Question

优质烃源岩生烃特征及其机制

Answer 1

在对湖相烃源岩沉积有机相及空间展布研究的基础上，选取不同环境的缺氧-短暂充氧有机相优质烃源岩建立了自然演化剖面，对比分析了其成岩演化和生烃产物演化的差异性，并结合生排烃物理模拟，分析烃源岩的生排烃机制。

（一）咸化湖相烃源岩自然演化剖面及其生烃差异

咸化湖相优质烃源岩以东营凹陷沙四段为代表，其自然演化剖面如图2-28所示，可划分为以下几个阶段，即未成熟阶段（＜2200m）、低成熟阶段(2200～2900m)、成熟阶段(3000～4000m)、高成熟阶段（4000～5200m）和过成熟（＞5200m）阶段，不同演化阶段的有机地球化学特征如下：

图2-28 东营凹陷Es₄段烃源岩地球化学参数随深度的变化

未成熟阶段，埋藏深度1500～2000m，镜质体反射率＜0.30%～0.40%，有机质演化程度较低，氯仿沥青A/TOC相对较低。该深度段氢指数随深度的增加缓慢升高，这与有机质早成岩期有机质的重排作用有关。由于生烃作用尚未发生，烃源岩中的可溶有机质以少量的生物残留烃为主。

低成熟阶段，埋藏深度2000～2900m，镜质体反射率0.40%～0.50%。烃源岩已开始生烃过程，氯仿沥青A/TOC开始增加，但氢指数基本保持不变。

成熟阶段，埋藏深度2900～4000m，镜质体反射率0.50%～1.0%。烃源岩进入成熟生烃高峰，生烃量迅速增加，氢指数迅速下降，氯仿沥青A维持较高的含量。

高成熟阶段，埋藏深度4000～5200m，镜质体反射率1.0%～1.5%。烃源岩生油速率逐渐降低，生气速率逐渐增加。由于天然气的大量生成，造成烃指数、氢指数和氯仿A含量迅速下降，表明天然气的排烃效率要高于原油的排烃效率。随着深度的增加，烃源岩的生烃潜力逐渐耗尽。

过成熟阶段，埋藏深度＞5200m，镜质体反射率＞1.5%。该阶段烃源岩分布非常局限，成藏贡献不大。

半咸化优质烃源岩以济阳坳陷沙三下亚段为代表，其自然演化地球化学剖面如图2-29所示。

未成熟阶段，埋深小于2200m，镜质体反射率＜0.40%，氯仿沥青A/TOC、总烃/TOC均较低，有机质演化程度较低。

低成熟阶段，埋深2200～3000m，镜质体反射率0.40%～0.50%，氯仿沥青A/TOC和总烃/TOC均开始缓慢增加，但增速较小，其中前者一般小于0.1，后者一般小于0.05，表明烃源岩已开始生烃过程，但生烃速率仍较慢，烃源岩含油饱和度仍较低。

成熟阶段，埋深大于3000m，镜质体反射率＞0.50%以后，氯仿沥青A/TOC和总烃/TOC迅速增加，至3200m左右达到峰值，其中前者可达到0.35～0.40，后者可达到0.20～0.30，这些特征表明烃源岩已经成熟并进入生烃高峰。由于区内沙三下亚段烃源岩最大埋深在3700～3800m，烃源岩尚未达到高过成熟阶段。

图2-29 东营凹陷沙三段下亚段优质烃源岩的地球化学参数与深度纵向变化

与半咸化湖相沙三下亚段烃源岩相比，咸化环境沙四段烃源岩生烃演化明显提前。埋藏深度2500～2600m左右时，沙四段烃源岩氯仿沥青A/TOC、总烃/TOC两参数值已有近半数超过0.20，并接近峰值，已接近或达到生烃高峰。而直到埋藏深度3000m左右Es₃烃源岩的上述参数才接近峰值，两者相差400～500m。另外在埋藏深度＜2900m以前，相近深度、不同沉积有机相沙四段烃源岩样品地球化学参数变化较大，可能与其有机质丰度和类型的差异导致的排烃过程和排烃量的差异有关，这种差异性也是烃源岩非均质性的一种体现。烃源岩地球化学特征的差异表明东营凹陷咸化湖相沙四段具有早期生烃和持续生烃的特点，生烃持续阶段长，而半咸水沙三段烃源岩仅存在一个成熟生烃高峰，具有集中生烃的特点。

