Ý nghĩa của việc nghiên cứu đá mẹ
- Nếu không có đá mẹ thì không có nguồn cấp và đá mẹ là một trong những yếu tố đảm bảo cho sự hình thành và tồn tại của các tích tụ dầu, khí.
- Khi tiến hành tìm kiếm - thăm dò thì ta không thể bỏ qua nghiên cứu địa hóa đá mẹ để xác định phạm vi nghiên cứu, và định hƣớng công tác khoan .
-Xác định các thông số địa hóa cụ thể để phản ánh sự tồn tại cũng nhƣ chất lƣợng của đá mẹ. Mặt khác cũng giúp ta xác định tiềm năng sinh và khả năng dịch chuyển của HC của đá mẹ.
Các chỉ tiêu đánh giá đá mẹ.
Để đánh giá đá mẹ ngƣời ta tiến hành hàng loạt các thí nghiệm phân tích chính xác để trả lời các câu hỏi:
Lƣợng vật chất hữu cơ (VCHC) chứa trong đá mẹ?
Loại VCHC và hiệu suất sinh của nó?
Môi trƣờng lắng đọng và phân hủy?
Mức độ biến đổi của VCHC (Độ trƣởng thành)?
Tiềm năng sinh và khả năng dịch chuyển của HC?
Các phương pháp nghiên cứu các thông số đánh giá đá mẹ
Các phƣơng pháp nghiên cứu trong địa hóa dầu, khí hiện nay đều dự trên cơ sở học thuyết hữu cơ của dầu mỏ. Theo học thuyết này thì dầu mỏ tạo ra do quá trình tiến hóa nhiệt (trƣởng thành) của các VCHC có trong trầm tích. Trong môi trƣờng thiếu oxy, các vật liệu này bị phân hủy bởi các vi khuẩn yếm khí. Càng
xuống sâu hoạt động của các vi khuẩn yếm khí càng giảm dần nhƣờng chỗ cho quá trình tác động nhiệt độ chuyển hóa VCHC thành Kerogen.
Theo thời gian, tầng trầm tích chứa Kerogen bị chôn vùi sâu hơn. Nhiệt độ, áp suất trong tầng tăng lên gây nên quá trình cracking nhiệt và cracking nhiệt xúc tác làm cho các Kerogen bị biến đổi thành các hợp chất có cấu trúc đơn giản hơn và sinh ra hạt vi dầu, quá trình này đƣợc gọi là quá trình tạo dầu. Các hạt vi dầu tồn tại trong tầng sinh cho tới khi quá trình tạo dầu đạt tới điểm tạo dầu mạnh nhất nghĩa là nồng độ của các hạt vi dầu đạt tới nồng độ tới hạn. Chúng sẽ bị đẩy ra khỏi tầng sinh, di cƣ tới nhũng tích tụ trong các tầng chứa khi gặp bẫy. Quá trình tạo dầu tƣơng đƣơng với giai đoạn hậu sinh của quá trình tạo đá trầm tích.
Trong giai đoạn tiếp theo, các phân tử hữu cơ tiếp tục bị tác động bởi các yếu tố khác nhau nhƣng cracking nhiệt đóng vai trò chính tạo ra khí ẩm, condensat và cuối cùng là khí khô.
Các phƣơng pháp phân tích mẫu địa hóa mục đích xác định những thông số địa hóa chủ yếu là mẫu thu thập trong quá trình khoan (mẫu vụn, mẫu lõi, mẫu sƣờn, mẫu sản phẩm thu đƣợc trong khi thử vỉa) đồng thời có thể dùng các mẫu thu đƣợc trên bề mặt. Tùy thuộc vào loại mẫu, mục tiêu nghiên cứu các phép phân tích có thể đơn giản hay phức tạp, có thể đơn lẻ hay tổ hợp. Sau đó trên cơ sở những số liệu phân tích mới đƣa ra đánh giá tổng hợp.
