基于力学性质的有机质成熟度表征方法与流程

1.本发明属于有机质成熟度表征技术领域，尤其涉及一种基于力学性质的有机质成熟度表征方法。


背景技术：

2.成熟度是指有机质向油气转化的热力反应的程度，其可以表征有机质成烃有效性和产物性质，理解有机质物理-化学过程演化机理，是评估油气资源量的重要参数。如何准确表征有机质成熟度是烃源岩地球化学的重要问题。
3.有机质成熟度表征历来是石油地质领域研究的热点。有机质成熟度表征主要经历两个阶段，第一阶段为传统表征方法，第二阶段为谱学技术表征方法。其中，在传统表征方法中，镜质体反射率(ro)是最常用的方法，但其对于缺乏陆源高等植物输入、以及较老的地层并不适用，因此，对于求取镜质体反射率困难的地层，前人建立了可替代的固体沥青、笔石等镜质体反射率当量模型，然而由于各向异性，该方法也面临着一些不确定性；岩石热解参数s2对应的tmax峰值也是常用的求取热成熟度的参数，前人建立了不同条件下tmax与ro的模型，但对于高成熟度以及toc含量低的地层，s2峰往往不发育，导致成熟度测定不准确；c29甾烷异构化参数是常用的成熟度生标指标，但在ro大于1.0％后，存在异构化平衡区间，在高成熟、微生物降解地层不适用。由此可见，传统的成熟度表征方法存在种种的局限性。
4.谱学技术表征方法包括拉曼光谱(raman)、红外光谱(ftir)、核磁共振光谱(nmr)等谱学技术。然而，上述基于化学结构表征成熟度的方法存在一些共同的局限性：测试对有机质规格有一定要求；受有机质类型影响较大，以拉曼光谱为例，成熟度参数峰间距(g-d1)在不同类型有机质中有不同的回归曲线；并且谱学方法无法定量；结构参数与ro关系布明确。这些问题都是制约谱学技术应用的难点。


技术实现要素：

5.针对现有技术存在的不足之处，本发明所要解决的技术问题是克服现有传统表征方法及谱学技术表征方法用于表征有机质成熟度时存在的各种局限性与问题，提出一种具有适用范围广、局限性小、分析结果准确的基于力学性质的有机质成熟度表征方法。
6.为解决所述技术问题，本发明采用的技术方案为：
7.本发明提供一种基于力学性质的有机质成熟度表征方法，包括：
8.建立有机质成熟度序列步骤，包括对烃源岩样品进行镜质体反射率测定，得到所述烃源岩样品的有机质成熟度，并建立有机质成熟度序列；
9.获得杨氏模量步骤，包括使用原子力显微镜测量所述烃源岩样品的杨氏模量，得到不同成熟度烃源岩样品中有机质的杨氏模量；
10.构建s模型步骤，包括结合所述有机质成熟度序列及所述杨氏模量，利用回归分析方法，构建有机质成熟度与杨氏模量的s模型；
11.确定未知烃源岩样品的有机质成熟度步骤，包括使用原子力显微镜测量所述未知
烃源岩样品的杨氏模量，利用所述s模型得到所述未知烃源岩样品的有机质成熟度。
12.优选的，还包括：检验镜质体反射率测定结果步骤，包括在所述建立有机质成熟度序列步骤之后，利用传统生标参数检验由所述镜质体反射率测定得到的所述有机质成熟度的结果。
13.优选的，所述检验镜质体反射率测定结果步骤具体包括：对有机质中的饱和烃进行色谱质谱分析，求取ts/ts tm，c29ααα20s/(20r 20s)、20r c29αββ/(αββ ααα)，霍烷/三环萜烷成熟度参数，对比其与镜质体反射率的相关性，检验镜质体反射率测定结果。
14.优选的，还包括：烃源岩样品选择步骤，包括在所述建立有机质成熟度序列步骤之前，选择不同深度的烃源岩样品。
15.优选的，所述烃源岩样品选择步骤中的所述烃源岩样品来自玛湖凹陷风城组和吉木萨尔凹陷芦草沟组，有机质类型均为ⅱ1型，取自不同的深度。
16.优选的，所述s模型的拟合方程为：
[0017][0018]
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
[0019]
本发明提供一种基于力学性质的有机质成熟度表征方法，不需要识别有机质显微组分，对于高成熟、低toc、微生物降解地层也适用，不受有机质规格的影响，可以进行纳米尺度有机质力学性质测量，有机质力学性质主要受演化程度的影响，受有机质类型影响较小，应用建立的模型可以定量表征未知烃源岩的成熟度，与ro相关性大，具有适用范围广、局限性小、分析结果准确的特点。
附图说明
