三塘湖盆地侏罗系煤成油初次运移.pdf

第2 9 卷第6 期 中国矿业大学学报 V 0 1 ．2 9N o ．6 2 0 0 0 年1 1 月J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y N o v ．2 0 0 0 文章蛐号1 0 0 0 1 9 6 4 2 0 0 0 0 6 0 6 2 3 0 5 三塘湖盆地侏罗系煤成油初次运移 张卫彪1 ，钟宁宁2 ，任德贻1 1 ．中国矿业大学资源开发工程系，北京1 0 0 0 8 3 } 2 ．石油大学地球科学系，北京1 0 2 2 0 0 摘要基于对差异演化导致显微纽分“分期生油”和“早生早排”是煤成油得以有效聚集的先决条 件之一的认识，在对成烃演化过程中三塘湖盆地侏罗纪煤系有机岩物理性质变化的研究基础上， 探讨了其煤成油的初次运移机理．有机岩的脱水作用与煤成油的排驱不存在较佳的时间耦合，依 靠内在水分排出携带的水溶形式运穆是不现实的．而在过压作用下有机岩中连续的“沥青网络” 形成机制和较早的初次运移历史可能是产生三塘湖盆地侏罗系煤成油的曲要条件． 关键词三塘湖盆地} 休罗纪煤系；有机岩；煤成油；初次运移；沥青网络 中图分类号P6 1 8 ．1 1文献标识码A 煤系中发育的烃源岩有煤、碳质泥岩和暗色泥 岩等类型．石油的初次运移特征与烃源岩的有机质 类型和有机质丰度有较大的关系，煤和碳质泥岩主 要是沼泽相的产物，都以腐殖型有机质为主；又据 R u d k i e w i c z 等 1 9 9 4 口3 研究，有机碳含量大于 l o ％的烃源岩排驱石油的能力和特点相似，而与有 机碳含量较低的烃源岩有很明显的区别．因而以有 机碳含量l o ％为界划分碳质泥岩与暗色泥岩，有 机质丰度高的煤和碳质泥岩作为同一类烃源岩 有机岩． 有机岩中富氢显微组分普遍存在，其生烃潜力 是肯定无疑的，但由于其孔隙结构特征及强吸附 性，使得人们对于石油能否从中有效排出仍心存疑 虑．为此．选取三塘湖盆地侏罗纪煤系有机岩为研 究对象，在对其孔隙结构特征的研究基础上，探讨 其煤成油的初次运移机理． 1 有机岩的物理性质 与烃类排驱有关的有机岩的物理性质有孔隙 结构和内在水分含量等，其中最主要的是孔隙结构 特征．孔隙结构的基本特征包括孔径结构、孔容、孔 比表面积、孔隙度和孔喉直径等，这些参数可以通 过汞置换法测试，利用孔隙性质与进汞压力之间的 关系求取． 孔隙的分类因实验方法和研究目的的不同而 有别．按孔隙直径大小划分孔隙类型是汞置换法通 常采用的，可以把孔隙分为4 级；大孔 孔隙直径d 10 0 0n m 、中孔 d 一10 0 0 ～1 0 0r i m 、过渡孔 饼 1 0 0 ～1 0r i m 和微孔 d l On m [ 2 ] ． 一般认为，有机岩的大孔多由岩石中的微裂隙 和微节理构成，中孔是有机显微组分构成的内孔和 外孔，微孔与有机质大分子结构单元的间隙和空隙 有关，过渡孔则是有机显微组分的孔隙向分子结构 单元构成的孔隙的过渡． 三塘湖盆地侏罗系有机岩的孔隙分布以大孔 和过渡孔为主，中孔和微孔相对较少，大孔占孔隙 总体积的1 3 ％～4 3 ％，微孔仅占2 ％～2 3 ％；孔比 表面积的分布情况与此相反，微孔一般占总孔比表 面积的4 0 ％以上，大孔不足1 ％．由于孔比表面积 与孔隙直径呈幂指数关系负相关，因而，几乎在任 何时候，有机岩中微孔的孔比表面积都是最大的． 令人感兴趣的是，三塘湖盆地侏罗系有机岩的 视孔隙度与平均孔隙直径呈现良好的正相关关系 图1 ，平均孔隙直径越大，视孔隙度越高，这表明 有机岩视孔隙度的变化反映了较大孔径的孔隙分 布的变化． 而孔比表面积与孔隙直径负相关，孔隙直径越 小，孔比表面积越大，毛细管阻力就越大，对烃类物 质的吸附能爿也就越强．以气体的运移为例，在大 孔中以层流和紊流方式，在中孔中以缓慢层流方 收蔫日期一2 0 0 0 0 3 0 6 作t 筒介，张卫彪 1 9 7 3 一 ，男，河南省郑县人，中国矿业大学博士研究生，从事有机岩石学和油气地质研究． 万方数据 中凰矿业大学学报第2 9 卷 式，而在嫩渡孔和微孔中可能产生毛细管凝结和物 理吸附现象，主要是以扩散方式．因此，大孔、中孔 的发育青稍于烃类的撵驱． d ／n m 耀1 视藐睬度与平均砘禳直径驰关系 F i g ．