CN104849365B - 一种地下生物降解稠油物性的预测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种地下生物降解稠油物性的预测方法，步骤为：1）挑选原油样品，提取分子生物标志物进行定量测试分析和对比，然后对原油生物降解程度进行判别；2）筛选抗生物降解作用强的敏感性分子生标成熟度参数；3）建立生标参数与原油物性的定量关系模型。对于来自同一烃源岩的原油而言，热成熟度是影响原油化学组成和物理性质的主要决定因素。根据油藏地球化学原理，分子生物标志物成熟度参数能很好地反映油藏之间成熟度的细微变化，而地下原油物性在很大程度上受热成熟度控制。因此本发明筛选不受生物降解影响的生标成熟度参数，建立与生物降解原油物性的关系模型，从而来预测地下生物降解原油物性。
Description
技术领域
本发明属于原油检测领域，涉及一种地下生物降解稠油物性的预测方法，具体地说涉及一种利用分子生物标志物成熟度参数预测地下生物降解型稠油物性的预测方法。
背景技术
在稠油勘探中，原油物性是一个很重要的参数。一方面，原油物性会影响勘探的经济成本及勘探风险，从而影响勘探战略；另一方面，地面上实际测量的原油物性很多时候不能代表地下的真实情况，而人们往往从地面测量的原油物性来推测原油的运移方向、运移路径和成藏规律等。譬如，准噶尔盆地风城油田作为中国代表性稠油油藏，2010年在该区基本落实了中国最大的整装超稠油油藏—3.6亿吨资源量的风城超稠油油藏。该油田地下发育多层次不同降解级别的原油，形成不同深度稠油油藏的多种物性分布特征，这对其勘探开发都形成很大影响。但是目前，准确地预测这些地下的生物降解型稠油原油物性还没有好的方法。
由于分子生标具有继承性，因此可利用一些分子生物标志物参数的变化来预测原油物性。但对于发生了生物降解作用的原油而言，生物降解作用会引起一些分子生物标志物的蚀变，因此需要研究、筛选出可以应用的参数。本发明即是利用一些分子生物标志物参数的变化来预测生物降解原油物性。因此，寻找能准确预测原油物性的分子生物标志物参数，用来预测生物降解原油在地下聚集状态的原始物性，对原油的充注过程、成藏规律研究以及勘探开发都有帮助。
原油的生物降解指原油在活体生物如细菌等作用下的蚀变现象(Milner et al.,1977；Connan,1984,Palmer,1993；Blanc&Connan,1994)。原油的生物降解作用是自然界沉积盆地中十分普遍的一个现象。世界上大部分原油都遭受过细菌的破坏及改造(Hunt,1986；Roadifer,1987；Peters et al.,2005)。
许多研究表明，原油的生物降解作用是一个准阶梯式的过程，除正构烷烃和异戊间二烯烷烃外，规则甾烷和烷基芳香族化合物最容易遭受生物降解，然后依次是藿烷、芳香族甾类、重排甾烷和三环萜烷(Volkman et al.,1983；Connan,1984；Peters&Moldowan，1993；Wenger et al.,2002)。多环芳烃化合物抗生物降解能力的顺序是：三芳甾烷系列>屈系列>菲系列>萘系列(Huang et al.,2004)。近些年的研究揭示的生物降解过程似乎更加复杂：原油生物降解过程中，不同系列化合物的蚀耗可能是同时发生的，而非简单的序列式或递进式(Larter et al.,2003,2006；Bennett&Larter,2008；Bennett et al.,2013；López et al.,2014)，或认为细菌可能优先蚀耗的是原油中的优势组分(包建平等，2007；张渠等，2007)
在利用分子生物标志物预测生物降解型原油物性时，首先要选择能够抗生物降解作用的生标参数。通常而言，早期充注的原油具有低成熟度和高降解特征，而晚期充注的原油表现出高成熟和低降解特征(Larter et al.,2003,2006)。在勘探程度不高的盆地中，如果可以获得一组适当的原油用于校正，那么就有可能从生物降解的原油样本来推测地下原油的质量(McCaffreyet al.,1999；Peters et al.,2005)。利用分子生物标志物参数预测原油物性方法有助于解决这一问题，对地下稠油勘探非常有帮助。
