摘要：為研究濟陽坳陷南部東營凹陷不同演化階段的成烴特征，選取古近系沙河街組四段(Es4)烴源巖，進行開放、封閉兩種體系程序升溫條件下的生排烴熱模擬實驗，對比了組分的產率及相互轉化關系。模擬樣品來自該區南部斜坡帶的官107井Es4上段，其有機碳含量位于該套烴源巖頻率分布統計的主峰，具有廣泛的代表性。實驗結果表明：①干酪根直接降解以生成重質油和氣態烴為主，輕質油大多來源于重質油的二次裂解；②烴源巖在形成輕質油時即可以大規模排出，現有的動力學條件下難以造成油的裂解生氣；③烴源巖形成大分子重質油是生烴開始的標志，而進一步降解形成輕質油則是烴源巖排烴開始的標志。實驗結果從成烴機制上解釋了東營凹陷凝析油和天然氣主要來源。
關鍵詞：開放體系；封閉體系；物理模擬；油氣產率；裂解；成烴條件；東營凹陷；古近紀
在濟陽坳陷南部的東營凹陷發現了數量可觀的深層天然氣和凝析油氣，油氣源對比結果表明它們主要源自古近系沙四段(Es4)烴源巖中干酪根的降解[1～4]，其形成機制有待于進一步研究。生烴模擬實驗是進行有關研究的主要手段，不同的實驗條件可以獲取不同的生烴率。目前所采用的實驗方法已多見報道[5～6]。地下烴源巖的演化是一個“隨生隨排”的半開放的系統，其開放程度是影響生烴演化的一個重要因素。前人已就這一問題進行了探討，在確定氣產率時采用了開放和封閉體系折中的原則[7]。筆者采用與東營凹陷深層成烴有關的Es4烴源巖，通過開放體系和封閉體系的對比模擬實驗，探討生烴過程中各種組分的轉化關系，研究烴源巖不同演化階段成烴特征，以期為有效地進行烴源巖評價提供理論依據。
1 實驗樣品與方法
模擬樣品來自東營凹陷南部斜坡帶的官107井Es4上段，其深度為1972.7m；巖性為深灰色鈣質頁巖；有機碳含量為2.35%；氯仿瀝青“A”含量為0.1257%；Ro為0.41%；干酪根類型為腐泥型；S1+S2含量為12.15mg/g。有機碳含量位于該套烴源巖頻率分布統計的主峰[8]，具有廣泛的代表性。
為保持有機質的原始賦存狀態，樣品未粉碎直接進行模擬，塊狀直徑一般為1～3cm，一次實驗可放置多塊。開放體系中每份樣品(40～50g不等)由室溫自然升溫至250℃，再按50℃/h的速率分別升溫至300℃，350℃，400℃、450℃、500℃，550℃、600℃共7個終點溫度，實驗中未施加任何壓力。在加熱的同時用恒速恒流泵以2mL/min的速率注入蒸餾水，及時帶出排出的油和氣體產物。達到終點后停止實驗，冷卻后取出固體樣品殘渣。封閉體系中樣品在高壓釜中按其地下所處的方向放置，周圍充填石英砂以便承受上覆壓力并接受排出油。每份樣品(80g)由室溫自然升至250℃，同樣按50℃/h的速率分別升溫，同時對樣品施加恒定垂向壓力，并且用壓力跟蹤泵向釜內注入蒸餾水以保持恒定的流體壓力，高壓釜中的流體可以有限地發生運移，故該類實驗相對而言只是準封閉體系。當實驗達到終點溫度后，降低溫度至200℃一次性取出、計量排出的油和氣，再進一步冷卻取出固體樣品殘渣。封閉體系的終點溫度選擇為400℃、450℃、500℃3個實驗點，位于主生烴區間，3個實驗點分別對應的流體壓力為35MPa、40MPa、45MPa，上覆靜壓力為87.5MPa、100MPa、115.5MPa。
