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浅谈油气示踪的几种地球化学方法


作者:倪宁
【摘要】油气在运移过程中,由于油气分子在大小、结构、极性等方面的差异,存在被矿物颗粒选择性吸附的现象,从而导致油气在运移过程中产生一定程度的运移分异效应,即地质色层效应。已经证实,当盆地的地质环境比较稳定时,油气在运移过程中所发生的变化与实验室的色层效应极为相似(查明,1997)。从物理化学的角度来看,色层效应是原油中各个化学组分的分馏过程(Leythaeuser等,1984;Seifert and Moldowan,1986)。因此,根据某些典型的地球化学指标的变化规律,可以追踪油气运移的主要方向和距离。
【关键字】非烃化合物;饱和烃;芳香烃
一、族组成变化
由于原油中的非烃化合物(胶质、沥青质)分子大,极易被矿物表面吸附。同样,芳香烃比正构烷烃和环烷烃的极性强,因此,随着运移距离的增大,原油中的胶质、沥青质和芳香烃含量都降低,造成了原油中的饱芳比、总烃(HC/R_AS)等指标变大。
王东良等(2007)研究塔里木盆地柯克亚白垩新近系原油族组成的纵向变化特征后认为,其原油自下而上具有饱和烃含量增高、芳香烃含量降低、饱芳比值增加的特征,而芳香烃、非烃和沥青质含量自下而上的分布特征与饱和烃含量具有相反的变化趋势。这种差异主要受控于油气自下而上的运移分馏作用的控制。
二、各族组分变化
(一)饱和烃
对于原油来说,随着运移距离增大,沿着运移方向,原油组分发生了有规律的变化。由于原油中烃类分子化合物立体结构效应,使得原油中异构烷烃比正构烷烃易运移出去,正构烷烃比环烷烃易运移出去,链烷烃比环烷烃易运移出去,运聚效应结果导致了沿运移方向运移出去的原油中异构烷烃/正构烷烃、链烷烃/环烷烃比值均上升。
对于天然气来说,天然气的运聚效应导致了甲烷相对于重烃、异构丁烷相对于正丁烃、烃类组分相对于非烃组分优先运移,结果使得随着运移距离增大,天然气中C1/C2、C1/(C2_C3)、iC4/nC4、HC/NHC比值均增大。
一般来说,分子量越高,烃类化合物极性越强。因此在地质色层效应和烃化合物吸附作用下,随着运移距离增大,运聚效应的结果会导致原油中低分子量烃类越来越多,而高分子量烃类越来越少,使得沿油气运移方向,Sigma;C21-/Sigma;C22_比值上升,主峰碳数下降。据荣启宏(2004)在济阳坳陷的研究表明,运移后的油藏其色谱峰型由A型变为D型,重烃分子量减少,轻烃分子增加,主峰碳降低,同时nC21-/nC22_的值相应的发生了增高。这一演变规律,在邻近的牛庄洼陷中己被证实与油气运移相关(查明,1997)。因而,有理由认为研究区油藏色谱图特征上的差异是由油藏流体运移所致,并可能在一定程度上反映油藏流体的运移强度。
(二)芳香烃
芳烃中的甲基菲包括4个异构体:3-MP和2-MP为beta;型,9-MP和1-MP为alpha;型,因取代基位置不同,空间效应有别,alpha;型显然比beta;型活跃,因此极性可能相对较强,在运移过程中易被岩石吸附而滞留在后,所以沿着运移方向,MPI1和MPR值增大。
(三)非烃
非烃化合物按极性大小可分为中性非烃(非极性非烃,NP)、弱极性非烃(LP)和强极性非烃(HP)化合物。中性非烃化合物有对称性醚类、硫醚、酮、对称性氨基取代物;弱极性非烃化合物有醚、硫酮、某些氨基化合物;强极性非烃化合物有脂肪酸、氨基酸类、巯基化合物(含-SH基)。极性强的非烃化合物的吸附性强,容易发生表面吸附效应,不易运移出去,中性非烃的吸附性较弱,相对强极性非烃易运移出去,弱极性非烃的极性介于强极性非烃和中性非烃之间。因此,随着运移距离的增加,中性非烃极易运移出去,而强极性非烃不容易运移出去,可以利用它们相对含量变化来追踪油气运移。