不同环境烃源岩自然演化过程的生烃差异性与其生烃动力学特征是一致的（图2-30）。根据对区内典型烃源岩的活化能分析，咸化环境的

亚段样品活化能分布范围较宽，且低活化能区频率值较高，因而生烃范围跨度较大，具有早期生烃和持续生烃的特点，其中低活化能的官能团断键将会导致低熟油的生成；而半咸化环境的

亚段样品活化能较为集中，平均活化能相对较高，因而生烃过程相对集中，且具有晚期生烃和集中生烃的特点。偏淡水环境的

亚段活化能分布虽然较分散，但其活化能值也相对偏高，因此也以晚期干酪根降解生烃为主。上述结果与张林晔等（2005）对烃源岩有机质化学组成结构的研究结果也非常一致：

亚段烃源岩中有机质以非共价键键合方式为主，约占79%，而

烃源岩中有机质的键合方式以共价健为主（约70%），两种烃源岩有机质化学组成结构的差异决定了其活化能频率分布的差异，尽而对生烃过程产生重要影响。

图2-30 东营地区低熟烃源岩活化能分布

咸化烃源岩生烃的特点具有一定的普遍性。济阳坳陷的其他凹陷/洼陷以及临近的鲁西盆地也具有相同的特点。根据鲁西汶东凹陷汶ZK16大汶口组的盐间烃源岩段（深度段84.4～489m，图2-31）地球化学分析，其镜质体反射率＜0.51%，热解T_max为415～426℃，甾烷异构化参数C₂₉S/S+R为0.05～0.38，C₂₉ββ/aa+ββ为0.25～0.38，总体处于低成熟阶段。但其氯仿沥青A/TOC和热解S₁/S₂的比值很高。其中氯仿沥青A/TOC值介于0.077～2.514，平均为0.773。从表面上看，该比值高于1似乎很难理解。实际上，从当前通用的有机碳测定方法来看，测定过程中要对烃源岩样品进行HCl酸溶解和烘干，可溶有机质会发生不同程度的损失，导致有机质含量相对偏低。因此，有机碳损失的程度与可溶有机质的含量存在必然的联系，如果烃源岩中可溶有机质含量远高于干酪根含量，将会出现氯仿沥青A/TOC大于1的情况。而可溶有机质0.029～0.333，平均为0.101，也非常高。

图2-31 鲁西汶东凹陷烃源岩热解S₁/S₂和氯仿沥青A/TOC随深度的变化

高氯仿沥青A/TOC特征是咸化湖相烃源岩的普遍特征。资料显示，在我国古近系不同含油气盆地，如潜江、晋县、柴达木、东濮等沉积凹陷中，咸化烃源岩的氯仿沥青A/TOC均很高，如表2-3所示，氯仿沥青A/TOC均大于15%，多数在20%以上。

表2-3 我国东部陆相断陷盆地部分咸化湖相烃源岩氯仿沥青A/TOC特征

综合前人对咸化未熟—低成熟烃源岩中高可溶抽提出物的原因分析以及对其母质来源及保存条件的研究，认为以下原因可能共同导致了该类特殊烃源岩中富集EOM的现象：①有机质近源特征和在水体中滞留时间较短有利于生物来源可溶有机质的保存；②低分子量特别还原条件可能对干酪根原始母质的缩聚有延迟阻碍作用；③在强还原条件下，丰富的H₂S和低含量铁可能导致大量的硫进入干酪根；由于S-S键和C-S键较弱，易断裂，导致在低成熟阶段即可产出高的可溶有机质；④膏盐层间的烃源岩排烃困难，生物残留烃和干酪根生成的烃为膏盐包裹等。

（二）咸化湖相烃源岩生烃物理模拟

根据前文分析，不同类型的烃源岩生烃特征存在明显的差异。通过加水生烃模拟实验，并结合烃源岩自然演化特征，系统分析了咸化烃源岩和半咸化湖相烃源岩不同阶段生烃量、生烃产物组成的差异以及烃产物的相态演化，初步建立了三套烃源岩的生烃模式。