Ở MVHN, các loại mẫu địa hóa đƣợc lựa chọn để phân tích tƣơng đối đa dạng về chủng loại: mẫu lõi, mẫu sƣờn, mẫu vụn, mẫu nƣớc, mẫu dầu, mẫu khí…Các phƣơng pháp này đƣợc phân tích địa hóa cơ sở nhƣ tổng hàm lƣợng Cacbon hữu cơ (TOC), Rock_Eval, phản xạ Vitrinit, sau đó những mẫu giàu VCHC và có độ trƣởng thành thích hợp sẽ đƣợc chọn để phân tích địa hóa chi tiết: chiết, tách, sắc ký khí (GC), sắc ký phổ khối…xác định thành phần hóa học (C1÷C5, CO2, N2, H2S…) còn các mẫu nƣớc thì chủ yếu xác định tỷ trọng, điện trở suất, cation và anion. Tất cả các phép phân tích trên đều đƣợc tiến hành chủ yếu ở phòng thí nghiệm của Viện Dầu Khí VN, và một phần ở các nơi khác. Kết quả phân tích địa hóa cho các loại mẫu này đƣợc tập hợp và đánh giá cho từng giếng khoan nhằm xác định sự có mặt của đá mẹ sinh dầu cũng nhƣ tính chất của sản phẩm đƣợc phát hiện trong giếng khoan và mối quan hệ giữa chúng.
Căn cứ vào đối tƣợng nghiên cứu trong mỗi giếng khoan, các mẫu địa hóa mà chủ yếu là mẫu vụn khoan đƣợc lựa chọn theo khoảng cách 5÷30m/mẫu. Các sản
phẩm nhƣ dầu, khí đƣợc lấy ra từ đá chứa. Các phƣơng pháp chủ yếu đƣợc sử dụng phổ biến trong tổ hợp nghiên cứu địa hóa dầu, khí:
Các phương pháp sử dụng trong nghiên cứu địa hóa.
Tổng hàm lƣợng cacbon hữu cơ (%TOC).
Nhiệt phân Rock-Eval.
Chiết Bitum.
Tách các thành phần Bitum.
Sắc kí khí lỏng, phân tích những Ankan C15+.
Phƣơng pháp phản xạ Vitrinit (%R0).
Phƣơng pháp chỉ số thời nhiệt TTI.
Ngoài ra còn có một số các phƣơng pháp khác nhƣ: Xác định mầu Kerogen, xác định màu bào tử phấn hoa.
Phân tích tổng hàm lƣợng Cacbon hữu cơ (%TOC)
Đây là phƣơng pháp phân tích bắt buộc cho các mẫu đƣợc lựa chọn để nghiên cứu địa hóa với chu trình phân tích rất đơn giản trên máy LECO-3000. Tùy thuộc vào mẫu giàu hay nghèo VCHC mà khối lƣợng đá đƣợc đƣa vào để phân tích tƣơng ứng, mẫu đá đƣợc nghiền nhỏ đƣợc loại bỏ Cacbonat và Silicat bằng axit HCL và HF. Mẫu đƣợc làm khô trƣớc khi cân và đƣợc cho vào lò đốt tới nhiệt độ 13500C và lƣợng CO2 thoát ra đƣợc ghi nhận. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Phản ứng trong lò xảy ra theo phƣơng trình. C+ O2 = CO2 Hệ số chuyển đổi = 0.2729 01 . 44 01 . 12 Mco Mc Fco 2 2 Trong đó:
FCO2 = hệ số chuyển đổi
MC = khối lƣợng nguyên tử C = 12.01. MO = khối lƣợng nguyên tử O = 16. MCO2= khối lƣợng phân tử CO2 = 44.01. Tổng hàm lƣợng cacbon hữu cơ:
k M M F m M F m M m TOC BĐ Đ CO CO BĐ CO CO BĐ C . . 100 . 2 2 2 2
BĐ S C M M k = hàm lƣợng cacbonat và silicat.
mC = lƣợng cacbon hữu cơ.
MĐ = khối lƣợng mẫu đá sau khi loại bỏ cacbonat và silicat MC+S = khối lƣợng phân tử của cacbonat và silicat.
MBĐ = khối lƣợng mẫu đá ban đầu.
Phƣơng pháp nhiệt phân Rock - Eval
Với một lƣợng mẫu đá rất nhỏ (0,1÷0,5g) đƣợc đem nghiền nhỏ, sau đó đƣợc đƣa vào nhiệt phân trong môi trƣờng khí trơ (Nito và Heli) theo một chƣơng trình nhiệt phân đƣợc ấn định tới 5500C trong thời gian từ 5÷10 phút.
