火山流体对烃源岩生烃效应的评价及应用

发布时间：2014-12-20 20:25

 

【摘要】 烃源岩与火山岩沉积接触的组合关系对油气成藏尤为重要，岩浆活动带来的火山物质对有机质的生烃及油气的成藏有重要的影响。火山岩在形成过程中或之后伴有一定量的火山流体存在，火山流体对周围地层化学性质的影响十分显著。火山流体对烃源岩的生排烃有复杂的作用过程，包括加氢作用、加热作用、催化作用等。由于火山流体的成分复杂，模拟实验难于操作和定量分析，其对烃源岩生烃影响的热模拟实验较少。本文将从火山流体的热模拟的实验着手，研究火山流体对烃源岩生烃的影响，建立火山流体运动演化的数学模型，并以松辽盆地徐家围子断陷为例，对区域内的火山流体运动演化进行了解剖，预测了徐家围子断陷火山流体的流动趋势并圈定火山流体的影响范围。具体的研究内容和认识包括以下3个方面：（1）不同火山流体对烃源岩生烃影响的讨论本研究经过168次实验，首次实现了酸性和基性火山流体对烃源岩生烃产物的半定量-定量评价。实验结果显示，300-350℃酸性流体对非烃和烃类气均具有促进作用；基性流体抑制非烃气体产生，对烃类气体有先促进、后抑制的作用。400-450℃两种火山流体对烃类气体均呈明显抑制作用，对非烃气体呈促进作用。基性流体影响了液态饱和烃产物成分，使碳数范围有缩小趋势；酸性流体对液态饱和烃成分无影响。300℃-350℃酸性流体对液态烃产量有促进作用，基性流体对液态烃产量有抑制作用；400℃-450℃酸性、基性流体对液态烃产量均具有促进作用。（2）热模拟数据多元分析的讨论将实验数据进行经验正交函数分析，分析结果表明温度与CH4、C2、C3、iC4-nC5、总烃、总非烃和总气体产量呈正相关，而与CO2、CO、H2S气体产量呈负相关。热模拟实验存在临界温度，当实验温度小于临界温度时，产气量随温度的升高而增大，当实验温度大于临界温度时，产气量随温度的升高而降低。干燥体系的临界温度存在于350℃-400℃之间。流体体系的临界温度存在于400℃-450℃之间，酸性和基性火山流体均使产气临界温度升高，火山流体条件下的烃源岩生气窗口变宽，增加了天然气生成量。（3）火山流体运动演化数值模拟研究及典型实例解剖火山流体的运动演化取决于火山流体本身的成分、温度和压力等因素。一般来说，火山流体中SiO2和Al2O3含量越高，粘度越高，而火山流体的中的挥发性物质却可以降低火山流体的粘度。火山流体的粘度、围岩的孔渗特征、地层的压力等条件决定了火山流体的分布范围。本文以松辽盆地徐家围子断陷为例，利用火山岩的全岩成分，计算特定温压条件下火山流体的密度、粘度等参数。同时，依据现今地层的物性和物探数据恢复徐家围子断陷的古埋深、古孔隙度和古地层压力。在此基础上将流体势的概念引入到火山流体的运动演化的数值模拟中，利用以上数据首次计算徐家围子断陷的古火山流体势，并最终圈定徐家围子营一段火山流体对沙河子烃源岩的影响范围约628km2，徐家围子营三段火山流体对沙河子烃源岩的影响范围约161km2。 

第1章 前言

 

1.1 选题基础、依据及意义

1.1.1 选题基础

本论文选题来源于国家重点基础研究发展计划（“973”计划）项目《火山岩油气藏的形成机制与分布规律》的 06课题《火山作用的成烃、成藏效应》（课题编号：2009CB219306）。

1.1.2 选题依据

（1）火山岩与烃源岩沉积接触现象在沉积盆地中内普遍存在。烃源岩与火山岩沉积接触的组合关系对油气成藏尤为重要，岩浆活动带来的火山物质对有机质的生烃及油气的成藏有重要的影响。而这种火山岩与烃源岩的沉积接触关系在沉积盆地中普遍存在。

