地下生物降解稠油油藏充注期次的判别方法

摘要

本发明涉及一种地下生物降解稠油油藏充注期次的判别方法,属于石油地质勘探领域。其具体技术方案是通过筛选抗生物降解能力强、对原油充注具有良好敏感度的生标及其相关参数，标定地下生物降解稠油成熟度的分子生物标志物参数TA(Ⅰ)/TA(Ⅰ+Ⅱ)、TA(Ⅰ)/TA(Ⅰ+Ⅱ)与镜质体反射率Ro的定量关系，并利用该参数判别生物降解稠油充注期次。本发明根据生物降解原油的色谱质谱特征和分子生物标志物响应，能够实现生物降解稠油充注期次的有效判别，追踪生物降解稠油油藏成藏过程，并且解决对于多期混合的原油计算不同期次充注原油的比例问题。

说明书

技术领域

本发明属于石油地质勘探领域，具体的说涉及一种地下生物降解稠油油藏充注期次的判 别方法。

背景技术

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。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。生 物降解原油将会是未来社会中的一种重要非常规能源类型。

中国的生物降解型稠油油藏分布非常广泛。以西部的准噶尔盆地为例，其生物降解型稠 油资源占有相当大的比例，大规模的地面油砂、天然沥青和浅层稠油油藏是该盆地西北缘的 重要特色。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。

由于生物降解原油成藏过程和后期保存的复杂性以及油源对比指标的约束，对于恢复生 物降解原油充注史这一科学问题，并未得到很好解决。中国的很多盆地如西部的准噶尔盆地、 塔里木盆地和东部的渤海湾盆地，其油气成藏过程都表现出多源、多期充注特征，尤其对于 很多稠油油藏而言，更是如此。

针对油藏充注期次的现有技术，基本都是建立在对储层流体包裹体均一温度的分析基础 上，利用均一温度分布特征，来分析油藏发生了几期充注，再利用镜下含烃包裹体的荧光特 征等，来判别油藏中的油气属于哪一期的油气充注。然而由于油藏内的流体非均质性以及多 期流体的混合特征，现有这些技术实际上很难将油藏内的不同期次充注的原油准确识别，对 于生物降解型稠油的镜下特征更模糊，依据现有技术更难以判别，对于多期混合后的生物降 解稠油充注期次和不同期次充注原油的比例问题，现有的技术更是无法解决。即，传统技术 解决的研究区宏观油气成藏期次问题，但针对油藏内原油等流体的非均质性和混合特征问题， 传统技术不能很好解决；尤其是针对生物降解稠油，由于后期发生了复杂的生物降解变化， 传统的技术更难以判断具体的原油是哪一期成藏，或哪几期混合成藏。

发明内容

本发明的目的是根据不同降解程度下的生标序列变化，筛选抗生物降解能力强、对原油 充注具有良好敏感度的生标及其相关参数，通过这些分子生标参数研究生物降解原油多期充 注历史响应,指明生物降解原油在不同期次成藏过程中的生标地球化学演变，提供一种地下生 物降解稠油油藏充注期次的判别方法，对预测地下稠油资源有重要的意义。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

包括如下步骤：

一、油源对比研究，确定同一套油源；

对研究区目标层系的生物降解稠油进行饱和烃和芳烃的色谱、质谱分析，通过不同降解 级别原油的生标响应，确定不同生物降解稠油中烃类的选择性蚀变，定量划分降解级别，选 择抗生物降解能力强的对生源敏感的生标及相关参数。具体而言，根据原油遭受的生物降解 程度不同，采取不同的研究方法，并且用多参数、多指标进行综合油源对比。对于严重生物 降解的原油样品，结合沥青质中包裹体烃类的分离、沥青质水化热解法、沥青质钌离子催化- 氧化法技术方法，利用芳烃类和三芳甾烃类等的生标进行油源对比，从中探索良好的生标参 数。对研究地区的原油样品和可能的源岩进行谱图指纹和生标参数交汇图分析，确定来自同 一目标源岩的原油样品。

对于单一源岩的研究区，该步骤可以省略。

二、根据传统方法，确定某一源岩的排烃期次和对研究区存在可能的原油充注期次；

在判断研究区存在几期原油充注期，传统技术已比较成熟。成熟的方法是在对研究区构 造演化史、断层活动史和源岩热演化史、生排烃史等的研究基础上，对实测地质剖面中的一 些储层流体包裹体进行分析，结合流体包裹体均一温度和镜下荧光特征，可判断发生了几期 油气充注。这部分技术比较成熟，因此不详细介绍。

