一种富火山物质烃源岩有机碳恢复方法

摘要

本发明公开了一种富火山物质烃源岩有机碳恢复方法，包括如下步骤：选取样品；测定烃源岩中火山物质含量Z；烃源岩残余有机碳分析及干酪根处理；利用元素分析法对富火山物质烃源岩有机质类型进行划分；数值模拟与实验结合计算有机碳恢复系数Kc；拟合Kc与火山物质含量Z的相关函数。本发明通过对不同含量火山物质烃源岩残余有机碳进行恢复，大大提高了烃源岩有机碳恢复的精度；同时，基于研究区测试资料的恢复方法的研究，提高了资源量评价的可靠性，这一技术填补了复杂沉积构造环境富火山物质在有机质丰度恢复方面的空白，充实了烃源岩评价理论，成果将大大推进下一步资源评价工作的进程。

说明书

技术领域

本发明属于石油地质研究领域，具体涉及一种富火山物质烃源岩有机碳恢复方法。

背景技术

岩石中烃源岩所含干酪根是生成石油和天然气的母质，是油气生成的物质基础。优质的烃源岩往往发育在安静的湖盆或静海环境中，岩性以泥岩、粉砂质泥岩以及含碳质泥岩为主。成熟度（镜质体反射率Ro）往往在0.7～1.3%之间。现有的烃源岩质量丰度指标主要指残余有机碳含量TOC，也是建立在以上沉积环境以及岩性的基础上。而在含油气盆地勘探中往往会遇到一类富火山物质（主要是长石、石英以及橄榄石等凝灰质）的烃源岩，如准噶尔盆地石炭-二叠系烃源岩、渤海湾盆地古近系烃源岩等。火山活动尤其是火山物质的混入不仅改变了烃源岩的岩性，对烃源岩的生烃能力也产生了影响，如火山蚀变矿物沸石、绿泥石等的催化作用，橄榄石的加氢作用等，这导致若使用现有的有机质丰度评价标准对这类烃源岩进行评价，这类富火山物质烃源岩由于有机质丰度较低，常被评价为差-中等烃源岩，忽略了火山物质的影响，影响了对其生油气潜力的认识，因此需要对其有机质丰度进行有针对性的恢复。

众多学者对有机质丰度恢复进行过研究，但多是针对海相高演化阶段碳酸盐岩以及高演化阶段泥岩为研究对象，采用降解率法、模拟法等进行恢复，如在高演化阶段，有机碳含量TOC和生烃潜量S1+S2会发生明显减少，有机质类型也会变差，（参考秦建中，《海相高演化烃源岩总有机碳恢复系数研究》，地球科学）。对于有机质类型较差的烃源岩，有机质丰度TOC随演化程度的增高不降反升（参照卢双舫《地史过程中烃源岩有机质丰度和生烃潜力变化的模拟计算》，地质论评），或者对火山物质的催化作用进行定性的研究，如火山物质蚀变以及催化作用可以降低生烃温度并加快生烃速度（参照万丛礼，《火山矿物对烃源岩生烃演化作用的研究现状》，油气地质与采收率），由此可以假设：火山物质的混入改变了烃源岩的组成以及岩性，同时影响了其生烃能力，因此，富火山物质的烃源岩原始有机碳含量以及生烃能力与火山物质的含量有一定的关系，但是具有怎样的定量关系，尚不得而知，有必要对富火山物质原始有机碳进行恢复，从而正确评价富火山物质烃源岩的好坏并认识富火山物质烃源岩的潜力，这对于发育富火山物质烃源岩（凝灰质泥岩、沉凝灰岩等）等含油气盆地油气勘探及资源潜力评价意义重大。

目前，对于烃源岩的有机碳的恢复方法有：

（1）热模拟试验法，通过模拟实验得到经验公式和模板，即选取低成熟的相同有机质类型的烃源岩进行加热，测定不同热演化阶段的生烃量及热解参数，得到经验公式或图版。

热模拟试验法的缺点是：该方法需要选取成熟度较低的烃源岩样品，而富火山物质烃源岩往往具有较高的成熟度，因此，实验样品有一定的局限；由于是归纳性的方法，精度低，分析周期长，操作难度大。

