页岩生烃潜力分析技术研究

页岩既是页岩气的烃源层,又是储集层,运移距离较短,具有原地成藏特征,高丰度的有机质既是成烃的物质基础,也是页岩气吸附的重要载体。 因此,研究烃源岩的有机地球化学特征及其生烃潜力,是正确评价一个地区页岩资源潜力的基础。 页岩生烃能力的内部控制因素主要是页岩自身的地球化学指标,即有机质丰度、成熟度、干酪根类型、气体成因类型等参数,这些地球化学指标是影响页岩气赋存状态及含气性的重要因素,而这些指标测试结果的准确性和精度是衡量区块资源潜力可靠性的保障,再结合盆地模拟技术,以地史和热史为基础,模拟出生烃史、排烃史,定量或半定量确定生烃量和排烃量。

目前,国际上针对页岩气地球化学分析测试技术流程和体系比较先进和系统的是美国几个石油公司和技术公司。 美国Intertek 实验室在页岩气的实验测试方面形成了烃源分析体系,主要包括总有机碳的测定和评价、岩石快速热解分析、镜质体反射率测定、分类和显微相组分的测定。 美国Weatherford 实验室在页岩气地化测试方面主要有岩石热解实验确定有机质丰度和热成熟度,天然气组分分析气体组分和气体特性,气体同位素分析确定储层产气来源及盆地和储层中页岩气的分布。 通过国外实验室的测试项目总结出页岩气地化测试分为两大方面内容:

①烃源岩分析。 烃源岩分析主要通过岩石的热解实验和镜质体反射率的测定分析有机质丰度、成熟度和总有机碳量。

②气体评价。 通过气相色谱法分析产出气的组分,利用稳定同位素评价储层的产气来源和有利储集区。

地球化学分析测试技术,无论是在常规油气还是在非常规油气研究中,都是了解某区块或某地区最关键、最基础的测试技术。 页岩气勘探中地球化学分析测试技术有与常规油气的通用性。 地面露头揭示、钻井岩心观察描述和测井曲线特征等资料显示,重庆地区下古生界上奥陶统五峰组-下志留统龙马溪组、下寒武统牛蹄塘组(水井沱组)为海相陆棚沉积,以浅水陆棚和深水陆棚亚相为主,发育两套暗色富有机质页岩,两套地层发育年代老,成熟度演化高,某些地球化学指标(如氯仿沥青“A”)已经失去指向意义,因此页岩气地球化学测试技术有其本身的特殊性。

本研究主要从页岩的有机质丰度、有机质类型、热演化程度等地质问题出发,针对每项地质问题从多项地化测试可选指标参数中优选出适合重庆地区页岩气地化测试的关键指标参数,并基于大量技术调研研究推荐了相关测试仪器。

1)地球化学分析测试技术研究

(1)有机质丰度测试技术研究

页岩有机质丰度是生烃强度的主要影响因素,与常规气藏相同,不管是生物成因气还是热成因气,源岩都需要充足的有机质。 高丰度的有机质既是生烃的物质基础,也是页岩气吸附的重要载体。 在其他条件相近的前提下,岩石中有机质含量(丰度)越高,其生烃能力越强,所以其实验结果的可靠性、有效性对页岩含气量评价非常重要。 总有机碳含量(TOC)、氯仿沥青“A”、和总烃(HC)是评价烃源岩有机质丰度的常用指标。

测试数据表明,重庆地区海相页岩烃源岩属到达高-过成熟阶段,干酪根热降解生烃和高温裂解、热蒸发作用,可溶烃及热解指标都自然失效,氯仿沥青“A”、总烃含量等均降到低含量水平。 如果用这两项指标值来表征有机质丰度,会与重庆地区地层时代老演化程度高的页岩的真实有机碳含量产生矛盾。 由于生油岩内只有很少一部分有机质转化为油气离去,大部分仍残留在地层中,并且碳又是在有机质中所占比例最大、最稳定的元素,所以TOC 能够近似表示生油岩内有机质丰富程度(图4.1)。

