CN106053514B - 一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法 - Google Patents

一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法，尤其是一种建立在物质平衡原理上的有机质在生烃转化率的评价方法，属于油气资源评价技术领域。本发明采用实测烃源岩热解数据和一个简便的数学模型进行计算，同时考虑了HI的校正，并将校正后的HI应用于有机质生烃转化率的分析评价，其结果的准确性以及可靠性得到显著的提升。本发明具有快速、实施成本低、可操作性强、所得结果精确的优势，便于大规模的工业化应用。

Description

一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法
技术领域
本发明涉及一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法，尤其是一种建立在物质平衡原理上的有机质在生烃转化率的评价方法，属于油气资源评价技术领域。
技术背景
有机质生烃转化率是一个盆地进行油气资源评价的基本参数，目前的获取方法有2种，一种是选取未熟烃源岩在实验室内开展热模拟实验(Lewan和Williams，1987；高岗和黄志龙，2000；卢双舫等，1994，2006)，获得不同温度阶段的人工熟化样品，进而对人工熟化样品开展Rock‐Eval热解实验，得到产烃率与有机质热演化程度Tmax或镜质组反射率Ro的关系，再通过Tmax或Ro建立与深度的关系，转化为深度与生烃转化率的关系图版；第二种方法是采用生烃动力学理论模型对未熟‐低熟烃源岩样品热模拟实验产率进行拟合，得到烃源岩生烃动力学参数，最后结合埋藏史‐热史进行生烃转化率计算(王剑秋等，1984；金强等，1986；卢双舫，1996，1997，2001；王民等，2010，2011；李婷婷等，2011)。
第一种方法由于实验室内快速升温人工熟化实验样品获得的Tmax或Ro，与地质低温慢速升温条件下的成熟度数据不匹配使得这种方法得到的生烃转化率应用受到质疑。第二种方法中生烃动力学模型参数众多，多解性问题一致没有解决，使得这一方法的应用受到限制。同时，一个地区的埋藏史‐热史恢复本身也是世界级难题，存在极大不确定性。除此外，上述两种方法均没有采用实际自然演化样品的地球化学数据对生烃转化率结果进行验证、校正与对比，上述方法的应用争议很大(王飞宇等，2002；王民等，2011)。
众所周知，有机质生烃转化率是一个盆地进行油气资源评价的基本参数。而目前所常用的实验法和化学动力学模型法由于实验和地质条件的成烃转化率不匹配，且实验耗时费用高，另外无实测数据校正，使得生烃转化率结果获取困难，可信度较低。此外，国内外采用岩石热解地球化学数据评价烃源岩生烃潜力时均没有考虑泥岩孔隙中残留和有机质中吸附烃的影响，即尚未开展氢指数HI的校正并将其校正后的氢指数HI应用于机质生烃转化率的评价。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足提供一种便捷、节约且可信的烃源岩有机质生烃转化率评价评价的方法。
本发明一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法；包括下述步骤：
步骤A
步骤A1
在不同深度不同取样点取样，取样时对同一取样点采取的样本数大于等于2，从每一个取样点所取样本中取一份出来，通过热解实验测量其地球化学数据；所述地球化学数据包括所取样品的有机碳含量TOC、游离烃S1、裂解烃S2、裂解最大峰温Tmax；
步骤A2
剔除S2小于0.2mg烃/g岩石的样品，剔除TOC小于0.3wt.％的样品；剩余样品即为待测样品；
步骤A3
根据依据公式(1)计算每个待测样品的氢指数HI，
HI＝S2/TOC×100 (1)；
步骤A4
依据HI与Tmax判识有机质类型图版对待测样品的有机质类型进行划分，划分的型号为I型、II1型、II2型和III型；
步骤A5
数据抽稀，从地表往地下深处，以L米为刻度，每隔L米作为一个深度区间，选择每个深度区间内所取样品的HI最大值标记为HImax，并记录该样品的氢指数HImax以及该样品取样点距离地表的垂直距离h；
