地质过程中的定量计算

1、我国煤系烃源岩排烃史恢复研究进展 二一五年十二月 摘要：煤系烃源岩排烃作用的研究在20世纪80年代以后取得了很大进展，主要体现在对烃源岩的排烃机理及控制因素的分析、煤成油排驱的理论研究及勘探突破、幕式排液的探讨及压实压裂双端元排烃模型的建立等方面。在针对研究现状分析的基础上，提出了几点研究方向及展望：加强对烃源岩剖面排烃特征的高分辨率研究，建立压实欠压实压裂三端元排烃模型，深入探讨排烃与油气成藏的关系。关键词：煤系烃源岩 排烃作用 幕式排液 排烃模型目 录1引言12.现阶段主要研究进展12.1烃类的排驱机理及控制因素12.2煤成油的排驱机理22.3影响煤排烃的内因和外因如下32.4地应力42.

2、5幕式排液52.6压实排烃模型52.7仿真地层条件下生排烃模拟实验技术62.8煤层吸附气量的确定方法63研究方向及展望63.1烃源岩剖面排烃特征的高分辨率研究73.2建立三端元排烃模型73.3对烃源岩排烃进行分级评价83.4烃源岩排烃与油气成藏的关系9参考文献1011引言烃源岩作为石油、天然气的母源，在油气地质研究和油气勘探中占有相当重要的位置。特别是自70年代以来，随着石油工业的高速发展，石油地质理论研究日益活跃，以烃源岩为研究对象的有机岩石学脱颖而出，成为一门崭新的分支学科。有机岩石学的诞生及其与有机地球化学的密切结合，极大地促进了油气源岩的研究和评价，有力地推动了油气资源勘探工作的大力发

3、展。以往烃源岩研究主要包括对陆相和海相泥质烃源岩和碳酸盐岩烃源岩的研究。60年代末到70年代初，煤成烃（油、气）理论的提出，极大地丰富了烃源岩的内涵，从而引起了人们对煤系地层烃源岩（称之为煤源岩）评价的极大兴趣。自80年代以来，煤成烃理论体系的形成和煤成油气勘探实践的成功，一方面冲击了传统的石油成因理论，开阔了人们的视野，另一方面丰富和发展了烃源岩研究内容，它不但研究有机质呈分散状态存在的泥岩和碳酸盐岩烃源岩，而且也研究有机质呈富集状态存在的煤，从而拓宽了寻找油气资源的领域。进入90年代以后，由于经济全球化的高速发展，受国际石油市场复杂多变的影响，石油勘探研究更多地与经济效益联系起来。同样，人

4、们在研究生烃作用的同时，将更多的注意力集中于对煤系烃源岩的排烃能力和煤成烃运移、聚集和成藏系统的综合研究，因为这直接决定着煤系烃源岩能否形成油气藏以及其有无商业价值或价值大小。这样研究内容就涉及到煤源岩的物理性质（包括孔隙结构、吸附性质等）、油效率、油气运移以及与之相配套的储集层、盖层、圈闭及与成藏有关的问题1。烃源岩的排烃作用在资源评价中更具有重要的研究意义，但其研究一直被认为是石油地质领域中的薄弱环节2。人们着重于对油气排烃过程的分析始于20世纪80年代，前人提出了独立油相排烃、孔隙中心网络运移、干酪根网络运移、异常高压幕式排烃等多种模式对排烃机理进行分析3。2.现阶段主要研究进展2.1烃

5、类的排驱机理及控制因素烃源岩的排烃机理决定了烃源岩的有效性与否。对于排烃机理问题，各学者仍持不同观点。烃类的排出包括2个连续的过程，生成的烃类从干酪根中得到释放以及释放出来的烃类从源岩内经过初次运移向外排出4。一种观点认为，烃类从干酪根中释放是烃类排出的关键过程，而烃类从源岩内向外排出过程并不那么重要5。而另一观点则认为，烃类排出很大程度取决于源岩内烃类运移的可能机制，它受几方面因素的控制6，如有机质含量及有机质类型、排烃的临界含油饱和度、源岩内有效的运移通道、烃源岩内压力的分布及微裂缝的发育情况，对于气溶相的液态烃的排出还受气态烃是否来源充足影响7。2.2煤成油的排驱机理煤系烃源岩煤岩和泥岩

