银根—额济纳旗盆地主力烃源岩生烃热模拟实验研究

朱连丰

(中国石油 长城钻探录井公司 国际业务项目部，北京 100001)

银根—额济纳旗盆地下白垩统巴音戈壁组二段(K1b2)普遍发育一套深湖—半深湖相烃源岩，岩性为泥岩、泥页岩、含灰泥岩、灰质泥岩等，颜色以黑色、黑灰色和灰色为主。勘探证实，这套烃源岩有机质丰度较高，有机质类型为Ⅱ1—Ⅱ2型，它对油气成藏的贡献很大，其发育程度对盆内各凹陷的油气勘探成效起决定性作用[1-3]。鉴于该套烃源岩的重要性，对其开展生烃特征研究对于客观评价各凹陷的资源量、确定勘探方向等具有重要意义。但是前人针对这套烃源岩的研究较少，对其生烃特征的分析只是依据静态资料[1,4-6]。然而，在实际勘探评价中，仅依靠Rock-Eval、TOC(总有机碳含量)等静态参数指标对烃源岩进行生烃潜力评价是不够的，因为烃源岩生烃是一个动态过程，不同生烃演化阶段的生烃产物和生烃量差别很大[7]。生烃热模拟实验技术被广泛应用于烃源岩生烃潜力分析与资源评价中，其原理基于TISSOT等[8]提出的温度可以弥补时间对烃源岩生烃的地质效应，可以借助实验装备通过快速升温的方式来模拟有机质热演化生烃过程，获得烃源岩生烃演化、生烃动力学等参数[9-10]。本文对盆内一口钻井的巴音戈壁组二段烃源岩进行取样，基于样品的黄金管—高压釜限定体系热模拟，分析这套主力烃源岩的生烃特征和生烃动力学特征，对其生烃潜力进行评价，并建立其生烃演化模式，以期为该区的油气勘探提供依据。

1 样品与实验

样品采自银额盆地中北部的X井(图1)，埋深为1 060.0 m，岩性为深灰色含灰泥岩；w(TOC)为1.55%，S1+S2为35.22 mg/g，烃源岩有机质丰度较高；Tmax为436 ℃，Ro为0.65%，表明烃源岩成熟度较低。样品的干酪根w(TOC)为20.96%，干酪根碳同位素为-27.8‰。样品为有机质丰度较高的低成熟烃源岩，适合开展热模拟实验和生烃演化特征研究。

实验流程如下：将烃源岩样品粉碎，采用传统的酸处理方式制备干酪根。热模拟实验在黄金管—高压釜限定体系中开展，分别称取适量的干酪根样品，在氩气保护下装入金管，用电弧焊焊封金管。将金管放置于高压釜中，通过高压泵对高压釜充水，高压水使金管产生柔性变形，从而对样品施加压力。热模拟压力为50 MPa，压力浮动小于1 MPa；分别以20 ℃/min和2 ℃/min的升温速率对样品进行加热，温度范围为334.9～600.0 ℃，每隔25 ℃设计1个实验温度点，2个升温速率共24个实验温度点，测定封闭体系下各温度点的累积产烃率。加热完成后把高压釜从加热炉中取出，冷却后把黄金管从高压釜中取出，对模拟产物中的气体、轻烃(C6-C14)和重烃(C14+)分别进行成分分析。气体成分分析方法是将金管放入真空系统，使气体释放到真空系统中，真空系统与Agilent 7890气相色谱仪连接，采用真空采样环进样，一次进样可完成对C1-C5烃类气体、CO、CO2、H2、N2和O2的分析。同时，对热模拟气体产物中C1-C3烃类气体和CO2进行碳同位素测定。在气体分析完成后，用液氮冷冻在线的样品瓶收集扩散到真空玻璃管中的少量C6-C14轻烃，取下样品瓶后，迅速注入二氯甲烷溶剂，然后把金管从高压釜中取出，连同样品一起剪开金管，放入同一样品瓶，超声震动1 min，使金管中产生的油完全溶解到溶剂中，该法可有效避免C6-C14烃类的损失。取样品瓶中上层的清液1 mL，转移到容积为2 mL的样品瓶中，用自动进样器进行色谱分析。气相色谱仪型号为Agilent 7890 GC，色谱柱为HP-5 30 m×0.32 mm×0.25μm。色谱条件为：进样口温度290 ℃，柱箱初始温度40 ℃，恒温5 min，然后以4 ℃/min的速率升高到290 ℃，恒温10 min。用氘代的C24作为内标进行轻烃(C6-C14)定量分析，饱和烃的定量采用GC图积分方法。色谱分析可以得到全油的谱图，但考虑到C14+部分包含非烃、沥青质等不能在GC上显示的组分，故只是在色谱图上计算C6-C14的产率，C14+的部分采用萃取、过滤、称重法定量，萃取溶剂为二氯甲烷，采用TEFLON有机滤膜，孔径为0.45 μm。

