一种确定生排烃实验热成熟和生烃进程的方法和装置

摘要

本发明提供了一种确定生排烃实验热成熟和生烃进程的方法和装置。该方法包括：绘制地质样品的镜质体反射率与地质样品氢碳原子比的关系图；确定各实验点的固体产物中的氢碳原子比、滞留烃产率，排出烃中液态烃和气态烃的产率；绘制实验产烃率曲线；将实验样品的氢碳原子比代入地质样品的镜质体反射率与地质样品氢碳原子比的数学关系式中，得到标定地质；建立生排烃实验热成熟度曲线模板；通过标定地质和对应的油气产率，建立对应地质成熟度与油气产率曲线。本发明还提供了确定生排烃实验热成熟和生烃进程的装置。本发明的方法和装置的结果可靠、适用范围广。

说明书

技术领域

本发明涉及一种生排烃实验热成熟和生烃进程的确定方法和装置，属于油气资源评价分析技术领域。

背景技术

各种热解生排烃实验，是研究烃源岩在自然地质条件下生烃的过程，评价其生油气能力的重要手段。在自然地质温度条件下，需经过上百万年计的时间发生热化学动力学，烃源岩中的有机质才能达到一定热成熟度，产生石油、天然气等能源物质。

人们通过对世界上大量烃源岩样品的统计，用热成熟度指标-镜质体反射率(Ro)表示地质条件下烃源岩的热成熟度，用Ro值确定烃源岩在整个生烃历史中所处的阶段进程，依次通过测定某地区样品的Ro，进一步来预测其区域油气资源潜力。在实验室高温条件下，烃源岩也可以生成油气，但它是基于温度补偿时间的原理，通过提高加热温度来缩短反应时间，与自然地质低温长时间的情况显然不同，也就提出了地质条件下用Ro参数表述烃源岩有机质的热成熟和生烃进程，是否同样适用于实验室条件的疑问。

Jones(Jones R W,Edison T A.Microscopic observations of kerogenrelated to geochemical parameters with emphasis on thermal maturation[M],inOltz D F ed.,Low temperature metamorphism of kerogen and clay minerals：SEPM,Pacific Section:1978,1-12.)的研究表明，实验室快速受热的情况下，干酪根大分子的芳构化反应速率加快，芳构化程度更高，造成镜质体表面更平，反射率值偏大。高岗等(高岗，柳广弟，王兆峰.生烃模拟结果的校正.新疆石油学报[J],2005,26(2):202-205)和阙永泉等(阙永泉，郑伦举，承秋泉,等.有机质热解模拟实验残留物镜质体反射率校正研究[J].石油实验地质,2015,37(4)：506-517)发现生烃实验显示的生油高峰对应残留物Ro值比自然地质演化剖面值高0.3％。陈建渝(陈建渝，郝芳，有机岩石学研究有机质类型和成熟度的改进[J].石油实验地质,1990,12(4):426-431)提出用实验残渣的镜质体反射率来直接标定生烃进程是需要改进的。郝芳(郝芳,姜建群,邹华耀.超压对有机质热演化的差异抑制作用及层次.中国科学D辑,2004,34(5):443-451.郝芳.超压盆地生烃作用动力学与油气成藏机理[M].北京：科学出版社,2005:1-406)明确提出，超压对有机质热成熟演化和生烃进程的影响也存在明显差异，有机质的热演化和生烃是两个相关但又不同的过程。Bunham(Burnham A K,Sweeney J J.A Chemical kinetic model of vitrinite maturation andreflectance[J].Geochimica et Cosmochimica Acta,1989,53(10):2649-2657)和Sweeney(Sweeney J J,Burnham A K.Evaluation of a simple model of vitrinitereflectance based on chemical kinetics[J].AAPG Bulletin,1990,74(10):1559-1570)基于生烃动力学原理，提出了用Easy％Ro数值模型，标定生烃实验与地质条件等价的热成熟度和生烃进程，但其适应范围是加热速率小于1℃/周，并且不考虑地质压力、排烃的影响。Horsfield等(Horsfield B.Practical criteria for classifying kerogens:Someobservations from pyrolysis-gas chromatography[J].Geochim Cosmochim Acta,l989,53:891-901)、Baskin(Baskin D K.Atomic H/C ratio of kerogen as an estimateof thermal maturity and organic matter conversion[J].AAPG Bulletin,1997,8l(9):1437-1450)研究表明，油气生成过程也是固体有机质贫氢富碳的过程，残余固体有机质的氢碳原子比(H/C)能直接反映可继续生烃的能力和热演化程度，是干酪根转化为可溶烃的标志参数，不受芳构化程度的影响。但他们的研究成果仅限于地质条件下的表述，最终也未像镜质体反射率Ro那样被广泛接受，也未指出是否适用于实验室条件，更没有考虑压力和排烃条件。

