塔里木盆地東部地區海相烴源巖超高溫熱模擬實驗研究

賈艷雙

（1.大慶油田有限責任公司勘探開發研究院，黑龍江大慶163712；2.黑龍江省致密油和泥巖油成藏研究重點實驗室，黑龍江大慶163712）

塔里木盆地塔東區塊是大慶油田油氣勘探的最重要接替領域，是四4000×104t穩產的關鍵后備油氣儲量區。塔東區塊幾乎沉積了從震旦系到第四系的所有地層，烴源巖從低成熟到過成熟均有分布。目前，大部分學者認為塔東地區存在2套烴源巖（中下奧陶統—寒武系、侏羅系）和1套潛在烴源巖（中上奧陶統）。絕大多數學者認為，中下奧陶統—寒武系黑色泥巖是塔東主力烴源巖，其有機質豐度高，有機質類型以海相腐泥型為主，目前處于過成熟演化階段。按照傳統理論處于該演化階段的烴源巖其大量生油階段已過,屬已耗盡的烴源巖,不再有生烴的潛力[1-3]。但是對于過成熟烴源巖(Ro值大于2.0%)的生氣潛力到底有沒有?有多少?以往的研究相對較少。同時，受高壓釜材質的限制，傳統實驗的模擬溫度相對較低，生成的烴類不能完全反映源巖的生烴過程。尤其對于演化程度較高的烴源巖，用常規模擬實驗得到的生烴模型，對于評價油氣資源缺乏全面性。為更好地解決這一問題，給烴源巖過成熟階段生氣潛力一個定量評價，本文圍繞這個問題開展了系列實驗研究工作。

1 樣品與實驗方法

1.1 樣品

模擬實驗原始樣品為過成熟黑色泥巖，采自塔東地區早古生界奧套系中奧陶統的井下巖芯樣品，其基本地球化學參數見表1。

表1 中奧陶統黑色泥巖樣品地球化學參數

實驗使用的巖石樣品是巖芯經過粗碎、縮分后得到的，其粒徑小于0.18mm。干酪根是原始樣品經常規干酪根制備流程（GB/T 19144-2010沉積巖中干酪根分離方法）得到的。

1.2 實驗設備

常規高溫高壓反應釜的釜體，大都是采用合金鋼原料做為釜體材料。但合金鋼原料在400℃～450℃以上時有蠕變行為，在600℃時已經不具備強度。經過調研，我們決定嘗試采用耐高溫稀有金屬合金作為釜體材料，經試驗該稀有金屬合金在1400℃～1800℃才有蠕變行動，1800℃時仍然具有很高的強度。因此，最終選定該稀有金屬合金制作高壓釜。

空氣中含有大量的氧氣和氮氣，該稀有金屬合金在300℃～400℃左右會發生氧化反應，在1200℃左右會發生氮化。因此，對其先抽真空再充入保護氣體。另外，高溫下石墨墊的密封性會變差，漏氣會影響模擬實驗的精度。為此，我們設計了水冷式高溫高壓反應釜專利技術來冷卻高溫高壓反應釜石墨密封墊圈，保障石墨墊圈在高溫高壓下不會發生物性變化而喪失密封性。

超高溫模擬實驗裝置與常規模擬實驗裝置相比，具有耐高溫、承受高壓、模擬樣品量大等優點（表2）。

表2 超高溫模擬裝置與常規模擬裝設參數對照表

1.3 實驗方法

本實驗主要研究過成熟烴源巖還有沒有生氣潛力？如果有還能有多大？同時，為探究熱模擬過程中水對生烴量的影響和生成氣體中CO2的來源，分別進行如下2個實驗。

實驗1：巖石110g，加水80g；密閉體系下，迅速升溫至設定溫度。傳統觀點認為源巖在550℃～600℃時生氣能力已經耗盡，因此，為研究過成熟烴源巖的生氣潛力，實驗起始溫度從500℃開始，溫度間隔100℃一個點，一直加熱到1100℃，每個溫度結束后，打開取氣閥門取氣計量并進行碳同位素分析，但樣品仍留在釜內，繼續下一溫度點實驗，每個溫度點恒溫24h。