Bazhenova O.K.等人（1998）对堪察加半岛东部 Uzon 破火山口地区油气的成因进行了分析，认为该区破火山口中火山热液对湖相沉积烃源岩的生烃有重要的影响。Yagi M.等人（2009）对日本福山弧后盆地中火山喷发及沉积过程进行了详细的描述，认为该盆地内火山岩形成于深海爆发环境，周围沉积岩属同期沉积，这种同沉积期的火山喷溢活动对烃源岩的演化贡献最大。同样的例子在日本并不罕见，塔拉纳基盆地中的火山岩油气田与福山的弧后盆地火山岩油气田成藏过程及其相似（BergmanC.et al.,1991; Herzer R.H.et al, 1995）。

我国东部地区，以渤海湾盆地最为典型。存在烃源岩沉积环境中形成的火山岩，虽然规模较小，却为优质烃源岩的形成提供了条件。在渤海湾盆地的东濮凹陷桥口地区和东营凹陷滨南地区均存在火山岩与烃源岩沉积共存的现象，两区域中的火山岩均夹于暗色泥页岩之间（图 1.1）。东濮凹陷的沙四段时期，三春集到徐集地区火山活动频繁。其中，三春集地区的火山岩主要分布在沙四上部亚段的底部，与红色地层共生，到了沙三段沉积期，火山的活动中心转移到桥口地区，对桥口地区的沉积相的研究结果表明桥口地区沙河街组属于浅湖-半深湖相，暗色泥岩之间常夹有火山岩（薛国刚等，2011）。

 

1.2 国内外研究现状及存在的问题

1.2.1 火山岩油气藏研究现状

以往全球油气勘探几乎都集中于海相或陆相盆地沉积岩中，火山岩分布区一般被看成寻找油气的禁区。但是随着油气勘探技术进步及石油地质理论不断深化，国内外已在火山岩中发现了一系列大中型油气藏，火山岩特殊储层油气藏日益受到地质家与勘探家的重视。

我国火山岩油气藏勘探已有 60 余年历史，自二十世纪 50 年代，在新疆准噶尔盆地西北缘发现了火山岩油气田，到1990年代又在渤海湾盆地、准噶尔盆地、海拉尔盆地发现了一系列中小型火山岩油气藏（曾广策等，1997；代诗华等，1997； ChenZ.Y. et al.，1999）。进入二十一世纪，中国石油天然气股份公司逐步加大对火山岩勘探领域探索，先后在东北松辽盆地发现徐深、长岭大气田。在西部准噶尔盆地、三塘湖盆地发现克拉麦丽大气田、牛东大油田；极大推动了我国火山岩领域油气勘探（刘嘉麒等，2010）。同时在浙江、福建和广东省一带中生代火山岩发育区，我国东海大陆架盆地中的长江凹陷、瓯江凹陷和海礁凸起等中新生代火山岩发育区，都开始寻找火山岩油气藏（林如锦等，1995；吕炳全等，2003；王民，2010；张光亚等，2010）。这些火山岩油气田的发现展示出我国火山岩油气藏巨大的勘探潜力和良好地勘探远景。但对于火山岩特殊油气藏，其火山作用的成烃效应、火山岩改造、火山岩油气成藏、火山岩油气藏分布规律等基础性科学问题亟待解决。人们在认识火山作用对烃源岩及油气藏具有破坏作用的同时也认识到火山作用对烃源岩的有利作用，因此，自二十世纪八十年代开始，逐步开始探索与火山作用有关的成烃效应。

1.2.2 火山作用对烃源岩影响的研究现状

火山作用对烃源岩的“促效”作用主要表现在两个方面：一是温度场的影响；高温岩浆所携带的大量深部热能不断向相邻地层传递，最终带到热平衡状态。在一直过程中，热能对烃源岩的演化起到重要的作用。尤其是侵入体的异常高温场对烃源岩演化的影响方面，卢双舫（2000；2003）、金强（2011）、王民（2010a；2010b；2010c）等人已研究的十分深入，本文不详细阐述。二是火山物质的影响。火山物质的化学形式比较活跃，如火山岩携带了一些对烃源岩生烃演化有益的下地壳或幔源物质，火山岩在形成过程中或之后伴有一定量的火山流体存在，火山流体对周围地层化学性质的影响十分显著，这也是本文研究的主要内容之一。

 

第2章 火山流体促烃效应模拟实验方法及样品处理

 

