一种煤系烃源岩中生烃单组分氢指数定量研究方法

摘要

本发明提供了一种煤系烃源岩中生烃单组分氢指数定量研究方法。所述方法包括如下步骤：(1)获取研究区域不同岩性烃源岩的全岩显微组分含量数据和岩石热解分析数据；(2)根据步骤(1)得到的全岩显微组分含量和岩石热解分析数据建立不同岩性烃源岩多种显微组分含量在一定成熟范围内与有机碳含量(TOC)、热解烃量(S

说明书

技术领域

本发明涉及石油天然气地质学和油气地球化学的基础研究领域。具体的说，本发明涉及一种煤系不同岩性烃源岩中生烃单组分氢指数定量研究方法。

背景技术

在我国的天然气工业中，煤成气占有极重要地位。而作为煤成气源岩的煤系烃源岩，其评价工作对煤成气的勘探和资源评价同样具有举足轻重的作用。

众所周知，煤系中常存在三种不同类型的烃源岩，即煤系泥岩、炭质泥岩和煤。不同类型的煤系烃源岩，有机质堆积方式、沉积环境、生物化学作用过程、有机质保存条件、生烃显微组分含量与组成等均存在一定差别。这种差别也会导致不同岩性烃源岩的生气潜力存在较大差异。研究表明，煤系不同岩性烃源岩中，不仅生烃显微组分较多(壳质组、腐泥组、富氢镜质组等)，而且生烃组分的组成也存在一定差别。如泥岩中的壳质组主要以壳屑体为主，而煤和炭质泥岩中则以完整形成的壳质组分主为；泥岩中的镜质组以镜屑体为主，基质镜质体含量低。而煤和炭质泥岩中基质镜质体含量明显较高，镜屑体含量明显较低。上述差异表明，不仅不同岩性煤系烃源岩中的生烃组分存在差别，而不同岩性中的相同显微组分，其富氢程度和生烃潜力也存在差别，即单组分的氢指数也存在差别。根本原因，是在生物化学作用过程中，化能异养微生物在分解、消耗原始有机质(底物)的同时，也会通过四种基本途径(EMP途径(糖酵解途径)、HMP途径(己糖-磷酸途径)、ED途径(2-酮-3-脱氧-6-磷酸葡萄糖酸裂解途径)和TCA循环(三羧酸循环))脱氢，使底物有机质的富氢程度降低，氢指数降低。也就是说，即便不同岩性中的相同的显微组分(如孢子体)，尽管其前身物的生物化学成分相同，由于有机质堆积方式、沉积环境条件等的差异，所经受的生物化学作用程度也存在较大差别。

通过对中国专利数据库文献检索表明，未检索出相关的专利文献。而在非专利文献中，传统的研究方法，是通过单组分的分离、富集方法得到一定纯度的单组分后，通过岩石热解分析得到相应显微组分的氢指数(IH)。据刘德汉等(煤岩显微组分的成烃实验研究与评价，科学通报，2000)的报道，煤中相对集的显微组分(如基质镜质体、均质镜质体和惰质体)可在显微镜下进行直接挑选富集。而一些含量较低，但生烃意义较大的显微组分，则需要通过重液分离的方法进行富集。许锦等也报道了富有机质烃源岩中显微组分分离方法(富有机质烃源岩中显微组分分离及地球化学特征研究，石油实验地质，2018)，其特点是利用了干酪根分离、重液富集的方法。但这种方法存在的问题也是十分明显的。其一，需要从烃源岩中分离出相应的单组分。受分离方法的限制，分离出的显微组分纯度往往不能达到100％。从云南禄劝腐殖煤中分离的角质体，纯度只有78％；从加拿大志留系腐殖煤分离出的孢子体纯度只有77％；其二，部分显微组分(如孢子体、角质体等)不仅含量低，同时与围岩接触紧密，难以从泥岩或炭质泥岩中分离出相应的组分。从现有的文献资料来看，现有的用以热解分析得到氢指数的单组分，均来自煤的分离结果，没有文献报道泥岩和炭质泥岩中某种显微组分氢指数的分布情况。也就是说，从泥岩或炭质泥岩中分离得到某一生烃组分需要通过干酪根的制备过程并再行富集。因此，这也跟煤系不同岩性烃源岩生烃差异性的研究带来了极大的困难。

