熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的影響因素

熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)技術(shù)的影響因素

根據(jù)ti索等人提出的“干酪根熱分解最終生油理論”提出的各種熱壓模擬試驗(yàn)，由于溫度和時(shí)間的影響，只考慮熱分解和生物化學(xué)過程對有機(jī)質(zhì)和時(shí)間的影響，因此與地質(zhì)條件下的生物化學(xué)過程存在很大差異。因此，在實(shí)際的石油勘探實(shí)踐中很難獲得成果。如果成烴過程是烴源巖中的有機(jī)物質(zhì)經(jīng)過熱演化轉(zhuǎn)變成油氣的化學(xué)反應(yīng),那么該反應(yīng)除與反應(yīng)物性質(zhì)(干酪根類型)和數(shù)量(有機(jī)碳含量)有關(guān)外,還應(yīng)與溫度、上覆靜巖壓力、體系流體壓力、流體介質(zhì)性質(zhì)、賦存狀態(tài)和孔隙空間大小等一系列反應(yīng)邊界條件有關(guān)。受裝置限制,現(xiàn)有各種熱壓生烴模擬實(shí)驗(yàn)主要是在含水、低流體壓力、相對較大的空間和高溫條件下進(jìn)行的[2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16],相當(dāng)于把烴源巖放在一個(gè)很大的容器中進(jìn)行熱降解化學(xué)反應(yīng),主要強(qiáng)調(diào)的是熱降解過程,而忽視了生烴空間、孔隙流體壓力、高溫高壓液態(tài)水及初次排烴等影響因素的共同作用。筆者選擇同一個(gè)樣品,分別用自制的地層孔隙熱壓模擬儀和常規(guī)高壓釜熱壓模擬儀進(jìn)行烴源巖生排烴模擬實(shí)驗(yàn),初步研究了孔隙流體壓力、生烴空間及高溫高壓液態(tài)水對沉積有機(jī)質(zhì)生烴演化過程可能存在的影響。1儀器、條件和樣品的模擬1.1圓柱體樣品的模擬地層孔隙熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn)使用的儀器是中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所自行研制的(已申報(bào)國家發(fā)明專利),儀器原理結(jié)構(gòu)見圖1,主要由高溫高壓反應(yīng)系統(tǒng)、雙向液壓控制系統(tǒng)、自動(dòng)排烴產(chǎn)物收集與流體補(bǔ)充系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集與自動(dòng)控制系統(tǒng)和外圍輔助設(shè)備組成。利用該儀器進(jìn)行烴源巖的生、排烴模擬實(shí)驗(yàn)具有以下特點(diǎn):1)用特制的取樣工具鉆取直徑3.8cm、質(zhì)量5～150g的圓柱體原樣,盡量保留樣品的原始孔隙結(jié)構(gòu)、組成和有機(jī)質(zhì)賦存狀態(tài);2)圓柱體原樣被整體密封在樣品室中后置于高溫高壓釜體內(nèi),再通過油缸和中間壓力套對巖心樣品施加最高可達(dá)180MPa的靜巖壓力進(jìn)行壓實(shí),其間只通過一根內(nèi)徑很小的管道與自動(dòng)排烴產(chǎn)物收