模拟装置：为自主研发的新型物理模拟装置。该模拟装置实现了垂向和流体耦合压力控制，即通过液压泵挤压柱塞控制垂向压力、通过恒速恒压泵和高压缓冲器控制流体压力，高压缓冲器有分隔活塞封闭高压釜中的流体并平衡其压力，既可能较好地模拟地下烃源岩生排烃的静岩压力和孔隙压力环境，又保持了流体的盐类性质对生烃的催化作用。其最大模拟温度为800℃、流体压力为100MPa。

模拟实验流程：每个样品分成数份，每份都独立开展加热模拟，但模拟温度不同。其中模拟温度的范围为100～400℃，每隔50℃一个实验点。在岩心室中，岩心半径约为1cm，岩心周围充填石英砂，以接收排出的烃，石英砂中加水。样品在高压釜内密封后抽真空。根据烃源岩所处地层深度估算压力，实验时作为垂向柱压值。实验完成后先采出气体产物，再取出岩心和石英砂，用三氯甲烷清洗石英砂及釜内残余液态物质作为模拟排出油。模拟后的岩心样则粉碎至80目以下测定残留液态产物及干酪根的相关参数。Z1井烃源岩样品模拟设计与其他上述3块样品存在小的差异，具体方法是将原始样品粉碎后进行加水模拟，其他流程与上述3个样品相同。模拟产物根据物理特征可分为3个部分，即气态产物、轻质油和重质液态油（以下称液态油）。

根据上述实验流程挑选了不同湖泊环境的烃源岩样品，共进行了63块/次（温度点）的生排烃模拟。表2-4为咸化湖相优质烃源岩、半咸化湖相优质烃源岩和淡水湖相（沙三中亚段）一般烃源岩的模拟样品原始地球化学特征。下面主要分析模拟产物中流态油和族组分产率随温度的变化特征。

表2-4 模拟样品的岩性和地球化学特征

图2-32为模拟产物中液态油随温度的变化特征。ZC1-1液态油在250℃以前变化不大，在300℃升高且达到高峰，其后液态油产率下降。轻质油产率在250℃以前很低，在300℃迅速上升，在350℃继续升高达到高峰，350～400℃为下降阶段。ZC1-2液态油在100～250℃随模拟温度升高未见明显变化，300℃时渐有上升趋势，350℃时达产率高峰，350～400℃开始下降。轻质油在100～250℃产率很低，在300℃开始升高，350℃达到高峰，400℃仍有大量轻质油生成。C11井液态油在250℃以前没有明显变化，也没有大量轻质油生成，300℃时液态油开始大量生成，但仍没有大量轻质油形成，350℃时液态油、轻质油才开始大量生成，总生油量也达到高峰，400℃生油量下降，但仍有大量轻质油生成。Z1井样品产烃特征与其他样品存在明显差异，其液态油呈现3峰态分布：第1个产率峰值出现在100℃；第2个产率峰值出现在250℃；第3个峰值出现在350℃。烃源岩模拟结果与烃源岩自然演化过程非常相似，即咸化湖相烃源岩具有早期生烃和持续生烃的特点，而半咸化和淡水湖相烃源岩以晚期生烃为主。

图2-32 ZC1-1、ZC1-2、C11、Z1模拟生烃演化曲线

图2-33为模拟产物中不同族组分产率随温度的变化特征。ZC1-1样品各组分产率与液态油产率基本一致，均在300℃达到高峰。低温阶(100～250℃)液态产物中非烃+沥青质较高，300℃时各组分产率达到高峰，其后均降低，高温阶(300～400℃)烷烃与芳烃比例增高。ZC1-2样品在低温条件下(300℃以下)非烃+沥青质比例较高，并在350℃生成量达到高峰，其后在400℃含量开始迅速降低裂解。烷烃与芳烃在300℃以前未见明显增多，烷烃在350～400℃大量生成，芳烃在350℃达到高峰，400℃降低。C11样品在250℃以前液态油的非烃+沥青质产率高、总烃产率低。沥青质类大分子的释放及向烃类转化作用较慢，至300～350℃才大量释放出来。而350℃时干酪根热降解成油作用已开始，因此这时的热解油包括生物可溶有机质和干酪根降解产物。400℃模拟后非烃与沥青质迅速降解，而总烃产率随之升高。该阶段对应着轻质油的大量生成期。Z1样品非烃与沥青质随温度升高产率降低，早期含有的可溶有机大分子逐渐降解，烷烃、芳烃变化趋势与液态油类似，分别在150℃、250℃、350℃形成3个高峰。族组分产率随温度的变化特征表明，可溶有机大分子对咸化湖相烃源岩早期生烃具有较高的成烃贡献，而晚期生烃则可能主要与干酪根降解有关。