步骤A6
在步骤A5筛选抽稀所得样品的基础上，以深度h为纵坐标，不同类型有机质烃源岩样品HImax值为横坐标进行数据点的在直角坐标上投点，建立不同类型有机质烃源岩样品HImax与深度h的关系图；所述深度h为地表到取样点的垂直距离；
步骤A7
以步骤A6筛选得到样品的氢指数HImax以及该样品所处深度，建立起深度h和氢指数HImax的指数函数的拟合关系，
HImax＝s+m×e(kh+t) (2)
其中s、m、k、t均为待求常数，通过已知的HImax和h求解；所述h为该样品所在深度；
步骤A8
令h＝0米并将其带入根据步骤A7求解出s、m、k、t的公式(2)中求解，得到原始氢指数HIo；
步骤B
步骤B1
从步骤A1所取得每个取点所取样品中取出另一份出来，作为氯仿抽提备用
样；对氯仿抽提备用样进行氯仿抽提后，测量其有机碳含量TOC抽、游离
烃S1抽、裂解烃S2抽、裂解最大峰温Tmax抽；
步骤B2
将氯仿抽提备用样的所测得有机碳含量TOC抽、游离烃S1抽、裂解烃S2抽、裂解最大峰温Tmax抽代入公式(3)中求解该氯仿抽提备用样的HI'；
HI'＝S2抽/TOC抽×100 (3)
步骤C
将步骤A所得HIo、步骤B所得HI'代入公式(4)中计算得出每个取样点的烃源岩有机质生烃转化率TR；
公式(4)中，
TR为有机质成烃转化率，为0到1之间的小数；
HIo有机质原始氢指数，单位为mg烃/g岩石；其通过步骤A8得出；
HI'为校正后的现今实测的烃源岩有机质氢指数，单位为mg烃/g岩石；其通过公式(3)计算得出。
本发明一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法；步骤A1中，在不同深度不同取样点取样，取样时对同一取样点采取的样本数为2，从每一个取样点所取样本中取一份出来，通过热解实验测量其地球化学数据；所述地球化学数据包括所取样品的有机碳含量TOC、游离烃S1、裂解烃S2、裂解最大峰温Tmax。
本发明一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法；普遍认为S2小于0.2mg烃/g或TOC小于0.3wt.％的烃源岩为非烃源岩。
本发明一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法；步骤A4中，依据HI与Tmax判识有机质类型图版对待测样品的有机质类型进行划分时；所述有机质类型图版为Espitalie J的Rock‐Eval pyrolysis and its applications(Rock‐Eval热解仪及其应用)论文中755‐784页所记载的有机质类型图版。该论文刊登于Rev I Fpet(1985年40卷(第6期))。
本发明一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法；步骤A5中所述L选自5-10之间的一个定值。
本发明一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法；步骤A7中s、m、k、t均为待求常数，通过已知的HI和h采用最小二乘法拟合法进行求解；所述h为该样品所在深度；所述深度h为地表到取样点的垂直距离。
本发明一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法；步骤A8中由于有机质在浅层或地表时尚未成熟，属于未熟烃源岩，因此轮廓线与X轴的交点可视为原始生烃潜力，即当取h＝0m时对应的拟合氢指数HI值为原始氢指数HIo。
本发明一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法；步骤B1中，从待测样品所在取样点的取出样品中取出另一份出来，作为氯仿抽提备用样；对氯仿抽提备用样进行氯仿抽提后，测量其有机碳含量TOC抽、游离烃S1抽、裂解烃S2抽、裂解最大峰温Tmax抽。
本发明一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法；步骤B2中，求得一系列样品的HI'后，根据一系列同一取样点样品的氢指数HI与HI'，建立拟和方程(5)并求解拟和方程(5)
HI′＝a×eb×HI (5)
公式(5)中a、b为常数，e为自然对数底数；