生物降解原油一般具有高度可变的物理、化学性质，如在一个单一的渗透性储层内，原油粘度的变化可达到几个数量级(Koopmans，2002)。在石油工业中，原油物理性质的信息一般是来源于对岩芯和岩屑的取样、测试，然而，在一些情况下，泥浆对原油的污染可改变原油物理性质；同时在常规处理过程中，原油物理性质可能会发生一些变化。并且地下的原油采到地面进行测试时，由于从地下到地面温度、压力的变化会导致原油物性的变化，因此地面所检测到的原油物性并不代表地下原油物性的原貌，而是发生变化了的原油物性，而我们针对稠油勘探和开发时，是根据地下原油物性来进行的。因此较准确地预测其物理性质是一个科学问题，也是一个实践问题，它可以指导对生物降解稠油的勘探、开发。
针对上述问题，提出了基于分子生物标志物的地下生物降解原油物性预测方法，对预测地下稠油资源有重要的意义。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明特别涉及了一种地下生物降解稠油物性的预测方法，步骤为：1)挑选原油样品，提取分子生物标志物进行定量测试分析和对比，然后对原油生物降解程度进行判别；2)筛选抗生物降解作用强的敏感性分子生标成熟度参数；3)建立生标参数与原油物性的定量关系模型。
进一步的，所述步骤1)中原油样品包括多个未降解油样及多个具有不同生物降解级别的生物降解油样；所述未降解油样的粘度小于100mPa.s，深度大于2000m；所述生物降解油样的粘度分布为100-71000mPa.s，深度小于2000m。
进一步的，所述步骤1)中对原油生物降解程度的判别方法采用PM判别方法，其分类依据是微生物降解原油过程中密度、粘度、酸数、比重、饱和烃含量变化及原油中各种烃类的蚀变程度综合作出判断。
进一步的，所述步骤2)中筛选方法为，首先筛选得到抗生物降解作用强的成熟度参数；然后分析源岩有机母质对成熟度参数的影响程度；再次设计模型实验对成熟度的敏感性进行检验，得到成熟度敏感性生标参数；然后对成熟度敏感性生标参数之间的相关性进行检验，检定参数对成熟度的专属性。
进一步的，所述抗生物降解作用强的的成熟度参数为三芳甾烷成熟度参数系列，包括C20/(C20+C28)、C26S/(C26S+C28S)、C28/(C26+C27+C28)、C27R/(C27R+C28R)和(C20+C21)/(C20+C21+C26+C27+C28)。
进一步的，所述步骤2)中模型实验的方法为，将同一块样品分成多份，升温至不同温度点，对不同温度点下的产物进行检测，检测常用成熟度参数镜质体反射率Ro，同时对不同温度点下的产物进行分离，分离出饱和烃和芳烃，再对饱和烃和芳烃分别进行色谱和色谱-质谱分析，检测获得分子各生物标志物浓度，对各生物标志物浓度之间进行数学计算，获得不同比值参数；再通过计算获得系列三芳甾烷比值参数，对这些比值参数与成熟度参数Ro之间进行相关性分析。
进一步的，所述成熟度敏感性生标参数为三芳甾烷参数C26S/(C26S+C28S)、C28/(C26+C27+C28)。
进一步的，所述步骤3)中生标参数与原油物性的定量关系模型，包括C26S/(C26S+C28S)参数预测生物降解原油物性模型及C28/(C26+C27+C28)参数预测生物降解原油物性模型。
进一步的，所述C26S/(C26S+C28S)参数预测生物降解原油物性模型为：
Vic＝7.457×10-16e82.362x1 (1)；
API＝1724.5x1 2-1941.5x1+557.31 (2)；
所述x1代表C26S/(C26S+C28S)值，Vic代表原油粘度，mPa/s；API代表原油API度。进一步的，所述C28/(C26+C27+C28)参数预测生物降解原油物性模型为：
Vic＝7.457×10-16e82.362x2 (3)；
API＝1724.5x2 2-1941.5x2+557.31 (4)；
