塔里木盆地满东1气藏天然气生成动力学研究

李贤庆（中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室，广东 广州510640 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083）

仰云峰（中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏 无锡214151）

田 辉（中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室，广东 广州510640）

冯松宝，王康东，曹鸿亮 王 娟，马小敏（中国矿业大学地球科学与测绘工程学院，北京100083）

塔里木盆地满东1气藏天然气生成动力学研究

李贤庆（中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室，广东 广州510640 中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京100083）

仰云峰（中国石油化工股份有限公司石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏 无锡214151）

田 辉（中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室，广东 广州510640）

冯松宝，王康东，曹鸿亮 王 娟，马小敏（中国矿业大学地球科学与测绘工程学院，北京100083）

采用黄金管－高压釜限定体系生烃动力学装置，对塔里木盆地哈得原油样品进行了热解生气试验研究，推导了原油热解生成气态烃动力学参数。结果表明，哈得原油具有很高的产气率，以2℃/h升温速率为例，当热解温度达到600.6℃时，总气产率（C1－5）达到599ml/g。该原油生气动力学参数为：活化能分布范围59～70kcal/mol，主要分布在60～65kcal/mol，频率因子5.0×1014s－1。运用Kinetics专用软件的动力学模拟，结合区域地质背景，研究了塔里木盆地满东1气藏生气史，认为满东1气藏天然气具有原油裂解气特征，生气层位在寒武系顶部至奥陶系底部之间，原油大量裂解，为满东1气藏形成提供气源。

原油热解；气态烃；动力学参数；生气史；满东1气藏

生烃动力学是根据化学反应动力学原理，采用实验室快速升温的热模拟方法，再现有机质（烃源岩、原油等）在不同地质条件下生成烃类的过程［1～3］。原油热解生气动力学就是在实验室里模拟原油在地质条件下生成天然气的过程，为合理解释天然气的生成、运移和聚集过程提供一种新的研究思路和方法［4～7］。近些年来，生烃动力学与同位素动力学研究在国内受到重视，已在我国一些盆地天然气藏的成因评价与成藏研究中得到了良好的应用［8～11］。

近年来，对塔里木盆地满加尔凹陷东部地区的油气勘探获得了突破，在满东1井志留系5555.19～5607.00m井段发现了工业性气流，日产天然气（2.9～5.65）×104m3。满东1井位于新疆尉犁县，构造位置在满加尔凹陷东部满东1号构造带上（图1）。国内学者对塔东地区油气成因及成藏进行地质研究［12～14］，但在天然气藏成因研究、原油裂解成气评价等方面存在较大争议。笔者引入生烃动力学与碳同位素动力学方法，开展原油裂解成气热模拟试验与满东1气藏天然气生成动力学研究，为满加尔凹陷东部地区天然气评价与勘探提供依据。

1 样品与试验方法

1.1 试验样品

原油样品采自塔里木盆地哈得4－87井石炭系5046～5048.5mCⅢ油组，20℃密度0.8827g/cm3，50℃粘度12.46mPa·s，含蜡量4.54%，含硫量0.65%，全油碳同位素为－32.68‰，属于低硫低蜡的正常原油。

图1 塔里木盆地东部构造单元划分及满东1井位置图

由于满东地区未发现油藏，所以未取得该地区的原油样品。Waples［4］研究指出，虽然不同地区原油的化学组成有区别，但经模拟计算得到的动力学数据差别不大，应用到地质条件下所产生的差别就更小。因此，笔者采用哈得原油样品进行生气热模拟试验，求取其生气动力学参数。

1.2 试验方法

由于塔里木盆地海相地层普遍埋藏深，热演化程度高，所以研究采用黄金管－高压釜限定体系生烃动力学试验装置，可实现热解温度和压力的精确控制（温度、压力的误差分别为±1℃、±0.1MPa）。该试验工作是在中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室完成的，生烃热模拟试验方法与前人的方法［8，9］类似，现简述如下。

1）生烃热模拟试验 原油样品（10～50mg）在氩气保护下封入黄金管（长度40mm、直径4.2mm），黄金管分别置于13个高压釜中，并置于同一热解炉内，利用炉底的热循环风扇使各个高压釜的温差小于1℃。通过高压泵对高压釜充水，从而对样品施加压力。所有高压釜采用压力并联方式，确保各个高压釜的压力完全一致。试验过程中，压力维持在50MPa，分别用2℃/h和20℃/h的升温速率进行升温。在设定的不同温度点，取出相应的高压釜，在冷水中淬火，使黄金管冷却到室温。取出的黄金管擦净称重。

