第2章 成藏地球化学教材课件.ppt

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1、讲 授 内 容,第一章 成藏地质学的研究目的和内容第二章 成藏地球化学第三章 成藏年代学第四章 成藏动力学第五章 大油气田形成理论第六章 非常规油气藏,第二章 成藏地球化学 第一节 成藏地球化学研究内容与方法 一、成藏地球化学的研究内容 二、成藏地球化学的研究方法 三、成藏地球化学的应用 第二节 油藏地球化学 一、油藏流体的非均质性及其成因 二、 油藏内流体的混合作用 三、油气层及油气水界面的确定 四、有机隔层焦油席研究 五、油藏流体连通性与分隔性研究 第三节 运移地球化学 一 、运移过程中石油组分的分馏作用 二 、初次运移的地球化学示踪特征 三 、二次运移的地球化学示踪特征,成藏地球化学是2

2、0世纪80 年代中后期新兴的一门地球化学分支学科,是石油地质学与石油工程学之间的边缘交叉学科。主要采用现代地球化学分析测试技术，结合油藏工程作业资料直接研究油藏中流体和矿物的相互作用、油藏流体的非均质性分布规律及其形成机理，探索油气充注、聚集历史与定位成藏机制，成为理论性和实践性都很强的应用有机地球化学的一个分支学科。,一、研究内容1、油藏流体的非均质性及其形成机理2、探索油气运移、充注、聚集历史与成藏机制3、油藏中流体和矿物的相互作用及其分馏效应,第一节 成藏地球化学研究内容与方法,Reservoir Geochemistry,第一节 成藏地球化学研究内容与方法,Reservoir Geoc

3、hemistry,油气的非均质性是多层次的,包括总体化学组成的非均质性、分子构成的非均质性及同位素分布的非均质性。特定油气藏各层次非均质性的保存程度取决于油气充注后的时间、储层的侧向连续性及孔、渗性能。,2、油藏流体的非均质性及其形成机理,二、研究方法 、 油气地球化学分析（包括NSO化合物和高分子量化合物分析）； NSO化合物是指含有氮、硫、氧杂原子的化合物，主要包括非烃和沥青。这些化合物又称极性化合物。 NSO化合物对石油的粘滞性和相态特征具有很大影响。如，通过吸附在矿物表面上，可能影响储层的润湿性。 、岩心抽提物分析； 、流体包裹体分析。,第一节 成藏地球化学研究内容与方法,三、主要应用

4、1、在勘探方面的应用 （1）确定源岩类型和成熟度 （2）确定油气充注点和运移路线，恢复充注历史 （3）油藏封闭性评价2、在油气评价和储层评价中的应用 （1）流体界面确定 （2）油藏连通性确定 （3） Sw的计算 （4）焦油席的确定 （5）与脱沥青有关的开采问题,第一节 成藏地球化学研究内容与方法,1、油藏内流体的非均质性表现 原油物性、油气比、族组成、同位素组成、分子组成在油藏内部的变化。2、非均质性的成因烃源岩有机相和成熟度的差异（England,1987）-油藏构造特征和储存物性的变化（Hillebrand. T,1992）生物降解作用和水洗作用（Connan J,1984）重力分异作用（

5、Hirschberg A,1984）和焦油席的形成（Dahl B,1986）原油的热蚀变作用（HwangR J,1994）流体-岩石相互作用和油气运移过程中的分馏作用 （Dahl B，1986）,第二节 油藏地球化学,一、油藏流体的非均质性及其成因,Larter和Aplin（1995）认为，造成油藏内部流体不同规模上的非均质性的原因可能是不同的。（1）1几十公里范围内的横向成分梯度指示：区域性的石油充注方向（油气比、成熟度）；生物降解油田中区域性水流方向（正烷烃浓度）；大规模流体流动屏障的存在（成分阶梯）。（）10100m范围的非均质性：反映油藏在垂向上存在分隔层。（）几十微米分子级规模的非均