事实上，不同岩性的煤系烃源岩中，相同显微组分的生烃意义存在较大差别。王飞宇等(吐哈盆地侏罗系煤中超微类脂体特征和演化，煤田地质与勘探，1997)的研究认为，作为富氢镜质体，基质镜质体的生烃作用主要存在于煤与少量的炭质泥岩中。也就是说，煤系不同岩性中的基质镜质体，其氢指数存在较大差别。

上述现象是具有普遍意义的。由于镜质组来源于高等植物的木质纤维组织，本身不具生烃潜力，因而基质镜质体中的生烃物质来源于外来物质或再生有机质，体现了生物化学作用程度和有机质保存条件对基质镜质体化学组成的影响。对煤系泥岩和炭质泥岩而言，这种影响也是同时存在的。因此，受煤系显微组分分离技术的制约，现有的技术背景不可能实现对不同岩性中相同生烃显微组分生烃属性或氢指数的定量研究。这也是本项发明的基准点和出发的。旨在为煤系中不同岩性烃源岩生烃差异性的评价提供理论基础和事实依据。

发明内容

本发明的目的在于提供一种煤系烃源岩中生烃单组分氢指数定量研究方法。

含煤盆地中烃源岩中的显微组分是煤成油气形成的物质基础。而不同岩性烃源岩生烃潜力和生烃机理的差异，主要取决于其中生烃显微组分富氢程度(氢指数)的差异，与含煤盆地油气资源评价、煤成烃的理论研究等密切相关。本发明的目的，是通过有机岩石学和有机地球化学相结合的研究方法，在不需要对烃源岩中的显微组分进行分离的前提下，采用全岩显微组定量资料和岩石热解分析资料，定量研究烃源岩中生烃显微组分氢指数分布特征，综合研究不同岩性煤系烃源岩生烃属性的差异，为油气资源评价、煤成烃(煤成油和煤成气)的理论研究和勘探实践提供基础资料和事实依据。

为达上述目的，本发明提供了一种煤系烃源岩中生烃单组分氢指数定量研究方法，其中，所述方法包括如下步骤：

(1)获取研究区域不同岩性烃源岩的显微组分含量数据和岩石热解分析数据；

(2)根据步骤(1)得到的显微组分含量数据和岩石热解分析数据，建立成熟度相同或相近的不同岩性烃源岩显微组分含量与有机碳含量和热解烃量的多元拟合计算模型；

(3)依据步骤(2)获得的多元拟合计算模型，定量计算不同生烃显微组分对有机碳含量和热解烃量的贡献分量；

(4)根据步骤(3)的计算结果和氢指数的定义，定量计算煤系烃源岩中生烃单组分的氢指数。

其中可以理解的是，本发明上述步骤的编号(1)、(2)、(3)、(4)仅仅表示对各步骤的编号，而不表示特定的顺序的限定。但根据本发明一些具体实施方案，本发明的方法是按照上述步骤(1)、步骤(2)、步骤(3)和步骤(4)顺序依次进行的。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)包括：采集研究区域不同岩性烃源岩样品，获取不同岩性烃源岩的全岩显微组分含量数据、岩石热解分析数据以及氯仿沥青“A”含量数据。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)采集研究区域不同岩性烃源岩包括不同岩性烃源岩样一般不少5个，且系同层位样品。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)包括依据中华人民共和国国家标准GB/T 15588-2001获取研究区域不同岩性烃源岩的显微组分含量数据；依据中华人民共和国国家标准GB/T 18602-2001获取岩石热解分析数据。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(1)包括依据中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 5118-2005获取相应烃源岩氯仿沥青“A”含量数据。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(2)包括：分别建立不同岩性烃源岩中显微组分含量(单位体积烃源岩中显微组分体积百分含量)与有机碳含量多元拟合计算模型、以及不同岩性烃源岩中不同生烃显微组分含量与热解烃量的多元拟合计算模型。

根据本发明一些具体实施方案，步骤(2)的建立不同岩性烃源岩不同显微组分含量与有机碳含量多元拟合计算模型，包括利用不同岩性烃源岩中不同显微组分(镜质组(V)、壳质组(E)和惰性组(I))对有机碳含量的贡献分量系数、以及不同显微组分含量数据计算不同岩性烃源岩的有机碳含量；

