東營凹陷深層沙河街組天然氣生成動力學(xué)研究

2009年9月ACTAPETROLEISINICASept.2009東營凹陷深層沙河街組天然氣生成動力學(xué)研究中圖分類號：TE112.11文獻(xiàn)標(biāo)識碼：ASinopecShengliOilfieldCompanyDongyingChinaChinathisarea.東營凹陷北部深洼帶的民豐、勝坨、利津等地區(qū)，以及沾化凹陷渤南洼陷和車鎮(zhèn)凹陷西部洼陷沙河街組沙四段陸續(xù)發(fā)現(xiàn)高產(chǎn)天然氣和凝析油，不僅成為勝利油田近年來重要的勘探突破，而且預(yù)示著深層具有良好的天然氣勘探前景[1-2]。然而，有關(guān)天然氣是源巖熱解成因還是原油裂解成因及其生氣潛力等問題一直存在爭論[36]。因此開展高成熟天然氣生成模式研究，不僅能夠闡明研究區(qū)深層天然氣成因和潛力，也有助于天然氣的勘探和發(fā)展。綜合利用地質(zhì)和地球化學(xué)資料分析了沙四段烴源巖和原油的熱演化特征，根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)得到的生烴動力學(xué)參數(shù)，并結(jié)合研究區(qū)埋藏?zé)嵫莼?，分別建立了源巖熱解生氣和原油裂解生氣模式，并對深層沙河街組天然氣的成藏過程進(jìn)行了分析。1東營凹陷民豐洼陷沙四段烴源巖和民豐洼陷位于東營凹陷的東北部，面積約為巖[7],其中，沙四段埋藏深度為4500～6400m,處于高成熟熱解生氣階段(R。為1.2%～1.9%)。沙四段發(fā)育自生自儲型油藏9-10],這些油藏形成于古新紀(jì)末，新近紀(jì)快速埋藏使其原油現(xiàn)今處于裂解生氣階段，故1.1烴源巖生烴演化特征民豐洼陷沙四段發(fā)育3套膏鹽層，其中第一套膏鹽層中發(fā)育的暗色泥頁巖是主力烴源巖[10]。豐深2井鉆遇的第一套膏鹽層厚度945m,其中暗色泥頁巖厚達(dá)524m,該井埋藏生烴史可代表東營凹陷深層沙四段烴源巖的熱演化歷程(圖1)。沙四段經(jīng)歷了“快一慢一快”3段式埋藏過程：由于漸新世的快速沉積埋藏，沙四段烴源巖在沙三段沉積初期便開始進(jìn)入生油門限(R。=0.5%),沙三段沉積中期達(dá)到了生油高峰(R。=1.0%);東營運(yùn)動導(dǎo)致區(qū)域抬升并遭受剝蝕，生烴作用停滯[];新近紀(jì)又進(jìn)入快速埋藏期，沙四段烴源巖于館陶組沉積期達(dá)到高成熟階段(R。=1.3%)。根據(jù)地震資料推算，目前最大埋深約為6400m,地溫超過180℃,R。值約為1.9%,處于生氣高峰。在高溫地質(zhì)條件下原油具有熱力學(xué)不穩(wěn)定的性質(zhì)[1213],一般認(rèn)為當(dāng)油藏溫度超過160℃時，原油就會發(fā)生裂解生成天然氣[4。民豐地區(qū)油氣藏埋深超過4400m,地層測試資料表明其現(xiàn)今地溫超過了160℃,具備了原油裂解生氣的熱力學(xué)條件。豐深1井長石砂巖儲層中見到一些焦瀝青，表明原油發(fā)生過裂解作用，輕質(zhì)部分向氣態(tài)烴轉(zhuǎn)化，剩余重質(zhì)部分縮合成多環(huán)焦瀝青殘余物。民豐地區(qū)天然氣碳同位素偏輕(表1),與沙四段源巖的熱演化程度明顯不符，而原油裂解氣碳同位素組成一般輕于源巖熱解氣[1],表明天然氣中存在原油裂解氣。該區(qū)油藏埋藏史與烴源巖相似，其中距今38~30Ma主要為原油充注期，距今30～10Ma是油藏緩慢充注調(diào)整期，距今5Ma出現(xiàn)原油裂解(圖2)。距今大約12Ma沙四段烴源巖開始熱解生氣，所以民豐地區(qū)“古油藏”得到了源巖熱解氣的充注。將民豐產(chǎn)出的天然氣乙烷和丙烷的碳同位素?cái)?shù)據(jù)投到Prinzhofer豐深1豐深1等人的圖版上[15](圖3),其結(jié)果處于原油裂解氣和源巖熱解氣兩條趨勢線之間，反映了該天然氣具有混源氣的特點(diǎn)。Fig.3Aplotofδ3CandIntoidentificationof相對頻率相對頻率相對頻率相對頻率2天然氣生成的動力學(xué)特征2.1生烴動力學(xué)模型干酪根受熱力作用在成熟階段生成石油，在高成熟一過成熟階段生成天然氣。