6、质性：与油层的表面化学以及流体包裹体中的古流体作用有关。,第二节 油藏地球化学,一、油藏流体的非均质性及其成因,油气的充注过程： W.A. England(1987)等则根据实验室和研究结果,从微观的角度,探讨了油气是如何进入并充满圈闭以及进入圈闭后的一系列变化。认为:油气藏的充注通常是一个较长的历史过程。由于储层的非均质性,最初通过水饱和的输导层进入圈闭的油气只占据孔渗条件最好、排替压力最小的储层部分。随着油气运移的继续,浮力不断增大,油气逐渐充注小孔隙储层部分。后期注入的油气在垂向和侧向上取代先期聚集的油气,并将后者排入小孔隙储层部分,而不是后期注入的油气直接进入小孔隙储层。,第二节 油藏

7、地球化学,一、油藏流体的非均质性及其成因,第二节 油藏地球化学,一、油藏流体的非均质性及其成因,进入储层中的石油，一旦达到较高的含油饱和度，为达到力学和化学上的平衡，石油柱内石油的化学组成将进行重新分配，即发生混合作用。 混合作用包括以下种机理： 、密度驱动混合作用 地下烃类因密度差异而处于不稳定状态，产生流体对流混合现象。 、分子扩散作用 油气向油藏充注时，由于原始化学组分的非均质性而产生分子扩散作用，这种作用导致物质重新分配，清除侧向上的浓度梯度，建立垂向上由重力分异而形成的浓度梯度。 、热对流混合作用 由于地温梯度变化导致流体发生热对流。,二、 油藏内流体的混合作用,第二节 油藏地球化学

8、,运用岩石热解、棒色谱、气相色谱、质谱等分析技术，通过分析储层岩心和岩屑中残余油的变化，可以确定油气层的分布以及油气水界面的位置。 1、运用棒色谱法确定含油带与贫油带,三、油气层及油气水界面的确定,第二节 油藏地球化学,2、运用岩石热解方法（ROCR-Eval)和溴分析方法确定油气水界面 岩石热解法最早用于烃源岩的评价，近些年来也被广泛用于油藏地球化学研究及油气层评价。,三、油气层及油气水界面的确定,第二节 油藏地球化学,运用岩石热解法还可以确定油藏油质特点或烃类性质。,三、油气层及油气水界面的确定,第二节 油藏地球化学,在一些油藏的贫油带和含水区内，常可以发现呈席状分布的焦油席（Tar Ma

9、ts），一般分布在石蜡型原油的油藏中。 焦油席（以往又译为沥青垫），是指油藏底部或油藏内部一种密度大于1.00g/cm3、粘度在10.00cP以上的富含沥青质的原油，又称为超重油，厚度一般12m。 焦油席主要代表原地不可采的油，其出现将有损于油藏质量。在采油过程中可能发生脱沥青作用，造成底渗透油层的堵塞，形成“死油”。,四、有机隔层焦油席研究,第二节 油藏地球化学,焦油席的成因有以下几种：,四、有机隔层焦油席研究,第二节 油藏地球化学,油藏连通性与分隔性研究是油气田开发中一个十分重要的问题。 常规的油藏描述只着眼于储层的非均质性，主要研究储层的空间分布规律及其对油层连通性的影响。 油藏地球化学

10、研究表明，砂层连通体不一定等同于流体连通体，因为油层内可能存在由各种原因形成的有机隔层（焦油席），从而导致油藏内部实际上是分隔的，出现“储层连通，油层分隔”的现象。 因此，油藏地球化学方法可以更准确地确定储层内流体的连通性和分隔性。其方法包括：根据原油总体积组成的变化研究油藏内流体的流动屏障；根据原油组成的色谱指纹特征的变化研究流体流动屏障；根据油田水组成的变化研究油藏内流体的流动屏障；,五、油藏流体连通性与分隔性研究,第二节 油藏地球化学,1、根据原油总体积组成的变化研究油藏内流体的流动屏障 油藏的气/油比、凝析油/气、泡点压力和密度等PVT资料都可以用来确定油层流体组成的变化。 下图反映英