[0020]
图1为本发明实施例所提供的准噶尔盆地玛湖凹陷风南1井4096.60m样品的透射光镜质组显微特征示意图；
[0021]
图2为本发明实施例所提供的准噶尔盆地玛湖凹陷风南1井4096.60m样品的荧光镜质组显微特征示意图；
[0022]
图3为本发明实施例所提供的准噶尔盆地玛湖凹陷风南1井4096.60m样品的反射光(空气浸)镜质组显微特征示意图；
[0023]
图4为本发明实施例所提供的准噶尔盆地玛湖凹陷风南1井4096.60m样品的反射光(油浸)镜质组显微特征示意图；
[0024]
图5为本发明实施例所提供的准噶尔盆地16件烃源岩样品深度与镜质体反射率ro相关性示意图；
[0025]
图6为本发明实施例所提供的准噶尔盆地16件样品饱和烃gc-ms生标成熟度参数c29ααα20s/(20r 20s)与镜质体反射率ro的相关性示意图；
[0026]
图7为本发明实施例所提供的准噶尔盆地16件样品饱和烃gc-ms生标成熟度参数20r c29αββ/(αββ ααα)与镜质体反射率ro的相关性示意图；
[0027]
图8为本发明实施例所提供的准噶尔盆地16件样品饱和烃gc-ms生标成熟度参数ts/ts tm与镜质体反射率ro的相关性示意图；
[0028]
图9为本发明实施例所提供的准噶尔盆地16件样品饱和烃gc-ms生标成熟度参数霍烷/三环萜烷与镜质体反射率ro的相关性示意图；
[0029]
图10为本发明实施例所提供的准噶尔盆地f20光学显微镜下有机质图像；
[0030]
图11为本发明实施例所提供的准噶尔盆地x40光学显微镜下有机质图像；
[0031]
图12为本发明实施例所提供的准噶尔盆地f20有机质dmt模量分布图a；
[0032]
图13为本发明实施例所提供的准噶尔盆地x40有机质peak force error通道图；
[0033]
图14为本发明实施例所提供的准噶尔盆地f20有机质dmt模量分布图b；
[0034]
图15为本发明实施例所提供的准噶尔盆地x40有机质dmt模量分布图c；
[0035]
图16为本发明实施例所提供的准噶尔盆地f20有机质高斯拟合后的dmt模量分布频率图；
[0036]
图17为本发明实施例所提供的准噶尔盆地x40有机质dmt模量分布频率图；
[0037]
图18为本发明实施例所提供的准噶尔盆地j66的dmt模量分布图；
[0038]
图19为本发明实施例所提供的准噶尔盆地j66高斯拟合后的dmt模量分布频率图；
[0039]
图20为本发明实施例所提供的准噶尔盆地fn5的dmt模量分布图；
[0040]
图21为本发明实施例所提供的准噶尔盆地fn5高斯拟合后的dmt模量分布频率图；
[0041]
图22为本发明实施例所提供的准噶尔盆地j44的dmt模量分布图；
[0042]
图23为本发明实施例所提供的准噶尔盆地j44高斯拟合后的dmt模量分布频率图；
[0043]
图24为本发明实施例所提供的准噶尔盆地x40的dmt模量分布图；
[0044]
图25为本发明实施例所提供的准噶尔盆地x40高斯拟合后的dmt模量分布频率图；
[0045]
图26为本发明实施例所提供的准噶尔盆地烃源岩成熟度ro与杨氏模量的s模型；
[0046]
图27为本发明实施例所提供的有机质中不同位置的拉曼光谱图；
[0047]
图28为本发明实施例所提供的robust建立的ro与rbs模型求得fn5样品的成熟度示意图；
[0048]
图29为本发明实施例所提供的未知烃源岩样品使用高斯函数拟合后的dmt模量频率分布图；
[0049]
图30为本发明实施例所提供的由建立的s模型求取未知烃源岩样品的成熟度示意图。
具体实施方式
[0050]
下面将结合附图对本发明具体实施例中的技术方案进行详细、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明总的技术方案的部分具体实施方式，而非全部的实施方式。基于本发明的总的构思，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都落于本发明保护的范围。
[0051]
本发明提供一种基于力学性质的有机质成熟度表征方法，包括：
[0052]