1 C o r r e l a t i o nb e t w e e na p p a r e n tp o r o s i t ya n d a v e r a g ep o r ed i a m e t e r X 壹 至 } 2 成烃演化过穗中有机岩物理性质的变化 有祝岩 尤其麓煤 是复杂的多张固体，萁驻微 组分组成中占绝太多数的镜质组分溺具有复杂的 凝骏性羲，簌菜秘悫义上谎，液烃渡豫 漾恁终弼 过程中有机岩物理性质变化的最直观表现就是镜 质组胶体属性的改变，由未成熟阶段的水凝胶转变 为戒熬除疆静瓣诲凝获 S t a c h 等，1 9 8 2 0 3 ；C o o k 等，1 9 8 6 [ ” ．值得淀意的是，与上述胶体属性转变 过程相应的是有枧卷静脱承俸用、撬鼹藏度盼转辑 性变化 图2 ，大致以镜质绒反射率觑为0 ．6 ％～ 0 ．7 ％为界，此前，内在水分含量和视孔隙度的降低 极为迅速，蠢在承努含量出1 3 ％疆上锐藏至2 ，5 群 左右，视孔隙度由1 6 ％以上锐减至5 ．5 ％左右} 此 髓，内在水分含量和视孔隙艘平稳降低。 琶 蓥 囊 恁／嚣墨，辩 图2 三塘湖盆地株罗系有机澍内在水分 a 和视孑L 隙度 b 糖成熟度的变化 F i g ．2 V a r i a t i o no ft h ei n h e r e n tm o i s t u r ea n dt h ea p p a r e n tp o r o s i t yw i t ht h e m a t u r i t yo ft h eJ u r a s s i co r g a n i cr e e ki nS a n t a n g h ub a s i n 秩褫孔隙度与平均孔敝直径的关系 图1 可 以判断，成烃演化过程中孔隙度的变化可能与孔隙 缝麴中太魏、中嚣黪藏步有荚．事实主，建藏努带特 征的演化正是如此，大孔 中孔的孔隙体积分数呈 减少趋势。且在凡为0 ．4 ％～0 。6 ％降低极为迅速 图3 ；鬣然，过渡魏 徽旄的孔豫体积努数的变 化规律与此相反，魇映随成熟度增高，有机岩中微 魏和过渡魏愈加发赛。 大孔 中孔的孔隙体积分数随成熟度的演化 向内在水分含量的变化规律嬉本一致，这意味精有 撬岩魏藏绻梅翡演住与洼落静嚣出麓有密绥翦 联系． 咒／妊 嘲3 孔隙体积分数随成熟度的旗化 F i g 。3 V a r i a t i o no fv o l u m ef r a c t i o no fp o r e s w h hm a t l t r i t y t h eo r g a n i cr o c k ’＼糕瓿罐辫 万方数据 第s 期 张卫燕等三壤濒筮地掾梦系媒或演翘次运移 3 煤成油的排驱机理 理论上讲，烃类的运移形式有1 分子溶液状 态f2 胶体和胶束溶液状态；3 单一油相或气棚． 餐一觳认为，受压力驱动瓣不连续静烃稽可髭燕箍 主要的初次运移形摅，它对于各类烃源岩都适用， 与岩性无关o ] ．对于煤这样的有机岩嚣言，由予誉 含氧基团和倾气性较强等原因，C o o k 认为液态烃 撼以水溶形式在成烃演化早期随大量的内在水分 一起撵出瓣{ q 。 吐哈舷地侏罗系煤中富禽术栓质体等易予早 期生油的显徽组分，煤的脱水作用与煤成油的排驱 意较佳豹时闯藕合，“旱生擎排”是一稀必然结 果[ 7 “] ．而三塘湖盆地侏罗系有机岩中主要生烃母 菠势角质捺鞫建子体，蛱乏蠢裁_ 于形成来熟一低熟 油的木栓磺体、树脂体等组分国 口] ，萁初次运移机 理应该是怎样的呢 1 三辕溺筮建徕罗系绝大多熬撵鹣豹烃转纯 率高峰在心为0 ．6 ％～o ．9 蹦，这个阶段已是有机 崧的脱水作用由急转缓、处于平稳降低的时期 瞬2 ，盈然，依靠内在永分摊出携带静永溶形式 避移是不现实的． 2 有壤岩大量麟衣的壹接结果是其菝薅羼性 的改变，由水凝胶转变为沥青凝胶．从弱一角度讲， 这种胶体属性的改变也是煤他过程的沥青化作用 产生大量灏毒褥曩势滩馨在蠢税岩孛的络栗，葭褥 水凝胶的分散介质 水 逐渐被沥青置换，形成均一 的“沥青棚”．均一他的连续的“镢青网络”的存在可 黼是三塘潮盆地像箩系煤成油发生初次运移的烃 源岩的基本前提之～．