烃源岩生烃热模拟实验方法及影响因素探讨

乔 羽

（大庆油田勘探开发研究院有机地球化学研究室，黑龙江大庆163000）

1 概述

沉积盆地中埋藏有机质热成熟演化生烃为油气成藏提供了物质基础，开展盆地烃源岩生烃热模拟能够对烃源岩生烃潜力及资源量进行评价，在沉积盆地油气勘探中具有重要意义[1]。尤其是伴随着页岩油、页岩气等非常规油气资源成为勘探热点，烃源岩资源量评估显得尤为重要，生烃热模拟能够对原地烃源岩中剩余的油气资源量进行计算与评估，还能反映烃源岩排烃效率。

有机质热演化生烃的过程实质是大分子有机干酪根分解为石油及天然气的过程，这个过程受到温度、压力及反应时间的影响，烃源岩热模拟实验就是使用时间—温度补偿原理[2]，在实验室内，通过控制实验装置的温度和压力条件，对含有有机质的烃源岩进行热解生烃模拟，将烃源岩在地质过程中低温条件下缓慢演化过程变为高温高压条件下快速演化过程[3]，获取烃源岩演化的相关参数结果，为沉积盆地烃源岩生烃潜力评价、资源量评估等提供依据。

2 生烃热模拟实验方法

烃源岩生烃热模拟是基于干酪根热解生烃原理，采用时间—温度补偿的方式开展实验的。烃源岩热模拟研究的内容主要有：①模拟不同地质条件下的生烃过程；②不同类型有机质生烃过程及模式；③干酪根热演化特征；④液态烃类物质生成过程及组成；⑤气态烃类物质生成过程及组成；⑥烃源岩生烃潜力；⑦有机质成熟度与油气产率的关系；⑧生物标志物的热演化特征；⑨无机盐及矿物质等对有机质热演化的影响；⑩烃源岩二次生烃热模拟。烃源岩热模拟方法按照试验装置的不同，分为开放体系、半开放体系和封闭体系。

2.1 开放体系

开放体系热模拟实验在开放条件下进行，有机质热解后，采用流动载气从热反应区将烃类物质排出来，然后采用分析化验装置进行检测。常用的分析化验装置有Rock-Eval热解仪、热解气相色谱仪、热解气相色谱—质谱仪、多冷陷热解气相色谱仪。开放体系有机质热演化生烃产物直接进入检测系统检测，无需气体收集装置，这种实验方法能够较好反映热解温度与烃类产物组成的关系，分析速度较快，实验成本相对较低。

Rock-Eval 热解仪能够在线分析多种烃类物质，分析速度快、样品用量少，适用于低压、无水条件下连续分析，分析精度高，对于评价烃源岩成熟度及生烃潜力效果较好；热解气相色谱仪的组成主要有气相色谱仪和热解器，将二者组合使用。试验时使用一定量的烃源岩样品置于容器内，然后将容器放入热解探头内，设定好热解温度，通过改变实验温度，模拟在不同温度条件下热解产物的演化特征；多冷陷热解气相色谱仪通过分析不同成熟阶段的有机质热演化特征，模拟烃源岩不同演化阶段生烃类型及生烃量，具有样品用量少、分析精度高的特点。

2.2 半封闭体系

半封闭体系热模拟实验装置有热解系统和产物收集系统构成，有机质在热解系统发生热演化生烃，大量烃类物质生成使得体积膨胀排出，自吹扫装置将排出的烃类物质收集，然后烃类物质的组成进行分析，以确定热模拟温度与热演化产物的关系。这种实验方法适用于恒温或单点热解模拟，不能进行连续的生烃热模拟。

压实热解实验能够模拟恒温条件下烃类物质的热演化，用以摸清温度和压力对有机质热演化的影响。该种实验方法样品用量多，对于有机质含量较低的烃源岩比较适用，不适用有机质含量很高的样品。由于实验的压力较高，在较大的压力作用下，样品被压实，烃源岩孔隙度下降，生成的烃类物质难以被排出，使得样品局部压力升高，出现异常高压的情况，使得烃类物质排出不均匀，呈突发式或间歇式排烃。

2.3 封闭体系

封闭体系热模拟实验装置的分析系统通常直接与收集系统连接，烃源岩热演化产物经富集后，直接进入分析系统进行分析，能够有效地减少烃源岩热演化产物的损失。封闭体系能够分析模拟烃源岩生烃过程中压力、温度、水及矿物质对生烃热演化的影响，并且可以分析烃源岩热演化生烃最大生气量。但在封闭条件下，生成的液态产物不能及时排出，在封闭高压高温条件下，液态产物会再次发生裂解。封闭体系常用的实验装置有真空玻璃管、高压釜、小体积密封装置、高温高压水热装置等。

（1）高压釜。高压釜组成部分主要有反应釜、温度控制器、收集装置等，模拟实验开始时，将烃源岩样品置于高温反应釜中，调节模拟实验的反应温度，使烃源岩中有机质在反应釜中发生热演化，反应釜中不额外施加压力，其压力由生烃热演化的产物类型和产量决定。然后将反应釜中产物收集，进入分析系统对产物进行定性及定量分析。

