烃源岩特征与生烃动力学研究——以准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组为例

准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组含有丰富的油气资源,其烃源岩主要有页岩、碳酸盐质页岩和粉砂质泥岩,它们均具有有机质丰度高、生烃潜力大、当前处于低成熟至成熟阶段、有机质类型以Ⅰ型和Ⅱ型为主的特征,在对其特征进行评价的基础上,选取中-低成熟度、有机质丰度较高的烃源岩进行开放体系条件下的热解实验和动力学模拟实验,进而研究烃源岩样品的生排烃特征。结果表明,芦草沟组烃源岩活化能主要为210 kJ/mol;上述3 种烃源岩中,页岩具有最高的生烃量和排烃效率,碳酸盐质页岩次之,而粉砂质泥岩的生烃量和排烃率均最低,但前两者却具有较高的滞留烃含量。综合前人的研究成果,最终认为芦草沟组烃源岩生烃增压作用是烃源岩排烃和致密油气聚集的主要动力,页岩和碳酸盐质页岩段是致密油勘探的目标层段。     

页岩气产气机理及控藏因素分析

页岩气指以吸附或游离相态赋存于富有机质泥页岩的天然气聚集。本文对页岩气产气机理、生烃条件、控藏因素进行了研究,研究表明:(1)页岩气通过热裂解及生物降解生成;(2)生烃条件:高有机碳含量、主要由Ⅲ型干酪经生物化学作用、热解作用持续性生气;Ⅰ型、Ⅱ型干酪根经生物降解、在Ro1.2%裂解大量生气;(3)快速沉积、封闭性好的还原环境易形成页岩气(4)页岩低孔低渗,大孔隙储游离气;裂缝作储集空间及渗流通道。     

东营凹陷沙三段烃源岩生烃模式研究

为了进一步明确分散有机质(一般烃源岩)与有机质富集层(优质烃源岩)生烃过程的差异,采用东营凹陷沙三段中、下亚段烃源岩岩心进行生排烃模拟实验。结合地质剖面分析,认为沙三段中、下亚段烃源岩的生烃特征有明显的不同。沙三段中亚段主要生烃阶段为Ro大于0.5%;沙三段下亚段在Ro为0.4%-0.5%时可生成少量低熟油,当Ro大于0.5%时进入成熟阶段,具有较高的油气产率。沙三段下亚段烃源岩比中亚段明显具有更高的生烃潜力,且生烃区间较大。这取决于其特定的沉积环境所形成的烃源岩在有机质类型、富集程度等方面的差异。     

河北省北部富有机质页岩的页岩气潜力研究

为满足当前国内页岩气勘探开发需求,亟需完善富有机质页岩勘探开发理论。以河北省北部富有机质页岩样品为依托进行岩石热解、XRD全岩矿物分析、扫描电镜、甲烷等温吸附等实验,以期探明研究区古老地层富有机质页岩的页岩气潜力。研究发现：研究区下马岭组和洪水庄组烃源岩发育较好,有较好的生排烃潜力;页岩孔隙特征整体复杂,储层物性为低孔低渗,富集储存条件较好。又创新性研究了页岩含气性与岩相类型的关系,结果表明层状页岩含气性优于块状页岩。该研究成果丰富了页岩气富集理论,并指明了研究区富有机质页岩的页岩气勘探开发潜力较大,可为下一步有效开发提供理论指导。     

海相不同类型烃源岩生排烃模式研究

在海相烃源岩研究的基础上,筛选出青藏高原中生界和冀北地区上元古界未成熟—成熟海相不同类型烃源岩 10 个样品为代表,进行热压模拟试验,创建了海相3种类型干酪根和4种主要岩类的17种原始和再次生排烃模式。提出了海相烃源岩从Ⅰ型干酪根到Ⅱ₁型到Ⅱ₂型再到固体沥青,生排油、烃气和总生烃量逐渐变低,油质逐渐变轻,气逐渐变干,生烃速率也逐渐减小;从富烃页岩到富烃泥灰岩到富烃灰岩再到固体沥青,排油效率逐渐增加,总生排烃量和生烃速率具有逐渐减少的趋势,生烃气占总烃比例则从固体沥青到富烃页岩到泥灰岩到灰岩逐渐增加;从海相富烃源岩到低有机质含量的碳酸盐岩或随着有机质丰度的降低(TOC 0.2%到1.0%),生排油、烃气量和总生烃量及生烃速率逐渐变小,生烃气占总烃比例逐渐增加。      