原油在高成熟一過成熟階段裂解成天然氣。這些反應(yīng)是由多個平行一級反應(yīng)樣品分別進(jìn)行熱模擬實(shí)驗(yàn)(表2),對模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果利用MATLAB編制的遺傳算法來求取動力學(xué)參數(shù)。設(shè)有機(jī)質(zhì)(KEO)的降解過程由一系列(N個)平行一級反應(yīng)組成，每個反應(yīng)的活化能為EO?,指前因子為AO,對應(yīng)的降解潛量為XO,KO,為第i個反應(yīng)的至?xí)r間t時，第i個反應(yīng)的生成量為XO?,由化學(xué)反應(yīng)速率方程則可以得出根據(jù)阿爾尼烏斯方程有由式(1)～式(3)可得將上式從To→T積分，并注意到XO?(To)=0,則N個平行反應(yīng)的總生成量為·活化能計(jì)算過程可見所列文獻(xiàn)[9,17-21]。2.2源巖熱解氣與原油裂解氣的生成動力學(xué)特征通過熱模擬實(shí)驗(yàn)和生烴動力學(xué)的分析，闡明了源巖熱解與原油裂解的生氣機(jī)理，發(fā)現(xiàn)兩者存在一些差異：(1)源巖熱解和原油裂解生成氣態(tài)烴的活化能都呈正態(tài)分布，前者主要分布為160～340kJ/mol(眾數(shù)為210kJ/mol),后者為200～290kJ/mol(眾數(shù)為240kJ/mol),兩者眾數(shù)相差30kJ/mol(圖4)。原油裂解生氣起點(diǎn)溫度比源巖熱解溫度要高，需要更高的動力學(xué)條件。(2)源巖熱解和原油裂解生成甲烷的活化能都呈單峰分布，但前者主要分布在160～340kJ/mol(眾數(shù)為230kJ/mol),后者分布在220～320kJ/mol(眾數(shù)為260kJ/mol),兩者眾數(shù)相差30～40kJ/mol,而且后者活化能分布范圍較窄(圖5),因此源巖熱解過程中更容易生成甲烷。地質(zhì)時間/Ma3天然氣生成動力學(xué)模型利用上述得到的源巖熱解氣和原油裂解氣生烴動力學(xué)參數(shù)，結(jié)合源巖所經(jīng)歷的沉積埋藏史和熱史，地層埋藏和受熱的階段性，實(shí)際的計(jì)算過程較為設(shè)所考察地層分為M層，從上到下分別記為1,2,…,i,…M。第i層開始沉積的時間記為t,結(jié)束的時間記為t?,設(shè)第i層的第l小層烴源巖于j(j=i,i得到；第i層沉積時的地溫梯度和地表溫度為DG,和Tm;i層l烴源巖于j層沉積期間的生氣量為XG,(t),至j沉積末的生氣量為XGj,僅在j層沉積期間所生成的氣量為△XGq(t),則由式(1)～式(5),t和EG;分別為第k個平行反應(yīng)的指前因子和活化t,(j層開始沉積的時間)改為to(i層所考察l點(diǎn)烴源計(jì)算出生氣率(氣態(tài)烴產(chǎn)率),與原始生氣潛量的乘積根據(jù)圖1所示的民豐洼陷烴源巖源巖熱解生氣地質(zhì)模型，其動力學(xué)模型邊界和初始條件如下：①目度為豐深2井古地溫梯度模擬結(jié)果(圖1);③地表溫度為10℃地溫梯度為豐深1井古地溫梯度模擬結(jié)果；③地表溫度為10℃。段烴源巖進(jìn)入生油門限(埋深約2600m),37Ma開始期(距今24.6Ma,埋深3900m)累積氣態(tài)烴產(chǎn)率僅為22%,此時以生油為主(持續(xù)了15Ma,因此液態(tài)油充注成藏很充分);隨后的東營運(yùn)動(持續(xù)約10Ma)導(dǎo)致接受新近系沉積，源巖則于距今11Ma左右開始再次生氣，至明化鎮(zhèn)組沉積末期(距今4Ma),埋深超過超過60%,是民豐地區(qū)重要的天然氣源(圖6)。賬模型(圖7):原油在距今7Ma左右時，溫度超過145℃還不到5%;至距今2Ma時溫度達(dá)到了160℃,原油裂解的氣態(tài)烴產(chǎn)率急劇增大，現(xiàn)今地溫約為165℃,累計(jì)氣態(tài)烴產(chǎn)率達(dá)到12%左右。