东营凹陷深层沙河街组天然气生成动力学研究

2009年9月ACTAPETROLEISINICASept.2009东营凹陷深层沙河街组天然气生成动力学研究中图分类号：TE112.11文献标识码：ASinopecShengliOilfieldCompanyDongyingChinaChinathisarea.东营凹陷北部深洼带的民丰、胜坨、利津等地区，以及沾化凹陷渤南洼陷和车镇凹陷西部洼陷沙河街组沙四段陆续发现高产天然气和凝析油，不仅成为胜利油田近年来重要的勘探突破，而且预示着深层具有良好的天然气勘探前景[1-2]。然而，有关天然气是源岩热解成因还是原油裂解成因及其生气潜力等问题一直存在争论[36]。因此开展高成熟天然气生成模式研究，不仅能够阐明研究区深层天然气成因和潜力，也有助于天然气的勘探和发展。综合利用地质和地球化学资料分析了沙四段烃源岩和原油的热演化特征，根据模拟实验得到的生烃动力学参数，并结合研究区埋藏热演化史，分别建立了源岩热解生气和原油裂解生气模式，并对深层沙河街组天然气的成藏过程进行了分析。1东营凹陷民丰洼陷沙四段烃源岩和民丰洼陷位于东营凹陷的东北部，面积约为岩[7],其中，沙四段埋藏深度为4500～6400m,处于高成熟热解生气阶段(R。为1.2%～1.9%)。沙四段发育自生自储型油藏9-10],这些油藏形成于古新纪末，新近纪快速埋藏使其原油现今处于裂解生气阶段，故1.1烃源岩生烃演化特征民丰洼陷沙四段发育3套膏盐层，其中第一套膏盐层中发育的暗色泥页岩是主力烃源岩[10]。丰深2井钻遇的第一套膏盐层厚度945m,其中暗色泥页岩厚达524m,该井埋藏生烃史可代表东营凹陷深层沙四段烃源岩的热演化历程(图1)。沙四段经历了“快一慢一快”3段式埋藏过程：由于渐新世的快速沉积埋藏，沙四段烃源岩在沙三段沉积初期便开始进入生油门限(R。=0.5%),沙三段沉积中期达到了生油高峰(R。=1.0%);东营运动导致区域抬升并遭受剥蚀，生烃作用停滞[];新近纪又进入快速埋藏期，沙四段烃源岩于馆陶组沉积期达到高成熟阶段(R。=1.3%)。根据地震资料推算，目前最大埋深约为6400m,地温超过180℃,R。值约为1.9%,处于生气高峰。在高温地质条件下原油具有热力学不稳定的性质[1213],一般认为当油藏温度超过160℃时，原油就会发生裂解生成天然气[4。民丰地区油气藏埋深超过4400m,地层测试资料表明其现今地温超过了160℃,具备了原油裂解生气的热力学条件。丰深1井长石砂岩储层中见到一些焦沥青，表明原油发生过裂解作用，轻质部分向气态烃转化，剩余重质部分缩合成多环焦沥青残余物。民丰地区天然气碳同位素偏轻(表1),与沙四段源岩的热演化程度明显不符，而原油裂解气碳同位素组成一般轻于源岩热解气[1],表明天然气中存在原油裂解气。该区油藏埋藏史与烃源岩相似，其中距今38~30Ma主要为原油充注期，距今30～10Ma是油藏缓慢充注调整期，距今5Ma出现原油裂解(图2)。距今大约12Ma沙四段烃源岩开始热解生气，所以民丰地区“古油藏”得到了源岩热解气的充注。将民丰产出的天然气乙烷和丙烷的碳同位素数据投到Prinzhofer丰深1丰深1等人的图版上[15](图3),其结果处于原油裂解气和源岩热解气两条趋势线之间，反映了该天然气具有混源气的特点。Fig.3Aplotofδ³CandIntoidentificationof相对频率相对频率相对频率相对频率2天然气生成的动力学特征2.1生烃动力学模型干酪根受热力作用在成熟阶段生成石油，在高成熟一过成熟阶段生成天然气。原油在高成熟一过成熟阶段裂解成天然气。这些反应是由多个平行一级反应样品分别进行热模拟实验(表2),对模拟实验结果利用MATLAB编制的遗传算法来求取动力学参数。设有机质(KEO)的降解过程由一系列(N个)平行一级反应组成，每个反应的活化能为EO₁,指前因子为AO,对应的降解潜量为XO,KO,为第i个反应的至时间t时，第i个反应的生成量为XO₁,由化学反应速率方程则可以得出根据阿尔尼乌斯方程有由式(1)～式(3)可得将上式从To→T积分，并注意到XO₁(To)=0,则N个平行反应的总生成量为·活化能计算过程可见所列文献[9,17-21]。2.2源岩热解气与原油裂解气的生成动力学特征通过热模拟实验和生烃动力学的分析，阐明了源岩热解与原油裂解的生气机理，发现两者存在一些差异：(1)源岩热解和原油裂解生成气态烃的活化能都呈正态分布，前者主要分布为160～340kJ/mol(众数为210kJ/mol),后者为200～290kJ/mol(众数为240kJ/mol),两者众数相差30kJ/mol(图4)。原油裂解生气起点温度比源岩热解温度要高，需要更高的动力学条件。(2)源岩热解和原油裂解生成甲烷的活化能都呈单峰分布，但前者主要分布在160～340kJ/mol(众数为230kJ/mol),后者分布在220～320kJ/mol(众数为260kJ/mol),两者众数相差30～40kJ/mol,而且后者活化能分布范围较窄(图5),因此源岩热解过程中更容易生成甲烷。地质时间/Ma3天然气生成动力学模型利用上述得到的源岩热解气和原油裂解气生烃动力学参数，结合源岩所经历的沉积埋藏史和热史，地层埋藏和受热的阶段性，实际的计算过程较为设所考察地层分为M层，从上到下分别记为1,2,…,i,…M。