构造生烃

生烃是岩石中所含的有机质产生流体有机化合物的化学反应。岩石有机质化学反应存在两种系统:封闭系统和开放系统,随着埋深加大,烃源岩越来越致密,岩石的化学反应逐渐由开放系统转变为封闭系统。目前的生烃理论仅仅是开放系统下烃源岩成熟与生烃理论,烃源岩成熟与生烃是不匹配的。封闭系统下烃源岩成熟与生烃是不匹配的,烃源岩成熟但不生烃,而是形成另外一种成熟的固体有机质。大多数情况是烃源岩为半封闭系统,烃源岩处于欠生烃状态。构造运动形成的断层和裂隙将烃源岩与疏导层沟通,烃源岩迅速由封闭、半封闭系统转变为开放系统。这种生烃系统的转变形成短时间内过量生烃,笔者将这种生烃作用命名为构造生烃,意味着构造运动期即为主生烃期,伴随着多次构造运动可以形成多个幕式生烃高峰。构造生烃理论开拓两个极其重要的勘探领域:第一,新构造勘探。以往认为已经过了生、排烃期的构造得以解放,如渤海湾郯庐断裂带第四纪圈闭不是过了主生烃期,而是正处于构造生烃的过生烃高峰期。以PL19-3为代表的油气运聚强度只有构造生烃能够解释;第二,超深勘探,特别是天然气勘探。深层勘探的下限将大大延伸,生烃门限,特别是生气门限将大大加深,仅生烃而言万米都不是天然气勘探的极限。     

渤南洼陷页岩生烃组分动力学分析及其对页岩油气勘探的意义

中国东部古近系页岩层系烃源岩有机质类型较好,成烃生物以浮游藻为主,主要为Ⅰ型有机质。利用热解色谱仪对Ⅰ型有机质进行了烃源岩生烃组分动力学分析,并结合热史外推地质过程,对渤南洼陷烃源岩层段页岩油气生成潜力、组分及含油饱和度进行了研究。渤南洼陷沙三中亚段烃源岩层系轻烃及重烃生烃转化率分别为31.1%和43.8%,已进入主生油期,如排烃不畅,则层系油饱和指数为273.24,有一定的页岩油潜能,但油质重,不利于页岩油开发;沙三下亚段(沙四上亚段)烃源岩层系轻烃及重烃生烃转化率分别为73%和83.5%,原油已大量生成,甲烷生烃转化率为33.2%,已进入大量生成甲烷阶段,湿气生烃转化率为58.1%,是生成湿气的高峰,如排烃不畅,则层系油饱和指数达571.17,且油气并存,弹性驱动力强,是页岩油开发重要目标区;沙四中及下亚段,生油已结束,是甲烷生成高峰期,如排烃效率低,已生成的原油将会裂解,除非形成超压体系,此时烃源岩层系主要是以气为主,应以页岩气勘探开发为主。      

页岩气的主要成藏要素与气储改造

含气页岩通常既可以作为烃源岩,又可以作为储层和盖层。页岩作为烃源岩,页岩气的产量与其总有机碳含量（TOC）、有机质的成熟度（Ro）、有效厚度密切相关;页岩作为储层,它有着低的孔隙度和渗透率,这也是它能作为盖层的原因。在页岩气藏中,气体主要是以吸附方式吸附在有机质和黏土颗粒的表面,或者以游离方式聚集在裂缝和孔隙中的。通过研究煤层气解吸机理,研究了页岩气的解吸机理及页岩中裂缝的检测方法。分析四川盆地烃源岩的地球化学特征、展布特征等,并探讨了四川盆地页岩气藏的分布。     

页岩有机质孔隙形成、保持及其连通性的控制作用

针对页岩有机质孔隙发育的强非均质性及形成演化的复杂性,运用场发射扫描电镜、拉曼光谱和流体注入与CT/扫描电镜成像等实验技术,开展南方下古生界富有机质页岩显微组分、有机孔和连通性等分析,结合生排烃机制、有机质活性炭成孔机理等研究成果,探索有机孔发育与有机质类型、生烃过程、成岩作用和孔隙压力等内在联系,揭示页岩有机质孔隙的形成与保存机制及其连通性的控制因素。研究表明,(1)有机孔形成贯穿于生烃全过程,受制于有机质类型、成熟度和分解作用,干酪根与固体沥青的生烃组分及差异生烃演化造成不同的孔隙发育特征,有机孔主要发育于固体沥青和富氢干酪根;(2)有机孔保存受成熟度和成岩作用控制,包括烃类原位滞留的空间位阻效应、重结晶形成的刚性矿物格架、孔隙流体压力与页岩脆-延性转换的耦合支撑机制;(3)Ro值4.0%是有机孔消亡的成熟度门限值,指出Ro值大于3.5%的页岩层属于页岩气勘探高风险区,其低含气性归因于"先天不足",烃源岩抬升前就处于开放状态,排烃效率高,芳构化强烈,使得成熟度升高,孔隙减少;(4)同一有机质颗粒内部孔隙具较好连通性,不同有机质孔隙及其与无机孔缝之间形成有效连通则取决于页岩有机质丰度...     