A l l a n 簿从同一煤样不同显 徽缱分接撼穆豹髭食物努枣黪靼叛性，论证了蠢擞 岩中形成连续的“沥青网络”的可能性，指出层内运 穆作用是有机岩成烃演化过程中的～个活跃过 稷c 嘲。 3 烃类的排驱还有一个烃源岩生烃能力与其 容纳麓力的比较阍羯豇如果生烃量太小，捌无论烃 源岩允许流体通过的性质如何，都不W 能发生有意 义的排驱} 相反，如果生烃量远大于其容纳能力， “潢剃澄”燕必然懿． 三塘湖盆地徕罗系有机岩在风为0 ．6 ％～ 0 ．9 ％抽撼物量一般为2 0 ～6 0m g ／g T O C ，假定 煤的密度弹1 ．4g ／e r a 3 ，潺膏的密废兔0 ．9g 知一， 则约3 ％～9 ％的煤体积被沥青充填，由图2 可知， 邃意珠善农成熟除段镑期有撬岩豹孔隙已基本教 石油饱和．而实际上，根据相对渗流理论，排烃门限 饱和度仅为5 0 ％左蠢口“． 4 上述特征表鞠，三耱潮筮建徕箩系漾成淫 可能是通过有机岩中的连续“沥青网络”在层内运 移，以油水彼此分开的二楣流形式排出。这样，有机 鬻中产生的过压将燕排驱的动力．通常的泥质烃潦 岩 暗色泥岩 由于颗粒细小殿矿物的可塑性使得 矿爨基凄冀骞可遥缝性，其孛瓣渡搏不瑟藏蘸，鞠 此，一部分载荷便由流体承受，过压随志产生，进而 导致流体排驱．有机辫 尤其是煤 比暗龟泥岩具有 熏嵩静哥繁性o “，逮酱经筏试秀是不翻于煤袋油 排驱的物性之一．事实上，没有任何理由认为有机 崧对上覆载箍的反坟会与碴色泥岩的蠢根本不嗣， 却j E 是由予有机岩的高压缩性将上覆簸荷传递翻 流体，从而产生较大的排驱压力[ 1 ⋯． 声波澜劳资辩发唳出三蟪漤盆建慷罗系臻漫 存在欠压实现象，螫个生油高峰阶段对应的深度范 围均在异常意压带内o ，由此可知，过压可作为三 塘湖盆地秣罗系春撬岩的捧熬魂力条佟． 5 特别值得注意的是，三塘湖盆地侏罗系有 规岩中主要生烃母璇为霆曩俸秘孢子体，这是对煤 成油排驱十分有利的显微组分． 首先，角质体、孢子体生成石油是从固相中产 生窭滚摇，逡将在镜凌组“基爱”孛产垒较大静琵黢 图4 a ；其次，三塘湖盆地徕罗系有机岩中角质 体、孢子体往往富集成微层，黧平面展布，由于不同 显微组分个体之闻的接赫透嚣籀对较较弱，甚至霄 能本来就祥在一定的间隙。因而在生油高峰阶段过 鼹弱终愿下，擐容易使先蔻在镜凄组孛产生的孔熬 逢通，形成连续的“沥青网络” 图4 b ，进而排出石 油．压力释放后，这种单向延伸的缝隙可能会关闭， 德匿宠聚集基再次张开，援纛复戆，与蠢撬岩串霹 能发育的其它类型的微裂隙系统共同作用，脉动式 排驱石油．过压的产生，既可以是有机器压塑性传 递的载荷，也可髓是烃类生成增压作用的结栗， 6 虽然三塘湖艋地侏罗系煤成油W 能以单一 瀵糖通过连续戆。灏毒建终”巍层蠹运移、最后攥蹬 有机岩的方式发生韧次运移，但较早的初次运移历 史可能是其得以有效聚集的觉分条件志一． 霪篓蠢粪{ } 萎柔鬃蹲i 蕊篓蓉至鎏繁蓉鬟冀饕餮蕊莲落差藩鑫墓蠢悉蓦酉 蓬鏊霎≯豢蓑襄薯螽学豫箍辣鼗学骚竞牵。。 有机地球化学研究进展 1 9 9 6 1 9 9 8 ．1 9 9 8 ．1 3 0 t - 1 3 5 ， 万方数据 中置矿照大学学援 筹2 9 卷 a b 醴4 “攒毒弼络”彩旗示意鼹 F i g ，4S c h e m a t i cd i a g r a ms h o w i n gf o r m i n gp r o c e s so ft h ec o n t i n u o u s “b i t u m e nn e t w o r k ” a 角质体边缀拼出漕蒲并产生较太的孔辕 6 孔腺连通并形戚连续的“糖膏游络” 隧成熟魔增高，有机岩中微孔翻过渡强愈来愈 裳商，重曩灏肖将被啜辫滞罄其串，仅有轻璇酒鹳 凝耩油分子、或者沥青进一步裂艇成气体分子才能 够克服这种“色谱”效应排出． 三墉湖熬她傣罗系鸯撬岩妁澎毒讫俸鼹比较 强燕，几乎在成熟阶段初期有机岩由零凝胶向溪青 凝胶转变的同时 R o 约0 ，6 5 ％ ，就已经达到了攒 烃掰蔫麴含演饱和度，雨此对商撬卷孛爨蠢褶翼黪 大孔和孛藐，搬之图4 掰幂的祝理，重葳沥青才褥 以排驱出有机岩．否则，燕威沥青黪被沥青凝胶中 的微砘和过渡魏暖辩图亿，蛮至热裂勰酚段才可麓 以气态烃形式耩教 4 结语 巍于有税岩的砘熬缩梅特蔹爱强暇黠蛙掰导 致的“色谱”效礁，一般认为煤成油以轻质油和凝耩 油为主m 1 “．