本发明的重点在于步骤三，其筛选生标，并与常规成熟度参数Ro进行定量标定进行关系 确定，运用生标参数进行充注期次判定。

三、筛选生物降解稠油的分子成熟度参数，并用常规成熟度参数Ro进行定量标定；具体 的包括以下步骤：

(1)生标的筛选：成熟度敏感性筛选、抗生物降解性筛选；

(2)选定抗降解的生标成熟度参数；

(3)源岩热演化模拟实验，确定并建立生标成熟度参数与常规成熟度参数Ro的定量关 系：

(4)利用选定生标参数判定生物降解原油充注期次；

对从油源对比中确定出来的相同成因的原油样品的组分变化、生标绝对浓度变化和系列 成熟度参数进行综合统计分析。考察的生标成熟度参数包括常规的甾烷(如C₂₉20S/(20S+20R) 等)、萜烷(如Ts/(Ts+Tm)等)和藿烷(如C₃₁22S/(22S+22R)等)、芳烃类成熟度参数(如 MPI等)。除此之外，还考察其他类，如三芳甾族类成熟度参数，如单芳甾类的芳构化参数 MA(Ⅰ)/(MA(Ⅰ+Ⅱ)和三芳甾类成熟度参数TA(Ⅰ)/TA(Ⅰ+Ⅱ)。除此之外，还有C₂₀/(C₂₈+C₂₀)、 C₂₆S/(C₂₆S+C₂₈S)、C₂₈/(C₂₆+C₂₇+C₂₈)等。

生物降解作用对分子生标成熟度参数的影响可通过对分子生标的谱图以及参数值的大小 进行分析。另外在分子成熟度参数和原油粘度图版上也可显示生物降解作用对分子成熟度参 数的影响。在正常情况下，随着分子生标成熟度参数的增加，原油粘度会减小，然而有些参 数会出现异常增大现象，表明受到了生物降解作用影响。研究发现，常规的甾烷(如C₂₉ββ/(ββ+αα)、C₂₉20S/(20S+20R)和藿烷(如C₃₁22S/(22S+22R)等)成熟度参数明显受到 生物降解作用影响，而三芳甾烷成熟度参数系列不受生物降解作用影响。

我们通过筛选对比，提出了三芳甾烷成熟度参数TA(Ⅰ)/TA(Ⅰ+Ⅱ)，该参数具体表 征为(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)，该参数在国内外还很少得到应 用。研究发现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。这是由于长链的三芳甾烷同系物会比短链的三芳甾烷同系物优先进行热裂解，热模 拟实验显示三芳甾烷参数TA(Ⅰ)/TA(Ⅰ+Ⅱ)会随热演化程度增高而增大，因而可以作为 判别成熟度的良好参数。

对生标成熟度参数进行R_o定量标定，可采用自然地质剖面分析结合实验模拟的方法。选 取典型泥岩分布连续的地质剖面，分析该剖面的地质地球化学演化。利用自然地质剖面中的 源岩样品检测到的R_o和生标检测结果，进行R_o和生标成熟度参数定量关系分析。也可利用高 温下热解等模拟实验手段，检测源岩中的干酪根在不同温度下的生标成熟度参数和对应的R_o， 建立两者间的定量关系。

四、利用分子生物标志物分析不同充注期次原油的混合属性，计算混合油中不同充注期 原油相应比例。

所述步骤一中，包括对研究区目标层系的生物降解稠油进行饱和烃和芳烃的色、质谱分 析，通过不同降解级别原油的生标响应，确定不同生物降解稠油中烃类的选择性蚀变，定量 划分降解级别，选择抗生物降解能力强的对成熟度敏感的生标及相关参数。

所述步骤二中，对研究区包括构造演化史、断层活动史和源岩热演化史、生排烃史的研 究基础上，对实测地质剖面中的一些储层流体包裹体进行分析，结合流体包裹体均一温度和 镜下荧光特征，判断发生的油气充注期数。

所述步骤三中，对从油源对比中确定出来的相同成因的原油样品的组分变化、生标绝对 浓度变化和系列成熟度参数进行综合统计分析，通过筛选对比，提出了三芳甾烷成熟度参数 TA(Ⅰ)/TA(Ⅰ+Ⅱ)，并采用自然地质剖面分析结合实验模拟的方法，对生标成熟度参数进 行Ro定量标定，建立两者间的定量关系为：R_o＝231.13x²-2.1776x+0.7137(R²＝0.9966),上 式中x为生标参数TA(Ⅰ)/TA(Ⅰ+Ⅱ)值。