干酪根溶解理论及其在页岩气评价中的应用探索

通过引入干酪根溶解理论及在其基础上发展而来的生烃、排烃模型,指出Ⅱ型干酪根在较高演化程度（转换率>75%)下,液态烃(C_6-15+)的排烃效率高于69%,气态烃（C_1-5)的排烃效率高达97%。计算得到Ⅱ型干酪根在高演化阶段的滞留气量（非页岩总滞留量)为2.84mg/gTOC.由干酪根溶解理论模型所得干酪根滞留气量间接反映页岩中吸附气所占比例不大,而由有机质降解,成岩作用（如蒙脱石向伊利石转换)或者构造运动而形成的孔隙和裂缝中的游离气含量较高,是页岩气产量的主力贡献。在页岩气区带优选及井位选择时需要特别重视寻找微米-纳米孔及天然微裂缝发育的“甜点区”。     

油气生成的化学动力学模型和煤成气的数值模拟

建立了一个半开放系统的生烃化学动力学模型及其煤成气的简化模型.在该模型中煤或干酪根首先降解为油和气,随以后成熟度的增加,源岩中未排出的石油裂解为气,在油气的形成过程中,伴随着油气的初次运移.该模型可用于任何沉积盆地中油气形成过程的数值模拟.实际应用时,可根据给定的化学动力学参数,选择模型和其中参数.     

准噶尔盆地南缘中二叠统烃源岩封闭体系与开放体系生烃模拟试验研究

准噶尔盆地南缘地区二叠系烃源岩生烃潜力较好,部分层段达到优质烃源岩标准,勘探前景广阔。选取了南缘东部野外妖魔山和红雁池地区的野外地质剖面中二叠统不同类型干酪根的烃源岩样品,进行了开放体系与封闭体系的生烃模拟试验的研究。密闭体系的生烃模拟试验表明,南缘二叠系烃源岩Ⅰ型干酪根生油量与生气量均较高,好于Ⅱ型。并且二者的生烃演化过程也不同,Ⅰ型干酪根的镜质体反射率Ro值在1.0%左右时,吸附油量达到高峰,Ro值在1.3%左右时,排出油量达到高峰;Ⅱ型干酪根的Ro值在1.0%左右时,排出油量与吸附油量均达到高峰。开放体系模拟试验表明,不同类型干酪根的活化能存在差异,与干酪根的显微组分有关,并且从生烃转化表明,Ⅰ型干酪根的生烃转化早、快,在Ro值为0.90%左右时达到生烃高峰,Ⅱ型与Ⅲ型干酪根依次变慢。     

海拉尔盆地外围凹陷南一段烃源岩生烃动力学研究

为了厘清海拉尔盆地外围红旗、东明和伊敏凹陷南屯组一段烃源岩的生烃潜力和现处的生烃演化阶段,采用封闭体系黄金管高压釜对南一段烃源岩进行了生烃动力学研究,结果表明：气态烃动力学参数差异较大,伊敏凹陷主频活化能最高,红旗凹陷次之,东明凹陷最低。液态烃动力学参数中红旗凹陷平均和主频活化能最低,伊敏凹陷活化能分布表现为双峰特征,东明凹陷主频活化能最高,伊敏次之,红旗凹陷最低。研究区寻找气藏的可能性很低,生烃史恢复结果表明南一段烃源岩于早白垩世进入生油门限,现今仍处于低成熟-成熟阶段早期,油的转化率12.67%～39.50%,仅发生少量排烃。制约生油量的最主要因素是有机质未达到生烃高峰,致使生烃量及资源量有限,油气勘探的重点在于寻找其下部铜钵庙组、塔木兰沟组古地温相对较高、生油潜力较强的烃源岩或南屯组烃源岩局部成熟区域。     

松辽盆地白垩系湖相Ⅰ型有机质生烃动力学

针对松辽盆地白垩系湖相Ⅰ型有机质的生烃特征和动力学,利用黄金管模拟装置开展了升温热解实验。液态产物和气体产物的定量分析结果表明,该Ⅰ型有机质在热演化过程中以生油为主,干酪根初次裂解气产量仅为100 mg/g左右。轻质油的色谱演化和烃类气体生成的活化能分布共同证实,封闭体系的烃类气体来源于多种反应途径,其中早期生成液态产物的二次裂解作出了很重要的贡献。同时,动力学计算的结果表明,不同液态产物生成反应的动力学参数存在差异,轻质组分生成的活化能明显要高于重质组分;源内残留油二次裂解的平均活化能为57.3 kcal/mol,要低于油藏内正常原油裂解的活化能;Ⅰ型有机质初次裂解气形成于生油初期到源内残留烃裂解早期阶段。     