TOC 测定原理是将岩石样品粉碎至粒径小于0.2 mm,用5%的稀盐酸煮沸,除去碳酸盐后的剩余残渣在高温下有部分氧气条件下燃烧,将有机质燃烧成二氧化碳。 检测所产生二氧化碳量并换算成碳元素的含量,根据二氧化碳含量的检测原理不同可分为体积法、重量法、仪器法等。 比较常用的为重量法与仪器法两种。 重量法是先用稀盐酸除去岩石样品中的无机碳,然后放在高温氧气流中燃烧,生成的二氯化碳用碱石棉吸收,以碱石棉的增量计算出总有机碳的含量。 仪器测定法是先用稀盐酸除去岩石样品中的无机碳,然后将样品放在高温氧气流中燃烧,将总有机碳转化成二氧化碳,经红外检测器检测出总有机碳的含量。 目前,国内外测TOC 使用的主流仪器为碳硫测定仪和岩石热解仪,两种仪器在测有机碳的原理基本相同,都是采用仪器测定法检测出有机碳的,都具有操作简便、分析速度快、成本低、样品用量少的特点。 只是岩石热解技术在不同设置分析条件下,除得到TOC 外,还可得到热解分析的各分析参数,它们是S1、S2、S3 和Tmax 定量值,在表征生油岩成熟度、有机质类型和计算产油潜量等方面效果明显。

图4.1　黔页1 井TOC 与总烃含量对比图

综合以上分析,在表征重庆地区富有机质页岩有机质丰度时,从TOC、氯仿沥青“A”和总烃(HC)三项指标中优选TOC 这项指标,利用岩石热解仪或碳硫测定仪来完成测试工作。本研究已用岩石热解技术测得钻井岩心样品70 件,通过分析实测数据初步掌握了重庆地区富有机质页岩有机碳含量的分布规律,为研究重庆地区富有机质页岩的烃源岩评价提供了可靠数据支撑。

(2)有机质类型测试技术研究

由于有机质化学结构不同,不同的有机质类型决定了源岩生成产物的不同。 Ⅰ型与Ⅱ型干酪根主要以生油为主,Ⅲ型干酪根主要以生气为主,在热演化程度较高时,它们都可以生成大量天然气。 有机质的类型决定了页岩的生气窗和有机质转化率。

有机质类型划分的常用指标是生物显微组分、Rock-Eval 岩石热解参数和干酪根碳同位素。 生物显微组分鉴定利用透射光或荧光镜镜下观察有机碎片的形态、亮度和颜色等。 用这种方法确定干酪根的类型的缺点是指标受演化程度的影响,且镜下统计采用目估法,类型划分常不尽一致。 岩石热解参数划分有机质类型包括:①根据气源岩的氢指数IH 和氧指数IO 图版划分有机质类型(图4.2);②根据气源岩的氢指数IH 与Tmax 图版划分有机质类型。 ③根据气源岩的类型指数S2(高温裂解产物)、S3(二氧化碳)划分有机质类型,其缺点是干酪根随着成熟度增大降解成烃,S2 值急剧下降,S3 值则变化不大,导致氢氧指数、降解潜率等都比原始值低,发生趋同现象,已不能划分有机质类型,所以对高-过成熟烃源岩岩石热解参数已经失效。

图4.2　黔页1 井干酪根类型判定图

干酪根的稳定碳同位素组成(δ13C)能够表征原始生物母质的特征,次生的同位素分馏效应不会严重掩盖原始生物母质的同位素印记,它具有强烈的继承性,随成熟度变化不大;普遍认为是划分高-过成熟烃源岩有机质类型的有效指标。 目前,普遍使用日本津岛公司生产的碳同位素质谱仪,其操作简单、性能稳定、精度高。 质谱的测量是应用CO2 在高能电子流的轰击下产生不同质荷比的离子,测量质荷比为44 和45 的离子,即得同位素12C 和13C 的组成。 测量中采用双束补偿法和双样系统,用两个收集器同时分别收集m/e44 和45 的两束离子进行补偿,并对被测样品和标准样品进行交替测量,所得的是样品与标准的相对关系,用δ13C(‰)表示,即

