加拿大沃思堡盆地页岩生气模式.docx

加拿大沃思堡盆地页岩生气模式.docx

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加拿大沃思堡盆地页岩生气模式

本科毕业设计（论文）外文翻译译文

学生姓名：

郭帮冲

院（系）：

油气资源学院

专业班级：

地质0801

指导教师：

王乃军

完成日期：

2012年月日

得克萨斯州沃思堡盆地Barnett页岩生气模式

ModelingofgasgenerationfromtheBarnettShale,

FortWorthBasin,Texas

RonaldJ.Hill,EtuanZhang,BarryJayKatz,andYongchunTang

0．摘要

用密闭的gold-tube热解实验来定量评估得克萨斯州沃思堡盆地密西西比纪Barnett页岩生成天然气的潜力。

从热解数据估算的气体生成动力学参数和镜质组反射率值（Ro）变化，这些用来估计在地质加热率下从Barnett页岩中生成的油气的量。

使用派生动力学法研究一个初始总有机碳含量为5.5%,Ro=0.44%的样品的Ro的变化和气体的生成，Ro为1.1％的烃类气体产生量约为230 L/T（7.4立方英尺/吨），当其Ro值为2.0%时增加至大于5800 L/T（186立方英尺/吨）。

页岩气的产量取决于有机质富度、页岩的厚度和热成熟度，以及在运移过程中保存在页岩中的原油的量。

储存在页岩中的天然气看似来自于干酪根裂解和保留在页岩的石油，并且那些保留下来的原油是在Ro为1.1%时开始裂解的。

这一结果表明，保留在烃源岩中的原油裂解速率高于常规的硅质碎屑岩和碳酸盐储层的预测速率，而且这些油与干酪根和页岩矿物的接触也许是页岩气生成的一个关键因素。

页岩气系统，连同上覆盖层，可以被认为是完整的含油气系统，尽管其油气的运移、聚集及圈闭形成的过程与传统的石油系统的定义有所不同。

1.引言

得克萨斯州中北部的沃思堡盆地是一个前陆盆地，是对美国大陆边缘的Ouachi-ta构造带在早密西西比纪的晚期和宾夕法尼亚纪沃希托马拉松（Ouachita-Marathon）造山运动期间逆冲推覆的回应（Flippin,1982;Walper,1982;Grayso等.,1990）。

自二十世纪初，已有约3.2亿立方米（20亿桶）原油和0.19万亿立方米（7tcf）的天然气由沃斯堡盆地奥陶纪至二叠纪的储层产生（Pollastro,2003）。

密西西比纪Barnett页岩是盆地中的主要烃源岩，其总有机碳（TOC）含量平均为4 wt％，与沿Llano隆起露头样品的14%一样高（Henk等.,2000;Jarvie等,2001），基于轻烃数据（Jarvie等,2001）以及更详尽的地球化学分析（Hill等,2007）。

天然气页岩，特别是Barnett页岩，已成为美国最重要的陆上勘探目标，尽管它有非常低的孔隙率（约6％）和渗透率（约0.02 MD）。

Barnett页岩天然气的初步勘探始于1982年，尽管直到2000年都没有加强勘探。

Barnett页岩气产量从5300增至7800 L/T（170至250立方英尺/吨）归功于来自Mitchell2T.P.Sims井修正的甲烷吸附数据。

据来自于Barnett页岩内的区间分析（Jarvie等，2004）该页岩目前有55%的游离气和45%的吸附气。

有机质丰富、热成熟度、气体组分、干酪根类型、干酪根演化程度是评价页岩生气潜力的关键因素（Jarvie等，2004）。

要完成用来预测页岩气前景的合适图件，需要的数据包括TOC、Rock-Eval热解氢指数（HI）和Tmax（热解生油最高速率时的温度）、镜质组反射率值（Ro）和天然气产量。

将油气系统模型纳入天然气页岩远景评价过程并不常有。

这篇文章的目的是为了演示如何用热解实验所得的动力学参数和天然气产量来估计页岩生气潜力，该方法在进一步帮助天然气页岩远景评价中是一个潜在的有价值的工具，并建立页岩气系统如何适应进入石油系统的概念。

