生烃模拟方法与技术

在生烃模拟过程中研究了TTI-Ro法、化学动力学和氢指数法三种方法以及生烃过程中的增压抑制作用。TTI-Ro生烃模拟方法采用了较成熟的生烃模拟方法，由于国内在化学动力学实验方面起步较晚，主要采用通过成熟度史的模拟来获得油气的生烃史，因而该方法在国内的应用较广，而在国外主要侧重于组分化学动力学生烃模拟。因为在复杂的地质过程中，氢指数的变化不受压力和催化剂条件的影响，是具有普适性的参数，因此氢指数模拟得到的模拟结果能够准确地反映盆地的生烃量史。

1.TTI Ro法生烃史模型

TTI-Ro生烃模拟方法也称为烃产率曲线法，TTI-Ro生烃模拟是根据地史模型所得的埋藏史以及热史模型所得的古地温史，计算出各个地层单元格的时间温度指数（TTI）史；根据现今实测的Ro值以及最大埋深时的TTI值，制作TTI-Ro回归曲线；根据TTI史以及TTI-Ro回归曲线，计算出Ro史，即烃类成熟度史。利用各个烃源岩层的有机碳含量、有机质类型，依据Ro 烃产率关系曲线即可计算出各个时期的生烃数据。

镜质体反射率Ro与地热演化密切相关，并且具有显著的稳定性和不可逆性，采集方法简单而准确、价格低廉。由于在沉积岩的有机质中也普遍存在镜质体，所以该方法被引入到石油地质的研究中，作为有机质成熟度的鉴定标志。Ro的变化除受热作用程度（即温度）的控制外，还受热作用时间长短的控制。

生烃量史是每个烃源层的生油强度史、生油量史、含油饱和度史、生气强度史、生气量史、含气饱和度史的总和（石广仁，1999）。生烃量与烃源岩的范围及烃源岩所含有机质的浓度有关，还与有机质的成熟度有关。各成熟阶段的生烃率由成熟度与生烃率的关系曲线决定。烃源岩中有机质含量处于不断变化之中，现今测得的暗色泥岩中残留有机质浓度是经过长期的降解而逐步形成的，因而需要通过当前研究区域的热降解资料获取Ro和有机碳恢复系数曲线，以便获得开始降解之前的原始有机碳的含量，同时需要降解资料获得Ro和生烃率之间的曲线，以便进行生烃史的模拟。

2.化学动力学生烃史模型

化学动力学法是利用化学动力学参数（生烃潜量、活化能和频率因子），结合地温史和埋藏史，通过求解化学动力学方程组来计算各烃源层生烃潜量随时间的变化，从而反映生烃演化程度，得到降解率史，即成熟度史。最后，利用各个烃源岩层的有机碳含量、干酪根类型等地化资料计算得到各个时期的生烃量。

Tissot认为，干酪根在温度和时间的作用下向烃类转化的过程可分为两个阶段，即干酪根（A）→降解的中间产物（B）→中间产物（C）。其中，中间产物被认为是液态烃（油），而最终产物就是天然气。这样，干酪根的热降解生油过程就可划分为成油、成气两大阶段。干酪根由六类不同键合的物质构成，六类键合的物质降解为石油，进一步降解为气是六个平行的一级反应。干酪根的降解过程：

其中反应速率K1i和K2i可由Arrhenius方程计算得到：

式（8-15）中第一个方程体现了干酪根降解随时间变化的函数关系，第二个方程用于求解由干酪根降解产物Y（液态烃）生成气的数量（生气率），第三个方程表示液态烃总量，第四个方程为物质平衡方程，由该方程可以计算干酪根的产烃率（产油率＋产气率）。

