生排烴效率對有機碳損失率doc的影響

生排烴效率對有機碳損失率doc的影響

1有機質(zhì)豐度恢復(fù)方法的探討在中國廣泛分布的海相碳酸鹽巖中，普遍具有“老、少、高、雜”的特點。所謂“老”是指沉積時代老,尤其以古生代沉積居多;“少”即有機質(zhì)含量少(豐度低);“高”則是指有機質(zhì)成熟度高,普遍達到高—過成熟階段;“雜”謂之經(jīng)歷了多期的復(fù)雜構(gòu)造運動。這些特點導(dǎo)致了幾十年來在碳酸鹽巖烴源巖評價工作中,有機質(zhì)豐度恢復(fù)及以此為基礎(chǔ)的生烴潛力恢復(fù)大行其道。然而,近年來隨著勘探實踐和碳酸鹽巖地球化學(xué)研究工作的深入,有機質(zhì)豐度恢復(fù)方法受到越來越多的質(zhì)疑。產(chǎn)生這些爭議的實質(zhì)是對烴源巖熱演化過程中TOC值的變化規(guī)律及其控制因素認(rèn)識上的分歧。TOC被定義為單位質(zhì)量巖石中有機碳的含量,它是巖石中有機質(zhì)相對豐度的表征。人們從干酪根熱降解生烴理論,很自然地把生排烴過程有機質(zhì)總量必然的消耗和TOC的降低想當(dāng)然地聯(lián)系在一起。但是,生排烴過程有機質(zhì)總量的損耗并不完全等同于巖石總有機碳含量TOC的減少,因為TOC所反映的不過是巖石中有機物的相對含量,其數(shù)值變化顯然受到有機物質(zhì)和巖石無機物質(zhì)兩個方面因素的影響。由于生排烴過程中烴源巖TOC值(總有機碳含量)的變化幅度對確定烴源巖有機質(zhì)的豐度下限值有重要意義,因此,本文著重從烴源巖熱演化過程有機—無機物質(zhì)平衡的角度探討TOC值變化與生排烴效率的關(guān)系。2實驗結(jié)果啟示選取成熟度一致,原始TOC值在0.1%～0.5%之間,并且有機質(zhì)豐度相對應(yīng)的5對碳酸鹽巖和泥巖樣品。通過人工模擬生排烴過程來考察TOC值的變化規(guī)律,以及有機碳損失率的影響因素的技術(shù)思路,分別采用了半封閉體系的高溫高壓模擬實驗和開放體系的高溫模擬實驗兩種不同條件的實驗?zāi)M方法,樣品和實驗條件見文獻。(1)在高溫高壓的半封閉體系中,由于生排烴效率較低,導(dǎo)致烴源巖的TOC值在生排烴過程基本保持恒定。無論是碳酸鹽巖還是泥巖,TOC值隨溫度增高的減少幅度幾乎都在該分析方法標(biāo)準(zhǔn)所規(guī)定允許誤差范圍內(nèi),多數(shù)樣品只有在加熱溫度達到520℃以上后,TOC值的減少才略為明顯(圖1a)。由實驗?zāi)M所達到的高溫、殘余巖石生烴潛力變化、殘余干酪根C、H、O元素的變化以及加熱前后的物質(zhì)平衡關(guān)系來看,有機質(zhì)確實已被消耗,并生成了數(shù)量可觀的氣、液產(chǎn)物(圖2)。但總的說來,在高溫高壓的半封閉體系中的生烴降解率比較低,最大不過100mg·烴/g·有機碳(2)開放體系中,烴源巖的TOC值在生排烴過程有明顯的減少(圖1b)。與半封閉體系下的熱摸擬實驗相比,所采用的樣品相同,只是開放體系下模擬實驗的生排烴效率有了明顯提高,最大降解率達到240mg·烴/g·有機碳?？梢?烴源巖的生排烴效率可能制約了TOC值變化。通常認(rèn)為,隨著巖石中有機質(zhì)被消耗生烴并排驅(qū)之后,TOC值應(yīng)隨之降低。但是由TOC定義可知,這必須以成烴過程中巖石總質(zhì)量恒定為前提。事實上,從熱模過程各種無機流體的產(chǎn)生和排出就可以斷定,巖石質(zhì)量在成烴過程中也是不斷被消耗的。因此,TOC值在生排烴過程保持不變的前提是有機質(zhì)和無機物都以相同速率損耗。而當(dāng)生排烴導(dǎo)致的有機質(zhì)消耗率高于無機物損耗率時,TOC值則表現(xiàn)出不斷下降的趨勢。實驗結(jié)果啟示我們,TOC值的變化要置于烴源巖生排烴過程的有機—無機物質(zhì)平衡關(guān)系中討論。在實驗室條件下無機物的損耗主要與礦物脫水有關(guān),且數(shù)量有限,根本無法與地質(zhì)體中壓實、壓溶造成的無機流體損耗相提并論,因而,在實驗室中很容易觀察到的TOC值隨生排烴過程減少的趨勢,在地質(zhì)體中卻很少見。