石油勘探与开发 2000年8月 PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT Vo.27No.411 油气二次运移研究的基本思路和几个应用实例 黎茂稳 加拿大联邦地质调查局卡尔加利分部 要信息。 但原油中最可能与输导层介质(水、矿物基质和固 体有机物质)发生强烈相互作用之成分,主要是那些具 油气二次运移研究(特别是二次运移距离的确定)有官能团、能形成氢键或其它离子键的化合物,例如羧 是石油地质综合研究中至关重要但又最薄弱的环节。酸类、酚类、咔唑类和喹啉类。这些化合物在运移过程 油气二次运移的距离可以从数毫米至数百千米1,而中会大量地逗过液历两相分配而进人输导层之固相 输导层中真正被油所饱和的部分一般仅占其体积的有机质和矿伤基质之中10。对于油气运移过程中含 1%~10%2]。在绝大多数情况下,由于无法直观地确氮化合物在矿物和有机基质上的吸附作用及其对单个 定运移通道的实际大小,加之难以估计对特定圈闭的含氮化合物的分馏效应,人们已有了比较可靠的实验 供油量,因而很难建立可信的二次运移模型用于预测积金验性的证据-16。其中,中性的咔唑类含氮化合 运移路径。解决上述难題的途径之一是研究油气中潜物(见图1a)最有希望成为二次运移的化学示踪剂,它 在的运移化学示踪剂-,而利用烃类生物标志物和们一般仅占原油质量的0.1%-2%,可以通过多种特 中性氮化合物绝对定量则是其重要组成部分。本文讨殊的色层法从原油中分离出来实现像饱和烃和芳烃 论笔者近年来在这方面的一些基本研究思路,给出几那样的常规色谱和色谱/质谱分析57,18。图1b是 个应用二次运移化学示踪剂参数的研究实例,从一个笔者用高温色谱柱分析法获得的辽河油田一未成熟油 侧面介绍国际上在本研究领域的一些最新进展。 源岩的中性氮馏分的气相色谱图,用这种方法分析原 油中常见的咔唑类和苯并咔唑类化合物仅需20min,而 原油非烃与输导层中液固相物质 用常规色谱法则需60-70min,且达不到同样的分辨 的相互作用及分配 率。需要指出的是,黎茂稳等4,1报道的部分二甲基 咔唑异构体色谱出峰顺序有误,应以他们近期文章报 原油是化学组成极其复杂的混合物,按化学极性道的9.0为准。 可将其分离为饱和烃、芳香烃、非烃和沥青质馏分。其 中,饱和烃馏分主要继承了油气母源特征,可以为研究 油气母质的生源构成、沉积环境和热演化程度提供重 1,8-二甲基咔唑 2,4-甲基咔唑 要信息6。饱和烃馏分中除含正构烷烃和支链烷烃 外,还含环烷烃生物标志化合物。人们曾尝试用甾烷 生标参数,如14(H)17B(H)C29甾烷百分比来评价运 移距离),由于涉及的化合物为非极性,除受蒸发分馏 苯并[a咔唑 苯并c]咔唑 效应8或立体位阻效应9之外,在运移过程中绝大部 苯并咔唑 分将保留在原油中,加之参数具多解性,应用效果并不 理想。相比之下,原油芳烃馏分中存在芳环,可以与周 边介质形成氢键或π键,加强了与输导层基质的相互 作用,不仅可用于研究油源岩的沉积环境和热演化程图1咔唑类含氮化合物结构(a)和用高温色谱柱分析获得的 度,也常被用来研究油气运移。同时,低分子量芳烃 辽河油田未成熟油源岩的中性氮馏分的气相色谱图(b) (如苯和甲苯)的水溶性极高,它们与其它烃类的比值 咔唑类化合物在地层水中溶解度极低,在影响它 可以为研究原油水洗和微生物降解等次生作用提供重们在地质体中分布的主要因素中,可以排除它们在油 201994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.ALlrightsreservedhttp://www.cnki.net
12 石油勘探与开发·“第四届全国油气运移学术研讨会”论文专辑 Vol 27 No, 4 气与水之间的相分配2。这类化合物具有一个NH原油开展了定量研究40-3,以弄清有机母质特征 官能团,其上的氢与输导层中矿物基质固体有机物质沉积环境和热成熟度对中性氮运移参数的影响。这些 的羟基相互作用形成氢键,表现出明显位阻效应13,成因素无疑会影响中性氮化合物的浓度和组成,但影响 为其主要化学组成在油气二次运移过程中的分馏模到多大程度目前尚不清楚。可以肯定的是,迄今尚未 式。从理论上讲,随着有效运移距离增加,原油中咔唑发现像常规生标那样的能够指示有机质生源构成和沉 类化合物应有下列变化:①绝对浓度显著降低;②烷基积相的中性氮化合物。有足够证据表明,热成熟度对 化程度较高(或烷基链较长)咔唑类与烷基化程度较低中性氮运移参数的影响程度不容忽视。例如,通过研 (或烷基链较短)咔唑类准同系物之相对比例增加;③究西加拿大盆地上泥盆统 Duvernay组碳酸盐岩油源 烷基取代基靠近NH官能团的衍生物(如1,8二甲基岩的一个自然演化剖面201发现,油气初次运移和二次 咔唑)与烷基取代基远离NH官能团的衍生物(如2 运移过程中的中性氮化合物分馏效应5仅仅代表了从 4-二甲基咔唑)之相对比例增加;④烷基咔唑类同系物有机质生烃到成藏全过程的一个中间环节。这可能就 与烷基苯并咔唑类同系物之相对比例增加4 是为什么很难摸清这些化合物的成因的原因,因为原 对于苯并咔唑类化合物而言,运移过程中与输导油和油源岩抽提物中的化合物已经发生了畸变,它们 层介质的相互作用也同样会导致它们在原油中的绝对仅仅代表了极性偏小、表面反应活性偏低的成分。不 浓度显著降低。与大多数稠环芳烃一样,近线性的苯同成熟阶段的源岩抽提物中咔唑类化合物的绝对浓度 并咔唑[b]异构体因化学结构不稳定,在演化正常的和对组成变化范国很大2-2(见图2)。通过与结 沉积有机质和石油中丰度一般很低。根据分子力学计构相似的含硫化合物比较202),认为这可能主要是初 算结果,棒状的苯并咔唑-[a]沿着分子长轴方向白有效 次排烃的结果,不能归因于热力作用下的烷基化、脱烷 偶极矩为141德拜,而扁球状的苯并啡唑的有效基化、异构化、氢化还原或芳构化。 偶极矩方向几乎与分子长轴方向垂直(见图1a)。因 此,前者的分子扩散速度泛高于后者,而在有机溶剂中 的溶解度则远低于后者,所以苯并咔唑-[a]/苯并咔唑 本并咔+0 [c]比值随着有效运移距离的增加而降低5。 值得注意的是,利用中性氮化合物来研究油气 次运移距离主要立足于一个非常简单(也许过分简单) 兰林兴 的基本假设,即运移距离增加通常会给中性氮化合物 带来相应的化学组成分馏效应。然而,对于同样的图 镜质体反射率(%) 上直线运移距离,由于输导层岩性、孔隙结构、裂隙发 图2不同成熟阶段油源岩抽提物中咔唑类化合物 育程度、有效渗透率等因素的影响,单位原油实际“见 的绝对浓度和相对组成变化图 到”的岩石和水量极为不同,故此会对极性化合物产生 不同程度的化学组成分馏效应。所以,中性氮化合物 为了验证这一规律性,笔者等选择了一个未熟的 的浓度和组成与特定原油的直线运移距离之间不应有ⅡS型源岩,开展不同温度的加水热解试验重点模拟 成不变的关系。例如在加拿大阿尔伯塔盆地源自上低熟至生油窗阶段2。