库车坳陷煤系烃源岩的生烃潜力和生烃动力学参数

潘长春 研究员

塔里木盆地库车坳陷是国内天然气主要产区之一,仍然具有巨大的勘探潜力,是当前和今后国内天然气勘探重点地区之一。库车坳陷气田天然气来源于中生界三叠-侏罗系煤系烃源岩。烃源岩主体部分现今成熟度高于1.5 %Ro, 部分区域高于2.50 %Ro。

如何评价煤系烃源岩的生烃潜力,一直是有待解决的问题。长期以来,评价烃源岩生烃潜力主要依据岩石热解(Rock-Eval)参数。例如,应用S1+S2作为评价单位烃源岩生烃潜力(mg HC/g rock),或应用质量指数QI=(S1+S2)/TOC评价单位有机碳的生烃潜力(mg HC/g TOC)。这些指标对于评价煤岩或煤系烃源岩的生烃潜力,却并不适用。

近期,广州地化所有机地球化学国家重点实验室潘长春研究员课题组博士研究生黄文魁等通过金管生烃动力学实验和Rock-Eval热解分析展示两类不同实验方法煤岩生烃量的差异,模拟了库车坳陷煤系烃源岩的生烃过程,获得了库车坳陷三叠-侏罗系煤岩生烃动力学参数。

从库车坳陷的煤矿中采集23个煤样(图1)。选取7个煤样进行生烃动力学实验研究。其中,JK1、JK2和JK3等3个煤样采自中侏罗统克孜勒努尔组(J2k)煤层,TTC1、TTC4、TTC11和TTC18等4个煤样采自上三叠统塔里奇克组(T3t)煤层。7个煤样HI和%Ro分别介于57–278 mg HC/g TOC 和0.58–0.74之间。

图1 采样位置图

金管模拟实验在生油窗范围内(0.66–1.50 %Re, EASY%Ro, Sweeney and Burnham, 1990),煤样生成的液态烃组成以正构烷烃为主,与原油及烃源岩抽提物的组成相近。可以认为在金管实验条件下得到的油产率(So)与地质条件下的油产率相近。

7个煤样在2°C/h升温速率和温度区间为322至479°C气态烃产率(ΣC1-5)随温度升高而持续升高,而油产率(So)随温度先升高,至394°C (1.19 %Re)达到最高值后降低(图2a)。对金管内的煤残渣进一步做有机碳含量和Rock-Eval分析。煤样加热后,有机碳以油、气、CO2和固体残渣形式存在。分别以SCO2和SOG表示CO2和油+气的产率。假设油气组分中有机碳的含量为80%,对于含1g有机碳的初始煤样,分配在CO2、油+气和煤固体残渣中的有机碳分别为SCO2 × 12/44、0.8 × SOG和1000 – 0.8 × SOG – SCO2 × 12/44 mg。定义QIR为含1g 有机碳的初始煤样的生烃潜力与加热后它的固体残渣剩余生烃潜力之间的差值。可用公式(1)计算QIR值:

QIR = QIi – (1000–0.8 × SOG – SCO2 × 12/44) × QIh/1000 (1)

式(1)中,QIi和QIh分别为初始煤样和加热后的固体残渣的质量指数(QI=(S1+S2)/TOC)。按照定义,QIR值等于油+气产率SOG。对于七个煤样,金管实验实测油+气产率SOG远低于QIR值(图2a)。金管实验实测油+气产率SOG与地质条件下油+气产率一致,而Rock-Eval热解过程中形成大量芳环化合物,与实际油样的组成相差太远,因此,Rock-Eval分析得到的QI或HI一般远高于实际油气产率。定义QOGR=QIR/SOG,七个煤样在394–419 °C温度段(1.19–1.50%Re)达到最高油产率时,QOGR比值介于1.9至2.6之间。表明初始煤样在Rock-Eval热解过程中释放的组分,只有38–53%转化为油气组分,其余47–62%则缩合到残余固体的芳核中。