第i层开始沉积的时间记为t,结束的时间记为t₁,设第i层的第l小层烃源岩于j(j=i,i得到；第i层沉积时的地温梯度和地表温度为DG,和Tm;i层l烃源岩于j层沉积期间的生气量为XG,(t),至j沉积末的生气量为XGj,仅在j层沉积期间所生成的气量为△XGq(t),则由式(1)～式(5),t和EG;分别为第k个平行反应的指前因子和活化t,(j层开始沉积的时间)改为to(i层所考察l点烃源计算出生气率(气态烃产率),与原始生气潜量的乘积根据图1所示的民丰洼陷烃源岩源岩热解生气地质模型，其动力学模型边界和初始条件如下：①目度为丰深2井古地温梯度模拟结果(图1);③地表温度为10℃地温梯度为丰深1井古地温梯度模拟结果；③地表温度为10℃。段烃源岩进入生油门限(埋深约2600m),37Ma开始期(距今24.6Ma,埋深3900m)累积气态烃产率仅为22%,此时以生油为主(持续了15Ma,因此液态油充注成藏很充分);随后的东营运动(持续约10Ma)导致接受新近系沉积，源岩则于距今11Ma左右开始再次生气，至明化镇组沉积末期(距今4Ma),埋深超过超过60%,是民丰地区重要的天然气源(图6)。账模型(图7):原油在距今7Ma左右时，温度超过145℃还不到5%;至距今2Ma时温度达到了160℃,原油裂解的气态烃产率急剧增大，现今地温约为165℃,累计气态烃产率达到12%左右。标准分享网www.bzfxw.免费下载累计气态烃产率/%累计气态烃产率/%图7丰深1井“古油藏”原油裂解气产率与地质时间和地层温度的定量关系FigOilcrackinggasprod原油裂解生气的活化能高于源岩热解气，所以源岩热解气生成要早于原油裂解气的生成。以丰深1井为12%,远低于源岩热解气的产率(约60%),表明前者对该区天然气的贡献不及后者，也即民丰地区天然民丰地区在37Ma以前开始充注原油成藏，于11Ma前接收高成熟源岩热解气充注，并于4Ma开始原油裂解生气，最终形成现今混合成因气藏。由于东营凹陷的利津洼陷、沾化凹陷的渤南洼陷深层沙河街组烃源岩的沉积埋藏史和热演化史基本相同，因此丰深2井所代表的民丰洼陷深层天然气生成动力学模型可以用于其他深洼的沙河街组天然气生成的评价。同样，由丰深1井“古油藏”分析得到的原油裂解气生成模式也可以推广到济阳坳陷其他深层地区。利用该思路和方法有助于深层天然气的勘探。LiJunliangReservoircharacteristicsofdeeRecoveryEfficiency,2007,14(ChinaenrichedpetroliferouRecoveryEfficiency,2002,BeijingPetroleumIndustryPrestionsofdeepseatedgasisticsofhydrocarboncompoundsinsedimentpression[JGeologicalJournalofChinaUniversitiesDongyingChinaUniversZhangJingWangWeifengRongQihopressionOilGasGeologyZhuYanmingWangXiaohuiZhanDongpuDepressionActaPetroleiSiniCosmochimicaActa,2000,64(15):PetroleumGeology,1983,5(第5期宋国奇等：东营凹陷深层沙河街组天然气生成动力学研究677genichydrocarbongasesChemicalGNewYork;Springer-Verlag,1984.JinQiangQianJialinHuangXinhanTheresearmaldegradationanditsappli[18]卢双舫.有机质成烃动力学理论及其应用LuShuangfangKinetictheoryofhydrorganicmatteranditsappli化凹陷孤北天然气成因的解释[J].地球化学，2008,37(3):JinQiangWangXiuhongHuXiaoqingetalKineticsotionstogenesisofnaturalgDepression[J].Geochimica,2008,37(3WangXiuhongJinQiangHuXiaotioninthegenesisofnaturalgasesinMinfengAreLiuJinzhongTangYongchunAcasestudyofpredictianegenerationquantitybykineticssimudrocarbongenerationkineticsofsouDepressiontheBohaiwanBaperiment,2003,25(4):403-409WangTongshanGengAnsongXiongYosimulationstudyongenerapyrolysisofmarinecrufinedsystemOrganicGeochemiZhaoWenzhiWangZhaoyunZinggasAnimportantrouteofgaTianHuiXiaoXianmingLiXianqingetalgenerationandcarbonisotoperinekerogenandcrudeoilcUweRingChristianBetzlerDa