烃源岩孔隙流体介质对石油初次运移的影响

利用自主研制的地层孔隙热压生排烃模拟仪,系统开展了氮气—水蒸气、水蒸气—液态水体系、液态水和无水体系系列生排烃模拟实验,通过对排油效率的分析对比,探讨了烃源岩孔隙流体介质对石油初次运移的影响。在生油气阶段,烃源岩孔隙空间是保持一定温度和压力的多组分(烃气、非烃气、石油、地层水)流体共存的一种相态。液态地层水是石油初次运移过程中不可缺少的运移载体。水可能是首先吸附在岩石矿物的表面,起到了一种"润滑剂"的作用,阻止了石油在矿物表面的吸附,从而有利于石油的运移。同时,生油气过程中伴生的大量的CO2,由于其独特的超临界特性,易于溶解孔隙流体中的石油,降低了油水之间的界面张力和石油的黏度,减小了石油运移阻力,促进了石油的初次运移。     

东海西湖凹陷平湖组Ⅲ型干酪根暗色泥岩生排烃模拟

为更真实地刻画烃源岩生排烃过程及为油气资源定量评价提供合理的关键参数,对东海陆架盆地西湖凹陷始新统平湖组Ⅲ型干酪根暗色泥岩开展了半开放体系下热压生排烃模拟实验研究。模拟结果显示,该暗色泥岩的生排烃过程主要包括初期缓慢生油阶段（R_o=0.5%~0.7%）、早期快速生排油阶段（R_o=0.7%~1.0%）、中期油裂解气阶段（R_o=1.0%~1.5%）、后期主生气阶段（R_o=1.5%~2.3%）及晚期生干气阶段（R_o>2.3%）。该烃源岩的排油门限（R_o）约为0.7%,其生气范围较宽（R_o=1.0%~3.0%）,且在高—过热演化阶段仍具备较强的生气能力,是以生气为主的气源岩。通过对实验结果和样品生排烃特征的研究,建立了一套西湖凹陷平湖组Ⅲ型暗色泥岩生气与生排油过程及潜力评价的数学模型,可用于该区资源量计算。与封闭体系的高温高压黄金管热模拟实验相比,半开放体系下烃源岩热压生排烃模拟实验的累计产油率更高,也更接近实际地质情况,据此评价可使西湖凹陷具有更大的油气资源量。     

中国海相层系多元生烃及其示踪技术

中国海相层系具有时代老、时空跨度大、烃源类型多等特点,绝大多数烃源处于高-过成熟演化阶段,存在多种烃源复合成烃转化过程,给油气成藏和油气源对比研究带来诸多困难。根据中国海相烃源的特点,按照烃源的可溶性将其划分为不溶、可溶和酸溶有机质3大类型。同时按照烃源的形成过程,将其分为原始烃源（岩）、再生烃源和化学烃源,海相原始烃源有机质有其独特的显微生物组合和赋存形式。通过仿真生烃模拟,揭示不同类型烃源的产烃率变化特征,特别是不同类型可溶有机质（古油藏、分散可溶有机质和沥青等）产率与原始状态密切相关。鉴于不同烃源的复杂性和演化的特殊性,从不同烃源的生物标记化合物特征、同位素组成特征和微量元素特征入手,有效揭示出次生烃源与烃源岩中干酪根的亲缘关系。利用元素、生物标志化合物、稳定同位素以及稀有气体同位素有效组合从物质来源、关键时间和成藏过程进行示踪指标技术集成,发展了中国海相层系的油气形成与成藏的有机-无机示踪体系。     

和田河气田天然气运聚效率及源区探讨

和田河气田天然气主要源自寒武系烃源岩早期所生液态烃的二次裂解。针对其天然气成因类型,设计开展了源岩热解生烃和原油裂解成气模拟实验,在此基础上建立并标定了有机质生烃及原油裂解成甲烷过程中碳同位素分馏的化学动力学模型,进而在和田河气田的潜在源区进行了地质应用。结果表明,和田河气田两个潜在源区均有短期内大量生气的特征,这有利于减小成藏过程中天然气的散失量。但是,巴楚凸起生气期较早,且所生油气先后经历了两次构造运动破坏;而麦盖提斜坡先北倾后南倾的构造格局演化既使西南坳陷烃源岩早期处于构造上倾部位,生气较晚,又使其所生烃类早期在构造相对稳定的西南古斜坡的构造高部位成藏,而不是在其下倾方向的玛扎塔格断垒构造带聚集,避免了和田河地区的两次构造运动破坏。因此,和田河气田天然气应主要源于西南坳陷。