11、国北海Forties油田主油区与东南区之间存在着流体流动屏障。,五、油藏流体连通性与分隔性研究,第二节 油藏地球化学,五、油藏流体连通性与分隔性研究,第二节 油藏地球化学,2、根据原油组成的色谱指纹特征的变化研究流体流动屏障 气相色谱指纹分析技术是在色谱-质谱分析的基础上，系统进行原油饱和烃气相色谱分析，从气相色谱图上固定选择一批配对的相关烃类，计算每对化合物的相对组成，采用极坐标方式绘成气相色谱指纹分布的星状图，可用来区分原油族群，判别油藏液体的连通性。,五、油藏流体连通性与分隔性研究,第二节 油藏地球化学,实例一：南中国海某油田 地质分析认为，该油田PH4和PH5井间的储层系统是连通的，压

12、力数据对比不能作出结论，但烃类气相色谱指纹明确显示P3层下部2口井是不连通的。,五、油藏流体连通性与分隔性研究,第二节 油藏地球化学,实例二：刚果Kitina油田 GC指纹表明B、C层是连通的，而与A层不连通。GC/IR/MS分析技术进一步证实了此点。,五、油藏流体连通性与分隔性研究,第二节 油藏地球化学,五、油藏流体连通性与分隔性研究,第二节 油藏地球化学,实例三：南意大利亚德利亚海某油田 问题：A井中的重油和轻油是否属同一油藏？A井与B井的轻质油是否连通？ GC指纹分析结果：A井的重油和轻油不连通，A、B井的轻质油是在一个连通的储层中。,五、油藏流体连通性与分隔性研究,第二节 油藏地球化学

13、,六、流体包裹体的油藏地化应用,第二节 油藏地球化学,GOI技术是澳大利亚联邦科学与工业研究机构(CSRIO)石油资源部的专利技术,可以确定古油水界面。石油在运移进入砂体时,由于毛细管阻力不同,将优先流过最大的孔隙喉道。如果没有阻止流动的屏障,毛细管阻力将把石油限制在最大的相互连通的网络中,仅有相当少量部分的孔隙暴露于石油中，如果石油柱压力高,则会克服毛细管阻力,使石油流入更小的孔隙喉道中,含油饱和度增加。大多数孔隙将暴露于石油中,因而多数颗粒将会捕获油包裹体。即使现今岩石为水湿的或气饱和的,古石油柱也可以用流体包裹体中捕获的烃类加以确定。,GOI=含油包裹体的颗粒数100%/统计的总颗粒数若

14、GOI5%,储集层为油层;若GOI1%,储集层为水层或含油水层,在地层剖面上利用GOI的变化可以恢复古油藏的位置及其油水界面,GOI高的为原先的油层,GOI突变低处为古油藏的油水界面。,-GOI技术,流体包裹体的分子组成(MCI)反演油藏注入史：利用在线(on-line)和离线(off-line)分析技术,可以获得包裹体中烃类分子地球化学信息,并与储层原油或可能的烃源岩进行对比,利用包裹体的分子地球化学信息可以重建油藏的充注历史。,-分子组成(MCI)技术,六、流体包裹体的油藏地化应用,第二节 油藏地球化学,George等、Lisk等对澳大利亚Carnarvon盆地South Pepper油田

15、的研究表明:碳酸盐岩裂隙中流体包裹体捕获的原油母质比油藏中原油母质含钙量要高。油藏中的原油含有较高含量的25-降藿烷,而包裹体中的原油25-降藿烷含量很低。对比研究表明,在包裹体形成后,早期充注的原油在始新世遭受了严重的生物降解作用,接着构造中又被来源于侏罗系的Dingo组粘土岩生成的原油再次充注,并与油藏中遭受生物降解作用的早期原油混合。,国内高志先等、周凤英等运用该技术对柴达木盆地南八仙油田、塔里木盆地轮南2井的油藏注入史进行了研究。,-激光拉曼技术,六、流体包裹体的油藏地化应用,第二节 油藏地球化学,根据包裹体气相成份推断油气的演化程度,研究表明,原油从未成熟到低成熟阶段,气相以H2O、

