维普资讯 http://www.cqvip.com 石112 2003年12月 油勘探与开发 Vo130 No.6 .PETROI EUM EXPI ORATION AND DEVEI OPMENT 文章编号:1000-0747(2003)06-0112-05 凝析油充注对油藏沥青质分子结构的影响 贾望鲁,彭平安 (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) 基金项目:国家重点基础研究规划项目(G1999043308) 摘要:用原油沥青质的地球化学研究结果分析油气藏形成条件,前提是油藏沥青质分子结构不因后期天然气或凝析油的 再次充注而变化。在塔里木盆地轮南1井产出原油中加入不同体积的石油醚,模拟后期凝析油充注早期油藏的过程,测 定不同沉淀条件下原油的沥青质沉淀量变化,并用瞬间热解一色谱一质谱的方法研究沥青质的分子结构。实验结果,原油沥 青质随低分子烃类注入量的变化发生沉淀和再溶解,但沉淀出的沥青质分子结构相同。据此认为,低分子烃类加入原油 体系不会改变沥青质的分子结构特征,沥青质热解产物能够反映原油的母质结构特征,可以根据该特征进行油/源、油/油 对比或探讨混源油的母源类型。图5参19 关键词:沥青质;瞬问热解一色谱一质谱;分子结构;凝析油充注 中图分类号:TEl22.1 文献标识码:A O引言 地球化学家研究原油沥青质的主要目的是:①原 笔者在剂油比为20:1的条件下进行了5个平行 实验,所用溶剂都为分析纯级试剂,二氯甲烷经重新蒸 馏纯化,其它溶剂未进一步纯化处理。滤纸为中速定 量滤纸,使用前用二氯甲烷/甲醇混合溶剂抽提3d,然 油沥青质受生物降解和水洗等作用的影响较小Ct-a],不 少学者用沥青质的降解产物组成进行油/源和油/油对 后于室温下晾干以除去溶剂。文献Es]认为,即使经过 沉淀剂的抽提纯化,沥青质吸附或包裹的化合物仍会 使沥青质结构存在差异。笔者采用丙酮进行索氏抽提 (5d)的方法进一步纯化沥青质,可以有效地除去沥青 比;②原油沥青质是有机质热成熟作用较早阶段的产 物,含有丰富的生物标志物信息,可用来推测母质类型 并研究其形成环境 ;③利用沥青质热解动力学参 数,确定原油形成与排出的时间和温度条件 ]。这些 研究的前提条件是沥青质在地质与试验过程中不发生 结构变化,而对此尚未详细研究。 质吸附包裹的化合物和低分子沥青质[9,1o]。 元素分析使用Heraeus CHN-O Rapid元素分析仪, 热解使用PY-GC-MS连用仪,GC-MS分析使用Finnigan 气体或凝析油注入已形成的油藏在我国叠合盆地 中非常普遍。笔者利用剂油比(沉淀剂体积/原油质 量)的变化,近似模拟此过程中原油体系组成的改变, 测定不同沉淀条件下沥青质沉淀量的变化,并用瞬间 Voyager-GC ̄000T ̄P型色谱一质谱连用仪(EI源)。热解装 置为CDS2000型丝式热解仪,将约0.5rag样品置于石英 管中,两端塞玻璃棉后放进热解仪中,热解温度为 710 ̄C,停留lOs,热解产物经CDS1500型接口直接由载 热解一色谱一质谱研究不同条件下沉淀的原油沥青质的 分子结构。本文模拟实验条件与地质过程中真实的温 压变化有差距,但对了解在有轻质组分混合的条件下 气带入气相色谱仪,分流进样的分流比为20:1,载气为 氦气(99.999 )。热解产物分析采用两种毛细管柱:① Cp-SIL5 CB柱(Chrompack),30m×0.32ram×0.25urn, 沥青质结构有无变化仍有借鉴作用。 检测的碳数范围(正构烷烃)为7~30,载气流量1.4mL/ 1实验方法 原油样品LN1采自塔里木盆地轮南1井4751~ 477lm井段。沥青质的提取和纯化过程为:将约1g原 油置于三角瓶中,按照不同剂油比加入不同体积的石 油醚(30 ̄60℃),在室温下静置24h后过滤,将滤纸上 的沉淀用石油醚(30~60℃)索氏抽提7d,最后用二氯 甲烷将沥青质回流到烧瓶中,旋转蒸发除去溶剂并转 移到细胞瓶中,在低于40℃的条件下烘干并称重定量。 