图1 银根—额济纳旗盆地构造区划与取样井位置

具体实验步骤与产物分析可详见文献[11-12]。

2 实验结果

2.1 气体产率

热模拟实验的气体产物包括烃类气体和非烃类气体，其中烃类气体主要有CH4、C2-5正烷烃、异丁烷、异戊烷等，非烃类气体主要有H2、CO2和H2S(图2)。H2和CO2的产率均随着温度的升高而增大，在热模拟实验最高温度分别达到峰值15.17 mL/g(原始产率换算成单位干酪根TOC后的产率，下同)和163.86 mL/g。H2S的产率随着温度的升高具有先增大后减少的变化趋势，快速(升温速率为20 ℃/min)和慢速(升温速率为2 ℃/min)条件下的H2S产率分别在480.0 ℃和432.4 ℃达到产率峰值218.61 mL/g和222.21 mL/g。H2S的产出表明原岩中有硫化物矿物的存在，这会有利于提高干酪根的热解生烃产率，因为硫化物对干酪根的裂解生烃有催化作用[13]。总气态烃的产率随着温度的升高呈现“缓慢升高—快速升高—稳定浮动”的3段式特点。以20 ℃/min升温速率为例，总气态烃的产率在336.0～384.1 ℃之间由1.45 mL/g缓慢升至13.82 mL/g，在408.0～552.8 ℃之间由33.25 mL/g快速升至461.15 mL/g，576.0 ℃以后产率较为平稳(图2)。甲烷产率的变化与总气态烃相似，也呈现“缓慢升高—快速升高—稳中有升”的3段式特点。以20 ℃/min升温速率为例，甲烷产率在336.0～384.1 ℃之间由1.02 mL/g缓慢升至5.86 mL/g，在408.0～552.8 ℃之间由15.08 mL/g快速升至330.60 mL/g，576.7 ℃以后产率稳中有升(图2)。湿气(C2-5)的产率曲线呈现抛物线特征，20 ℃/min和2 ℃/min 2种升温速率分别在528.0 ℃和479.7 ℃达到产出高峰，产率峰值分别为165.10 mL/g和160.48 mL/g(图2)。在热模拟实验的2种升温速率下，各气体产物的产率变化基本一致，但相对于慢速升温(升温速率2 ℃/min)，快速升温(升温速率为20 ℃/min)具有滞后现象，这是受干酪根生烃反应时间长短所限制，也验证了有机质热演化过程中时间和温度的补偿效应[13-15]。

2.2 油产率

热模拟液态烃(油)产物包括轻烃(C6-14)和重烃(C14+)，随着热模拟温度的升高，总油产率呈现“快速升高—快速降低—缓慢减低—趋于平稳”的4段式特点(图2)。以20 ℃/min升温速率为例，总油产率先是快速增加，在384.1 ℃达到产率峰值778.74 mg/g，再经历1次快速降低和1次缓慢减低后，产率变得很低、且趋于平稳。

C6-14的产率先增大后减小，20 ℃/min和2 ℃/min2种升温速率分别在456.0℃和408.0℃达到产出高峰，产率峰值分别为207.42 mg/g和189.43 mg/g(图2)。C14+的产率也是先增大后减小，20 ℃/min升温速率下在384.1 ℃达到产率峰值714.03 mg/g(图2)。液态烃产物在达到产率峰值后产率的降低与热裂解有关，且油的裂解存在以下演化规律：C14+先裂解成C6-14，C6-14再裂解为气态烃，最终转化为甲烷[12,16-17]。

