有機質熱演化過程中異常壓力的作用

摘 要：為深入研究東濮凹陷異常超壓對有機質熱演化的影響，與中國科學院廣州地球化學研究所劉金鐘博士進行合作，改變傳統有機質高壓模擬實驗方法，用實際烴源巖泥巖樣代替干酪根，采用多種方式的高溫高壓熱模擬實驗，證實了壓力達到一定值時可以對有機質的生烴過程產生抑制作用，這個值稱之為壓力抑制門限，與有機質的成熟度和類型有關。異常壓力在烴源巖成熟之前發育是超壓對有機質熱演化產生抑制作用的重要條件。

主題詞：有機質；熱演化；超壓抑制；高壓模擬實驗；

東濮凹陷東、西兩個洼陷帶沙河街組沙三、沙四段發育三套厚層鹽巖段和多套大范圍分布的深、半深湖相的厚層泥頁巖，是主要烴源巖，以異常高壓發育而著稱，地層壓力系數在1.3～1.8之間，相應形成兩個超高壓中心，為研究異常孔隙流體壓力對有機質熱演化和生烴作用的影響提供了良好的場所。

1 超壓抑制作用的提出

有關壓力在有機質熱演化過程中的作用的激烈爭論，反映了壓力作用的復雜性和研究難度。在有機質熱演化和油氣生成過程中，超壓的存在又使油氣生成速率降低，液態窗的下限下移，表明了壓力的抑制作用[1-2]。壓力并非是唯一的化學動力學因素，與溫度、時間共同起作用[3]。

正是由于異常壓力在沉積盆地演化過程中最終將被釋放，以及高壓模擬實驗自身的缺陷，至今在壓力對有機質熱演化影響的問題上還沒有一個明確的認識。通過地質、地球化學及有機質熱演化模擬技術，在東濮凹陷深層發現超壓地層有機質熱演化受到明顯的抑制作用。

2 超壓抑制作用證據

2.1烴源巖地球化學指標

東部洼陷帶的Ps4、Ps7井，西部洼陷帶的Ps13等井鏡質體反射率與最高熱解峰不連續而呈明顯的兩段式，拐點在4000m附近（圖1），下段相對上段明顯變陡，與地層壓力的異常超壓段相對應。正常壓力系統中，Ro和Tmax相互吻合，隨埋深增加和地溫升高而逐漸升高，通常情況下，Ro的對數與埋深呈線性關系，并且可以根據淺部的變化趨勢預測深部有機質的熱演化程度。上述資料表明，Ro和Tmax下段的實測值明顯低于上段Ro和Tmax趨勢線的預測值，表明有機質的熱演化程度與其受熱史不匹配，換言之，下段有機質的熱演化明顯受到抑制。

含氧基團（1710cm-1）隨埋深增加而發生震蕩性變化，說明含氧基團的釋放并非經典學說主張的那樣，在演化早期就釋放殆盡，東部洼陷帶的Ps4、Ps10井甚至在深達5000m之下干酪根紅外光譜上仍顯示有含氧基團存在，證實了東濮凹陷深層有機質熱演化的抑制作用。另外，Ps7井在5537.5～5582m井段，脫氣分析中甲烷含量小于60%，在5613.2m還見淺棕色凝析油，對應地溫為197℃，說明干氣分布深度應大于5600m，這也證實有機質熱演化的滯后作用。

2.2高溫高壓熱模擬實驗

為深入研究東濮凹陷異常超壓對有機質熱演化的影響，與中國科學院廣州地球化學研究所劉金鐘博士進行合作，改變了傳統的有機質高壓模擬實驗方法，用實際烴源巖泥巖樣代替干酪根，采用多種方式的高溫高壓熱模擬實驗。

（1）實驗流程及方法

用動力學方法進行干酪根生烴研究及油氣評價是當前國際上新興的有機地化研究方法之一。20世紀90年代中期以來，美國Chevron石油公司與Lawrence Livermore國家實驗室及法國石油學院（IFP）合作，研制了一套壓力體系下干酪根生烴動力學實驗設備并建立了成熟的實驗流程，此項技術已應用于美國、加拿大、澳大利亞、印尼、中國南海等地的十余個油氣田的地化研究及油氣勘探中，取得了很好的效果。

（2）實驗樣品

由于干酪根分離過程可導致有機質物理、化學結構的破壞，利用未經處理的巖樣能夠更好地模擬自然條件下有機質的熱演化和生烴過程，但其缺點是設備昂貴，模擬周期較長。為了更好地揭示東濮凹陷深層有機質的熱演化規律，本次研究采用巖樣進行模擬實驗。在綜合分析研究區烴源巖發育特征后，初步采取高溫高壓有機質生烴模擬樣品10塊，最后選取5塊不同部位、不同成熟度的樣品進行熱模擬，歷時3個月。主要作了不同溫度壓力的生氣模擬與生油模擬兩個方面的工作。

（3）實驗結果

Ps7井同一樣品在三組相同溫度490℃、530℃和550℃條件下生烴量（C1～C5）隨壓力的變化情況（圖2）：在490℃和530℃條件下，當壓力小于67MPa時，生烴量增加；當壓力大于67MPa時，生烴量不變或減少。在550℃條件下，實驗壓力均大于67MPa時，樣品的產烴量隨壓力升高迅速減少。

圖3是Ps7井同一樣品在不同溫度、壓力條件下C+10產量的變化情況：實驗溫度從490℃上升到530℃時，生烴量減少；在530℃條件下，實驗壓力從50MPa上升到108MPa，當壓力均小于67MPa時，樣品的產烴量隨壓力升高而增加，當壓力均大于67MPa時，樣品的產烴量隨壓力升高而迅速減少。

