生排烴效率對(duì)有機(jī)碳損失率doc的影響

生排烴效率對(duì)有機(jī)碳損失率doc的影響

1有機(jī)質(zhì)豐度恢復(fù)方法的探討在中國(guó)廣泛分布的海相碳酸鹽巖中，普遍具有“老、少、高、雜”的特點(diǎn)。所謂“老”是指沉積時(shí)代老,尤其以古生代沉積居多;“少”即有機(jī)質(zhì)含量少(豐度低);“高”則是指有機(jī)質(zhì)成熟度高,普遍達(dá)到高—過(guò)成熟階段;“雜”謂之經(jīng)歷了多期的復(fù)雜構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。這些特點(diǎn)導(dǎo)致了幾十年來(lái)在碳酸鹽巖烴源巖評(píng)價(jià)工作中,有機(jī)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(lái)隨著勘探實(shí)踐和碳酸鹽巖地球化學(xué)研究工作的深入,有機(jī)質(zhì)豐度恢復(fù)方法受到越來(lái)越多的質(zhì)疑。產(chǎn)生這些爭(zhēng)議的實(shí)質(zhì)是對(duì)烴源巖熱演化過(guò)程中TOC值的變化規(guī)律及其控制因素認(rèn)識(shí)上的分歧。TOC被定義為單位質(zhì)量巖石中有機(jī)碳的含量,它是巖石中有機(jī)質(zhì)相對(duì)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(guò)程有機(jī)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(guò)程有機(jī)質(zhì)總量的損耗并不完全等同于巖石總有機(jī)碳含量TOC的減少,因?yàn)門OC所反映的不過(guò)是巖石中有機(jī)物的相對(duì)含量,其數(shù)值變化顯然受到有機(jī)物質(zhì)和巖石無(wú)機(jī)物質(zhì)兩個(gè)方面因素的影響。由于生排烴過(guò)程中烴源巖TOC值(總有機(jī)碳含量)的變化幅度對(duì)確定烴源巖有機(jī)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(guò)程有機(jī)—無(wú)機(jī)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(shí)驗(yàn)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(jī)質(zhì)豐度相對(duì)應(yīng)的5對(duì)碳酸鹽巖和泥巖樣品。通過(guò)人工模擬生排烴過(guò)程來(lái)考察TOC值的變化規(guī)律,以及有機(jī)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(shí)驗(yàn)和開放體系的高溫模擬實(shí)驗(yàn)兩種不同條件的實(shí)驗(yàn)?zāi)M方法,樣品和實(shí)驗(yàn)條件見(jiàn)文獻(xiàn)。(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(guò)程基本保持恒定。無(wú)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(dá)到520℃以上后,TOC值的減少才略為明顯(圖1a)。由實(shí)驗(yàn)?zāi)M所達(dá)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(lái)看,有機(jī)質(zhì)確實(shí)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(shuō)來(lái),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(guò)100mg·烴/g·有機(jī)碳(2)開放體系中,烴源巖的TOC值在生排烴過(guò)程有明顯的減少(圖1b)。與半封閉體系下的熱摸擬實(shí)驗(yàn)相比,所采用的樣品相同,只是開放體系下模擬實(shí)驗(yàn)的生排烴效率有了明顯提高,最大降解率達(dá)到240mg·烴/g·有機(jī)碳?？梢?jiàn),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(jī)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(guò)程中巖石總質(zhì)量恒定為前提。事實(shí)上,從熱模過(guò)程各種無(wú)機(jī)流體的產(chǎn)生和排出就可以斷定,巖石質(zhì)量在成烴過(guò)程中也是不斷被消耗的。因此,TOC值在生排烴過(guò)程保持不變的前提是有機(jī)質(zhì)和無(wú)機(jī)物都以相同速率損耗。而當(dāng)生排烴導(dǎo)致的有機(jī)質(zhì)消耗率高于無(wú)機(jī)物損耗率時(shí),TOC值則表現(xiàn)出不斷下降的趨勢(shì)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果啟示我們,TOC值的變化要置于烴源巖生排烴過(guò)程的有機(jī)—無(wú)機(jī)物質(zhì)平衡關(guān)系中討論。