当前热解生排烃实验的加热速率一般都高于1℃/周，通常2℃/天，实验一般也加载了压力条件和排烃过程的模拟。为了提高研究效率以满足现代油气勘探需求，需要探索新的方法，以适应考虑压力、排烃影响的现代快速热解生排烃实验研究的需要，达到评价自然地质条件生烃研究、油气资源评价的最终目的。

发明内容

为了技术上述技术问题，本发明的目的在于提供一种结果可靠、适用范围广的生排烃实验热成熟与生烃进程的确定方法。

为了实现上述技术目的，本发明提供了一种确定生排烃实验热成熟和生烃进程的方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：绘制地质样品的镜质体反射率与地质样品氢碳原子比的关系图；

步骤二：确定不同实验温度的固体产物中的氢碳原子比、滞留烃产率，排出烃中液态烃和气态烃的产率；

步骤三：以实验温度为横坐标，以实验烃产物中各组分产率为纵坐标，绘制实验产烃率曲线；

步骤四：将不同实验温度下的固体产物的氢碳原子比代入地质样品的镜质体反射率与地质样品氢碳原子比的数学关系式中，得到标定地质；

步骤五：以实验温度为横坐标，以标定地质为纵坐标，建立生排烃实验热成熟度曲线模板；

步骤六：通过标定地质和对应的油气产率，建立对应地质成熟度与油气产率曲线，完成对生排烃实验热成熟和生烃进程的确定。

在上述方法中，不同实验温度，是根据本领域技术人员的研究需要设定实验的加热温度。

在上述方法中，优选地，在步骤一中，筛选与实验样品同一类型的有机质烃源岩地质样品，根据地质样品的有机元素、镜质体反射率，绘制地质样品的镜质体反射率与地质样品氢碳原子比的关系图。

在本发明中，地质样品的油基元素、镜质体反射率等信息，可以收集现有的测试数据也可以自己测试获得结果。

需要说明的是，由于地质样品经历的埋藏过程不尽相同，在地质样品H/C原子比与Ro关系统计时，有可能因压力差异的影响，造成数据较离散，因此建议多应用与实验研究样品沉积速率相同或相近的地质样品进行统计。

在上述方法中，在步骤三中，实验烃产物中各组分产率，可以是全部烃，也可以是任意一类烃组分，具体根据研究需要确定。

在上述方法中，在步骤六中，对应地质成熟度与油气产率曲线根据地质Ro-H/C回归曲线建立，其中，Ro为镜质体反射率，是成熟度参数；H/C为干酪根的氢碳原子比，是干酪根生烃进程参数。

比如，地质Ro＝F(H/C)，某实验温度x下获取的油气产率为Px、固体残渣H/Cx，将H/Cx带入公式地质Ro＝F(H/C)，求出其地质Rox，获得(地质Rox、油气产率产率Px)数组，其它实验温度以此进行，最后将各数组以Ro为x轴、Px为纵轴制出曲线。