6、生烃性能的模拟实验表明，泥岩在350-400间有“突变”阶段，能大量生烃，有利于烃的排出和运移2。相比之下，煤岩由于它的生烃组分的多样性，呈接力交替式生烃，从而表现出它的生烃时间长，排油的时间早，油气排出呈渐增的特点，在350-400阶段，烃的含量没有呈指数增加，研究不同演化阶段煤岩的结构反映了它既具烃源岩，在一定条件下又具储集岩（储气或储水）的性能。由此说明，煤岩中的液态烃即使发生初次运移，也是比较困难或是需要一定条件的。液态烃在煤岩中运移是一个复杂的问题，需要专门研究8。煤成油的排驱与运移研究是石油地球化学中的一个薄弱环节。从宏观而言，煤成油的排烃机理与一般泥质烃源岩的排烃机理是统一的，如

7、必须满足烃源岩排烃的临界条件，排烃过程的演化都遵循水溶、油溶到气溶式运移等，但普遍规律中包含着特殊性，煤系源岩特殊的结构特征决定了其排烃门槛高、排烃动力弱，具有更高的排烃难度。因此对于煤系烃源岩的研究还有很多问题需要解决。Given（1984）认为镜质体是由数量巨大的各种小的分子通过交联而形成的网状大分子聚合物为单位以物理方式混合而成的混合物，煤内部的结构是无比复杂的，这种复杂性还表现在同一显微组分间化学组成不均匀性、微观的不均匀性、不同层间某些显微组分含量的差异、同一层内垂直和水平方向上显微组分组成的变化，以及沉积环境和沉积后环境因素和地层连续性、煤系间砂岩页岩互层等。即使在同一亚显微组分之

8、间也还存在化学性质方面的差异，如镜质体就包括富氢镜质体和贫氢镜质体。所有这些差异性都会或多或少对烃类在煤中的初次运移产生影响。2.3影响煤排烃的内因和外因如下（l）煤岩的孔隙结构和吸附性能煤层是一种非常规储层，它以吸附的方式富集烃而区别于常规储层。煤岩对烃类具有较强的吸附能力，这与煤岩的结构有关2。煤岩是一种多孔介质，有很大的内表面积。在煤岩的内表面上，分子的吸引力一部分指向内部，已饱和；另一部分指向外部，没有饱和，具有自由基，从而在煤岩表面产生吸附场，吸附周围分子9。这种吸附是通过范德华力的作用完成的，是一种物理吸附。吸附速度开始很快，随时间推移而变，由于是表面作用，被吸附的烃类分子容易从煤

9、岩表面脱落下来，进入游离相，当吸附与脱落等速时，吸附就达到平衡。（2）煤岩的演变程度煤岩的吸附量与煤化程度呈较复杂的曲线关系。在Ro为0.50%1.20%阶段，随煤化程度增高，孔隙度降低，吸附量减少；当Ro=1.2%4.0%时，随煤化程度增加，孔隙度升高，吸附量呈直线上升。当Ro>6.0（无烟煤一号）以后，由于煤岩的基本结构单元趋于紧密排列，孔隙度极度降低，吸附能力急剧下降。（3）煤岩显微组分煤岩组分对吸附能力有明显的影响。研究结果表明，对低中演变阶段的煤岩（长焰煤瘦煤）而言，煤岩的不同显微组分吸附能力的顺序是胞腔未被充填的结构丝质体>镜质组>无结构丝质体和胞腔被充填的结构丝

10、质体>树皮体；对高演变阶段的煤岩（贫煤以上各煤阶）而言，镜质组分的吸附能力大于惰质组。从以上分析可知，煤岩的吸附能力与煤化程度和组成有关。在Ro=1.20 %左右煤岩的吸附能力最弱，煤岩中镜质组含量越高，煤岩的吸附能力越强，壳质组含量越高，吸附能力越弱。（4）煤层的渗透率和烃类运移通道煤系烃源层能否有效排驱烃类与烃源岩的生烃能力、煤层吸附能力和煤层中有无运移通道等因素有直接的关系。如果这些因素的配置恰当并形成烃类运移网络将有助于烃类从煤系烃源层中运移出来，有利于初次运移。煤层的渗透率：在一定的条件下，流体可在煤层内流动。煤层的渗透性是表示烃类流体在不同煤岩结构中的渗透性能。渗透性好就是指

