一种含油气盆地浅层气混源比例定量表征方法与流程

本发明属于油气资源地质勘探评价领域，具体涉及一种含油气盆地浅层气混源比例定量表征方法。

背景技术：

烃源岩热演化阶段生成液态原油的同时伴随天然气的生成，天然气一般溶解与原油中并随原油进行运移。当原油自深部地层运移到浅层时，由于地层温度、压力的下降导致天然气溶解度降低，天然气从原油中脱出并向浅部运移到合适的圈闭中形成气藏。同时，由于浅部地层保存条件差，浅部低矿化度地层水下渗到油藏中，使得油藏周缘的水介质环境变得适宜微生物生长，微生物可以以原油为反应底物通过降解作用生成原油降解气。浅层气藏中的天然气常为干酪根生成的热成因气与原油发生微生物降解生成的生物降解气的混合，主要表现为天然气干燥系数大，甲烷碳同位素变化大、重烃组分碳同位素比值偏重的特点。原油降解生气具有巨大潜力，微生物降解实验显示1吨原油能生成226.03～264.75m³的天然气。浅层气藏可以通过地震“亮点”技术进行有效识别。在已发现浅层天然气储量的基础上，通过对浅层气藏中生物降解气比例的分析能够有效的确定在浅层气之下降解型稠油资源的多少。这对于研究区降解稠油资源量的评价以及寻找剩余储量具有巨大的知道意义。但是，浅层气中究竟以哪种成因气为主，即浅层气藏混源比例定量的问题一直没有得到有效解决。

前人对原油生物降解的研究大多集中在：发生降解原油的微生物类型；原油生物降解反应过程；温度、油藏结构、混合作用对生物降解作用的控制作用；降解作用对原油组成以及生物标志化合物的影响。而对于原油降解气的研究相对较少，前人给出的降解气大多数为一个范围，实际操作起来困难大，难以对不同研究区的混源比例进行准确评价。

尽管原油微生物降解的研究在国内外学者的努力下取得了许多重要的进展，但仍没有一种较为可靠的适用于各种地质条件的浅层气混源比例评价方法，目前仍处于探索阶段。

技术实现要素：

基于浅层气中热成因气和原油降解气混合比例难以定量的问题，本发明中公开一种含油气盆地浅层气混源比例定量表征方法，具体实现技术方案如下：

一种含油气盆地浅层气混源比例定量表征方法，所述方法包括以下步骤：

(1)分析浅层气成因及组成类型

根据研究区浅层天然气的组分及同位素特征，结合前人研究图版，确定浅层气的成因及组成类型.

上述步骤(1)中，浅层气成因及组成类型是通过天然气组分以及同位素分析获得。浅层气指的是埋深小于1500m的天然气。浅层气具有多种成因，既可以是微生物利用有机质生成的生物成因气也可以是干酪根在裂解过程中生成的热成因气。原油中一般溶解一定量具有较多重烃组分且甲烷碳同位素较重的热成因气，在原油运移到浅部时，随着地层温度、压力下降，溶解于原油中的热成因气从原油中析出。浅层保存条件一般较差，受微生物作用影响，原油发生降解生成以甲烷为主且具有轻碳同位素特征的原油降解气。不同成因的天然气具有不同的组分以及同位素特征。通过对浅层天然气组分、同位素进行分析，利用已知图版对浅层气的组成进行识别，判断浅层气的成因及组成类型。

(2)推导原油降解气甲烷碳同位素变化曲线

在国内外大量关于原油微生物降解实验的基础上，结合研究区原油特征、地层温度、降解程度等条件，推导微生物产甲烷碳同位素变化曲线。

上述步骤(2)中的微生物产甲烷碳同位素变化曲线通过封闭体系瑞利同位素分馏模型建立。微生物降解原油生产甲烷的碳同位素受反应温度、反应底物碳同位素特征以及二氧化碳还原程度的影响。根据研究区烃源岩生成原油碳同位素、热成因甲烷及二氧化碳碳同位素特征设定模拟初始δ¹³C_CH4、δ¹³C_CO2、未降解原油的δ¹³C_oil、原始的CH₄与CO₂含量以及原油中可降解的组分。现今油藏温度为产甲烷反应温度。根据Peters和Moldowan分级确定不同降解级别下烷烃向CO₂和CH₄的转化程度。可做出适合于研究区原油在不同降解级别下原油降解气δ¹³C_CH4与δ¹³C_CO2关系图。

(3)确定热成因气甲烷碳同位素比值

结合研究区天然气组分、碳同位素以及原油生物标志化合物特征，识别天然气样品降解程度，即是否发生次生变化，并选取未降解天然气的甲烷碳同位素比值作为本区热成因甲烷碳同位素比值。

上述步骤(3)中的天然气是否发生降解主要通过对烃类气体的碳同位素特征判断。常规的有机热成因气具有δ¹³C₁＜δ¹³C₂＜δ¹³C₃＜δ¹³C₄的碳同位素序列，正构烷烃碳同位素与碳数倒数的投点呈一条直线。后期微生物的改造以及其他来源天然气的混入将会改变投点的形态。因此，对研究区热成因端元气的识别主要通过δ¹³C_n-1/n做图进行判断。将δ¹³C_n-1/n图上近似呈直线的样品认为是未受到生物改造的热成因气，其δ¹³C₁代表工区内随原油一同生成的热成因气的甲烷碳同位素比值。