這種有機—無機物質(zhì)平衡關(guān)系以及實驗室條件與自然條件的差異,恰恰是以往研究TOC值在烴源巖成熟作用過程變化規(guī)律時所忽略的,其結(jié)果有可能誤認(rèn)為烴源巖有機質(zhì)損耗等同于TOC值降低,而濫用原始TOC恢復(fù)來評價高過成熟烴源巖,尤其是高過成熟碳酸鹽巖。3以有機碳損失率為單位的分析方法模擬實驗揭示了烴源巖生排烴過程TOC值的變化可能受生排烴效率的控制。運用數(shù)值模擬的方法可以進一步從生排烴過程中有機—無機物質(zhì)平衡關(guān)系討論有機質(zhì)的生排烴過程和巖石的失重過程對有機碳損失率的影響,以期定量描述地質(zhì)因素對有機碳含量變化的影響及從理論上闡明有機碳損失率的可能變化幅度及范圍,從而為確定烴源巖的豐度下限值提供理論依據(jù)。3.1有機碳損耗率dtoc參數(shù)設(shè)單位體積巖石的原始孔隙體積為Φo,孔隙中飽和水,水的密度為,巖石骨架的密度為ρ,經(jīng)過一定程度演化后,巖石的孔隙體積為Φ,該過程的物理模型見圖3。設(shè)初始狀態(tài)時巖石的質(zhì)量為m0,演化到一定階段后的質(zhì)量為m,由模型可得設(shè)巖石原始有機碳的質(zhì)量為,殘余有機碳的質(zhì)量為mc則,mc等于減去排出烴帶走的有機碳和生成CO2所損失的有機碳。即式中:為原始有機碳的質(zhì)量(g);mc為殘余有機碳的質(zhì)量(g);G為有機質(zhì)成烴降解率(gHC/gC);為原始有機質(zhì)中含碳率;K為烴的含碳率;E為排烴效率(%);為有機質(zhì)演化過程中CO2生成率(%);Io為氧指數(shù),每克有機碳中CO2的質(zhì)量(gCO2/gC);為二氧化碳的含碳率(12/44)。設(shè)巖石的原始有機碳為TOC0,殘余有機碳為TOC。根據(jù)定義,有機碳等于巖石中有機碳的質(zhì)量除以巖石質(zhì)量(水+巖石骨架)與巖石中有機質(zhì)的質(zhì)量之和,即其中:K1、K2分別為原始有機質(zhì)和殘余有機質(zhì)中含碳率。由上面各式可以推出有機碳損失率DTOC的計算公式為:亦即:式中與DTOC有關(guān)的待定參數(shù)為G、、、、K、K1、K2、E及ρw、ρ、Φ0、Φ等。其中,前7項參數(shù)是與生烴過程有關(guān)的參數(shù),根據(jù)文獻可以確定它們的取值或關(guān)系式;E為排烴效率,設(shè)定為10%、20%、…、90%等規(guī)則的數(shù)值,它與前7項的結(jié)合決定了有機碳的損耗量;后4項則是描述巖石失重的參數(shù),巖石骨架密度和水的密度分別取值2.8g/cm3和1.0g/cm3。參數(shù)的選取以Ro0.5%作為烴源巖干酪根開始降解生烴的原始狀態(tài),主要生烴過程結(jié)束于Ro2.0%。正常壓實情況下,巖石的孔隙度Φ與埋深呈指數(shù)關(guān)系3.2不同有機質(zhì)類型烴源巖成熟演化過程中的toc特征各項參數(shù)確定之后,(6)式即可計算出整個生排烴過程中烴源巖的有機碳(TOC%)損失情況。由(6)式可見,用有機碳(TOC%)的損失率DTOC=(TOC0—TOC)/TOC0來衡量地史過程中烴源巖有機碳含量的變化時,其變化的幅度和方向取決于源巖中有機部分和無機部分的損耗量及相對大小,當(dāng)巖石類型和成熟演化歷史一定時,有機碳含量的變化只與生排烴效率以碎屑巖為例,假設(shè)原始TOC0的取值介于0.1%?6%之間,烴源巖成熟演化范圍在Ro0.5%?2%之間,分別考察了生烴降解率分別為800mg·烴/g·有機碳、502.9mg·烴/g·有機碳、348.2mg·烴/g·有機碳、193.5mg·烴/g·有機碳和97.2mg·烴/g·有機碳的五種不同類型有機質(zhì),在排烴效率的取值介于10%?90%之間時的TOC值變化規(guī)律。