试验结果表明,咔唑类和苯并 泥盆统碳酸盐岩的原油中,盆地中西部原油运移通道咔唑类化合物的绝对浓度随热解温度升高而显著增加 主要为孔隙性碳酸盐岩和碎屑岩,中性氮化合物浓度见图3a),但一些特定化合物的比值则出现两种情形 和组成随运移距离变化的规律性十分明显5;但盆地(见图3b):分子量或极性不同的化合物比值变化很大 中南部原油沿着 Rimbey-Meadowbrook链状生物礁群(如甲基咔唑/咔唑比值和1-/甲基咔唑比值),而分 运移,虽然运移距离长达数百千米,中性氮化合物的化子极性相似但形状不同的化合物比值则保持恒定(如 学组成分馏效应并不显著2),因为运移通道是礁下高3八4甲基咔唑比值和苯并咔唑-[a]Ac]比值)。这与 度白云岩化的台地相碳酸盐岩(231。 最近在地下储集层高温高压条件下的模拟实验结果吻 合较好( Larter,私人通信)。 原油母源特征和热成熟度 上述结果表明,以不同分子形状为基础的运移参 对中性氮运移参数的影响 数应用效果可能好于以分子极性为基础的参数S。由 于只有能够排烃的成熟度区间才会对储集层烃类有实 许多人对海相碳酸盐岩和湖相碎屑岩源岩及相关质性贡献,而同一油源区特定油源层有效排烃期间比 201994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishinghOuse.alLrightsreservedhttp://www.cnki.net
000年8月 黎茂稳:油气二次运移研究的基本思路和儿个应用实例 Brazeau- Carrot Creek一线以西的这套油源岩生成的油 气向南东一东方向运移,运移距离最远的油气已到达 了相距逾500km的 Saskatchewan省境内。如果以已 长按 +。、 发现的最靠近油源区的油藏为零点,随着二次运移距 样200260300离的增加,苯并咔唑类的分子参数变化规律十分明显 坷 ()(见图4),个别比值出现异常的样品点也可得到圆满的 地质解释S]。 [·] Duvernay组[ cOlorado组 热解温度(℃) 抽提物中咔唑浓度(岖gg):1—咔唑,2一甲基咔唑 3-二甲基咔唑,4一三甲基咔唑,5一苯并咔唑; 6—甲基咔唑/咔唑,7—一二甲基咔唑俫咔唑,8—三甲基咔唑/咔唑 9-1-/4甲基咔唑异构体比值,10-3-4-甲基咔唑异构体比值 揪 11-苯并咔唑[a]c]比值;起始样品为ⅡS型,R。值为0.3% 移距离(km) 图3咔唑类分子参数随室内加水高温热解试验温度 []苯并咔唑a] 的变化趋势(试验周期为72h)图 [苯并咔唑c 较局限,因此成熟度变化对所排出原油之咔唑袭和苯 并咔唑类分子参数的实际影响可能并不十分显新20。 然而,同一盆地中往往会有多套油源层,而同一油 源层由于相变又可能会有多个沺源区,这些因素增加 运移距离(km) 了油气系统的复杂性。所以,在利用含氮化合物参数 研究二次运移距离或方向之前,一定要充分利用各项 4阿尔伯塔盆地苯并咔唑类的分子参数 烃类参数首先确定原油的母源特征、成熟程度和成因 随二次运移距离增加的变化规律图 类型,只有这样,得到的结论才会有充分说服力。 在一个盆地或地区,在弄清油源关系之后,确定原 油、可能油源岩和储集层本身的成熟度,利用它们之间 油气二次运移参数应用实例 的成熟度差异,有助于确定油气二次运移距离。例如 在阿尔伯塔盆地中西部,实际观测到的油源岩和储集 近年来,咔唑类和苯并咔唑类分子参数在中西方层本身的成熟度在平面上的分布关系比较明确,通过 石油公司油气二次运移研究中得到极为广泛的应用。烃类分子参数( Mango参数、甲基菲指数和二苯并噻吩 它们有时为常规参数提供有力的佐证,有时指示原有等),可以确定来源于 Duvernay组碳酸盐岩油源岩的 的看法根本不能成立。下面通过几个实例,说明应用原油之R。值多为0.70%~0.85%,因此可以大致判 这些参数时的注意事项,以及多馏分、多参数横向对比断二次运移距离 的重要性。 有趣的是,在阿尔伯塔盆地南部,以往在 Joffre 1阿尔伯塔盆地 Fenn-Big Valley、 West Drumheller、 Drumheller和 加拿大阿尔伯塔盆地是世界上目前已知的典型长 Swalwell等地发现了上泥盆统 Nisku组储集层源自 距离油气运移盆地之一,在泥盆系碳酸盐岩和上白垩 Duvernay组的油气,最近在 Lousana同一层位又有新 统碎屑岩中油气运移的距离长达500km。常规生标发现,且油源相同(见图5a,阴影范围为根据地震资料 参数分析表明,这两套地层中的油气分类系统清楚,油圈定的盆地相低孔渗带)。前人研究表明,该区的油源 源关系明确231。在盆地中西部,泥盆系碳酸盐岩主力区只可能是图5a西侧的落基山前坳陷区,因此以往认 油源岩是位于 Kaybob-Carson Creek一线之南的上泥在Fenn- Big valley和 Lousana发现的油气不是从西 盆统 Duvernay组碳酸盐岩,生成的油气沿地层上倾方向东经过 Swalwel和 Drumheller绕过低孔渗带,再从 向向北运移,进人层位较老但埋藏较浅的中泥盆统。 West drumheller向北到达 Lousana和Fenn- Big valley。 在盆地南部,由于 Joli Fou组作为区域性隔层,上白垩 原油的成因类型上看,该油气运移模式不无道理;但 统内的油气只能来源于 Colorado组油源岩。在盆地模拟研究表明, Nisku组储集层的现今和古埋深在 201994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp:/www.cnki.net
14 石油勘探与开发·第四届全国油气运移学术研讨会”论文专辑 Vol 27 No 4 1.6r· Joffre 油中苯并咔唑的绝对浓度和苯并咔唑[a]a+c]比值 Swalwell 反而较低(见图6b)。由烃类参数判断,这些原油之间 . Lousana Drumheller 的成熟度差异本身造成的苯并咔唑-[a]a+c]比值变 化不会如此之大,因此认为两类奥陶系原油可能有不 Et/18-甲基咔唑 同程度混合,其中一类来源于盆地深处,成熟度较高, calwell 运移距离较长,另一类来源于油田附近,源岩成熟度 ow Drumheller 低,运移距离较短27。 z217 A类原油 甲基咔唑4甲基咔唑 图5阿尔伯塔盆地南部盆地相低孔滲带分布(a)及 B类原油 原油苯并咔唑类分子参数指示的二次运移方向(b)图 Lousana和Fenn- Big valley两地一直大于 Drumheller 和 West drumheller地区,故此模式有待推敲。在进 ·]苯并[a唑 步地质地球化学综合研究基础上,利用苯并咔唑类分 L苯并p唑 子参数(见图5b)可以判断,本区油气二次运移方向的 确是自西而东,但1 ousana和 Fenn- Big valle的油气 苯并咔唑|aJ/acl 极有可能直接从ifre方向运移而来。据此认为 图6 Midale油田两类原油的质谱图(a)和 Lousana和 Fenn-Big valley向西南下倾方向的盆地相 苯并咔唑类分子参数分布图(b) 地层中可能存在高孔渗带,在条件具备的情况下可能 (2)中泥盆统 Winnipegosis含油气系统 形成有利的地层或岩性国网28 在加拿大 Saskatchewan省东南部,属于本系统的 近期 Mikan地区旳勘探成功证实了这种看法,油气主要分布在 Winnipegosis组串珠状礁体或碳酸盐 那里 Nisku组盆地相中不仅存在由断层所形成的高孔台地边缘相地层圈闭中。