2.地质综述

沃思堡盆地是一个不对称的楔形盆地，沿天鹅拱（Muensterarch）西侧含高达3700米（12,000英尺）的沉积岩（Pollastro等，2007）。

这个前陆盆地形成于Ouachita构造带推进之前，即在晚密西西比纪和早宾夕法尼纪板块汇聚事件时期逆冲到北美克拉通之上（Flippin,1982;Walper,1982;Grayson等,1990）。

Bendarch是一个宽广的、从Llano的隆起向北延伸、向北倒转的地表背斜（图1）（Pollastro等人，2007年）。

沃思堡盆地东部和东南部被Ouachita构造包围，南邻Llano隆起，西接Bendarch，北部和东北部挨天鹅拱和红河拱（RedRiverarches）（图1）。

广义的Bendarch–沃思堡盆地地层剖面如图2所示。

从寒武纪到密西西比纪，现在是沃思堡盆地的地方曾是由碳酸盐沉积主导的稳定克拉通陆棚的一部分。

Barnett页岩是在前陆盆地中在晚密西西比纪形成时期沉积在Ellenburger不整合之上，但奥陶系Viola和Chappell灰岩有时出现，Simpson地层缺失。

地层贯穿几乎整个沃思堡盆地–Bendarch地区，厚度从其西部的几十英尺到毗邻天鹅拱的超过305米（1000英尺）（Pollastro,2003）。

尽管埋深是Barnett页岩热成熟度的一个主要因素，但实际上天然气生成和相应的产气量很大程度上是由与沃思堡盆地内的Ouachita逆冲断层系统有关的高热流控制（Bowker,2002,2003;Pollastro等,2003）。

这套地层现在在盆地北部和西部地区处于石油窗，东部和南部地区处于生气窗。

图1广义的沃思堡盆地的构造图。

Barnett页岩

的横向伸展及美国地质调查局标定的沃思堡盆

地边界。

从Pollastro等修正得（2003年）

图2沃思堡盆地广义地层剖面，显示Barnett页岩与其他地层

单位的接触关系。

从Pollastro等修改得（2003年）

3.实验

选取两个Barnett页岩样品进行裂解实验，一个未成熟（Ro0.44%）,一个成熟（Ro1.15%）。

地球化学特征总结如下：

在这项研究中，我们没有试图从Barnett所有方面来描述其生气特征，而是基于Jarvie等人（2004）的成果选择了两个可以合理代表其TOC和岩石热解特性的样品。

这些样品可以用来比较不同成熟度的下的Barnett的生气特点，并可以输入到盆地模拟软件中粗略估计其天然气产量。

3.1.未热解的Barnett页岩样品

这些用来做裂解实验的未成熟Barnett页岩样品收集于得克萨斯州Lampasas县Chevron1Moline井的岩心。

其大部分的地球化学和显微页岩样品数据列于表1。

表1Barnett页岩样品的显微组成和地球化学参数

这是一个相对不成熟的样品，镜质体反射率为0.44%,TOC为5.51%,岩石热解生氢指数（Rock-EvalHI）为346，H/C原子比率为1.41，显微组分是93%的非晶质体、5%镜质体、1%壳质体、1%惰质体。

热解实验用的成熟Barnett页岩样品收集于得克萨斯州Erath县Chevron1St.ClairC井的岩心。

岩样的大部分地球化学和显微数据总结在表1 。

这是一个较成熟样品，1.15%的Ro、TOC为4.51%、Rock-EvalHI为68、1.06的H/C原子比，显微组成是91％非晶质，3％镜质体，1％的壳质体、5％的惰质体。

3.2.封闭系统的热解

根据唐某等（1996）和张某等（2007）的实验方法，用未成熟的Barnett页岩干酪根独立的在升压和两倍加温速率下进行密闭gold-tube热解实验。

这些实验使我们准确地监测残余页岩样品的产气率的变化、气体分子组成、镜质体反射率（Ro）及元素组成。

基于热解数据,利用LawrenceLivermore国家实验室动力学软件，设定特定的动力学模型，以导出Ro的变化和天然气产量。

裂解实验采用密闭金管（50毫米[1.9英寸]长、3.6毫米[0.14英寸]内径、0.4毫米[0.015英寸]壁厚）在一个高压和高温热解系统 中进行（Hill等人，1994年，1996年;张等，2007）。