但三塘湖靛她侏罗系煤成油油履偏 重、禽蝼惹巍、凝露熹离、精度高m ] 辔，这强然与蒸 特定的生烃母葳、较低的成熟演化稷度有关，瓶特 殊的连续。强膏网络”形成机湖和较草的初次逶穆 历史办与其密秘楣关 参滞文献； [ 1 ] R u d k i e w i c zJL ．B e h a rF ．I n f l u e n c eo fk e r o g e nt y p e a n dT O Ec o n t e n to nm u l t i p h a s ep r i m a r ym i g r n i o n [ J ] ．O r g a n i cG e o c h e m i s t r y ，1 9 9 4 ，2 1 2 ；t 8 1 1 3 3 ． [ 2 ] X o a o T B B ．煤与瓦斯突出C M ] 。寒割，王佑安译．北 京；煤炭工业趣舨社，1 9 6 6 ．1 8 3 3 ． I s ] S t a e hE ，M a c k o w s k yM ，T h ，T e i c h m C d l e rM ，e ta 1 ． 斯璐赫攥糟学救程[ M 3 ．掘起，李裳劳，黄家福。簿 译．北京蠛凝工业出版社，1 9 9 0 ．2 9 6 6 ， [ 4 ] C o o kAC 。S t r u c k m e y e rH ．T h er o t e c o a la sa S 0 u r c er o c kf o ro i l [ A ] ．I n G t e n i eRC ．e d ．S e c o n d s o u t h e a s t e r nA u s t r a l i ao i le x p l o r a t i o ns y m p o s i u m [ c ] ．M e l b o u r n e { P e t r o l e u mE x p l o r a t i o nS o c i e t y 硝 A u s t r a I i aL i m R e d 1 9 8 6 ．4 1 9 - 4 3 2 ， ￡5 ] T l s s o tBP ，W e l t eDH ，P e t r o l e u mf o r m a t i o na n do c 。 c u r r e n c e } an e wa p p r o a c ht oo i la n dg a se x p l o r a t i o n ￡M ] - B e r l i n { S p r i n g e r V e r h g ，1 9 7 8 ．2 7 2 - - 2 8 4 ． [ 6 3 t o o kAC ．T h en a t u r ea n ds i g n i f i c a n c eo ft h eo r g a n i c f a c i e si nt h eE r o m a n g ab a s i n [ A ] ．t n { G r a v e s t o c kD l ，M o o r ePS ，P i t tGM ，e d s ．C o n t r i b u l i o n st ot h e g e o l o g ya n dh y d r o c a r b o np o t e n t i a lo lt h eE r o m a n g a b a s i n ￡c 3 。S y d h e y ；G e o l n g i e a lS o c i e t yo fA u s t r a l i aI n 。 e o r p e r a t e d ，1 9 8 6 。2 0 3 ～2 1 9 ． [ 7 ] 钟宁宁，壬铁衙，熊波，等．煤幕诋熟滟形戚机制致 蕤意义D 土锺攫百油学院学报，1 9 9 5 ，1 7 1 ；1 - 7 ． C 8 ] 正铁冠，钝宁宁，燕读杰．等．幅熟抽气澎成矾理等分 帮[ M ] ．j ￡隶石油工韭出版社，1 9 9 6 。1 8 8 1 7 5 ． C 蜗耩永患，钟宁宁，熊波。耕耀三塘潮盆地侏箩系煤宥 瓤她璋钯学特氍黯] ．江汉石浦学硫学报，1 9 9 8 。