Question

烃源岩的评价

Answer 1

在对烃源岩的研究中，通常要从有机质数量、有机质类型和有机质成熟度等三个方面对其做出定性和定量评价。

( 一) 有机质的数量

有机质的数量包括有机质的丰度和烃源岩的体积。有机质丰度是烃源岩评价的第一位标志，其主要指标为有机碳、氯仿沥青 A 和总烃的百分含量。但是这些指标都只反映烃源岩排烃后残留的有机质丰度，它是否能基本代表母岩原始的有机质丰度尚不得而知。据研究，有机质生烃转化率最高可达 40% ，失重量可达 60% ～70% ，但是母岩在成熟阶段转化率一般为5% ～10% ，很少超过 20% ，排烃率大多小于 10% ，最高可达 50% 。按排烃率 50% 计算，排出的烃类仅占总有机质的 2. 5% ～ 10% ，残余在烃源岩中的有机质仍高达 90% ～97. 5% 。在过成熟阶段，有机质可有 30% 以上转化为气态烃，按排烃率 70% 估算，母岩中残留的有机质仍有80% 左右。因此，残余有机质的丰度基本能相对反映原始有机质的丰度。当然对于成熟度和排烃效率都较高的烃源岩最好能进行原始有机质丰度的恢复。

在沉积岩中，碳以碳酸盐碳 ( 或氧化碳) 和非碳酸盐碳 ( 或还原碳，有机碳) 两种形式存在。沉积岩中有机碳约占 18% ，而氧化碳占 82% 。有机碳与生物活动有关，在组成生物体的 C、H、O、N、S 五种主要元素成分中，碳的含量最高、最稳定。因此有机碳的含量能够代表有机质的数量。

暗色泥岩的有机碳含量一般不超过 15% ，但作为烃源岩，确定其有机碳下限值尤为重要。讨论烃源岩有机碳下限值，常引用的经典实例是 Ронов ( 1958) 对俄罗斯地台油气分布与有机质含量关系的研究。他通过上千块海相上泥盆统页岩的有机碳分析，证明油田集中于有机碳含量为 0. 5% ～5% 的古比雪夫和乌法地区，而在有机碳含量为 0. 5% 左右的萨拉托夫和基辅地区发现了一些气田，在有机碳 ＜0. 25% 的其他地区，则没有泥盆纪的油气田 ( 图 5 －36) 。Pонов 发现，在含油区细粒粘土岩的有机碳平均含量比非含油区几乎高 3 倍，为 1. 37% ，其有机碳含量下限值为 0. 5% 。

原地质矿产部无锡石油地质中心实验室 ( 1980) ，根据研究也将中国陆相泥质油源岩的有机碳下限值定为 0. 5% ，中国石油勘探开发研究院的胡见义和黄第藩 ( 1991) 提出了中国陆相泥质油源岩的评价标准，并把有机碳下限值定为 0. 4% ( 表 5 －6) 。对咸湖环境形成的泥质油源岩，其有机碳含量下限应适当降低至 0. 3% 。

图 5 －36 俄罗斯地台上泥盆统有机碳含量( 据 Ронов，1958)

Gehman ( 1962) 对碳酸盐岩中的有机质进行了综合性研究，对世界各地约 1400个样品的分析表明，碳酸盐岩中的平均有机碳含量比页岩低得多，前者为 0. 2% ，而后者为 0. 94% 。但它们的烃类平均含量却相近，约 100mg/L。根据 Gehman 的调查，Tissot 认为碳酸盐岩的有机碳含量下限值可定为0. 3% ，甚至有学者认为可低至0. 1% 。

对岩石进行氯仿抽提可得到氯仿沥青A 含量，然后将抽提物进行色层分离可得到总烃含量，它们也能反映岩石中有机质的丰度，其评价标准参考表 5 －6。

表 5 －6 中国陆相油源岩评价标准

并非烃源岩的有机碳含量愈高，生烃愈大，这是因为它还取决于有机质的类型和成熟度。氯仿沥青 A 和总烃含量也明显受有机质类型和成熟度的影响。因此，评价烃源岩还需研究有机质的类型及其演化。

( 二) 有机质的类型

烃源岩中有机质的类型不同，其生烃潜力、产物的类型及性质也不同，生油门限值和生烃过程也有一定差别。

有机质的类型常从不溶有机质 ( 干酪根) 和可溶有机质 ( 沥青) 的性质和组成来加以区分。干酪根类型的确定是有机质类型研究的主体，常用的研究方法有元素分析、光学分析、红外光谱分析以及岩石热解分析等。另外可溶沥青的研究也普遍受到重视。