式（8-15）、式（8-16）和式（8-17）中，i为第i类键合（i＝1，2，…，6）；j为由Y生成气体的类别（若仅生成CH4，取j＝1）；t为时间，Ma；A1i、A2i为频率因子，Ma－1；E1i、E2i为活化能， kcal／mol；R为气体常数，1．986cal／mol；T为绝对温度，C＋273；K1i为第i类键合物质裂解由Xi生成Yi的反应速率，Ma－1；K2j为液态烃（Y）进一步裂解产生Cj的反应速率，Ma－1；Xi0为时间为0时，干酪根第i类键合物质的初量，g／g（TOC）；Yi0为时间为0时，干酪根中第i类键合物质产生的液态烃初量，取0，g／g（TOC）；uj0为时间为0时，j型气的初量，取0，g／g（TOC）；Xi为t时刻干酪根第i类键合物质数量，g／g（TOC）；Yi为t时刻干酪根中第i类键合物质裂解产生液态烃数量，即生油量（生油率），g／g（TOC）；uj为液态烃（Y）进一步裂解产生j型气Cj的数量（若仅生成甲烷，则j＝1），g／g（TOC）。

生烃量史的模拟计算：

生油量：Oil＝H·S·TOC·ρ·U0（8-18）

生气量：Gas＝H·S·TOC·ρ·Ug（8-19）

式中，H为烃源岩厚度，m；S为烃源岩面积，m2；TOC为烃源岩中有机碳含量，％；ρ为烃源岩密度，t／m3；U0为单位生油量，g／g（TOC）；Ug为单位生气量，g／g（TOC）。

3.氢指数法生烃史模型

干酪根热降解规律：同类型干酪根的氢指数具有从地表向下由浅而深逐渐降低的特征，尤其是在进入生油门限之后，降低速率明显加快，当达到一定深度后在一个很小的数值上趋于稳定。

TTPCI IH法正是根据各干酪根类型氢指数随深度的变化关系曲线，由埋藏史得到各期次烃源层的氢指数，从而可以得到各期次的反应速率，再根据Arrhenius方程并结合地温史拟合各期次的表现频率因子和表现活化能，从而得到各期次的TTPCI史，即成熟度史。再用现今期次的TTPCI拟合现今氢指数，得到各干酪根类型氢指数与TTPCI的关系，从而恢复各期次氢指数史。最后，利用各个烃源岩层的有机碳含量、干酪根类型等地化资料计算得到各个时期的生烃量。

根据干酪根类型氢指数随深度的变化，由埋藏史得到氢指数史，进而拟合表现频率因子和表现活化能，得到各期次的成熟度史（TTPCI史），再通过求得的氢指数与TTPCI的关系，恢复氢指数史，最后计算生烃量史。

各型干酪根的氢指数 深度变化曲线，如图8-10所示。

图8-10 各干酪根类型氢指数 深度变化曲线

各类型干酪根热动力学参数的拟合：在生油门限以下，各类型干酪根的降解特点均可用化学动力学第一定律来描述：

K＝（Hi＋1－Hi）／Hi（ti＋1－ti）（8-20）

式中，K为反应速率；H为氢指数（IH，mg／g（TOC））；i为生油门限下某一点的标号；t是沉降曲线上相应点的地层年代值（Ma）；Hi和Hi＋1分别为各反应段起点和终点的氢指数，可由各型干酪根的氢指数 深度变化曲线得到。

又据Arrhenius方程：

K＝Ae－E／RT（8-21）

式中，A为频率因子；E为活化能；R为气体常数；T为每一反应区间的古温度，通过地热史模拟获取。

将式（8-20）求取的K代入式（8-21），并对式（8-21）取对数，即转换为线性形式：

lnk＝ln A－E／RT（8-22）

因此，可对同一反应阶段的每一反应区间的ln K与1／T进行线性回归，得到ln K与1／T关系的线性表达式，这时所获得的截距a相当于ln A，斜率b相当于－E／R，于是可求出A和E。按此法求得的E和A分别称为干酪根降解时的表现活化能和表现频率因子。

这些表现活化能和表现频率因子是某降解阶段平行反应着的若干类化学键的反应总能量及各种地质因素（时间、温度、压力、黏土矿物催化等）即TTPC综合作用的结果。因此，它们比单纯实验室求出的结果更接近盆地的实际情况。

由于各沉积盆地的地质条件差异很大，所以每一个沉积盆地都要拟合出自己的表现活化能（E）和表现频率因子（A）。用TTPCI代替原来的TTI，通过将所求得的E和A值代入公式得到：