 （2）元素模型法，由于H、C、O可基本表征干酪根和油气的化学元素组成，根据残余有机质的H/C和O/C原子比推断有机碳恢复系数。如果考虑到干酪根演化过程中以H₂O和CO₂形成脱出的氧原子量基本相等，可得出方程式：

其中，m、n分别为原始有机质的H/C、O/C值、p为烃产物累计平均H/C值；m′、n′分别为残余有机质的H/C，O/C值。

由物质平衡可得出有机碳恢复系数为：

根据有机质类型确定出m、n、p，再根据测得的m′、n′就可以进行恢复。

然后确定原始生烃潜率为：

元素模型法的缺点是：理论性较强，利用高过成熟样品即可，但是原始有机质的H/C，O/C恢复难度较大，实验成本测定较高，同时没有关联火山物质对烃源岩的影响。

（3）生烃动力学法，用下式确定原始生烃潜量：

其中，I^O_H为原始生烃潜量，I_H为热解氢指数，B为残余油量，B₀为原生沥青量，Xo为干酪根成油转化率，Xg为干酪根生气转化率。

该方法的缺点是：公式中的关键参数成油、成气转化率需要根据生烃动力学模型以及实验标定参数来计算，而针对富火山物质的烃源岩，目前还没有较适合的生烃动力学模型，理论性较强，操作难度大，同时并没有涉及关于火山物质对其的影响。

（4）降解率法：该方法由物质平衡推算原始有机碳、残余有机碳和残余生烃潜力之间的关系，其关于火山物质的影响未涉及。

本发明是针对上述各种恢复方法不适用于富火山物质烃源岩有机碳恢复，以及以上方法精度较低的特点，有针对性的通过实验模拟与理论计算相结合，同时拟合火山物质含量与恢复系数关系曲线，从而为不同火山物质含量烃源岩恢复奠定基础，对其油气资源潜力进行更为合理的地质评价。

发明内容

本发明目的是提供一种富火山物质烃源岩有机碳恢复方法，填补了复杂沉积构造环境富火山物质烃源岩在有机碳恢复方面的空白，充实了烃源岩评价理论，极大地推进下一步资源评价工作的进程。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种富火山物质烃源岩有机碳恢复方法，包括如下步骤：

步骤一：选取样品：选取富含火山物质烃源岩样品，主要是长石、石英、橄榄岩等凝灰物质；

步骤二：通过烃源岩显微镜下薄片观察以及薄片鉴定，确定火山物质含量百分含量Z；

步骤三：烃源岩残余有机碳分析及干酪根处理，步骤如下：

（3-1）残余有机碳分析：使用硫碳测定仪测得烃源岩中单位质量岩石有机碳的含量TOC； 

（3-2）干酪根处理：使用脂肪抽提器抽提烃源岩得到可溶物氯仿沥青A含量m_A；富集不溶物质，利用重液浮选法分层去除重矿物，获得干酪根；

（3-3）利用高压釜进行封闭体系生烃模拟产物及含量计算：将步骤（3-2）中抽提的不溶物干酪根置于高压釜中进行加热，按照一定升温速率进行升温，温度范围300～600℃，每个升温速率热解设置10～15个取样温度点，对每个取样温度点的气态、液态热解产物的产率进行计算，得到生成烃类的质量 M 以及CO₂的质量 M_CO2；