油气的烃类组成非常相近 惨带,而且已出商业油流 特征是藿烷组成中具有C34-升藿烷优势。其生油有机 2威利施顿盆地 母质多为颗粒状沥青基质,富含单细胞藻类,生油潜力 威利施顿盆地位于加拿大和美国边境数州(省),很好。在研究区域内,靠近Neon背斜带的油气运移 主要有4套含油气系统(奥陶系,中泥盆统主体方向为从南西(盆地中心)至北东方向(盆地边 winnipegosis,泥盆系一密西西比系 Bakken,密西西比缘),咔唑类化合物数据与此相符,即较为成熟的 系 Lodgepole)。除少数情况外,各系统的油气主要运 Tableland原油比成熟度低的 Steelman原油运移距离 聚于本系统之内,系统之间没有大量油气交换20。对要短(见图7) 该盆地进行了一些苯并咔唑类分子参数初步研究,应 用效果看来不错2,3 (1)奥陶系含油气系统 Oxbow 奥陶系自生自储的油气在美国方面储量巨大,但 直到两年前由于 Midale油田的重大发现,才引起加拿 0o Steelman 大方面巨大关注。这些油气的生源为奥陶系特有的粘 石油中苯并咔唑浓度(10°) 球形藻,具有典型烷烃生标特征(低姥鲛烷和植烷、高 C15C20正构烷烃及明显的奇碳优势)31 Midale油 田有两类生源特征相同而物性相差甚大的原油(见图 Benson Steelman Tableland 6a)。A类原油的MPI(甲基菲指数)为0.42,苯并咔 唑[a]a+c]比值为0.77,Sats/Aros比值为2.39;B 类原油的MPⅠ为0.52,苯并咔唑[a]a+c]比值为 二甲基咔唑(/g) 0.14,Sats/Aros比值为4.71。虽然成熟度差异可以解 图7 winnipegosis含油气系统咔唑类化合物 释有些地化参数,但不能解释为什么成熟度较高的原 指示的油气运移主体方向图 201994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
000年8月 黎茂稳:油气二次运移研究的基本思路和几个应用实例 以前认为Oxbw原油与其它 winnipegosis原油 (a)加拿大境内原油 来源于同一油气系统,属近距离运移的烃类,其东北 部不会有远距离运移的烃类{9。然而, Oxbow原油的 -Rocanville 成熟度在这些原油中最低,而咔唑类化合物浓度远高 于其它原油以及邻近的油源岩抽提物,指示它不可能 0.6 Bicentennial (b)美国境内原油第 来源于同一油气系统中靠近该油田的低熟油源岩。该 0 b Elkhorn 区现今井底温度32和镜质体反射率数据证实存在两 -Antelope 个不同的热力系统:① Nesson背斜带,正处于纵跨北美 的热异常带,地热梯度较高;② Nesson背斜带以东(即 石油中苯并咔唑浓度(10 Oxb∞w构造西南),地热梯度偏低。重新检査该区 图8 Bakken含油气系统不同原油苯并咔唑类 winnipegosis组油源岩的成熟度分布发现, Oxbow原 分子参数变化图 油的成熟度相当于R。值为0.72%,远高于邻近的 (4) Jedburgh局部异常高温系统 Winnipegosis油源岩(Rl值小于0.60%),因此它应 在威利施顿盆地沿着 Tabhe:or断裂带,由地震剖 来源于下倾方向靠近美加国界的低温系统生油区。该 面可见一个一直延伸到古生昦沉积层序的“前寒武系 低温系统生成的烃类不仅长距离运移到达了 Oxbow基底构造”,但构造性不明确。80年代早期,加拿大 地区,而且可能在其东北方向的有利圈闭中聚集成 Hunter石油公司在该断裂带钻井,在 Jedburgh地区中 藏 上泥盆统3个层位见油。最近由于一些石油公司的 (3)泥盆系一密西西比系 Bakken含气糸统 兴趣,笔者等对这些原油和相邻的烃源岩进行了分析 在前人众多工作∞,32基础上,选取了本系统3套 发现与储集层相间的烃源岩尚未成熟,而原油含丰富 生源特征和成熟度相近的样品进行分析,比较它们的的a-正构烯烃,常规生标组成与室内瞬间高温热解产 化学组成,可以加深对排烃和运移参数之有效性和局物相近,含氮化合物和芳烃组成非常特殊,含有大量的 限性的认识。第一套为取自加拿大境内Dy.线性化合物—烷基蒽和苯并咔唑-[b](见图9),其化 Rocanville, roncott和 Torquay油藏的原油,它们均位学组成可以作为该地区存在局部高温异常系统的良好 于 Bakken组生油区以外21;第二套为取自美国境内 标志,而所谓的“前寒武系基底构造”实际上可能为金 沿着 Nesson背斜带或其东背斜构造(包括 Antelop 伯利岩侵入体{301。这些原油的咔唑类和苯并咔唑类 Charlson和 Temple油藏)的原油,它们均位于Bake 化合物浓度远高于盆地中任何原油,说明运移距离极 组生油区以内;第三套为取自美国北德科塔州 短,根据地震资料推测,可能不到10km。 McKenzie县南部和 Billings县北部靠水平井从 Bakken 组油源岩中产出的原油,代表了已经大量生成但尚未 相对 排出的成熟烃类13。利用甲基菲指数等进行校正,这 强度咔唑苯并咔唑m2171 3套原油的R。值范围27),第一套为085%~0.88% [a] 第二套为0.86%~0.97%,第三套为0.74% 0.86%。第一套原油的苯并咔唑类分子参数变化与其 地质地理分布位置一致,反映 Torquay原油的运移距 离最短,因其最靠近盆地中心;但第二套和第三套原油 的苯并咔唑类分子参数虽有一定变化范围,但无法将 4-+1,8- 油源岩烃类和运移过的原油区分开来(见图8) rer等的在北海研究侏罗系烃源岩时发现,那 C4 里28,30-二降藿烷的浓度和相对组成千变万化,但在 ↓烷基咔唑 由此聚集成藏的原油中该化合物规律性却十分明显。 C保留时间 因此苯并咔哗类分子参数在生油区内外有效性存在的 差别,可能与初次排烃过程中油气的均一化有关。所 图9 Jedbur局部异常高温系统原油化学组成特征图 以,在生油区内,用苯并咔唑类分子参数来研究油气二 3渤海湾盆地 次运移应当特别谨慎。 自1982年在济阳坳陷义和庄地区和江汉盆地广 201994-2007ChinaAcademieJoumnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