2）气态烃成分分析 将表面已洗净的黄金管置于在线真空系统中，在封闭条件下用针扎破，让热解气体产物从黄金管中释放出来。扎破金管大约1min后，打开进样阀门，使气体进入Agilent 6890N气相色谱进行成分分析。升温程序：起始温度70℃，恒温6min，再以15℃/min升至130℃，再以25℃/min升至180℃，恒温4min。

3）气体组分碳同位素分析 在IsochromⅡ型GC－IRMS同位素质谱仪上完成，分析误差不大于±0.3‰（PDB）。采用Poraplot Q型色谱柱（30m×0.32mm×0.25μm），用氦气作载气；升温程序：初始温度50℃，恒温3min，再以4℃/min的速率升至150℃，恒温8min。

2 原油热解生气热模拟试验结果

图2显示了哈得原油样品热解生气过程中各气态烃组分产率的变化。可以看出：①哈得原油热解生成甲烷（C1）、总气态烃（C1－5）具有相同的产率变化趋势，都是随热解温度的升高，甲烷、总气态烃产率不断增大；乙烷、丙烷和C2－5重烃产率先增大后减小。②甲烷与乙烷、丙烷具有不同的产率变化趋势：甲烷产率不断增加，而乙烷和丙烷的产率先增加后减少。③哈得原油热解气态烃产率很高，以2℃/h升温速率为例，当热解温度达到600.6℃，总气态烃（C1－5）产率达到599ml/g。④哈得原油能生成较多的重烃（C2－5），随着热解温度的增高，C2－5产率先上升后下降，最大值对应的温度在450～490℃之间，C2－5产率可达189ml/g；此后 C2－5发生裂解，体积下降，到600℃基本全部裂解。⑤原油热解气的湿度系数先增大后减小。由此可见，原油热解生气过程中，早期生成重烃含量相对较高的天然气，在高温阶段重烃气发生二次裂解，重烃气向甲烷气转化，干燥系数变大。

图2 哈得原油样品热解气组分产率随热解温度的变化

哈得原油样品热解气甲烷、乙烷和丙烷碳同位素的试验测定结果如图3所示。无论20℃/h的升温速率，还是2℃/h的升温速率，哈得原油样品热解气甲烷碳同位素值都分布在－49.0‰～－35‰之间。随着热解温度的升高（或热演化程度的增加），甲烷的碳同位素先变轻后变重。不同的升温速率条件下，热解气甲烷碳同位素显示出各自的演化趋势。在δ13C1最低值之前，20℃/h升温速率条件下甲烷碳同位素要比2℃/h升温速率条件下的重，而在δ13C1最低值之后，两者相反。

哈得原油样品热解生成的乙烷、丙烷碳同位素的变化规律似乎与甲烷相似，低温阶段存在一个碳同位素变轻的趋势。此后，随着热解温度的增加，具有较高键能的12C—13C 和13C—13C键开始大量裂解，导致其碳同位素逐渐变重。当乙烷和丙烷开始大量裂解时，残余乙烷和丙烷的碳同位素开始远远超过原油的初始碳同位素（图3）。

图3 哈得原油样品热解气组分碳同位素随热解温度变化情况

3 满东1气藏生气动力学模拟

3.1 生气动力学参数

已有研究［8，9］表明，平行一级反应动力学模型能够较好地描述有机质热解生烃作用。笔者采用基于该模型建立的Kinetics专用软件，模拟计算生气动力学参数，使用离散分布活化能和固定的频率因子。

设定总气C1－5质量产率的动力学过程遵循平行一级反应动力学原理，总气产率的最大值代表原油完全裂解，这时定义原油转化率为1.0。应用Kinetics 2000软件，对原油热解生气动力学参数进行模拟计算。图4展示了哈得原油C1－5总烃生成的动力学参数与拟合结果。不难看出，哈得原油生气动力学模拟计算结果与热模拟试验数据具有高的符合度，表明该研究的热模拟试验数据及获取的生气动力学参数可以外推应用到地质条件。

3.2 主要地质参数

应用生烃动力学方法评价油气藏成因所需参数是油气藏或烃源岩的受热历史，其涉及到3项相关地质参数：埋藏史、古地表温度及古地温梯度。

满东1井埋藏史见图5，从寒武纪到志留纪，为快速沉降阶段，沉积了近10000m厚的海相地层，其中中－上奥陶统地层厚度最大，将近5000m。晚三叠世到早侏罗世，为抬升剥蚀阶段，剥蚀厚度很小。中侏罗世到新近纪为再沉降阶段，以缓慢沉降为主。