在實(shí)驗(yàn)室條件下無(wú)機(jī)物的損耗主要與礦物脫水有關(guān),且數(shù)量有限,根本無(wú)法與地質(zhì)體中壓實(shí)、壓溶造成的無(wú)機(jī)流體損耗相提并論,因而,在實(shí)驗(yàn)室中很容易觀察到的TOC值隨生排烴過(guò)程減少的趨勢(shì),在地質(zhì)體中卻很少見(jiàn)。這種有機(jī)—無(wú)機(jī)物質(zhì)平衡關(guān)系以及實(shí)驗(yàn)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(guò)程變化規(guī)律時(shí)所忽略的,其結(jié)果有可能誤認(rèn)為烴源巖有機(jī)質(zhì)損耗等同于TOC值降低,而濫用原始TOC恢復(fù)來(lái)評(píng)價(jià)高過(guò)成熟烴源巖,尤其是高過(guò)成熟碳酸鹽巖。3以有機(jī)碳損失率為單位的分析方法模擬實(shí)驗(yàn)揭示了烴源巖生排烴過(guò)程TOC值的變化可能受生排烴效率的控制。運(yùn)用數(shù)值模擬的方法可以進(jìn)一步從生排烴過(guò)程中有機(jī)—無(wú)機(jī)物質(zhì)平衡關(guān)系討論有機(jī)質(zhì)的生排烴過(guò)程和巖石的失重過(guò)程對(duì)有機(jī)碳損失率的影響,以期定量描述地質(zhì)因素對(duì)有機(jī)碳含量變化的影響及從理論上闡明有機(jī)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(jī)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(guò)一定程度演化后,巖石的孔隙體積為Φ,該過(guò)程的物理模型見(jiàn)圖3。設(shè)初始狀態(tài)時(shí)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(jī)碳的質(zhì)量為,殘余有機(jī)碳的質(zhì)量為mc則,mc等于減去排出烴帶走的有機(jī)碳和生成CO2所損失的有機(jī)碳。即式中:為原始有機(jī)碳的質(zhì)量(g);mc為殘余有機(jī)碳的質(zhì)量(g);G為有機(jī)質(zhì)成烴降解率(gHC/gC);為原始有機(jī)質(zhì)中含碳率;K為烴的含碳率;E為排烴效率(%);為有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中CO2生成率(%);Io為氧指數(shù),每克有機(jī)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(jī)碳為TOC0,殘余有機(jī)碳為TOC。根據(jù)定義,有機(jī)碳等于巖石中有機(jī)碳的質(zhì)量除以巖石質(zhì)量(水+巖石骨架)與巖石中有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量之和,即其中:K1、K2分別為原始有機(jī)質(zhì)和殘余有機(jī)質(zhì)中含碳率。由上面各式可以推出有機(jī)碳損失率DTOC的計(jì)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(xiàng)參數(shù)是與生烴過(guò)程有關(guān)的參數(shù),根據(jù)文獻(xiàn)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(xiàng)的結(jié)合決定了有機(jī)碳的損耗量;后4項(xiàng)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(guò)程結(jié)束于Ro2.0%。正常壓實(shí)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(jī)質(zhì)類型烴源巖成熟演化過(guò)程中的toc特征各項(xiàng)參數(shù)確定之后,(6)式即可計(jì)算出整個(gè)生排烴過(guò)程中烴源巖的有機(jī)碳(TOC%)損失情況。由(6)式可見(jiàn),用有機(jī)碳(TOC%)的損失率DTOC=(TOC0—TOC)/TOC0來(lái)衡量地史過(guò)程中烴源巖有機(jī)碳含量的變化時(shí),其變化的幅度和方向取決于源巖中有機(jī)部分和無(wú)機(jī)部分的損耗量及相對(duì)大小,當(dāng)巖石類型和成熟演化歷史一定時(shí),有機(jī)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(jī)碳、502.9mg·烴/g·有機(jī)碳、348.2mg·烴/g·有機(jī)碳、193.5mg·烴/g·有機(jī)碳和97.2mg·烴/g·有機(jī)碳的五種不同類型有機(jī)質(zhì),在排烴效率的取值介于10%?90%之間時(shí)的TOC值變化規(guī)律。