對于同一有機質(zhì)類型的烴源巖,盡管假設(shè)TOC0從0.1%到6.0%變化,但DTOC卻基本上未體現(xiàn)出的差異,即TOC的變化率與其原始有機質(zhì)豐度無關(guān)(圖4)。當(dāng)排烴效率在10%?90%的范圍內(nèi)變化時,DTOC隨成熟度而變化的曲線如圖5所示。結(jié)果表明,當(dāng)烴源巖生排烴效率很低時,DTOC都為負(fù)值,即其成熟演化過程TOC是增加的。隨著生排烴效率提高,有機碳變化率DTOC逐漸增加(TOC損失率增大),烴源巖逐步由“增碳”進程轉(zhuǎn)變?yōu)椤皽p碳”進程。對Ⅱ型有機質(zhì)的烴源巖來說,成熟演化過程到底是“增碳”還是“減碳”,還要視其排烴效率而定,而且增減碳的幅度不會很大(圖5b)。只有生烴潛力很高的Ⅰ型有機質(zhì)巖石,在生烴降解率和排烴效率極高的“理想”條件下,DTOC的變化幅度才十分顯著(圖5a)。4碳酸鹽巖生、排烴效率與水體體系如果要把某一特定演化階段巖石的TOC值恢復(fù)至其原始狀態(tài)時的數(shù)值TOC0,則根據(jù)定義,有機質(zhì)豐度恢復(fù)系數(shù)為:根據(jù)上式和圖5可知,當(dāng)排烴效率高達90%時,生烴降解率達到80%的Ⅰ型干酪根烴源巖,有機碳恢復(fù)系數(shù)k最高為2.5;生烴降解率30%左右的Ⅱ型干酪根烴源巖,有機碳恢復(fù)系數(shù)k≈0.95?1.25;生烴降解率10%左右的Ⅲ型干酪根烴源巖,有機碳恢復(fù)系數(shù)k≈0.90?1.0。誠然,上述關(guān)系是基于碎屑巖正常生排烴過程(即巖石的正常成巖壓實作用過程)的物質(zhì)平衡確定的。對于碳酸鹽巖烴源巖的情形,一方面,其有機質(zhì)類型多為Ⅱ型,甚至為Ⅲ型,生烴的效率不是特別高;另一方面,碳酸鹽巖在生排烴作用過程中可能導(dǎo)致巖石質(zhì)量損耗的成巖作用主要有壓實作用和壓溶作用。壓溶作用導(dǎo)致巖石體積的大量減少可能起主要作用,它所形成的縫合線就是無機流體損失的標(biāo)志(圖6)。據(jù)估計壓溶作用可以導(dǎo)致碳酸鹽巖巖石體積減少5%?40%。碳酸鹽巖縫合線中的殘余有機碳含量遠(yuǎn)高于周圍的巖石,即是壓溶作用導(dǎo)致的“增碳”進程的結(jié)果。換言之,盡管目前還不能夠象對碎屑巖那樣,建立起碳酸鹽巖TOC變化的精確數(shù)值模型,但是從碳酸鹽巖有機質(zhì)類型和成巖作用特點來看,無論如何它在生烴演化歷史過程中的“減碳”進程也不會很顯著。由于烴源巖的TOC值變化取決于其生、排烴效率,因而對于我國高—過成熟碳酸鹽巖烴源巖評價中,確定有機質(zhì)豐度下限是否需要進行原始有機碳恢復(fù)的問題,應(yīng)從自然條件下烴源巖的生、排烴效率來考慮。在自然條件下地質(zhì)體中的烴源巖的生、排烴效率(生烴效率×排烴效率)要比實驗室條件下低得多,對Ⅱ型有機質(zhì)來說,有機碳恢復(fù)的方向(恢復(fù)系數(shù)k大于1抑或小于1)和幅度還要視其排烴效率而定,而且恢復(fù)的幅度不大。只有生烴潛力很高的Ⅰ型有機質(zhì),在生烴降解率和排烴效率極高的“理想”條件下,DTOC的變化幅度之大才使得恢復(fù)原始有機碳成為必要。以往進行有機質(zhì)原始豐度的恢復(fù)計算,忽略了TOC值變化與生排烴效率的關(guān)系,因而過分強調(diào)了“減碳”的進程,很多情形下可能會美化原本比較差的烴源巖。5不同類型巖石對烴源巖生、排烴效率的控制烴源巖TOC的數(shù)值變化受到有機物質(zhì)和巖石無機物質(zhì)兩個方面因素的影響,因此,生排烴作用過程中烴源巖的有機質(zhì)損耗不能等同于其TOC值降低。本文的實驗結(jié)果啟示我們,TOC值的變化要置于烴源巖生排烴過程的有機—無機物質(zhì)平衡關(guān)系中討論。當(dāng)巖石類型和成熟演化歷史一定時,有機碳含量的變化只與生排烴效率有關(guān)。烴源巖在熱演化過程中表現(xiàn)為“增碳”進程抑或是“減碳”進程受其生、排烴效率的控制。當(dāng)烴源巖生、排烴效率很低時,其TOC的變化率DTOC都為負(fù)值,即在成熟演化過程中