16 石油勘探与开发·“第四届全国油气运移学术研讨会”论文专辑 Vol 27 No 4 华寺油田发现所谓未熟—低熟原油以来,中国学者总极为发育,沙三段地层倾角较陡、横向相变明显、油源 结了由树酯体、木栓质体、细菌改造有机质、生物蜡和岩与储集岩犬牙交错,而且储集岩附近的粉砂质泥岩 藻类脂物早期成烃等多种未熟一低熟原油成因模式,类常富含可溶有机质,因此,这类“未成熟”原油实际上 对中国浅层油气资源的开发和利用起过积极推动作主要是坳陷深部生成的成熟石油,与浅层未熟烃类有 用。但由于其着眼点在于描述成油的物质基础,必要不同程度的混合。 但不充分,对勘探工作的指导意义并非显著。笔者认 通过与其它地区进行类比,认为这两种模式在中 为,在渤海湾盆地这样的盆地,建立未熟一低熟原油成国东部陆相断块盆地具有普遍意义。在这些盆地的二 因模式的关键,是准确地圈定这类原油的真实成熟度次运移研究中,只有弄清原油成因类型之后,含氮化合 范围和运移方式。笔者等选择辽河坳陷西部凹陷冷东物运移参数才有用武之地。 雷家地区重点解剖,充分利用原油中不同分子量范 4塔里木盆地 围内和不同馏分间绝对定量和定性指标的一致性和差 塔里木盆地是世界上巨型含油气盆地中勘探程度 异性,在综合评价该区原油成熟度和区域构造及沉最低的一个,沉积和构造发育历史复杂可能烃源岩层 积相研究的基础上,提出了以下两种成因模式3:第位繁多。在该盆地中开展油气运移研究,许多学者进 种模式以雷家低突起区原油为代表,不同分子量范行了有益的尝试,这里不再评述。该盆地应用含氮化 围内和不同馏分间的参数一致性表明这些原油未成合物运参效的效果如何关键取决于对特定原油之 熟,矿物组合分析和油源对比也证实其源岩未成熟有效烃源岩层位的判识正确与否,在此基础上才有可 (R。值约为0.3%),是强还原、咸化和碱化环境下沉积能确定油气运移距离,圈定有效烃源岩区。 的特殊岩性段,应为盆地张裂期串珠状之火山洲泊沉 前人研究表明,在特定的条件下,各种甲基甾烷、 积物。推测这类原油的形成未经过干酪根阶段,一厅降胆甾烷、四环二萜烷和五环三萜烷可以成为良好的 面沸石类碱性矿物的存在有利亍末熟有机质的低温脱断代生物标志物36-41。在塔里木石油勘探开发指挥 官能团反应,另一方面压实时沉积物中碱水的排出有部“九五”以来工作4,43的基础上,笔者等选取塔里木 利于未熟有机质(类黑桁)以乳状液形式排烃。这类未盆地和周边西北地区各地质层位代表性油源岩,初步 熟一低熟油油藏一般为原生油藏,以油源岩和玄武岩/建立了中国西北地区断代生物标志物剖面;并确定塔 火山凝灰岩在横向或纵向上伴生为特征。第二种模式里木盆地已发现的海相主力油源岩时代为相当于中 以冷东构造带沙三段储集岩中的原油为代表,即所谓上奥陶统泥灰岩段沉积的时代,但断代生物标志物也 混合成熟度之油藏。这些原油中不同分子量范围内和指示少数油藏的原油主要来源于寒武系一下奥陶统 不同馏分间所表现的成熟度不同,饱和烃甾、萜烷显示(或有其贡献)41(见图11)。 出典型的未成熟特征,而芳烃和沥青质馏分则指示是 对于柯克亚油田原油的成因,以往有许多争议,由 正常生油窗的产物(见图10)。绝对定量表明,在生油于多采用指纹相关作油源对比,争论各方的地化证据 窗内,随成熟度增加,沙三段油源岩饱和烃甾、萜烷的均不充分。利用多项断代生标参数,推断塔西南坳陷 绝对浓度降低,而芳烃则增加。由于冷东构造带断块柯克亚油田的原油来源于石炭二叠系,原油中含氮化 合物浓度和组成也与推断的油气运移方式451相符 江德昕461在这些原油中鉴定出孢粉35属53种,其中 沙三段岩石 26种已知分布限于侏罗系,21种限于侏罗系至白垩 系,6种分布于第三系,从而认定油源岩为侏罗系;同 +s+m30292+2)0apBa 作者报道这些孢粉的直径比油源岩孔径大数千倍,显 : 然很难从源岩中排驱出来,由此提出这些油气是通过 微裂缝运移出源岩的。虽然无法排除这种可能性,但 32x 在加拿大许多源岩微裂缝发育、油源关系明确的油气 系统中,油气中往往只能见到代表输导层的孢粉组合 709很少见到代表油源层本身的孢粉( Stasiuk,私人通信) 2,7)/1,5-DMN1,3,6-/1,2,5-TMN 在柯克亚油田,既然在二次运移中源自侏罗系的油气 图10混合成熟度油藏原油和沙三段岩石 里可以混入白垩系至第三系的孢粉,那为什么源自石 地球化学特征对比图 炭-二叠系的油气中不能混进侏罗系的孢粉呢?原油 201994-2007ChinaAcademicJoumnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
2000年8月 黎茂稳:油气二次运移研究的基本思路和几个应用实例 孢粉组合可以作为油气二次运移途径的良好标志,但和人类认识程度在不同阶段的局限性,开展油气二次 不一定能成为过硬的油源对比参数。 运移研究,没有一成不变的概念模型可以遵循,也没有 哪个分子运移参数能够放之四海而皆准。这就要求在 石油地质地球化学研究的实践过程中要因地制宜,学 1—TC110—QUN5 2- TDI 11-TCIS 习和借鉴其它探区的成功经验,充分占有和消化本探 E-O1油源 3-KN112—LN8 13-1 区的地质资料,始终坚持多学科、多项参数综合运用的 5-TZ1614-TZ10 原则,相信基本物理化学原理的普遍性,具体问题具体 汪撇晏 10、O2油源 6TZ4515-TZ52 分析,辩证地看待前人的观点和学术流派。只有这样, 8—LN4617—LN2 9- QUN4 18-- DE 才有希望取得地质认识上的新突破,为提高油气勘探 的成功率作出积极的贡献。 24·/(24-+27-降胆甾烷 参考文献 □海相油和油砂 I England W A, Mann d M and Quigley T M. The movement and 19-TZ1 EO1岩石 EO油源 tratment of petroleum fluids in the subsurface. Joumal of the O-YW LN4王 O-岩石 Geological Society, London, igs, 144: 327--347 3-7z2+03和HC→p 22- HaIs n 2 Larter SR and Harstad L. Migration of hydrocarbons into Brent Group ∷:∴ reservirs, some observations fmm the Gullfaks Fields, Tampen Spu 4- LG Area No th Sea. In: Morton A C(ed). Geology of Brent group Ge a! Siciy of london, Special Publication 61, 1992.441 287Z16议0 29—LNS9油 3 Li M, Larter S R and Frolow E B. Adsorptive interactions between C→岩石 (t) petroleum nitrogen compounds and organic/mineral phases in +-甲基甾烷/(4-+3-)甲基甾烷 nitrogen compounds in petroleum during petroleum migration. Journal 图11塔里木盆地原油中的断代生物标志物 of High Resolution Chromatography, 1994, 17: 230-236 指示的海相主力油源岩时代图 Li M, Larter s R, Stoddart D, et al., Fractionation of pyrrolic nitrogen compounds in petroleum during migration: Derivation of 在桑株以东胜利和田露头区,笔者等对大多数石 migration-related