集系統(tǒng)連通,因此密閉模擬生烴過程是在巖石孔隙空間中進(jìn)行的幾乎沒有多余的反應(yīng)空間;3)樣品室中圓柱體原樣的孔隙流體(既可以補(bǔ)充地層水,也可以補(bǔ)充惰性氣體)能通過流體補(bǔ)充系統(tǒng)實(shí)時(shí)補(bǔ)充,高壓釜體端口采用軸向自緊靜密封和半自緊動(dòng)密封相結(jié)合的特殊密封方式,因此可以在最高孔隙流體壓力達(dá)150MPa的條件下進(jìn)行高壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn);4)采用排烴自動(dòng)控制高壓閥門,因此既可以進(jìn)行一定孔隙流體壓力下的密閉生烴模擬,也可以進(jìn)行較高流體壓力下的“幕式排烴”模擬。密閉高壓釜生排烴模擬儀器也是無錫所自行研制的,將粉碎樣品在密閉、生烴空間相對較大(最大體積為500mL)、流體壓力最高25MPa、沒有上覆靜巖壓力的條件下,進(jìn)行烴源巖熱壓生排烴模擬實(shí)驗(yàn),屬于常規(guī)高壓釜密閉生排烴模擬。1.2熱壓生烴模擬實(shí)驗(yàn)的熱壓模型為了便于對比研究,2種模擬實(shí)驗(yàn)都是在封閉條件下進(jìn)行的,孔隙流體壓力均由純水及烴源巖產(chǎn)物形成。不同之處在于,地層孔隙熱壓模擬實(shí)驗(yàn)過程中,流體物質(zhì)充滿了整個(gè)圓柱體原樣的孔隙空間,生烴空間基本上就是孔隙空間,因此烴源巖有機(jī)質(zhì)的熱壓演化是在保留樣品的原始狀態(tài)、在有限生烴空間里、同時(shí)考慮到與地質(zhì)條件相近的孔隙流體壓力和上覆靜巖壓力、在高溫高壓液態(tài)水中進(jìn)行的,這種生烴模擬實(shí)驗(yàn)條件暫名為地層孔隙—高溫高壓水熱體系。在常規(guī)高壓釜熱壓模擬實(shí)驗(yàn)中,高壓釜裝入樣品后還有較大的多余空間(500mL樣品室,裝入100g巖樣后至少還有450mL的多余空間),因此熱壓生烴模擬實(shí)驗(yàn)過程中形成的流體壓力較小(一般低于20MPa,遠(yuǎn)小于實(shí)際地質(zhì)條件下的地層流體壓力),沒有施加上覆靜巖壓力,此時(shí)加入的水主要以水蒸氣形式存在。所有溫度點(diǎn)的模擬實(shí)驗(yàn)均按1℃/min的升溫速率升至設(shè)定溫度,并恒溫96h,再降溫至150℃后取出氣態(tài)產(chǎn)物,用氣相色譜儀檢測氣體組成;用冷阱收集隨氣體排出的凝析油,反應(yīng)系統(tǒng)冷卻至室溫后用二氯甲烷洗滌反應(yīng)釜及管道內(nèi)壁收集輕質(zhì)油,二者合并稱為排出油;取出巖樣經(jīng)氯仿抽提所得到的可溶有機(jī)質(zhì)為殘留油,排出油和殘留油之和為模擬實(shí)驗(yàn)的總油,總油加上烴氣為總烴。2種生排烴模擬方式的實(shí)驗(yàn)條件見表1。1.3巖石結(jié)構(gòu)及反射率模擬樣品為取自渤海灣盆地東營凹陷官127井2378.89～2378.99m層段(樣品編號(hào)G127—15,層位Es4(上)的黑色泥巖,其TOC=3.59%,氯仿瀝青“A”=0.3991%,S1=0.97mg/g,S2=15.28mg/g,IH=585mg/g,實(shí)測Ro=0.37%,FAMM分析等效鏡質(zhì)體反射率RˉˉˉV=0.67%RˉV=0.67%,顯微組分以腐泥組為主,干酪根類型屬Ⅰ型,孔隙度5.82%,巖石密度2.37g/cm3。