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1、油气成藏地球化学研究的若干进展,一、油藏地球化学 理论与实践,油藏地球化学（Reservoir geochemistry; 1987 ） 地球化学的新兴分支学科 地学与石油工程学科的边缘交叉学科 21世纪新的学科生长点 继承和发展了经典的石油地球化学,新学科诞生的背景80s中期以来国际石油工业形势,全球未经勘探的沉积盆地日趋减少 勘探成本日益上升 跨国石油公司紧缩规模 已勘探开发的“成熟盆地”增产上储得到重视,油藏地球化学在北海盆地应运而生,学科前缘的科研单位和地球化学家,W. A. England 英国石油公司（BP） S. R. Larter 挪威奥斯陆大学/英国纽卡斯尔大学 M. Bjo
2、ry 挪威特隆海姆大学/GeoLab Nor J. Moldowan 雪佛龙石油研究公司/美国斯坦福大学 R. C. Surdan 美国怀俄明大学 P. R. Philp 美国俄克拉荷马大学,学科发展沿革, 80s中期, 北美 Reservoir description /characterization,油田 地质,测井 (物探),计算机 处理,+,+,储集岩体 非均质性,“油藏描述、表征”？还是储层描述、表征? 实质上主要研究储层，极少涉及油藏流体。, 80s中期，北欧， Reservoir geology / geochemisty,油田 地质,测井 (物探),地球 化学,+,+,储层与
3、流体的非均质性 + 成藏机制 “储层地质学/地球化学” ？还是油藏地质学/地球化学？实际上不限于储层，还涉及流体及成藏,+,+,+,计算机 处理、 模拟,数理 统计,石油 工程,学科内涵,油藏 = 流体 + 储层 + 圈闭,油藏地球化学,有机地球化学,无机地球化学,有机流体储层沥青焦油席流体包裹体有机无机相互作用无机流体储层矿物岩石储层物性,与传统地球化学的比较 传统地球化学： 以盆地区域勘探为背景， 以烃源岩为重点,研究源岩生烃组分与成熟度，建立生烃模式； 评价烃源岩、烃源层、生烃凹陷； 油源对比，划分油气系统，评价勘探目标； 计算烃资源量,油藏地球化学：以“成熟”盆地油田勘探为背景，主要从
4、原油和油砂入手,进行油藏地球化学描述，解决勘探问题； 划分原油族群/组群，推断源岩有机相； 确定成藏时间和期次； 示踪油气运移/充注途径、充注点，判断卫星油藏的方位； 油藏动态监测，混采油层产能分配等。,主要理论基础,油气成藏的充注模式油藏流体的混合机理 油藏流体的非均质性 油藏中石油的地球化学演化 油藏中的有机隔层-焦油席 原油含氮化合物与C40+烃类地球化学,油气成藏的充注模式,充注是开发的逆过程。England 等(1987)首先建立单油源块状砂岩油藏的充注模式,乌拉油田位于挪威大陆架中央地堑，系一个盐丘核心的围斜构造，闭合度500m，被正断层分割成 2 个主断块。侏罗系厚砂组中，有 2
5、层(2A、3A)高渗透率层段。勘探十年，发现多个油水界面,原油成熟度指示从东翼向西翼充注 OWC西高 (约-3500 m), 东低(-3700 m以下) 西翼约-3500m以下储层渗透率突降 (从1D到10mD) 流体包裹体含量骤减(从几百个到零个), 且西翼OWC 随储层渗透率变化 油藏充注过程与储层胶结作用同时进行 油气沿高渗透率层段自东翼向西翼充注 在油气达到西翼约-3500m深度时，砂岩已胶结，造成OWC不规则分布。,油藏流体混合机理（ England和Mackenzie，1989),油藏一旦注满，石油柱/含油区(oil leg)将以低速度进行物质重新分配，逐步建立油藏流体力学上和化学
6、上的平衡 分子扩散作用/密度驱动的混合作用，或二者的综合作用是引起油藏内部发生混合作用的主要机制,分子扩散 单个石油柱垂向上，扩散过程在地质时间上是快速进行的：100m的高度范围，在1Ma内可建立起重力分异的浓度梯度 一个大油田含油区内横向上，扩散过程在地质时间上是缓慢的：化学成分的非均质性（浓度梯度）可维持几十Ma,密度驱动的混合作用(密度翻转),密度翻转途径 油藏中流体密度1 2； 翻转方向,优质储层（高渗透率，无任何条带状隔层），地质时间上快速翻转：约104106a的时间尺度可完成 低渗透储层，地质时间上缓慢翻转，一定程度上残存成分浓度梯度 存在隔层/屏障（barrier），流体不完全均