图5－37 黄骅坳陷烃源岩元素分析图(据卢松年，1989)

1.元素分析

干酪根元素分析是从化学性质和本质上来把握其类型的。Tissot和Durand等(1974)根据干酪根的元素组成分析，利用范氏(VanKrevelen)图上H/C和O/C原子比的演化路线将干酪根分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。Ⅰ型为细菌改造的藻质型，Ⅱ型为腐泥型，Ⅲ型为腐殖型。另外，还分出Ⅳ型为残余型，它们的主要特征在干酪根中已述。另外，Hunt(1991)根据干酪根中的硫含量，将Ⅱ型干酪根进一步划分为4种类型。

从全球来看，石油主要源于腐泥型或腐泥型与腐殖型过渡的有机质，而腐殖型有机质则主要生成天然气。腐殖煤属腐殖型有机质，个别来自腐殖煤的轻质油，往往与煤中的壳质组和富氢镜质组有关。

图5－38 岩样热解分析记录和应用(据Espitalié等，1974)

我国陆相烃源岩中干酪根类型的划分方案较多，比较通用的方案是:Ⅰ型为腐泥型(包括Tissot的Ⅰ型和Ⅱ型，陆相湖盆藻质型少)，Ⅲ型为腐殖型，Ⅱ型为混合型中的中间型，Ⅱ₁型为腐殖腐泥型，Ⅱ₂型为腐泥腐殖型(图5－37)。另外，还有Ⅳ型为煤质型，相当于Tissot的残余型。

2.光学分析

在显微镜下对干酪根进行光学分析是从光学性质上和形貌上把握其类型。光学分析方法包括孢粉学法和煤岩学法。

孢粉学法是按干酪根在透射光下的微观结构，将其分成藻质、絮质(无定形)、草质、本质和煤质，其中前3种为腐泥型有机质，后2种为腐殖型和残余型有机质。煤岩学法是将干酪根的显微组成分为壳质组、镜质组和惰质组，其中壳质组为腐泥型有机质，多数镜质组为腐殖型有机质，惰质组为煤质型有机质。认识上述各种微观组分，有利于理解过渡类型干酪根的组成。

3.岩石热解分析

Espitalié等(1977)发展了一种快速评价烃源岩特征的热解方法，即烃源岩评价仪(Rock—Eval)，它是用岩石热解分析仪直接从岩样中测出所含的吸附烃(S₁)、干酪根热解烃(S₂)和二氧化碳(S₃)与水等含氧挥发物以及相应的温度，温度可逐步加热到550℃(图5－38)。

氢指数(S₂/有机碳，I_H)和氧指数(S₃/有机碳，I_O)与干酪根元素组成分析能进行很好的对比。因此，可利用这两个指数绘制范氏图确定烃源岩中有机质的类型(图5－39)。

各种干酪根的分类和特征综合在表5－7中。

需要指出，确定干酪根的类型应选择未成熟或低成熟的样品进行分析，尤其是采用有关化学分析的方法。这是因为有机质的成熟度过高会模糊不同类型干酪根之间的差异。

表5－7 烃源岩中的干酪根分类

图5－39 氢指数和氧指数确定烃源岩类型(据Espitalié等，1974)

4.可溶沥青分析

可溶沥青的研究也能反映烃源岩中有机质的类型，较常用的参数如下:

1)烃源岩氯仿抽提物中组分组成特征，如饱和烃/芳烃。

2)饱和烃气相色谱特征，包括主峰碳位置和峰型等。如正烷烃主峰碳在C₂₅—C₃₃的后峰型，反映原始有机质为陆源高等植物输入;主峰碳在C₁₅—C₁₉的前峰型，反映母质来源于水生低等生物;双峰型反映母质具有低等生物和高等植物的混合来源。还有姥鲛烷/植烷可反映有机质的形成环境。但这种方法基本不适用具有较高成熟度的母岩。

3)色谱－质谱分析可鉴定甾类和萜类等生物标志化合物的种类和数量，这对判断母质的来源也有重要意义。如C₂₇甾烷主要来自浮游生物，而C₂₂甾烷主要来自陆源高等植物，萜烷中的伽马蜡烷源于细菌，奥利烷和羽扇烷系列反映高等植物输入等。