Nhờ sự cải tiến về kĩ thuật mà các máy nhiệt phân Rock-Eval có nhiều cải tiến hơn,xác định đƣợc nhiều thông số hơn: S0, S1, S2, S3, S4 và có bộ phận xác định cả hàm lƣợng cacbon hữu cơ (%TOC). Tuy nhiên %TOC chủ yếu đƣợc đo trên máy LECO-3000 do tính chính xác và đơn giản của máy này.
Tiến hành phân tích trên máy nhiệt phân Rock-Eval, trƣớc khi tiến hành thí nghiệm phải đốt chén sứ chứa mẫu cùng toàn bộ hệ thống ở nhiệt độ cao (>6000C) để loại bỏ tạp chất ở chén và máy.
Quá trình nhiệt phân
Trong khoảng 2 phút đầu tiên ngƣời ta tăng nhiệt độ lên tới 900C. Với nhiệt độ này tất cả HC dạng khí từ C1÷C7 sẽ đƣợc tách ra và trên máy đo cho ta giá trị S0.
Sau đó tăng nhiệt độ lên 3000
C trong 3 phút. Trong 3 phút này tất cả HC dạng lỏng và rắn đã đƣợc tạo ra sẵn trong đá (C7÷C30) sẽ đƣợc tách ra và trên máy đo cho ta giá trị S1.
Trong 10 phút tiếp theo ta tăng nhiệt độ từ 3000C lên 600 0C. Trong khoảng thời gian nhiệt phân này các Kerogen hay Asfals dƣới tác động của nhiệt độ bị cracking cho ta sản phẩm là các HC. Máy cho ta giá trị S2. Khi S2 đạt giá trị cao nhất, tƣơng ứng với giá trị nhiệt độ Tmax.
Sau đó ta hạ nhiệt độ từ 6000
C xuống 3900C đồng thời mở van bẫy CO2. Trên đồ thị máy ghi cho ta giá trị S3. Đây là lƣợng khí CO2 vốn đã đƣợc sinh ra trong mẫu đá trong quá trình nhiệt phân khi nhiệt độ nhỏ hơn 4000C.
Đến đây quá trình nhiệt phân coi nhƣ kết thúc. Sau đó ta mở cửa lò cho O2 vào đá đƣợc đƣa đốt ở nhiệt độ 400÷5000C. Máy ghi cho ta giá trị S4.
S0 = Lƣợng HC khí sinh ra vốn có sẵn trong đá (mgHC/gđá).
S2 = Lƣợng HC còn có thể sinh ra từ đá mẹ nhƣng hiện chƣa đạt độ trƣởng thành(mgHC/gđá).
S3= Lƣợng CO2 có sẵn trong mẫu đá khi nhiệt phân ở nhiệt độ <4000C(mgCO2/gđá).
S4= Lƣợng CO2 đƣợc tạo ra do đốt C hữu cơ còn sót lại trong mẫu đá trong môi trƣờng có O2(mgCO2/gđá)
Giá trị S0, S1 và S2 thƣờng đƣợc sử dụng để xác định tiềm năng sinh và độ giàu vật chất hữu cơ của đá mẹ.
Trên biểu đồ kết hợp TOC với S1+S2 ngƣời ta định khả năng đá mẹ là đới sinh dầu hay sinh khí.
Hình 3.1 Sơ đồ nhiệt phân Rock-Eval
Tmax (0C) = Nhiệt độ tƣơng ứng lúc S2 max.
Giá trị Tmax đƣợc sử dụng trong đánh giá độ trƣởng thành của đá mẹ (oC).
Chỉ số Hydrogen - HI (Hydrogen index) TOC (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
S
Chỉ số HI đƣợc sử dụng trong đánh giá độ giàu vật chất hữu cơ. Chỉ số HI đƣợc sử dụng trong phân loại Kerogen.
Chỉ số HI đƣợc sử dụng kết hợp với Tmax trên sơ đồ để đánh giá độ trƣởng thành của đá mẹ và xác định loại Kerogen.
Chỉ số Oxygen - OI (Oxygen index) TOC
S
OI 3 (mgCO2/g Ch.c)
Chỉ số OI đƣợc sử dụng kết hợp với HI trên sơ đồ để xác định loại Kerogen và đánh giá tƣơng đối độ trƣởng thành của đá mẹ.