TTPCI＝Ae－E／RTΔt（8-23）

TTPCI和IH的拟合曲线如图8-11所示。

各阶段生烃量：

Q＝H＊S＊TOC＊ρ（Hi－Hi＋1）＊10－3（8-24）

式中，Q为生油门限下两个期次的生烃量（t），为阶段生烃量；H为烃源岩厚度（m）；S为烃源岩面积（m2）；TOC为烃源岩中有机碳含量（％）；ρ为烃源岩密度（t／m3）；Hi为生油门限下前一期次的氢指数［mg／g（TOC）］；Hi＋1为生油门限下下一期次的氢指数［mg／g（TOC）］。

4.生烃过程中的增压抑制作用

干酪根热解成烃作用是烃源岩中异常高压的重要成因之一。由于生烃增压作用主要是伴随生、排烃作用而发生的，因此很难直接进行恢复和计算，通常借助数值模拟方法来描述。生烃增压作用包括两个方面，一是干酪根向烃类的转化导致地层压力增大；二是液态烃裂解成气态烃的增压作用。通过生烃作用的物理化学机理分析所建立生烃增压机制的数学模型表明生烃越多、干酪根与烃类流体的密度差越大、烃源岩越致密，则生烃增压强度就越大。天然气的生成比石油的生成具有更显著的增压效应。应用该数学模型可模拟研究烃源岩演化的生烃增压过程，并为再现由此导致的微裂缝幕式排烃的地质过程提供定量依据。

生烃而致超压的前提条件是厚层泥岩中含有大量有机质，并且有机质演化达到了大量生油气阶段，即高过成熟阶段。生烃作用形成的剩余压力大小决定于岩石孔隙体积的变化以及孔隙空间中的含烃流体和各种有机质体积的变化。当该压力增大到足以使源岩产生微裂缝时，孔隙流体通过微裂缝排出。排液后压力释放，受围压影响微裂缝又将闭合。这说明烃源岩生烃作用不但具有明显的增压效应，而且这种增压已构成微裂缝排烃的重要动力。值得一提的是，生烃增压作用和微裂缝排烃作用都是发生在特定地史阶段的，而现今地层中的异常压力并不一定来源于生烃作用。因此生烃增压效应很难直接测量和计算，需要借助于数值模拟的方法来研究。

图8-11 TTPCI和IH的拟合曲线

超压对生烃作用的抑制表明过高的沉降速率和异常高压阻止了液态烃裂解为气态烃。其原理可用下式来表达：

式中，X为生烃潜量，g／g（TOC）；t为时间，Ma；K为反应速率，Ma－1；A为频率因子， Ma－1；e为活化能，kcal／mol；T为温度，℃；R为气体常数，1．986cal／（mol·K）；p为过剩压力，MPa；c为常数系数。

显然，压力P增大，频率因子A减小，化学反应速率K减小，生烃过程减弱。反之增强。遗憾的是，这些研究成果并没有给出超压抑制生烃作用的定量表达式。在此情况下，为了避免超压的干扰并获得正确的模拟结果，可采用氢指数（TTRI法）来代替TTI法。

生烃作用遵循三个原则。①质量守恒原则：在干酪根热解生烃的反应中源岩的总质量守恒，即已裂解的干酪根转化成同等质量的烃类与非烃类产物。②体积守恒原则：在排烃之前，所生成的产物全部充填在因干酪根热解而腾出的空间。③压力平衡原则：油、气、水共存于源岩孔隙中，具有统一的压力系统，即多相流体压力平衡。徐思煌等（1998）基于这三个原则，对生烃增压量（ΔP）的函数关系作了推导，所得的数学模型为：

式中，Mg、Mo分别为新生成的油、气质量；Mk为热解的固态干酪根质量；Pg、Po、Pk分别为油、气、水的增压值；φ为孔隙水的体积；ρo、ρg分别为石油、天然气的密度；Cg、Co、Cw分别为地下天然气、石油和地层水的压缩系数。