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烃源岩的定性评价

烃源岩地化特征评价

摘要：

烃源岩对应的英文为Sourcerock，从本意上讲，它应该既包括能生油的油源岩，也包括能生气的气源岩，但过去多将它译为生油岩。

其中的重要原因可能在于国内早期的油气勘探主要瞄准着对油的勘探。

因此，油气地球化学所关注和研究的对象主要是油而不是气。

这可能是早期的有关专著和教材也多冠以“石油”而不是“油气”的原因所在。

相应地，生油岩这一术语在地化文献中得到了相当广泛的沿用。

随着我国对天然气重视程度的逐步、大幅提高，有关天然气的勘探和地球化学研究也越来越多，很多时候，需要区分油、气源岩。

因此，本文中以烃源岩替代早期的生油岩来涵盖油源岩和气源岩。

关键词：

机质的丰度；有机质的类型；有机质的成熟度。

前言

烃源岩是控制油气藏形成与分布的关键性因素之一。

确定有效烃源岩是含油气系统的基础。

烃源岩评价涉及许多方面，虽然在不同勘探阶段以及不同的沉积盆地，评价重点也有所不同，但是总体上主要包括两大方面：

（l）烃源岩的地球化学特征评价，如有机质的丰度、有机质的类型、有机质的成熟度；

（2）烃源岩的生烃能力评价，如生烃强度、生烃量、排烃强度等。

本人主要介绍烃源岩的地球化学特征评价方面：

1.有机质的丰度

有机质丰度是指单位质量岩石中有机质的数量。

在其它条件相近的前提下，岩石中有机质的含量（丰度）越高，其生烃能力越高。

目前，衡量岩石中有机质的丰度所用的指标主要有总有机碳（TOC）、氯仿沥青“A”、总烃和生烃势（或生烃潜量Pg,Pg=S1＋S2）。

1.1有机质丰度指标

1.1.1总有机碳（TOC，％）

有机碳是指岩石中存在于有机质中的碳。

它不包括碳酸盐岩、石墨中的无机碳。

通常用占岩石重量的％来表示。

从原理上讲，岩石中有机质的量还应该包括H、O、N、S等所有存在于有机质中的元素的总量。

但要实测各种有机元素的含量之后求和，并不是一件轻松、经济的工作。

考虑到C元素一般占有机质的绝大部分，且含量相对稳定，故常用有机碳的含量来反映有机质的丰度。

将有机碳的量转换为有机质的量，需要补偿其它有机元素的量，常用的方法是乘一校正系数K，即有机质＝K·有机碳。

不难理解，K值是随有机质类型和演化程度而变化的量。

Tissot等给出了经验的K值（表1.1）。

表1.1由有机碳含量计算有机质含量的转换系数（据Tissot，1984）

演化阶段

干酪根类型

煤

I

II

III

成岩作用

1.25

1.34

1.48

1.57

深成作用

1.20

1.19

1.18

1.12

从分析原理来看，有机碳既包括占岩石有机质大部分的干酪根中的碳，也包括可溶有机质中的碳，但不包括已经从源岩中所排出的油气中的碳和虽然仍残留于岩石中，但分子量较小、因而挥发性较强的轻质油和天然气中的有机碳。

因此，所测得的有机碳只能是残余有机碳。

1.1.2氯仿沥青“A”（％）和总烃（HC，ppm）

氯仿沥青“A”是指用氯仿从沉积岩（物）中溶解（抽提）出来的有机质。

它反映的是沉积岩中可溶有机质的含量，通常用占岩石重量的％来表示。

严格地讲，它作为生烃（取决于有机质丰度、类型和成熟度）和排烃作用的综合结果，只能反映源岩中残余可溶有机质的丰度而不能反映总有机质的丰度。

氯仿沥青中饱和烃和芳香烃之和称为总烃。

通常用占岩石重量的百万分（ppm）做单位。

显然，它反映的是源岩中烃类的丰度而不是总有机质的丰度。

但在其它条件相近的前提下，二指标的值越高，所指示的有机质的丰度越高。

因此，它们也常常被用作烃源岩评价时的丰度指标。

不过，显而易见，这两项指标均无法反映源岩的生气能力。

同时，在高过成熟阶段，由于液态产物裂解为气态产物，它也难以指示高过成熟源岩的生油能力。

还有必要指出的是，由于氯仿抽提及饱和烃、芳烃分离时的恒重过程，C14－的烃类基本损失殆尽，两项指标实际上也未能反映源岩中的全部残油和残烃。

也有学者认为（庞雄奇等，1993，1995），从本质上看，氯仿沥青“A”和总烃是一个残油、残烃量的指标，因此，其值高，可能不一定表明生烃条件好，反而可能指示源岩的排烃条件不好，即指示这类源岩对成藏的贡献可能有限。

1.1.3生烃势（S1＋S2，mgHC/g岩石）

对岩石用RockEval热解仪（第三章）分析得到的S1被称为残留烃，相当于岩石中已由有机质生成但尚未排出的残留烃（或称之为游离烃或热解烃），内涵上与氯仿沥青“A”和总烃有重叠，但比较富含轻质组分而贫重质组分。