建立不同岩性烃源岩中不同生烃显微组分含量与热解烃量的多元拟合计算模型，包括利用烃源岩中氯仿沥青“A”、不同生烃显微组分对应热解烃量的贡献分量系数、以及氯仿沥青“A”含量和生烃显微组分含量数据计算不同岩性烃源岩的热解烃量。

根据本发明一些具体实施方案，根据烃源岩中不同显微组分含量，通过多元拟合计算模型计算不同显微组分对TOC的贡献分量系数。根据不同显微组分对TOC的贡献分量系数，计算不同显微组分对烃源岩TOC含量的贡献值。

根据烃源岩中生烃显微组分的含量(单位体积烃源岩中生烃显微组分体积百分含量)，通过相应的多元拟合计算模型，计算不同生烃显微组分对热解烃量(S

根据本发明一些具体实施方案，其中，所述显微组分选自镜质组、壳质组和惰性组。

根据本发明一些具体实施方案，其中，不同岩性烃源岩不同显微组分含量与有机碳含量多元拟合计算模型如下式(1)所示，不同岩性烃源岩中不同生烃显微组分含量与热解烃量的多元拟合计算模型如下式(2)所示：

TOC

其中，TOC

S

其中，S

烃源岩的显微组分含量是岩石中各类显微组分的体积百分含量。

依据中华人民共和国国家标准GB/T 15588-2001，显微组分分为镜质组(V)、壳质组(E)和惰性组(I)。

其中，显微组分组中，镜质组可进一步可区分为结构镜质体(T)、无结构镜质体(C)和碎屑镜质体(又称镜屑体，Vd)；壳质组可进一步区分为孢粉体(Sp)、角质体(Cu)、树脂体(Re)、藻类体(Alg)等亚组分。

假计煤系中存在n种生烃组分。在一定的成熟度范围内，煤源岩的热解烃量是不同生烃显微组分产生的热解烃量的和式形式，具有加和性。

值得注意的是，烃源岩的氯仿沥青“A”一方面是生烃组分生成的可溶有机质，同时，由于煤的氯仿沥青“A”含量较高，其含量和性质也会对热解参数S

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(2)包括根据每个样品的一组显微组分含量和岩石热解分析数据，建立单个样品TOC或S

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(3)包括利用最小二乘原理和多元函数求极限的方法，通过超定方程组(或矛盾方程组)的求解方法即可得到不同生烃显微组分对有机碳含量(TOC)和热解烃量(S

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(3)包括利用公式(1)和公式(2)，用最小二乘原理和多元函数求极限的方法，通过超定方程组的求解方法即可得到不同生烃显微组分组分对有机碳含量和热解烃量的贡献分量。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(4)包括根据步骤(3)的计算结果和氢指数的定义，利用有机碳含量和热解烃量计算得到煤系烃源岩中生烃单组分的氢指数。

根据本发明一些具体实施方案，其中，步骤(4)包括根据步骤(3)的计算结果和氢指数的定义，利用如下公式(3)定量计算煤系烃源岩中生烃单组分的氢指数I

I

其中，I

烃源岩的氢指数I

理论上，如能从不同岩性的煤系烃源岩中分离得到相同的显微组分，通过岩石热解分析，即可得到不同岩性烃源岩中相同显微组分的氢指数。实际工作过程中，由于受显微组分分离技术的限制，即便可从部分煤样中分离得部分显微组分，但难以从相同层位不同岩性的烃源岩中得到相同的显微组分。如从某些煤样中可分离得到孢子体，但现阶段仍无法从相应层位的炭质泥岩和煤系泥岩中分离得到孢子体，因而也从法对比分析孢子体在不同岩性中的差异情况，也无法研究和评价煤系不同岩性烃源岩生烃机理、生烃潜力差异性，也为煤系生烃潜力评价标准的制定带来了困难。在现行的中华人民共和国石油天然气行业标准(陆相烃源岩地球化学评价方法，SY/T 5735 1995)中是将不同岩性中相同显微组分的氢指数和生烃意义是等同对待的。