11、阻力小，烃类流体易在煤层中流动。烃在煤层中的运动与它本身的粘度成反比，即粘度越大，流动越难。显然，煤岩中的轻质油因其粘度小，易于流动。煤层中裂隙类型：煤岩中天然裂隙孔隙度很低。裂隙孔隙度对煤岩的贮气能力的作用小，但对煤岩渗透能力的作用却很大。它是煤岩中流体渗滤的主要通道。因此在煤成油气研究和勘探中必须重视煤层中裂隙的性质和类型的研究，了解裂隙发育期与油气生成期的关系，只有这样才能准确判断煤成烃能否有效运移。（5）煤成油的运移动力煤系烃源层中的烃类能否大规模排驱和运移除了需要有微裂隙这个通道外，还需要一定的排驱动力，如果缺乏这种动力，煤中的烃类网络就像充满了水的海绵，不能有效排出。2.4地应力地

12、应力是指岩层在静止状态下产生的自重压力（上覆压力）及动态状态下产生的构造作用力。当然，通常石油界所指的过压实作用所产生的力也属于地应力范畴。煤层中构造作用断层和褶皱劈理，甚至产生微裂缝，这些过程和作用增加了有效孔隙和渗透性。褶皱和断层产生的形变，较大的影响煤系烃源岩之间的层间距，造成煤层的压缩或位移，进而产生烃的初次或二次运移。（1）煤层压力煤层及层内蕴含的烃的自重是很小的，一般不予考虑，由于烃类是流体，各种压力相等，当地层发生差异运动时，由流体曲线位能差异导致的压力差可成为流体运动的动力，有机质在从固相转变为液相或气相时产生的“膨胀力”是烃压力的重要组成。（2）诸动力关系在上述可引起煤成油运

13、移的诸动力中，根据甲烷突出的“煤成烃初次运移现场”研究推测，地应力（含构造力等）是煤成油运移的诱导或引发作用力，并在大多情况下起控制作用，即构造作用力猛烈，运移速度就快，所需时间也短；构造作用力缓慢，运移速度就慢，所需时间也长。由于煤层在低、中演变阶段较松软，其孔隙系统受内外压力变化而闭合或启开，所以只有在煤层中有较大的烃流量才能使“支撑”油气运移的裂隙畅通。众所周知，造成烃流动主要取决于烃的压力差和含量，但在压力差不变的情况下，却取决于煤层中可运移烃的含量。从宏观而言，煤成油的排烃机理与一般泥质烃源岩的排烃机理是统一的，如必须满足烃源岩排烃的临界条件，排烃过程的演化都遵循水溶、油溶到气溶式运

14、移等，但普遍规律中包含着特殊性，煤系源岩特殊的结构特征决定了其排烃门槛高、排烃动力弱，具有更高的排烃难度。因此对于煤系烃源岩的勘探，首先需要对煤系地层的排烃门槛进行研究，原因在于不同的煤系地层也具有质的差别，其排烃能力本身具有强弱的不同10。排烃门槛有多高？“量”（生烃量）的积累能否弥补“质”的因素？是否具有良好的外部条件，如外在动力（构造应力等）、运移通道（断层沟通、裂隙发育等）？这些问题的答案是需要首先解决的。2.5幕式排液超压系统的幕式排液现象在80年代逐渐成为大家关注的热点问题。Peter与Magara等认为超压体系可构成各种级别的封存箱，其边界由封隔层形成，控制着系统内的油气运移与聚

15、集。在超压体系内，由于孔隙排液不畅，流体压力增大，导致压力封存箱中泥岩内孔隙水通过粒间孔隙渗流极少，更多的是通过流体压裂面排液，这样随着流体压裂面的幕式开启和封闭，导致超压体系内流体的幕式释放，相应地出现幕式压实过程11。Hunt与Roberts也认为超压体系中的流体在盆地演化期间都是间歇性地向上覆地层排液，这种排液作用的主要通道是水力破裂面或流体压裂面，而这种流体压裂形成的微裂缝多为高的孔隙压力所致12。在我国多个沉积盆地的超压体系中也都发现了流体压裂形成的裂缝，并发现在有些裂缝中仍然存在油气运移时留下的沥青，这些都表明幕式排液是沉积盆地中一种重要的排烃现象。但学者对这种幕式排放的周期持不同

