地质过程中的定量方法与计算技术-生烃史

生烃史生烃史模拟的功能重建油气盆地的烃内成熟史和生成历史。它是盆地模拟和油气资源评价的重要组成部分生烃史的发展80年代，热压模拟技术70年代，Tissot&Espitalie

研制出了岩石热解评价仪Rock_Eval

60年代，Tissot（1969）

建立热降解化学动力学模型生烃史化学动力学法：

单组分(烃)多组分(C1,C2-5,C6-C14,C15+)热解模拟法：

Rock-Eval热解仪评价结果热压模拟结果生烃史化学动力学法藻类木质植物叶细菌初石油惰性干酪根气性干酪根油性干酪根油气气石墨油性干酪根+氢油气性干酪根+氢油油+氢油TTI史的计算埋深Ro(%)tTTIi根据获取的点集(Roi,TTIi)，建立回归方程TTIRo(%)Ro史的计算埋深0.73T（Ma）0.50.320.26要求已知：Ro-TTI史和TTI史生烃史降解率计算公式：

化学动力学法平行一级动力学方程：

dX/dt=-kiXij阿仑尼乌斯公式(Arrhenius)：ki=Aiexp(Ei

/RT)k22k25k21k26k23k24k24k25k26k11k12k13k14k15k16Kerogenk21k22k23CO2H2OH2SO2H2SGasGasH2SSO2H2H2OCO2Gas=CH4=0oil干酪根热解过程的化学动力学方程组成油阶段上式是一dX/dt=f(X)的微分方程，可用四阶龙格-库塔法解和积分法求解时要用到参数A1i、E1i、Xi,以及Xi0，有两种途径：1借用(Tissot)；2实测(热摸拟数据)四阶龙格-库塔法(Runge-kutta)积分法由于龙格-库塔法在古地温大于110oC时，其中的f1~f4容易出现沸点溢出。如果缩小步长来防止溢出，又会增加相当的计算时间。积分法可以避免这种致命的弱点。由动力学方程组第一式，求积分有上式是一个收敛的无穷级数，若Tk到Tk+1变化较小时，可以近似的取前四项，则有以埋藏史为路径，根据地史模型所得的t和热史模型所得的T，按上式可计算出对应于埋藏时间的t1,t2,…,Xi,1,Xi,2,…,至今。Xi

初始值Xi,0=Xi0，可由Tissot所给的数据表中给出。降解率的计算对于每个埋藏时间，可降解干酪根的降解率为：如果假定最终产物仅为气一种，则上式可写为单位生油量单位生气量+单位生烃量=对于3种干酪根而言，在具体应用时，对于每个埋藏时间tk+1有同理，有设p1，p2，p3分别为3种干酪根在生油层中所占的比例，则有成气阶段在j=1的情况下，化学反应动力学方程组的第3和第4方程合并，得上式是dX/dt=f(X)的微分方程，可用4阶龙格-库塔法解和积分法求解.四阶龙格-库塔法(Runge-kutta)解法如前所述。积分法与成油阶段积分法的区别：1、成油阶段计算时，仅计算化学动力学反成组的一个方程组。2、而成气阶段计算时，要联立求解化学动力学方程组的其于3个方程。由上可见单位生气量U1是由化学动力学方程组联力求解而得。至此，已完成了用积分法进行单井某生油层顶界的Ug史的计算。同理，可求出某生油层底界的Ug史。至此，关于化学动力学方程组的2种解法介绍完毕。生烃量史生烃量史是指每一个生油层的生油强度、生油量史、含油饱和度史、生气强度史、生气量史和含气饱和度史。由前述内容可知，可由1TTI~Ro法获得；2化学动力学法。烃类成熟史生烃量史基于TTI~Ro法，可通过降解率~Ro或生烃率~Ro曲线来计算生烃量；2基于化学动力学法所得的热解率史表示时，可直接计算生烃量。生油量计算已知降解率~Ro图版的情况对于某单井生油层的生油强度公式为生油强度生油层顶底的Ro生油层顶底的埋深生油层内暗色泥岩厚度暗色泥岩相对密度残余有机碳降解率恢复系数由上式有假设，各类干酪根在生油层中所占的比例为生油量某生油层(S~K)生油量史t(Ma)某生油层平面图生油强度等值线已知生油率~Ro图版的情况生油量计算对于某单井生油层的生油强度公式为生油强度生油层顶底的Ro生油层顶底的埋深生油层内暗色泥岩厚度暗色泥岩相对密度残余有机碳恢复系数生油率生气量计算已知降解率~Ro图版的情况对于某单井生气层的生气强度公式为生气强度生油层顶底的Ro生油层顶底的埋深生油层内暗色泥岩厚度暗色泥岩相对密度残余有机碳生气率假设，各类干酪根在生气层中所占的比例为生气量计算未知降解率~Ro图版的情况对于某单井生气层的生气强度公式为生气强度生油层顶底的Ro生油层顶底的埋深生油层内暗色泥岩厚度暗色泥岩相对密度残余有机碳基于降解率史的生烃量计算因为降解率是由化学动力学获得。所以，本方法涉及的不是降解率~Ro图版，而是各类干酪根的活化能、频率因子、生烃潜能等热模拟试验数据，对于某单井生气层的生气强度公式为生气强度生油层顶底的降解率值生油层顶底的埋深生油层内暗色泥岩厚度暗色泥岩相对密度残余有机碳降解率注意：由于D已经过各类干酪根的加权平均处理生油量计算对于某单井生油层的生油强度公式为生气在生烃中的比例生气量计算对于某单井生油层的生气强度公式为油气转换（m3/t）同理，可求出各探区的总生烃量至此，生烃史的计算基本完成。生烃史累积降解率史生烃史瞬时生烃史生烃史生烃潜量活化能频率因子（指前因子）影响生烃量的主要参数(化学动力学法)生烃史应用Rock-Eval热解仪评价结果计算生烃量应用热压模拟结果计算生烃量热解模拟法生烃史