建立有机质成熟度序列步骤，包括对烃源岩样品进行镜质体反射率(ro)测定，得到所述烃源岩样品的有机质成熟度，并建立有机质成熟度序列。在该步骤中，对选取的不同深度的烃源岩样品进行成熟度测量，使用最常用的镜质体反射率来对成熟度进行标定，建立低成熟度到高成熟的成熟度序列。需要说明的是，之所以建立低成熟度到高成熟的成熟度序列，原因在于，利于测量不同成熟度样品下有机质的杨氏模量，探讨有机质杨氏模量与
成熟度的相关性。
[0053]
获得杨氏模量步骤，包括使用原子力显微镜测量所述烃源岩样品的杨氏模量，得到不同成熟度烃源岩样品中有机质的杨氏模量；构建s模型步骤，包括结合所述有机质成熟度序列及所述杨氏模量，利用回归分析方法，构建有机质成熟度与杨氏模量的s模型。原子力显微镜(afm)测量技术实现了纳米尺度有机质力学性质的表征，该步骤使用原子力显微镜afm定量纳米成像技术测量有机质的杨氏模量，分析不同成熟度下有机质杨氏模量的差异，建立有机质成熟度ro与杨氏模量的s模型。需要说明的是，以马内利等研究发现，有机质力学性质参数杨氏模量与成熟度存在潜在的联系，并且这种联系与有机质脂肪基团的脱落和芳香基团的富集有关。然而，其并没有探讨有机质力学性质参数杨氏模量与成熟度的相关性。本发明技术方案考虑到有机质成熟过程中物理和化学性质会发生变化，提供了一种将有机质力学性质用于表征有机质成熟度的新思路。
[0054]
确定未知烃源岩样品的有机质成熟度步骤，包括使用原子力显微镜测量所述未知烃源岩样品的杨氏模量，利用所述s模型得到所述未知烃源岩样品的有机质成熟度。
[0055]
本发明提供的有机质成熟度表征方法为表征有机质成熟度提供了新的技术方法，为研究和理解生烃演化过程中有机质力学行为提供了新的窗口，提供一种基于力学性质表征有机质成熟度的新方法，对烃源岩评价具有重要的意义。该方法不需要识别有机质显微组分，对于高成熟、低toc、微生物降解地层也适用，不受有机质规格的影响，可以进行纳米尺度有机质力学性质测量，有机质力学性质主要受演化程度的影响，受有机质类型影响较小，应用建立的模型可以定量表征未知烃源岩的成熟度，与ro相关性大，具有适用范围广、局限性小、分析结果准确的特点。
[0056]
在一优选实施例中，还包括检验镜质体反射率测定结果步骤，包括在所述建立有机质成熟度序列步骤之后，利用传统生标参数检验由所述镜质体反射率测定得到的所述有机质成熟度的结果。可选的，所述检验镜质体反射率测定结果步骤具体包括：对有机质中的饱和烃进行色谱质谱(gc-ms)分析，求取ts/ts tm，c29ααα20s/(20r 20s)、20r c29αββ/(αββ ααα)，霍烷/三环萜烷成熟度参数，对比其与镜质体反射率的相关性，检验镜质体反射率测定结果。
[0057]
在一优选实施例中，还包括：烃源岩样品选择步骤，包括在所述建立有机质成熟度序列步骤之前，选择不同深度的烃源岩样品。可选的，研究区为准噶尔盆地，所述烃源岩样品选择步骤中的所述烃源岩样品来自玛湖凹陷风城组和吉木萨尔凹陷芦草沟组，有机质类型均为ⅱ1型，取自不同的深度，利于建立有机质成熟度序列。
[0058]
在一优选实施例中，所述s模型的拟合方程为：
[0059][0060]
上述拟合方程的相关性r2达到0.9667，说明基于afm力学性质表征成熟度的强大潜力。模量值的增大具有明显的阶段性，有机质成熟过程中其力学行为转折端对应油气转换的关键阶段生油门限(ro＝0.7％)，生油高峰(ro＝1.0％)，高熟油气(ro＝1.3％)。
[0061]
为了更清楚详细地介绍本发明实施例所提供的基于力学性质的有机质成熟度表征方法，下面将结合具体实施例进行描述。
[0062]
实施例1
[0063]
以准噶尔盆地玛湖凹陷风城组和吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩样品为例详细介绍本发明所述的利于表征有机质成熟度的新方法。
[0064]
s1:选择不同深度的烃源岩样品
[0065]
准噶尔盆地玛湖凹陷风城组和吉木萨尔凹陷芦草沟组是两套重要的烃源岩层系，芦草沟组盐湖到风城组碱湖代表了咸化湖泊盐碱序列，是典型的咸化湖盆相烃源岩，有机质类型均为ⅱ1型，岩心取样深度从2576.00m到5662.00m不等，利于建立自然剖面有机质成熟度序列。
[0066]