16、CO2为主,演化成熟、高成熟阶段,CH4含量增加,到最后的甲烷干气阶段,90%的气体为CH4,仅有极少量的CO2。因而可以利用CH4含量和CH4/CO2、CH4/(H2O+CO2)的比值确定油气热演化程度,从而进行油气藏资源评价。,地层水矿化度、组成及来源,盐度分析是包裹体分析的一项重要参数。根据包裹体冰点温度(Tm),容易将其转化成盐度S。根据包裹体中水相的盐度可以确定地质历史时期地层水的演化过程。澳大利亚Papuan盆地油藏中油-水包裹体水相的盐度为50000-85000mg/L(NaCl),盐水包裹体盐度50000-265000mg/L(NaCl),水层中的盐水包裹体的盐度变化很大,可以

17、分成两组,一组为2000-80000mg/L。另一组为120000-280000mg/L,表明包裹体形成于不同的时期,同时也表明该区地层水在地质历史时期发生了很大变化。,六、流体包裹体的油藏地化应用,第二节 油藏地球化学,地层水矿化度、组成及来源,施继锡等对河北平原和川东碳酸盐岩储层荧石包裹体进行了液相分析,具有少SO42-,而富Cl-、Na+的趋势,覃建雄等对西昌盆地流体包裹体中的液相成分分析,包裹体液相成分中Ca 2+ 、Mg2+ 、HCO3-的含量高,成岩流体介质为Na+-Ca 2+-SO42-型,Cl-含量偏高,与海相碳酸盐岩地层封存卤水特征相近,认为区内茅口期古水体或成岩流体与海水有

18、一定的成因联系。,成藏异常压力,油藏中的异常压力可以通过生产测试或测井资料获得,也可以利用储层CO2包裹体或包裹体中CO2的含量进行压力的估算,获得了温度和压力的数据就可以用VVR动力学模型(考虑压力的延迟或抑制作用)模拟VR的压力和历史，从而较准确地恢复盆地的热历史。,第三节 运移地球化学,一 、运移过程中石油组分的分馏作用,石油在运载层中运移时，由于油气组分与运移介质之间物理-化学作用的影响，多组分的复杂混合物将发生不同程度的分异作用，导致石油的组成和性质发生一系列的变化，简称分馏作用。 影响因素：吸付扩散溶解。,第三节 运移地球化学,1族组成泥（页）岩烃/非烃低，砂岩烃/非烃高；泥页岩非

19、烃较多，砂岩 非烃较少（ 运移强）运移方向上，距离增加，烃/非烃逐渐增大；砂岩层内上、下界面附近，烃/非烃较高（与页岩排烃有关）。不同组分运移的相对难易顺序为：烃类化合物较易，非烃、沥青质较难；饱和烃较易，芳烃较难；低环数芳烃较易，多环数芳烃较难。,一 、运移过程中石油组分的分馏作用,第三节 运移地球化学,2不同碳数的烃类 （1）主要含油段位于生油门限之上，说明烃类由下向上纵向运移； （2）C6C9，C10C14轻质烃、高浓度异常的样品，上、中、下三个含油带都存在； （3）C25C35高异常样品只存在下部含油带，说明低分子量烃类较高分子量烃更易运移，同时说明轻质烃纵向运移失去一部分轻质烃。,一

20、 、运移过程中石油组分的分馏作用,一般说来，随运移距离增加，低分子烃/高分子烃的比值是增加的。,第三节 运移地球化学,一 、运移过程中石油组分的分馏作用,第三节 运移地球化学,一 、运移过程中石油组分的分馏作用,第三节 运移地球化学,一 、运移过程中石油组分的分馏作用,第三节 运移地球化学,一 、运移过程中石油组分的分馏作用,3正构烷烃和异戊二烯型烃 一般来说，随运移距离增加，低分子正烷烃的丰度具有较明显增大，且高比重原油的分馏作用较低比重原油更显著。多数实验也表明，低分子烃比高分子烃更容易运移，说明低分子烃运移能力强。研究发现： Pr/nC17比值，比源岩残余烃要低，或者按运移烃中的nC17