16、意见，从小于100年、100200年到近百万年。2.6压实排烃模型在对幕式排烃取得统一认识后，国内外石油地质学家及盆地模拟专家们对排烃模型进行了重新考虑，从原来的单一的压实排烃模型向双阶段的压实排烃微裂缝排烃模型转变。郝石生等提出一种新的烃源岩排烃史模拟方法，把排烃过程划分为压实排烃和微裂缝排烃2个阶段，并分别建立了压实排烃模型、微裂缝排烃模型和扩散排烃模型。在压实排烃模型中，压实作用是油气初次运移的主要动力，除考虑烃源岩孔隙体积的压缩外，还考虑了烃源岩内由于黏土脱水、油气生成以及流体热膨胀造成的孔隙流体体积增大对压实排烃量的影响；在微裂缝排烃模型中，烃源岩内的异常高压是排烃的主要动力。2.7

17、仿真地层条件下生排烃模拟实验技术热压生排烃模拟实验是生排烃机理和油气资源评价的重要技术。近年来更加重视不同温压和介质条件下油气生成及排出过程的研究，以便能够定量、动态地评价有机质在不同地质历史时期的生烃转化和排烃效应等，是研究有机质演化过程、生排烃机理和资源潜力预测的重要手段之一。过去由于实验技术和装置限制，各种常规热压生烃模拟实验主要是在含水、低流体压力、相对较大的空间和高温条件下进行的，相当于把烃源岩放在一个很大的容器中进行热降解化学反应，强调的是热降解过程，而忽视了生烃空间、孔隙流体压力、高温高压液态水及初次排烃等影响因素的共同作用。近年来，中国石化无锡石油地质研究所自行研制出一种地层孔

18、隙热压模拟实验仪，动态、综合考虑影响烃源岩生排烃过程的多种因素，建立了地层孔隙热压生排烃模拟实验技术。由于地质条件下油气的生成演化、排烃运移、聚集成藏和散失改造都是在相对封闭或半封闭条件下进行，因此，在施加压力、限制生烃空间、维持高温高压液态水、尽量保持样品的原始孔隙与矿物组成等限定体系中进行烃源岩热解生排烃模拟，从而能够相对真实地再现地质条件下有机质热解生烃演化过程13。2.8煤层吸附气量的确定方法近几十年来，国内外许多学者提出了不同的测定和估算煤层吸附气量的方法，最准确、最有效的方法是通过解吸试验获取煤层的吸附气量，但在不具备使用该方法的地区，其关键是预测煤层的吸附气量。Kim，Eddy，

19、张新民等对于煤层的吸附气量与埋深和变质程度的关系做了大量的研究工作，并建立了关系图版，但这些研究成果都没有考虑煤层厚度及顶、底板岩性。国外也有人提出采用煤层埋藏深度和煤质化验资料计算煤层甲烷含量，并建立了相应的计算公式，其前提是掌握样品的镜质体反射率和挥发分产率资料。研究过程中，可以根据研究区的资料情况，选择不同的方法进行煤层吸附气量的计算14。3研究方向及展望3.1烃源岩剖面排烃特征的高分辨率研究目前对排烃的研究工作多是局限于对烃源岩有限的取样点进行地球化学测试、分析，而现实是取样成本的昂贵，对烃源岩剖面进行高分辨率的密集采样不太切合实际，而另一方面烃源岩的排烃作用是非常复杂的地质现象，受到

20、烃源岩岩性、有机质性质、砂泥配置关系等各方面因素的影响，因此较为有限的取样测试点不能有效地反映复杂的地质情况。切实的做法是密集的采样分析与大量的地质资料统计、有效的分析方法相结合，在大量地质资料统计分析的基础上，通过对岩芯的密集采样，分析不同样品点的烃类含量及能够反映烃类运移的地球化学参数，从而确定厚层烃源岩排烃厚度、排烃效率及排烃过程，从中总结出较为接近实际地质情况的排烃规律。因此，建立有效的烃源岩生排烃计算模型显得非常有必要。由于测井曲线具有垂向高分辨率的特点，结合地球化学信息，能够建立有效的烃源岩计算模型，利用该模型能对烃源岩剖面各个测井数据点的单位生烃量、排烃量及排烃效率等进行计算，从