本发明建立拟和方程(5)，大大节省了后续样品检测的步骤，通过计算样品的HI，即可通过公式(2)求出HIo、通过公式(5)求出HI'；进而根据公式(4)直接求得所测样品的有机质生烃转化率TR。
本发明一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法；公式(4)的推导过程如下：
根据有机质生烃转化率的定义：有机质生烃转化率等于有机质已生成的烃量与原始生烃潜量的比值，可得出公式(6)：
公式(6)中，HIo×CTOC o×Go为岩石的原始生烃潜量，HI'×CTOC×Gx为岩石的残余生烃潜量；
公式(6)中，CTOC o为原始有机碳在样品中的质量百分含量；Go烃源岩原始质量，单位为g；CTOC为现今岩石实测有机碳在样品中的质量百分含量；Gx为现今烃源岩的质量，即烃源岩原始质量Go经历生烃和排烃后的残留质量，单位为g；整理(6)式得：
随着烃源岩的逐渐埋深，有机质逐渐成熟，岩石中的干酪根开始向油气转化；通过各油田大量的数据统计发现，油气产物中碳的含量基本相当，平均含量为83.33％，即1200mg的油气(烃)中含有1g碳；于是公式(6)式可表达为：
整理(8)式，得到：
化简公式(9)得到公式(10)：
(10)式两边乘以得到：
将(11)式带入(7)式，可得：
重新整理(12)式，可得式(4)，即：
本发明的有益效果：
本发明具有如下明显的优势：①原理正确、计算简便、结果可靠。本发明所建立的模型依据物质平衡原理(烃源岩生烃前后总的生烃潜量保持不变)，采用实测烃源岩热解数据和一个简单的数学模型进行计算，同时考虑了HI的校正。并且本方法采用了自然演化样品的实测数据，理论扎实，实际可靠。②计算结果连续、省时、节约。烃源岩Rock‐Eval热解数据(TOC、S1、S2、Tmax)是一个油田开展勘探的基本地球化学分析实验，在长期的勘探开发过程中各油田积累了大量的烃源岩热解实验数据，可以实现不同深度、不同区块的生烃转化率连续计算。同时烃源岩Rock‐Eval热解分析实验费用廉价(目前完成一块样品分析不足300元人民币)，所用的分析时间也很短(一块样品仅耗时不到30分钟)。
附图说明
图1烃源岩有机质成熟演化模式图；
图2松辽盆地青山口组一段泥岩Tmax‐HI有机质类型判别图版；
图3松辽盆地青山口组一段筛选后的泥岩氢指数与深度关系图；
图4岩石样品抽提前后氢指数对比图。
具体实施方式
下面以松辽盆地青山口组一段烃源岩有机质成烃转化率的计算为实施例，对本发明作进一步的详细说明。
步骤一、烃源岩有机质生烃转化率计算公式的建立
随着烃源岩埋深的逐渐增加(图1)，烃源岩有机质从未熟到成熟，未熟烃源岩有机质总生烃潜量为HIo×CTOC o×Go，成熟后烃源岩有机质残余生烃潜量为HI'×CTOC×Gx，其中转化掉的生烃潜量为HIo×CTOC o×Go‐HI'×CTOC×Gx，故此根据有机质成烃转化率的定义为有机质已生成的烃量与原始生烃潜量的比值，可知生烃转化率为：
式(1)中，TR为有机质成烃转化率，为0到1之间的小数；HIo有机质原始氢指数，mg烃/g岩石；HI'为校正后的现今实测的烃源岩有机质氢指数，mg烃/g岩石；CTOC o为原始有机碳含量，wt.％，即质量百分数；Go烃源岩原始质量，g；CTOC，为现今岩石实测有机碳含量，wt.％；Gx为烃源岩的现今质量，即Go的烃源岩生烃和排烃后质量，g。整理(1)式得：
随着烃源岩的逐渐埋深，有机质逐渐成熟，岩石中的干酪根开始向油气转化。一般认为油气产物中碳的含量为83.33％，即1200mg的油气(烃)中含有1g碳。于是(1)式可表达为：
整理(8)式，得到：
(10)式两边乘以得到：
将(11)式带入(7)式，可得：
重新整理(12)式，可得：
步骤二、有机质原始氢指数(HIo)的获取：
①收集整理油田钻井取芯岩石热解地球化学数据，包括样品的井位及取样深度，所取样品有机碳含量‐TOC、游离烃‐S1、裂解烃S2、裂解最大峰温Tmax；取样时要求样品从浅到深均有，即每间隔5米选一个取样点、每个取样点取2个样；
②地球化学数据的质量控制，剔除S2小于0.2mg烃/g岩石的样品，剔除TOC小于0.3wt.％的样品；
③依据氢指数HI计算公式(HI＝S2/TOC×100)计算烃源岩样品氢指数；