實驗2：干酪根18g，不加水，其它同實驗1。

該實驗的碳同位素分析是在Isoprime JB357型天然氣穩定同位素質譜儀上完成的，該儀器使用HPPLOTQ型色譜柱（30m×0.32mm×20mm），用氦氣作載氣，進樣口溫度320℃，采用程序升溫，初始溫度為40℃，恒溫3min，然后以25℃/min速率升溫至200℃。

2 結果與討論

2.1 過成熟烴源巖的生烴潛力

從實驗1和實驗2各溫度點產烴率曲線（圖1）可以看出，600℃之前幾乎沒有氣體生成，這是因為樣品成熟度過高（Ro=2.1%），600℃之前的生烴能力已經在地質演化過程中基本消耗完。600℃之后開始大量生烴，表明即使是過成熟的烴源巖，仍然存在一定的生烴潛力。計算不加水實驗累積生烴率為180mL/gTOC。如果600℃之前原始生烴率按500mL/gTOC計算（按照該地區實際成熟度估計值），相當于在常規模擬實驗評價的生烴量基礎上增加26.4%。實驗使用的原始樣品H/C為0.54，理論上如果氫全部轉換為甲烷，能生成甲烷251mL/gTOC，高于本次實驗得到的180mL/gTOC，表明實驗樣品在超高溫條件下的生烴能力已全部消耗。這一結果進一步提升了高演化地區天然氣的資源潛力，也為深層勘探提供了資源基礎。

圖1 加水模擬實驗和不加水模擬實驗各溫度點產烴率曲線

2.2 水對生烴量的影響

有關水對烴源巖中油氣形成的影響,學者們已開展了大量的研究工作[4-7],并逐漸認識到水能促進沉積有機質的熱解生烴作用,并為烴類及其演化產物提供氫和氧;對照加水實驗和不加水實驗的生烴率曲線，可以看到加水實驗1000℃以后生烴量下降，不加水實驗900℃以后生烴量下降。加水模擬實驗累積生烴率為458mL/gTOC，遠超過理論上樣品中的氫全部轉化成甲烷的量，說明水中的氫參與了生烴，而且水參與生烴主要發生在900℃以后。但在地質條件下，由于溫度較低，水參與的生烴反應可能不會發生。

對比2次實驗，發現2種實驗生成的甲烷碳同位素接近，都有隨著溫度的升高而變重的趨勢。造成這種現象的主要原因是受溫度影響，天然氣形成過程中碳同位素存在一定的分餾作用,由于12C-12C鍵能低于13C-12C鍵,干酪根裂解成烴的動力同位素效應表現為在烴類產物中12C相對富集,而反應物中相對富集13C,因而隨著溫度增加,產物中13C質量分數不斷增加,導致碳同位素增重[8]（表3）。

表3 加水實驗和不加水實驗產生氣體的甲烷碳同位素對比

2.3 氣體產物中CO2來源分析

巖石樣品在模擬過程中生成大量的CO2，數量遠多于烴氣。干酪根樣品模擬過程中生成很少的CO2（圖2）。根據天然氣碳同位素特征和各類天然氣鑒別[9]圖版（圖3），巖石樣品生成CO2為無機成因，這說明實驗中生成的CO2來自于無機物（碳酸鹽類）的裂解。

圖2 加水模擬實驗和不加水模擬實驗的CO2生成量

3 結論

（1）超高溫生烴模擬實驗表明，即使是過成熟源巖仍然具有一定的生烴潛力，塔東中奧陶統-寒武系過成熟源巖對油氣資源的貢獻比以往評價的要大。

（2）超高溫條件下水中的氫參與了生烴反應，但在地質條件下，由于溫度較低，水參與的生烴反應可能不會發生。

（3）實驗產生氣體中的CO2來自于無機物（碳酸鹽類）的裂解。

圖3 CO2含量和δ13CCO2關系鑒別CO2成因