通過模擬實驗，可以獲取天然氣、水樣、含油石英砂(封閉體系)及源巖固體殘渣。天然氣直接進行組分測試。水樣用二氯甲烷萃取，高壓釜及管線用二氯甲烷清洗，含油石英砂用氯仿抽提，均得到排出重質油。源巖固體殘渣用氯仿抽提，抽提后殘余再進行熱解、有機碳、干酪根處理、Ro及C、H、O元素測試。為使各種條件下的演化互相對應，采用H/C作為成熟度指標與Ro聯系起來。例如Baskin引用Van Krevelen圖解表明干酪根不同Ro演化區間H/C原子比的變化[9]，利用該圖解通過內差計算各溫度點的Ro(表1)。
表1結果顯示，同一溫度條件下對封閉體系計算的Ro值較高，主要與開放體系模擬過程中不斷注入水帶出熱量有關，釜內樣品的實際溫度低于測量的結果。
2 模擬生烴產率的演化
模擬產物根據分子量和物理性質大致分為3類：①相對大分子的重質油(氯仿瀝青“A”+排出重質油)，可以直接獲取；②小分子的氣體(C1～C5)，也可以直接獲取；③常溫下易揮發的C6～C14輕質油，實驗中不易收集。以檢測到的重質油和氣體為依據，通過相互補償的方法可以分析輕質油產率特征。
2.1 重質油
在兩種體系的模擬實驗中形成了不同數量的重質油，并以不同效率的排出(圖1)。開放體系生成的重質油，殘留的部分(即氯仿瀝青“A”含量)較少，只在Ro=0.6%附近呈略微增高的趨勢，其后隨演化一直處于下降階段。在Ro=0.5%之后即開始排油，主生油階段大部分重質油即已排出，是由于其生成以后缺少壓力的抑制作用所致。重質油總量在Ro=1.0%之前增加速度較快，Ro=1.0%時的高演化階段變化趨于平緩。這種情形與地下差別較大，即地下烴源巖的生排烴不可能處于完全開放的體系中。
封閉體系模擬過程中殘留的重質油在Ro=0.8%左右形成一個峰值且產率較高，其后隨模擬演化而下降。與開放體系相比，重質油排出量明顯較少，壓力的抑制顯然對排烴有阻滯作用。重質油總量在Ro=1.0%為峰值，殘留重質油高峰處(Ro=0.8%)并不是累積生油最多的階段，該階段實際上位于殘留重質油高峰之后。只是由于后期排烴作用的增強，使得殘留重質油的高峰前移。殘留烴的上升階段已開始排烴，但不是排油的主要階段，主要的排烴期應出現在生油高峰及其之后的階段。
對比而言，開放體系模擬過程中重質油總量一直呈增長趨勢，基本無二次裂解，而封閉體系在高演化階段發生了二次裂解，生成小分子的產物。具有一定壓力抑制的生排烴環境與地下條件是比較吻合的。兩種體系的模擬實驗中，隨著生排烴作用進行，熱解潛率
[100×(S1+S2)/Corg]逐漸呈下降趨勢。
2.2 烴類氣體
烴源巖在降解生油的同時生成烴類氣體(圖2)。隨熱演化程度增高，開放體系和封閉體系的烴氣產率大致按相近的趨勢增長，在達生油高峰之前(Ro＜1.O%)二者差別不大，但其后差別逐漸明顯。在相同的成熟階段封閉體系比開放體系氣產率略低，說明壓力的存在對氣體的生成有一定抑制作用。前人大多認為封閉體系與開放體系相比，由于二次裂解生成的氣體較多，這應與實驗中實現的條件有關。本次封閉體系的實驗中，烴源巖樣品位于反應區，其生成的油氣從樣品排出后由于存在流體壓力的調整(恒定壓力)及上浮現象會繼續運移遠離反應區，在高壓釜溫度相對較低的上下端部儲集起來。因此這是一個與地下條件較為接近的生排烴動平衡過程。
2.3 組分生烴率
獲取重質油、烴類氣體產率后，可進一步獲取C6～C14輕質油產率。采用熱解生烴產率的差減法如下式
Qlo=Po-Pr-Qo-Qg
式中Qlo為輕質油產率；Po為樣品的原始(或總)熱解生烴潛率(假定隨生烴演化基本保持不變)；Pr為某一溫度點模擬(抽提后)殘余樣品熱解生烴潛率；Qo為生成的重質油；Qg為生成的烴類氣體。