步骤四：利用元素分析法对富火山物质烃源岩有机质类型进行划分，步骤如下：

（4-1）C、H、O分析：将干酪根在石英管中热解，由热导检测器检测出碳、氢、氧元素含量；

（4-2）对比“烃源岩元素分析与有机质类型关联图”，确定所选富火山物质烃源岩样品的有机质类型；

步骤五：根据烃源岩生排烃前后的岩石物理模型计算有机碳恢复系数Kc，步骤如下：

（5-1）计算各项参数：

残余岩石质量：        式（1）；

原始岩石质量：     式（2）；

 残余有机碳丰度：

                式（3）；

原始有机碳丰度：

                  式（4）；

残余有机碳的质量：m_c                                 式（5）；

原始有机碳质量：

         式（6）；

原始有机碳恢复系数：

                                        式（7）；

其中：

TOC：残余单位质量岩石有机碳的含量%；

TOC⁰：原始单位质量岩石有机碳的含量%；

 m_c⁰：原始有机碳的质量g；

m_c：残余有机碳的质量g；

k⁰：原始有机质的含碳率，与原始有机质类型有关；

k：残余有机质的含碳率；

 m_c⁰/ k⁰：原始有机质的质量g；

m_c/ k：残余有机质的质量g；

m⁰：原始岩石的质量g；

 m：生排烃之后岩石的质量g；

m_A：氯仿沥青A的质量g；

Φ₀：原始岩石孔隙度；

Φ：生排烃之后岩石孔隙度；

ρ_W：原始孔隙流体密度g/cm³；

ρ₀：岩石生排烃之后的孔隙流体密度g/cm³；

ρ：岩石骨架密度g/cm³；

 V：岩石体积cm³；

 K：有机质生成烃类含碳率；

 M：有机质生成烃类质量；

 M_CO2：生成CO₂的质量g；

 K₁：CO₂含碳率；

 （5-2）计算原始有机碳恢复系数：

 由公式（3）得出：   式（8）；

由公式（6）得出：     式（9）；

将公式（4）、（8）、（9）代入公式（7）得原始有机碳恢复系数，记为公式（10）：

公式（10）中，TOC由步骤（3-1）测得；步骤（3-3）中，通过对富火山物质烃源岩进行金管封闭体系模拟实验，得出有机质生成烃类的质量M和CO2的质量M_CO2，生成烃类的含碳率K和CO₂含碳率 K₁；有机碳含碳率k⁰、k根据有机质类型由有机质含碳率表查得。

上述的富火山物质烃源岩有机碳恢复方法还包括所述步骤五之后的步骤六：

拟合富火山物质烃源岩有机碳恢复系数Kc与烃源岩中火山物质百分含量Z的相关图，并获得相关曲线 Kc=f(Z)。

其中，所述步骤（5-1）中，烃源岩初始孔隙度对应没有大量生排烃时R₀=0.5%埋深计算得Φ₀=23%；

生排烃之后岩石孔隙度Φ：对于钻井岩心中的样品，根据密度测井计算获得孔隙度数值；对于野外样品，根据烃源岩成熟度值泥岩压实孔隙度与成熟度研究结果推算。

其中，所述步骤（5-1）中ρ_W=1.0g/cm³，ρ₀=0.8g/cm³；

 ρ的取值：钻井样品根据密度测井获得；露头样品参考石炭系钻井WC1井石炭系凝灰岩、凝灰质泥岩、沉凝灰岩的密度值取ρ=2.5g/cm³。

其中，所述步骤（5-1）中，通过对富火山物质烃源岩进行金管封闭体系模拟实验，模拟产物以甲烷为主，最大烃产率M=10~250mg/g·TOC ，含碳率K=75%，CO₂含碳率K₁=0.27。

上述的富火山物质烃源岩有机碳恢复方法，所述步骤一中，所选的富火山物质烃源岩样品为准噶尔盆地石炭系露头以及钻井烃源岩样品，利用所述步骤四确定烃源岩干酪根类型如下：

对比“烃源岩元素分析与有机质类型关联图”可知，所选准噶尔盆地石炭系露头以及钻井烃源岩样品中，下石灰统滴水泉组C1d以及与之层位相当的南明水组C1n的有机质类型主要是混合型Ⅱ型，上石灰统巴山组烃源岩C2b以及阿拉德依克赛组C2a的有机质类型主要为腐殖型Ⅲ型。

 其中，所述步骤一中选取的富火山物质烃源岩样品包括泥岩、凝灰质泥岩、沉凝灰岩以及其他不同火山物质含量的烃源岩样品。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：