geochemical parameters. In: Cubitt JM england 炭-二叠系油苗、油气显示和许多原认为是油源岩的样 W A(eds ) The Geochemistry of Reservoirs. Geological Society of London, Special Publication No 品中的可溶烃类进行了分析,利用断代生物标志物判 5 Larter S R, Bowler B, Li M, et al., Benzocarbazoles as molecular 断,它们几乎全为运移烃类(许多地化特征与麦盖提斜 indicators of secondary oil migration distance. Nature, 1996, 383: 593 坡区玛扎塔克构造带玛4井油气可以对比),来源于下 伏、目前无法钻遇的寒武系一下奥陶统{47(见图 6 Peters K E and Moldowan J M. The Biomarker Guide. Prentice hall 11b)。其中那些以往被当作油源岩的样品(包括生物7 Seifert w K and Moldovan J M. Applications of steranes, terpanes and 灰岩、泥页岩和砂岩)有机质丰度极低(有机碳含量 monoaromatics to the maturation, migration and source of crude oils 般在0.5%以下),曾作过大量有机岩石学和层序地层 Geochimica et Cosmochimica Acta, 1978, 42 77-95 学研究。由此看来,以往在塔里木盆地对于低有机质 8 Thompson K F M and Kennicutt II M C. Nature and frequency of occurrence of non-thermal alteration processes in offshore Gulf of 丰度碳酸盐岩“油源岩”所作的有机碳恢复以及把生烃 Mexico petroleums, In: Schumacher D and Perkins B v(eds ).Gulf 下限标准降至0.1%以下的认识,有进一步推敲的必 Coast Oils and Gases: Their Characteristics, Origin, Distribution 要。笔者相信,随着对国外海相碳酸盐岩油源岩的逐 Exploration and Prediction Significance Proceedings of the Nineth Annual Research conference, Society of Economic Paleontologists and 渐了解以及断代生标参数的广泛应用,对塔里木盆地 生烃条件和运聚规律的许多看法也会随之改变。 9 Behar F and Vandenbroucke M. Characterisation and quantification of ed inside kerogen Implication for pyrolysat composition. Organic Geochemistry, 1988, 13: 927-938 结语 10 Sandvik E I, Young W A and Curry D J. Expulsion from hydrocarbon ources: the role of organic adsorption. Organic Geochemistry, 1992 在多学科并举互为验证的油气二次运移研究中, 有机地球化学参数一直起着关键性的作用。由本文给11 Charlesworth. Interaction of clay minerals with organic nitrogen compounds released by kerogen pyrolysis Geochimica et Cosmochimica 出的研究实例可以看出,由于沉积盆地的错综复杂性 Acta,1986,50:1431-143 201994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
石油勘探与开发·第四届全国油气运移学术研讨会”论文专辑 Vol 27 No, 4 2 Bonilla J V and Engel M H. Chemical alteration of crude oils during 28 Li M. Migration pathways of Nisku reservoired oils in central mulated migration through quartz and clay minerals. Organi southeastern Alberta. Internal Report to CS Resources, 1996 Geochemistry, 1988, 13: 503-512 29 Osadetz K G, Brooks P w and Snowdon L R. Oil families and their 13 Brothers L, Engel M H and Kroos B M. The effects of fluid flow Canadian Williston basin through porous media on the distribution of organic compounds southwestern Manitoba). Bulletin of the Canadian Petroleum Geology synthetic crude oils. Organic Geochemistry, 1991, 17: 11-24 1992,40(3):254~273 14 Yamamoto M. Fractionation of azaarenes during oil migration. Organic 30 Li M, Osadet de oils in the anadian Geochemistry, 1992, 19: 389-402 Williston basin, southeastern Saskatchewan. Organic Geochemistry, 15 Li M, Larter SR, Stoddart D, et al.. Practical liquid chromatographic 1998,28:4 separation schemes for pyrrolic and pyrdinic nitrogen aromatic 31 Fowler M G, Stasiuk L D, Idiz e, et al.. Geochemical characteristics heterocycle fractions from crude oils suitable for rapid characterizatio of Ordovician oils and source rocks from the williston basin southeast of geochemical samples. Analytical Chemistry, 1992, 64: 1337 Saskatchewan. Abstracts of the 18th Intermational Meeting on organie Geochemistry, 22-26 September 1997, Maastricht, 1997 16 Li M, Larter SR and Mei B. Influence of in- reservoir biodegadation on 32 Majorowicz J A, Jones F w and Jessop A M. Geothermics of the pyrrolicnitrogen distributions in petroleum. 