湖相烃源岩生烃动力学及排油效率——以松辽盆地青山口组为例

刘　洋，何　坤，李贤庆，徐红卫，张吉振，扈松林，王　刚，樊志伟

(1.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京　100083；2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京　100083；3.中国石油勘探开发研究院，北京　100083；4.中国石油油气地球化学重点实验室，北京　100083)



湖相烃源岩生烃动力学及排油效率
——以松辽盆地青山口组为例

刘洋1,2,3,4，何坤3,4，李贤庆1,2，徐红卫1,2，张吉振1,2，扈松林1,2,3,4，王刚1,2，樊志伟1,2

(1.中国矿业大学(北京)煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083；2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京100083；3.中国石油勘探开发研究院，北京100083；4.中国石油油气地球化学重点实验室，北京100083)

为准确评价湖相烃源岩的排油量及致密油资源潜力，结合湖相I型有机质的黄金管热模拟实验和青山口组烃源岩的有机地球化学分析，对松辽盆地湖相烃源岩生烃特征、动力学参数和排油效率进行了研究。热模拟实验的产物定量结果表明，松辽盆地青山口组湖相烃源岩具有可观的生油潜力，最大生油量约为600 mg/g·TOC，主要的生油阶段在EasyRo=0.5%～1.2%。动力学计算结果表明，该烃源岩生油的平均活化能为218.5 kJ/mol，重质组分生成活化能要低于轻质组分。结合青山口组烃源岩的生油动力学参数和英X58井热史的地质推演，证实该井湖相烃源岩的当前生油转化率为40%～60%，生油量为240～360 mg/g·TOC；通过残留烃的定量，计算得到该烃源岩的排油量为150～200 mg/g·TOC，相对排油效率约为60%。生油量及排油效率结果表明，松辽盆地致密油资源潜力大。

湖相烃源岩；黄金管热模拟；生烃动力学；排油效率；松辽盆地

0　引　言

作为重要的非常规油气，致密油在我国含油气盆地具有较为广泛的分布，如松辽盆地白垩系、四川盆地侏罗系和准噶尔盆地二叠系[1-2]。近年来，随着水平井钻探和体积压裂技术的突破，大庆油田在松辽盆地中央凹陷区多口井成功实现了致密油的勘探开发。松辽盆地致密油主要分布在白垩系青山口组的高台子油层和泉头组的扶余油层，分别分布在烃源岩“源内”和“源下”。作为两套油层的烃源岩，青山口组湖相烃源岩多为暗色泥岩，有机质类型主要为Ⅰ型，通常具有较高的有机碳含量和生烃潜力[3-5]。国内学者已从致密油分布特征、成藏条件及勘探潜力等方面开展了许多研究工作[19-22]，但有关松辽盆地湖相烃源岩I型有机质的生烃动力学与致密油排驱效率研究的报道较少，且研究程度低。本文通过对青山口组湖相烃源岩的生油潜力和动力学研究，结合源内残留烃定量结果，将有助于准确确定松辽盆地白垩系湖相烃源岩的当前排油量并客观评价致密油资源潜力。

目前，针对有机质的生烃潜力和动力学，国内外学者利用各种热解装置开展了大量模拟实验工作[6-8,10,15-17]。基于实验得到的生烃量和动力学参数，结合具体盆地的热演化史，可建立有机质的生烃演化模式。其中，黄金管以其独特的反应惰性、优良的热和压力传导性被广泛用于油气生成相关的模拟实验过程中，通过对不同产物的定量，可以准确评价有机质热成熟过程中的生油量和生气量。

基于此，本文选取了松辽盆地白垩系青山口组成熟度较低的湖相烃源岩样品，利用高温高压黄金管热模拟装置，开展了两组不同升温速率(20 ℃/h、2 ℃/h)的生烃热模拟实验。通过热解过程中液态产物和气态产物的定量分析，对青山口组Ⅰ型有机质的生油、生气潜力和动力学进行了研究。同时，结合松辽盆地致密油发现井——英X58井青山口组烃源岩的地球化学特征和热演化史，对该井湖相烃源岩的生油潜力和排油效率进行了探讨。

1　样品和实验方法

1.1样品

本文对采自松辽盆地滨北地区黑鱼泡凹陷白垩系不同深度的25个烃源岩样品进行常规有机地球化学分析，分析结果见表1。不难看出，松辽盆地白垩系青山口组湖相烃源岩样品均处于成熟阶段，Ro为0.60%～0.94%，有机质类型为Ⅰ-Ⅱ1型，与前人研究结果[3-5]相一致。为了更好地研究湖相烃源岩Ⅰ型有机质的生烃特征和动力学参数，从中筛选出松辽盆地黑鱼泡凹陷鱼21井成熟度较低(Ro=0.60%)的黑色泥岩样品，其基本地球化学特征见表2。黄金管热模拟实验采用分离后的干酪根样品，具体干酪根分离方法参照国家标准“沉积岩中干酪根分离方法”(GB/T19144-2010)。