(三) 有机质的成熟度

有机质的成熟度是表征其成烃有效性和产物性质的重要参数。它是指在有机质所经历的埋藏时间内，由于增温作用所引起的各种变化。当有机质达到或超过温度和时间相互作用的门限值时，干酪根才进入成熟并开始在热力作用下大量生成烃类。而未成熟的有机质主要生成生物成因气，有时可生成少量液态烃。评价有机质成熟度的方法有多种，其中常用且较有效的方法有:镜质体反射率(R_o)法、孢粉和干酪根的颜色法、岩石热解法、可溶有机质的化学法。另外，还可应用多种成熟度标尺和TTI等预测方法来估算烃源岩中有机质的成熟度。

1.镜质体反射率法

镜质体反射率也称镜煤反射率(R_o)，它是温度和有效加热时间的函数且具不可逆性，所以它是确定煤化作用阶段的最佳参数之一。1969年以来镜质体反射率被广泛应用于页岩和其他岩石中分散有机质的测定中，它亦成为确定干酪根成熟度的一种最有效的指标。

镜质体反射率可定义为光线垂直入射时，反射光强度与入射光强度的百分比。镜质体反射率的主要类型有最大(Rmax)、最小(Rmin)和随机(Re)3种，前两种是在垂直和平行层面的定向切片样品上测定的。镜质体反射率可在空气中和油浸条件下测定，分别表示为R^a和R^o，每个样品需测定20～50个点计算出平均值。油气地质研究中常用油浸随机的镜质体反射率，用R_o表示。有时也用油浸最大和最小的镜质体反射率，分别用R^omax和R^omin表示。

图5－40 卢森堡中里阿斯统页岩有机质不同组分反射率分布直方图(据Hagermann，1978)

图5－41 镜质体反射率确定油气近似界限(据Tissot，1978)

在煤岩显微组成中，镜质组最丰富，反射率居中，而壳质组反射率低，惰质组最高(图5－40)。镜质体反射率随成熟度而增加，这是因为，从化学结构看镜质组由缩合芳环束组成，随着成熟度的增加，芳环束逐渐结合成更大和更规则的缩合芳香页片，定向有序排列，故引起其反射率升高。Dow(1977)提出镜质体反射率的对数值(lgR_o)与埋深呈线性关系。干酪根的类型不同，其各成熟阶段R_o值也有一定差别，如图5－41所示。R_o＜0.5%～0.7%为成岩作用阶段，生的烃未成熟;0.5%～0.7%＜R_o＜1.1%～1.3%为深成作用阶段的成油主带;1.1%～1.3%＜R_o＜2%为深成作用阶段的高成熟凝析油和湿气带;R_o＞2%为准变质作用阶段，为只产甲烷的干气带。

镜煤反射率法的缺点是腐泥型干酪根中缺乏镜质组。另外还需注意富氢镜质组、再沉积的镜煤和构造运动以及火成岩的影响。用R_o表征成熟度方法，主要限于晚古生代以来碎屑岩系。

2.孢粉和干酪根颜色法

在显微镜透射光下，孢子、花粉和其他微体化石随成熟度作用的增强而显不同颜色。未成熟阶段为浅黄至黄色，成熟阶段为褐黄至棕色，过成熟阶段为深棕至黑色。Staplin(1969)和Correia(1971)提出了热变指数(TAI);Barnard(1977)提出了色变指数(CAI)。

干酪根颜色的应用实例如图5－42所示，加拿大不列颠哥伦比亚省和邻近的西北中泥盆统碳酸盐岩，只产干气，而石油和湿气则产自东部的西北阿尔伯特。干酪根颜色的变化反映了因埋藏历史不同而引起的成熟度差异。

图5－42 成熟度与干酪根颜色的关系(据Staplin，1969)

3.岩石热解法

利用岩石热解分析资料中S₁/(S₁+S₂)和热解峰温Tmax(℃)两个参数可确定烃源岩的未成熟带、成油带和成气带(图5－43)。采用岩石热解法确定的界限，也会因干酪根的类型不同而异，需配合氢指数(I_H)和氧指数(I_O)以及其他方法给出的类型参数分析。

4.可溶有机质的化学法

(1)演化曲线

根据氯仿沥青A、总烃含量和氯仿沥青A/有机碳、总烃/有机碳等转化率绘制随深度的演化曲线，这些曲线可反映有机质的成熟度随深度的变化。

(2) C₂—C₆轻烃

C₂—C₈轻烃数量和组成能很好地判断烃源岩中有机质的成熟度。因为，C₂—C₈不是生物合成的，而是干酪根热降解的产物。C₂—C₈中的烷烃、环烷烃和芳烃的相对含量随成熟度的增加而发生有规律的变化，如庚烷值=正庚烷/(80.7～100.9℃之间C₇—C₈的链烷烃和环烷烃的馏分)×100%与温度作图则有正相关关系(图5－44)。而异庚烷值=(2－甲基己烷+3－甲基己烷)/二甲基戊烷，也与温度有正相关性。

