有机质丰度恢复方法及影响因素分析

有机质丰度恢复方法及影响因素分析

根据排烃门限制理论，如果泉岩中含有足够的碳氢化合物，则开始向外排烃。另外,在源岩的演化过程中也有一定量的CO2生成,并扩散出源岩。由此可知,地史过程中,岩石中有机质的绝对量随生、排烃作用的进行不断减少,导致反映其丰度的有机碳百分含量也逐渐降低。因此要客观描述发生过生、排烃作用的成熟-过熟源岩中有机质的原始丰度,必须进行相应的恢复计算。1烃源岩初始有机质丰度的恢复系数计算该方法通过采集相同层位不同埋深的烃源岩,实测有机碳含量及生烃潜量,然后求出不同成熟度烃源岩原始有机质丰度的恢复系数。理论上,自然演化剖面是最为科学和接近地质历史的,但由于样品不易采到,而且还要求整个剖面有机相相近和成熟度变化范围要大,故操作比较困难,不易找到。2热解和生烃该方法通过对某一研究区成熟度较低的相同有机质类型的烃源岩进行加热,测量不同热演化阶段(一般以Ro表示)的生烃量或热解参数,得到经验公式或图版。庞雄奇等对不同KTI(干酪根类型指数)值的泥岩进行模拟实验得到经验公式,郝石生等利用低成熟碳酸盐岩进行模拟实验得到一组经验公式和图版。3物质平衡法3.1有机碳的h/c、n、c、c该方法又称元素法,基于化学反应物质守恒原理。在干酪根和油气的元素组成中,H、C、O占主导地位。根据残余有机质的H/C和O/C原子比以及干酪根演化过程中以H2O和CO2形式脱出的氧原子量基本相等,推导有机碳恢复系数为式中:m、n为原始有机质的H/C、O/C值;m′、n′为残余有机质的H/C、O/C值;p为烃产物的累积平均H/C值。程克明等提出的公式为式中:Rc为有机碳恢复系数;m为原始阶段干酪根的H/C值;m0为演化至某一阶段时干酪根的H/C值;n0为干酪根演化至某一阶段时生成物中的H/C值。金强根据该方法首先计算不同类型纯干酪根在不同演化阶段碳的恢复系数(f),然后根据生油岩中干酪根含量及其抽提物(Ca)与生油岩有机碳(Co)之间的关系,获得生油岩有机碳恢复系数(c)的计算公式和恢复图版。陈增智根据化学反应物质平衡原则认为,干酪根降解残余及降解产物的碳、氢、氧元素含量在演化前后应保持一致,则由原子数平衡方程组得出有机碳的恢复系数为式中:Cre为有机碳恢复系数;CKO为岩石干酪根中碳原子数;Cr为某一点处演化系统中总剩余有机碳的碳原子数。3.2有机碳恢复系数有效碳指干酪根中在足够温度和时间作用下能生成油气的碳。而无效碳指干酪根中不能转化为烃类的部分,它在油气生成和运移过程中保持不变,由此获得有机碳恢复系数Rc为式中:Co为原始有机碳的质量分数,%;Do为原始干酪根降解率,%;CT为现今有机碳的质量分数,%;DT为现今的干酪根降解率,%。3.3有机碳恢复系数的确定该方法以有机质演化规律为依据,在假定源岩生成的油气全部发生运移(即发生100%排烃)的条件下获得有机碳恢复系数计算公式:式中:Rc为原始干酪根的质量,g;Cr为残余干酪根的质量,g;W为每克有机碳的油气产率,mg·g-1。4理论推理法4.1原始有机碳的表征该方法依据化学反应动力学模型,首先对生烃潜力进行恢复,然后获得原始有机碳(C0):式中:K为转有机质为有机碳的系数;mr为一定体积源岩的现今质量,mg;mc为相应有机碳的质量,mg;!IH为原始生烃潜力的恢复量;C为实测残余有机碳的质量,mg。4.2每克有机碳生成烃,gg-1该方法有机碳恢复系数如式(8)所示。