烴源巖生烴熱模擬實驗方法及影響因素探討

喬 羽

（大慶油田勘探開發研究院有機地球化學研究室，黑龍江大慶163000）

1 概述

沉積盆地中埋藏有機質熱成熟演化生烴為油氣成藏提供了物質基礎，開展盆地烴源巖生烴熱模擬能夠對烴源巖生烴潛力及資源量進行評價，在沉積盆地油氣勘探中具有重要意義[1]。尤其是伴隨著頁巖油、頁巖氣等非常規油氣資源成為勘探熱點，烴源巖資源量評估顯得尤為重要，生烴熱模擬能夠對原地烴源巖中剩余的油氣資源量進行計算與評估，還能反映烴源巖排烴效率。

有機質熱演化生烴的過程實質是大分子有機干酪根分解為石油及天然氣的過程，這個過程受到溫度、壓力及反應時間的影響，烴源巖熱模擬實驗就是使用時間—溫度補償原理[2]，在實驗室內，通過控制實驗裝置的溫度和壓力條件，對含有有機質的烴源巖進行熱解生烴模擬，將烴源巖在地質過程中低溫條件下緩慢演化過程變為高溫高壓條件下快速演化過程[3]，獲取烴源巖演化的相關參數結果，為沉積盆地烴源巖生烴潛力評價、資源量評估等提供依據。

2 生烴熱模擬實驗方法

烴源巖生烴熱模擬是基于干酪根熱解生烴原理，采用時間—溫度補償的方式開展實驗的。烴源巖熱模擬研究的內容主要有：①模擬不同地質條件下的生烴過程；②不同類型有機質生烴過程及模式；③干酪根熱演化特征；④液態烴類物質生成過程及組成；⑤氣態烴類物質生成過程及組成；⑥烴源巖生烴潛力；⑦有機質成熟度與油氣產率的關系；⑧生物標志物的熱演化特征；⑨無機鹽及礦物質等對有機質熱演化的影響；⑩烴源巖二次生烴熱模擬。烴源巖熱模擬方法按照試驗裝置的不同，分為開放體系、半開放體系和封閉體系。

2.1 開放體系

開放體系熱模擬實驗在開放條件下進行，有機質熱解后，采用流動載氣從熱反應區將烴類物質排出來，然后采用分析化驗裝置進行檢測。常用的分析化驗裝置有Rock-Eval熱解儀、熱解氣相色譜儀、熱解氣相色譜—質譜儀、多冷陷熱解氣相色譜儀。開放體系有機質熱演化生烴產物直接進入檢測系統檢測，無需氣體收集裝置，這種實驗方法能夠較好反映熱解溫度與烴類產物組成的關系，分析速度較快，實驗成本相對較低。

Rock-Eval 熱解儀能夠在線分析多種烴類物質，分析速度快、樣品用量少，適用于低壓、無水條件下連續分析，分析精度高，對于評價烴源巖成熟度及生烴潛力效果較好；熱解氣相色譜儀的組成主要有氣相色譜儀和熱解器，將二者組合使用。試驗時使用一定量的烴源巖樣品置于容器內，然后將容器放入熱解探頭內，設定好熱解溫度，通過改變實驗溫度，模擬在不同溫度條件下熱解產物的演化特征；多冷陷熱解氣相色譜儀通過分析不同成熟階段的有機質熱演化特征，模擬烴源巖不同演化階段生烴類型及生烴量，具有樣品用量少、分析精度高的特點。

2.2 半封閉體系

半封閉體系熱模擬實驗裝置有熱解系統和產物收集系統構成，有機質在熱解系統發生熱演化生烴，大量烴類物質生成使得體積膨脹排出，自吹掃裝置將排出的烴類物質收集，然后烴類物質的組成進行分析，以確定熱模擬溫度與熱演化產物的關系。這種實驗方法適用于恒溫或單點熱解模擬，不能進行連續的生烴熱模擬。

壓實熱解實驗能夠模擬恒溫條件下烴類物質的熱演化，用以摸清溫度和壓力對有機質熱演化的影響。該種實驗方法樣品用量多，對于有機質含量較低的烴源巖比較適用，不適用有機質含量很高的樣品。由于實驗的壓力較高，在較大的壓力作用下，樣品被壓實，烴源巖孔隙度下降，生成的烴類物質難以被排出，使得樣品局部壓力升高，出現異常高壓的情況，使得烴類物質排出不均勻，呈突發式或間歇式排烴。

2.3 封閉體系

封閉體系熱模擬實驗裝置的分析系統通常直接與收集系統連接，烴源巖熱演化產物經富集后，直接進入分析系統進行分析，能夠有效地減少烴源巖熱演化產物的損失。封閉體系能夠分析模擬烴源巖生烴過程中壓力、溫度、水及礦物質對生烴熱演化的影響，并且可以分析烴源巖熱演化生烴最大生氣量。但在封閉條件下，生成的液態產物不能及時排出，在封閉高壓高溫條件下，液態產物會再次發生裂解。封閉體系常用的實驗裝置有真空玻璃管、高壓釜、小體積密封裝置、高溫高壓水熱裝置等。

（1）高壓釜。高壓釜組成部分主要有反應釜、溫度控制器、收集裝置等，模擬實驗開始時，將烴源巖樣品置于高溫反應釜中，調節模擬實驗的反應溫度，使烴源巖中有機質在反應釜中發生熱演化，反應釜中不額外施加壓力，其壓力由生烴熱演化的產物類型和產量決定。然后將反應釜中產物收集，進入分析系統對產物進行定性及定量分析。

