果存在較大的誤差，資源量評價(jià)受人為因素的影響較大?，F(xiàn)有的壓實(shí)—限制體系生排油氣模擬實(shí)驗(yàn)不僅可分別獲得烴源巖生成的油和氣，還能提供不同演化階段的排出與滯留油氣量，為常規(guī)與非常規(guī)油氣資源量的評價(jià)提供了切實(shí)可信的基礎(chǔ)資料。目前油氣資源量評價(jià)的模擬計(jì)算方法主要有產(chǎn)率法、降解率法和化學(xué)動(dòng)力學(xué)法，其都是以烴源巖的生排烴模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的。

3.4 油源對比示蹤研究

現(xiàn)今大多數(shù)用于油源對比示蹤及烴源巖有效性評價(jià)的油氣地球化學(xué)參數(shù)由于受成巖演化作用過程與排出、滯留效率等地質(zhì)因素的影響，均會(huì)發(fā)生規(guī)律性的演變。長期以來，盡管油氣地球化學(xué)家們對其演變規(guī)律通過長期的實(shí)踐進(jìn)行了卓有成效的歸納總結(jié)，并有效地用于油氣源示蹤與烴源巖評價(jià)，然而由于烴源巖層系的高度非均質(zhì)性，油氣來源的多樣性，生、排、滯過程的復(fù)雜性以及油氣運(yùn)移、聚集甚至開發(fā)過程中地質(zhì)色層效應(yīng)等，這些油氣地球化學(xué)參數(shù)依然存在明顯的多解性，并不能很好地對多期構(gòu)造作用形成的油氣藏以及常規(guī)—非常規(guī)一體化的油氣藏來源進(jìn)行“定時(shí)、定源與定量”的溯源與有效性評價(jià)。實(shí)驗(yàn)室人工條件下烴源巖生排烴模擬實(shí)驗(yàn)由于原始生烴母質(zhì)的確定性以及熱壓演化過程的可控性，在油源對比示蹤的地球化學(xué)參數(shù)演變特征與關(guān)聯(lián)性研究方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢。我國部分高校和科研院所已在裝置與技術(shù)的研發(fā)上進(jìn)行了初步探索[35]，在排出與滯留油氣化學(xué)組分的變化、同位素變化以及生標(biāo)參數(shù)等的改變方面也已開展了廣泛研究，取得了頗受啟發(fā)的成果[36]，為復(fù)雜的油源對比示蹤以及烴源巖有效性動(dòng)態(tài)評價(jià)提供了有力的證據(jù)支持。

4 生排烴模擬實(shí)驗(yàn)的局限性及發(fā)展趨勢

4.1 生排烴模擬實(shí)驗(yàn)的局限性

自然界中的油氣是隨烴源巖的沉積成巖，在有限的孔隙空間中，有液態(tài)地層水和礦物介質(zhì)共同參與，在相對低溫(60～200 ℃)、較高地層流體壓力(30～120 MPa)和靜巖壓力(60～200 MPa)等因素直接或間接作用下，在地質(zhì)時(shí)間尺度內(nèi)經(jīng)過生物化學(xué)作用，沉積有機(jī)質(zhì)通過熱壓降解—縮聚反應(yīng)形成的。在此，我們需要強(qiáng)調(diào)的是在實(shí)驗(yàn)室條件下再現(xiàn)這樣一個(gè)復(fù)雜地質(zhì)作用下的演化過程是十分困難的。盡管國內(nèi)外學(xué)者在生排烴模擬實(shí)驗(yàn)方面已經(jīng)積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，其基本原理主要是通過較高的溫度對較長的地質(zhì)歷史時(shí)間進(jìn)行補(bǔ)償。首先實(shí)驗(yàn)室不可能再現(xiàn)漫長的地質(zhì)時(shí)間，現(xiàn)行的生排烴模擬實(shí)驗(yàn)運(yùn)行時(shí)間大都在幾天至幾十天，與以百萬年計(jì)算的地質(zhì)歷史時(shí)期差異甚大；其次，實(shí)驗(yàn)室模擬所用溫度要比實(shí)際演化中的地質(zhì)溫度高得多，高溫不僅加快了沉積有機(jī)質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化的速度，同時(shí)也改變了沉積有機(jī)質(zhì)熱降解反應(yīng)的方向，發(fā)生了諸多與地下油氣形成過程不一樣的化學(xué)反應(yīng)；再則，有機(jī)質(zhì)生排烴過程中涉及的反應(yīng)過程非常復(fù)雜，并非只有溫度、壓力、介質(zhì)等是其主要影響因素，沉積有機(jī)質(zhì)的賦存狀態(tài)、成巖過程中的膠結(jié)作用、孔隙及其連通性等地質(zhì)因素是難以在實(shí)驗(yàn)室里模擬的。因此，在利用生排烴模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果解釋各種油氣形成演化、排出與滯留過程的地質(zhì)現(xiàn)象時(shí)，需要緊密結(jié)合含油氣盆地演化史、烴源巖層系的埋藏史、熱演化史等實(shí)際地質(zhì)過程，把人工演化結(jié)果與類似的自然演化系列進(jìn)行比對分析，以判斷模擬實(shí)驗(yàn)的有效性，避免先入為主的主觀臆斷；在對有機(jī)質(zhì)成烴演化和油氣產(chǎn)率的評估上，應(yīng)對模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果與地質(zhì)實(shí)際之間的關(guān)系進(jìn)行進(jìn)一步研究，從而揭示科學(xué)合理的油氣生、排、滯演化規(guī)律，為高效勘探開發(fā)提供理論與技術(shù)支撐。