本发明还提供了一种确定生排烃实验热成熟和生烃进程的装置，该装置包括：

地质样品参数获取模块，用于绘制地质样品的镜质体反射率与地质样品氢碳原子比的关系图；

实验样品参数获取模块，用于确定各实验点的固体产物中的氢碳原子比、滞留烃产率，排出烃中液态烃和气态烃的产率；

实验产烃率绘制模块，用于绘制实验产烃率曲线；

标定地质获取模块，用于获取标定地质数据；

生排烃实验热成熟度曲线绘制模块，用于绘制生排烃实验热成熟度曲线模板；

标定地质与产烃率曲线绘制模块，用于建立对应地质成熟度与油气产率曲线。

在上述装置中，优选地，地质样片参数获取模块，还包括筛选与实验样品同一类型的有机质烃源岩地质样品的模块。

在上述装置中，优选地，实验产烃率绘制模块，用于以实验温度为横坐标，以实验烃产物中各组分产率为纵坐标，绘制实验产烃率曲线。

在上述装置中，优选地，标定地质获取模块，用于将不同实验温度下的固体产物的氢碳原子比代入地质样品的镜质体反射率与地质样品氢碳原子比的数学关系式中，得到标定地质。

在上述装置中，优选地，生排烃实验热成熟度曲线绘制模块，用于以实验温度为横坐标，以标定地质为纵坐标，绘制生排烃实验热成熟度曲线。

在上述装置中，优选地，标定地质与产烃率曲线绘制模块，用于标定地质和对应的油气产率，绘制对应地质成熟度与油气产率曲线。

本发明的方法，在样品类型、实验类型、实验条件方面都具有广阔的适用范围，进行实验成熟度和生烃进程的地质标定。样品类型方面包括I型、II型、III型各类有机质烃源岩；实验类型包括变升温速率、恒升温速率、恒温等加热类型生烃实验；实验条件包括开放体系、封闭体系、有压力有排烃过程的半封闭体系实验。

采用实验建立的标定地质成熟度与油气产率曲线模型，可以在研究区进行推广应用，根据目的层的成熟度、地层厚度、有机碳含量平面分布数据，计算和评价出目的层各点单位面积的滞留油气、排出油气量，并进一步计算整个研究区目的层的总油气资源量。

本发明的方法和装置，解决了热解生排烃实验过程难以与地质过程对比的问题，校正了Easy％Ro方法、实验样品实测Ro作为热成熟和生烃进程参数存在的偏差；确定了与地质热成熟和生烃进程可对比的模板，也为其它类型有机质烃源岩和其它类型实验的成熟度标定提供了范例，其中包括因缺少镜质组而难以确定镜质体反射率的I、II1型有机质烃源岩；还解决了数值模拟中如何考虑压力和排烃作用对生烃影响的问题。

本发明的确定生排烃实验热成熟与生烃进程的方法，把复杂的地质压力、排烃等影响因素放在生排烃实验中考虑，让其影响体现在产烃率上，不在模型中单列，减少了为数学模型寻找理论依据的麻烦；充分利用了现有和前人的基本地球化学资料，仅需实验样品H/C原子比数据，便可建立实验温度-标定地质关系，可以为同类型有机质、相同实验条件的烃源岩评价实验提供统一的热成熟演化模板；建立的标定地质与产烃率的关系曲线，实现了实验数据的地质应用和解释，为油气生成理论和页岩油气机理研究提供了依据。利用实验建立的地质Ro与产烃率曲线，结合现有烃源岩空间展布和成熟度数据，可以简便、精确地完成研究区的资源评价，大大节省了时间和测试费用；可以通过III型有机质的煤系样品模板，为I、II1型有机质烃源岩评价提供依据，解决I、II1型有机质烃源岩因缺少镜质体组分而无法确定成熟度的尴尬局面。