综上所述，本发明提供了一种煤系烃源岩中生烃单组分氢指数定量研究方法。本发明的方法具有如下优点：

本发明方法不仅省去了大量繁琐的显微组分分离工作，忽略了显微组分分离纯度对实验参数的影响，同时还可定量研究不同岩性中相同显微组分的氢指数差异，进而可为煤系中富氢有机质的富集规律、不同岩性中显微组分生烃差异性、不同岩性烃源岩生烃潜力的定性、定量评价和煤系油气资源量的计算提供定量依据。

附图说明

图1为本发明的实施流程图。

具体实施方式

以下通过具体实施例详细说明本发明的实施过程和产生的有益效果，旨在帮助阅读者更好地理解本发明的实质和特点，不作为对本案可实施范围的限定。

实施例1

吐哈盆地是我国最早发现具有煤成油工业聚集的含油气盆地。烃源岩主要是侏罗系含煤沉积。盆地内的烃源岩包括煤、炭质泥岩和煤系泥岩。研究表明，不同岩性的烃源岩，显微组分含量、组成和岩石热解参数均存在一定的差异。由于上述特点，须对不同岩性煤系烃源岩的生烃差异性进行全面研究。传统的观点和研究方法，已不能解释该地区不同岩性烃源岩中显微组分生烃的差异性和生烃演化特点。下面结合吐哈盆地不同岩性煤系烃源岩单组分氢指数的研究实例及附图，对本发明进行详细说明。由图1可知，本发明具体实施方式如下：

1、获取研究区域不同岩性烃源岩的全岩显微组分含量数据和岩石热解分析数据

1.1采集研究区域不同岩性烃源岩(不同岩性烃源岩一般不少5个，最好同层位)，依据中华人民共和国国家标准GB/T 15588-2001获取有机显微组分矿物含量数据，吐哈盆地侏罗系23个不同岩性样品显微组分含量数据如表1所示；依据中华人民共和国国家标准GB/T 18602-2001获取不同岩性烃源岩热解分析数据，结果如表2所示。

1.2依据中华人民共和国石油天然气行业标准SY/T 5118-2005获取相应烃源岩氯仿沥青“A”含量数据,列于表2中。

2、建立不同岩性烃源岩多种显微组分在一定成熟范围内与有机碳含量(TOC)、热解烃量(S

2.1建立烃源岩显微组分含量与有机碳(TOC，％)含量多元拟合计算模型。

烃源岩的显微组分含量是岩石中各类显微组分的体积百分含量。依据中华人民共和国国家标准GB/T 15588-2001，显微组分或划分为镜质组(V)、壳质组(E)和惰性组(I)。因此，在不区分显微组中亚组分组成差异的情况下(如镜质组中结构镜质体、均质镜质体和基质镜质体的碳元素含量是基本相同的)，根据有机碳含量的加权加和性，在烃源岩有机碳含量TOC

TOC

式中，TOC

2.2建立烃源岩显微组分含量与热解烃量(S

根据国家科技重大专项《大型油气田及煤层气开发》(项目编号：2011ZX05007)中《我国主要含煤盆地气源岩地球化学特征及分布研究》专题(专题编号2011ZX05007-001-01)的研究认识，煤系中主要生烃组分为壳质组(E)和基质镜质体(C2)，而其它镜质体(包括结构镜质体(T)、均质镜质体(C1)、碎屑镜质体(Vd))、惰性组(I)对热解烃量(S

依据2.1中基本原理，可建立烃源岩显微组分含量与热解烃量(S

S

式中，S

3、依据多元拟合计算模型，定量计算不同岩性烃源岩中单组分对TOC和S

3.1根据每个样品的一组显微组分含量和岩石热解分析数据，可建立单个样品TOC或S

3.2利用最小二乘原理和多元函数求极限的方法，通过超定方程组(或矛盾方程组)的求解过程即可得到(1)式和(2)式的拟合关系式。利用表1和中显微组分含量，通过拟合关系可计算得到烃源岩TOC和S

4、根据3.1的多元拟合计算结果和氢指数的定义，定量计算生烃组分的氢指数

烃源岩的氢指数I

5、依据表1的数据，利用拟合关系式，可计算得到烃源岩TOC含量和热解生烃潜量S