1.2实验方法

采用黄金管高压釜热模拟实验装置，对上述筛选出来的鱼21井青山口组低成熟度(Ro=0.60%)湖相烃源岩干酪根样品进行生烃热模拟实验。实验条件：压力50 MPa，升温速率分别为2 ℃/h和20 ℃/h。具体实验步骤：首先，将称量好的样品(±60 mg)装入一端已焊死的黄金管内，放入冷水槽内，通过氩气排除黄金管内多余的空气，并以氩气为保护气，通过氩弧焊将另一端封住。装样完毕后，再次称重检查黄金管是否发生泄漏；然后，将样品放入高压釜内，设置相关参数，启动热模拟实验装置[9]。此外，生烃动力学参数通过Kinetics专用软件拟合计算，具体计算方法见文献[7]。

表1　松辽盆地烃源岩样品的有机地球化学特征

表2　鱼21井湖相烃源岩样品的有机地球化学特征

运用低温溶剂抽提方法，进行热模拟液体产物的定量收集。具体实验方法如下：(1)用液氮将黄金管冷冻5 min后置于正己烷溶液中迅速剪碎，将可溶于正己烷的液体产物通过超声抽提出；(2)将溶剂转移出，取少许溶质通过HP6890气相色谱进行色谱分析，通过n-C24D50作为内标进行各组分的定量；(3)通过二氯甲烷(DCM)进一步抽提出固体残渣中的其它液态产物，待溶剂挥发后分别对两种抽提物进行定量[5]。此外，两种抽提物(轻质油和重质组分)分别代表热解样品中的正己烷和DCM抽提物部分，轻质油与重质组分合称总液态产物。

2　实验结果和讨论

2.1液态油的生成和裂解

图1为湖相烃源岩Ⅰ型有机质热模拟生成的不同液态产物产率。由图1可知，液态产物的生成集中在低温阶段，轻质油与重质组分生油高峰的出现时间受升温速率影响显著。其中，以20 ℃/h升温条件为例，重质组分和总液态产物最大产率分别达307.45 mg/g·TOC、605.05 mg/g·TOC。可以发现，高温阶段液态产物发生热裂解，产率明显降低，气体产物明显增加(表3)。显然，在封闭的黄金管热解体系中，早期生成的原油在后期会发生裂解生气作用。同时，对比产油高峰的出现时间(即裂解时限)可以看出轻质油滞后于重质组分，进一步验证了前人提出的原油热稳定性理论[5,11-12]，即在热应力作用下，重质组分首先发生热裂解反应，生成轻质油等短链烃。

图1　湖相烃源岩Ⅰ型有机质热模拟液态产物产率Fig.1　The yields of liquid products from the Type-I organic matters of lacustrine source rock during thermal pyrolysis experiment

系列实验温度/℃EasyRo/%产液量/mg(g·TOC)-1轻质油重质组分总液态产物产气量/mg(g·TOC)-1C1C2C1-C5H2CO2H2Sδ13C/‰C1C2CO2系列一336.10.72112.0165.2277.25.39.4534.90.129.265.0---360.40.86215.5238.4453.87.49.8345.80.217.962.7-50.1-36.2-19.9384.41.09295.5314.5610.023.225.85105.40.430.3117.1-48.2-36.1-21.9424.21.58279.6188.8468.470.563.82278.70.843.5108.8-45.0-35.2-25.4432.91.71222.3166.7389.086.171.49321.50.853.5112.6-43.7-36.9-27.1457.12.12180.340.4220.8132.7101.104361.193.0124.4-42.2-35.6-29.8481.22.55136.719.7156.4187.8126.01444.31.7154.5173.6-40.4-33.7-31.95042.96100.719.1119.8263.9145.98474.42.3216.0160.9-39.4-30.9-32.5529.83.563.23.166.3352.5125.97484.13.5313.2169.6-38.3-25.0-32.3553.83.8714.80.215.0423.262.91487.24.4387.5162.8-36.5-18.0-31.1577.44.22.00.12.1489.011.09500.54.6495.2168.7-35.3-14.0-29.7601.74.46---493.52.01495.65.3598.5160.4-34.0--28.1系列二334.30.6 63.0 27.8 90.80.81.064.70.013.030.3---359.20.6796.583.3179.82.13.0012.20.115.746.9-50.1-34.2-24.0383.70.75140.1207.8347.96.07.7129.60.321.366.3-49.2-36.4-23.14080.9213.1270.9484.018.121.9179.60.731.9124.9-48.1-36.8-22.8431.71.19297.6307.4605.035.934.74145.61.036.1131.1-46.0-35.1-23.1455.91.48304.8224.3529.165.458.77255.21.049.3128.3-44.9-36.8-25.3479.91.81231.3151.0382.396.382.69385.51.278.8154.2-43.8-37.2-28.8504.12.21172.128.9201.0142.2111.35442.11.6111.5166.1-42.1-35.0-29.8528.32.63129.016.4145.4210.4143.93462.83.0178.6176.1-40.8-33.2-30.9552.53.0898.011.9109.9275.6154.78465.73.2216.3170.5-39.2-29.8-31.0576.73.562.73.065.7348.4133.56486.24.4291.2176.2-37.8-24.4-30.6600.93.8517.50.317.8404.572.32477.75.4356.7168.4-36.3-17.6-29.9