（2）真空玻璃管。真空玻璃管裝置由真空玻璃管、氣體收集裝置、分析裝置組成。烴源巖樣品置于真空玻璃管中，進行抽真空后，將玻璃管密封，然后升溫到一定溫度，控制溫度恒定一段時間后，使烴源巖中有機質熱演化生烴，然后將熱演化產物收集，利用色譜分析裝置進行定性及定量分析，這種方法分析樣品用量少，操作簡單，能夠直觀反映烴源巖中有機質的生烴過程。

（3）小體積密封裝置。小體積密封裝置由石英管、密封碎巖裝置、氣相色譜組成，石英管有一定的弧度，模擬實驗時，將含有機質的烴源巖樣品置于石英管內，然后向石英管內填充玻璃珠來排出剩余空氣，玻璃管密封后加熱，控制玻璃管溫度，使有機質在高溫下熱演化生烴，然后使用密封碎樣裝置破碎石英管，連接氣相色譜在線分析熱演化產物。該裝置可以固定升溫速率，開展多溫度點的生烴熱模擬實驗。該裝置能夠真實反映熱演化產物的組成，并且測量的準確率較高，實驗成本相對較低、效率高。但該裝置的缺點是分析樣品量少，適用于有機質豐度較高的烴源巖樣品熱模擬實驗。

3 生烴熱模擬實驗樣品

根據生烴熱模擬實驗目的的不同，實驗樣品的選擇也不同，通常包括地質樣品和標準化合物樣品。常用于模擬實驗的地質樣品有烴源巖全巖樣品及抽提物、現代沉積物及淤泥、干酪根、原油及瀝青等。不同類型地質樣品反映的有機質生烴過程不同。烴源巖全巖樣品能夠反映烴源巖生烴熱演化過程及產物；抽提物為單一組分，能夠模擬單一組分的生烴潛力及對烴源巖生烴的貢獻；干酪根熱模擬實驗能夠排除其它物質對熱模擬過程的影響，分析干酪根在無催化條件下的熱演化過程，受影響較小，能夠真實可靠地反映有機質的熱演化特征。對于有機質含量低的烴源巖樣品，在實驗時樣品用量大，可以提取巖樣中干酪根進行實驗，達到理想的實驗效果。瀝青能夠反演有機質熱演化過程。對原油的熱模擬實驗能夠反映原油在地層中的穩定性，還能用于分析油氣成藏過程及模式。在對地質樣品進行選擇時，通常挑選有機質豐度較高、成熟度較低、有機質類型代表性較好的樣品。

4 影響因素分析

烴源巖生烴熱模擬實驗過程中，實驗的溫度、壓力、介質及催化劑對有機質熱演化生烴影響較大。

（1）溫度的影響。烴源巖生烴熱模擬實驗過程中溫度對演化過程的影響最大。溫度影響熱模擬過程及產物類型。通常熱模擬實驗的溫度控制在300℃～600℃之間，對于加水熱模擬實驗，實驗溫度通常不超過360℃。對于封閉體系實驗，當實驗的干酪根樣品中硫含量較高時，實驗的初始溫度不超過300℃。此外，對于一些特殊的有機質模擬實驗需要根據實際情況選擇實驗溫度。

（2）壓力的影響。在封閉系統中，壓力對生烴熱演化過程的影響主要是能夠抑制體積膨脹反應。研究表明，隨著壓力的增加，干酪根和煤的降解速率變快，熱演化產物中液態烴產率升高，氣態烴的產率變低。在有機質成熟過程中，壓力對已生產的烴類物質排出起到抑制作用。

（3）介質條件的影響。有機質演化過程中的介質條件，指的是在實際地質環境中的地層水、pH值、Eh等影響。在有機質熱演化過程中，水能夠提供反應所需的氫和氧，使得產物中氫氣、二氧化碳、甲烷等飽和烴的產率升高。研究表明，隨著水與有機質的比值增加，熱演化產物中氣態烴和二氧化碳的含量升高。有水條件的模擬實驗較無水條件的模擬實驗更接近自然條件，熱演化產物的組成與自然條件下生成的烴類物質較為接近，具有較好的可比性。因此，加水模擬實驗結果更具有代表性。

（4）催化劑影響。生烴熱模擬實驗中常用的催化劑有礦物和純化學化合物。礦物常見的有粘土礦物、石英、含鈾礦物等，其中，粘土礦物吸附力強，能夠吸附有機質，且對有機質具有較好的選擇性，在生烴過程中起到降低活化能、提升反應速度，粘土礦物的催化效果最好。含鈾礦物具有一定的放射性，在其作用下，有機質生烴量明顯增加，具有加速有機質熱演化的效果。方解石在生烴演化過程中作用較弱，其催化效果基本可以忽略不計。

5 結束語

烴源巖生烴熱模擬實驗能夠再現烴類物質生成過程，從而厘清有機質熱演化生烴機理，實現定量分析地質歷史過程中油氣的生成量，對于準確評價沉積盆地油氣資源量意義重大。隨著頁巖氣、頁巖油、致密砂巖油氣藏等非常規油氣資源開發成為熱點，對非常規油氣藏中有機質開展二次裂解動力學模擬、高溫高壓條件下烴源巖排烴模擬實驗、有機質、地層水和礦物質相互作用模擬實驗等將成為烴源巖生烴熱模擬的發展方向。要持續開展烴源巖生烴熱模擬實驗技術研究，為非常規油氣資源開發提供可靠的技術手段。