2結(jié)果與討論2.12不同溫度下地層孔隙-高溫高壓水熱co與烴氣產(chǎn)率分布特征圖2是2種模擬方式在相同溫度下的氣體產(chǎn)率曲線,可以看出,氣體產(chǎn)物在組成上是一致的,主要由烴類和非烴類氣體組成,但在相同溫度時(shí)2種模擬方式所得各氣體產(chǎn)率存在較大差異。在低溫階段除了氫氣產(chǎn)率地層孔隙熱壓模擬的要大于常規(guī)高壓釜模擬的,在相同溫度條件下無論是總氣體產(chǎn)率、CO2產(chǎn)率還是烴氣產(chǎn)率都是常規(guī)高壓釜模擬的遠(yuǎn)大于地層孔隙熱壓模擬的(表2)。在低溫低演化階段,地層孔隙熱壓模擬有機(jī)碳的CO2產(chǎn)率不足1cm3/g,而在相同溫度條件下常規(guī)高壓釜模擬氣體產(chǎn)物主要以CO2為主,其產(chǎn)率最高達(dá)439.63cm3/g。從CO2產(chǎn)率的演化趨勢可看出,在生油階段常規(guī)模擬CO2產(chǎn)率隨溫度的升高先升再降,在250℃達(dá)到高峰,而地層孔隙模擬的CO2產(chǎn)率隨溫度變化先有一個(gè)小幅度升降,在350℃時(shí)再急劇增加,且其CO2產(chǎn)率要低一個(gè)數(shù)量級(jí)。盡管兩者的總氣體和烴氣產(chǎn)率隨溫度升高而增加的總體演變趨勢是相同的,但在同樣溫度下兩者的產(chǎn)率值差異很大。模擬溫度在200～350℃之間,高壓釜模擬的總氣體產(chǎn)率是地層孔隙熱壓模擬的4～17倍,烴氣產(chǎn)率是5～18倍,而且溫度越高,產(chǎn)率值差異越大。這說明地層孔隙—高溫高壓水熱體系在低成熟—成熟階段就開始抑制了烴源巖中有機(jī)質(zhì)向烴氣的轉(zhuǎn)化。早期的烴氣與CO2普遍被認(rèn)為是來自于干酪根上活潑基團(tuán)的脫落,因此兩者氣體產(chǎn)率的差異可能是有些在常規(guī)模擬中容易分解脫落的基團(tuán)由于反應(yīng)空間限制以及孔隙流體壓力提高抑制了其分解,因?yàn)樗械聂然?、羰基等活潑基團(tuán)的分解都是從固、液相變成氣相、體積增大的反應(yīng)過程,易受壓力與反應(yīng)空間影響。2.22高壓封壓對干結(jié)構(gòu)的影響2種模擬方式的油產(chǎn)率隨溫度的變化如表2,圖3所示。從中可知,在RˉˉˉV=0.8%RˉV=0.8%(相當(dāng)于模擬溫度300℃)之前,即在低成熟階段,2種生烴模擬方式隨溫度增加烴源巖有機(jī)質(zhì)的熱演化趨勢完全一致,無論是排出油、殘留油還是總油產(chǎn)率變化緩慢,兩者的總油產(chǎn)率基本相同,地層孔隙熱壓模擬和常規(guī)高壓釜模擬的總油產(chǎn)率平均值分別為164.90,167.37mg/g。說明在進(jìn)入大量生油階段之前,孔隙流體壓力、上覆靜巖壓力與孔隙空間對干酪根生油的影響不大。當(dāng)RˉˉˉV>0.8%RˉV>0.8%之后,即在成熟階段,常規(guī)高壓釜模擬的總油產(chǎn)率(463.7mg/g)大于地層孔隙熱壓模擬(408.88mg/g),這可能與孔隙流體壓力、生烴空間等因素延緩了干酪根生油有關(guān),同時(shí)也說明壓力、空間、高溫高壓液態(tài)水等邊界條件對有機(jī)質(zhì)演化過程的影響存在階段性。