装载试样前，将一个清洁管焊接在另一个的尾部。

将大约100mg经真空干燥过的细粉末状的均质的纯干酪根样品加入到放在充满氩气的手套式操作箱中的每一个金管中。

把试管在箱子里用氩冲刷持续15分钟,确保除去所有的空气。

然后用Hill等（1994,1996）的方法将金试管的另一端在氩气环境中焊接。

将密闭金管被放进不锈钢器皿，然后放进一个大烤炉中，并在实验过程中保持5000磅（34.5兆帕）恒压。

压力介质是由空气驱动泵控制的水。

样品分别用两个不同的不等温加热程序加热，一个以10oC/hr从150到469oC，另一个以1oC/hr从150到456oC。

温度用烤箱内置的PRO-SET温控程序直接控制，用每一个器皿顶部和底部固定的两个热电偶直接测量（准确度±1oC），并记录存储在电脑上。

将一个含金管的器皿从最终温度为与280oC温差20–30oC的烤炉中拿出。

将器皿迅速冷却到室温，然后在金管取出器皿前将压力慢慢降低。

4.热解产物分析

分析热解的产气率、产物的分子组成和残余镜质体反射率（Ro）。

Hill等（1994,1996）预先总结了分析方法和重现性。

简单地说，金管在真空管路中被针穿透，允许气体逃离至管路中，液体产物（C6+部分）被吸收在干燥的冰丙酮（T=-77oC）收集器中。

剩余气体由Toepler泵收集到有刻度的容器中以获取总量，并引入气相色谱（GC）直接分析成分。

烃类和非烃气体分子的量化分析是用一个定制的配置了双通道、有两个毛细管和四个填料塔的WassonECE仪表、联同一个火焰离子化检测器（FID）及两种导热探测器（TCD）的惠普6890系列气相色谱仪。

C1-C5烃使用氦气作为通道载气的GC分析,两个沃森KC5毛细管柱来做气体分离，惠普FIDA做组分检测。

非烃气体用由两个TCDS连接的四个填充柱的B通道分析。

二氧化碳、硫化氢、O2/Ar、氮气、二氧化碳气体用使用氦气作为载气的沃森K1和K2S填充柱分离，并用惠普TCDB检测。

氢气和氦气用以氮气为载气的沃森K1和K2填充柱分离，并由沃森TCDC分析。

探测器由斯科特特种气体公司提供的一系列的每种混合物的精度为1mol%的气体标准校准。

GC温度设定从85oC（恒温3分钟）以15oC/min的速率增加到180oC（5分钟）。

整个分析在10分钟内完成。

剩余样品经ZeissMPM03光学显微镜在546纳米的原油中作625倍放大处理，测量随机的镜质体反射率。

每个样品分析前后，都对该系统进行一套玻璃标准校准。

一般每个样品取五十个数据。

这个算法的标准偏差在0.05–0.09%之间。

5结果

5.1镜质体反射率

裂解后的残余页岩的Ro值用于评价热解实验中有机质的成熟度。

未成熟样品的Ro值随压力增大从大约0.5%的初始值增加到大约2.2%（表2，图3）。

成熟样品的Ro值从大约1.0%的初始值增加到大约2.9%（表2）。

这个实验的成熟度范围大致包括在沃思堡盆地Barnett页岩观察到的成熟度范围，以及包括跨越生油窗和生气窗的值（Pollastro等,2003;Jarvie等,2004）。