图5－43 利用岩石热解分析资料中S₁/(S₁+S₂)和热解峰温Tmax(℃)确定烃源岩的成熟度(据Espitalié等，1977)

图5－44 墨西哥五口非生产井的庚烷值与最大温度的关系(据Thompson，1979)

图5－45 沉积物和原油的碳优势指数的分布(据Bray＆Evens，1965)

(3) C⁺₁₅烃类

Bray和Evens(1965)研究了近代沉积、古代沉积和原油中C⁺₁₅奇数碳和偶数碳正烷烃的分布，发现有明显的差别(图5－45)。在近代沉积物中，C⁺₁₅正烷烃主要来源于高等植物的蜡，具有明显的奇数碳优势。在古代成熟烃源岩和石油中，干酪根热降解的烷烃不具此优势，因而奇碳优势逐渐消失，一般认为，生油高峰期，已不再有奇碳优势。

Bray和Evens(1965)提出了碳优势指数(CPI):

石油与天然气地质学

Philippi(1965)提出了C₂₉正构烷烃优势指数:

石油与天然气地质学

Scalan和Smith(1970)提出了5个碳数区间的奇偶优势指数(OEP):

石油与天然气地质学

随着有机质成熟度的增加，上述CPI、R₂₉和OEP值愈来愈接近1，并趋于稳定。

(4)环烷烃

随埋深的增加，环烷烃的环数从以三－四环为主变为以单－双环为主。

(5)生物标志化合物

随埋深和温度的增加，干酪根热降解的新生烃类使来自生物的烃类受到稀释，与其相邻的正烷烃比较，其含量都随成熟度的增加而减少，如姥鲛烷/正十七烷、植烷/正十八烷。

甾烷和藿烷的立体异构化，能十分有效地反映成熟度。甾烷指标如(5α－20S－C₂₉)/(5α－20R－C₂₉)，随埋深的增加从0.3左右上升到1.0且稳定;重排甾烷/(5α(C₂₇+C₂₈+C₂₉))，随埋深的增加从0.1左右增加到1.0且趋于稳定。藿烷指标如18α(H)三降新藿烷/17α(H)三降藿烷(Tm/Ts)随成熟度的增加从2.0左右降到1.0且趋于稳定;(βα－C₃₀藿烷)/((αβ+βα)－C₃₀藿烷)随埋深从0.2左右增加到约0.7。

上述各种确定烃源岩有机质成熟度的方法综合使用最有效，而且还需考虑有机质类型的影响。在实际工作中应随深度系统取样，进行测试分析，将数据和结果作出与埋深的关系图表。图5－46和图5－47是各种成熟度指标综合应用时的对应情况。

(四) 成熟度标尺和TTI

在烃源岩的热演化成烃过程中，有机质的许多物理性质和化学性质被改变，并可作为成熟度标志如R_o、孢粉颜色和煤阶等。为估算和评价有机质的成熟度，许多学者根据这些性质与烃源岩的埋藏时间和温度史，用数学模型建立了各种数字化的热成熟度标尺和计算图表，如Karwell(1955)、Teichmüller(1971)、Bostick(1971)、Cooper(1977)等提出了镜质体反射率与温度和时间的关系图。Hood(1975)提出了有机质变质水平(LOM)的成熟度标尺。Royden(1980)提出C标尺等等。

为定量预测烃源岩中有机质的成熟度，Lopatin(1971)和Waples(1980)根据温度每增加10℃，干酪根热降解成烃的反应速率增加1倍并与时间呈线性关系，而且有机质成熟度效应是累加的、不可逆的等原理，提出并改进了时间－温度指数(TTI)的有机质成熟度预测方法，从而得到了极为广泛的应用。Wood(1988)根据有机质化学反应的动力学原理提出了ArrheniusTTI法。应用Lopatin和Arrhenius法TTI(TTI_ARR)的关键问题是要忠实地重建沉积盆地的埋藏历史和受热温度史。关于TTI的计算和对烃源岩的评价将在实习中仔细讲解。

图5－46 干酪根分析所得各成熟指标的对应情况据Tissot等，1978)

图5－47 据沥青的组成和丰度所得各成熟指标的对应情况(Tissot据Durand改编，1978)