图2 银根—额济纳旗盆地K1b2烃源岩样品热模拟温度与烃产率关系

2.3 生烃动力学参数

生烃动力学特征指示着烃源岩的热稳定性，生烃动力学参数中的活化能和频率因子可反映烃源岩生烃的难易程度，这2个参数可依据生烃模拟实验数据求取[18-19]。勘探证实，银额盆地巴音戈壁组二段烃源岩生成的烃类既有油又有气[1-2,20]，烃源岩的生气和生油活化能研究同样重要。本次生烃动力学参数计算采用的一级平行反应模式，运用Kinetics软件进行数据处理。

烃源岩样品甲烷生成的频率因子为2.22×1012S-1，主频活化能为260 kJ/mol，主频活化能占比为38%。湿气(C2-5)生成的频率因子为7.00×1012S-1，主频活化能为239 kJ/mol，主频活化能占比为36%。总气态烃(C1-5)生成的频率因子为1.60×1012S-1，主频活化能为255 kJ/mol，主频活化能占比为28%。C6-14液态烃生成的频率因子为1.71×1012S-1，主频活化能为218 kJ/mol，主频活化能占比为37%。烃源岩的生烃活化能主要受控于有机质类型，无机矿物的类型和含量、成熟度等也对其有一定的影响[21-22]。研究区巴音戈壁组二段烃源岩活化能较为集中，主频活化能也较低，表明烃源岩有机质类型较好(图3)。H/C(干酪根H与C原子比)—δ13C(干酪根碳同位素)分类法和IH(氢指数)—Tmax(岩石最高热解峰温)分类法都表明，样品的有机质类型较好，为Ⅱ1型(图4)。

2.4 主要气体产物碳同位素组成

热模拟结果表明，随着有机质热演化程度的升高，模拟产物甲烷碳同位素持续变重，乙烷和丙烷碳同位素均表现出“先缓慢变重、再有所变轻、最后快速变重”的分馏特点，而CO2碳同位素值始终变化不大(图5)。2种升温速率下气体产物碳同位素组成具有相似的变化规律，且与前人实验结果相似[23-24]。在整个热模拟过程中，同一演化阶段下气态烷烃的δ13C值具有正序排列的规律，即δ13C1<δ13C2<δ13C3，这也说明同源不同成熟度的混合作用一般不会造成天然气碳同位素的倒转[23]。热模拟过程中，甲烷碳同位素值为-52.47‰～-36.21‰，最大分馏值为16.26‰，相比于原岩干酪根碳同位素增重幅度为55.5‰。乙烷碳同位素值为-38.06‰～-8.63‰，最大分馏值为29.43‰，相比于原岩干酪根碳同位素增重幅度可达101.5‰。丙烷碳同位素值为-35.46‰～11.18‰，最大分馏值为24.28‰，相比于原岩干酪根碳同位素增重幅度达83.7‰。一般认为，干酪根由不同碳同位素特征的有机碎片组成，侧链中的碳同位素值比含杂原子、芳环中的碳同位素重，由于12C-2C和12C-13C化学键能不同，随着热演化程度的升高，干酪根不同部位的碳原子按一定规律脱落生气，导致同位素的分馏值不同[25-26]。银额盆地K1b2烃源岩所生成的气态烷烃碳同位素随着成熟度的增加而增重幅度很大，因此应用低熟源岩干酪根碳同位素进行油气源分析时须谨慎。