对成熟和未成熟样品在相同加热速率下的实验表

表2未成熟和成熟Barnett页岩样品热解实

验的天然气产量和镜质体反射率数据

明他们的镜质体反射率相关性非常好（图3），并显示从未成熟样品得出的动力学参数一般可以用于Ro约为2.0%的岩石。

因此，热解结果允许我们来模拟盆地中观察到的成熟度级别的镜质体成熟和油气生成的动力学行为。

图3两倍加热速率的镜质体反射率实验数据和

基于本研究的动力学参数计算得出的最佳曲线

5.2热解气体

干酪根热解开始时只产生少量烃类气体（C1〜C5），但他们在高成熟度时成为优势气体（表2，图4）。

甲烷是正在生成的主要烃组分，并且是未成熟样品在395oC在1oC/hr时和在419oC在10oC/hr时生成气体的主要组成。

类似的趋势在成熟样本中也被观察到（表2，图4）。

C2〜C5烃在低温条件下产量仍然很低，然后随未成熟和成熟样本温度的增加呈指数增长（表2，图4）。

在423oC（1oC/hr）和444oC（10oC/hr）温度下，当温度的升高超过这些温度时产量减少，说明未成熟样品在温度较高时有显著的C2-C5烃裂解。

类似的趋势在成熟样本中也被观察到（表2，图4）。

结果也没能解释我们的实验在低温时C2-C5组分的裂解。

图4A总气体、甲烷、乙烷-戊烷、二氧化碳产量在本研究的实验中体现裂解温度功能的总结。

（A）未成熟Barnett页岩，1oC/hr

图4B未成熟Barnett页岩，10oC/hr

图4C成熟Barnett页岩,1oC/hr

图4D成熟Barnett页岩,10oC/hr

二氧化碳是Barnett页岩干酪根产生的主要非烃气体，并且是未成熟样品在320oC（1oC/hr）和339oC（10oC/hr）时产生的所有气体中的优势气体（表2）。

在一些样品中检测到微量的氮气和硫化氢。

早期的二氧化碳生成很可能与不稳定含氧官能团的裂解有关，如羧基脱羧开裂。

这反映了较高的温度达到与成熟的样品进行的热解实验，因为二氧化碳的产量在未成熟和成熟样品相同的升温速率时几乎相当。

在沃思堡盆地产生的二氧化碳气体含量不高（Hill等，2007），我们专注于烃类气体，将非烃气体研究留给将来。

基于裂解结果和唐某等（1996）和张某等人（2007）的动力学方法，总烃气、甲烷、C2〜C5生成的动力学参数最终被用于LawrenceLivermoreKinetics软件。

本研究的重点是评估初期从Barnett页岩生成的烃气。

因此，裂解反应没有进行完成，但限于实验Ro值最高约2.2％，使二次裂解反应的影响是有限的（比Behar等，1992，1997）。

由动力学参数计算的总气产量的合适数据被合理地总结在表3和图5中。

表3Barnett页岩的镜质体成熟度及油气生成的动力学参数

表明了总生气量的动力学模型在这项研究中预测裂解结果是一个合理的工作。

表3中由动力学参数计算到的甲烷产量对于实验也是不错的，只有在最高温度（456oC;Ro=2.17%;1oC/hr）时观察到稍有偏差，如图6所示。

这表明，甲烷生成的动力学模型在这个研究中研究裂解结果做了一个合理的工作直至大约Ro=2.0%。

由表3中实

图5两种加热速率下的得到的实验总烃气数据和基于本

研究的动力学参数计算得到的最佳曲线

图6两种加热速率下的得到的甲烷数据和基于本

研究的动力学参数计算得到的最佳曲线

图7两种加热速率得到的C2〜C5烃实验数据

及基于本实验动力学计算的最佳曲线

验数据的动力学参数计算的合适的C2〜C5烃产量不错，只有在两种升温速率的最高温度时观察到稍有偏差（图7）。

动力学模型结果表明气体产量的动力学模型在这个研究中预测裂解结果做了一个合理的工作直至Ro为2.0%，而且因此可以应用到沃思堡盆地页岩气生气模型中，其观察到的最高成熟度为Ro=1.9%。