图2. 煤样TTC1在2°C/h升温速率温度段QI、QIR、气态烃产率ΣC1-5、油产率So和油+气总产率SOG (图2a, QIR: 由公式1计算求取); 七个煤样在2 °C/h升温速率成熟度区间1.87–4.44 %Re气态烃产率(图2b)和煤样残余固体气态烃生烃潜力(图2c)

三个侏罗系煤样JKC1、JKC2和JKC3初始氢指数HI分别为141、183和57 mg HC/g TOC,最高油产率SO分别为34.8、39.8和14.3mg/g TOC。四个三叠系煤样TTC1、TTC4、TTC11和TTC18初始氢指数HI介于223–278 mg HC/g TOC之间,最高油产率SO介于44.1–83.2 mg/g TOC之间。Killops et al. (1998)认为煤岩排油门限为40 mg/g TOC,根据该门限值,三个侏罗系煤样为无效油源岩,而四个三叠系煤样为有效或低效油源岩。

在2°C/h升温速率、443.2°C温度点(1.87 %Re),或在20°C/h升温速率、488.9°C温度点(1.95%Re),液态烃组分主要为甲苯、二甲基苯、萘、甲基萘、菲和甲基菲,仅含有少量短链正构烷烃。可以将这一阶段的液态烃组分看成是固体残渣的一部分,油裂解过程已经结束,热解实验的产物仅为气体组分和固体残渣两部分。

在高度过成熟段(>1.87%Re),七个煤样随成熟度增高,气态烃产率升高的速率很接近(图2b)。煤岩残余固体生成气态烃的潜力(GGP)可用公式(2)计算:

GGP = (ΣC1-5max – ΣC1-5) × 1000/(1000 – 0.8 × ΣC1-5 – SCO2 × 12/44) (2)

式中:ΣC1-5max 是最高气态烃产率,假设在2 °C/h升温速率最高温度点600°C、成熟度~4.44 %Re时气态烃产率为最高气态烃产率ΣC1-5max。

在2 °C/h升温速率成熟度区间1.87–4.44 %Re七个煤样残余固体气态烃生烃潜力GGP差异很小(图2c)。这些煤样虽然在低成熟阶段初始HI差异很大,介于57至278 mg/g TOC之间,在高度过成熟阶段(>1.87 %Re)具有相近的气态烃生烃潜力。

在2°C/h升温速率、443–479°C温度段(1.87–2.51%Re)煤样残余固体的气态烃生烃潜力GGP远高于Rock-Eval质量指数(QI=(S1+S2)/TOC),两者之间相差20至40 mg/g TOC。造成这一差异的原因,一方面归结于金管实验与Rock-Eval热解过程中甲烷生成机理的差异,另一方面是两个实验体系之间成熟度的差异。金管实验最高成熟度可达到4.44 %Re,而Rock-Eval热解分析最高成熟度仅为2.25 %Re。

3个侏罗系煤样为无效油源岩,最高生油量低于排油门限,而4个三叠系煤样为低效油源岩,最高生油量高于排油门限。应用Kinetics 2000 软件拟合求取4个三叠系煤样TTC1、TTC4、TTC11和TTC18的生油动力学参数(Version 1.11, Burnham and Braun, 1999)。4个煤样的生油活化能加权平均值分别为52.04、52.89、51.64和52.96 kcal/mol,频率因子分别为1.26×1013 s-1、1.32×1013 s-1、9.61×1012 s-1和1.69×1013 s-1。进一步通过4个煤样油产率的平均值求取一个代表性煤样(TTC)的生油动力学参数,代表塔里奇克组煤层的生油动力学参数。这个代表性煤样TTC最高油产率为67.8 mg/g TOC,活化能加权平均值为52.38 kcal/mol,频率因子为1.26×1013 s-1 (图3a)。