Chỉ số sản phẩm - PI (Productivity index) 1 2 1 S S S PI
Chỉ số PI phản ánh hiệu suất sinh của đá mẹ, đƣợc dùng để đánh giá độ trƣởng thành đá mẹ và xác định khả năng di cƣ của Hydrocacbon từ đá mẹ (HC đồng sinh hay biểu sinh). Khi PI > 0,3 thì Hydrocacbon bắt đầu di chuyển ra khỏi đá mẹ còn PI < 0.3 thì đó là HC tại sinh.
Chỉ số tiềm năng - PP (Total generation potential)
PP = S1+S2 (mg HC/g đá)
PP phản ánh tổng tiềm năng sinh của đá mẹ, PP càng cao thì khả năng sinh càng lớn. Trên biểu đồ tƣơng quan PP - TOC có thể xác định khả năng sinh sản phẩm của đá mẹ là dầu hay khí.
Phƣơng pháp chiết Bitum
Bitum là sản phẩm trung gian trong quá trình chuyển hóa VCHC phân tán thành dầu mỏ, phần hydrocacbon có thể hòa tan trong dung môi hữu cơ. Bitum đƣợc chiết ra khỏi đá mẹ nhờ bộ chiết Soxhlet hoặc đun nóng trong bình kín (phƣơng pháp rửa). Tùy thuộc vào độ giàu VCHC mà khối lƣợng mẫu ban đầu đƣợc lấy tƣơng ứng phù hợp (thƣờng từ 100-1000 gam) đem nghiền nhỏ. Tiếp đó có thể sử dụng 1 trong 2 cách sau:
Cách 1: Với bộ chiết Soxhlet, mẫu nghiền này đƣợc cho vào một gói giấy lọc làm lạnh, ngƣng tụ, chảy qua mẫu đá hòa tan kéo theo Bitum và chảy xuống dƣới bình, chu trình kín này tiếp tục kéo dài theo độ chính xác cần nghiên cứu.
Cách 2: Với phƣơng pháp trong bình kín thì mẫu nghiền đó đƣợc đem đun trong dung môi hữu cơ khoảng thời gian 48 giờ (dung môi chiết thƣờng là clorofooc, cồn benzen…Hiện nay thƣờng dùng là điclometan). Sau khi tách bỏ cặn dung môi đƣợc làm bay hơi. Trong quá trình bay hơi HC nhẹ sẽ bay hơi theo nên
trong bitum thu hồi chỉ còn C15+, là hỗn hợp của hydrocacbon no, hydrocacbon thơm và các hợp phần nặng (nhựa và Asfalt).
Nhƣ vậy hàm lƣợng của Bitum phụ thuộc vào hàm lƣợng của VCHC và mức độ chuyển hóa VCHC thành Bitum. Hàm lƣợng Bitum bao gồm 2 loại Bitum tự do (Bitum A) trong đá và Bitum còn liên kết chặt chẽ với hạt đá (Bitum C).
% Bitum = Hàm lƣợng Bitum trong đá = 𝐵𝑖𝑡𝑢𝑚𝐴 +𝐵𝑖𝑡𝑢𝑚𝐶
𝑀𝑑𝑎 . 100
Để thể hiện hàm lƣợng Bitum trong đá Ngƣời ta đƣa ra hệ số Bitum (β). Hệ số Bitum β= 𝐵𝑖𝑡𝑢𝑚𝐴 + 𝐵𝑖𝑡𝑢𝑚𝐶𝑇𝑂𝐶 .
Xác định thành phần nguyên tố H, C, O trong mẫu đá sau khi chiết Bitum ra. Lập các tỷ số O/C, H/C sử dụng trong việc phân loại VCHC.
Phƣơng pháp tách thành phần nhóm của Bitum (Sắc ký lỏng )
Sau khi chiết Bitum ngƣời ta tiến hành tách thành phần Bitum dựa trên cơ sở hòa tan có chọn lọc của các thành phần Bitum.
Các thành phần no, thơm, nặng của Bitum đƣợc tách riêng biệt nhờ cột tách thủy tinh nhồi hỗn hợp Silicagen và bột nhôm (Tỷ lệ 2:1). Trƣớc khi đƣa mẫu vào ngƣời ta loại bỏ Asfalt bằng cách cho kết tủa trong Hexan. Mẫu còn lại đƣợc đƣa vào cột tách lần lƣợt dùng các dung môi.
-Dùng CHCl3 để rửa thành phần HC no.
-Dùng Ete dầu mỏ để tách HC thơm (Aromatic).