2 0 1 3 2 3 6 ． [ 1 0 3 A l l a nJ ，L a r t e rSR ．A r o m a t i cs t r u c t u r e si nc o a l m a c e r a [ e x t r a c t s a n dk e m g e n s [ A ] ．I n lB j o r yM ， A I b r e c h tP ，C o r n f o r dC ，e ta l e d s ．A d v a n c e si n O r g a n i cG e o c h e m i s t r y1 9 8 1 ￡e ] ．C h i c h e s t e r ；J o h n W i l e ya n dS o n sL i m i t e d ．1 9 6 6 ，5 3 4 5 4 5 ． 1 i ] E n g l a n dWA ，M a c k e n z i eAS 。M a n nDM ，e ta l 。 T h em o v e m e n ta n de n t r a p m e n to fp e t r o l e u mf l u i d si n t h es u b s u r f a c e [ j ] ．J o u r n a lo ft h eG e o l o g i c a lS o c i e t y ， 1 9 8 7 ．1 4 4 t3 2 7 3 4 7 。 ￡l 嬲V a nK r e v e i e nDW ．C o a t } t y p o l o g y c h e m i s t r y - p t w s i c s m o n s t i t u t i o n [ M 3 ．A m s t e r d a m { E l s e v i e rS e i ． e n t i t l eP u b l i s h i n gC o m p a n y ．1 9 6 1 ．2 7 1 2 7 5 。2 8 6 。 2 8 9 ． [ 1 s ] D u r a n dB 。P a r a t t eM ．O i lp o t e n t i a lo fc o a l s t3g e o - c h e m i c a la p p r o a c h [ A ] ．I n B r o o k sJ te d ．P e t r o l e u m g e o c h e m i s t r ya n de x p l o r a t i o no fE u r o p ee c ] ．O x ． f o r d ；B h c k w e l lS c i e n t i f i cP u b t i c a t i o n a ，1 9 8 3 ．2 6 5 ， 2 6 5 [ 1 4 ] 赞第藩，卢敷舫．堞戚油地球他学研究的最新进艘 [ A ] ．觅黄第藩。牮阿凝，重铁箍，等译_ 媒成浦地球 万方数据 第6 期 张卫彪等；三塘湖盆地侏罗系煤成油初次运移 6 2 7 化学新进展[ c ] ．北京t 石油工业出版社，19 9 2 ．1 2 5 ． [ 1 5 ] 黄第藩，秦匡宗，王铁冠，等．煤成油的形成和成烃机 理[ M 3 ．北京石油工业出版社，1 9 9 5 ．2 1 42 3 3 ． [ 1 6 ] 程克明．吐哈盆地油气生成[ M ] ．北京石油工业出 版社，1 9 9 4 ．1 03 5 ． [ 1 7 3 包建平，马安来，黄光辉．等．三塘湖盆地原油地球化 学特征及其成因类型口] ．石油勘探与开发，1 9 9 9 ， 2 6 4 2 5 2 9 ． P r i m a r yM i g r a t i o no f J u r a s s i cC o a l D e r i v e dO i li nS a n t a n g h uB a s i n Z H A N GW e i b i a 0 1 ，Z H O N GN i n g n i n 9 2 ，R E ND ey i l 1 ．D e p a r t m e n to fR e s o u r c eE x p l o i t a t i o nE n g i n e e r i n g ．