图4 哈得原油样品C1－5生成的动力学参数与拟合结果

图5 满东1井埋藏史图

满东地区古地表温度一般取15～20℃。该区的古地温梯度，笔者采用张水昌等［12］的研究结果，即平均地温梯度为：晚奥陶世－泥盆纪（O3－D）2.9℃/100m，石炭纪－二叠纪（C－P）3.1℃/100m，中生代（T－K）2.8℃/100m，古近纪（E）2.6℃/100m，新近纪（N）2.2℃/100m，第四纪（Q）2.0℃/100m。

3.3 天然气生成动力学模拟

天然气地球化学分析表明，满东1气藏志留系天然气甲烷含量64.97%，重烃14.33%，氮气20.39%，二氧化碳20.31%，干燥系数0.82，属于湿气；天然气甲烷δ13C1为－38.18‰，乙烷δ13C2为－37.74‰，丙烷δ13C3为－33.69‰，丁烷δ13C4为－32.51‰，具有δ13C1＜δ13C2＜δ13C3＜δ13C4的正序分布特征。从目前所获得的资料初步分析，满东1气藏天然气属于海相腐泥型天然气，来源于寒武系－下奥陶统海相过成熟烃源岩，烃类气体组成具有原油裂解气特征。肖中尧等［13］指出寒武系烃源岩生成的油在奥陶系和寒武系地层中形成古油藏。胡国艺等［14］根据满东1井假定不同层位油藏原油裂解气生成特征和米兰1井炭沥青含量纵向变化特征，推定寒武系顶部至奥陶系底部可能是满东1井原油裂解气生成的主要层段。

图6 满东1气藏不同层位原油裂解生气史模拟

该研究对满东1气藏寒武系顶部、下奥陶统顶部和上奥陶统顶部进行了原油裂解生气动力学模拟。图6展示了满东1井不同层位原油裂解生气史。可以看出，寒武系顶部原油在－462Ma开始明显裂解，到－444Ma转化率达到0.99，原油大量裂解期为奥陶纪。下奥陶统顶部原油在－446Ma开始明显裂解，到－414Ma转化率达到0.99，原油大量裂解期为志留纪。上奥陶统顶部原油在二叠纪之前基本没有发生原油裂解，之后原油有少量裂解，但至今转化率仅接近0.05。

满东1气藏奥陶系底部原油裂解气转化率和甲烷碳同位素在各地质时期的变化如图7所示。满东1气藏原油裂解气裂解速度快，大量生成时期早，主要在中奥陶世末－志留纪末，在短短的50Ma内，原油大量裂解，转化率达到0.9以上，这与胡国艺等［14］的研究结果不谋而合。满东1井由于埋深大，奥陶系底部的原油绝大部分在380Ma之前就已开始裂解成气，按照原油裂解的动力学演化模式（图7），其瞬时聚气甲烷碳同位素值可达－21‰，累积聚气甲烷碳同位素值达到－38‰，而现今该气藏气的甲烷碳同位素值为－38.18‰，可见满东1气藏天然气属于原油裂解的累积气。

图7 满东1气藏奥陶系底部原油裂解气转化率和甲烷碳同位素的演化

4 结 论

1）哈得原油具有很高的产气率，以2℃/h速率升温到600.6℃时，原油热解生成的总气产率（C1－5）达599ml/g。原油热解生成甲烷（C1）和重烃（C2－5）具有不同的产率特征，前者产率随热解温度的升高不断增大，而后者产率先增大后减小。

2）运用动力学专用软件拟合计算，获得了哈得原油生气动力学参数，即活化能分布范围59～70kcal/mol，主要分布在60～65kcal/mol，频率因子5.0×1014s－1。

3）生气动力学模拟表明，满东1井原油裂解气生成层位在寒武系顶部至奥陶系底部之间，原油裂解气早期生成，主要是在中奥陶世末－志留纪末原油大量裂解，为满东1气藏形成提供气源。

致谢：本工作得到中国科学院广州地球化学研究所肖贤明研究员、申家贵高级工程师、刘大永副研究员，中国石油勘探开发研究院胡国艺高级工程师，中国石油塔里木油田分公司肖中尧高级工程师、卢玉红工程师等的大力支持和帮助，在此表示衷心的感谢！

［1］Tang Y，Perry J K，Jenden P D，et al.Mathematical modeling of stable carbon isotope ratios in natural gases［J］.Geochimica et Cosmochimica Acta，2000，64（15）：2673～2687.

［2］Cramer B，Faber E，Gerling P，et al.Reaction kinetics of stable carbon isotopes in natural gas－insights from dry，open system pyrolysis experiments［J］.Energy ＆Fuels，2001，15（3）：517～532.

［3］李贤庆，肖贤明，Tang Y，等.库车坳陷侏罗系煤系源岩的生烃动力学研究［J］.新疆石油地质，2003，24（6）：487～489.