(4)确定原油降解气甲烷碳同位素比值

对天然气样品进行碳同位素分析，确定天然气样品中甲烷以及二氧化碳的碳同位素比值，结合原油生物标志物特征判断原油降解程度，按照步骤(2)中推导的原油降解气甲烷碳同位素变化曲线，确定混合气样品所处环境条件下原油降解气甲烷的碳同位素比值；

上述步骤(4)中原油降解甲烷碳同位素值主要通过步骤(2)中建立的δ¹³C_CH4与δ¹³C_CO2关系图获得。通过原油地球化学特征分析原油降解的级别，选取相应的变化曲线。结合所测天然气δ¹³C_CO2数据在曲线上找到此降解级别、以及CO₂还原程度下生成甲烷的碳同位素比值，并以此作为原油降解气甲烷碳同位素比值。

(5)定量分析天然气混源比例

在步骤(3)和步骤(4)确定端元甲烷碳同位素的基础上，通过质量守恒方程，计算浅层气中原油降解气的比例。

所述的浅层气中原油降解气的比例通过质量守恒方程计算，公式为：

式中，α为浅层气中原油降解气的比例，δ¹³C_1(残留)为现今浅层天然气甲烷碳同位素比值，δ¹³C_{1(原油降解)}为由步骤(5)得到的原油降解气甲烷碳同位素比值，δ¹³C_1(残留)为随原油一同生成的甲烷的碳同位素比值。

本发明公开一种含油气盆地浅层气混源比例定量表征方法，本发明中首先利用天然气组分、同位素数据判断浅层气的成因及组成类型。以封闭的瑞利模型为基础结合研究区地质条件建立原油降解甲烷碳同位素模型，多参数估算(原油降解程度、微生物反应温度、二氧化碳还原程度等)原油降解气中甲烷碳同位素值。结合未降解原油中热成因甲烷碳同位素特征，综合分析含油气盆地浅层天然气混源比例。本发明考虑多种地质因素，能够满足含油气盆地浅层天然气混源比例分析的要求，可以广泛适用于油气资源地质勘探领域。

附图说明

图1是本发明方法的原理步骤示意图；

图2是浅层气成因分析块状相图；

图3是浅层气成因分析曲线相图；

图4是本发明方法建立的封闭体系瑞利分馏箱式模型示意图；

图5是不同产甲烷菌的分馏系数随温度变化曲线；

图6是利用本发明方法获得的原油降解气δ¹³C_CO2与δ¹³C_CH4变化模拟曲线；

图7是孤岛油田与八面河油田浅层气稳定碳同位素特征汇总图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述，在此发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

下面结合附图与实例对本发明作进一步的详细说明；可以理解的是，此处所叙述的具体实例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定；另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

实施例选取济阳坳陷的八面河油田以及孤岛油田样品进行说明。

图1所示为本发明一种含油气盆地浅层气混源比例定量表征方法的原理图。

按照本发明方法，定量分析八面河和孤岛油田浅层气混源比例的步骤如下：

(1)分析浅层气成因和组成类型

根据研究区浅层天然气的组分及同位素特征，结合前人研究图版图2和图3，确定浅层气的成因及组成类型。

图2和图3中给出了不同研究者按照天然气同位素比值特征划分的不同成因的天然气图版，将八面河和孤岛油田的浅层天然气碳同位值δ¹³C₁和C₁/C₍₂₊₃₎比值代入图2和图3中，可以看出孤岛和八面河地区的大部分天然气甲烷含量较一般油型气高，但同位素比值比典型生物成因气偏重，其特征介于原油伴生气和生物气之间。大部分为热成因气与原油降解气的混合。

(2)推导原油降解气甲烷碳同位素变化曲线

首先，建立封闭体系瑞利同位素分馏模型。图4展示的是反应概念模型。模型代表了油水界面处的生物降解反应区，溶解在水中以水相存在的原油被微生物菌群降解并以CO₂和CH₄为终端产物。模型的基本假设是没有原油降解气的泄漏与其他原油降解气的混入。模型中储层内的原油在早期短时间内一次完成注入。尽管在理想情况下生物降解原油时会有较低浓度的乙酸，但假设所有的乙酸都转化为了CO₂和CH₄，并且由于乙酸来自多种前驱物，假设乙酸生成过程中甲基碳和羧基碳之间不发生同位素分馏。模型不同程度的将可降解的烃类都转化为CO₂组分，CO₂含量的变化与氢营养型产甲烷反应和乙酸氧化产甲烷反应相关。在乙酸分解反应中的半数CO₂转化为CH₄，其分馏系数受温度控制。所有的CO₂在向CH₄的转化程度不同。H₂的含量有效的控制着CH₄的生成，并且认为其来源都为烷烃的降解。所有可以降解的组分都由正构烷烃C_nH_2n+2的化学计算法并且各种独立的碳氢化合物组分碳同位素分馏特征相似。相态变化对碳同位素的分馏影响忽略，地层水和营养物质的供给不是控制原油降解的因素。