-Dùng Benzen (nếu cần) để lấy nốt hợp phần nặng còn lại.
Đối với mẫu dầu thô dùng để tách các thành phần hydrocacbon cũng nhƣ tách theo trình tự Bitum. Tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu, các thành phần riêng biệt của Bitum đƣợc sử dụng cho các phép phân tích tiếp theo. Song trong lĩnh vực địa hóa ngƣời ta chỉ dùng Hydrocacbon no để nghiên cứu địa hóa chi tiết, cụ thể là trên sắc kí khí.
Chiết và tách Bitum là hai phƣơng pháp liên hoàn nhau. Các thông số thu đƣợc từ phép phân tích này đƣợc sử dụng một cách hữu hiệu trong địa hóa trên cơ sở phối hợp với các thông số địa hóa khác. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Sắc ký khí lỏng.
Sắc ký khí lỏng là phƣơng pháp xác định thành phần các cấu tử C15+ dựa trên sự khác biệt về nguyên tử lƣợng của từng cấu tử.
Sắc ký khí đƣợc tiến hành nhờ máy sắc ký khí với một cột hấp thụ có kích thƣớc mao quản dài từ 10÷25m. Bộ phận quan trọng khác là detector ion hóa ngọn lửa (FDI) để ghi nhận thời gian xuất hiện cũng nhƣ sự có mặt của từng cấu tử.
Toàn bộ phần hydocacbon no đƣợc tách từ Bitum đƣợc bơm qua bộ phận hóa hơi, sau đó sẽ đi qua cột mao quản đã đƣợc đặt trƣơng trình nhiệt độ, sau đó tăng tuyến tính lên đến 3000C với tốc độ 40C/phút, dƣới sự tác động của khí mang (Nitơ và Heli). Các cấu tử trong dải phân bố n-Ankan sẽ lần lƣợt đƣợc xuất hiện theo trọng lƣợng từ cấu tử nhẹ đến nặng. Đồng thời với sự xuất hiện này detetor ion hóa ngọn lửa (FDI) sẽ ghi nhận cụ thể thời gian xuất hiện và hàm lƣợng từng phân tử khác nhau. Bằng giản đồ sắc ký khí (hình dạng, tƣơng quan các cấu tử, hàm lƣợng các cấu tử…) sẽ chọn ra các tham số thích hợp để sử dụng cho từng trƣờng hợp cụ thể hoặc để so sánh dầu thô với đá mẹ.
- Isoprenoid: hai cấu tử quan trọng nhất là Pristane(iC19) và Phytane(iC20) dùng để xác định loại VCHC và môi trƣờng lắng đọng, môi trƣờng phân hủy VCHC, độ trƣởng thành và thậm chí cả độ biến chất của dầu.
- Tỷ số cacbon chẵn lẻ (CPI) dùng để xác định quá trình tiến hóa của đá mẹ. Độ trƣởng thành của đá mẹ, nguồn gốc dẫn suất dầu mỏ (biển hay lục địa). Nếu tính trội của cacbon lẻ trong dãy C21 đến C27 chiếm ƣu thế sẽ thể hiện dầu thô có hàm lƣợng sáp cao và dẫn suất của nó từ thục vật thƣợng đẳng (Bry và Erans 1968).
34 24 35 25 33 23 2 C C C
CPI (theo J. Hunt)
- Hình dạng của sắc ký khí cho phép nhận định về nguồn gốc và độ trƣởng thành của Kerogen.
- Đôi khi ngƣời ta còn xác định tỷ số (C15-C18)/(C23-C26) để xác định độ trƣởng thành của đá mẹ.
Phƣơng pháp xác định loại VCHC
Độ giàu VCHC là điều kiện cần song vẫn chƣa đủ bởi vì một số loại đá trầm tích chứa than rất giàu VCHC (TOC 20÷40%) song khả năng sinh dầu lại rất thấp vì cacbon hữu cơ ở đấy đã bị than hóa, chúng có nguồn gốc từ thực vật bậc cao. Bởi vậy, xác định loại VCHC và Kerogen tƣơng ứng là rất quan trọng trong đánh giá hiệu quả sinh dầu của đá mẹ.
Quá trình trầm tích lún chìm, độ sâu vùi càng lớn, nhiệt độ càng cao, sự thay đổi về mặt hóa học của VCHC trong đá trầm tích càng lớn. Một trong những mốc