7、一化，有成分、密度的突变, 翻转混合效率,热对流混合作用仅在优质储层的气藏混合作用中有效 原油化学组成对混合过程有一定的影响,由于原油成分的极性差异以及有机无机相互作用结果，不同原油组分的混合速率是不同步的,非极性的烃类易于混合 极性组分（非烃、沥青质）难以均一化 采出原油比油砂均一化程度高,许多不同化学成分可以具有相同的密度，油藏混合作用排除了密度梯度后，仍可能保留成分浓度梯度,油藏流体非均质性,流体非均质性的起因 源岩有机质组成（有机相）的差异 源岩有机质成熟度的差异 储层物性的影响 油藏结构特征变化 原油在油藏中的次生变化,流体非均质性的数量级及其地质意义,公里级（几几十公里）的横向成分
8、梯度变化 指示区域性石油充注方向 引起生物降解作用的区域性水流方向 大型流动屏障的存在,例如，一个油藏中横向上按公里计算气油比(GOR)或成熟度参数可指示油气充注方向,米级（可达几十米）的非均质性，如原油分子组成变化或同位素组成变化 反映油藏垂向隔层,微米埃级（几十微米分子级）的非均质性 与油层矿物颗粒表面化学或流体包裹体有关,油藏流体非均质性是油藏流体地球化学描述、研究充注历史与成藏机制以及进行油田生产动态监测的基础,运移与油藏中石油的地球化学演化,石油成熟-演化作用（maturation) 后期气体注入作用(gas injection) 生物降解作用(biodegradation) 水洗作
9、用(water washing) 脱沥青质作用(deasphalting),油藏中石油的地球化学演化（据Connan,1984),石油的成熟-演化作用,油气成藏后，随着埋藏深度、时间的增长，成藏油气会产生下述变化： 原油成熟度逐渐升高，气油比提高； 高、过成熟情况下，发生歧化反应，地下原油裂解成天然气，同时残余物质聚合成沥青； 进一步演化，导致天然气由湿气变为干气，沥青演变成天然焦。,后期气体注入作用,油气成藏后，后期高成熟天然气的注入，会引起油藏中原油的下述变化： 气溶于油中，气油比升高，油质变轻； 溶解气含量增加，沥青质溶解度相应地降低，导致原油中发生脱沥青质作用； 在适当的温度、压力、气
10、油比配置下，油溶于气中，形成凝析油气；,生物降解作用：细菌的新陈代谢,前提： 动态的地下水系统； 具有油水界面； 有养分供应； 地层温度85; 存在细菌种群。,后果： C1-C6 气体数量减少，气油比降低 C6-C15 轻烃馏分含量下降 烃类分子降解顺序 A.正烷烃,其中nC24- 优先降解; B. 支链烷烃 (植烷、姥鲛烷); C. C14 -C16 二环烷烃类； D. 甾烷类; E. 萜烷类 原油密度、黏度增大，油质变差成为重、稠油 浅层石油生物降解也可能形成生物降解气(干气),水洗作用：水对烃类的溶解与氧化,机理： 烃类在水中溶解度：低碳数分子 高碳数分子； 芳香烃 环烷烃 支链烷烃 正
11、烷烃 水中携带氧，使原油中烃类氧化成非烃成分。,结果： 轻烃馏分含量下降 芳香烃、环烷烃相对含量下降 非烃、沥青质含量增加 原油变重、变稠,前提： 静态油，动态水-油藏底水/边水状态； 静态水，动态油-油气运移状态。,脱沥青质作用,物质组成： 1.沥青质-原油中沉淀出来的富杂原子极性聚合物； 2.“沥青质先质” (APE)-富烷基化的含杂原子化合物，溶于马丁烯溶剂中。呈真溶液或胶体溶液。,基本过程： APE _(聚合)_ APE _(沉淀)_ 固态 真溶液 胶体溶液 沥青质 主要影响因素：压力、原油类型、沥青质组成、温度。,脱沥青质作用基本原理：恒定气油比条件下,希尔克伯格(Hirchberg
12、)模型: f沥=V沥/V油；1/沥-油 f沥-可溶于原油的沥青质体积馏分； V-地下沥青质或原油的克分子体积； -沥青质或原油的溶解度。,地质诱因：,1. 油气向浅层运移或油藏抬升, 地层压力降低; 2. 原油混合作用; 3. 气体注入(gas injection, 气洗作用); 4. 生物降解作用; 5. 在油藏或输导层中的成熟作用; 6. 重力分异作用; 7. 油层内泥质吸附作用.,油藏中的有机隔层-焦油席,. 焦油席的概念,焦油（tar）即超重油 油藏条件下，密度1.00g/cm3，粘度10 cP 地表条件下，沥青质含量占原油2070%wt（平均为30% wt），在岩心中绝对含量为n10