在封闭体系中同位素的变化公式为：

δ_prod＝(δ₀+1000)×(1-f^α-1)/(1-f)-1000(公式2)

式中δ_prod为生成物的同位素的比值，δ₀为组分原始的同位素比值，α为同位素分馏系数，f为反应物剩余分数。组分原始的同位素比值δ₀主要通过对未降解

原油碳同位素的测定获得。同位素分馏系数是模拟这些过程的关键参数。

进一步地，乙酸分解产甲烷与氢营养型产甲烷的分馏系数来自对文献中大量不同甲烷菌群的调研包括了嗜温细菌和嗜热细菌。一般情况下，随着温度的升高，同位素分馏系数逐渐降低。但是，嗜热细菌的分馏系似乎没有显示出随温度的变化趋势。总的来说，乙酸发酵产甲烷过程对碳同位素的分馏程度小于氢营养型产甲烷。投点数据来自H₂-CO₂嗜热细菌、H₂-CO₂嗜温细菌以及乙酸产甲烷菌。图5中显示了乙酸分解产甲烷菌与氢营养型产甲烷菌的分馏系数-温度关系。尽管分馏系数同时受到微生物类型与H₂的控制，可明显看出分馏系数随温度的变化。结合油藏温度可以确定该温度下微生物反应的分馏系数α。不同反应程度下反应物剩余分数f则以Peters和Moldowan分级(表1)确定。

表1不同降解级别下可降解组分损失情况及判别标准汇总表

进一步地，根据研究区烃源岩生成原油碳同位素、热成因甲烷及二氧化碳碳同位素特征设定模拟初始δ¹³C_CH4、δ¹³C_CO2、未降解原油的δ¹³C_oil、原始的CH₄与CO₂含量以及原油中可降解的组分。现今油藏温度为产甲烷反应温度。根据Peters和Moldowan分级(表1)确定不同降解级别下烷烃向CO₂和CH₄的转化程度。因此可作出不同降解级别下原油降解气δ¹³C_CH4与δ¹³C_CO2关系图(图6)，利用此图通过原油降解程度以及δ¹³C_CO2值可得出相应原油降解气的δ¹³C_CH4值。

(3)确定热成因气甲烷碳同位素比值

浅层气是否发生降解主要通过对烃类气体的碳同位素特征判断。常规的有机热成因气具有δ¹³C₁＜δ¹³C₂＜δ¹³C₃＜δ¹³C₄的碳同位素序列，正构烷烃碳同位素与碳数倒数的投点呈一条直线。后期微生物的改造以及其他来源天然气的混入将会改变投点的形态。因此，对研究区热成因端元气的识别主要通过δ¹³C_n-1/n做图进行判断。从图7所示八面河油田以及孤岛油田天然气样品的δ¹³C_n-1/n图中可以看出，工区浅层气δ¹³C_n-1/n投点同时存在直线型和折线型两种类型。直线型的表示天然气未受到微生物改造以及其他来源气体的混入。呈折线型的天然气一般重烃组分(C₂⁺)偏重，甲烷偏轻，这主要与微生物对重烃组分的消耗以及新生成的具有轻碳同位素特征的生物甲烷的混入有关。

(4)确定原油降解气甲烷碳同位素比值

原油降解甲烷碳同位素值主要通过步骤(2)中建立的图6所示的δ¹³C_CH4与δ¹³C_CO2关系图获得。通过对原油生物标志化合物的存在情况，结合前人的分级标准确定原油降解的级别。选取不同降解级别对应的的δ¹³C_CH4-δ¹³C_CO2变化曲线。结合δ¹³C_CO2数据在曲线上找到此降解级别、以及CO₂还原程度下生成甲烷的碳同位素值。图6中显示了孤岛油田和八面河油田不同浅层气藏中原油降解气的甲烷碳同位素比值。从结果中可以看出，不同二氧化碳还原程度下的原油降解气具有不同的甲烷碳同位素比值，对于原油生物降甲烷碳同位素的估算较以往更为精确。

(5)定量分析天然气混源比例

在步骤(3)和步骤(4)确定端元甲烷碳同位素的基础上，通过质量守恒方程，计算浅层气中原油降解气的比例。

所述的浅层气中原油降解气的比例通过质量守恒方程计算，公式为：

式中，α为浅层气中原油降解气的比例，δ¹³C_1(残留)为现今浅层天然气甲烷碳同位素比值，δ¹³C_{1(原油降解)}为由步骤(5)得到的原油降解气甲烷碳同位素比值，δ¹³C_1(残留)为随原油一同生成的甲烷的碳同位素比值。表2中降解气比例为利用质量守恒方程得到的结果，从结果中可以看出，浅层气藏中原油生物降解气所占的比例并不相同存在较大差距，原油生物降解气的比例从33％～78％不等，这对于浅层气藏下部降解型稠油油藏的规模也存在较大的差别，后期对于此类降解型稠油油藏的勘探要区别对待。

表2利用本发明方法估算的典型油田浅层气中原油降解气比例值

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述研究区具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。