④依据HI与Tmax判识有机质类型图版对挑选的烃源岩样品有机质类型进行划分，划分为I型、II1型、II2型和III型，详见图2(图版引自Espitalie et al，1985)；
⑤数据抽稀，从地表往地下深处，以5m深度为刻度，每隔5m深度，选择该深度区间的HI最大值，并记录该氢指数HI为HImax以及其对应的深度h。
①在⑤基础山筛选抽稀后得到的样品，以深度为纵坐标，不同类型有机质烃源岩样品HImax值为横坐标进行数据点的在直角坐标上投点，建立不同类型有机质烃源岩样品HImax与深度关系图(图2)；
⑦以⑥筛选得到的氢指数HImax及其对应的深度，建立起深度h和氢指数HImax的指数函数的拟合关系，即HImax＝s+m×e(kh+t)。其中s、m、k、t均为未知待求参数(拟合方法采用最小二乘法拟合),求得
HImax＝120+172×e(0.0054h+1.63) (I型)
HImax＝65+155×e(0.0048h+1.24) (II1型)
HImax＝20+134×e(0.0043h+0.92) (II2型)
HImax＝20+72×e(0.0038h+0.58) (III型)
⑧求取原始氢指数HIo，即当取h＝0米时对应的拟合氢指数HImax值，从图3中可以看出，I型有机质HIo为850mg烃/gTOC，II1有机质HIo为600mg烃/gTOC，II2有机质HIo为350mg烃/gTOC，III有机质HIo为150mg烃/gTOC。
步骤三、有机质残余氢指数(HI)的校正，即HI'的获取
HI'为现今岩石残留氢指数HI的校正结果。HI的定义为：
式中，S2为岩石残留裂解烃量，mg/g岩石，为300℃以后岩石热解挥发得到的烃量。已有的研究表明，岩石热解分析得到S2(裂解烃)中存在部分先前生成的液态烃，这部分液态烃分子量较大，Rock‐Eval分析中300℃之前尚未蒸发出(Jarvie，2012)，在孔隙中残留和有机质中吸附。因此，岩石热解中得到的S2不全为残余裂解烃，因此，需要对其进行校正。
为此，设计开展岩石样品直接热解和进行氯仿抽提后再进行热解两种实验，分别获得抽提后岩石样品的TOC抽、S2抽和未抽提样品的TOC和S2，依据公式(9)可计算得到抽提前样品的氢指数(HI)和抽提后样品的氢指数HI’，作图4，通过指数函数拟合可以获得HI’的校正公式(10)。
HI'＝59.192×e0.0037×HI (5)
最后，根据生烃转化率计算公式(8)及原始氢指数HIo和HI’校正公式(5)对松辽盆地青山口组一段泥岩生烃转化率进行计算，即烃源岩有机质生烃转化率
经过计算，各样品点的生烃转化率TR见表1。
表1 松辽盆地青山口组一段烃源岩有机质成烃转化率的计算成果表

Claims (7)

1.一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法；其特征在于包括下述步骤：
步骤A
步骤A1
在不同深度不同取样点取样，取样时对同一取样点采取的样本数大于等于2，从每一个取样点所取样本中取一份出来，通过热解实验测量其地球化学数据；所述地球化学数据包括所取样品的有机碳含量TOC、游离烃S1、裂解烃S2、裂解最大峰温Tmax；
步骤A2
剔除S2小于0.2mg烃/g岩石的样品，剔除TOC小于0.3wt.％的样品；剩余样品即为待测样品；
步骤A3
根据依据公式(1)计算每个待测样品的氢指数HI，
HI＝S2/TOC×100 (1)；
步骤A4
依据HI与Tmax判识有机质类型图版对待测样品的有机质类型进行划分，划分的型号为I型、II1型、II2型和III型；步骤A4中，依据HI与Tmax判识有机质类型图版对待测样品的有机质类型进行划分时；所述有机质类型图版为Espitalie J的Rock-Eval pyrolysis and itsapplications论文中755-784页所记载的有机质类型图版；
步骤A5
数据抽稀，从地表往地下深处，以L米为刻度，每隔L米作为一个深度区间，选择每个深度区间内所取样品的HI最大值，并标记为HImax，并记录该样品的氢指数HImax以及该样品取样点距离地表的垂直距离h；
步骤A6
在步骤A5筛选抽稀所得样品的基础上，以深度h为纵坐标，不同类型有机质烃源岩样品HImax值为横坐标进行数据点的在直角坐标上投点，建立不同类型有机质烃源岩样品HImax与深度h的关系图；所述深度h为地表到取样点的垂直距离；