對(duì)于同一有機(jī)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(jī)質(zhì)豐度無(wú)關(guān)(圖4)。當(dāng)排烴效率在10%?90%的范圍內(nèi)變化時(shí),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(shí),DTOC都為負(fù)值,即其成熟演化過(guò)程TOC是增加的。隨著生排烴效率提高,有機(jī)碳變化率DTOC逐漸增加(TOC損失率增大),烴源巖逐步由“增碳”進(jìn)程轉(zhuǎn)變?yōu)椤皽p碳”進(jìn)程。對(duì)Ⅱ型有機(jī)質(zhì)的烴源巖來(lái)說(shuō),成熟演化過(guò)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(huì)很大(圖5b)。只有生烴潛力很高的Ⅰ型有機(jī)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(shí)的數(shù)值TOC0,則根據(jù)定義,有機(jī)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(dá)90%時(shí),生烴降解率達(dá)到80%的Ⅰ型干酪根烴源巖,有機(jī)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(jī)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(jī)碳恢復(fù)系數(shù)k≈0.90?1.0。誠(chéng)然,上述關(guān)系是基于碎屑巖正常生排烴過(guò)程(即巖石的正常成巖壓實(shí)作用過(guò)程)的物質(zhì)平衡確定的。對(duì)于碳酸鹽巖烴源巖的情形,一方面,其有機(jī)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(guò)程中可能導(dǎo)致巖石質(zhì)量損耗的成巖作用主要有壓實(shí)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(wú)機(jī)流體損失的標(biāo)志(圖6)。據(jù)估計(jì)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(jī)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(jìn)程的結(jié)果。換言之,盡管目前還不能夠象對(duì)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(jī)質(zhì)類型和成巖作用特點(diǎn)來(lái)看,無(wú)論如何它在生烴演化歷史過(guò)程中的“減碳”進(jìn)程也不會(huì)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(duì)于我國(guó)高—過(guò)成熟碳酸鹽巖烴源巖評(píng)價(jià)中,確定有機(jī)質(zhì)豐度下限是否需要進(jìn)行原始有機(jī)碳恢復(fù)的問(wèn)題,應(yīng)從自然條件下烴源巖的生、排烴效率來(lái)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(shí)驗(yàn)室條件下低得多,對(duì)Ⅱ型有機(jī)質(zhì)來(lái)說(shuō),有機(jī)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(jī)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(jī)碳成為必要。以往進(jìn)行有機(jī)質(zhì)原始豐度的恢復(fù)計(jì)算,忽略了TOC值變化與生排烴效率的關(guān)系,因而過(guò)分強(qiáng)調(diào)了“減碳”的進(jìn)程,很多情形下可能會(huì)美化原本比較差的烴源巖。5不同類型巖石對(duì)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(jī)物質(zhì)和巖石無(wú)機(jī)物質(zhì)兩個(gè)方面因素的影響,因此,生排烴作用過(guò)程中烴源巖的有機(jī)質(zhì)損耗不能等同于其TOC值降低。本文的實(shí)驗(yàn)結(jié)果啟示我們,TOC值的變化要置于烴源巖生排烴過(guò)程的有機(jī)—無(wú)機(jī)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(shí),有機(jī)碳含量的變化只與生排烴效率有關(guān)。烴源巖在熱演化過(guò)程中表現(xiàn)為“增碳”進(jìn)程抑或是“減碳”進(jìn)程受其生、排烴效率的控制。當(dāng)烴源巖生、排烴效率很低時(shí),其TOC的變化率DTOC都為負(fù)值,即在成熟演化過(guò)程中