生烴高峰前,在相近的成熟度(或模擬溫度)下,盡管2種生烴模擬的總油產(chǎn)率相近,但地層孔隙熱壓生烴模擬的排出油產(chǎn)率和烴氣產(chǎn)率較常規(guī)生烴模擬的結(jié)果低,而殘留油產(chǎn)率高,說明在孔隙空間和地層壓力生烴條件下,烴源巖在進(jìn)入生烴高峰前(即烴源巖孔隙空間內(nèi)含油飽和度較低時(shí)),排油能力很低,排油率(排出油產(chǎn)率與總油產(chǎn)率的百分比值)小于7%,且隨溫度增加變化不大。然而一旦開始大量生油,則存在一個(gè)突變過程(從300℃的7%到350℃的27%)。相反,常規(guī)模擬的排油率在此階段隨溫度升高而呈線性增加,沒有突變過程。兩者在排油效率上的差異是由實(shí)驗(yàn)條件不同造成的。地層孔隙熱壓模擬實(shí)驗(yàn)中由于施加了較大的上覆靜巖壓力,流體壓力較高、生烴空間非常有限、原樣柱體樣品未經(jīng)粉碎,因此干酪根在低演化階段熱降解生成的少量油難以排出。常規(guī)高壓釜模擬由于沒有壓力與空間限制,排烴效率自然較高。對比分析這2種模擬方式的排油效率,認(rèn)為地層孔隙模擬的排油過程要比常規(guī)模擬的更接近實(shí)際地質(zhì)條件下的初次排油過程,但有關(guān)地層孔隙—高溫高壓液態(tài)水熱體系對烴源巖在不同演化階段的生烴與初次排烴過程的影響程度還需進(jìn)一步開展工作。2.32不同模擬方式固體產(chǎn)物的熱演化對東營凹陷沙四段黑色泥巖采用2種模擬方式所得到各個(gè)溫度點(diǎn)的固體產(chǎn)物進(jìn)行熱解分析和FAMM分析,分析結(jié)果見表3,圖4。可以看出,2種模擬方式固體產(chǎn)物的熱解參數(shù)無論是數(shù)值大小還是演變趨勢均有明顯差異。常規(guī)模擬固態(tài)產(chǎn)物的TOC與PC(有效碳)均隨溫度升高而下降,特別是在300℃之后下降最為明顯(圖4a)。在低成熟階段,地層孔隙熱壓模擬固態(tài)產(chǎn)物的TOC與PC先隨溫度和壓力的升高而增加,在250℃時(shí)出現(xiàn)一個(gè)高峰值,之后隨著有機(jī)質(zhì)熱演化的加深再快速下降。這可能與施加了上覆地層壓力、孔隙流體壓力以及生烴空間受到限制,特別是與高溫高壓液態(tài)水(一種近臨界狀態(tài)水)有關(guān)。與常規(guī)高壓釜模擬時(shí)流體壓力較低、反應(yīng)空間較大、反應(yīng)體系中水主要以高溫水蒸氣形式存在相比,在地層孔隙—高溫高壓液態(tài)水條件下,部分含有活性基團(tuán)的有機(jī)大分子不是熱解成小分子的油氣,而是在一定程度上縮合成不溶有機(jī)質(zhì),甚至有可能由于近臨界水提供了大量H+和OH-離子,將一些“死碳”(不具生油氣潛力的有機(jī)碳)激活成具生油氣潛力的“有效碳”,導(dǎo)致殘留有效有機(jī)碳(PC)增高,也可能是常規(guī)高壓釜模擬的高溫低壓水蒸氣體系導(dǎo)致干酪根提前“焦化”。如果單從同一溫度的生油產(chǎn)率來看,地層孔隙—高溫高壓水熱體系似乎抑制了有機(jī)質(zhì)的熱演化,而對比兩種模擬方式的固體產(chǎn)物特征不難看出,地層流體壓力、生烴空間和高溫高壓液態(tài)水只是在低演化階段延緩了(不是抑制)干酪根向油氣的轉(zhuǎn)化,但同時(shí)也極大地提高了干酪根進(jìn)一步生成油氣的潛力。這一點(diǎn)也可從表3列出的氫指數(shù)(IH)隨溫度的變化看出。