（2）真空玻璃管。真空玻璃管装置由真空玻璃管、气体收集装置、分析装置组成。烃源岩样品置于真空玻璃管中，进行抽真空后，将玻璃管密封，然后升温到一定温度，控制温度恒定一段时间后，使烃源岩中有机质热演化生烃，然后将热演化产物收集，利用色谱分析装置进行定性及定量分析，这种方法分析样品用量少，操作简单，能够直观反映烃源岩中有机质的生烃过程。

（3）小体积密封装置。小体积密封装置由石英管、密封碎岩装置、气相色谱组成，石英管有一定的弧度，模拟实验时，将含有机质的烃源岩样品置于石英管内，然后向石英管内填充玻璃珠来排出剩余空气，玻璃管密封后加热，控制玻璃管温度，使有机质在高温下热演化生烃，然后使用密封碎样装置破碎石英管，连接气相色谱在线分析热演化产物。该装置可以固定升温速率，开展多温度点的生烃热模拟实验。该装置能够真实反映热演化产物的组成，并且测量的准确率较高，实验成本相对较低、效率高。但该装置的缺点是分析样品量少，适用于有机质丰度较高的烃源岩样品热模拟实验。

3 生烃热模拟实验样品

根据生烃热模拟实验目的的不同，实验样品的选择也不同，通常包括地质样品和标准化合物样品。常用于模拟实验的地质样品有烃源岩全岩样品及抽提物、现代沉积物及淤泥、干酪根、原油及沥青等。不同类型地质样品反映的有机质生烃过程不同。烃源岩全岩样品能够反映烃源岩生烃热演化过程及产物；抽提物为单一组分，能够模拟单一组分的生烃潜力及对烃源岩生烃的贡献；干酪根热模拟实验能够排除其它物质对热模拟过程的影响，分析干酪根在无催化条件下的热演化过程，受影响较小，能够真实可靠地反映有机质的热演化特征。对于有机质含量低的烃源岩样品，在实验时样品用量大，可以提取岩样中干酪根进行实验，达到理想的实验效果。沥青能够反演有机质热演化过程。对原油的热模拟实验能够反映原油在地层中的稳定性，还能用于分析油气成藏过程及模式。在对地质样品进行选择时，通常挑选有机质丰度较高、成熟度较低、有机质类型代表性较好的样品。

4 影响因素分析

烃源岩生烃热模拟实验过程中，实验的温度、压力、介质及催化剂对有机质热演化生烃影响较大。

（1）温度的影响。烃源岩生烃热模拟实验过程中温度对演化过程的影响最大。温度影响热模拟过程及产物类型。通常热模拟实验的温度控制在300℃～600℃之间，对于加水热模拟实验，实验温度通常不超过360℃。对于封闭体系实验，当实验的干酪根样品中硫含量较高时，实验的初始温度不超过300℃。此外，对于一些特殊的有机质模拟实验需要根据实际情况选择实验温度。

（2）压力的影响。在封闭系统中，压力对生烃热演化过程的影响主要是能够抑制体积膨胀反应。研究表明，随着压力的增加，干酪根和煤的降解速率变快，热演化产物中液态烃产率升高，气态烃的产率变低。在有机质成熟过程中，压力对已生产的烃类物质排出起到抑制作用。

（3）介质条件的影响。有机质演化过程中的介质条件，指的是在实际地质环境中的地层水、pH值、Eh等影响。在有机质热演化过程中，水能够提供反应所需的氢和氧，使得产物中氢气、二氧化碳、甲烷等饱和烃的产率升高。研究表明，随着水与有机质的比值增加，热演化产物中气态烃和二氧化碳的含量升高。有水条件的模拟实验较无水条件的模拟实验更接近自然条件，热演化产物的组成与自然条件下生成的烃类物质较为接近，具有较好的可比性。因此，加水模拟实验结果更具有代表性。

（4）催化剂影响。生烃热模拟实验中常用的催化剂有矿物和纯化学化合物。矿物常见的有粘土矿物、石英、含铀矿物等，其中，粘土矿物吸附力强，能够吸附有机质，且对有机质具有较好的选择性，在生烃过程中起到降低活化能、提升反应速度，粘土矿物的催化效果最好。含铀矿物具有一定的放射性，在其作用下，有机质生烃量明显增加，具有加速有机质热演化的效果。方解石在生烃演化过程中作用较弱，其催化效果基本可以忽略不计。

5 结束语

烃源岩生烃热模拟实验能够再现烃类物质生成过程，从而厘清有机质热演化生烃机理，实现定量分析地质历史过程中油气的生成量，对于准确评价沉积盆地油气资源量意义重大。随着页岩气、页岩油、致密砂岩油气藏等非常规油气资源开发成为热点，对非常规油气藏中有机质开展二次裂解动力学模拟、高温高压条件下烃源岩排烃模拟实验、有机质、地层水和矿物质相互作用模拟实验等将成为烃源岩生烃热模拟的发展方向。要持续开展烃源岩生烃热模拟实验技术研究，为非常规油气资源开发提供可靠的技术手段。