通過計算，大致可以獲取官107井樣品模擬過程中輕質油的產率，并與重質油、氣態烴對比以分析它們的比例關系(圖3)。從理論上講，如果烴源巖形成的產物能夠及時運移出去，則在烴源巖中發生二次裂解的程度較小，如果生成的產物不能及時排出，則可以在烴源巖中較多地發生二次裂解，造成一次裂解與二次裂解的疊加現象。由于兩種體系模擬條件下生成的氣體量大致相當，則可知二者生成的總油量(重質油+輕質油)也基本相當，封閉體系重質油二次裂解的主要產物為輕質油，其主要的形成階段在重質油達生烴高峰之后(Ro為1.0%～1.2%)，隨演化二次裂解程度增大，輕質油產率增大。又由于烴源巖演化過程中的生排烴動平衡關系，生成大量輕質油后烴源巖即已進入大規模排油期，再次裂解的程度是有限的，即生成氣體的比率并不是很高。
3 不同演化階段的成烴特征
有機質生烴演化具有階段性，生烴模式的差異很大程度上指有機質不同演化階段生烴能力的差異，這從根本上取決于烴源巖所處的沉積相條件。東營凹陷古近系主力烴源巖總體來自偏淡水和偏咸水兩種沉積環境，而且有機質富集的優質烴源巖為生烴的主要貢獻者[5]。淡水環境集中于成熟期干酪根降解生烴，成水環境烴源巖表現出低熟和成熟兩個成烴階段。低熟階段以大分子可溶有機質及富硫干酪根早期降解為主要特征，成熟階段同樣以干酪根降解生烴為主。成熟階段可以伴隨其產物的二次裂解，該階段的降解也具有不同的烴轉化機制，其區別主要在于大分子可溶有機質(包括重質油)、輕質烴等幾類組分之間的相互轉化。Ro=1.0%之前以生成大分子的可溶有機質為主，而生成少量的氣體及輕質油，當Ro=1.0%之后，干酪根直接降解生成的大分子可溶有機質的能力下降，而以大分子可溶有機質再次裂解生成輕質組分為主。
本次所采用官107井模擬樣品的優質烴源巖特征并不明顯，更多地表現出干酪根降解成烴的特征，進入生烴期先形成重質油，再進入更高演化階段后的產物則視情況而定。開放體系模擬中，在Ro=1.0%之后重質油的累積生成量增長緩慢，而氣體的生成仍然持續上升；在封閉體系模擬中，生成的重質油不能完全排出，而造成部分裂解，二者的對比結果已表明，烴類氣體的生成量并沒有明顯差異，但封閉體系重質油的產率下降趨勢明顯，故其進一步降解的產物大多為易揮發的輕質油。如果具備更為充足的熱力條件，輕質油可再進一步裂解形成氣體，但實際上，輕質組分在模擬高溫、高壓條件下即可迅速排走，避免再次裂解。因此，地質條件下的烴源巖，在Ro=1.0%之后即以生成輕質油和氣體為主，且也進入主要的排烴階段。根據動力學的計算，油成氣所需活化能較高[10～11]。烴源巖形成的油在成氣之前即已排出，形成的天然氣基本為干酪根直接降解的產物，而油型氣的情況較為少見。故東營凹陷深層形成的天然氣藏均以干酪根降解氣為主。
總之，有機質成烴是系列的演化過程(圖4)，大分子非烴類是成油的最直接母源，其成因除傳統地認為由干酪根降解形成外，在保存較好的條件下(如咸水環境)可在沉積過程中直接形成，這種情況一般也與低熟油的形成有關，即原生沉積的非烴類有機大分子早期降解可形成低熟油。而干酪根由于所處烴源巖條件的差異可發生不同期的降解，按序列形成各類產物。重質液態烴開始形成時烴源巖真正進入生烴階段，依次進行其后各級別的降解。該序列是演化的主體過程，但在每一級降解的過程中，都會伴隨生成其他級別的產物，不同的生烴階段所處的降解級別也有差異。