207th American Chemical williston basin in Canada in relation to hyduxynamics and hydrocarbon Society Meeting, San Diego, 1994 rrences. Geophysics, 1986, 51: 767--779 17 Later D W, Lee M L, Bartle K D, et al.. Chemical class separation 33 Price L C and I e Fever J. Dysfuneicteliam inn the Williston basin: the and characterisation of organic compounds in synthetic fuels, Analytical Bakken/ mid-Madsion Petroleum svsten. Bulletin of Canadian Chemistry,1981,53:1612-1620 Petroleur: Geoiogy, 1994, 42(2): 187--218 18 Bennett B, Bowler B and Larter S R. Determination of Co-C3 34 .rter SR, Mei E, et al . Maturity assessment of"immature alkylphenols in crude oils and waters. Analytical Chemistry, 1996 is prodaced from the Shahejie Formation of the Liaohe basin, N. E 68:3697~3702 Chin. In: Grimalt J O& Dorronsoro C( eds ).Organic 19 Bowler B, Larter SR, Clegg H, et al.. Dimethy. ari arles, in crude oils. Analytical Chemistry, 1997, 69(15): 3128-3123 Environment and Human History. European Association of Organic 20 Li M, Yao H, Stasiuk L D, et si.. Effex of maturit and petroleum Geochemists, Donostia-San Sebastian, 1995. 421-423 expulsion on pyrrolic nitrogen compound yields and distributions in 35 Li M, Larter S R, Lin R, et al., Resolution of "immature oil Duvernay Formation petroleum source rocks in Central Alberta paradoxes in the block-faulting basins: a successful oil exploration case Canada. Organic Geochemistry, 1997, 26: 73-74 in eastern China. Proceedings of the 19th International Meeting on 21 Larter S R and Aplin A C. Reservoir geochemistry: methods Organic Geochemistry, Istanbul, 1999 applications and opportunities. In: Cubitt J M and England w 36 Holba A G, Tegelaar E W, Huizinga B ], et al.. 24-Norcholestanes as (eds, ) The Geochemistry of Reservoirs, The Geological Society age-sensitive molecular fossils, Geology, 1998, 26: 783-786 London, 1995. 5-32 37 Holba A G, Dou L, Masterson W D, et al.. 24-Norcholestanes 22 LiM, Yao H, Fowler MG, et al.. Geochemical constraints on age-sensitive molecular fossils. Organic Geochemistry, 1998, 29: 1269 for petroleum secondary migration along the Upper Devonian Meadowbrook Reef Trend in Central Alberta, Canada 38 Summons R E, Volkman J K and Boreham C J. Dinosterane and other Geochemistry, 1998, 29: 163-182 steroidal hydrocarbons of dinoflgellate origin in sediments and 23 Stokes F A and Creaney S. Sedimentology of a carbonate source rock petroleum. Geochimica et Cosmochimica Acta, 1987, 51: 3075 the duvernay Formation of Alberta Canada. In: Eliuk L(ed Carbonates in Subsurface and Outcrop Proceedings of the 1984 39 Oldowan J M, Dahl J, Fago F, et al. Correlation of biomarkers Canadian Society of Petroleum Geologists Core Conference, 1984. 