所述x2代表C28/(C26+C27+C28)值，Vic代表原油粘度，mPa/s；API代表原油API度。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：1)现有技术对原油物理性质的提取是来源于对地下样品的取样、测试，然而，在一些情况下，泥浆对原油的污染可改变原油物理性质；同时在常规处理过程中，可能人为或其他因素使原油物理性质发生一些变化。本发明不存在外界因素的干扰，并且利用色谱-质谱技术检测分子生物标志物已经是一门成熟的高新技术，只要预测模型得当，即可直接获得原油物理性质。
2)现有技术将地下的原油采到地面进行测试时，由于从地下到地面温度、压力的变化会导致原油物性的变化，因此地面所检测到的原油物性并不代表地下原油物性的原貌，而是发生变化了的原油物性，而我们针对稠油勘探和开发时，应当根据地下原油物性来进行的。由于将样品从地下采集到地面，分子生物标志物之间的相对浓度或分子生物标志物参数值不会或很少受到影响，因此我们利用分子生物标志物参数预测模型可获知地下生物降解稠油物性。
3)现有技术对生物降解原油物性进行检测，操作环节多，成本高，人为因素干扰大，本发明提供方法相对快捷、方便。
附图说明
图1本发明方法的流程图；
图2本发明选取的原油样品粘度(Vic)和原油密度API之间的相关性；
图3不同降解程度和成熟度的研究样品的生标参数分布；
图4热演化模拟实验显示的镜质体反射率Ro随实验温度升高而增大的定量关系模型；
图5热演化模拟实验显示的三芳甾烷参数C28/(C26+C27+C28)随镜质体反射率Ro升高而增大的定量关系模型；
图6热演化模拟实验显示的三芳甾烷参数C26S/(C26S+C28S)随镜质体反射率Ro升高而增大的定量关系模型；
图7三芳甾烷成熟度参数之间的相关性检验；
图8三芳甾烷参数C28/(C26+C27+C28)与原油物性之间的定量关系模型；
图9三芳甾烷参数C26S/(C26S+C28S)与原油物性之间的定量关系模型。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明的技术方案作进一步详细的说明。
对于来自同一烃源岩的原油而言，热成熟度是影响原油化学组成和物理性质的主要决定因素。根据油藏地球化学原理，分子生物标志物成熟度参数能很好地反映油藏之间成熟度的细微变化，而地下原油物性在很大程度上受热成熟度控制。因此本发明筛选不受生物降解影响的生标成熟度参数，建立与生物降解原油物性的关系模型，从而来预测地下生物降解原油物性。
如图1所示为本发明的一种地下生物降解稠油物性的预测方法整套流程，具体而言涉及以下几个步骤。
第一步：样品挑选及分子生物标志物提取
1、根据生物降解稠油物性分布挑选样品
首先挑选具有代表性的原油样品，这些样品应该具有不同的生物降解级别，因而具有不同的原油物性。本实施例中，我们挑选了16块原油样品。其中11块具有不同级别的生物降解，为进行对比分析，从该油田靠近凹陷的相应层系选取了5个未降解油样。生物降解原油油样深度上小于2000m(从381m到1758m)，并且这11个油样具有较宽的原油物性分布区间，原油粘度从218.9变化到70485mPa/s(表1)，降解级别从PM 2到PM7。这5块未生物降解的原油样品，粘度均小于100mPa/s，深度都大于2000m。如图2所示这些样品的原油物性参数粘度(Vic)和原油密度API之间表现出很好的相关性，且分布区间宽，这为后面的原油物性预测关系建模奠定基础。这些原油样品成熟度有差异，原油粘度从26.6mPa/s变化到70485mPa/s，因此可以较好地针对生物标志物分子成熟度参数和原油物性参数粘度之间的相关性进行研究。
表1按物性差异和深度不同挑选的原油样品
| 样品号 | 深度/m | 粘度/mPa/s | API |
| S1 | 2060 | 26.6 | 26.9 |
| S2 | 2075 | 48.5 | 27.4 |