本发明的确定生排烃实验热成熟与生烃进程的方法，可在建立的曲线模型上或在此基础上根据实际盆地数据稍加改动，仅用实验样品的有机元素分析数据资料，就能定量确定每个生排烃实验点生排烃量所对应的自然地质成熟度Ro，依次确定该样品在生烃进程中所处的阶段；并且可以根据样品所属地层的历史或现今成熟度分布数据，完成全层历史或现今阶段所能生成油气量的预测估算。

附图说明

图1为本发明的确定生排烃实验热成熟和生烃进程的装置的结构示意图。

图2为煤系烃源岩自然地质剖面的H/C原子比与地质Ro的关系图。

图3为不同实验的实验温度与标定地质Ro的关系模板。

图4为不同实验的实验残渣实测Ro与标定地质Ro的关系模板。

图5为黄金管限定体系20℃/h恒升温速率实验的温度与各类成熟度参数关系对比曲线。

图6为黄金管限定体系2℃/h恒升温速率实验的温度与各类成熟度参数关系对比曲线。

图7为生排烃实验半封闭体系恒温3天实验的温度与各类成熟度参数关系对比曲线。

图8为四川盆地大隆组烃源岩样品滞留烃、排出烃产率曲线。

图9为四川盆地大隆组分布及生烃地化特征综合图。

具体实施方式

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。

实施例1

本实施例提供了一种确定生排烃实验热成熟和生烃进程的装置，结构如图1所示，该装置包括：

地质样品参数获取模块，用于绘制地质样品的镜质体反射率与地质样品氢碳原子比的关系图；

实验样品参数获取模块，用于确定各实验点的固体产物中的氢碳原子比、滞留烃产率，排出烃中液态烃和气态烃的产率；

实验产烃率绘制模块，用于绘制实验产烃率曲线；

标定地质获取模块，用于获取标定地质数据；

生排烃实验热成熟度曲线绘制模块，用于绘制生排烃实验热成熟度曲线模板；

标定地质与产烃率曲线绘制模块，用于建立对应地质成熟度与油气产率曲线。

在上述装置中，地质样片参数获取模块，还包括筛选与实验样品同一类型的有机质烃源岩地质样品的模块。

在上述装置中，实验产烃率绘制模块，用于以实验温度为横坐标，以实验烃产物中各组分产率为纵坐标，绘制实验产烃率曲线。

在上述装置中，标定地质获取模块，用于将不同实验温度下的固体产物的氢碳原子比代入地质样品的镜质体反射率与地质样品氢碳原子比的数学关系式中，得到标定地质。

在上述装置中，生排烃实验热成熟度曲线绘制模块，用于以实验温度为横坐标，以标定地质为纵坐标，绘制生排烃实验热成熟度曲线。

在上述装置中，标定地质与产烃率曲线绘制模块，用于标定地质和对应的油气产率，绘制对应地质成熟度与油气产率曲线。

本实施例提供了一种鄂尔多斯盆地侏罗系延安组煤系地层生排烃实验热成熟度和生烃进程的确定方法，具体包括以下步骤：

步骤11：地质样品Ro-H/C关系统计

具体地，将采自鄂尔多斯盆地东缘和山西省的二叠系和石炭系、南方地区的二叠系、库车盆地的三叠系、华北地区的侏罗系、吐哈盆地侏罗系、柴达木盆地的侏罗系等不同地区自然地质剖面的煤样130块，制备干酪根，进行有机元素、镜质体反射率检测分析，利用分析数据氢、碳原子比含量与Ro数值成对数据，绘制地质样品H/C原子比与地质Ro关系图，如图2；并用EXCELL软件进行数学公式拟合，获得高相关系数的数学表达式如下：

当Ro≤1.8％时，Ro＝-400.65(H/C)⁵+164.7(H/C)⁴-2684.2(H/C)³+2190.6(H/C)²-894.09(H/C)+147.07>

当Ro＞1.8％时，Ro＝11.981e^(-3.623*H/C)>

步骤12：实验样品参数获取；

即，用采自鄂尔多斯盆地侏罗系延安组的低熟煤样品，开展黄金管限定体系2℃/h、20℃/h恒升温速率实验和热压生排烃体系恒温72h实验，将其实验固体残渣制备成干酪根，开展有机元素检测分析和实验样品Ro分析，具体结果如表1所示。