s2：对烃源岩样品进行镜质体反射率(ro)测定，建立成熟度序列
[0067]
使用最常用的镜质体反射率ro来对成熟度进行标定。测量ro的仪器为zeiss axioskop 40pol显微镜和msp210光度计。ro测量的关键在于镜质体的识别，镜质体在透射光下为棕红色(如图1所示)、没有荧光(如图2所示)，区别于腐泥组，在反射光空气浸下，与周源矿物相比有较高突起(如图3所示)，油浸下较惰质组要暗(如图4所示)。16件烃源岩样品的镜质体反射率从0.52％到1.45％，主体处于生油窗内，并且与深度有较强的相关性(如图5所示)，与真实的地质情况相符合。
[0068]
s3：使用传统生标参数检验ro测定结果
[0069]
本次研究中镜质体反射率是非常重要的一个参数，需要检验测量的准确性。对饱和烃进行gc-ms分析，求取ts/ts tm，c
29
甾烷异构化参数，霍烷/萜烷等成熟度参数，来看与镜质体反射率的相关性，结果表示，镜质体反射率与生标成熟度参数有较高的相关性(如图6、7、8、9所示)，说明ro测量结果的准确性。
[0070]
s4：使用原子力显微镜(afm)测量不同成熟度有机质的杨氏模量，建立成熟度ro与杨氏模量的“s模型”[0071]
使用原子力显微镜定量纳米成像技术(afm-qnm)原位测量有机质杨氏模量。在准备afm实验的样品时，首先用金刚石悬浮液抛光，然后用4kv的加速电压对样品进行氩离子抛光，使样品表面尽可能的光滑，减少扫描过程中表面粗糙度的影响。基于afm测量有机质弹性模量时，需要先在显微镜下找到待测的有机质(如图10、11所示)。有机质较无机矿物要软，在dmt模量分布图和peak force error通道中可以快速定位有机质(如图12、13所示)。然后进行局部扫描(如图14、15所示)，对dmt模量分布频率图进行高斯拟合，得到该有机质的弹性模量(如图16、17所示)。将模量图的比例尺统一都调为0-15gpa，低成熟的有机质为绿色(如图18、19所示)，成熟有机质为蓝色和青色(如图20、21、22、23所示)，高成熟为粉色(如图24、25所示)，通过力学模量图可以有效表征成熟阶段。扫描的有机质模量分布范围为2.1-14.78gpa，并且随成熟度的增加，模量值呈s型增大，使用slogistic模型拟合，相关性r2达到0.9667，说明基于afm力学性质表征成熟度的强大潜力(如图26所示)。
[0072]
slogistic1模型拟合方程：r2＝0.9667。
[0073]
模量值的增大具有明显的阶段性，有机质成熟过程中其力学行为转折端对应油气转换的关键阶段生油门限(ro＝0.7％)，生油高峰(ro＝1.0％)，高熟油气(ro＝1.3％)。
[0074]
s5：确定未知烃源岩样品的成熟度
[0075]
样品编号fn5-4065.50m:
[0076]
(1)镜质体反射率(ro)测量结果为1.13％。
[0077]
(2)拉曼光谱成熟度参数(rbs)为240cm-1
(如图27所示)，根据robust建立的ro与rbs模型求得的成熟度ro为1.15％(如图28所示)。
[0078]
(3)使用afm-qnm技术求得该样品的dmt模量为12.10gpa(如图29所示)。
[0079]
通过力-距曲线可以得到derjaguin-muller-toporov(dmt)模量，如公式1所示。计算出dmt模量后，通过公式2可以得到杨氏模量值。
[0080][0081]
式中，fapplied为针尖施加的力，e*为dmt模量，r为针尖半径，δ为针尖压痕引起的凹坑深度，fadhesion是针尖与扫描样品表面的粘附力。
[0082][0083]
式中，e*为dmt模量，vs是样品的泊松比，es为样品的杨氏模量，vtip是所选尖端的泊松比，etip是所选尖端的杨氏模量。
[0084]
根据以上公式求得样品的杨氏模量为11.90gpa，由本发明建立的成熟度ro与杨氏模量的“s模型”求得的ro为1.14％(如图30所示)。
[0085]
通过上述三种方法得到的成熟度结果如表1所示。
[0086]
表1不同方法得到的成熟度结果
[0087][0088][0089]
由表1结果可见，基于本发明建立的成熟度ro与杨氏模量的“s模型”可以准确地表征有机质成熟度。