21、较姥鲛烷更易运移。 因此，Pr/nC17比值随运移距离增加是减小的 。,第三节 运移地球化学,一 、运移过程中石油组分的分馏作用,第三节 运移地球化学,一 、运移过程中石油组分的分馏作用,4甾烷和萜烷类化合物 （1）甾烷和萜烷是高分子量的多环烷烃。运移能力不及正烷烃。 （2）在不同环数的萜烷类化合物之间，低环数萜烷比高环数萜烷运移能力强。 （3）不同立体异构体运移能力有差别。 甾烷组分比组分易于运移，单芳甾烷比三芳甾烷更易运移，长链三环萜比藿烷易于运移。,第三节 运移地球化学,一 、运移过程中石油组分的分馏作用,5稳定性碳同位素 由于正烷烃同位素较轻，异构烷烃和环烷烃较重，正烷烷运移较快，异构

22、烷烃和环烷烃运移较慢。随运移距离加长，饱和烃13C值降低，原油也同样降低，但石油变化较复杂。 总规律是：高极性组份运移较慢，低极性组分运移较快；芳烃较慢，饱和烃较快；高分子烃较慢，低分子烃较快。 根本原因：与岩石吸付，烃类分子大小有关。,第三节 运移地球化学,二 、初次运移的地球化学示踪特征,1根据烃源岩在纵向剖面上地球化学指标的突然变化，确定烃源岩排烃的深度和时期 一般来说，在纵向剖面上，受沉积环境控制，有机质成分和性质在一定范围内变化较小,含烃量的变化基本上取决于深度，也就是取决于热演化程度。 地层中的烃含量在大量生烃阶段，正常的趋势应当是：随埋深的增加而增加。但在到一定深度段往下，若烷烃

23、含量突然减少，这一现象最合理的解释就是初次运移的结果，同时，非烃和沥青质也突然减少，说明它们和烷烃一起运移。,第三节 运移地球化学,二 、初次运移的地球化学示踪特征, “A”、总烃、 “A”/有机碳、总烃/有机碳：在成熟烃源岩中其含量或比值应保持不变，发生初次运移的深度段其含量或比值应降低，运移的规模越大，递减量也越大。 利用Pr/nC19和Ph/nC20、nC-21/nC+22、（nC21+nC22）/（nC28+nC29）来表示运移。 一般正构烷烃分子越小，越易运移或运移距离越远。因此，发生运移的深度段这些比值降低。 利用热解色谱S1，S1/（S1+S2）指示运移 一般热解色谱蒸发烃量（

24、S1 ）与总烃含量相当，在未发生运移的部位保持稳定。在运移的深度段上其含量或比值下降，可视为运移。,目前，常用的指标有：,第三节 运移地球化学,二 、初次运移的地球化学示踪特征,需注意的原则： 上述研究思路建立在一定研究基础之上： 必须是烃源岩层已进入成熟阶段； 指示有机质丰度的残余有机碳和镜检显示的酐酪根类型应基本类似（即为成熟烃源岩），即上述指标的减少是由于运移而减少的。 如烃源岩有机碳的明显减小，或酐酪根类型明显变差。应该不属于初次运移的结果，而是有机质沉积本身变差的原因。,第三节 运移地球化学,二 、初次运移的地球化学示踪特征,2通过对砂泥岩质系的密集取样，观察排烃现象，计算排烃效率和

25、研究排烃机理 通过在烃源岩中部、边部和紧邻砂岩密集取样，对可溶有机质进行地化分析研究。（1）研究正烷烃在排烃过程中的分异作用 低碳数正烷烃优先排出，厚层泥岩中部呈双峰型，边部后峰型，砂岩前峰型。（2）研究生油岩含烃量（泥岩中部边部紧邻砂岩的顶底） 在成熟阶段没有不排烃的烃源岩，在不同的部位上只有排烃多少和快慢的差别。排烃在由烃源中部到边部呈连续状，只是由于边部排烃速度比中部的补给速度大，才形成含烃量向边部递减。 也正是含烃量有差异，才进一步说明烃源岩中部也并非没有烃类排出。,第三节 运移地球化学,二 、初次运移的地球化学示踪特征,（3）型与型正烷烃相对排烃率差别 研究发现型正烷烃排出率随碳数的