2.1 实验理论基础

烃源岩的生烃模拟实验已经成为研究资源评价、油源对比等方面的重要手段，随着技术的进步，生烃模拟实验的方法也有很大的改进。目前按照体系的封闭程度分为开放、半开放和封闭 3 种，这 3 种实验体系的优缺点不同，可以根据研究目的的不同选择相应的模拟实验方法进行实验设计分析（王治朝，2009；米敬奎，2009）。

汪名友（2010）、Xuanlong Shan（2013）等人已经就温度对烃源岩生烃影响的模拟实验做了系统的研究，认为随着温度的升高火山流体提高了液态产物的生成率，对 CO2的生成有促进作用，而对烃类气体的生成有抑制作用。本文将在此基础上，对不同成分的火山流体，以及不同类型的烃源岩样品，进行热模拟实验，探讨相同温压条件不同火山流体对源岩生烃过程的影响。

2.1.1 实验原理

模拟实验是以干酪根热降解成烃原理和有机质演化的原理为理论依据，模拟有机质的形成及其变化特征，探讨不同温压和催化条件下，生烃组分、化学反应方向等实验信息，为认识成烃机制和建立成烃模式提供数据基础。

2.1.2 火山流体

火山流体是从岩浆中分离出来的具有一定的温度、压力和化学性质活泼的流体，成分以水为主，并含有挥发性组分和金属成矿元素，具有密度低、粘度小、流动性大等特征（翟庆龙，2003）。其中，挥发性组分主要为 CO2、H2、CH4、CO 等（金强等，1999）；金属成矿元素则是都以较高浓度的 Ni、Co、Cu、Mn、Zn、Ti 和 V 等过渡金属为特征（PeuterJ.H.et al，1977；LowensteinT.K.etal，1989） 。

 

2.2 样品选取及测试

热模拟实验样品的准备共分两部分，一是火山岩样品的测试，二是烃源岩样品的测试。

2.2.1 火山岩样品的测试

火山流体的组成十分复杂，特别是挥发性和金属元素的组分和含量，很难配置出地质条件下的火山流体。从火山流体的概念中，我们知道火山流体的主要组分为水，为了更好的模拟地质条件下的火山流体，采用火山岩加水来模拟火山流体，这样做具有很强的可操作性。火山岩样品的测试内容包括流体包裹体测试和全岩组分测试两部分，流体包裹体测试是为了确认火山流体中挥发性组分，而全岩组分测试是为了确定火山岩成分的差异，为计算高温条件下火山流体的密度和粘度做铺垫。

（1）流体包裹体测试分析

由于火山岩流体中挥发性组分的不确定性，所以只能选取几种含量较大、具有代表性的挥发性组分来表征火山岩流体中挥发性组分的情况。本文对松辽盆地火山岩中发育的液体包裹体进行了系统的观察与研究，选出 14个样品进行室内流体包裹体研究及测试分析工作。包裹体测试分析工作在吉林大学地球科学学院地质流体实验室进行。具体分析测试内容包括流体包裹体岩相学研究及单个包裹体激光拉曼光谱成分分析。研究认为该区的各类火山岩中流体包裹体发育程度差异较大，其中，流纹岩、玄武岩中流体包裹体较为发育，而英安岩、安山岩、凝灰岩以及煌斑岩中流体包裹体发育很少，尤其适合进一步测温研究或进行成分分析的流体包裹体极为少见，故本次工作仅对流纹岩、玄武岩中的流体包裹体进行了较为详细的研究（表 2.1）。本次试验在吉林大学地质流体实验室进行，仪器为英国 Renishaw system-1000 型激光拉曼光谱仪。

 

第3章 酸性火山流体对烃源岩生烃效应模拟实验分析..........32

3.1 酸性火山流体对气体产物及其组分的影响..............32

3.1.1 烃类气体...................32

3.1.2 非烃气体...............37

第4章 基性火山作流体对烃源岩生烃效应模拟实验分析...........53

4.1 基性火山流体对气体产物及其组分的影响..................53

4.1.1 烃类气体..............53

第5章 不同火山流体对烃源岩生烃影响及产物相关性分析......73

5.1 不同火山流体对烃源岩气态烃产物影响.............73

5.2 不同火山流体对烃源岩液态烃产物影响...........76

 

第7章 火山流体运动演化实例解剖

 

存在火山流体的区域在我国东西部均有较为典型的地区。本文选择松辽盆地徐家围子作为火山流体运动演化研究的解剖对象。

 