［4］Waples D W.The kinetics of in－reservoir oil destruction and gas formation：constraints from experimental and empirical data，and from thermodynamics［J］.Organic Geochemistry，2000，31（3）：553～575.

［5］Tang Y，Huang Y S，Ellis G S，et al.A kinetic model for thermally induced hydrogen and carbon isotope fractionation of individual nalkanes in crude oil［J］ .Geochimica et Cosmochimica Acta，2005，69（18）：4505～4520.

［6］李贤庆，肖贤明，田辉，等.碳同位素动力学模拟及其在天然气评价中的应用［J］.地学前缘，2005，12（4）：543～550.

［7］董鹏，李贤庆，仰云峰，等.原油裂解气动力学研究进展［J］.矿物岩石地球化学通报，2009，28（2）：201～208.

［8］熊永强，耿安松，王云鹏，等.干酪根二次生烃动力学模拟试验研究［J］.中国科学（D辑），2001，31（4）：315～320.

［9］李贤庆，肖贤明，米敬奎，等.塔里木盆地库车坳陷烃源岩生成甲烷的动力学参数及其应用［J］.地质学报，2005，79（1）：133～142.

［10］李贤庆，肖贤明，Tang Y，等，库车坳陷煤成甲烷碳同位素动力学研究［J］.石油与天然气地质，2004，25（1）：21～25.

［11］张海祖，耿安松，熊永强，等.天然气生成动力学模拟及其地质应用［J］.天然气工业，2006，26（2）：19～22.

［12］张水昌，梁狄刚，张宝民，等.塔里木盆地海相油气的生成［M］.北京：石油工业出版社，2004.19～201.

［13］肖中尧，卢玉红，吴懿，等.塔里木东部满东1井志留系天然气成因与成藏期初步分析［J］.地质科学，2005，40（2）：262～273.

［14］胡国艺，李谨，崔会英，等.塔东地区天然气生成地质模式及其封盖条件评价［J］.中国科学（D辑），2008，38（增刊II）：87～93.

Kinetics of Natural Gas Generation of Mandong 1Gas Pool in Tarim Basin

LI Xian－qing（The State Key Laboratory of Organic Geochemistry，Guangzhou Institute of Geochemistry，Chinese Academy of Sciences，Guangzhou510640，Guangdong，China；State Key Laboratory of Coal Resources and Safe Mining，China University of Mining and Technology，Beijing100083，China）
YANG Yun－feng（Wuxi Institute of Petroleum Geology，Research Institute of Petroleum Exploration and Development，SINOPEC，Wuxi214151，Jiangsu，China）
TIAN Hui（The State Key Laboratory of Organic Geochemistry，Guangzhou Institute of Geochemistry，ChineseA cademy of Sciences，Guangzhou510640，Guangdong，China）
FENG Song－bao，WANG Kang－dong，CAO Hong－liang，WANG Juan，MA Xiao－min（College of Geosciences and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing100083，China）

A pyrolysis experiment of gas generation of Hade crude oil sample from Tarim Basin was carried out with closed－gold tube－high pressure reaction system.The kinetic parameters of gaseous hydrocarbon generation were also obtained.The results indicate that Hade crude oil could yield a large amount of gaseous hydrocarbon.When pyrolysis temperature was 600.6℃in heating rate of 2℃/h，the yield of C1－5could reach 599ml/g.The kinetic parameters of C1－5 generation from Hade crude oil were as follows：activation energy distribution is 59～70kcal/mol，which is distributed between 60～65kcal/mol.Its frequency factor was 5.0×1014s－1.Based on the kinetic modeling of gas generation by using the kinetics（2000）software，in combination with the geological background，it was suggested that natural gas of the Mandong 1Gas Pool in Tarim Basin had the characteristics of oil cracking gas.The result demonstrates that oil－cracking occurs between the top of Cambrian and bottom of Ordovician，oil is cracked with a large amount in early time and generates a huge number of natural gas.The Mandong 1Gas Pool IS believed to be an accumulation of gases resulted from crude oil cracking.

crude oil pyrolysis；gaseous hydrocarbon；kinetic parameter；history of gas generation；Mandong 1Gas Pool

TE122.11

A

1000－9752（2010）05－0049－07

2010－07－05

国家油气科技重大专项（2008ZX05007－03）；有机地球化学国家重点实验室开放基金项目（OGL－200808）；国家自然科学基金项目（40572085）；教育部新世纪优秀人才支持项目（NCET－06－0204）。

李贤庆（1967－），男，1989年大学毕业，博士（后），教授，博士生导师，主要从事煤油气地质、油气地球化学、有机岩石学方面的科研与教学工作。

［编辑］ 宋换新