注：系列一的升温速率为2 ℃/h；系列二的升温速率为20℃/h。

2.2生油潜力和时限

如图2所示，湖相烃源岩Ⅰ型有机质最大生油量为605.05 mg/g·TOC(以20 ℃/h为例)，具有可观的生油潜力，主生油阶段为0.5%

2.3液态油生成动力学

图2　湖相烃源岩Ⅰ型有机质液态产物产率随成熟度的演化Fig.2　The evolution of the yields of liquid products of Type-I organic matter of lacustrine source rock with the maturity

图3　湖相烃源岩Ⅰ型有机质液态产物生成的动力学模拟曲线Fig.3　Kinetic simulation curves for the generation of liquid products of the Type-I organic matters of lacustrine source rock

基于黄金管热模拟实验得到的产油转化率及Kinetics专用软件，对液态油生成的动力学参数进行了计算。图3为湖相烃源岩Ⅰ型有机质不同液态组分生成转化率的实验数据及拟合结果，可以看出热模拟实验点的转化率与拟合曲线基本一致(除个别点外)，说明通过动力学拟合计算所获得的动力学参数是可信的。

图4为湖相烃源岩Ⅰ型有机质液态产物生成活化能，其中，总液态产物生成活化能分布为200～238 kJ/mol，平均活化能为218.5 kJ/mol，对应的指前因子为A=1.0×1014s-1。重质组分生成的平均活化能(217 kJ/mol)明显要低于轻质油(221.2 kJ/mol)。

关于Ⅰ型有机质活化能分布，国内外不同学者的研究结果存在差异。Behar等[18]研究表明，Ⅰ型有机质活化能分布在200～276 kJ/mol范围内，平均活化能为234 kJ/mol，指前因子为5.64×1014s-1；卢双舫等[3]基于青山口组Ⅰ型灰黑色泥岩的热模拟实验，得到油生成的动力学参数重质组分略高于轻质油；何坤等[5]通过I型有机质的全岩黄金管热模拟实验，计算得到液态产物生成的活化能分布在193～222 kJ/mol。

2.4生油模式及排油效率

松辽盆地青山口组湖相烃源岩有机碳(TOC)含量分布广泛(0.5%～7.0%)，普遍高于1.0%，有机质类型主要为I型有机质(图5)。湖相烃源岩的氢指数(HI)主要分布在300～500 mg/g。相对于鱼21井青山口组低成熟度湖相烃源岩来说，英X58井湖相烃源岩经历了一定程度的生烃演化过程，氢指数较低。

图4　湖相烃源岩Ⅰ型有机质液态产物生成活化能Fig.4　The activation energy of the generation of liquid products of the Type-I organic matters of lacustrine source rock

结合上面给出的生油动力学参数和英X58井的热演化史(图6a)，通过动力学推演，可得到该井青山口组湖相烃源岩的生油转化模式(图6b)。从图可见，英X58井青山口组湖相烃源岩当前的生油转化率为50%～60%之间，生油阶段主要为距今80 Ma到40 Ma之间。

图5　松辽盆地青山口组湖相烃源岩氢指数和TOC分布Fig.5　The hydrogen index and the distribution of TOC of the Qingshankou Formation lacustrine source rocks in the Songliao Basin

为了进一步验证通过动力学推演得到的生油转化率的可靠性，本文基于烃源岩的氢指数，对其生烃转化率进行计算：

C=(HI0-HI)/HI0

(1)