所述步骤四中，包括以下小步：

(1)利用分子生物标志物分析不同充注期次原油的混合属性，具体方法是，对实测地质 剖面中的原油和油砂进行地质-地球化学研究，对已确定的来自同源的原油样品中“轻、中、 重”烃类化合物进行全面剖析，以确定样品中不同的充注系列；

(2)计算混合油中不同充注期原油相应比例，具体的说是，采用多端元混合比例计算, 端元根据步骤(1)确定的设定，

(3)步骤(1)中的充注期为三期，则端元为三端元，充注期次设定根据三端元理论进 行计算：

假设混源原油中来自三叠纪末期、侏罗纪末期和白垩纪末期三期充注原油的比例为x、y、 z，则根据三端元理论，则有：

x.a+y.b+z.c＝d

其中a、b、c分别为上述三期充注原油的平均基准值，这里通过典型三期充注原油TA(Ⅰ)/ TA(Ⅰ+Ⅱ)值得统计得到其基准值分别为0.85、1.05和1.6，d为所检测混源油的TA(Ⅰ)/TA(Ⅰ +Ⅱ)值。

步骤四，详细的说为：

1)利用分子生物标志物分析不同充注期次原油的混合属性

许多稠油油藏表现出早期已发生的降解油后来会受到晚期未降解原油的再次充注，这种 多期充注会使得早期原油的化学性质可能被后期原油的化学性质所覆盖，使问题变得更加复 杂。最普遍的是降解原油的特征产物“25-降藿烷系列”与未降解原油的特征标志“完整的正 构烷烃”这两属性同时存在的叠加现象。但是，本发明提供的生物标志物分析技术可以根据 生标的谱图特征，判断混合原油的多期充注属性。

具体方法是，对实测地质剖面中的一些原油和油砂进行地质-地球化学研究，对已确定的 来自同源的原油样品中“轻、中、重”烃类化合物进行全面剖析，以初步确定这些样品中不 同的充注系列。由于早期原油的化学组成和后期原油的化学组成相叠加，出现完整的正构烷 烃系列和25-降藿烷系列并存的二重属性或其他多重属性，因此就可以对这些具有典型意义 的生标进行重点分析，从中提取不同时期原油充注的信息。检测和计算出生标成熟度参数分 布，可以大致显示原油不同充注期的成熟度系列。

2)计算混合油中不同充注期原油相应比例

针对多期充注的混源油,如果在油气运聚过程中或聚集以后混源油受到生物降解使其化 学组成发生改变,混合比例的研究将变得更为复杂。各期次充注对混源油的贡献大小是石油 勘探中十分关注的问题之一,但目前涉及生物降解混源油的混合比例研究非常少。

本技术根据生物降解原油的色谱质谱特征和分子生物标志物响应，能判别生物降解稠油 充注期次，追踪生物降解稠油油藏成藏过程，对于多期混合的原油能计算不同期次充注原油 的比例问题。

本发明的有益效果有：

(1)根据生物降解原油的色谱质谱特征和分子生物标志物响应，能判别生物降解稠油充 注期次，追踪生物降解稠油油藏成藏过程；

(2)对于多期混合的生物降解原油能计算不同期次充注原油的比例问题。

附图说明

图1本发明利用生物标志物判别地下生物降解原油充注期的技术流程图；

图2a白垩纪末期哈山地区油气运聚模式图；

图2b侏罗纪末期哈山地区油气运聚模式图；

图2c三叠纪末期哈山地区油气运聚模式图；

图3本发明通过源岩热模拟实验获得的镜质体反射率Ro和生标参数TA(Ⅰ)/TA(Ⅰ+ Ⅱ)的定量关系模型图；

图4本发明利用三芳甾烷成熟度参数TA(Ⅰ)/TA(Ⅰ+Ⅱ)和镜质体反射率Ro图版判别 生物降解原油充注期次图；

图5a多期混合型生物降解原油的色谱图；

图5b多期混合型生物降解原油的质荷比m/z＝191质谱图；

图5c多期混合型生物降解原油的质荷比m/z＝217质谱图；

图5d多期混合型生物降解原油的质荷比m/z＝177质谱图；

图6本发明实施例准噶尔盆地哈山地区利用分子生标参数标注的生物降解原油充注期剖 面图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步说明。参阅图1所示的技术流程图，以哈山地区原油 为例详细介绍本发明所述的油藏充注期次的判别方法。