国际通用标准是美国南卡莱纳州白垩纪的箭石,其中13C/ 12C=1 123.72×10-5 或δ13C=0‰称PDB 标准;我国的测量标准是北京周口店奥陶系灰岩,13C/ 12C=1 123.6×10-5 和四川广福坪一号井天然气,其中13C/ 12C=1 084.4×10-5。 各种有机物质的测量精度为±0.3%。

重庆地区下古生界页岩热演化史复杂,热成熟度较高,对于这种成熟度高的样品,特别是进入高成熟阶段以后的样品,不同类型干酪根之间的差异性逐渐消失,化学组成变得相似,干酪根类型的鉴别变得困难。 综上对比分析有机质类型划分方法,优选测干酪根碳同位素的技术手段,以生物显微组分镜下鉴定和岩石热解参数作为辅助。 目前,国内外主流仪器为日本津岛公司生产的碳同位素质谱仪。 已利用岩石热解技术分析重庆地区页岩样品70 件,生物显微镜鉴定薄片显微组分样品70 件,为该地区页岩的生气能力研究提供重要依据。

(3)成熟度测试技术研究

页岩中丰富的有机质是生成油气的物质基础,但只有在有机质达到一定的热演化程度才能开始大量生烃,因此成熟度是生烃的重要控制因素。 有机质成熟度的常用指标为镜质组反射率、沥青反射率。

泥盆纪之后高等植物开始出现的地层中有机质含有镜质组,镜质组包括结构镜质体和无结构镜质体,主要来源于高等植物中的木质素、纤维素以及单宁酸。 在植物大规模登陆之前(泥盆纪之前)的地层中,有机质中没有由高等植物形成的镜质组,在有机质中往往有固体沥青存在,所以在研究有机质成熟度时采用沥青代替镜质体进行反射率测定,通过镜质体反射率与沥青质反射率的关系式将其沥青反射率再换算成镜质体反射率值。 Jacob(1985)、丰国秀等经过详细研究认为,原生沥青(由本层烃源岩形成的,其运移仅限于本层烃源岩内的沥青)可用于研究源岩的成熟度,并且在高成熟至干气阶段应用效果较好。 该方法可以很好地结合重庆区域地质演化史和有机地球化学分析结果,综合确定烃源岩的有机成熟度。 Jacob(1989)通过对Rob 和Ro 的对比研究,建立了两者的相关关系:

通过公式换算成镜质体反射率而进行烃源岩成熟度评价,这也在一定程度上解决了缺乏镜质体的海相源岩的成熟度问题。

目前,国内外使用蔡司显微镜直接观测法测沥青反射率,其原理是利用光电效应原理,通过光电倍增管将反射光强度转变为电流强度,并与相同条件下已知反射率的标样产生的电流强度相比较而得出。 每件光片上测定点数不少于10 个,如果测点低于10 个,应注明该数据仅供参考。 每测完一块样品或经2 h 后,需复测一次标样,如与测定前标样数值相差大于0.02%,则所测样品须重新测定。

重庆地区下古生界海相页岩层系有机质中不含或极少含有来自陆源的镜质体,有机质中有固体沥青存在,因此,推荐利用蔡司显微镜测定沥青反射率值换算的手段来确定重庆地区富有机质页岩有机质演化程度。 已利用沥青反射率测定手段完成重庆地区61 件样品的测定,通过测得的实测数据基本掌握了该地区富有机质页岩有机质的热演化程度,为后续的烃源岩评价提供有利参数。

综合页岩有机质丰度、类型、成熟度的研究,结合重庆地区页岩层系特殊性,从多项地化测试指标参数中优选了适合重庆地区页岩气地化测试的关键指标参数,建立了页岩气地化分析关键技术体系(表4.1),为重庆页岩气的勘探开发提供有效技术手段。