其中，HI和HI0分别代表烃源岩的初始氢指数和当前氢指数。以鱼21井湖相烃源岩作为参考(图5)，HI0取值为800 mg/g。

显然，基于氢指数计算的烃源岩转化率与通过动力学推演得到的生油转化率基本一致。通过上述热模拟实验的结果，可知，青山口组湖相烃源岩的最大生油潜力为600 mg/g·TOC。结合生油转化率，可计算得到英X58井青山口组(1 985～2 120 m深度段)湖相烃源岩的生油量在240～360 mg/g·TOC(图7)。结合该烃源岩的岩石热解结果，可以发现其残留油量为50～150 mg/g·TOC(图7)。因此，本文基于如下公式：

相对排油效率=当前排油量/当前生油量

(2)

累计排油效率=当前排油量/最大生油量

(3)

图6　英X58井青山口组湖相烃源岩的热演化史(a)和生油演化模式(b)Fig.6　The history of thermal evolution and the model of hydrocarbon evolution of the Qingshankou Formation lacustrine source rock in well YX58

图7　青山口组湖相烃源岩生排烃模式Fig.7　The model of hydrocarbon generation and expulsion of the Qingshankou Formation lacustrine source rock

可计算得到英X58井当前的排油量为150～200 mg/g·TOC，相对排油效率约为60%，累计排油效率为25%～33%。

松辽盆地青山口组湖相烃源岩分布广泛且处低成熟-成熟演化阶段，这为致密油的富集提供了物质基础。本文对该盆地青山口组湖相烃源岩的生油潜力和动力学研究表明，湖相烃源岩具有可观的生油潜力，在此基础上得到的源内残留烃定量及排油量计算结果，有助于准确评价湖相烃源岩的当前排油量和致密油的资源潜力。

3　结　论

(1)黄金管生烃热模拟实验结果表明，湖相烃源岩具有可观的生油潜力，Ⅰ型有机质以生油为主，主要的生油阶段在EasyRo=0.5%～1.2%，最大生油量约为600 mg/g·TOC。

(2) 动力学计算结果表明，湖相烃源岩I型有机质生成总油的平均活化能为218.5 kJ/mol(指前因子为1.0×1014s-1)，重质组分生成活化能要低于轻质组分。

(3) 松辽盆地青山口组湖相烃源岩生油转化率为40%～60%，当前生油量为240～360 mg/g·TOC，排油量约为150～200 mg/g·TOC，相对排油效率约为60%。生油量及排油效率结果表明，松辽盆地致密油资源潜力大。

[1]邹才能,朱如凯,吴松涛,等.常规与非常规油气聚集类型、特征、机理及展望——以中国致密油和致密气为例[J].石油学报,2012,33(2):173-187.

[2]贾承造,郑民,张永峰,等.中国非常规油气资源与勘探开发前景[J].石油勘探与开发,2012,39(2):129-136.

[3]卢双舫,李冬,王跃文,等.倾油性有机质生成轻质油的评价方法及其应用[J].石油学报,2007,28(5):63-71.

[4]钟艳飞,郭江涛,王丽,等.松辽盆地松科1井青山口组沉积有机质特征及生烃潜力[J].地球化学,2009,38(5):487-497.

[5]何坤,张水昌,王晓梅，等.松辽盆地白垩系湖相I型有机质的生烃动力学研究[J].石油与天然气地质，2014,35(1):42-49.

[6]田静,王云鹏,刘德汉,等.利用全岩热模拟方法研究海相烃源岩生排烃过程及影响因素[J].油气地质与采收率,2008,15(3):29-31.

[7]刘金钟,唐永春.用干酪根生烃动力学方法预测甲烷生烃量之一例[J].科学通报,1998,43(11):1187-1191.

[8]李贤庆，仰云峰，冯松宝，等.塔里木盆地原油裂解生烃特征与生气过程研究[J].中国矿业大学学报，2012，41(3)：397-405.

[9]何坤,张水昌,米敬奎,等.原油裂解的动力学和控制因素研究[J].天然气地球科学,2011,22(2):1-8.

[10]庞雄奇,陈章明.排油气门限的基本概念、研究意义与应与应用[J]. 现代地质，1997,11(4):510-520.

[11]TSUZUKI N, TAKEDA N, SUZUKI M, et al. The kinetic modeling of oil cracking by hydrothermal pyrolysis experiments[J].International Journal of Coal Geology,1999,39(2):277-250.

[12]张水昌,胡国艺,米敬奎,等.三种成因天然气生成时限与生成量及其对深部油气资源预测的影响[J].石油学报,2013,34(1): 41-49.

[13]TISSOT B P, WELTE D H. Petroleum Formation and Occurrence[M].Second Edition.Berlin:Springer Verlag,1984：234-241.

