烃源岩热模拟实验研究新进展

李永新 王红军 王兆云

摘要:烃源岩热模拟是探索油气形成机制、重现油气形成过程的重要手段之一。油气的生成特征首先受样品本身特质的影响,温度是有机质生烃、演化的最重要因素,超压抑制有机质演化、生烃和原油裂解,水和矿物质等介质条件的存在对气、液态产物的产率和组成特征均有影响。热模拟实验在油气研究中得到了广泛应用,但其在实验结果应用等方面仍有不足,综合模拟各地质因素对油气生成的影响将是未来热模拟的发展趋势。

关键词:有机质压力介质条件热模拟

热解模拟实验是油气研究的重要手段和内容之一。其主要任务是以时温补偿原理为基础,在实验室内对选定的样品进行人工热模拟,再现有机质在地质体中所经历的物理和化学演化过程,为认识生烃过程、建立生烃模式、获取资源评价参数等提供实验依据。近些年来,随着实验装置的改进、分析测试手段的提高,热模拟实验研究的内容更加细致和深入,有许多工作取得了突破性进展。

1.样品本身的特性

实验样品是热解实验的基础,油气的生成特征首先受样品本身特质的影响,如有机质类型、演化程度及其岩性、物性特征等。W. Odden等通过开放体系热解实验证实,源岩类型是影响轻烃产物组成特征的主要因素,成熟度变化次之。另外,烃源岩热解所生成、排出的烃类在数量及化学组成上也会受样品颗粒大小的影响:粉末样品热解结果远不能代表实际地质条件下源岩的环境,而大颗粒的岩屑样品的模拟结果更接近自然演化特点。

有机质类型对源岩生烃也有显著影响,富氢干酪根裂解产生的湿气多于贫氢干酪根。近年来,随着研究工作的深入,可溶有机质的生烃能力受到广泛关注。郑伦举等对比研究了不同性质海相古油藏及可溶有机质的热裂解生烃(气)能力,发现其生烃能力除与岩性、赋存状态、演化程度等有关外,主要受所含可溶有机质性质和组成的制约。

2.温压条件

在油气的生成过程中,温度自始至终都是一个极为活跃的控制因素,沉积有机质向油气的转化主要就是在温度控制下的一系列裂解和缩聚反应。而压力对有机质的成熟、生烃究竟有何影响尚有一定的争议,但越来越多的实验和实际盆地资料显示,超压抑制有机质演化、生烃和原油裂解。

Cecil指出有机质裂解为低分子的碳氢化合物,是一个体积增加的过程,从反应的热力学来看,压力增加就不利于反应进行。姜峰等对不成熟泥炭样品进行了高压高温模拟实验,结果显示,相同温度条件下,样品Ro值与压力呈负相关,说明压力的存在会抑制有机质向高成熟演化。王兆明等研究认为,当压力的增加表现为孔隙流体压力增加时,有机质生烃过程将受到抑制。

3.介质条件

烃源岩是有机质与无机矿物质组成的非均一的混合物,在其生烃、演化过程中,可能包涵了水和矿物质的参与。Lewan率先在有液态水存在的条件下加热生油岩,发现从生油岩中排出的热解产物与自然界原油是相似的。方杰等通过热模拟实验,认为加水有利于向也液态烃转化,而抑制了生成气态烃的反应;同时,加水量不同对各种产物产率的影响也不一样,在进行实验时应根据具体条件加入适量的水,而并非加水越多越好。

有机质中某些矿物基质对烃类的生成具有一定的催化作用,并可对已生成的烃类产生吸附。粘土矿物是影响有机质成烃的一种很重要的物质,且不同的粘土矿物对有机质的催化活性也有不同。Pan等在不同矿物质的情况下分别对干酪根进行了限定体系(黄金管)热解实验,发现矿物质的变化对气、液态产物有很大影响,气态烃和CO2产物的数量、乙烯/乙烷、丙烯/丙烷的比值均有变化。

4.总结与讨论

总的来说,热模拟实验技术加深了我们对油气生成的理解,并已成为目前石油勘探工作中的一项实用技术而被广泛采用。但是,像其他技术一样,热模拟实验技术也有它的不足。

(1)地下油气的生成过程是多种因素共同作用的结果,而现有的技术条件还无法完全模拟这一过程,使得实验结果往往不能与实际地质情况相吻合;因此,如何将温度、压力、催化剂、水介质等多种影响因素共同纳入模拟实验的过程中,更加真实地再现烃源岩的生烃过程,将是该方法未来发展的方向之一。

(2)实验设备及测试手段尚不够完善。实验结果的可靠与否,很大程度上依赖于实验设备的精度和完备程度,目前的模拟实验还不能达到完全定量。因此,模拟实验的发展还需进一步提高实验技术,改善和创新实验设备,完善测试手段。

(3)如何将模拟实验结果外推至实际地质情况,一直是制约模拟实验应用的一个瓶颈。动力学研究是联系盆地热史、油气聚-散史和热解实验之间的纽带,近年来发展迅速。目前以单一升温速率为基础的动力学模型已不为人们认同,发掘更有效的动力学模型并结合同位素特征进行热模拟将成为国内外研究的热点之一。◆

参考文献:

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