本发明通过数值模拟与实验相结合计算了富火山物质烃源岩的恢复系数Kc，并拟合了火山物质含量Z与恢复系数Kc之间的关系，建立了关系式Kc=f(Z)；不同火山物质含量烃源岩的恢复系数并不相同，随火山物质增加，恢复系数先增加后减小，呈抛物线变化，反映不同火山物质含量对其烃源岩潜力影响是有差异的，从而可以直观、简单的对富火山物质烃源岩原始有机碳含量进行评价，更好的认识其潜力；同时，基于研究区真实资料的恢复方法的研究，提高了资源量评价的可靠性，这一技术填补了复杂沉积构造环境富火山物质烃源岩在有机质丰度恢复方面的空白，充实了烃源岩评价理论，成果将大大推进含有富火山物质烃源岩油气盆地的下一步资源评价工作的进程。

附图说明

图1是富火山物质烃源岩生排烃前后岩石物理模型示意图；

图2是本发明实施例一中烃源岩元素分析与有机质类型关联图；

图3是富火山物质烃源岩有机碳恢复系数与火山物质含量拟合图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

实施例一：一种富火山物质烃源岩有机碳恢复方法，包括如下步骤：

步骤一：选取样品：以准噶尔盆地东北部石炭系为例，选取富含火山物质烃源岩样品, 主要是长石、石英、橄榄岩等凝灰物质；

步骤二：通过烃源岩显微镜下观察以及薄片鉴定，确定火山物质含量百分含量Z；

步骤三：烃源岩残余有机碳分析及干酪根处理，步骤如下：

（3-1）残余有机碳分析：使用硫碳测定仪测得烃源岩中单位质量岩石有机碳的含量TOC；

（3-2）干酪根处理：使用脂肪抽提器抽提烃源岩得到可溶物氯仿沥青A含量m_A；富集不溶物质，利用重液浮选法分层去除重矿物，获得干酪根；

（3-3）利用高压釜进行封闭体系生烃模拟产物及质量计算：将步骤（3-2）中抽提的不溶物干酪根置于高压釜中进行加热，按照一定升温速率进行升温，温度范围300～600℃，每个升温速率热解设置10～15个取样温度点，对每个取样温度点的气态、液态热解产物的产率进行计算，得到生成烃类的质量M以及CO₂的质量M_CO2；