200～350℃各個(gè)溫度點(diǎn),即在低成熟—成熟早期階段,都是地層孔隙熱壓模擬固體產(chǎn)物的IH大于常規(guī)高壓釜模擬的,說明在經(jīng)歷了相同溫度的熱降解之后,地層孔隙模擬的固體產(chǎn)物剩余的生烴潛力要遠(yuǎn)大于常規(guī)高壓釜模擬的。由于其殘余的生烴潛能較高,可以推測隨著演化的進(jìn)一步加深,尚具備生成大量油氣的潛力(進(jìn)一步的模擬實(shí)驗(yàn)已證實(shí)這一點(diǎn),有關(guān)地層孔隙—高溫高壓水熱體系在成熟—過成熟階段對烴源巖熱演化的影響,將另文發(fā)表)。這也說明孔隙流體壓力與有限的生烴空間只是延緩了干酪根成烴演化過程。2種模擬方式固體產(chǎn)物的等效鏡質(zhì)體反射率隨溫度的變化規(guī)律見表3,圖4b。2種模擬方式的等效鏡質(zhì)體反射率都隨溫度升高而增加,在數(shù)值上卻存在較大差異。模擬溫度在200～300℃,即大量生油之前,地層孔隙熱壓模擬的等效鏡質(zhì)體反射率比常規(guī)高壓釜模擬的要略大些,但差異不大;300℃之后,即大量生油開始時(shí),在同一溫度時(shí)地層孔隙熱壓模擬的等效鏡質(zhì)體反射率比常規(guī)模擬的小。這說明地層壓力、孔隙空間和高壓高溫液態(tài)水在不同演化階段對固態(tài)有機(jī)質(zhì)的性質(zhì)與結(jié)構(gòu)的影響是不同的。這點(diǎn)同樣可以從Tmax值看出。從表3中所列Tmax值可知:2種模擬方式固體產(chǎn)物的Tmax值都隨溫度的升高呈逐漸增加的趨勢,但地層孔隙模擬增加緩慢,從200℃到350℃才增加了幾度,變化不明顯;常規(guī)模擬的Tmax在低溫時(shí)變化不大,而在350℃時(shí)迅速增加到452℃,顯示其已經(jīng)進(jìn)入生油高峰附近。說明2種模擬方式的熱演化過程不同,在低成熟階段,地層孔隙模擬中干酪根的熱演化較快,而常規(guī)高壓釜模擬的熱演化較慢;在開始大量生油的成熟階段,地層孔隙模擬的熱演化較慢,常規(guī)高壓釜模擬的較快。以上分析說明:地層孔隙—高溫高壓液態(tài)水熱體系對烴源巖有機(jī)質(zhì)生排烴演化過程的影響與溫度一樣伴隨著整個(gè)生烴演化階段,不僅表現(xiàn)在對生烴產(chǎn)率的影響方面,而且表現(xiàn)在對其產(chǎn)物組成與地化特征的影響等各個(gè)方面。2.42不同地質(zhì)條件下烴源巖孔隙結(jié)構(gòu)—種模擬方式的生排烴模式特征為了更好地對比研究地層孔隙與常規(guī)高壓釜熱壓生烴模擬條件對烴源巖熱演化過程的影響,建立了Ⅰ型富烴優(yōu)質(zhì)烴源巖2種模擬方式的生排烴演化模式(圖5)。兩者的主要區(qū)別有:1)等效鏡質(zhì)體反射率在0.8%之前,即在低成熟階段,兩者的烴氣、總油、總烴以及排出油產(chǎn)率變化不大,干酪根的熱演化趨勢基本相同,除排出油產(chǎn)率和無機(jī)氣體產(chǎn)率相差比較大以外,地層孔隙模擬其他產(chǎn)物的產(chǎn)率值都與對應(yīng)的常規(guī)模擬相差不大。這說明在同時(shí)考慮孔隙流體壓力、上覆地層壓力與孔隙空間的條件下,對氣態(tài)烴、液態(tài)烴和固體干酪根的組成特征會(huì)產(chǎn)生影響,但對生烴(油)量卻影響不大。