应用Rock-Eval热解仪评价结果计算生烃量热解模拟法起源：法国石油研究院Tissot和Espitalie综合前人热解试验的结果，花费五年的时间研制出来岩石评价仪(Rock-Eval)

特点：能快速热解烃源岩，测量其中的有机质热挥发和降解的烃类以及有机二氧化碳的量。仪器：1978-1984法国DELSI共生产3种类型仪器Ⅰ型(Rock-Eval)

Ⅱ型(Rock-Evalamicroprocesseur)

Ⅲ型(OilShowAnalyszer)

生烃史应用Rock-Eval热解仪评价结果计算生烃量可溶烃S1=A1岩..Q标/A2标热解烃

S2=A2岩..Q标/A2标有机二氧化碳

S3=(A3岩-

A3空)Q标/

(A3标

-

A3空)产油潜量

Pg=S1+

S2

有效碳、总有机碳

Cp=0.083(S1+

S2)

CTOC=Cp+

C残降解率

D=Cp/CTOC*100Tmax:P2峰峰顶温度生烃史降解率曲线图版生烃史Tmax

与Ro

的关系生烃史降解率——Ro关系曲线计算生烃史E=———(Z2-Z1)*Pm**Cr*Cf

*Pk

*—*dRoRo2-Ro110-8Dk0.083Cf=100/(100-D0k)Q=E*AE:生烃强度Cr:残余有机碳含量Q：生烃总量Cf:恢复系数Ro1、Ro2：烃源岩顶底的Ro值:有效烃源岩密度Dk：第k种干酪根的累计降解率Pm:烃源岩中有效烃源岩含量D0k：第k种干酪根的现今降解率Z1、Z2:生油层顶底埋深Pk

：第k种干酪根的含量A：有效烃源岩分布面积E=E1+E2+…+EnN种干酪根生烃史降解率、气态烃/总烃与Ro关系曲线生烃史应用热压模拟结果计算生烃量产油率曲线产气率曲线生烃史应用热压模拟结果计算生烃量产油率曲线生烃史碳恢复系数的求取生烃史碳恢复系数的求取Cf=CTOC/CrCr=(100-D)*CTOC/100Cf

=100/(100-D)D——降解率；CTOC——总有机碳；Cr——残余有机碳。生烃史总有机碳CTOC的求取利用测井技术求总有机碳基本原理源岩含有固体有机质，有机质富含有机碳，所有有机碳具有密度低和吸附性强等特点。有异常反应的主要测井曲线自然伽玛曲线：该曲线上表现为异常高。密度与声波时差曲线：密度曲线表现为低异常，声波时差表现为低速（高时差）异常。电阻率曲线：成熟源岩由于含有液态烃，曲线上表现为高异常。LogR=log(R/Rbase)+0.02(t-tbase)LogR=log(R/Rbase)+0.02(

b-base)

LogR=log(R/Rbase)+4.0(N-base)

声波时差密度曲线中子曲线LogR的定义利用Log

R技术计算TOC这一技术是美国Exxon石油公司开发出来的，1979年投入试用。后成功应用与世界许多地区，该技术用到3种曲线：1、自然伽玛曲线2、密度与声波时差曲线3、电阻率曲线确定基线位置（以声波时差为例）确定基线：

正常情况下，非源岩层的声波时差位置与电阻率曲线是重叠的，这个重叠段就是基线位置。坐标定位：

要求声波时差坐标与电阻率一致。

识别非源岩层：声波时差和电阻率正常位置就是基线位置。生烃史总有机碳CTOC的求取

logR=

log(R/Rbase)+0.02(t-

tbase)TOC=(

logR)*10a

a=

2.297-0.1688LOMlogRTOC%LOM12LOM9LOM10LOM7TOC与logR关系(Passey等,1990)生烃史烃源岩厚度有机碳含量成熟度（Ro）降解率（产油产气率）影响生烃量的主要参数（热降解法）谢谢