4个三叠系煤样TTC1、TTC4、TTC11和TTC18及其代表者(TTC)的活化能分布非常集中,表明煤样的生油母质具有相似的化学键。除了生油母质外,煤样生油活化能分布集中还与以下两个因素有关:(1) 干酪根和焦沥青对原油裂解具有催化作用;(2) 干酪根在生油过程中,一方面释放出液态烃组分,另一方面释放的液态烃组分重新结合到干酪根中。与倾油的I、II型干酪根相比,煤样油产率低,油/干酪根比值低。这既有利于干酪根对已生成液态烃裂解的催化作用,也有利于液态烃组分结合到干酪根中。因此,在生烃模拟实验中,煤样在较低的温度和成熟度(1.17至1.30 %Re)达到油产率的最高值。高于这一成熟度,液态烃生成速率低于裂解速率。此时,已无法求取液态烃的生成量。煤成油活化能分布一般不包含高值部分。在地质条件下,当液态烃裂解速率高于生成速率,烃源岩的生-排油过程也就结束了。

应用Kinetics 2000 软件拟合求取7个煤样生气动力学参数。3个中侏罗统克孜勒努尔组煤样JKC1、JKC2和JKC3生气活化能加权平均值分别为64.72、65.21和65.33kcal/mol,频率因子分别为1.17×1014s-1、1.22×1014s-1和8.25×1013s-1。4个上三叠统塔里奇克组煤样TTC1、TTC4、TTC11和TTC18的生气活化能加权平均值分别为63.35、65.02、64.69和62.78kcal/mol,频率因子分别为8.21×1013s-1、1.66×1014s-1、1.67×1014s-1和9.16×1013s-1。分别应用4个三叠系煤样和3个侏罗系煤样气态烃产率的平均值求取代表上三叠统塔里奇克组煤层的煤样TTC和代表中侏罗统克孜勒努尔组的煤样JKC的生气动力学参数(图3b和3c)。

图3. 塔里奇克组煤层代表性煤样TTC生油动力学参数(图3a)、生气动力学参数(图3b)和克孜勒努尔组煤层代表性煤样JKC生气动力学参数(图3c)

图4. 模拟预测的库车坳陷塔里奇克组(TTC)和克孜勒努尔组(JKC)煤层在生油量、排油量,和封闭体系(closed)生气量和半开放体系(semi-open)生气量(So-G: 累积生油量; So-E: 累积排油量)

应用代表性煤样TTC和JKC生烃动力学参数模拟库车坳陷上三叠统塔里奇克组煤层和中侏罗统克孜勒努尔组煤层在地质条件下升温速率的生烃过程(图4)。塔里奇克组煤层(TTC)在%Re0.65和1.00时的生油量均很低,低于排油门限。直至成熟度达到1.08 %Re,该煤层才达到排油门限(生油量>40 mg/g TOC)。当成熟度达到1.25 %Re,生排油过程基本结束,生-排油过程发生在一个很窄的成熟度范围(1.08–1.25 %Re)。塔里奇克组煤层(TTC)和克孜勒努尔组煤层(JKC)分别在%Re >1.59和1.76,达到排气门限(气态烃产率>20mg/g TOC)。库车坳陷丰富的煤成气资源主要归结于煤系烃源岩具有很高的成熟度(%Ro>2.0)和巨厚的膏盐盖层,生成了大量的气态烃,并且能够有效保存下来。本次研究获得的生烃动力学参数及评价方法对于深入认识库车坳陷深层天然气的形成具有重要的理论意义与应用价值。

该研究成果得到了国家科技重大专项(2017ZX05008-002-030)、国家自然科学基金(资助号41572107)、中国科学院A类战略性先导科技专项(XDA14010104)的联合资助。研究成果发表在国际期刊《Organic Geochemistry》杂志上。论文信息如下:

Wenkui Huang, Lifei Zeng, Changchun Pan*, Zhongyiao, Xiao, Haizu Zhang, Zhibin Huang, Qing Zhao, Shuang Yu, Hao Xu, Chengsheng Chen, Dayong Liu, Jinzhong Liu, 2019. Petroleum generation potentials and kinetics of coaly source rocks in the Kuqa Depression of Tarim Basin, northwest China. Organic Geochemistry, 133, 32–52.

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.orggeochem.2019.04.007