C U M T ，B e i j i n g1 0 0 0 8 3 ，C h i n a 2 ．D e p a r t m e n to fG e o s c i e n c e s ．U n i v e r m t yo fP e t r o l e u m ，B e i j i n g1 0 2 2 0 0 ，C h i n a A b s t r a c t ．I ti sk n o w nt h a tt h ed i f f e r e n t i a le v o l u t i o no ft h em u l t i p l em a c e r a l sr e s u l t s i n “o i lg e n e r a t i o nb y s t a g e ”。a n dt h a t “e a r l yg e n e r a t i o n ，e a r l ye x p u l s i o n ”i so n eo ft h ep r e c o n d i t i o n sf o rt h ee f f i c i e n ta c c u m u l a t i o n o ft h ec o a l d e r i v e do i l ．B a s e du p o nt h es t u d yo nt h ee v o l u t i o no ft h ep h y s i c a lp r o p e r t i e s ，r e l a t e dt ot h eh y d r o - c a r b o ne x p u l s i o n ，o ft h eJ u r a s s i co r g a n i cr o c ki nS a n t a n g h ub a s i nd u r i n gt h ec o u r s eo fm a t u r a t i o n ，t h em e c h a n i s mo ft h ep r i m a r ym i g r a t i o no fi t sc o a ld e r i v e do i lw a sd i s c u s s e d ．T h er a p i dl o s so ft h ei n h e r e n tm o i s t u r ei n t h eo r g a n i cr o c kw a sn o ta c c o r d a n tw i t ht h em a i ng e n e r a t i o ns t a g eo ft h ec o a l d e r i v e d 。i l s oi tw a su n r e a l i s t i c t h a tt h eo i lm i g r a t e db yd i s s o l u t i o ni nt h ee x p e l l e dw a t e r ．I ti st h o u g h tt h a tt h es p e c i a lf o r m i n gm e c h a n i s mo f t h ec o n t i n u o u s “b i t u m e nn e t w o r k ”u n d e rt h ec o n d i t i o no ft h eo v e r p r e s s u r ea n da ne a r l i e rh i s t o r yo ft h ep r i m a r ym i g r a t i o nm a yh ee s s e n t i a lt ot h eJ u r a s s i cc o a l d e r i v e do i li nS a n t a n g h ub a s i n ． K e yw o r d s S a n t a n g h ub a s i n ；J u r a s s i cc o a lm e a s u r e s ；o r g a n i cr o c k ；c o a l d e r i v e do n ；p r i m a r ym i g r a t i o n ；b i t u r e e nn e t w o r k 万方数据