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稠油成因研究综述

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成因 研究 综述
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第28卷200 9生第2期3月8 2009稠油成因研究综述胡守志1a’16,张冬梅1a,唐 静2,顾 军1a’16(1.中国地质大学a.资源学院;b.构造与油气资源教育部重点实验室,武汉430074;2.川庆钻探工程有限公司地质勘探开发研究院,成都610051)摘 要:在阐述稠油地球化学特征基础上,对稠油的成因及其判识的最新研究进展进行了综述,稠油成因类型分原生型和次生型,其中,坎生型稠油主要由生物降解、水洗和氧化作用分解、消耗或氧化原油中的烃类纽分,使非烃和沥青质含量相对增加,致使原油密度和黏度增大,油质变稠。最后指出了目前稠油成因机制研究中存在的问题以及今后发展的方向。关键词:稠油成因;原生型稠油;次生型稠油;生物降解;水洗作用;氧化作用中图分类号:16 文献标识码:A 文章编号:1000—7849(2009)02—0094—04全球稠油、沥青砂、黑色页岩等非常规油气资源储量可观,具有数倍于常规原油资源量的巨大潜力。在加拿大西部盆地,重油和沥青矿赋存在下白垩统砂岩储层内和古生界的碳酸盐岩中,面积约7.5×104 资源量约2 664×108 。我国的稠油和沥青砂资源也非常丰富,在松辽、辽河、大港、胜利、南襄、江汉、柴达木、准噶尔、塔里木等地区都有发现,一般规模较大,分布的地质时代长(从中元古代至古近纪),主要储集于碎屑岩、火山岩、变质岩及碳酸盐岩储层之中[2]。作为21世纪重要的后备资源,对未来能源供给有着重要影响。因此,了解稠油的地质一地球化学特征与成因机理,对于稠油的勘探及有效开发方案的制定具有重要意义。稠油定义及地球化学特征稠油系指在原始油层温度下,脱气原油黏度为100~10 000 ℃及1 34~1.00 g/0~20 原油;而密度大于1.00 g/系列>菲系列>萘系列。收稿日期:2008—09—21 编辑:禹华珍基金项目:国家自然科学基金项目(50774071);国家863计划项目(2007者简介:胡守志(1976一),女,讲师,主要从事油气藏地球化学研究。S∞守志等:稠油成因研究综述 952稠油的成因及其识别决定原油性质的因素主要分为两大类,即原生因素和次生因素。原生因素是指有机母质的性质和沉积环境,可导致生油母质干酪根类型产生差异。生油母质的成熟度也是重要的原生因素,有机质成熟度越高,生成的原油密度越低。然而,油气在排驱、运移及聚集过程中必然会经历许多物理和化学的次生变化,这些变化将不同程度地改变原油的性质,甚至完全掩盖原生因素的影响[3q]。因此,原油的次生作用对其性质的改造更为重要,其中,氧化作用、生物降解作用、水洗作用等次生作用常常是原油稠化的重要因素。稠油的形成主要有两种成因类型:①原生型,主要是指烃源岩在低演化阶段形成的未熟一低熟油[9次生型,是指油藏遭受后期破坏改造,油气发生水洗、生物降解与氧化等多种物理与化学作用后形成的一种重质油或沥青[112.1原生型稠油原生型稠油是指有机质在热演化过程中所生成的未熟一低熟油,其稠化因素来自于母源,与油气的次生变化基本无关。刘华等[93综合流体性质、原油族组成、地球化学特征等资料,认为东营凹陷新立村油田稠油油藏的后期保存条件较好,微生物降解作用轻微,具有半咸水一咸水湖相烃源岩生成的低熟油特征,稠油多属于原生稠油。朱芳冰等[10]根据辽河盆地西部凹陷稠油生物标志化合物的特征,发现坨12井和雷39井原油发育完整的正构烷烃和异戊间二烯烷烃系列,正构烷烃具有明显的奇偶优势等特征,判定其为原生稠油。苏传国[1"研究发现,不同热演化阶段的烃源岩生成的烃类在组成上具有较大的差异,干酪根在低成熟阶段(镜质体反射率R。为0.4%~O.7%)生成的原油,具有相对较高的重质组分(非烃和沥青质),密度大(0.87~0.89 g/黏度高(25~80 s);而干酪根在中、高成熟阶段所生成的原油则相对富集轻质组分,密度小(小于0.85 g/黏度低(低于10 s)。