132 th geological age. In: grimalt J O and Dorronsoro C( eds 147 Organic Geochemistry: Developments and Applications to Energy 4 Li M, Fowler M G, Obermajer M, et al.. Geochemical Climate, Environment and Human History, European Association of characterisation of Middle Devonian oils in NW Alberta, Canada Organic Geochemists, 1995. 418-420 possible source and maturity effect on pyrrolic nitrogen compounds Noble R A, Alexander R, Kagi R, et al.. Tetracyclic diterpenoid Organic Geochemistry, in Press, 1999 hydrocarbons in Australian coals, sediments and crude oils 25 Clegg h, Wilkes H and Horsfield B. Carbazole distributions in Geochuimica et Cosmochimica Acta, 1985, 49: 2141-2147 arbonate and clastic source rocks. Gcochimica et Cosmochimica Acta 41 Riva A, Caccialanza PG and Quagliaroli F. Recognition of 183(H). 1997,61:5335~5345 oleanane in several crudes and TertiaryUpper Cretaceous sediments 6 Clegg H, Wilkes H, Oldenburg T, et al.. Influence of maturity on Definition of a new maturity parameter. Organic Geochemistry, 1988 carbazole and benzocarbazole distributions in crude oils and source rocks 13:671-675 from the Sonda de Campeche. Gulf of Mexico. Organic Geochemistry, 42 Zhang B. Sedimentary facies of the Middle- Upper Ordovician in the 1998,29:183~194 Tazhong region. Internal report, in Chinese, 1997 27 Li M, Osadetz K G, Fowler M G, et al.. Case studies on seoondary oil 43 Zhang S. Ordovician as important hydrocarbon source rocks in the igration in the Williston basin. In: Christopher J E, Gilboy C F Tarim basin. Abstract of the 7th China National Meeting on Organi Paterson D F, et al. (eds ) Proceedings of the Eighth International Geochemistry, Daqing, in Chinese, 1998 Williston Basin Symposium. Saskatchewan Geological Society Special 44 Li M, Wang P, Xiao Z, et al.. Age specific biomarker profile in Nw Publication 13, 1998. 247-253 China and determination of major marine petroleum source rocks in the 201994-2007ChinaAcademicJoumnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
2000年8 黎茂稳:油气二次运移研究的基本思路和几个应用实例 Tarim basin, Intermal Report to the Tarim Petroleum Bureau, in hydrocarbon sources in the Shengli Hetian block of the Tarim basin Internal Report to the Shengli Petroleum Bureau, in Chinese, 1999 45 Li M, Lin R, Liao Y, et al. Organic geochemistry of oils and condensates in the Kekeya field, southwest depression of the Tarim 作者简介黎茂稳,男,38岁,1982年毕业于江汉石油学院,1990 basin( China), Organic Geochemistry, 1999, 30(1): 15-37 年在澳大利亚墨尔本大学获博士学位,现任加拿大联邦地质调查局高级 46 Jiang D. Microfossils in crude oils and oil- source correlation.In:LuoB科学家,主要从事有机地球化学研究工作。地址: GSC Calgary,330333 and Fu J(eds ) Petroleum Forming Geological and Geochemical Street Nw Calgary Alberta T2L 2A7, Canada; +t is: 1-403-2927042: 4+4 Conditions in the Tarim Basin. Internal 8. 5 Research Report, in 1-403-2927159; Email: mali@nrcan.ge.ca 收稿日期20000403 7 Li M, Lin R, Wang P and Hou D. Age determinatio (编辑、绘图王孝陵) 烃类运移中浮力效应的物理模拟实验 (封面照片说明) 本期封面照片是烃类运移中浮力效应的物理模拟实验(由25℃升高至:15℃)作用下,在大约75℃时转化为近液 过程。