13、 mg/g 岩石 在岩心中，外观似油砂，不是沥青。,产状成席状的超重油，富含沥青质的石油夹层或条带 通过岩心的棒色谱（TLC-FID）或微球聚焦测井（MSFL）检测 地下不具有流动性的有机隔层，厚度0.0125m， 一般与油水界面或岩性突变界面相近 焦油席多见于高孔渗储层的烷基石油中，分布在石油柱内部油水界面处以及油水界面以下,焦油席（tar mat）,焦油席的检测,密集取样分析确定出五个焦油席或极性富集带(PEZ)，这一结论易被低密度取样分析所忽视,TLC-FID与Rock-eval检测焦油席,TLC-FID与MSFL检测焦油席 棒色谱地球化学录井曲线与微球聚焦测井曲线对比,焦油席的成因机理
14、 （Wilhelms 和 Larter，1994，1995）,重力分异脱沥青作用 气体注入脱沥青作用 原油混合作用 压力下降引起原油沉淀沥青质 油藏内部原油的成熟作用（石油的热降解作用） 严重的生物降解作用,焦油席与石油柱来自同一油源，形成于高渗透率油层，沿地质界面 (油水界面、泥质隔层)分布，导致沥青质沉淀的原因为：,NSO化合物（ Larter 和 Li）,广义的非烃（非烃+沥青质，极性组分）一般 占原油的525% 对原油物性/相态以及储层物性有重大影响,与油层水形成乳状液影响原油质量影响储层矿物表面润湿性某些水溶性NSO化合物（如酚、苯）运移中 易损失，可能用于评估运移体积，定量评价 水
15、洗范围,基本的分子结构与命名法,第1组：遮蔽的吡咯氮 R1，R2=CnH2n+1，n1第2组：部分遮蔽 吡咯氮 R1=H，R2=CnH2n+1或， R2=H，R1=CnH2n+1，n 1第3组：暴露的吡咯氮 R1=R2=H,化合物鉴定GC-MS总离子流（RIC）图反映化合物全貌,GC-MS质量色谱图 检测两个系列的同系物,运移效应理论依据 咔唑类分子中的杂原子基团 -NH2，易于与粘土矿物或有机质形成氢键，从而使咔唑类被吸附，而产生地质色层效应。,苯并咔唑结构图,(1) 含N化合物总量减少；(2) N-屏蔽型咔唑类相对增加，N-暴露型咔唑类相对减少；(3) 苯并a咔唑类相对增加，苯并c咔唑类相
16、对减少；(4)高取代的咔唑类相对增加，低取代的咔唑类相对减少。,随运移距离增长，咔唑类色层效应表现为：,W：含氮化合物总丰度，ug含氮化合物 / g 岩石 A / C：屏蔽型/暴露型咔唑类化合物 1,8-/2,7-DMC：1,8-二甲基咔唑/2,7-二甲基咔唑； a/c：苯并a咔唑/苯并c咔唑； a2/a3：甲基苯并a咔唑/甲基苯并c咔唑。,运移参数,含氮化合物示踪油气运移可靠吗？,初次运移模拟实验与地质样品分析结果不一致 主要影响因素 地色层效应、成熟度 次要影响因素 原始母质、沉积环境 不同(条件)地区差异，不反映地色层效应 在成熟度相近的条件下，才能作地色层效应分析 运移通道介质（孔隙、
17、裂隙、断层）明显地影响地色层分异效应 以裂隙、断层为通道的垂直运移分异效应效果差 示踪裂隙型碳酸盐岩地层油气运移要慎用 以砂岩孔隙为通道的侧向运移分异效应效果佳。,含氮化合物示踪油气运移的问题,含氮化合物油气运移地色层效应差异 随运移距离增长，“苯并A咔唑/苯并A咔唑+苯并C咔唑”变化趋势： 海相地层长距离(100km)运移中，A/ A+C减小； 陆相地层短距离(n10 km)运移中， A/ A+C增大。 由于运移距离短，临近油源区，咔唑类、苯并咔唑类常显示出不同步的分异效应 随运移距离随运移距离增长，“含氮化合物总量(W)”呈现减小的基本趋势。 由于分馏效应影响，凝析油中，“含氮化合物总量(
18、W)”的分布，可能产生异常。,关键性的实验分析技术,油藏流体地球化学描述 TLC-FID、GHM、GHM-GC、GC-指纹 含氮、氧化合物油气运移示踪技术 C40+高分子量化合物研究应用技术 流体历史分析 流体包裹体分析测试与应用技术 油藏动态监测技术,珠江口盆地原油族群划分和油气运移充注方向研究,主要研究内容： 原油族群划分； 确定成藏期次； 确定成藏时间; 示踪油气运移油藏充注及方向与途径；,原油族群在油气运移、充注研究中的应用,原油族群组群的划分,原油族群 (Oil population)：具有相同或相似物理、化学性质以及相同源岩有机相，来自同一烃源灶，应属于同一油气系统的原油 原油组群