式中:G为生烃率,每克有机碳生成烃的质量,g·g-1;K为烃含碳率;E为排烃效率,%;G(CO2)为每克有机碳生成CO2的质量,g·g-1;IO为氧指数,每克有机碳中CO2的质量,g·g-1;K(CO2)为CO2的含碳率。4.3残余生烃潜力的变化该方法由物质平衡推算原始有机碳、残余有机碳和残余生烃潜力之间的关系,忽略了干酪根降解产生的CO2的量(这部分很少)。郝石生和程克明等分别提出了自己的计算公式。4.4有机碳的计算根据有机质演化规律可知,烃源岩中的原始有机碳是不溶残碳(即干酪根)中的有机碳(Ck)、有机质类型(K)和成熟度(Ro)的函数,由此获得原始有机碳的计算公式为式中:Ck为干酪根中碳的质量,mg,实际应用中所测残余有机碳扣除可溶有机碳后带入上式计算。5烃源岩相对稳定公式秦匡宗研究结果表明,在干酪根演化过程中主要是脂构碳和杂原子碳发生降解,芳构碳则相对稳定。程克明等提出的公式为式中:Fl0、Fh0分别为源岩在生烃门限附近时脂构碳与总有机碳之比和芳构碳与总有机碳之比;Fl1、Fh1分别为当烃源岩演化至某一阶段时脂构碳与总有机碳之比和芳构碳与总有机碳之比;Rc为有机碳恢复系数。6讨论6.1t的干结构模型目前烃源岩有机质丰度恢复方法都以Tissot的干酪根热解生烃理论为基础。而且,各种恢复模型所没有考虑到的源岩有机质与地质体中氧化剂之间的氧化还原反应也必将导致恢复结果变大。6.2有机质类型的确定随着干酪根演化程度的增强,尤其是达到高、过成熟阶段时,其绝大多数表征有机质类型的参数将趋于一致。因此,在对高演化程度下的有机质丰度进行恢复时,其原始有机质类型的确定至关重要。另外,对于某些有机质在生烃之前是否已经遭到氧化值得考虑。7影响有机碳反应的因素除了前人提及的影响因素以外,以下几方面因素也将对有机碳恢复系数造成影响。7.1源岩非均质性对于沉积盆地而言,不同构造部位的沉积环境及沉积后作用均存在差异,由此导致源岩存在一定的非均质性。因此现今获得的少量样品能否完全代表地下源岩的真实品质值得思考。7.2温度高压条件下,沉积碳的氧化尽管干酪根在地质演化过程中以“去氧加氢富集碳”为主,但在地下高温高压条件下,同时伴随源岩有机质与地质体中氧化剂之间的氧化还原反应,即碳被氧化生成无机的CO2,同样会造成碳的损耗,由此导致有机质丰度降低是现有方法都忽略的问题,这必然会影响恢复结果的真实性。7.3水与不锈钢高压反应台马素萍等通过加水热模拟实验发现,在热模拟温度为300℃时,水与不锈钢高压反应釜在高温高压条件下会发生反应生成氢气。这是一个重要的外来氢源,这部分氢气可能对有机质成烃反应过程产生影响,而且会直接导致热模拟结果失真,影响恢复结果的准确性。8理论计算法有机质丰度恢复方法多种多样,各具特点亦有不足。自然演化剖面方法准确,但是应用性差;热解模拟法具有很强的针对性和可操作性,但是与地质情况存在偏差,且实验成本较高;物质平衡法从有机质演化前后总量守恒的角度出发,建立恢复模型,相对而言比较准确、科学,但是该方法以完全排烃为前提;理论计算法最大的优点是理论性强,但是公式繁琐,所需参数较多,而且一些关键参数的获得仍然离不开模拟实验;谱学类型模型法从有机质性质和结构变化的微观角度建立恢复模型,可谓另辟蹊径,但是通过谱学分析手段获得的参数准确性不高,而且受源岩非均质性的影响,恢复结果的可靠性较低。可以看出,尽管有机质丰度恢复方法较多,但是均存在不同程度的误差。因此,在对有机质丰度进行恢复时