2)等效鏡質(zhì)體反射率在0.80%～1.20%之間,也就是在成熟階段時(shí),盡管兩者都隨溫度升高,干酪根生烴量顯著增加,但是地層孔隙模擬的烴氣產(chǎn)率、總油產(chǎn)率、總烴產(chǎn)率均低于對應(yīng)溫度點(diǎn)的常規(guī)模擬的產(chǎn)率,說明孔隙流體壓力、上覆靜巖壓力、生烴空間與高溫高壓液態(tài)水的共同作用明顯延緩了干酪根熱演化,影響了有機(jī)質(zhì)熱解速率,而且這種延緩作用可能隨著熱演化的加深而加劇。3)通過比較兩者的熱壓演化過程可知,壓力(包括上覆地層壓力和孔隙流體壓力)、孔隙空間與高溫高壓液態(tài)水跟溫度、時(shí)間一樣,自始至終影響著烴源巖熱演化生排烴過程的各個(gè)方面,只是在不同成熟階段影響程度與表現(xiàn)形式不同而已。4)在選擇與地質(zhì)條件下相似的壓力、孔隙空間以及在高壓高溫流體(水)中進(jìn)行生、排烴模擬實(shí)驗(yàn)所得到的結(jié)果可能與地下有機(jī)質(zhì)的實(shí)際演化過程更為接近。如果用煮飯過程來做類比的話,在地層孔隙—高溫高壓液態(tài)水熱體系中進(jìn)行沉積有機(jī)質(zhì)的熱解生烴模擬,就如用加滿水的高壓鍋煮飯,做出來的米飯既容易熟,也燒得爛,還不容易燒糊;而在常規(guī)密閉高壓釜的高溫低壓水蒸氣體系中進(jìn)行沉積有機(jī)質(zhì)的熱解生烴模擬,就好比在加水不夠的情況下煮飯,既容易煮成“夾生飯”,還有燒焦的危險(xiǎn);而敞開體系的熱解生烴過程就猶如在不加水的情況下煮飯,即使米的表面燒焦了,米飯也煮不熟。地質(zhì)條件下烴源巖中沉積有機(jī)質(zhì)的演化過程與用加滿水的高壓鍋?zhàn)鲲堄蓄愃浦?是在孔隙空間中充滿了壓縮的地層水(一種具有近臨界性質(zhì)的液態(tài)水)、礦物介質(zhì)存在的條件下,低溫、高壓(孔隙流體壓力與上覆靜巖壓力)和漫長地質(zhì)時(shí)期共同作用的結(jié)果。尤其應(yīng)該高度重視的是,充滿整個(gè)烴源巖孔隙的高壓高溫壓縮地層水,具有近臨界性質(zhì),可能對整個(gè)干酪根熱解生成油氣的排出以及運(yùn)移成藏產(chǎn)生我們以前沒有認(rèn)識(shí)到的影響。因?yàn)檫@種孔隙中的高溫高壓液態(tài)水實(shí)際上是處于近臨界狀態(tài),與常溫常壓水或水蒸氣相比,具有很多特殊的物理化學(xué)性質(zhì),其密度和介電常數(shù)變小,是一種良好的有機(jī)溶劑,能溶解非極性的有機(jī)化合物(其溶解性與常壓丙酮類似);其離子積常數(shù)Kw顯著變大(能電離出大量H+和OH-),且隨流體壓力增大而增加,因此近臨界水能提供更多的H+和OH-離子來作為有機(jī)化學(xué)反應(yīng)的酸堿催化劑;近臨界水可以加速有機(jī)質(zhì)自由基反應(yīng),有利于C-C鍵的形成與斷裂。無論是孔隙流體壓力、孔隙空間還是無機(jī)礦物對干酪根熱解成烴的影響,可能都是通過這種特殊的高溫高壓液態(tài)水介質(zhì)才得以起作用的,而有關(guān)近臨界性質(zhì)地層水對油氣生、排、運(yùn)聚成藏的影響機(jī)理還需深入研究。3不同地層水作熱解生烴模擬的必要性低熟Ⅰ型干酪根黑色泥巖的地層孔隙熱壓與常規(guī)高壓釜模擬實(shí)驗(yàn)對比研究表明:壓力(上覆靜巖壓力和流體壓力)、生烴空間和高溫高壓液態(tài)水跟溫度、時(shí)間一樣,對烴源