19、 (Oil family): 同一族群的原油，由于经历了不同的次生演化（如成熟作用、运移效应、生物降解作用等），可进一步分异为不同的组群。 一般也可以先划分组群，然后在组群的基础上，进一步划分族群。,原油族群组群划分,参数依据: 碳同位素参数：全油及馏分13C生源、成熟度; 奥利烷参数：奥利烷 C30 C29生源； 重排藿烷参数： C30重排藿烷（ C30重排藿烷 C30 藿烷） 烃源岩岩性； 4-甲基甾烷参数： C30 4-甲基甾烷/C29规则甾烷生源； 新藿烷参数：C29Ts/(C29Ts+ C29藿烷) 生源、成熟度； 新藿烷参数：Ts/(Ts+Tm)成熟度; 4-甲基甾烷异构化参数：
20、C30 4-甲基甾烷/(+) 成熟度； 多环芳烃参数：甲基菲指数 MPI1=1.5(3-MP)+(2-MP)/P+(9-MP)+(1-MP) -成熟度。,原油族群组群划分,原油族群组群划分,原油族群组群划分,原油族群组群划分,原油族群组群划分,原油族群组群划分,原油族群组群划分,原油族群组群划分,原油族群组群划分,原油族群组群划分,原油族群组群划分,原油族群组群划分,原油族群组群划分,优选五项主要参数作为界定该区石油族群组群的标准: (A)C304-甲基甾烷/C29规则甾烷, (B)奥利烷参数, (C)C30重排藿烷参数, (D)Ts/(Ts+Tm), (E)甲基菲指数MPI1。 采用极坐标图
21、划分石油族群组群,原油族群组群划分,原油族群组群划分,原油族群组群划分,示踪油气运移油藏充注的前提条件,符合以下条件，示踪效果显著： 同一族群/组群的原油分布范围内示踪； 同一生油凹陷/洼陷内示踪； 同一烃源灶供油的范围内示踪； 跨越成熟原油、低熟油分布地带时，选择示踪参数要谨慎； 一个油藏/区带内示踪； 多油层/油组的油藏选同一油层原油，或确认无垂向运移分异时，选同一油组原油示踪； 较为系统、连续采样。,油气运移油藏充注方向指标选择,成熟度指标： C29 -甾烷20S/（20S+20R） C29 甾烷/(+) C30 4-甲基甾烷参数20S/（20S+20R） C27 三降藿烷参数 Ts/T
22、m C30 重排藿烷/C30藿烷 甲基菲指数 MPI 1,4-二苯并噻吩/,含氮化合物指标： 含氮化合物总量 (W)； C1-咔唑参数,如: 1-甲基咔唑3-甲基咔唑 （1-/3-MK); C2-咔唑参数,如: 1,8-二甲基咔唑2.4-二甲基咔唑 (1,8-/2,4-DMC); 高、低取代咔唑比,如： (C3+C4)-咔唑/(C1+C2)-咔唑 苯并咔唑参数，如： 苯并a咔唑（苯并a咔唑苯并c咔唑) a/a+c,油气运移油藏充注方向（XJ30-2油田）面积约km2,油藏高度闭合度约42m,油气运移油藏充注方向（XJ30-2油田）,总计4个油层，14口采样井，15个油样,油气运移油藏充注方向（
23、XJ30-2油田）,除南翼个油样外，其余油样成熟度分布范围相符,油气运移油藏充注方向（XJ30-2油田）,油气运移油藏充注方向（XJ30-2油田）,主要充注方向： 1.北翼：来自NW/NWW向; 充注点：在B12B11井 附近； 原油成熟度低，充注早。 2.南翼：自S向N; 充注点：2XBB13 B11井区； 南翼边界断层可作为通道； 原油成熟度高，充注晚。,油气运移油藏充注方向（西江油田群）,西江油田群: 该区带的XJ24-1油田的原油成熟度最高，包裹体研究推断其烃源灶可能在东方（如惠州26洼） XJ24-3油田的主要烃源灶似乎应位于其北方/西北方，但是其东方/东南方的XJ24-油田也可能作为一个次要的烃源灶，向其东南翼供油 XJ24-3油田可能是XJ23-1构造和XJ30-2油田的油气运移上游方向 XJ30-2油田北翼的北西北西西向可能为主要油源方向，此外，沿油田南侧的边界大断层可为南翼自南向北的充注提供油源通道,油气运移油藏充注方向（西江油田群）,油气运移油藏充注方向（陆丰南油气系统）,油气运移油藏充注方向（陆丰南油气系统）,从LF22-1构造到HZ18-1构造一线，不是陆丰南油气系统中石油运移的主流方向,惠陆低凸起和东沙隆起油藏的分布及油岩对比,