图3 银根—额济纳旗盆地K1b2烃源岩样品生烃活化能分布

图4 银根—额济纳旗盆地K1b2烃源岩热模拟样品有机质类型分类

图5 银根—额济纳旗盆地K1b2烃源岩样品热模拟主要气体产物碳同位素组成

3 讨论

3.1 生烃潜力

由于升温速率不同，烃源岩样品在热模拟过程中达到相同温度点经历的生烃反应时间不同，快速升温相对于慢速升温产烃具有滞后现象，这就需要一个统一的尺度来衡量有机质热演化程度。依据Arrhenius一级化学反应动力学原理，利用Easy%Ro模型计算模拟实验中不同升温速率下不同温度点的平均镜质体反射率值[27-29]。可以看出，样品在20 ℃/min升温速率下升温到336.0 ℃时，EasyRo为0.57%，而原始样品的实测Ro为0.65%。存在这种反常现象(样品在加热后Ro值反而降低)的原因是EasyRo为一计算值，与实测Ro存在一些误差。本次热模拟中，原始样品的实测Ro与热模拟初期的EasyRo差别不大，EasyRo可以等效于Ro，用来表征烃源岩的热演化程度。

尽管银额盆地K1b2烃源岩在绝大多数凹陷以生油为主，但在部分成熟度较高的深凹区也有天然气生成，模拟实验结果也反映这套烃源岩有一定的生油气潜力(图6)。热模拟过程中总烃累计产率为265.50～798.06 mg/g，在EasyRo=0.8%时达到生烃高峰。总烃累计产率在热模拟初期经历了一次快速升高和一次快速减低，EasyRo在1.5%后趋于平稳，且累计产率维持在416.77～566.69 mg/g。参照陆相烃源岩有机质成烃演化阶段划分及判别指标[30]，烃源岩成熟阶段的起始Ro为0.7%，在“生油窗”内(EasyRo为0.7%～1.5%)，烃源岩生油产率为263.99～778.74 mg/g。烃源岩EasyRo在1.5%后开始大量生气，气态烃产率为191.19～582.69 mL/g。

图6 银根—额济纳旗盆地K1b2烃源岩热模拟生烃演化及烃类产物组成

孙丽娜等[28]对鄂尔多斯盆地延长组长7段湖相油页岩开展半开放的高温高压模拟实验，温度为250～500 ℃，样品的最高总油产率仅为223.78 mg/g。陈晓艳等[12]对渤海湾盆地冀中坳陷沙河街组湖相烃源岩样品开展黄金管—高压釜限定体系热模拟实验，温度为335～600 ℃，最大累积生油量为590 mg/g，最大气态烃累积产率基本为350～500 mg/g。因此，相对于同类型的湖相烃源岩(鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地等)，银额盆地K1b2烃源岩具有较高的生油气潜力。

3.2 生烃演化模式

本次研究中，烃源岩样品热模拟烃类产物的组成在不同的有机质演化阶段差别较大，热模拟初期(EasyRo=0.8%～1.5%)以产油为主，热模拟中期(EasyRo=1.5%～3.3%)油气均有产出，而热模拟晚期(EasyRo>3.3%)以产气为主，这体现出烃源岩有机质热演化过程具有一定的阶段性和规律性(图6)。

基于TISSOT等建立的干酪根热降解生烃演化模式[8]，伴随着热模拟技术的发展，前人针对不同地区、不同类型干酪根建立了有机质生烃演化模式[12,27-28,31-32]，使得有机质生烃过程更加明确，有机质生烃理论也得以不断完善。由于划分依据和侧重点不同，前人对有机质生烃演化阶段的划分方案和划分标准差别很大，体现出烃源岩的区域差异性和有机质生烃过程的复杂性，也表明只有建立适合研究区的烃源岩生烃演化模式，才能够有效地指导该区的油气勘探和地质研究。基于C6-14、液态烃、气态烃等产物的产率变化特征，将银额盆地K1b2烃源岩有机质热演化成烃过程分为4 个主要阶段(图6，7)。

(1)热解生油阶段。EasyRo为0.57%～0.8%(样品热模拟的起始EasyRo为0.57%)，该阶段以干酪根热解生油为主。油的产出占绝对优势，可占总烃的98%～99%。此阶段油的产率增加很快，以20 ℃/min升温速率为例，样品的总油产率在EasyRo=0.57%时为163.99 mg/g，之后总油产率随着热演化程度的升高而快速增大，至EasyR=0.8%o时达到了生油高峰，产率峰值为778.74 mg/g。虽然气态烃产率也持续增大，但总气态烃产物生成量很少，产率基本低于13.82 mL/g，气态烃/液态烃不超过0.02。样品的总烃产率也随着热演化程度的升高而快速增大，在EasyRo=0.8%时分别达到了有机质演化过程中的生烃高峰值798.06 mg/g(20 ℃/min)和785.77 mg/g(2 ℃/min)。