唐某等（1996）和张某等（2007）总结了在模型中得到物理参数的基本方法。

热解实验分别在两个实验室加热速率下进行，气体组分的动力学参数被确定。

在计算中涉及两个不确定性：

（1）最高产量的不确定性；

（2）基于两个加热速率实验的潜在的不唯一动力解决方案。

下文将讨论这两个不确定性的敏感性分析。

6.动力学拟合的最大产气量的不确定性

已经做了大量的工作区调查不同方法对推导封闭系统裂解的动力学参数（例如，唐某等，1996，引文）。

虽然金管可以加热到非常高的温度，从而获得了从封闭系统的热解实验测得的最大天然气产量，这个数字代表页岩，加上油的二次裂解产生的气体主要裂解产生的气体，将偏置二次裂解的最大产气量（Behar等，1992，1997）。

然而，在开放系统的热解，最大主产气率来衡量，但在这种情况下，产量很低，不能合理地外推到地质条件。

从我们的封闭系统的实验数据，我们估计在两个层次上最大的天然气产量：

（1）天然气产量+天然气产量的50％（309毫升/克），

（2）天然气产量+100％的天然气产量（412mL/g）。

表3显示气产量在两个不同的最高产量时的动力学参数，图8是基于这些动力学推算的转换到地质学条件（1oC/m.y.）下的气量。

差异很小，表明最高产量没有明显改变气体产生的动力学参数。

这解释了在天然气生成动力学不确定时的最大产气量的基本不确定性。

7.动力学配件的不确定性

通常情况下，我们进行了敏感性分析，地质实地观察来评估我们的实验室数据的

图8裂解实验中不同最大产气量

的总气的动力学推断值的比较

适用性。

图9显示了用类似于Braun和Burnham（1997）开发的Kinetics2000这样的优化软件在实验数据和计算结果之间加和的总误差数据。

然而，升温速率增加不增加升温速率范围，可能无法显着降低的不确定性。

我们效仿唐某等（1996）和张某等（2007）的方法并调整频率因子在1012和1016/秒之间，直到实验和计算结果之间的总误差的总和最小（图9）。

8.讨论

8.1镜质体反射率动力学

镜质体是出现在煤和干酪根中的非均匀非晶有机大分子，用来评估沉积岩的热成熟度。

自然界中的有机质的成熟途径是原始生物材料的一种机能，归功于有机质、有机质聚集的沉积环境、盆地热史。

例如，陆生环境中的镜质体和海相及海洋影响相中的镜质体在化学和岩性特征有很大的区别（Stach等,1982;Lewan,1993;Rathbone和Davis,1993）。

这种自然的非均质部分解释了在沉积盆地中的所有煤级中镜质体反射率的非均质性归因于热史因素无关的因素。

图9A平面图显示频率因子A（second-1）与误差总和相对，显示最小误差达到频率因子两种加热速率的动力学拟合。

（A）反射率（%Ro）A=频率因子

图9B 总气体，A=频率因子。

图9C甲烷，乙烷-戊烷，A=频率因子

图3表明，未成熟和成熟的Barnett样品的镜质组有类似的成熟途径。

尽管我们已经推导出未熟和成熟的Barnett页岩的动力学参数数据集（见表3），成熟途径的

相似性表明，未成熟Barnett样品得出的动力学参数一般可以应用于整个盆地。

未熟的BarnettRo动力学参数应用于地质升温速率估计天然气产量为热成熟度的功能。

地质升温速率对需要达到特定的水平热成熟度的温度有强大的影响力（图10）。

用Ro动力学参数研究Barnett页岩，在1oC/m.y的加温速率下，Ro=1.0%达到129oC，在10oC/m.y.的加温速率下,Ro=1.0%达到143oC。