| S3 | 2562 | 40.8 | 27.8 |
| S4 | 2100 | 27.4 | 29.4 |
| S5 | 2075 | 38.9 | 28.5 |
| S6 | 1274 | 218.9 | 19.8 |
| S7 | 1265 | 469.1 | 18.5 |
| S8 | 517.3 | 18616 | 12.9 |
| S9 | 1380 | 951.3 | 18.3 |
| S10 | 1758 | 8298 | 13.8 |
| S11 | 318.4 | 3499 | 14.9 |
| S12 | 1493 | 11781 | 13.5 |
| S13 | 843 | 1360 | 12.5 |
| S14 | 526.3 | 16818 | 16.8 |
| S15 | 626.3 | 18936 | 12.5 |
| S16 | 381.1 | 70485 | 10.8 |
注：API是根据原油密度换算成国际上通用的API度
2、生标检测
利用色谱、色谱质谱(GC-MS)仪对原油的饱和烃和芳烃进行了定量测试分析和对比。5β-cholane作为内标来确定原油中生物标志物的浓度。相关生物标志物定量浓度和比值参数从质荷比m/z177、m/z191、m/z217、m/z231、m/z245和m/z253质谱图和5β-cholane中获得。
3、对原油生物降解程度进行判别，检测生标定量浓度，计算生标参数
研究采用国际上比较认可的的PM(Peters和Moldowan)判别方法，其分类依据是微生物降解原油过程中密度、粘度、酸数、比重、饱和烃含量变化及原油中各种烃类的蚀变程度综合作出判断。结果显示，S1-S5油样均保持了完整的正构烷烃系列，显示了未降解原油的典型特征。S6-S14油样降解程度相当于2-5级，属于轻微到严重降解级别，油样S15、S16降解程度相当于7级。
第二步、筛选抗生物降解作用强的敏感性分子生标成熟度参数
1、检验生物降解作用对成熟度参数的影响
对不同样品中大量的分子生物标志物参数(尤其是反映成熟度的参数)进行分析，筛选出不受生物降解影响的、并且与原油物性(如粘度)有良好相关性的参数。
如本实施例显示：严重的生物降解(降解级别7)可使研究样品生物标志物分子参数值C2920S/(20S+20R)、C29ββ/(ββ+αα)、C3122S/(22S+22R)、C293-methyl/C294-methyl、(C28+C29Tricyclics)/Ts和(C28+C29Tricyclics)/(C28+C29Tricyclics+Ts)、C27diasterane/(Diasterane+sterane)显著升高，反映这些参数预测生物降解稠油的物性有限；7级的严重生物降解作用对研究样品的生物标志物分子参数Ts/(Ts+Tm)、C29Ts/(C29Ts+C29Tm)、C20/(C28+C20)、(C20+C21)/(C20+C21+C26+C27+C28)、C26S/(C26S+C28S),C27R/(C27R+C28R)、C28/(C26+C27+C28)、C19/(C19+C23)未造成影响，这些参数值与原油物性参数粘度和API显示相对较好的相关性。
在图3上，即可以看出严重生物降解作用使分子生标成熟度参数C2920S/(20S+20R)、C29ββ/(ββ+αα)、C27diasterane/(Diasterane+sterane)显著升高，显示他们与原油物性相关性差，表明这些参数已经失去表征严重生物降解原油成熟度的功能，因而也就没有预测严重生物降解原油物性的能力。