S1：油源对比研究，确定同一套油源。

哈山地区原油的源岩来自旁边的玛湖凹陷二叠系风城组和哈山本区的下覆二叠系风城组 源岩，两套源岩有机质母质类型相似，但是盐度存在差异。因此判别两套油源的依据主要是 反映盐度的生标参数。这里经过研究对比可以选择ETR和新伽马蜡烷参数。根据Holba在2001 的研究，ETR＝(三环萜烷-C₂₈₊₂₉)/Ts，ETR具有很好的热稳定性(在生油窗内，同一套烃源岩 样品的ETR随深度即成熟度，增加无明显变化)与抗降解性(ETR几乎不受生物降解作用的影 响或影响较小,且其具有很强的指相意义，可以较准确得反映湖盆的水介质条件。伽马蜡烷 可以表征海相和非海相烃源岩沉积环境中的分层水体，分层水体通常是纵向高盐度所致；伽 马蜡烷的抵抗生物降解的能力比甾烷和藿烷强，伽马蜡烷的相对富集指示高盐度环境。常用 的伽马蜡烷指数为伽马蜡烷/C₃₀藿烷，针对严重生物降解油的常规生物标志化合物特征，我们 发现用C₂₉藿烷替代C₃₀藿烷计算伽马蜡烷指数(伽马蜡烷/(C₂₉藿烷+C₃₀藿烷)，这里称新伽马蜡 烷指数，研究认为它具有更强的抗生物降解性，并且更能反映生物降解油母质形成的水体环 境。确定了油源对比参数，即可判别生物降解稠油来自哪一套源岩。

S2：根据传统方法，确定某一源岩的排烃期次和对研究区存在可能的原油充注期次。

本案例中，玛湖凹陷是研究样品的源岩。结合玛湖凹陷源岩的生排烃史、和哈山地区构 造演化史、断裂活动史、典型井的埋藏史、流体包裹体特征，可以明确研究区哈山地区有3 期原油充注：三叠纪末期、侏罗纪末期和白垩纪末期，其中三叠纪末期充注的原油，主要聚 集于石炭系和二叠系，成熟度相对较低；白垩纪末期充注的原生原油成熟度高，同时侏罗纪 和白垩纪末期早期成藏的原油被破坏，重新运移聚集，发生生物降解作用。

图2为根据传统技术获得的哈山地区三期成藏期油气运聚模式。

S3：筛选生物降解稠油的分子成熟度参数，并用常规成熟度参数Ro进行定量标定。

对生标成熟度参数进行R_o定量标定，采用自然地质剖面分析结合实验模拟的方法。选取 典型泥岩分布连续的地质剖面，分析该剖面的地质地球化学演化。利用自然地质剖面中的源 岩样品检测到的R_o和生标检测结果，进行R_o和生标成熟度参数定量关系分析。也可利用高温 下热解等模拟实验手段，检测源岩中的干酪根在不同温度下的生标成熟度参数和对应的R_o， 建立两者间的定量关系。这里实验采用高压釜封闭体系加水热模拟方法，将每份样品放在相 同的实验条件下，以相同的升温速率升温到油气生成温阶内的不同温度点(可按50℃间隔)。 实验结束后，一方面对排出原油地球化学特征进行检测，另一方面对每份样品的残余物进行 R_o和生标定量测定。通过实验，可以建立R_o和生标参数TA(Ⅰ)/TA(Ⅰ+Ⅱ)的定量关系，从 而实现对TA(Ⅰ)/TA(Ⅰ+Ⅱ)的标定如图3所示。本案例提供的R_o和生标参数TA(Ⅰ)/TA(Ⅰ +Ⅱ)的定量关系为：

R_o＝231.13x²-2.1776x+0.7137(R²＝0.9966)

上式中x为生标参数TA(Ⅰ)/TA(Ⅰ+Ⅱ)值。

图4为本案例准噶尔盆地哈山地区的生物降解原油TA(Ⅰ)/TA(Ⅰ+Ⅱ)参数分布显示的 三期充注。该参数计算获得的哈浅101石炭系的几个原油样品指示的源岩成熟度R_o多分布于 0.9％左右，显示为第一期原油充注，对应三叠纪末期充注期；哈浅6和哈浅2侏罗系原油所 对应的的成熟度R_o值在1.1％左右，显示为第二期原油充注，对应侏罗纪末期充注期；两个白 垩系原油样品指示的源岩成熟度R_o均达到1.63左右，显示为第三期高成熟度原油充注，对 应白垩纪末期充注期。因此结果显示出不同的成熟度序列，源于多期充注的特征，因此，结 果可以通过该参数的分布将不同生物降解原油的充注期次判别出来。