图2-33 模拟液态油族组分产率

（三）咸化湖相烃源岩烃产物相态演化及生烃模式

烃源岩生排烃相态由有机质类型、热演化程度、烃源岩温度和压力环境所决定，对烃源岩排烃相态的分析是盆地油气藏烃类相态分布规律研究的基础。本次烃产物相态研究，首先根据模拟实验与生烃动力学相结合的方法，确定烃源岩生油、生气动力学参数，根据烃源岩演化史和动力学参数，建立烃源岩生油生气演化剖面，再结合模拟实验确定的特定演化阶段生烃组分演化剖面绘制P-T相图，结合不同演化阶段烃源岩体系的温度和压力，确定烃源岩在该演化阶段生成油气的相态。

根据生烃相图将济阳坳陷咸化湖相沙四段烃源岩（生烃相态分为以下六个阶段（图2-34）：①埋藏深度小于2000m，R_o＜0.3%，烃源岩抽提物以原生可溶有机大分子为主，烃类含量较低，该阶段为生物残留烃阶段；②埋藏深度2000～2800m，R_o=0.3%～0.5%，由于该类烃源岩含有大量原生可溶有机质，并以键能较低的非共价健缔合结构分布，因此可生成并排出一定量低成熟重油；③埋藏深度2800～4000m，R_o=0.5%～1.0%，该阶段为常规油气生成和排出的主要阶段，油气主要来自干酪根降解；④埋藏深度4000～4500m，R_o=1.0%～1.3%，在干酪根继续降解的同时，也发生液态油的二次裂解，以形成轻质油为主，为挥发油气生成阶段；⑤埋藏深度4500～4800m，R_o=1.3%～1.5%，由于地温较高，尚未排出的残余油和干酪根进一步降解，进入凝析气相阶段；⑥埋藏深度大于4800m，R_o＞1.5%，残余的干酪根降解以形成干气为主，为气相阶段。

图2-34 济阳坳陷沙四段优质烃源岩生排烃相态演化图

（据张林晔等，2011）

济阳坳陷半咸化湖相沙三段下亚段烃源岩当前最大埋深一般小于4000m，且以晚期生烃为主，因此生成并排出的油气一般为常规油相态。

综合烃源岩物理模拟、烃源岩自然演化和烃产物相态演化的特征，建立了不同烃源岩的生烃模式。

半咸水湖相优质烃源岩（代表性烃源岩：济阳坳陷沙三下亚段），其热解油产率曲线也呈单峰形。在低成熟阶段，从2700～2900m（R_o≈0.4%～0.5%）开始生成少量低熟油，该阶段产物可能来自可溶有机质、干酪根低温热降解以及部分原生烃类，但总体有机质降解率不高，并很难从烃源岩中排出。在2900m以后(R_o＞0.5%)进入成熟阶段，生烃量迅速升高，生烃能力明显高于一般烃源岩（图2-35）。

咸化湖相优质烃源岩（代表性烃源岩：东营凹陷沙四上亚段、沙四下亚段顶部烃源岩、汶东凹陷汶口组烃源岩、东濮凹陷沙三段盐间烃源岩等），与前两类烃源岩存在明显差异，存在早期和晚期两个重要的成烃阶段：埋藏深度＜3000m（R_o＜0.5%）为低成熟阶段，以生成低熟油为主，并在2500m以后达到较高的降解率，可排出一定量的低成熟油，3000m之后（R_o＞0.5%）为成熟阶段，相对轻质的烃类开始大量生成，该时期以干酪根降解作用为主（图2-35）。

图2-35 不同湖相环境烃源岩生烃模式差异

从以上分析来看，不同烃源岩成烃模式有明显不同，半咸水烃源岩在低熟阶段可以生成少量的低熟油气，而咸化优质烃源岩在低熟阶段即具有较高的降解率。由此可见，烃源岩在某一演化阶段的生烃特征差别是由特定沉积环境所造成的有机质组成、来源、类型、富集程度等因素共同决定的。该认识使区内咸化环境有效烃源岩的埋深上限拓展500m，资源量将会有较大幅度提高。