4.2 生排烴模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的發(fā)展趨勢

含油氣系統(tǒng)是對油氣地質(zhì)進(jìn)行綜合評價(jià)的一種思路和方法，它強(qiáng)調(diào)了油氣成藏的靜態(tài)地質(zhì)要素與動(dòng)態(tài)成藏過程的有機(jī)結(jié)合[37-38]。近年來，隨著非常規(guī)頁巖油氣與深層—超深層獨(dú)立油藏勘探開發(fā)的成功[39-40]，基于常規(guī)和非常規(guī)統(tǒng)一的含油氣系統(tǒng)，應(yīng)將烴源巖的生、排、滯油氣過程、儲(chǔ)集層孔隙發(fā)育、次生改造作用與不同類型油氣藏形成作為一個(gè)統(tǒng)一整體，研究成烴與成藏之間的內(nèi)在關(guān)聯(lián)性。為了適應(yīng)新的勘探開發(fā)研究需要，現(xiàn)代烴源巖生排油氣模擬實(shí)驗(yàn)的主要目的已不完全是為了認(rèn)識油氣的成因，研究某種單因素(如溫度、時(shí)間、壓力、無機(jī)礦物)對油氣生成過程的影響程度，也不僅僅是用于評價(jià)烴源巖自身的生油氣潛力，而應(yīng)更加注重油氣的排出與滯留效率研究以及源儲(chǔ)間復(fù)雜的物質(zhì)(油氣、水、礦物質(zhì))相互作用和能量交換對常規(guī)、非常規(guī)油氣成藏與賦存富集過程的影響。

基于上述油氣地質(zhì)勘探開發(fā)認(rèn)識，未來生排烴模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)應(yīng)該注重以下幾個(gè)方面的研究：

(1)模擬實(shí)驗(yàn)邊界條件綜合化。選擇熱模擬實(shí)驗(yàn)熱解反應(yīng)條件時(shí)應(yīng)充分考慮沉積盆地的演化條件(埋藏史、熱史等)，因此除了應(yīng)注重沉積有機(jī)質(zhì)性質(zhì)(干酪根類型)和數(shù)量(有機(jī)碳含量)等內(nèi)因之外，還應(yīng)強(qiáng)調(diào)溫度、時(shí)間、壓實(shí)(靜巖壓力)、流體壓力、地層水介質(zhì)、礦物組成、孔隙大小與結(jié)構(gòu)等外因的共同控制作用對油氣生成過程的影響，應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)有機(jī)質(zhì)、地層水和礦物質(zhì)相互作用、烴源流體相態(tài)與可動(dòng)性、油氣生成增壓和有機(jī)質(zhì)次生演化對常規(guī)—非常規(guī)儲(chǔ)集性能的影響，從而為全面了解與認(rèn)識各類油氣藏的形成演化機(jī)制提供更加科學(xué)有效的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

(2)開發(fā)源—儲(chǔ)—藏協(xié)同成烴成藏模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)。頁巖油氣、致密油氣等非常規(guī)油氣資源量的估算中，富有機(jī)質(zhì)烴源巖層系的源內(nèi)滯留、近源富集油氣的評價(jià)和估算是關(guān)鍵問題，需要確定烴源巖的排出與滯留油氣效率。因此除了進(jìn)行烴源巖中油氣生成過程的實(shí)驗(yàn)室模擬之外，還應(yīng)綜合考慮油氣的生成、排出以及運(yùn)移的地質(zhì)條件，開展油氣生、排與運(yùn)聚成藏一體化模擬實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)源—儲(chǔ)—藏協(xié)同演化作用下油氣地化參數(shù)的演變規(guī)律(探索動(dòng)態(tài)示蹤指標(biāo))研究，為海相深層烴源巖生排滯留油氣機(jī)制與常規(guī)—非常規(guī)一體化有效性動(dòng)態(tài)評價(jià)研究提供有力的技術(shù)支撐。

(3)多因素共控作用下油氣形成動(dòng)力學(xué)模擬研究。為了將實(shí)驗(yàn)室模擬結(jié)果更好地定量外推到地質(zhì)條件下油氣的形成演化過程，需要開展溫度、壓力、流體介質(zhì)、反應(yīng)空間和時(shí)間等條件共控作用下的生排烴動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，以獲得更加接近實(shí)際的生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)。