楊毅,袁勝斌,郭東明

(中法渤海地質(zhì)服務(wù)有限公司,天津 300452)

地球化學(xué)錄井可以在隨鉆過程中對烴源巖有效性和儲集層流體進(jìn)行評價(jià),為油氣水解釋和石油地質(zhì)研究提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)[1]。地球化學(xué)錄井技術(shù)已經(jīng)歷了近半個世紀(jì)的發(fā)展,從定性分析儲層含烴量,到油氣水解釋,目前已應(yīng)用于儲層評價(jià)領(lǐng)域[2]。自地球化學(xué)分析技術(shù)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(jià)方法單一。本文擬從地球化學(xué)原理分析入手,開展地球化學(xué)錄井解釋圖譜對比研究,以期為地球化學(xué)錄井解釋應(yīng)用提供借鑒。

1 地球化學(xué)錄井概念及相關(guān)技術(shù)

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(jī)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(shù)

1.1.1 分析原理及方法

巖石熱解技術(shù)的基本過程為:將巖樣置于可控升溫反應(yīng)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(jìn)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(shù)(周期Ⅰ分析法)和三峰分析技術(shù)(周期Ⅱ分析法)。

1.1.1.1 三峰分析技術(shù)(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(shù)(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(dāng)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(dāng)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(jī)碳含量,mg/g;

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

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(jì)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(jià)的相關(guān)參數(shù)

在分析評價(jià)儲層含油性時,除應(yīng)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(xué)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(jià):

1)1個含油氣總量相關(guān)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(guān)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(jì)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(jì)算。

HPI(重?zé)N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(guān)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(jì)算。

輕重比Ps:

Ps=(S0+S1)/S2

(5)

儲層的地化亮點(diǎn)值M:

M=(S0+S1)/S2×Pg=Ps×Pg

(6)

1.1.2.4 烴源巖評價(jià)計(jì)算參數(shù)

同理,烴源巖評價(jià),除應(yīng)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(xué)計(jì)算,得出7個評價(jià)烴源巖重要性和有效性的計(jì)算參數(shù)。

1)有機(jī)質(zhì)豐度評價(jià)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(jī)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(jìn)行評價(jià),標(biāo)準(zhǔn)如表3所示。

表3 烴源巖的熱解評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

2)有機(jī)質(zhì)類型評價(jià)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(shù)

熱蒸發(fā)烴氣相色譜技術(shù)也稱為飽和烴氣相色譜分析技術(shù)、熱解氣相色譜。

1.2.1 分析原理

熱解氣相色譜本身是一項(xiàng)非常成熟的地球化學(xué)分析方法,因?yàn)闅庀嗌V技術(shù)可以把混合狀態(tài)的氣相物質(zhì)進(jìn)行不同組分的分離,所以在生產(chǎn)和科研工作中應(yīng)用非常廣泛。當(dāng)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(jìn)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(fù)分配的過程中產(chǎn)生分異,體現(xiàn)在不同組分的運(yùn)移速率不同,進(jìn)入色譜柱之后不同組分發(fā)生自然分異,當(dāng)不同組分從色譜柱中先后離開并進(jìn)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(qiáng)度和時間記錄下來。因?yàn)闅庀嗌V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(jià)。目前錄井行業(yè)使用的氣相色譜分析方法一般進(jìn)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(shí)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?yàn)槌^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(shè)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(yùn)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?dú)庾鳛闊N組分流動的載氣,以氫氣作為烴組分燃燒的助燃?xì)怏w,以空氣作為動力氣體和助燃?xì)怏w,分析完后以氮?dú)庾鳛榇祾邭怏w。

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(biāo)、響應(yīng)信號為縱坐標(biāo)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?jǐn)?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(jī)質(zhì)中生油母質(zhì)的不同類型、有機(jī)質(zhì)成熟度有關(guān),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(jī)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(jī)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?jǐn)?shù)之比,可以反映有機(jī)質(zhì)熱演化程度,與生油母質(zhì)類型和烴類性質(zhì)有關(guān)。

3)(nC21+nC22)/(nC28+nC29):兩組不同特征碳數(shù)的正烷烴質(zhì)量分?jǐn)?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(jī)質(zhì)的生油母質(zhì)來源。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明,由陸源有機(jī)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(jī)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(jī)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?jǐn)?shù)之比,這一參數(shù)與有機(jī)質(zhì)成熟度和有機(jī)質(zhì)生油母質(zhì)來源有關(guān)。有機(jī)質(zhì)成熟度越高,姥植比越大。一般陸源有機(jī)質(zhì)的姥植比大于1,海洋有機(jī)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(jī)質(zhì)成熟相關(guān),在油氣成藏研究中可用于油氣運(yùn)移示蹤。

2 地球化學(xué)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(diǎn)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(yīng)用熱解氣相色譜數(shù)據(jù)進(jìn)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?jǐn)?shù)計(jì)算得到的地化亮點(diǎn)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(dāng)儲層含水時,色譜峰的未分辨峰面積將顯著增大,有觀點(diǎn)認(rèn)為這種未分辨峰面積的占比與儲層含水量直接相關(guān),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(xué)分析方法

主要采用統(tǒng)計(jì)分析、聚類、模糊數(shù)學(xué)及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法[5]。數(shù)學(xué)方法的應(yīng)用主要有三點(diǎn)用途:第一,可以融合多參數(shù)進(jìn)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(xué)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(xiàng)參數(shù)進(jìn)行判斷。第二,可以對圖版法的分區(qū)進(jìn)行精細(xì)刻畫;當(dāng)運(yùn)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(xì),運(yùn)用數(shù)學(xué)方法的多次迭代或收斂能達(dá)到精益求精的效果,使圖版解釋準(zhǔn)確率更高。第三,當(dāng)某些層位運(yùn)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(dāng)最終仍無法突破時,可以從實(shí)用的角度出發(fā),采用如BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、馬爾科夫鏈等數(shù)學(xué)模型對地化錄井資料進(jìn)行未知分類方面的探索。