表4.1　重庆地区页岩气地化测试关键指标优选

2)气体组分及成因类型测试技术研究

页岩气包括了未成熟生物气、低-成熟气、高-过成熟气等多种,覆盖了生物化学、热解及裂解等几乎所有可能的有机生气作用模式,即包括生物气、热成因气或者两者的混合气。

生物成因气是指成岩作用阶段早期,在浅层生物化学作用带内,沉积有机质经微生物的群体发酵和合成作用形成的天然气,这种气体出现在埋藏浅、时代新和演化程度低的岩层中,以含CH4 为主。 同时,微生物的活动可以使有机质分解形成CO2、H2S、H2、N2 等。 从成分上看,甲烷是生物成因气的主体。 它与乙烷以上重烃的比值大于100,甚至大于1 000。CH4 含量一般大于98%,有的可达99%以上。 生物成因气重烃含量低,一般少于0.2%,个别的可达1% ~ 2%,C1/C2 一般在数百到数千以上,为典型的干气。 一般认为,重烃在1% ~2%以上者大多有热成因气混合。 具有工业价值的生物成因气藏的δ13C1 分布范围为-85‰~-55‰,明显富集轻碳同位素组成。

热成因气是指沉积有机质在热降解成油过程中,与石油一起形成的,或者是在过成熟阶段由有机质和液态烃热裂解形成的。 热成因气主要为腐泥型干酪根进入成熟阶段以后在热力作用下形成的天然气,随着埋藏深度的增加,温度、压力增加,热化学作用成为重要因素,产生大量液态烃和气态烃,同时产生大量热化学甲烷;随着埋深继续增加,热化学作用完全代替生物化学作用,热化学甲烷及其同系物也大大增加,直至完全产生热化学甲烷,热成因气的特点是重烃含量高,一般超过5%。 甲烷碳同位素组成为-55‰ ~-40‰;其中,石油伴生气偏轻,δ13C1 为-55‰ ~-45‰;凝析油伴生气偏重,δ13C1 为-50‰ ~-40‰;而过成熟裂解气,δ13C1 为-40‰~-35‰或更高。 如果烷烃气出现δ13C1 ＞δ13C2 逆序的特点,可能是混合成因气所致。

测气体组分及碳同位素测定技术是有效判识页岩气成因类型的可靠手段。 早年,使用气相色谱仪和质谱仪两种仪器分别测试气体组分与碳同位素,随着技术的发展,普遍使用气相色谱质谱连用仪。 天然气样品在气相色谱仪中经过色谱柱分离为单组分,再与质谱仪相连测定碳同位素组成。 目前最通用的是美国赛默飞世尔公司生产的气相色谱与碳同位素联用仪Thermo,该配置具有分析效率高、分析速度快、准确度好的特点。 已应用气相色谱与质谱连用技术分析了重庆地区页岩气气体组分样品63 件,获取了天然气各组分的百分含量,进行了页岩气成因类型的划分。

3)盆地模拟技术研究

页岩气藏本身是一个复杂的地质体,通过多学科综合研究,再利用软件操作态可以再现页岩气的生成和聚集,对页岩气资源潜力预测起到积极作用。 数值盆地模型可以定量描述地质特征,综合考虑诸如沉积埋藏过程、成岩过程、温度场演化、压力场演化等沉积盆地演化的基本方面及其相互间的耦合关系,因此利用数值盆地模型,可以定量描述复杂地质现象,同时考虑多个因素的作用及其相互间的影响,为克服时空的限制、定量再现地质事件的发生、发展、演化过程提供了一条可行之路。 盆地模拟的核心是从石油天然气地质学的物理、化学机理出发,在时空和空间域内定量恢复一个盆地和地区的历史发展过程,动态再现油气的生成、运移、聚集成藏规律。

一个完整的盆地模拟系统由以下五个模型有机组成:地史模型、热史模型、生烃史模型、排烃史模型和运移聚集史模型。 一维盆地模拟系统包括前四个模型,二、三维盆地模拟系统包括五个模型(表4.2),对页岩气藏的模拟应放在前四史的研究。

表4.2　盆地模拟系统各模块的功能及主要模拟方法表

目前盆地的地史模拟中,主要采用回剥技术和超压技术相结合。 回剥技术其实是反演的方法,由今溯古恢复埋藏史,回剥技术的优点是精度高、速度快;缺点是不能恢复异常压力史。 超压技术其实是正演的方法,从古至今模拟埋藏过程,超压技术虽然能够恢复异常压力史,但其古厚度恢复结果精度较低,不适于单独使用。 回剥技术和超压技术相结合,从已知的盆地现状出发,采用回剥技术,重建地层埋藏史。 对于可能出现的异常地层压力层(如烃源岩层)采用超压技术,再修正回剥技术建的埋藏史,这样既得到了古压力史,又确保了计算精度。