为筛选出最佳的预测参数，首先需要找出抗生物降解作用强的成熟度参数。我们通过筛选对比，发现了三芳甾烷成熟度参数系列包括C20/(C20+C28)、C26S/(C26S+C28S)、C28/(C26+C27+C28)、C27R/(C27R+C28R)和(C20+C21)/(C20+C21+C26+C27+C28)。其中C20为C20pregnane(孕甾烷)；C21为C20-methylpregnane(甲基孕甾烷)；C26为C26cholestane(胆甾烷)；C27为C27ergostane(麦角甾烷)；C28为C28stigmastane(20R+20S)(豆甾烷)，C26、C27、C28含S和R型异构体。这些三芳甾烷化合物具有很强的抗生物降解能力，在发生最严重的生物降解时(降解级别达到10左右)，这些化合物仍能保持未被改造的状态，因而原油在经历其他的饱和烃都被改造或被全部消耗性的生物降解作用下，这些三芳甾烷化合物对于成熟度评价显得极其有用。
2.分析其他地质因素如源岩有机母质对成熟度参数的影响程度
三芳甾烷成熟度参数系列受源岩有机母质影响小，而且与原油物性呈现相关性好，因而这些参数可作为最佳预测生物降解原油物性的参数。表2为这些分子生物标志物成熟度参数受生物降解和源岩母质影响以及和原油物性之间的关系。
表2本实施例中分子生物标志物成熟度参数受生物降解和源岩母质影响
3、设计模拟实验验证所选择的分子生标参数对成熟度的敏感性
为进一步检验这些参数对成熟度的敏感性，我们设计了模拟实验进行检测。考虑到有机质成熟生烃的主要区间，我们在生烃模拟实验过程中设计了8个温度点(250、300、325、350、375、400、450、500℃)，考虑主要生烃温度区间的分布，在生烃的主要温度点范围，每25℃一个温度点，而在其他温度区间每50℃一个温度点，这样更能清晰地检测出相关指标和参数的变化特征。将同一块样品分成8等份，升温至不同温度点，对不同温度点下的产物进行检测，检测常用成熟度参数镜质体反射率Ro，同时对不同温度点下的产物进行抽提，分理处饱和烃和芳烃，再对饱和烃和芳烃分别进行色谱和色谱-色质(GC-MS)，检测获得分子各生物标志物浓度，对各生物标志物浓度之间进行数学计算，即获得不同比值参数。
图4显示镜质体反射率Ro随实验温度而增大的定量关系模型，表明Ro在该实验中作为常用成熟度参数的有效性，可以作为检测生标成熟度参数有效性的标准，但该参数不能适用于原油，因为原油中不包含镜质组成分。
再通过计算获得系列三芳甾烷比值参数，对这些比值参数与成熟度参数Ro之间进行相关性分析，相关性好的参数即为我们要找的参数。
通过我们的研究，我们提出三芳甾烷参数C28/(C26+C27+C28)、C26S/(C26S+C28S)为抗降解的成熟度敏感性生标参数，其中C26为C26cholestane(胆甾烷)；C27为C27ergostane(麦角甾烷)；C28为C28stigmastane(20R+20S)(豆甾烷)，C26、C27、C28含S和R型异构体。
图5、图6分别显示显三芳甾烷参数C28/(C26+C27+C28)、C26S/(C26S+C28S)随镜质体反射率Ro升高而增大的定量关系模型，两者呈现良好的正向关系：
y2＝-0.0092Ro 2+0.0978Ro+0.5101(R2＝0.9863)
y3＝-0.0236Ro 2+0.1308Ro+0.0987(R2＝0.9869)
上式中，y2、y3分别为三芳甾烷参数C28/(C26+C27+C28)和C26S/(C26S+C28S)值。
因此，热模拟实验显示三芳甾烷参数C28/(C26+C27+C28)、C26S/(C26S+C28S)会随热演化程度增高而增大，表明其作为抗降解的成熟度敏感性生标参数的有效性。
4.生标成熟度参数相关性检验，检定参数对成熟度的专属性
我们再对这两个三芳甾烷参数之间进行相关性检验，如果两两相关性好，表明他们对成熟度敏感，受其他因素影响小；如果参数之间相关性差，表明这些参数还受除成熟度以外的其他因素影响。图7显示这两个三芳甾烷参数之间有很好的相关性，进一步表明他们作为成熟度参数的有效性。
第三步、有效性检验，建立分子参数预测关系模型
根据本实施例，通过三芳甾烷参数与原油物性的相关性检验，发现C28/(C26+C27+C28)、C26S/(C26S+C28S)与原油物性关系更佳，因此进一步确定三芳甾烷参数C28/(C26+C27+C28)、C26S/(C26S+C28S)可以做为预测生物降解原油物性的参数，因此可建立C26S/(C26S+C28S)参数预测生物降解原油物性模型：