然而,笔者认为低成熟阶段生成的原油虽然具有较高的重质组分,密度大,但仍不能达到稠油的标准,之所以成为稠油,还是与随后的次生变化有关,只是成熟度较低的原油稠变时比成熟原油容易得多,一般只需损耗少量的组分(硼。=10%~50%)即可成为稠油。同样,秦建中等[15]也认为重质油的形成与干酪根类型、有机质成熟度、沉积环境以及有机质含量密切相关。只有干酪根类型为腐泥型或偏腐泥型、有机质丰度高[硼(2%]、沉积水体多为咸化一半咸化的盆地相、台地凹陷或泻湖相等封闭稳定的沉积环境、具有一定的碳酸盐含量(叫。大于5 0.4)、处于成熟早期的烃源岩,才具备形成大量重质油的潜力。因此,真正的原生型稠油资源量很少,多数属于次生型稠油或原生~次生混合型稠油。2j 2次生型稠油2.2.1 水洗作用水洗作用是指原油中可溶性烃类被含烃未饱和的地层水选择性地溶解或萃取。与大气连通的油藏底水或边水通过油水界面对原油性质产生影响,含烃未饱和的地层水沿油水界面运移,有选择性地吸收并带走可溶性烃类,使原油被水洗而稠变,密度变大。如准噶尔盆地风城地区侏罗系齐古组重43井一重13井一带的稠油[1 6|。其实,仅仅水洗作用一般只能将原油中部分易溶于水的轻质组分带走,从而使原油轻度变稠,但对原油成分的影响并不大。因此,单一的水洗作用对原油的稠化作用并不明显。水洗作用在使原油稠化的同时,也会在地层水化学上留下淡化的印记。向才富等[173根据超压过渡带深度范围,并结合地层水化学特征,较好地圈定出松辽盆地西部斜坡带的水洗作用在平面上的分布范围;认为该地区地层水矿化度小于5 000 的区域主要发生水洗作用,同时伴随有生物降解和氧化作用,而其他区域稠油形成的主要原因并不是水洗作用。2.2.2氧化作用氧化作用的发生需要储层中存在氧化剂。沉积盆地中内源氧化剂很有限,如硫酸盐等。外源氧化剂主要是随大气降水下渗所携带的微量的氧气。氧化作用是指自由氧将原油氧化成酸、醇、酚、酮,使原油饱和烃减少、非烃一沥青质增加。水中溶解氧的含量主要取决于地下水补给强度或地下水径流条件,一般出现在地下水活跃地区,即地下水与大气降水有联系的地段。通常可以通过地层水的矿化度、水中含氧化合物的浓度来推测稠油的稠化是否与氧化作用有密切关系[1引。此外,还可以通过对天然气的研究来示踪氧化作用进行的程度。如向才富等[17]利用天然气中的N:研究了松辽盆地西部斜坡带的氧化作用。氮气的直径为0.34 于所有的烃类气体,因而也是流体运移的有效指示剂。氮气一般存在3个来源:①沉积物中的要来自于成熟的烃源岩;②大气来源;③地幔去气作用(他们研究认为,松辽盆地西部斜坡带氮气的平面分布特征与区域性的断裂构造并无依存关系,因此氮气不是地幔去气作用的产物,只能是大气来源或者有机质遭受氧化作用形成的。氮气含量万方数据96 地质科技情报发垒急剧变化黪部位与缀漓密度纛缝瑟承纯学所反映的大气降水下渗的范围基本一致,说明氧化作用仍然受控于盆地的大气降水下渗。向盆地的中心部蕴笺气静含量总体下降,位子垒烃牵心鳇齐家吉龙凹陷的天然气中氮气含擞为零,也间接说明地幔去气作用的影响较小。白脊诺勒气田的北部氮气高值嚣与原油稠纯舆有蹇好的对应关系,地层承懿淡诧现象也比较明驻,说明该地区也存在大气降水下渗所导致的水洗作用和氧化作用,此外其原油密度呈独立懿环带获分布,说瞬霹能存在点澡控制的大气降水下渗现象,特别是滑断层的大气降水活动。根据稠油缎外光谱中含氧官能团的丰度也可以判数稠油豹稠化是否与氧化揍焉有关.2.3生物降解作用生物降解作用是指微生物选择性地消耗原油中的慕些缰分,使原油密度交大、黏度升高D“。微生物在温度小予80~100℃条件下均能存在[20因此生物降解是广泛存在的一种地质作用过程,是次生受稠油豹重簧形戎枧铡之一。以往研究认为,原油生物降解作用总是在储层抬升至近地表或地层水与地表水有一定涟通性的条停下进行的,地下原油主要是凌有氧条侉下被生物降解。发生生物降解的主要生物——细蔺是由大气水带人的,油层本身不存在原生微生物。这种观点强调喜氧缨菌在生物降解中的作用,并援据稠油的生物标志化合物、微濑金属元素、族组分的碳同位素等特征建藏了一套识别生物降解稠油及其降解程度的方法[24嵫】。