步骤四：利用元素分析法对富火山物质烃源岩有机质类型进行划分，步骤如下：

（4-1）C、H、O分析：将干酪根在石英管中热解，由热导检测器检测出碳、氢、氧元素含量；

（4-2）对比“烃源岩元素分析与有机质类型关联图”，确定所选富火山物质烃源岩样品的有机质类型；

步骤五：根据烃源岩生排烃前后的岩石物理模型（如图1所示）计算有机碳恢复系数Kc，步骤如下：

（5-1）计算各项参数：

残余岩石质量：        式（1）；

原始岩石质量：     式（2）；

 残余有机碳丰度：

                式（3）；

原始有机碳丰度：

                  式（4）；

残余有机碳的质量：m_c                                  式（5）；

原始有机碳质量：

         式（6）；

原始有机碳恢复系数：

                                        式（7）；

其中：

TOC：残余单位质量岩石有机碳的含量%；

TOC⁰：原始单位质量岩石有机碳的含量%；

 m_c⁰：原始有机碳的质量g；

m_c：残余有机碳的质量g；

k⁰：原始有机质的含碳率，与原始有机质类型有关；

k：残余有机质的含碳率；

 m_c⁰/ k⁰：原始有机质的质量g；

m_c/ k：残余有机质的质量g；

m⁰：原始岩石的质量g；

 m：生排烃之后岩石的质量g；

m_A：氯仿沥青A的质量g；

Φ₀：原始岩石孔隙度；

Φ：生排烃之后岩石孔隙度；

ρ_W：原始孔隙流体密度g/cm³；

ρ₀：岩石生排烃之后的孔隙流体密度g/cm³；

ρ：岩石骨架密度g/cm³；

 V：岩石体积cm³；

 K：有机质生成烃类含碳率；

 M：有机质生成烃类质量；

 M_CO2：生成CO₂的质量g；

 K₁：CO₂含碳率；

（5-2）计算原始有机碳恢复系数：

 由公式（3）得出：   式（8）；

由公式（6）得出：     式（9）；

将公式（4）、（8）、（9）代入公式（7）得原始有机碳恢复系数，记为公式（10）：

公式（10）中，TOC由步骤（3-1）测得；步骤（3-3）中，通过对富火山物质烃源岩进行金管封闭体系模拟实验，得出有机质生成烃类的质量M和CO2的质量M_CO2，生成烃类的含碳率K和CO₂含碳率 K₁；有机碳含碳率k⁰、k根据有机质类型由有机质含碳率表查得。

表一：有机质含碳率

。

上述的富火山物质烃源岩有机碳恢复方法还包括所述步骤五之后的步骤六：

拟合富火山物质烃源岩有机碳恢复系数Kc与烃源岩中火山物质百分含量Z的相关图，并获得相关曲线Kc=f(Z)。

本实施例中，所述步骤一中，所选的富火山物质烃源岩样品为准噶尔盆地石炭系露头以及钻井烃源岩样品。

所述步骤（5-1）中，烃源岩初始孔隙度对应没有大量生排烃时 R₀=0.5%埋深计算得Φ₀=23%；

生排烃之后岩石孔隙度Φ：对于钻井岩心中的样品，根据密度测井计算获得孔隙度数值；对于野外样品，根据烃源岩成熟度值泥岩压实孔隙度与成熟度研究结果推算（参照刘震等1997年《泥岩压实程度与热成熟度关系分析》，地质论评）。

所述步骤（5-1）中ρ_W=1.0g/cm³,ρ₀=0.8g/cm³；

 ρ的取值：钻井样品根据密度测井获得；露头样品参考石炭系钻井WC1井石炭系凝灰岩、凝灰质泥岩、沉凝灰岩的密度值取ρ=2.5g/cm³。

所述步骤（5-1）中，通过对石炭系烃源岩进行金管封闭体系模拟实验，模拟产物以甲烷为主，最大烃产率M=10~250mg/g·TOC ，含碳率K=75%，CO₂含碳率K₁=0.27。

所述步骤四中，对比附图2所示的“烃源岩元素分析与有机质类型关联图”可知，所选准噶尔盆地石炭系露头以及钻井烃源岩样品中，下石灰统滴水泉组C1d以及与之层位相当的南明水组C1n的有机质类型主要是混合型Ⅱ型，上石灰统巴山组烃源岩C2b以及阿拉德依克赛组C2a的有机质类型主要为腐殖型Ⅲ型。

以准噶尔盆地东北部石炭系富火山物质烃源岩为例，选取14组石炭系露头以及钻井烃源岩样品，采用上述的富火山物质烃源岩有机碳恢复方法，计算原始有机碳恢复系数 Kc，试验数据如下表二所示。

表二：试验数据 

。

其中，拟合火山物质含量Z与有机碳恢复系数Kc得到二者拟合曲线公式：

 Kc=-1.95×Z²+1.46×Z+1.12，拟合公式的相关系数R=0.93，二者相关程度高。

图3所示为富火山物质烃源岩有机碳恢复系数与火山物质含量拟合图。

有机碳恢复系数Kc介于1.02～1.48之间，平均1.22。

本发明根据不同火山物质含量对富火山物质烃源岩残余有机碳进行恢复之后计算的资源量比没有恢复之前将大大提高，同时区分了火山活动强弱对富火山物质烃源岩资源潜力的影响；基于研究区真实资料的恢复方法的研究，提高了资源量评价的可靠性，这一技术填补了复杂沉积构造环境富火山物质在有机质丰度恢复方面的空白，充实了烃源岩评价理论，成果将大大推进下一步资源评价工作的进程。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进或替换，这些改进或替换也应视为本发明的保护范围。