当Barnett页岩产气动力学被当做地质升温速率的功能时观察到天然气产量的一个类似的关系（图10）。

当Ro值在某一地质加热速率的计算被当作与同一地质加热速率下气产量计算相对时，将不依赖地质加温速率（图11）。

这表明,虽然埋藏热史可能会显示沃思堡盆地的时空变化,从这个研究中得出的天然气产量—Ro关系可以用于评价和比较在盆地不同部位的Barnett页岩的生气潜力。

图10A

8.2.油气生成预测

在这个实验和大自然中产热的页岩气系统中，热成因气的产生有三个来源：

干酪根裂解、沥青质裂解、原油裂解。

用从总烃气和Ro的裂解中得到的动力学参数完成Barnett页岩天然气生成模式。

我们认为，在这项研究中计算天然气产量最大的天然气产量，人们可能期望从Barnett页岩类似的TOC和岩石热解参数。

几乎相同的天然气产量与反渗透不同地质升温速率曲线允许一个估计热成熟度的功能作为一个独立的地质历史所产生的气体量。

天然气产量的热成熟度的一个函数被发表在表4。

图10B

图11A用本研究中推导出的气体产量与镜质体反射率分别在1、3、5、10oC/m.y.的加热速率下相对时的外推法结果表明,产气率作为一个功能的镜质体反射率（a）几乎是相同的在任何地质升温速率、产气率估计为任何热成熟度

图11B在沃斯堡盆地使用这种关系。

表4基于动力学参数及这项研究的产

量的热成熟度来预计天然气产量

TOC和岩石热解S2的增加值计算的天然气产量在表4的值将增加。

共有高达14％的有机碳值已报未成熟巴尼特页岩样品（Henk等，2000年。

Jarvie等，2001），

因此天然气产量近三倍，比在本研究报告可能更高实现。

我们假设在这项研究中取得的，气代动力学是普遍适用的流域范围，并且可以通过调整总的天然气或甲烷产量，估计气体量将产生较高的TOC，较高的岩石裂解值评估S2的样品。

我们的实验不能对常规储层原油在运移中的流失或Barnett页岩中由裂解引起的天然气流失做出解释。

未成熟和成熟样品天然气产量的差异（表2，图5-7）和动力学参数的差异（表3）显示了Barnett页岩中损失生气潜力的Ro在0.5％和1.1％之间。

两个调查样本中，在这个成熟度范围内大约失去了有20％的天然气潜力，显示了不仅烃源岩地球化学特征在控制页岩气产量中很重要，而且原油的保存和天然气的损失也很关键。

通过了解Barnett页岩的驱油效率，一个超出这篇文章范围的话题，并且估计保留在烃源岩的石油量，可以校正预测的页岩气产量。

出于实用的目的，这一研究成果可用于比较盆地不同部位的气潜力和用于评价气体生成的时机和数量的常规盆地模型的动力学参数。

Jarvie等（2004）讨论了热成熟度在Barnett页岩气的生成和聚集中的重要性。

达到RO1.1％似乎成为Barnett页岩气系统的关键。

RO1.1％以上，保留在烃源岩内的封闭孔隙原油开始裂变为气并且凝析，使Barnett天然气生产成为可能（Jarvie等,2004）。

以往的研究认为，石油仅在150oC时稳定（McNab等,1952）,并且温度高于150oC时原油不可能被发现（Barker,1990;Hayes,1991）。

然而，现场的证据（Price等,1979,1981;Price,1981;Mango,1990;Horsfield等,1992;Schenk等,1997）、实验室证据（Domine,1989,1991;DomineandEnguehard,1992;Horsfield等,1992;Price,1995;Schenk等,1997），及理论计算（Domine等,1990,1998）支持原油可以稳定直到200oC。

Waples（2000）利用模拟化合物裂解、重烃破坏、气体组成和油气发生的经验数据的动力学数据来推导自然界原油裂解为气的动力学显示。

他的研究结果显示原油在热应力下的裂解水平高于以往研究（McNab等,1952;Barker,1990;Hayes,1991）所提供的数值，但又低于最近研究（Horsfield等,1992;Schenketal.,1997）所提供的数值。

我们推断了Waples（2000）地质升温速率下的动力学结果，并将其与从本实验中计算得到的Ro相对（图12）。

结果表明，原油在Ro=1.1％时低于1％时裂解的程度，并且在Ro=1.86%（175oC）时要求原油裂解程度达到50%。

这表明，现存在成熟Barnett页岩中非常少的气体少于Ro<1.6％（转化率<15％）是石油裂解的产物，主要来自干酪根裂解。

然而，从Barnett页岩气系统的观测表明，当Ro<1.1%时保留在烃源岩内部