表1

步骤13：实验点、温度点参数与标定地质Ro的热成熟度曲线模板建立；

首先将实验样品点的H/C原子比值代入地质样品H/C原子比与Ro值数学关系式，求取其对应的标定地质Ro；然后以实验温度或实验点为横坐标，以标定地质Ro为纵坐标，建立生排烃实验热成熟度曲线模板，如图3、图4。图3中，随着实验温度的升高，各实验系列的对应自然地质Ro逐渐升高，关系趋势用多项式来表达的相关系数非常高。相同目标温度下，恒温3天的热压生排烃实验所对应的自然地质热演化程度最高，其次是2℃/h和20℃/h的黄金管限定体系实验。在350℃以上阶段，相邻趋势线间的Ro差值大于0.5％；350℃以下，随着温度的降低，差值逐渐减小，到250℃趋同。图4中，在自然地质Ro小于1.3％阶段，三个实验系列的固体残渣实测Ro与自然地质Ro接近；自然地质Ro大于1.3％阶段，与对应的自然地质Ro值相比，恒升温速率的黄金管体系的实验残渣Ro偏大，最大差值达0.6％，而恒温3天热压生排烃实验系列的残渣Ro偏小，在自然地质Ro小于4％之前的差值小于0.3％，在自然地质Ro大于4％之后的差值则逐渐增大，甚至超过1.2％。

图5、图6和图7是三种实验体系的温度与各类成熟度参数关系对比曲线，以展示不同方法间的差别(整体上随着温度的升高Ro值呈S形增大的趋势，在高、低温端点有趋同的特点，实验残渣Ro值比Easy％Ro值更接近于自然地质Ro值)。

实施例2

本实施例提供了一种四川大隆组生烃潜力与资源分配，包含以下步骤：

步骤21：利用实例1的同理过程，确定实验点对应的标定地质Ro，关键数据和结果如表2。

表2

步骤22：绘制标定地质Ro与产烃率关系曲线图，建立数学关系式；

具体地，按照滞留烃和排出烃分为两大类，绘制滞留烃、排出烃随标定地质Ro变化的关系曲线图，如图8；用相关系数高的数学式3，进行拟合回归，获得数学表达式，如表3所示。

Y＝aEXP(X)+bX³+cX²+dX+eLN(X)>

Y代表滞留烃、排出烃或总烃，单位为mg/g.TOC；X代表烃源岩地层某时期的热演化程度，用Ro值表示，单位为％。

表3

步骤23：整理获取研究区烃源岩基本资料，如图9。

步骤24：滞留烃、排出烃量计算

具体地，根据烃源岩地层厚度、有机碳含量平面分布数据，按照公式4计算出研究区单位面积的生烃、滞留烃、排出烃的强度，也就可以预测大隆组现阶段的整体滞留油气量、排出源外的油气量；

A＝H·T·ρ·P/1000 (4)

式中，A为生成的滞留烃、排出烃或总烃强度，104t/km²；H为有效烃源岩厚度，m；T为有机碳含量，％；ρ为烃源岩密度，统一取2.6g/cm³；P为图8或对应历史时期有机质成熟度(Ro)的滞留烃、排出烃或总烃产率，mg/g.TOC。

根据目的层各点单位面积的滞留油气、排出油气量，并进一步计算整个研究区目的层的总油气资源量。结果表明，四川盆地大隆组一套优质烃源岩层系，具有形成大型油气田的供烃能力，总生烃潜力达到59.61×10⁸t，其中有55.69×10⁸t的油气现今已排出源岩层，只有3.92×10⁸t的油气滞留在烃源岩内。

以上实施例说明，本发明的确定生排烃实验热成熟和生烃进程的方法的结果可靠、适用范围广。