26、增加而迅速递减，分异效应明显。 型变化不大，说明不同类型烃源岩，排烃机理和运移不同。 型以产气为主，少量的油溶于气中运移，因此溶解度大的低碳数烷烃优先排出，分异现象明显。 型以生油为主，少量气溶于油中整体运移，几乎无分异效应。,第三节 运移地球化学,二 、初次运移的地球化学示踪特征,第三节 运移地球化学,三 、二次运移的地球化学示踪特征,利用有机地化指标研究石油天然气的二次运移的核心是利用在运移过程中地球化学指标发生相对有规律的变化来追索运移路线。 一般来说，地球化学指标变化是绝对的，而不变则是相对的有条件的。 石油天然气在运移中随物化条件的变化，必然引起自身在成分上、性质上的变化，与实验室的

27、色层分析极为相似。,第三节 运移地球化学,三 、二次运移的地球化学示踪特征,1、根据原油组分和性质变化确定油气运移方向 随运移距离增大：非烃化合物含量相对减少；高分子烃类化合物含量及芳烃含量相对减少；造成沿运移方向主峰碳降低，轻重比值增加；轻重芳烃比值增大；13C/12C变轻；甾烷中比易运移，重排甾烷比规则甾烷易运移；低环数萜烷比高环数萜烷易运移。 如在运移中氧化作用占主导地位，则出现相反变化规律；密度、粘度变大，下部油质轻、上部油质重等，必须具体情况，具体处理。,（一）石油二次运移的地球化学示踪特征,第三节 运移地球化学,三 、二次运移的地球化学示踪特征,（一）石油二次运移的地球化学示踪特征

28、,第三节 运移地球化学,三 、二次运移的地球化学示踪特征,（一）石油二次运移的地球化学示踪特征,生物标志物指标：,（一）石油二次运移的地球化学示踪特征,第三节 运移地球化学,三 、二次运移的地球化学示踪特征,第三节 运移地球化学,三 、二次运移的地球化学示踪特征,2、根据原油含氮化合物变化确定运移通道和方向原油中的含氮化合物具有中性吡咯结构对于碱性吡啶形式的优势。碱性（吡啶）物质比中性（吡咯）物质受到更强烈的吸附。在吡咯型化合物中，咔唑、苯并咔唑、二苯并咔唑发生明显的运移分馏作用，原油中相对富集咔唑，而源岩相对富集苯并咔唑。 咔唑异构体的分异作用：原油中相对富集氮遮蔽异构体，源岩中相对富集氮暴

29、露异构体。3、根据成熟度梯度研究油气充注方向 成熟度最高的原油最靠近原油充注点。,2、根据原油含氮化合物变化确定运移通道和方向,第三节 运移地球化学,三 、二次运移的地球化学示踪特征,第三节 运移地球化学,三 、二次运移的地球化学示踪特征,第三节 运移地球化学,三 、二次运移的地球化学示踪特征,（二）天然气二次运移的地球化学示踪特征,1、组分变化干燥系数或甲烷含量的变化：一般随运移距离而增大；iC4/nC4：一般随运移距离而增大； R3：一般随运移距离而增大；N2含量：一般随运移距离而增大；2、成熟度梯度变化 一般随运移距离而降低。3、同位素组成变化 一般随运移距离而降低。,第三节 运移地球化学,三 、二次运移的地球化学示踪特征,第三节 运移地球化学,三 、二次运移的地球化学示踪特征,第三节 运移地球化学,三 、二次运移的地球化学示踪特征,本章作业1、试述油藏流体的非均质性及其成因。2、分析油藏内流体的混合作用。3、简述确定油气层及油气水界面的地球化学方法。4 、试述运移过程中石油组分的分馏作用。5 、试述初次运移的地球化学示踪特征。6 、试述石油二次运移的地球化学示踪特征。7 、试述天然气二次运移的地球化学示踪特征。,第二章 成藏地球化学,