圖4是H96井同一樣品在兩組相同溫度490℃和530℃條件下C+10產量隨壓力的變化情況：在490℃條件下，壓力從45MPa上升到81MPa時，生烴量隨壓力增加而減少；在530℃條件下，壓力從50MPa上升到108MPa，樣品的產烴量總體上隨壓力升高而減少。其它如W155、W209、H21井的實驗也具有類似結果。上述實驗結果表明，壓力可以對有機質的生烴過程產生抑制作用，但必須達到一定值時才對有機質的熱演化生烴產生明顯的抑制作用[4]，這個值稱之為壓力抑制門限，與有機質的成熟度和類型有關。

3 壓力抑制作用的動力學機制

在沒有異常地層壓力作用下，烴源巖模擬計算的鏡質體反射率與地層實測的相吻合。前面提到東濮凹陷深洼部位鏡質體反射率呈明顯的兩段式，上段可以認為是在正常地層壓力下鏡質體反射率的變化趨勢，因此用上段變化趨勢預測的Ro與下段地層實測Ro值之差可以反應壓力對有機質熱演化的抑制程度，這個差值稱之為超壓抑制指數，并隨孔隙流體壓力和壓力系數的增加而增大。

異常超壓通常發生在快速沉降的盆地中，但很多盆地強超壓發育層段的有機質熱演化并沒有出現明顯的異常，壓力對有機質熱演化和生烴作用的抑制作用是有條件的。東濮凹陷的異常壓力發育可分為兩種情況：以泥巖和鹽巖為主的地層單元中，在有機質未成熟或低成熟階段由于快速沉降和不均衡壓實形成的異常壓力，對有機質熱演化而言屬早期自源超壓，在洼陷帶部位的異常超壓均屬于這類成因，這類超壓對有機質演化有明顯的抑制作用；在烴源巖成熟度達到相當高的階段，在砂巖含量相對較高的地層中發育晚期超壓，如洼陷帶兩側隆起部位與斜坡帶發育的超壓系統，晚期超壓對有機質熱演化沒有明顯的影響。東濮凹陷中央隆起帶與斜坡帶以發育常壓為主，壓力系數多小于1.3，從烴源巖的各種地球化學指標上基本沒有發現有機質熱演化出現明顯異常的跡象；而在東濮凹陷的東、西洼陷帶，壓力系數普遍大于1.5，烴源巖各種地球化學指標及高溫高壓熱模擬實驗，都顯示出有機質熱演化受到明顯的抑制，特別是當壓力系數達到1.7以上時，有機質熱演化的抑制作用非常明顯，如濮深7井、濮深13井和胡96井等深層有機質熱演化受到明顯的抑制。Hill and Tang（1994）在300℃恒溫變壓熱解實驗中發現，當壓力大于600bar時，壓力對有機質演化的抑制作用非常明顯，而當壓力小于600bar時，壓力對有機質熱演化的影響不明顯。對于不同地質條件和不同成熟度有機質，產生抑制效應的壓力門限值差異很大。異常壓力發育時，如果有機質成熟度越高，產生抑制效應的壓力門限值越大，如濮深7井樣品熱演化程度較高（Ro=1.52%），壓力抑制門限大致在67MPa，胡96井樣品熱演化程度相對低一些（Ro=1.26%），壓力抑制門限大致在45MPa。

因此，異常壓力在烴源巖成熟之前發育是超壓對有機質熱演化產生抑制作用的重要條件。

4 結論

東濮凹陷高溫高壓熱模擬實驗及地化指標明確顯示深洼部位烴源巖有機質的熱演化在超壓環境下受到明顯的抑制作用。高溫高壓環境一方面促進了有機質熱演化，另一方面高壓環境也控制了有機質的演化[5]，拓展了生烴窗的范圍，即使到現在源巖仍處于活躍生烴階段，為晚期成藏提供了充足的烴源[6]。

從生烴層系上看，沙河街組沙三下～沙四上為東濮凹陷的主力烴源巖，主要分布在深洼部位，而深洼長期發育異常超壓，強超壓又延緩了有機質的熱演化速率，從而擴大了生（油）氣的深度范圍，原來圈定的生烴窗范圍還應該擴大，深層油氣資源應該增加，因此，在進行有機質熱演化模擬計算時必須考慮壓力因素對有機質熱演化的抑制作用。

超壓抑制作用也很好的解釋了東濮凹陷深層油型氣以凝析氣藏為主且環洼陷富集的規律。東濮凹陷深層具有較高的生烴潛力，這對深層的油氣勘探具有重要意義。

參考文獻

[1] 王兆云，趙文智，何海清. 超壓與烴類生成相互作用關系及對油氣運聚成藏的影響[J].石油勘探與開發，2002，29（4）：12-15.

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[3] 倪建華，張坤等.鶯瓊盆地高溫超壓成烴作用及成藏貢獻[J].天然氣勘探與開發.2001，24（3）：39-46.

[4] 李志，竇立榮，艾小蘭.異常高壓與油氣的生成[J].石油勘探與開發.2003，30（5）：28-30

[5] 何光玉.機質成熟史模擬探討[J].地質地球化學.2000，28（3）：82-86

[6] 郝芳，鄒光耀等.沉積盆地超壓系統演化與深層油氣成藏條件[J].地球科學：中國地質大學學報.2002，27（5）：610-615