必须指出的是,只有当沿着油气运移方向层析作用起主导作用时,才能发生原油性质的变化。假如,在运移过程中,氧化作用占主导地位,则会出现相反的变化。如在辽河西部凹陷,从凹陷内部到凹陷外缘,由于断层发育程度增高,导致氧化作用逐渐增强,结果使原油性质沿油气运移方向由轻变重,原油的密度、粘度、胶质_沥青质的含量有规律地增大(卢双舫等,2010)。
三、生物标志化合物
不同分子量、不同极性以及不同立体化学结构的烃类与非烃类化合物,在通过运载层过程中(运移),遭受吸附和解吸作用的能力也不同。许多极性分子可能牢固地吸附在矿物表面,使运移的石油中该化合物的含量随运移距离而减少。鉴于这种地层色层效应,所以常用不同生物标志化合物含量比值来揭示含烃流体运移方向,进而示踪含烃流体活动的输导通道。
沿着油气运移的方向,油气的生物标志化合物的变化表现为:正烷烃中低碳数丰度增加,主峰碳前移;植烷系列中,低碳数化合物增加,Pr/Ph略有增加,Pr/n-C17、Ph/n-C18变化较小;芳香烃馏分中,高相对分子质量的芳香甾萜类略有下降,低环数常规多环芳香烃丰度增加;中性含氮化合物中化合物绝对浓度变低,屏蔽型和裸露型化合物比值增加;烷基苯酚类化合物的绝对浓度变低,屏蔽型和裸露型化合物比值增加等。
在地质色层效应作用、运移分馏作用和扩散作用下,烃类的生物标志物会产生立体空间效应,造成生物标志化合物参数的异常现象,一般有如下规律:甾烷20S构型比20R构型易运移;甾烷5alpha;14beta;17beta;构型比5alpha;14alpha;17alpha;构型易运移;重排甾烷13beta;17alpha;比规则甾烷5alpha;14alpha;17alpha;构型易运移;单芳甾烷比三芳甾烷易运移;三环萜烷比五环萜烷易运移;藿烷比gamma;蜡烷易运移;gamma;蜡烷和卟啉化合物运移速度慢,不易运移(刚文哲和林壬子,2011)。
从生物标志物总体运聚效应来分析,一般具有这样的规律:从直链烷烃到类异戊二烯烷烃再到三环萜烷和甾烷最后到四环萜烷和藿烷,按其次序运移难度增加,不易运移出去。
原油饱和烃生物标志化合物的地球化学特征与油气运移关系密切,这主要体现在由生物标志化合物所表征的原油成熟度方面。但是,由于原油在运移过程中普遍容易遭受生物降解及水洗作用,导致了生物标志物在表征原油成熟度时易受生物降解作用的影响,使得在应用生物标志物来反映油气运移的方向时出现偏差。这就要求所选生物标志物来确定油气运移方向时,其必须适用于较宽的成熟度范围且具有很强的抗生物降解的能力。如三环萜烷/17alpha;(H)-藿烷、Ts/Ts_Tm、重排甾烷/规则甾烷等指标。
基于上述原理,我们可以在油气运移研究中构建反映运移效应的各项指标。但是由于指标影响因素的多元性和运移过程的复杂性,如一些参数同时还受到成熟度的影响,运移是否达到平衡,运移途径中是否存在粘土矿物的影响、混源影响,以及微量的样品所含的生物标志化合物能否代表整个原油等。因此,所用指标能否客观指示运移距离的大小还要综合的分析和考虑。
【参考文献】
[1]王东良, 李勇, 敬兵等. 2007. 塔里木盆地柯克亚地区原油差异与成因分析。石油实验地质, 29(2): 192-198.
[2]卢双舫, 张敏. 2010. 油气地球化学. 北京: 石油工业出版社.
[3]刚文哲, 林壬子. 2011. 应用地球化学. 北京: 石油工业出版社. Pp 169-172, 242-261。