[14]CLAYTON C. Carbon isotope fractionation during natural gas generation from kerogen[J].Marine Petroleum Geology,1991,8(2):232-240.

[15]傅家谟,刘德汉,盛国英,等.煤成烃地球化学[M].北京:科学出版社，1990:70-120.

[16]黄第藩,秦匡宗,王铁冠,等.煤成油的形成与成烃机理[M].北京:石油工业出版社，1995：33-50.

[17]陈建平,黄第藩,秦勇,等.西北侏罗纪煤系烃源岩成烃模式[J].地球化学,1999,28(4):327-335.

[18]BEHAR F,VANDENBROUCKE M,TANG Y, et al. Thermal cracking of kerogen in open and closed systems: determination of kinetic parameters and stoichiometric coefficients for oil and gas generation[J].Organic Geochemistry,1997,26(5/6):321-339.

[19]杨华,李士祥,刘显阳.鄂尔多斯盆地致密油、页岩油特征及资源潜力[J]. 石油学报，2013，34(1)：1-11.

[20]匡立春,唐勇,雷德文,等.准噶尔盆地二叠系咸化湖相云质岩致密油形成条件与勘探潜力[J]. 石油勘探与开发，2012，39(6)：657-667.

[21]杜金虎,刘合,马德胜,等.试论中国陆相致密油有效开发技术[J]. 石油勘探与开发, 2014,41(2)：198-205.

[22]黄薇,梁江平,赵波,等.松辽盆地北部白垩系泉头组扶余油层致密油成藏主控因素[J]. 古地理学报，2013，15(5)：635-644.

Hydrocarbon Generation Kinetics and the Efficiency of Petroleum Expulsion of Lacustrine Source Rocks: Taking the Qingshankou Formation in the Songliao Basin as An Example

LIU Yang1,2,3,4, HE Kun3,4, LI Xianqing1,2, XU Hongwei1,2, ZHANG Jizhen1,2,HU Songlin1,2,3,4, WANG Gang1,2, FAN Zhiwei1,2

(1.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China;2.CollegeofGeoscienceandSurveyingEngineering,ChinaUniversityofMiningandTechnology,Beijing100083,China;3.PetroChinaResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,Beijing100083,China;4.KeyLaboratoryofPetroleumGeochemistry,ChinaNationalPetroleumCorporation,Beijing100083,China)

To evaluate the yields of oil and the potential of tight oil resources of lacustrine source rocks, the characteristics of hydrocarbon generation, kinetic parameters, and the efficiency of petroleum expulsion of lacustrine source rocks in the Songliao Basin were studied in this paper，by using the gold-tube pyrolysis of lacustrine Type-I organic matters and organic geochemical analysis of the Qingshankou Formation source rocks. Quantitative determination of the liquid and gas products from pyrolysis experiments indicate that there is a considerable oil generation potential for the Qingshankou Formation source rock in the Songliao Basin with maximum yields of oil about 600 mg/g·TOC. Kinetic calculation shows that the average activation energy for oil generation from this source rock is 218.5 kJ/mol, wherein, the activation energy for the generation of heavy components is obviously lower than that of light parts. Geological extrapolation based on the kinetic parameters and the thermal history of well YX58, demonstrates that the present generation conversion and amounts of oil for the source rocks of tight oils in this well are 40% to 60% and 240 to 360 mg/g·TOC, respectively. By determination of the residual hydrocarbons, the expulsion amounts and efficiency of oils for this source rocks can be calculated to be 150 to 200 mg/g·TOC and 25% to 33%, respectively. It is shown that tight oil resources are of great potential in the Songliao Basin.

lacustrine source rock; gold-tube pyrolysis; hydrocarbon generation kinetics; the efficiency of petroleum expulsion; the Songliao Basin

2015-12-17；改回日期：2016-02-20；责任编辑：孙义梅。

国土资源部公益性行业科研专项基金项目(201311022);“十二五”国家科技重大专项(2011ZX05007-001，2011ZX05007-002); 教育部高等学校博士学科点基金项目(20110023110017); 中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术开发项目(2012E-2603-06)。

刘洋，女，硕士研究生，1990年出生，地质工程专业，主要从事油气地球化学、油气地质方面的研究工作。Email: 1065471274@qq.com。

李贤庆，男，教授，博士生导师，1967年出生，矿产普查与勘探专业，主要从事油气地质、有机地球化学、有机岩石学等方面的教学和科研工作。Email: Lixq@cumtb.edu.cn。

TE122.1

A

1000-8527(2016)03-0627-08