实验目的是在实验室条件下论证烃类(油)在水载体态,共开始向上运移,在六约100~15℃时达到运移高峰值, 中运移的浮力效应,以及石油开釆中增温作用对原油流动特最终运移到驱动油气运移的水载体的顶面,漂浮于水体的上 性可能产生的影响。照片中的红色物质是烃类管代物(初始方,还移福度最终为19cm。除此之外,烃类替代物迁移体中 状态为固态),其周边近于透明的流体砌是水载体。实验含有气体,气泡有向“油”顶面运移的趋势 中,温度使用wMzK1溫度指示控制仪测量;浮力效应通 地质体中相当多的现象或特性是深度的函数,因为随着 过温度场随深度的增邡或冏边条件的变化而增高的作用导深度的增加,温度和压力相应变化,运移中的油气物理特性 致运移中的烃类替代物器度减小而实现 随周边条件的变化而在非线性或非规则地变化,增大了油气 实验过程分为四幕,总实验时间约为180min。第一幕运移研究的难度,其中水驱烃类运移中的浮力效应是油气物 (见照片1):实验温度约75℃(温度升高绝对值为50℃),烃探和开发中关注的焦点问题之一。 类替代物全部融化,由固态转化为近液态,密度值大幅度减 实验结果证明:烃类替代物产生的浮力是随深度增加而 小,产生向上运动的浮力,向上运动幅度约为6cm。第二幕增加的温度的变量。在25~115℃实验条件(大约相当于 (见照片2):实验温度约85℃,向上运移的烃类替代物形成4.5km深度的地温值)下,烃类替代物(红色)的密度由固 具有明显“气球”状特征的迁移体,母体(烃源体)与迁移体构态的1.40gm3减小到液态的0.77 g mL,即平均温度每增 成内部物质完全联通的整体,母体源源不断地向迁移体输送加1t℃,密度减小约7%。在温度约75℃时,烃类替代物达到 烃类物质。这时如果温度降低,处于上升状态的“烃类”会产向上运动的临界值,即驱使物体向上运动的浮力大于周边流 生反向“回缩”运动,终止因浮力效应产生的向上运移。这一体(近于透明流体)的体积压力。物体向上运动的过程要耗 阶段烃类替代物向上运动累计幅度约为10.5cm。第三幕散热能,温度场必须及时或恒定地补偿所耗散的热能,使物 (见照片3):实验温度约95℃,向上运移的烃类替代物形成体维持或保证处于运动状态。烃类替代物在浮力作用下向 具有材料力学中拉伸杆“颈缩”特征的迁移体,底部母体(烃上运动达到水的顶面并不是极限状态,当它向上运动受到边 源体)通过“颈缩”通遒向迁移体输送烃类物质,同时,向上运界或层面约東时,可变向为侧向运动;当岩层或岩石中分布 移的烃类产生的拉伸作用将导致迁移体在“颈缩”处与母体有微裂隙或断裂时,被热化的或已从分散到集中的烃类往往 最终分开。此阶段烃类替代物向上运动累计幅度约为13.8沿这样的通道继续运移。浮力是不同密度物质差异重力作 m。第四幕(见照片4):实验温度约为115℃,母体中大约用结果特殊的是在地质体中烃类的密度不是恒量而是变 90%的烃类物质在浮力作用下运移到上部,随温度升高,初量,而且是温度和压力等参数的函数。对烃类运移中浮力效 始为固态的烃类替代物不仅相态转化为近液态和气态(热气应进行物理模拟实验研究,不仅对于论证浮力与油气的初次 化作用,迁移体中的气泡),而且其物质质点在浮力作用下产运移和二次运移关系具有重要的实际意义,而且对于热力开 生了大幅度的向上位移,累计幅度大约为18.5cm,构成了在采石油也具有实际应用价值,可以定量给出热采中所加的温 地下不同深度可能存在或正在形成的“蘑菇”状烃类运移体。度值与石油黏度的变化关系。 初始位于实验装置底部的固态烃类替代物在升高的温度场 (单家增、孟庆任供稿 91994-2007ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net
Vol 27 No 石油勘探与开发·中文摘要[1 石油勘探与开发·中文摘要 第27卷第4期出版日期2000年8月23日 IE112.12 20000401油气二次运移研究的基本思路和几个应用实例[刊]/ 石油与天然气运移研究综述[刊]李明诚∥石油勘探黎茂稳∥石油勘探与开发.-2000,27(4).-11~19 与开发.-2000,27(4).-3~10 油气二次运移研究(特别是其中的确定二次运移 石油与天然气都是流体矿产,在岩石中的运移主距离问题)是石油地质综合研究中至关重要又最为薄 要是一种地球物理作用。油气运移研究的主要问题是弱的环节。在二次运移过程中,具有官能团、能形成氢 动力学和运动学机制,也就是运移的动力、相态、通道键或其它离子键的化合物会通过液团两相分配而进 和数量。初次运移的动力主要是异常高压,二次运移人输导层中的固相有机质积矿物基质,其中的咔唑类 的动力主要是浮力和流体势差。石油运移的相态主要合氮化合物最有希望成为油气二次运移的化学示踪 是油相,天然气可以是水溶相、油溶相、气相和扩散相。剂:但中性氮化合物的浓度和组成与特定原油的直线 石油以油相运移、天然气以气相运移最为有,无需相运移距离之间不应存在一成不变的关系。在应用咔唑 态转变就能直接成藏。初次运彩的通道主要是微裂类和苯并咔唑类参数研究某地区的二次运移距离或方 隙。并不是所有可渗透岩石都是二次运移通道,有效向之前,一定要充分利用各项烃类参数首先确定原油 运移通道和主流向是二次运移的特征。断层在活动时的母源特征、成熟程度和成因类型,强调多馏分、多参 具通道性,活动期后的封闭与成岩作用有关,长期活动数横向对比的重要性。以在加拿大的阿尔伯塔盆地和 的断层是油气运移的通道。油气运移动力的积蓄与释威利斯顿盆地、中国的渤海湾盆地和塔里木盆地进行 放和通道的开启与封闭交替出现,决定了排烃和二次的油气二次运移研究为例,说明在石油地质地球化学 运移都是幕式的,从而决定了充注圈闭和成藏的幕式的研究过程中,既要相信基本物理化学原理的普遍性 性,这已得到油藏地球化学研究的证实。油气幕式运又要具体问题具体分析,始终坚持多学科、多项参数综 移与地流体的幕式流动都与地壳的幕式构造活动相辅合运用的原则。图11参47(王孝陵摘) 相成、互为因果。油气运移是发生在地质历史过程中 主题词原油烃咔唑化合物运移标志 的事件,因此其研究方法应当是动态分析和综合研究。效果研究参数应用实例 日前油气运移研究仍存在很多理论和方法上的问题, 加强基础理论的研究、总结各类盆地的运聚规律、提高TE.1TE112.1 20000403 计算机模拟和实验室模拟的水平,是今后油气运移研塔里木盆地库车坳陷与膏盐岩相关的油气聚集[刊]/ 究的当务之急。图6参37(李明诚摘) 吕修祥,金之钧..∥石油勘探与开发.2000,27(4) 主题词初次运移二次运移综述动力相20~21 态流体动力梯度油气聚集油气藏保存条件理 塔里木盆地库车坳陷在上第三系和下第三系都发 论应用 育巨厚的膏泥(盐)岩,这两套膏泥(盐)层对于该坳陷 的油气聚集有着十分重要的影响。与膏泥(盐)岩有关 TE112.113 200002的圈闭发育了3套储盖组合:①白垩系厚砂岩与其上 201994-2007ChinaAcademicJoumnalElectronicPublishingHouse.Allrightsreservedhttp://www.cnki.net