然两,在谗多油屡中,氧作为微生物呼吸作用中的电子接受体非常有限口引。因此。近年来不少学者出,在油层中生物降解作用主要是在缺氧条搏下进行的。厌氧缨蒎对烃类的氧讫过程不同于喜氧细菌。在厌氧氧化过程中,首先是产乙烷菌的作用,其次是产甲烷菌的作用,除合成细胞质成分、产生部分残渣终,主要产物是甲烷气、喜氧氧化的主要产物燕H:会产生甲烷气,所以,根据与稠油伴嫩的天然丧℃组成就霹泼帮助判识稠油的形成规割[291。李素撵等&o]利用微生物基因检测方法,对辽河油田西部凹陷原油中的细菌类烈进行了梭测,发现其均为厌氧细菌,扶蕊认为厌氧细菌的生物降鳃终弼是辽河油戳殛郝凹陷原油稠亿的重要机制。综合看来,地下原油被生物降解可能是喜氧微生物觏厌氧微生物共同作用的结果。首先是褰氧细菌降解或分解原油中的离分子烃类,产生低褶对分子质嶷化合物,同时产生并逐步消耗0。,经过中阀兼性细菌的作用,待02消耗殆尽后过渡到厌氧状态,这一过程对原油英有极大的破坏作照。随惹厌氧缨壤分薅低獠对分子曩爨纯食耪髂免营养源而大量繁殖并产生,最后产甲烷菌利用产生的外部或油层内生成的氢进一步还原产生2厶3¨。透既,在油层捻秀至近地表的情琵下,主要发生喜裁降解作用,而在油层埋藏较深的情况下,厌氧降解作用可能起主导作用。此羚,蒸发分绩终用、硫化俘瘫滋及塞力分异、轻质组分逸散等物理作用也可能导致原油密度变大,黏度增高,使原油变稠。事实上,稠油是地质时麓各静原燕、次生综会作用的缝暴,只有全西建、综合地研究稠油的各项物理、化学性质,并结合油气的分布及局部的、区域的地质背景,才能得出合理的成因视理。薹永诗等[3嬲扶沉积埋藏史、生烃史人手,研究了油气运移史,结合石油的物理及地球化学特征,动态分析了济阳坳陷罗家地区的成藏全过程,从薅确定了该区稠油的成因撬铡。赵密梗等[3朝程孙红军等[3胡利用油气运移、聚集米研究稠油的形成机理。张守岛等[13]从构造位置、埋深、储层特征、水文地囊条馋、异常流体惩力等方掰对源油稠变豹条{譬进行了研究。这使得对稠油成因的研究思路从单一研究稠油本身性质向多元化方向发展。3稠浦成因机制研究中存在的问题及发展的方向(1)国内外多数研究仍局限于定性描述,而定爨岛成因机理研究相对薄弱。 ’7(2)水洗、生物降解与氧化佟用被认为是次生稠油形成的主要机制,饪对三者的相互关系特别是进一步的成因机制仍不甚明了。(3)生物降癣原油的形成霹能有喜氧缨菌降勰鞠厌氧细菌降解两种橇制,如何准确定位哪种作用占主导地位是目前研究中的一火难题。这需要生命辩学、微生物学、油藏工程、石濑地质、有机地球化学和无视地球纯学等多学科联合研究,才畿进一步揭示生物降解作用的本质。参考文献[13 。 P.c·et he G#977,41;I 341—1 353.【2】牛嘉玉,潮溺毒,愆存爨,等.稠】。嚣京:科学出版社,2002.启军。陈建渝.油气地球化学[M].武汉,中国地质大学出版社。1998;327.£《】骧建潦,牵承疆,匿菠,等,量嚣罗家溜逸稠漓戒戮0】。石油每天然气地质,1998。19(3):248—253.芳冰,}!小蠢.辽河盆地鼯部凹硌稠油成因类型及其躔嚣分瓠秘]。她覆科技攮援,2004,23(4):55—58。[6]马安来,张水昌,张大敬。等.塔里术窳地塔东2势稠油地球识万方数据第2期 胡守志等:稠油成固研究综述 97学研究[J].地质科技情报,2004.23(4):59~63.[7] 胡见义,牛嘉玉.中国重油沥青资源的形成与分布[J].石油与天然气地质.1994,15(2):105—112.[8]胡见义,徐树宝,程克明.中国重质油藏的地质和地球化学成因[J].石油学报.1989,10(1):9]刘华,蒋有录,龚永杰,等.东营凹陷新立村油田稠油成因[J].新疆石油地质,2008.29(2):179—181.[10]朱芳冰,肖伶俐.降解混合型稠油物化性质研究——以辽河盆地西部凹陷为例[J].断块油气田,2004.11(1):37—40.[11].of in ]//A—in 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