min,色谱升温程序为35℃停留5min,以3℃/min升至 300℃并停留lOmin;样品热解前加入内标聚 甲基苯乙 烯(Aldrich Chemical Company)以便定量。②PLOT(A12 O3一KC1)柱(Chrompack),25m×0.53ram×10 ITI,检测的 碳数范围为2~9,流量3.1mL/min,色谱升温程序为 30℃起停留5min,以5。C/min升至200℃并停留20min。 样品热裂解产物的总离子流图见图1,乙烷到正辛烷部 分采用PLOT柱的分析结果,正辛烷以上部分采用CP- S1L5柱的分析结果。 维普资讯 http://www.cqvip.com 2003年12月 贾望鲁等:凝析油充注对油藏沥青质分子结构的影响 113 (a) I异丁烷 2反.2.丁烯 3异丁烯 4顺.2.丁烯 5环戊烷 6 2-甲基-丁烷 7 I,3-丁二烯 8甲基环戊烷 9环己烷 l0 2.甲基戊烷 lI 3.甲基戊烷 12 I,3一环戊二烯 13 I.4-环戊二烯 14 3.甲基.环I旦烯 I5环己烯 16 12.二甲摹王f戊烷 l7甲基环己烷 I8乙基环戊烷 I9 3-甲基己烷 20甲基一环己烯 2l乙烯簋环戊烷 22苯 23 2.甲基.庚烷 24甲苯 10.0 20.0 30.0 40.0 ×污染物 (b)I甲基环己烷 2甲基环己烯 3甲苯 4甲基环己烯 5 2-甲基.庚烷 6 6-甲基.庚.1.烯 7 5,5一二甲基.I。3-己二烯 8乙基环戊烷 9 I,1,3-三甲基环己烷 l0乙基苯 lI 2,6-二甲基-I-庚烯 l2问+对二甲苯 l3 2・甲基・辛烷 l4邻二甲苯 l5异丙基苯 l6丙基环己烷 I7 2,6-一甲基.辛烷 I8 2-甲基・3-乙基-庚烷 19 I’2,4.三甲苯 10.0 30.0 50.0 70.0 20 l’2,3-三甲苯 2l Cl1烷 22 C"烷 S1内标物单聚1 23 C{2烷 s2内标物二聚1 24 2.6.二甲基.壬烷 S3内标物二三聚1 25 CI2烷 26 Cl1烷 27 C..苯 28 l’2,3A-四甲苯 29 2,6.二甲基.十—烷 一 I. / 30 C。s类异戊二烯烃 10.0 30.0 50.0 70.0 3l C。 类异戊二烯烃 保留时间(mtn) 图1 塔里木盆地轮南1井沥青质与标样热裂解产物总离子流图 定量方法为:首先校正计算CP—SIL5柱分析结果, 样品内标裂解产物的色谱峰面积,然后算出每毫克样 根据一个样品中内标裂解产物的色谱峰面积校正其它 品对应的各热裂解产物的峰面积。正十一烷至正十三 维普资讯 http://www.cqvip.com 114 石油勘探与开发・油藏物理 Vo1.3O NO.6 烷、正十四烷至正二十烷、正二十一烷至正三十烷分别 用正戊烷作沉淀剂时没有此现象 。本文实验结果, 剂油比低于3O时沥青质沉淀量逐渐增大,大于30后 沉淀量有下降趋势;用正戊烷作沉淀剂对另外一个油 样(LN31)的沥青质含量研究结果,剂油比低于20时 沥青质含量增加很快,大于20后沥青质沉淀量变化不 大(见图2)。因此,沥青质沉淀量在剂油比大于一定值 后可能会降低,主要取决于温度和沉淀剂的碳数。 2.2元素组成 用内标裂解的单体(S1)、二聚体(S2)、三聚体校正(S3, 见图1);第二步计算PLOT(A1。O。一KC1)柱的分析结 果,先计算出每毫克样品对应的热裂解产物峰面积,然 后通过正辛烷与CP-SIL5柱的正辛烷峰面积校正计算 PLOT柱其它热裂解产物的峰面积。最后汇总,得出 乙烷至正三十烷的热裂解产物组成。 2实验结果与讨论 5个平行样沥青质含量的相对偏差为0.9 ,沥青 质H/C和O/c原子比的相对偏差分别为2.3 和 8.4%,O・/c原子比的相对偏差较大,主要是由于。含 量的测定误差较大。