热史研究可分为岩石圈和盆地两种尺度进行,在岩石圈尺度上,可根据数学模型调整参数,通过对盆地实际构造沉降量的拟合,获得盆地热流,进而结合盆地埋藏史,重建盆地热历史。 该方法与盆地构造成因有关,称构造热演化法。 在盆地尺度下利用盆地地层有机质、矿物、流体等记录的古地温反演地层的热历史和热流史,称古温标法,适于盆地模拟的古温度计有Ro、黏土矿物和磷灰石裂变径迹。 构造演化法的盆地模型都是简化的,加上各参数难于求取和不确定性,所以该方法偏重于定性研究,只起参考作用。 古温度计仅限于局部范围的测量,可以进行定量研究。 以上两种方法相结合,在选取一定的构造演化模型后,在此基础上求古地流、古地温的正、反演技术相结合法是目前几年普遍使用的方法。

生烃史模块是盆地模拟的心脏,主要是油气生成量的计算,油气生成量的计算方法有化学动力学法和热解模拟法。 热解模拟法计算更接近实际情况,但在热解模拟实验数据少的地区,往往缺少降解率和产烃率模板,因此无法使用此方法。 化学动力学方法使用的参数少,适用性广,但计算结果不如热解模拟法可靠,对于研究程度较低的重庆地区,推荐使用化学动力学方法。

排烃史研究的是油气自生油层向储集层的运移,也就是初次运移。 初次运移的动力往往与相态有关。 其中,压实法和压差法研究的是石油排油量的计算方法,不适用于研究页岩气排烃量。 目前应用于天然气的排烃计算方法有两种,一种是相态计算累加法,首先计算各相态的运移量,然后再把结果分别相加,从而得到总排气量。 这种计算方法比较符合生排烃顺序,也易于接受,但在实际操作中难以准确计算扩散气和游离气量。 物质运移模型,基于物质平衡原理,绕开了气体相态问题,简化了计算过程,成为目前天然气初次运移时的主要技术。 所以页岩气的排烃史推荐使用物质运移模型。

在软件工业化应用方面,目前在国际商品软件市场上活跃的主要是3 套盆地模拟软件:①德国有机地化研究所(IES)的PetroMod,由剖面二维油气系统分析软件PetroFlow、平面二维油气系统分析软件Finesse 和沉积应用分析软件Sedpad 3 个相对独立的系统组成。 ②法国石油研究院(IFP)的TemisPack(二维)、Genex(一维)和Temis3D(三维)系列软件,该系列软件由Beicip-Franlab 公司市场化。 ③美国Platte River 公司(PRA)的BasinMod,其主打产品是BasinMod-1D、BasinMod-2D、BasinMod-3D。

Temis 系列软件利用有限体积法提供了一个耦合压力和多相流体的运移模拟器,用于模拟压力演化、流体流动和运移路径,估算油藏充注时间、圈闭内可能的油气充注体积等。但是Temis 模拟软件运行一次长达一个半小时,操作麻烦,同时对计算机硬件要求高。

BasinMod 的特色是埋藏史用压实回剥法,热史模拟用地温梯度法,生排烃史模拟用烃产率法和化学动力法,油气运聚史模拟用运载层吸附油气散失模型法,资源量估算用排聚系数法。 每一个模块使用的参数较多,BasinMod 软件具有Windows 图形用户界面,可以通过对话框进行操作,操作简单灵活,使用方便。

PetroMod 是目前唯一能够使多维模拟在同一平台下操作,并使数据在能够在多维模块中共享的含油气系统模拟软件,另外,在油气运聚史方面表现出先进的油气模拟技术,开发了兼达西定律和流线法组合模拟器,保证了模拟精度和运算速度。

综合对比不同盆地模拟软件的优缺点,推荐使用BasinMod 和PetroMod 进行含页岩气盆地四史模拟。

表4.3　盆地模拟系统主要模拟方法及软件优选表