S4：利用分子生物标志物分析不同充注期次原油的混合属性，计算混合油中不同充注期 原油相应比例。

1)利用分子生物标志物分析不同充注期次原油的混合属性。

对实测地质剖面中的一些原油和油砂进行地质-地球化学研究，对已确定的来自同源的原 油样品中“轻、中、重”烃类化合物进行全面剖析，以初步确定这些样品中不同的充注系列。 由于早期原油的化学组成和后期原油的化学组成相叠加，出现完整的正构烷烃系列和25-降 藿烷系列并存的二重属性或其他多重属性，因此就可以对这些具有典型意义的生标进行重点 分析，从中提取不同时期原油充注的信息。检测和计算出生标成熟度参数分布，可以大致显 示原油不同充注期的成熟度系列。

本案例哈山地区原油或储层岩石抽提物生标特征即有反映出多期充注特征。参阅图5， 以哈浅1井侏罗系稠油样品为例。该样品色谱基线显著抬升、出现未分离复杂混合物(UCM)， 表明严重生物降解(图5a)；部分甾烷和萜烷被受到严重损失，也表明存在有早期严重降解 的原油(图5b,c)；177质谱图上C₂₉25-降藿烷明显，表明严重降解产生(图5d)；仍然存在 正构烷烃等细菌容易降解的优势组分(图5a)，表明有后期新鲜原油叠加，但明显又受到后 期降解的影响，低分子甾烷和萜烷未受到明显损失，也显示具有后期叠加效应。这个样品TA(Ⅰ) /TA(Ⅰ+Ⅱ)参数值为1.1，常规C₂₉甾烷成熟度C₂₉20S/(20S+20R)和C₂₉-ββ/(αα+ββ) 分别为0.48和0.59，具有较高的成熟度。可以推断出这个原油样品包含这样充注过程：早 期原油充注发生严重生物降解、后期较高成熟度原油发生充注叠加、后期充注的原油再发生 轻微-中等降解的过程。

利用该方法可实现对平面和剖面上不同生物降解原油充注期的标定，为分析油气成藏过 程和成藏机理服务。参阅图6，准噶尔盆地哈山地区利用分子生标参数标注的生物降解原油 充注期剖面。从中可以看出，在哈浅6井石炭系和二叠系推覆体上生物降解稠油主要表现为 第一期充注原油，也包含第二期充注原油；在过渡区哈浅2、哈浅4、哈浅5侏罗系原油主要 表现为第二期原油充注；在离凹陷较近的乌2、乌5、和乌10二叠系和侏罗系原油主要表现 为第三期高成熟原油充注。

2)计算混合油中不同充注期原油相应比例。

多期充注混源油比例多采用多端元混合比例计算,端元根据前面研究的充注期次设定。 这里发生了三期充注，因此设为三端元。

首先对参数进行优选，实际上，生物降解混源油混合比例研究的关键就是首先要掌握研 究对象的降解程度,然后选择既能抗该降解程度又能有效区分充注期次的生物标志化合物参 数。本案例中TA(Ⅰ)/TA(Ⅰ+Ⅱ)为最佳反映充注期次的参数。

选取大部分能够代表玛湖来源的原油(风城1、风南4井二叠系原油)和大部分能够代 表哈山本源的原油样品(哈浅6井等石炭系原油)，统计出其参数的平均值作为基准值。

假设混源原油中来自三叠纪末期、侏罗纪末期和白垩纪末期三期充注原油的比例为x、y、 z，则根据三端元理论，则有：

x.a+y.b+z.c＝d

其中a、b、c分别为上述三期充注原油的平均基准值，这里通过典型三期充注原油TA(Ⅰ) /TA(Ⅰ+Ⅱ)值得统计得到其基准值分别为0.85、1.05和1.6。d为所检测混源油的TA(Ⅰ)/ TA(Ⅰ+Ⅱ)值。

根据计算结果，哈浅1井侏罗系混源稠油中分别有23.4％、35.6％和41.0％来源于第一期、 第二期和第三期充注，该结果显示哈浅1井侏罗系混源稠油中来自第三期充注的高成熟原油比 例稍高于其他两期。