平行样热裂解产物中正构烷烃/1一 烯的相对偏差大多小于10 ,只有C。一C。部分误差较 大,相对偏差约为2O ~30 。沥青质的分子结构参 数中,甲苯/正庚烷、1,2,3,4一四甲苯/正十一烷、甲基环 己烷/正庚烷、异丁烷/正丁烷和2,6--"甲基一十一烷/ 不同剂油比条件下沥青质的H/C、O/C原子比都 在误差范围内,与剂油比的变化没有对应关系,平均值 分别为1.11和0.017(见图3)。 O/C 0.015 0.020 0.025 0.030 — 5:1 邑15:1 震 隧30:1 翼㈨ 80:1 正十三烷的相对偏差小于5 ,苯/正己烷、环戊烷/正 戊烷、环己烷/正己烷、2一甲基丁烷/正戊烷、2一甲基庚 烷/正辛烷的相对偏差为5 ~10 ,2,6--"甲基壬烷/ 正十一烷的相对偏差(17 )较大。 / 虚线为平均值士2(平均值×相对偏差),平均值为不同石油醚/原油 比例的计算结果,相对偏差为5个平行样的计算结果 图3 不同剂油比条件下沥青质的元素比值(原子比) 2.1沥青质的沉淀 沥青质沉淀存在临界稀释比,剂油比超过临界稀 释比时,沥青质开始沉淀并且沉淀物迅速增加[1 ]。 本文实验从剂油比为5开始,该比值明显高于一般原 油沥青质的沉淀点l|1 ¨],因此未能观察到沥青质含量 迅速增加的现象(见图2虚线)。 2.3分子结构 沥青质的主要热裂解产物为正构烷烃/1一烯(见图 1),呈单调递减的分布形式(见图4),表明沥青质分子 中富含烷基侧链或烷基桥类型的结构。正构烷烃/1一烯 是瞬间热解的常见产物,可能主要来自藻类细胞壁中 耐降解的脂肪类生物聚合物l_1 。由于笔者采用GC— MS检测化合物,质谱的负压使C。、C。低分子烃类的色 、-, 谱行为发生变化,因此5个平行样的乙烷、丙烷测定误 差比较大,其它正构烷烃的相对偏差多小于10 (见图 4a)。不同剂油比条件下沥青质正构烷烃的分布十分 相似,只有剂油比为80:1时沉淀的沥青质热解产物 中碳数为10到12部分的正构烷烃较其它样品略偏低 沉淀剂/原油(mL/g) 棚 钿 喀 榧 烬 (见图4b)。 疃10’ 图2不同剂/油比条件下沉淀的沥青质含量变化图 沥青质沉淀有两个特殊规律[1¨:使用相同碳数的 正烷烃作沉淀剂,在温度较低(8℃和19℃)时,沥青质 (Asphalt,仅用沉淀剂反复清洗未进一步纯化)含量在 剂油比大于15后下降,8℃时下降幅度大于19℃时下 降幅度;但在温度较高(26℃)时,剂油比大于10后沥 青质沉淀量一直缓慢增加。同一温度用正庚烷作沉淀 剂,沥青质含量在剂油比大于10后的下降幅度大于用 正己烷作沉淀剂时,在剂油比大于20后缓慢下降,而 摇10s 10’ 磐 lO6 正构烷烃碳数 正构烷烃碳数 (a)剂油比为20:1的5个平行样品;(b)不同剂油比条件 图4沥青质热解产物中正构烷烃的分布 维普资讯 http://www.cqvip.com 2003年12月 贾望鲁等:凝析油充注对油藏沥青质分子结构的影响 热裂解产物中的支链烷烃系列主要为单甲基烷烃 果表明,不同沉淀条件下获得的原油沥青质在结构上 和二甲基烷烃,还检出少量类异戊二烯烃(见图I)。2一 具有均质性。 甲基、3一甲基烷烃类化合物的前身物可能是类脂物中的 支链脂肪酸,可能来自细菌、高等植物的类脂物_l ,一 苯/正己烷 甲苯/正庚烷 l,2,3,4一四甲苯/正十—烷 0.25 0.30 0.35 0.35 0.40 0.45 0.5 0.6 0.7 0.8 些藻类类脂物中也检出过丰富的单甲基烷烃类化合 _ 物_l 。LN1原油沥青质热裂解产物中没有发现高等 15:1 植物输入的证据,这类化合物可能主要来自菌、藻类脂 窿30:l 60:1 物。2,6一二甲基一辛烷和2,6一二甲基一壬烷可能来自大 要 8O:1 分子中姥鲛烷基链断裂,但2,6一二甲基十一烷不大可 环己烷/正己烷 甲基环戊烷/正己烷 能来自相同的结构,因为还需要发生脱甲基反应,这类 0.09 0.1l 0.13 0.15 0.15 0.2O 0.25 化合物可能源于角鲨烯或类胡萝卜素口 。 