7.1 徐家围子勘探现状

大庆探区的深层勘探自上个世纪六十年代开始至今，已经经历了五十多年的艰难勘探开发的历程。1976 年深部油气藏勘探，正式开始，明确将泉头组一、二段及其以下地层称为深层。到1985 年，在盆地的边部、隆起区和构造高部等区位均有钻井。经10余年的研究，终于对松辽盆地北部得深层构造格局、地层展布、烃源岩得发育以及储层特征有了初步的了解，并在肇州地区发现了基岩风化壳气藏（霍秋立，2007）。

1986-2000 年，这 15 年间，经刻苦的坚持研究，对深层地质条件有了较为清晰的认识，确定了徐家围子断陷是天然气储层最有利勘探区，并发现了昌德和汪家屯－升平气藏。在此期间，对古中央隆起带、莺山－双城断陷带、徐家围子－古龙断陷带以及滨北断陷区进行了一区域性的评价性钻探，共计完成深层探井 73 口。

2001 以来，徐家围子断陷成为勘探的重点，在徐家围子徐中断裂构造带部署预探井徐深1井获53万方的高产工业气流，实现了松辽盆地深层天然气勘探的重大突破（杜金虎等，2010）。针对深层地层，完成三维地震勘探 1947.56km2，深层探井 35 口，不乏超百万方的无阻流量高产工业气流井，最为典型的是徐深 1 井。徐深1井的成功钻探，标志着徐家围子断陷天然气深层勘探进入战略突破阶段（霍秋立，2007）。

截止到 2006 年，松辽盆地深层有效勘探面积为 41860km2，完成二维地震勘探27213km，三维地震勘探 9136km2，发现了昌德、肇州西、汪家屯、升平、徐深 1 等含气区块（裴东洋，2013）。徐家围子断陷勘探完成预探井 81 口，评价井 31 口，共 112 口。其中，获工业气流井 38 口，低产气流井 30 口，提交储量达千亿方，展示出松辽盆地徐家围子断陷深层天然气广阔的勘探前景（霍秋立，2007）。

 

第8章 结论与认识

基于以上研究，总结一下几点结论：

（1）火山流体对不同烃源岩的成烃效应存在明显的差异，在不同温度下成烃效应也不同，这表明流体成分、烃源岩类型和温度是成烃效应的主控因素。

酸性火山流体热模拟实验中，Ⅲ 型烃源岩的总烃类气体产量和甲烷气体产量最高，Ⅰ、Ⅱ型产量相近。高温阶段（400℃-450℃），Ⅰ型烃源岩总非烃气体产量最高，Ⅲ 型次之，Ⅱ型的非烃气体产量最低。基性火山流体热模拟实验中，笔耕文化传播，Ⅰ型烃源岩总烃类气体产量和甲烷气体产量最高，Ⅱ型次之，Ⅲ型最低。Ⅰ型和Ⅱ型烃源岩总非烃气体产量高，Ⅲ 型最低。火山流体的生烃效应实质是对烃源岩生烃的催化效应。

（2）火山流体的成分决定了不同类型烃源岩产物的变化趋势。因此进行区域火山流体研究时，需先确定火山流体的性质。相同成分的火山流体对不同类型烃源岩产物产量变化趋势的影响基本相同；不同成分的火山流体体对同类烃源岩产物产量变化趋势的影响差异较大。

（3）随着温度的升高，烃源岩的烷烃类气体、总非烃类气体和H2的产率逐渐升高，而 CO2、CO、和H2S气体产率逐渐降低。根据经验正交函数分析，可以判断温度与 CH4、C2、C3、iC4-nC5、H2、总烃、总非烃和总气体产量呈正相关，而与CO2、CO、H2S气体产量呈负相关。

（4）酸性和基性火山流体均使产气临界温度升高，说明火山流体条件下的烃源岩生气窗口变宽，增加了天然气生成量。

干燥体系的临界温度存在于 350℃-400℃之间。流体体系的临界温度存在于400℃-450℃之间。当实验温度小于临界温度时，产气量随温度的升高而增大，当实验温度大于临界温度时，产气量随温度的升高而降低。

（5）结合徐家围子实际地质条件，对徐家围子地区古孔隙度、古埋深以及古地层压力进行恢复，计算徐家围子古流体势，并利用拉普拉斯算子圈定徐家围子营一段火山流体的影响范围约 828km2，徐家围子营三段火山流体的影响范围约161km2。

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本文编号：10495