有机质热演化过程中异常压力的作用

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摘 要：为深入研究东濮凹陷异常超压对有机质热演化的影响，与中国科学院广州地球化学研究所刘金钟博士进行合作，改变传统有机质高压模拟实验方法，用实际烃源岩泥岩样代替干酪根，采用多种方式的高温高压热模拟实验，证实了压力达到一定值时可以对有机质的生烃过程产生抑制作用，这个值称之为压力抑制门限，与有机质的成熟度和类型有关。异常压力在烃源岩成熟之前发育是超压对有机质热演化产生抑制作用的重要条件。

主题词：有机质；热演化；超压抑制；高压模拟实验；

东濮凹陷东、西两个洼陷带沙河街组沙三、沙四段发育三套厚层盐岩段和多套大范围分布的深、半深湖相的厚层泥页岩，是主要烃源岩，以异常高压发育而著称，地层压力系数在1.3～1.8之间，相应形成两个超高压中心，为研究异常孔隙流体压力对有机质热演化和生烃作用的影响提供了良好的场所。

1 超压抑制作用的提出

有关压力在有机质热演化过程中的作用的激烈争论，反映了压力作用的复杂性和研究难度。在有机质热演化和油气生成过程中，超压的存在又使油气生成速率降低，液态窗的下限下移，表明了压力的抑制作用[1-2]。压力并非是唯一的化学动力学因素，与温度、时间共同起作用[3]。

正是由于异常压力在沉积盆地演化过程中最终将被释放，以及高压模拟实验自身的缺陷，至今在压力对有机质热演化影响的问题上还没有一个明确的认识。通过地质、地球化学及有机质热演化模拟技术，在东濮凹陷深层发现超压地层有机质热演化受到明显的抑制作用。

2 超压抑制作用证据

2.1烃源岩地球化学指标

东部洼陷带的Ps4、Ps7井，西部洼陷带的Ps13等井镜质体反射率与最高热解峰不连续而呈明显的两段式，拐点在4000m附近（图1），下段相对上段明显变陡，与地层压力的异常超压段相对应。正常压力系统中，Ro和Tmax相互吻合，随埋深增加和地温升高而逐渐升高，通常情况下，Ro的对数与埋深呈线性关系，并且可以根据浅部的变化趋势预测深部有机质的热演化程度。上述资料表明，Ro和Tmax下段的实测值明显低于上段Ro和Tmax趋势线的预测值，表明有机质的热演化程度与其受热史不匹配，换言之，下段有机质的热演化明显受到抑制。

含氧基团（1710cm-1）随埋深增加而发生震荡性变化，说明含氧基团的释放并非经典学说主张的那样，在演化早期就释放殆尽，东部洼陷带的Ps4、Ps10井甚至在深达5000m之下干酪根红外光谱上仍显示有含氧基团存在，证实了东濮凹陷深层有机质热演化的抑制作用。另外，Ps7井在5537.5～5582m井段，脱气分析中甲烷含量小于60%，在5613.2m还见浅棕色凝析油，对应地温为197℃，说明干气分布深度应大于5600m，这也证实有机质热演化的滞后作用。

2.2高温高压热模拟实验

为深入研究东濮凹陷异常超压对有机质热演化的影响，与中国科学院广州地球化学研究所刘金钟博士进行合作，改变了传统的有机质高压模拟实验方法，用实际烃源岩泥岩样代替干酪根，采用多种方式的高温高压热模拟实验。

（1）实验流程及方法

用动力学方法进行干酪根生烃研究及油气评价是当前国际上新兴的有机地化研究方法之一。20世纪90年代中期以来，美国Chevron石油公司与Lawrence Livermore国家实验室及法国石油学院（IFP）合作，研制了一套压力体系下干酪根生烃动力学实验设备并建立了成熟的实验流程，此项技术已应用于美国、加拿大、澳大利亚、印尼、中国南海等地的十余个油气田的地化研究及油气勘探中，取得了很好的效果。

（2）实验样品

由于干酪根分离过程可导致有机质物理、化学结构的破坏，利用未经处理的岩样能够更好地模拟自然条件下有机质的热演化和生烃过程，但其缺点是设备昂贵，模拟周期较长。为了更好地揭示东濮凹陷深层有机质的热演化规律，本次研究采用岩样进行模拟实验。在综合分析研究区烃源岩发育特征后，初步采取高温高压有机质生烃模拟样品10块，最后选取5块不同部位、不同成熟度的样品进行热模拟，历时3个月。主要作了不同温度压力的生气模拟与生油模拟两个方面的工作。

（3）实验结果

Ps7井同一样品在三组相同温度490℃、530℃和550℃条件下生烃量（C1～C5）随压力的变化情况（图2）：在490℃和530℃条件下，当压力小于67MPa时，生烃量增加；当压力大于67MPa时，生烃量不变或减少。在550℃条件下，实验压力均大于67MPa时，样品的产烃量随压力升高迅速减少。

图3是Ps7井同一样品在不同温度、压力条件下C+10产量的变化情况：实验温度从490℃上升到530℃时，生烃量减少；在530℃条件下，实验压力从50MPa上升到108MPa，当压力均小于67MPa时，样品的产烃量随压力升高而增加，当压力均大于67MPa时，样品的产烃量随压力升高而迅速减少。