5.1 15:1 热裂解产物中环烷烃类化合物主要为环戊烷和环 窿30:l 己烷,包括c。一c 取代的环戊烷、c。一c。取代的环己 60:1 烷。此外还检出环戊二烯、甲基环戊烯、环己烯、甲基 要 8O:l 环己烯等环状烯烃(见图1)。环己烷类化合物可能来 甲基环己烷/正庚烷 异丁烷/正丁烷 2一甲基丁烷/正戊烷 自类脂物中的不饱和脂肪酸,通过分子内部的环化作 0.12 0.14 0.16 0.14 0.16 0.18 0.2O 0.25 0.30 0.35 用形成_l ,也可能由多环化合物(如萜类)裂解而成。 5:l 苯系物主要为c。一c 取代的苯类化合物,突出特 l5:l 皲 震 隧3O:1 征是有显著的异丙基苯和1,2,3,4一四甲基苯优势(见 图1)。1,2,3,4一四甲基苯可能是大分子键合的二芳类 烷肿 : 翼60:l 80:1 胡萝卜素的裂解产物口 。二芳类胡萝卜素是绿硫细菌 进行光合作用的重要色素,以硫键结合在大分子结构 z一甲基庚烷/正辛烷 ’ 主旱芎奏烷 ’6 _烷 0.2 0.3 0.4 0.1 0.2 0.3 0.15 0.20 中,主要来自于营光合作用的绿硫细菌 5.1 C z0r06 cP口P_l ,这种细菌通常生活在中等盐度一超 / 15:1 盐度的富含硫酸盐和硫化物的强还原水体(如黑海_l ) 萑30:l 60:1 中。LN1沥青质热裂解产物中显著的1,2,3,4一四甲苯 要 8O:l 优势表明,其母质可能形成于较强的还原环境。 图例同图3 不同剂油比条件下沉淀的沥青质部分分子结构参 图5不同剂油比条件下的沥青质分子结构参数 数见图5。指示沥青质分子中芳环结构的苯/正己烷、 甲苯/正庚烷、C 一苯/正十一烷的变化较平行样略大, 在低分子烃类注入原油体系的过程中,原油沥青 但和沥青质的沉淀量变化没有对应关系,3个比值的变 质随注入量的变化发生沉淀和再溶解,但沉淀的沥青 化也不一致,不足以证明是剂油比的变化导致了沥青 质的分子结构相同 因此,被后期生成的气体或凝析 质中芳环结构的差异。指示沥青质分子中脂环结构的 油注入的油藏中原油沥青质含量会显著降低,但原油 环戊烷/正戊烷、环己烷/正己烷、甲基环戊烷/正己烷、 沥青质结构特征不会改变,能够反映原油的母质结构 甲基环己烷/正庚烷变化很小,都在误差范围内,表明 特征。 不同条件下沥青质分子中的脂环结构是非常一致的。 指示沥青质分子中支链结构的异丁烷/正丁烷、2一甲基 3结论 丁烷/正戊烷、2一甲基庚烷/正辛烷、2,6-Z.甲基壬烷/正 LN1沥青质的主要热裂解产物为正构烷烃/1一烯, 十一烷、2,6一二甲基十一烷/正十三烷的变化也都在误 指示沥青质分子中富含烷基侧链或烷基桥类型的结 差范围之内。不同的分子结构参数代表了不同的母质 构,可能主要来自藻类细胞壁中耐降解的脂肪类生物 来源,如正构烷烃指示了藻类细胞壁中耐降解的脂肪 聚合物。热裂解产物中显著的1,2,3,4一四甲苯优势表 类聚合物来源,而苯系物和部分支链烷烃可能来自细 明其母质可能形成于较强的还原环境。 菌中的类胡萝卜素。此外,环己烷类化合物还可能反 不同沉淀条件下的沥青质沉淀量不同,但沉淀出 映了成岩过程中的分子内的环化作用。因此,上述结 的沥青质的元素组成、分子结构没有明显变化,表明原 维普资讯 http://www.cqvip.com 116 石油勘探与开发・油藏物理 [16] Vo1.30 No6 .油体系中低分子烃类的加入不会改变原油沥青质的结 构特征,对被后期生成的气体或凝析油注入的油藏,可 以用原油沥青质分子结构来进行油/源或油/油对比研 究。 参考文献: [1] Artok I ,su Y,Hirose Y, et a1. 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