(2)凝析油生成阶段。EasyRo为0.8%～1.5%，此阶段以早期生成的油裂解为轻烃和干酪根裂解生气为特征。TANG等[17]认为液态烃裂解分为2个阶段，首先是液态烃重组分向轻组分转化，然后是轻组分裂解生成气态烃。样品的总油产率在EasyRo=0.8%后开始持续降低，早期生成的油开始裂解，轻烃组分大量生成[25]，表现在C6-14的产率在生油高峰后仍持续增大，在EasyRo=1.5%时达到了产出高峰。该阶段气态烃产率快速增大，以20 ℃/min升温速率为例，EasyRo由0.96%增加到1.47%，样品的总气态烃产率由35.25 mL/g快速增加到116.27 mL/g，气态烃/液态烃也由0.07增加到0.37，气态烃的主要来源应为干酪根的裂解。这一阶段总烃产率有所降低，可能与干酪根和早期生成的油裂解过程中非烃产物排出有关。

(3)油裂解生气阶段。EasyRo为1.5%～3.3%，此阶段以早期生成的油裂解生气为主。陈晓艳等[12]认为，以C6-14累计产率峰值为界，可将气态烃的生成分为干酪根热降解生气和液态烃热裂解生气2个阶段，在液态烃热裂解生气阶段干酪根热降解生气比重很小。该阶段由于持续时间长，液态烃累计产率降低量很大。以2 ℃/min升温速率为例，总油累计产率在EasyRo=1.69%时为270.22 mg/g，但在EasyRo=2.99%时降低至67.76 mg/g。由于液态烃裂解为气态烃，气态烃的产率快速增加，且气态烃中湿气(C2-5)具有较大的占比，天然气主要为湿气。这一阶段总烃累计产率变化不大，气态烃在烃类中的比重快速增大，以20 ℃/min升温速率为例，EasyRo由1.81%增大到2.99%，气态烃/液态烃由1.10迅速增加到7.72。

图7 银根—额济纳旗盆地K1b2烃源岩有机质热演化阶段划分

(4)气裂解阶段。EasyRo大于3.3%，此阶段以C2-5裂解成甲烷为特征。液态烃产物由于二次裂解几乎消耗殆尽，生成的烃类绝大多数为气态烃，在本次热模拟的最高温度，气态烃/液态烃最高可达46.09。由于重烃气在高温条件下裂解生成大量甲烷，天然气变得越来越“干”，在热模拟的最高温度，天然气干燥系数可达99.7%。

4 结论

(1)银额盆地巴音戈壁组二段烃源岩热模拟实验结果表明，这套主力烃源岩的频率因子为1.60～7.00×1012S-1，主频活化能为219～260 kJ/mol，活化能较为集中、主频活化能较低，表明烃源岩有机质类型较好。

(2)随着有机质热演化程度的升高，热模拟气态烃产物的碳同位素增重幅度很大，特别是乙烷碳同位素最大分馏值为29.43‰，相比于原岩干酪根碳同位素增重幅度可达101.5‰，表明应用低熟源岩干酪根碳同位素进行油气源分析时须谨慎。

(3)烃源岩热模拟过程中，总烃累计产率为265.50～798.06 mg/g；“生油窗”内烃源岩的总油产率为263.99～778.74 mg/g，大量生气阶段的气态烃产率为191.19～582.69 mL/g。相比于鄂尔多斯盆地、渤海湾盆地等湖相烃源岩，银额盆地巴音戈壁组二段烃源岩具有较高的生油和生气潜力。

(4)基于热模拟过程中C6-14、液态烃、气态烃等产物的产率变化特征，将银额盆地巴音戈壁组二段烃源岩有机质热演化成烃过程分为4 个主要阶段：即热解生油阶段、凝析油生成阶段、油裂解生气阶段和气裂解阶段。