標(biāo)準(zhǔn)分享網(wǎng)www.bzfxw.免費(fèi)下載累計(jì)氣態(tài)烴產(chǎn)率/%累計(jì)氣態(tài)烴產(chǎn)率/%圖7豐深1井“古油藏”原油裂解氣產(chǎn)率與地質(zhì)時間和地層溫度的定量關(guān)系FigOilcrackinggasprod原油裂解生氣的活化能高于源巖熱解氣，所以源巖熱解氣生成要早于原油裂解氣的生成。以豐深1井為12%,遠(yuǎn)低于源巖熱解氣的產(chǎn)率(約60%),表明前者對該區(qū)天然氣的貢獻(xiàn)不及后者，也即民豐地區(qū)天然民豐地區(qū)在37Ma以前開始充注原油成藏，于11Ma前接收高成熟源巖熱解氣充注，并于4Ma開始原油裂解生氣，最終形成現(xiàn)今混合成因氣藏。由于東營凹陷的利津洼陷、沾化凹陷的渤南洼陷深層沙河街組烴源巖的沉積埋藏史和熱演化史基本相同，因此豐深2井所代表的民豐洼陷深層天然氣生成動力學(xué)模型可以用于其他深洼的沙河街組天然氣生成的評價。同樣，由豐深1井“古油藏”分析得到的原油裂解氣生成模式也可以推廣到濟(jì)陽坳陷其他深層地區(qū)。利用該思路和方法有助于深層天然氣的勘探。LiJunliangReservoircharacteristicsofdeeRecoveryEfficiency,2007,14(ChinaenrichedpetroliferouRecoveryEfficiency,2002,BeijingPetroleumIndustryPrestionsofdeepseatedgasisticsofhydrocarboncompoundsinsedimentpression[JGeologicalJournalofChinaUniversitiesDongyingChinaUniversZhangJingWangWeifengRongQihopressionOilGasGeologyZhuYanmingWangXiaohuiZhanDongpuDepressionActaPetroleiSiniCosmochimicaActa,2000,64(15):PetroleumGeology,1983,5(第5期宋國奇等：東營凹陷深層沙河街組天然氣生成動力學(xué)研究677genichydrocarbongasesChemicalGNewYork;Springer-Verlag,1984.JinQiangQianJialinHuangXinhanTheresearmaldegradationanditsappli[18]盧雙舫.有機(jī)質(zhì)成烴動力學(xué)理論及其應(yīng)用LuShuangfangKinetictheoryofhydrorganicmatteranditsappli化凹陷孤北天然氣成因的解釋[J].地球化學(xué)，2008,37(3):JinQiangWangXiuhongHuXiaoqingetalKineticsotionstogenesisofnaturalgDepression[J].Geochimica,2008,37(3WangXiuhongJinQiangHuXiaotioninthegenesisofnaturalgasesinMinfengAreLiuJinzhongTangYongchunAcasestudyofpredictianegenerationquantitybykineticssimudrocarbongenerationkineticsofsouDepressiontheBohaiwanBaperiment,2003,25(4):403-409WangTongshanGengAnsongXiongYosimulationstudyongenerapyrolysisofmarinecrufinedsystemOrganicGeochemiZhaoWenzhiWangZhaoyunZinggasAnimportantrouteofgaTianHuiXiaoXianmingLiXianqingetalgenerationandcarbonisotoperinekerogenandcrudeoilcUweRingChristianBetzlerDa