21、而实现烃源岩生排烃研究的高分辨率工作。3.2建立三端元排烃模型在盆地模拟进行资源评价时，传统上多采用“压实排液”模型。即烃源岩在埋藏过程中随着上覆沉积层的加厚，沉积物的体积、岩层的厚度随孔隙度的降低而减小或变薄，液相石油在孔隙中是均匀分布并均匀排出的。这种沉积压实排液过程毋庸置疑，但问题在于液相石油均匀排出这一假设条件并不符合实际地质情况。压实压裂双阶段排烃模型考虑的是烃源岩的压实和压裂2个阶段，然而烃源岩从压实到压裂是一个跳跃式的过程，忽略了事物发展的中间状态欠压实过程。由于烃源岩的压实作用存在不均衡性，烃源岩界面上的压实作用能够正常进行，但向烃源岩内部压实作用受到阻碍，只要烃源岩内部流体孔

22、隙压力没有增大到超过岩石的机械阻抗时，烃源岩内部较高的孔隙度就能得到维持，烃类就难以排出，出现相对滞排特征，很多反映烃类运移的地球化学参数在烃源岩内的非线性变化都证实了这一点。烃源岩结构特征的差别及压实的不均衡性造成了烃源岩排烃存在较强的非均质性。而从时间序列上看，伴随着厚层泥岩内部“剩余压力”的积累和释放，发生幕式排液作用的烃源岩也是经历着从压实欠压实压裂的循环演化过程(图一)。图一三端元排烃概念模3.3对烃源岩排烃进行分级评价断陷盆地烃源岩排烃存在严重的非均一性，有机质分布的非均一性为其提供了物质基础，而压实的不均衡性为其创造了动力条件。朱光有等研究认为东营凹陷中分布广泛的沙三段烃源岩在有

23、机质和岩性等方面存在多种尺度的非均质性，牛38井中有机碳含量在剖面上呈现波峰波谷变化的波动特点，如在沙三段下部有机碳含量为0.35%12.8%，高低相差2个数量级，显示出强烈的非均质性，孔凡仙等认为即使在有机碳含量高的层段，有机碳的分布也会有较大的离散。因此对于存在严重非均质性的烃源岩，需要对烃源岩进行分级评价，确定有效烃源岩有机碳含量下限，并找出对油气成藏有着突出贡献的优质烃源岩标准15。3.4烃源岩排烃与油气成藏的关系烃源岩排烃作用在多大程度上控制着油气成藏，排烃作用与成藏的关系如何，这些问题现在还很少有人研究。但对于断陷盆地而言，烃源岩排烃作用与油气成藏关系显得非常密切。如东营凹陷的油藏

24、具有近源性特征，尤其对于沙三段大套泥岩中所包裹的砂体，油气可以发生相对简单的初次运移即可成藏。幕式排液作用与油气成藏关系更为突出，原因在于幕式成藏具有异常高的成藏速率，根据传统的缓慢渗流聚集模式难以形成商业性油气聚集的年轻圈闭在幕式成藏情况下可形成大中型油气藏，从而成为有效的勘探目标。幕式排液具有较稳态下排液时更高的能量，这些能量能够促使油气发生远距离运移，或者进入稳态条件下无法进入的隐蔽圈闭内。随着油气勘探的不断深入，对隐蔽油气藏形成机理的研究受到了更多的关注，寻找隐蔽油气藏已成为某些高勘探程度油区的战略思想，深入讨论排烃与油气成藏的关系具有一定的现实意义。参考文献1李荣西. 九十年代煤系烃

25、源岩研究新进展J. 地质科技情报,2000,04:55-59.2田静. 煤及海相页岩的生排烃动力学实验及初步应用D.中国科学院研究生院（广州地球化学研究所）,2007.3陈中红,查明,金强.牛38井烃源岩排烃门限的确定J. 天然气工业,2005,11:7-9+144.4Inan S, Yalcin M N, Mann U. Expulsion of oil from petroleum source rocks Inferences from pyrolysis of samples of unconventional grain sizeJ.Organic Geochemistry, 1998, 29(1-3): 45-61.5Pepper A S, Corvi P J. Simple kinetic models of petroleum formationJ.Marine and Petroleum Geology, 1995, 12: 417-452.6Thomas M M, C