利用饱和烃降解率划分原油降解级别的方法及应用

2022-07-26程付启刘子童牛成民陈容涛蔡盼盼

中国石油大学学报（自然科学版） 2022年3期

程付启，刘子童，牛成民，陈容涛，金强，蔡盼盼，张参

(1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东青岛 266580； 2.山东省深层油气重点实验室(中国石油大学(华东))，山东青岛 266580； 3.中海石油(中国)有限公司天津分公司，天津 300459)

据统计，埋深浅(一般小于2 000 m，温度小于80 ℃)的石油，往往会遭受不同程度的生物降解作用[1-3]。微生物降解可产生生物降解气，同时使原油发生稠化，使其密度、黏度增大[4-5]，导致其开采难度大、可动用程度低[6-9]。判定一个地区原油的生物降解程度，不仅是分析油气成藏过程、估算伴生生物气资源量的基础，还是制定原油开采方案、实现原油高效开采的基础[10-11]。原油生物降解程度的划分主要是依据原油中不同生物标志化合物系列的抗降解能力，通过测定各系列生物标志化合物的含量变化来完成[12-17]，其中以Peters和Moldowan的10级划分法应用最为广泛[18-19]。但是这一方法需要对原油中的多个系列化合物进行质谱分析，具有周期长、成本高的缺点。由于生物降解前原油的生物标志化合物组成难以确定，导致以生物标志化合物相对含量变化为基础的降解级别划分结果可信性差，其结果仅限于油藏改造程度的定性分析，难以用于原油开采、生物气资源量估算等方面。因此亟需一种简单高效的方法来确定生物降解原油的降解程度，以便为揭示浅层稠油分布规律、制定有效的勘探开发方案提供支持。饱和烃(以正构烷烃为主，下同)是原油的主要成分，也是微生物优先降解的化合物[20-21]，对微生物降解的反映也最灵敏，这类化合物在遭受微生物不同程度的降解之后会在色谱图上形成大小不同的“鼓包”(UCM鼓包)，该鼓包蕴含饱和烃降解损失量和残留量信息[22-23]，利用该信息可以构造描述原油生物降解程度的定量参数，并用于划分原油的降解级别。因此笔者提出利用饱和烃降解率划分原油生物降解级别的方法，将这种方法用于LDW坳陷原油降解级别划分。

1 研究方法

1.1 方法的基础和原理

原油生物降解，是喜氧或厌氧微生物以原油为底物进行的生物化学作用[15,24]。原油中的饱和烃是微生物生命活动中优先利用的化合物，对微生物降解作用的反映最为灵敏[25-27]。原油遭受降解之后，部分饱和烃被消耗，这里将被微生物消耗(降解)的饱和烃的比例，定义为饱和烃降解率。饱和烃降解率越高，代表原油遭受生物降解的程度越强；反之则越弱。

原油遭受生物降解之后，由于饱和烃大量减少，会在饱和烃色谱图上表现出来，即引起色谱图基线“漂移”(抬升)，形成一个“UCM”峰(或称“UCM”鼓包，图1)。“UCM”峰面积(AL)与饱和烃降解损失量成正比[11,17]，而其上饱和烃的峰面积(AR)则反映饱和烃残留量。因此 “UCM”峰面积与其上饱和烃包络面积之比，可以反映原油中饱和烃降解程度，这就是利用饱和烃降解率确定原油降解级别的基础和原理。在实际工作中，只需通过求取饱和烃包络面积和UCM”峰面积，即可计算饱和烃降解率，完成原油降解级别的划分。

图1 饱和烃降解率求取方法示意图

1.2 饱和烃降解率求取方法

原油或储集岩抽提物的饱和烃色谱分析，是原油的常规分析项目，已经形成成熟的工业标准(SY/T 5779-2008)。将收集或测试分析获得的饱和烃色谱图，导入AutoCAD等面积计算软件，圈定并读取“UCM”峰与水平基线所限定的空白区面积(AL，图1(a))。由于“UCM”基线抬升与饱和烃降解损失量成正比，所以可以将该面积视为饱和烃降解量。在同一比例尺下，绘制饱和烃包络线并读取其围限的面积(AR，图1(b))，该面积可视为饱和烃的残留量，则饱和烃降解率Ls，可由下式计算得到：

Ls=AL/(AL+AR).

(1)

AL、AR的大小并不代表饱和烃的绝对量，仅用于表示降解损失和残留饱和烃的相对量，因此在圈定和读取AL、AR时，需在同一比例尺下进行，不能改变谱图大小。

1.3 原油降解级别划分方案

根据上述饱和烃降解率的定义和求取过程，可知饱和烃降解率Ls分布在0～1，且Ls越大，原油降解程度越强、降解级别越高；反之则降解程度越弱，降解级别越低。在获取大量原油样品的饱和烃降解率之后，可以利用3种方法确定原油降解等级及其对应的Ls。

1.3.1 直接划分法

直接划分法即直接给定降解级别及对应的Ls的分布范围，为了与前人的方案进行对比[12,18-19]，可将其划分为10个等级，从1级到10级降解程度依次增强，对应Ls也依次增加。各降解级别对应的Ls分布范围见表1，其中Ls≤0.1时，定为1级降解；0.10.9时为10级降解(表1)。该方案操作简单，且便于不同研究区之间原油降解级别的对比。

表1 直接划分法10级原油生物降解划分标准

1.3.2 数学统计法

数学统计法即利用研究区所有原油样品的饱和烃降解率(Ls)数据，以等量分布为原则，通过数学统计，划分原油降解级别并给出各级别Ls的分布范围。这方案的优点是便于研究区内不同油藏之间原油降解级别的对比和成藏过程分析；缺点是不同研究区之间划分标准不统一，不能进行直接对比。