步骤A7
以步骤A6筛选得到样品的氢指数HImax以及该样品所处深度h，建立起深度h和氢指数HImax的指数函数的拟合关系，
HImax＝s+m×e(kh+t) (2)
其中s、m、k、t均为待求常数，通过已知的HImax和h求解；所述h为该样品所在深度；
步骤A8
令h＝0米并将其带入根据步骤A7求解出s、m、k、t的公式(2)中求解，得到原始氢指数HIo；
步骤B
步骤B1
从步骤A1所取得每个取点所取样品中取出另一份出来，作为氯仿抽提备用样；对氯仿抽提备用样进行氯仿抽提后，测量其有机碳含量TOC抽、游离烃S1抽、裂解烃S2抽、裂解最大峰温Tmax抽；
步骤B2
将氯仿抽提备用样的所测得有机碳含量TOC抽、游离烃S1抽、裂解烃S2抽、裂解最大峰温Tmax抽代入公式(3)中求解该氯仿抽提备用样的HI'；
HI'＝S2抽/ TOC抽×100 (3)
步骤C
将步骤A所得HIo、步骤B所得HI'代入公式(4)中计算得出每个取样点的烃源岩有机质生烃转化率TR；
公式(4)中，
TR为有机质成烃转化率，为0到1之间的小数；
HIo有机质原始氢指数，单位为mg烃/g岩石；其通过步骤A8得出；
HI'为校正后的现今实测的烃源岩有机质氢指数，单位为mg烃/g岩石；其通过公式(3)计算得出。
2.根据权利要求1所述的一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法；其特征在于：步骤A1中，在不同深度不同取样点取样，取样时对同一取样点采取的样本数为2，从每一个取样点所取样本中取一份出来，通过热解实验测量其地球化学数据；所述地球化学数据包括所取样品的有机碳含量TOC、游离烃S1、裂解烃S2、裂解最大峰温Tmax。
3.根据权利要求1所述的一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法；其特征在于：步骤A5中所述L选自5-10米之间的一个定值。
4.根据权利要求1所述的一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法；其特征在于：步骤A7中s、m、k、t均为待求常数，通过已知的HImax和h采用最小二乘法拟合法进行求解；所述h为该样品所在深度；所述深度h为地表到取样点的垂直距离。
5.根据权利要求1所述的一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法；其特征在于：步骤A8中由于有机质在浅层或地表时尚未成熟，属于未熟烃源岩，因此轮廓线与X轴的交点可视为原始生烃潜力，即当取h＝0米时对应的拟合氢指数HImax值为原始氢指数HIo。
6.根据权利要求1所述的一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法；其特征在于：步骤B2中，求得一系列样品的HI'后，根据一系列同一取样点样品的氢指数HI与HI'，建立拟和方程(5)并求解拟和方程(5)
HI′＝a×eb×HI (5)
公式(5)中a、b为常数，e为自然对数底数。
7.根据权利要求1所述的一种烃源岩有机质生烃转化率的评价方法；其特征在于：公式(4)的推导过程如下：
根据有机质生烃转化率的定义：有机质生烃转化率等于有机质已生成的烃量与原始生烃潜量的比值，可得出公式(6)：
公式(6)中，HIo×CTOC o×Go为岩石的原始生烃潜量，HI'×CTOC×Gx为岩石的残余生烃潜量；
公式(6)中，CTOC o为原始有机碳在样品中的质量百分含量；Go烃源岩原始质量，单位为g；CTOC为现今岩石实测有机碳在样品中的质量百分含量；Gx为现今烃源岩的质量，即烃源岩原始质量Go经历生烃和排烃后的残留质量，单位为g；整理(6)式得：
随着烃源岩的逐渐埋深，有机质逐渐成熟，岩石中的干酪根开始向油气转化；通过各油田大量的数据统计发现，油气产物中碳的含量基本相当，平均含量为83.33％，即1200mg的油气烃中含有1g碳；于是公式(6)式可表达为：
整理(8)式，得到：
化简公式(9)得到公式(10)：
(10)式两边乘以得到：
将(11)式带入(7)式，可得：
重新整理(12)式，可得式(4)，即：
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