成烃动力学模型有如下几种：

1.总包反应动力学模型2.串联反应动力学模型3.平行一级反应动力学模型

4.串联平行一级反应动力学模型成烃动力学模型温度浓度浓度浓度浓度温度温度温度一般反应NO的氧化反应酶反应爆炸反应浓度温度反应速率和温度关系的几种类型

干酪根类型Ⅰ

Ⅱ

Ⅲ

资料来源

平均活化能E(KJ/mol)188-251125-18884-125黄第藩等（1984）204-234192-234196-250Ungerer(1990)一些自然样品的成烃活化能显微组分的动力学参数（据卢双坊等，1995）Lopatin(1971)提出以煤化作用为基础动力学模式动力学参数的确定Waples(1980)又进行了改进实验热解研究1.开放系统的热解;2.封闭系统的热解。（水热解，无水热解）

成烃动力学模型1.总包反应动力学模型2.串联反应动力学模型3.平行一级反应动力学模型

4.串联平行一级反应动力学模型

Hood（1975）和Lopatin（1976）将时间－温度指数与各个生油期作了推理性联系起源于上世纪廿年代油页岩和煤热解动力学的研究干酪根热解动力学模型吸收了油页岩和煤的研究成果Tissot（1969）提出石油生成动力学模式资源量计算Lopatin方法可不借助于计算机就能合理的预测镜质体的反射率，因而能在油气勘探中被广泛应用。2.虽然这一方法可能是测量沉降过程中的沉积盆地所经历的热应力的一种好方法，但未必也是估量生油的好方法。1.这一方法的内在前提条件，即各种类型的干酪根在生油过程中键的裂解（热裂解作用）与镜质体成熟过程中键的形成（芳香基浓缩作用）是相同的，很明显是过于简化了的。Lopatin(1971)提出了有关镜质体显微组分的反射率随煤阶增高而变化的动力学模式。此后，Lopatin和Bostick（1973）对该模式进行了修改。这一模式用自然成熟的煤进行了校正，并以反应速率随温度每升高10℃而翻一翻的前提为基础。褐煤长焰煤气煤肥煤焦煤瘦煤贫煤无烟煤源岩动力学参数动力学特征研究油族组成干酪根显微组分动力学模型应用与资源量计算有机硫成烃动力学可溶有机质动力学研究的主要进展内容

实验热解研究封闭系统的热解开放系统的水热解用运动气流将汽化物带入到一个外部检验器用外部冷却容器将自动清除的汽化产物冷凝成液体水热解Lewan（1985）首先提出了研究天然石油生成动力学的恒温水热解实验方法由这实验方法得出2个重要结论：①Ⅱ型干酪根的生油速率会有显著的变化；②Ⅱ型干酪根的生油速率部分因含有机硫而升高把开放无水热解的非恒温法用于天然生油动力学研究首先是由Ungerer（1984）提出的水热解无水热解水热解无水热解它是标定二次裂解唯一可行的途径它是标定初次裂解的主要方法Ungerer等（1986）采用的离散分布这种方法假设了生烃过程有许多一级并列反应组成，它们具有相同的频率因子，但有不同的活化能，而这些活化能在整体上又具有高斯分布的特点Braumt和Burnham(1987)的讨论中考虑了高斯分布离散分布比高斯分布能更好地拟合实验资料，但当与地质条件对比时，高斯分布预测的主要生烃温度要比离散分布预测的低10－15℃。比较水热解法与生油岩评价仪热解法分解干酪根的总烃演化为基础的动力学分析法不同生油岩评价仪热解法不能区分沥青、油和气，因此与水热解动力学相比可获得较宽的生油窗Burnham等（1987）。它能更准确的模拟自然，并可确定沥青部分分解的石油生成的动力学特征（Lewan）。水热解法与生油岩评价仪热解法的动力学分析法的结果差别可抽提不稳定键破裂脱官能团模型解聚模型惰性骨架惰性骨架惰性骨架不稳定键破裂不可抽提A连续反应B平行独立反应进一步裂解为相同的碎片裂解为相同的碎片干酪根热裂解的脱官能团模型和解聚模型BARock-Eval热解分析（a）不同加热速率下的热解峰（S2）（b）自然演化系列残余烃潜力（HI）趋势（HI与埋深）反演1高压釜热解（热解产率与平均H/C，C15+，C6-C14，C2-C5，C1）二次裂解活化能的动力学参数（A´，E´,aij）初次裂解活化能的详细分布Rock-Eval热解分析+选择性冷阱热解热解峰（S2）细分初次裂解活化能的总体分布（E与频率）反演3反演2热解实验与动力学参数计算流程A=1.080E+26/m.y.;HI=843mg/gTOC;ErrFunction=0.052A=2.985E+27/m.y.;HI=540mg/gTOC;ErrFunction=0.017A=8.877E+26/m.y.;HI=852mg/gTOC;ErrFunction=0.017A=1.025E+27/m.y.