形成油氣藏的類型往往與烴源巖的演化有密切的關系。各類油藏由于垂向運移，可以在特定的深度區間上，按其產出的深度范圍出現一個相對最低的深度限，該深度也應是烴源巖形成該類油氣的下限。根據對整個濟陽坳陷的統計，各類油藏出現的底限深度為：重質稠油藏為3000m，個別下延到3500m；常規油層為4000m；揮發性油藏為4500m；高揮發性油至凝析氣層為5000m；濕氣至干氣層接近5500m。該垂向變化特征與總體生烴模式基本是一致的。
4 結論
生烴演化是一個序列的降解過程，實驗條件對烴源巖成烴產物的組分特征有明顯影響。開放體系產物二次裂解少，相對而言封閉體系的產物則會按照生烴序列出現二次乃至多次裂解。對東營凹陷Es4上烴源巖所進行的開放一封閉兩種體系程序升溫條件下的生排烴對比模擬結果表明：
1) 干酪根直接降解以生成重質油和烴氣為主，而輕質油大多來源于高含非烴瀝青質的大分子可溶有機質(包括重質油)的進一步裂解。烴源巖形成大分子重質油是生烴的主要標志。
2) 烴源巖在形成輕質油時即容易排出，如果要形成油裂解氣，則需要在較封閉的條件下達到更深的演化程度，但這樣的條件在地下很難實現。輕質油的形成是烴源巖排烴的主要標志。
參考文獻
[1] 張勇.東營凹陷北部陡坡帶沙四段鹽下天然氣成因類型分析——以豐深1井為例[J].石油天然氣學報，2008，30(2)：394-398.
[2] 宋國奇，蔣有錄，劉華，等.東營凹陷利津-民豐地區中深層裂解氣成藏史[J].天然氣工業，2009，29(4)：14-17.
[3] 陳中紅，查明，張善文，等.東營凹陷古近系天然氣成藏條件及其主控因素[J].天然氣工業，2008，28(9)：9-12.
[4] 姜福杰，龐雄奇，姜振學，等.東營凹陷沙三段源巖排烴特征及潛力評價[J].西南石油大學學報，2007，29(4)：7-11.
[5] 姜峰，張友聯，杜建國.油氣生成熱模擬實驗研究進展[J].地球科學進展，1996，11(5)：453-459.
[6] 馬中振，龐雄奇，孫俊科，等.生烴潛力法在排烴研究中應注意的幾個問題[J].西南石油大學學報：自然科學版，2009，31(1)：14-18.
[7] 胡國藝，李志生，羅霞，等.兩種熱模擬體系下有機質生氣特征對比[J].沉積學報，2004，22(4)：718-723.
[8] 張林曄，劉慶，張春榮.東營凹陷成烴與成藏關系研究[M].北京：地質出版社，2005：49-89.
[9] BASKIN D K.Atomic H/C ratio of kerogen as an estimate of thermal maturity and organic matter conversion[J].AAPG Bulletin，1997，81(9)：1437-1450.
[10] 盧雙舫.有機質成烴動力學理淪及其應用[M].北京：石油工業出版社，1996：62-121.
[11] 熊永強，耿安松，張海祖，等.油型氣的形成機理及其源巖生烴潛力恢復[J].天然氣工業，2004，24(2)：11-13.
(本文作者：張守春1，2 張林曄2 王宇蓉2 張蕾2 包友書2 1.中國石油大學(華東)；2.中國石化勝利油田分公司地質科學研究院)
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