1.3.3 参数联合法

参数联合法即联合原油密度、黏度等物性数据，根据不同级别稠油的密度、黏度划分标准来标定各降解级别的Ls。其优点是可直接获得衡量稠油级别的Ls分布范围；缺点是影响密度、黏度等物性参数的因素较多，该划分结果不一定反映原油的生物降解程度。

此外，这次问卷调查跟2015年对2014级医学本科生的调查[2]，在一些基本问题上有很大不同，首先是2017级学生拥有个人电脑或笔记本电脑达到97%，比往届明显提高，其次是，北京和其他省市生源在中学期间计算机教育水平相同，往届是北京生源具有较好的计算机教育。

笔者认为方案1直接划分法简单易行，且不同研究区的原油降解级别可直接对比，因此优先推荐。利用该方法获得的原油降解级别，可以定量表征原油目前的降解程度。原油目前的降解程度，可能是单一期次的微生物降解的结果，也可能是原油多期次微生物作用的叠加效应，或者是早期降解原油与后期充注正常原油的混合。如果需要对原油降解期次或后期充注情况进行分析，还需要借助微生物菌群研究、烃类包裹体色质分析等手段[28-29]。

2 LDW坳陷原油降解级别划分

LDW坳陷位于中国东部渤海湾盆地的海域部分，包括辽西凸起、辽东凸起、辽西凹陷、辽西南凸起、辽中凹陷、辽东凹陷6个二级构造单元(图2)。辽西和辽中凹陷发育巨厚的古近系烃源岩，可以向洼陷内部储层，以及周边辽西凸起、辽东凸起提供大量油气[30]。截至2021年底，该区已发现近10亿t的油气储量，但是大部分储集在埋藏较浅的新近系。根据前人的研究，该区埋深小于2 000 m的原油均遭受不同程度的生物降解作用[31-33]，从而导致原油不同程度的稠化。为了分析LDW坳陷原油生物降解级别和分布特征，笔者利用原油饱和烃色谱分析资料，根据本文中提出的饱和烃降解率参数，对原油生物降解级别进行划分。

图2 LDW坳陷构造单元划分及不同级别生物降解原油分布特征

2.1 样品分析与饱和度烃降解率计算

2.1.1 样品采集与分析

本次研究共采集LDW坳陷不同构造原油样品32个，样品分布覆盖该坳陷主要油田和含油构造。对每个样品均按照行业标准“石油和沉积有机质烃类气相色谱分析方法”(SY/T 5779-2008)进行处理和分析，获得饱和烃色谱图。

2.1.2 饱和烃降解率计算

对上述32个原油样品色谱图进行清绘，将其导入AutoCAD软件，以“UCM”峰顶部包络线和水平基线为边界，圈定各原油样品色谱图的“UCM”峰范围，并直接从软件上读出“UCM”峰面积，即为饱和烃损失面积AL。在同一比例尺下，绘制各原油样品色谱图的饱和烃包络线，并直接从软件上读出谱峰包络线围限的面积，即为残留饱和烃面积AR。将每个样品的AL、AR代入公式(1)，得到各样品的饱和烃降解率Ls。

以1号样品为例(图1)，“UCM”鼓包围限面积AL为1 585 400，残留饱和烃面积AR为10 119 950，则饱和烃损失率Ls为0.135 4。AL、AR的大小与绘图的比例尺有关，其绝对值并无实际意义，因此在获取一个样品的AL、AR时，比例尺要保持一致。利用上述方法，完成其余原油样品饱和烃降解率(Ls)计算，LDW坳陷32个原油样品饱和烃降解率如表2。

2.2 LDW坳陷原油生物降解级别

这里利用直接划分法，按照表1的划分标准，根据各原油样品的Ls，确定出LDW坳陷各原油样品的降解级别(表2末列)。从分析结果来看，LDW坳陷目前发现的原油，生物降解级别分布在1～7级，级别越高则降解程度越高，饱和烃降解率越大；级别越低则降解程度越低，正构烷烃越完整。LDW坳陷1～7级生物降解原油的饱和烃色谱特征见图3，典型样品分别为23、1、3、17、2、8、15号样品。

表2 LDW坳陷原油饱和烃降解率和降解级别

吕琳[19]曾利用甾、萜烷质谱分析结果，对LDW坳陷局部构造的原油降解情况进行定性分析，并得到Z36-1构造原油降解程度较强烈，Z9-2构造原油降解轻微的结论。根据传统的判定标准，Z36-1构造原油降解级别应为5～7级，Z9-2构造原油降解级别为0～1级，这一结论与本次定量划分的结果基本一致，说明饱和烃降解率法的可信性。

2.3 不同级别稠油分布特征

从不同降解级别的分布情况可以看出(表2、图3)，不同构造降解级别存在差异，如D36-1构造原油降解级别多分布在3级以上，X1-1构造原油降解级别基本为1级(未-微降解)。总体上中南部(D36-1构造以南)原油降解级别较高，Z25-1构造及其以北原油降解级别较低。同一个构造带不同深度的原油，降解级别也不相同，如Z9-2构造上埋藏较浅的15、16号原油降解级别达到6～7级，而埋藏较深的13、14号原油降解级别为1级。分析认为LDW坳陷原油生物降解级别主要受埋深影响，埋深越浅，越易于受微生物作用的影响，原油遭受降解程度越严重。