图4是H96井同一样品在两组相同温度490℃和530℃条件下C+10产量随压力的变化情况：在490℃条件下，压力从45MPa上升到81MPa时，生烃量随压力增加而减少；在530℃条件下，压力从50MPa上升到108MPa，样品的产烃量总体上随压力升高而减少。其它如W155、W209、H21井的实验也具有类似结果。上述实验结果表明，压力可以对有机质的生烃过程产生抑制作用，但必须达到一定值时才对有机质的热演化生烃产生明显的抑制作用[4]，这个值称之为压力抑制门限，与有机质的成熟度和类型有关。

3 压力抑制作用的动力学机制

在没有异常地层压力作用下，烃源岩模拟计算的镜质体反射率与地层实测的相吻合。前面提到东濮凹陷深洼部位镜质体反射率呈明显的两段式，上段可以认为是在正常地层压力下镜质体反射率的变化趋势，因此用上段变化趋势预测的Ro与下段地层实测Ro值之差可以反应压力对有机质热演化的抑制程度，这个差值称之为超压抑制指数，并随孔隙流体压力和压力系数的增加而增大。

异常超压通常发生在快速沉降的盆地中，但很多盆地强超压发育层段的有机质热演化并没有出现明显的异常，压力对有机质热演化和生烃作用的抑制作用是有条件的。东濮凹陷的异常压力发育可分为两种情况：以泥岩和盐岩为主的地层单元中，在有机质未成熟或低成熟阶段由于快速沉降和不均衡压实形成的异常压力，对有机质热演化而言属早期自源超压，在洼陷带部位的异常超压均属于这类成因，这类超压对有机质演化有明显的抑制作用；在烃源岩成熟度达到相当高的阶段，在砂岩含量相对较高的地层中发育晚期超压，如洼陷带两侧隆起部位与斜坡带发育的超压系统，晚期超压对有机质热演化没有明显的影响。东濮凹陷中央隆起带与斜坡带以发育常压为主，压力系数多小于1.3，从烃源岩的各种地球化学指标上基本没有发现有机质热演化出现明显异常的迹象；而在东濮凹陷的东、西洼陷带，压力系数普遍大于1.5，烃源岩各种地球化学指标及高温高压热模拟实验，都显示出有机质热演化受到明显的抑制，特别是当压力系数达到1.7以上时，有机质热演化的抑制作用非常明显，如濮深7井、濮深13井和胡96井等深层有机质热演化受到明显的抑制。Hill and Tang（1994）在300℃恒温变压热解实验中发现，当压力大于600bar时，压力对有机质演化的抑制作用非常明显，而当压力小于600bar时，压力对有机质热演化的影响不明显。对于不同地质条件和不同成熟度有机质，产生抑制效应的压力门限值差异很大。异常压力发育时，如果有机质成熟度越高，产生抑制效应的压力门限值越大，如濮深7井样品热演化程度较高（Ro=1.52%），压力抑制门限大致在67MPa，胡96井样品热演化程度相对低一些（Ro=1.26%），压力抑制门限大致在45MPa。

因此，异常压力在烃源岩成熟之前发育是超压对有机质热演化产生抑制作用的重要条件。

4 结论

东濮凹陷高温高压热模拟实验及地化指标明确显示深洼部位烃源岩有机质的热演化在超压环境下受到明显的抑制作用。高温高压环境一方面促进了有机质热演化，另一方面高压环境也控制了有机质的演化[5]，拓展了生烃窗的范围，即使到现在源岩仍处于活跃生烃阶段，为晚期成藏提供了充足的烃源[6]。

从生烃层系上看，沙河街组沙三下～沙四上为东濮凹陷的主力烃源岩，主要分布在深洼部位，而深洼长期发育异常超压，强超压又延缓了有机质的热演化速率，从而扩大了生（油）气的深度范围，原来圈定的生烃窗范围还应该扩大，深层油气资源应该增加，因此，在进行有机质热演化模拟计算时必须考虑压力因素对有机质热演化的抑制作用。

超压抑制作用也很好的解释了东濮凹陷深层油型气以凝析气藏为主且环洼陷富集的规律。东濮凹陷深层具有较高的生烃潜力，这对深层的油气勘探具有重要意义。

参考文献

[1] 王兆云，赵文智，何海清. 超压与烃类生成相互作用关系及对油气运聚成藏的影响[J].石油勘探与开发，2002，29（4）：12-15.

[2] 刘晓峰.评述异常压力研究中的石油地质学新思想[J].地球科学进展.2003，18（2）：245-250.

[3] 倪建华，张坤等.莺琼盆地高温超压成烃作用及成藏贡献[J].天然气勘探与开发.2001，24（3）：39-46.

[4] 李志，窦立荣，艾小兰.异常高压与油气的生成[J].石油勘探与开发.2003，30（5）：28-30

[5] 何光玉.机质成熟史模拟探讨[J].地质地球化学.2000，28（3）：82-86

[6] 郝芳，邹光耀等.沉积盆地超压系统演化与深层油气成藏条件[J].地球科学：中国地质大学学报.2002，27（5）：610-615