Vic＝7.457×10-16e82.362x1 (1)；
API＝1724.5x1 2-1941.5x1+557.31 (2)；
上式中x1代表C26S/(C26S+C28S)值，Vic代表原油粘度，mPa/s；API代表原油API度。
C28/(C26+C27+C28)参数预测生物降解原油物性模型：
Vic＝7.457×10-16e82.362x2 (3)；
API＝1724.5x2 2-1941.5x2+557.31 (4)；
上式中x2代表C28/(C26+C27+C28)值，Vic代表原油粘度，mPa/s；API代表原油API度。
图8、9分别为三芳甾烷参数C28/(C26+C27+C28)、C26S/(C26S+C28S)与原油物性之间的定量关系模型。
上述(1)-(4)关系模型可应用于地下生物降解原油物性的预测。
因此三芳甾烷参数C26S/(C26S+C28S)和C28/(C26+C27+C28)为本发明提供的最佳预测生物降解稠油物性的潜力参数，他们与原油物性之间的定量关系模型为本发明提供的预测模型。依据这些关系模型，通过地下未知生物降解稠油的色谱质谱分析所得到的这些分子生标参数值，即可以预测出地下稠油的物性。依据预测的原油物性分布，可以为地下稠油勘探和开发提供依据。
以上实施例仅是本发明若干种优选实施方式中的一种，应当指出，本发明不限于上述实施例；对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种地下生物降解稠油物性的预测方法，其特征在于：步骤为：
1）挑选原油样品，提取分子生物标志物进行定量测试分析和对比，然后对原油生物降解程度进行判别；2）筛选抗生物降解作用强的成熟度敏感性生标参数；3）建立成熟度敏感性生标参数与原油粘度和API度的定量关系模型；
所述步骤2）中筛选方法为，首先筛选得到抗生物降解作用强的成熟度参数；然后分析源岩有机母质对成熟度参数的影响程度；再次设计模型实验对成熟度的敏感性进行检验，得到成熟度敏感性生标参数；然后对成熟度敏感性生标参数之间的相关性进行检验，检定参数对成熟度的专属性；所述抗生物降解作用强的的成熟度参数为三芳甾烷成熟度参数系列，包括C20/(C20+C28)、C26S/(C26S+C28S)、C28/(C26+C27+C28) 、C27R/(C27R+C28R)和 ( C20 +C21) /( C20 + C21 + C26 + C27 + C28)；
所述步骤2）中模型实验的方法为，将同一块样品分成多份，升温至不同温度点，对不同温度点下的产物进行检测，检测常用成熟度参数镜质体反射率R o，同时对不同温度点下的产物进行分离，分离出饱和烃和芳烃，再对饱和烃和芳烃分别进行色谱和色谱-质谱分析，检测获得分子各生物标志物浓度，对各生物标志物浓度之间进行数学计算，获得不同比值参数；再通过计算获得系列三芳甾烷比值参数，对这些比值参数与镜质体反射率R o之间进行相关性分析。
2.根据权利要求1所述的一种地下生物降解稠油物性的预测方法，其特征在于：所述步骤1）中原油样品包括多个未降解油样及多个具有不同生物降解级别的生物降解油样；所述未降解油样的粘度小于100 mPa.s，深度大于2000m；所述生物降解油样的粘度分布为100-71000 mPa.s，深度小于2000m。
3.根据权利要求1所述的一种地下生物降解稠油物性的预测方法，其特征在于：所述步骤1）中对原油生物降解程度的判别方法采用PM判别方法，其分类依据是微生物降解原油过程中密度、粘度、酸数、比重、饱和烃含量变化及原油中各种烃类的蚀变程度综合作出判断。
4.根据权利要求1所述的一种地下生物降解稠油物性的预测方法，其特征在于：所述成熟度敏感性生标参数为三芳甾烷参数C26S/(C26S+C28S)、C28/(C26+C27+C28)。
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