分析所得的S2为裂解烃，本质上是岩石中能够生烃但尚未生烃的有机质，对应着不溶有机质中的可产烃部分。

所以（S1＋S2）被称为“Geneticpotential”（Tissot等，1978）。

中文一般将它译为“生烃潜力”或者“生烃潜量”。

考虑到“潜力”含有“能够但尚未实现的”意义，即从字面上理解，更容易将它与S2相联系，因此本书建议将“Geneticpotential”译为生烃势。

黄第藩等（1984）也曾在著名的“陆相有机质的演化和成烃机理”一书中将（S1＋S2）称为生油势。

它包括源岩中已经生成的和潜在能生成的烃量之和，但不包括生成后已从源岩中排出的部分。

可见，在其它条件相近的前提下，两部分之和（S1＋S2）也随岩石中有机质含量的升高而增大。

因此，也成为目前常用的评价源岩有机质丰度的指标，称为生烃势，单位为mgHC/g岩石。

显然，它也会随着有机质生烃潜力的消耗和排烃过程而逐步降低。

1.2烃源岩中有机质丰度评价

有机质丰度评价是烃源岩评价的重要组成部分。

岩石中有机质的含量达到多少才能成为烃源岩，是有机质丰度评价的主要内容。

我国中新生代主要含油气盆地1080个样品数据编绘的有机碳含量频率图（图1.3）的研究表明（尚慧芸，1981），暗色泥质生油岩的有机碳含量下限值约为0.4%，较好的生油岩为1.0%。

例如，华北第三系各组段有机碳含量频率图（图1.4）显示，上第三系明化镇组及馆陶组为非生油岩层，其有机碳含量一般低于0.4%；下第三系东营组有机碳含量多数在0.5%左右，具有一定的生油能力；下第三系沙河街组大多数有机碳在1.5%左右，为该区主要生油层系。

黄第藩（1991）对我国主要陆相含油气盆地的有机质丰度进行了总结，结果表明，在陆相淡水－半咸水沉积中，主力油源层的有机碳含量均在1.0%以上，平均值变化在1.2～2.3%之间，可高达2.6%以上；氯仿沥青“A”的含量均在0.1%以上，平均值变化在0.1～0.3%之间，烃含量均在410ppm以上，平均值大多变化在550～1800ppm之间。

总的来看，我国陆相主力油源岩是一套灰黑、灰色泥岩、页岩，所含碳酸盐极少。

陆相生油岩的有机质丰度，特别是烃含量不低，构成了陆相石油生成的良好的物质基础。

根据我国勘探实践，黄第藩提出了适用我国陆相含油气盆地的烃源岩评价标准（黄第藩等，1984）。

表1.5是在黄第藩标准基础上修订后由中国石油天然气总公司1995年发布的行业标准，适用淡水—半咸水湖相沉积的生油岩，海相泥岩也可参照此标准评价。

对一般盐湖相沉积，因具有机碳含量较低，而烃含量不低，评价标准稍有不同。

煤系地层因有机质类型较差，相应的丰度评价标准有明显的提高（黄第藩等，1996，陈建平等，1997）。

煤系泥岩（TOC<6%）与一般湖相泥岩相比有机质以陆生植物为主，类脂组含量低，富碳贫氢，虽然有机碳含量高，但生烃潜力低；较高的有机质丰度也使其对可溶有机质的吸附能力比一般泥岩强；单位有机碳的生烃潜力低，但单位岩石的生烃潜力又较高，煤系泥岩的这些基本特点决定了其评价标准（表13-3）与泥岩有所不同。

表1.5为主要依据热解生烃潜量和氢指数给出的煤系炭质泥岩（6%

荧光（fluorescentlight）分析和荧光光谱对于鉴别脂质组，尤其对于区分富氢无定型和贫氢无定型具有特殊作用。

此外，用荧光还可辨认出次生的脂质体-沥青渗出体，这对煤成油研究很有意义。

干酪根是各种显微组分的混合物，因此根据各种显微组分的相对比例，可将跟老根分成相应的种类。

2.2据岩石（或干酪根）的Rock-Eval热解特征划分有机质的类型

无论是元素分析还是显微组分分析都需要制备干酪根，这一过程繁杂费时，利用RockEval烃源岩评价仪所得到的热解三分资料可快速经济地直接利用少量岩石获得许多参数（这项分析也可以对干酪根进行），其中不少包含有烃源岩中有机质类型的信息。

由该项分析所得到直接参数有：

S1：

游离烃（mgHC/g岩石），为升温过程中300℃以前热蒸发出来的已经存在于源岩中的烃类产物；

S2：

裂解烃（mgHC/g岩石），为300℃~500℃升温过程有机质裂解出来的烃类产物，反映

干酪根的剩余成烃潜力；

S3：

（mgCO2/g岩石）有机质热解过程中CO2的含量，反映了有机质含氧量的多少；

Tmax：

最大热解峰温（℃），为热解产烃速率最高时的温度，对应着S2峰的峰温。

由此可以计算得到的参数：

氢指数（HI，mgHC/gTOC）：

＝S2/TOC；

氧指数（OI，mgCO2/gTOC）：

＝S3/TOC；

烃指数（HCI，mgHC/gTOC）：

＝S1/TOC；

生烃势（文献中常称为生油潜力）：

S1＋S2，（mgHC/g岩石）；

产烃指数：

S1/（S1+S2）

母质类型指数：

S2/S3

不难理解，在物理意义上，氢指数、氧指数分别与H/C、O/C原子比相近。

因此，对成熟度较低的源岩而言，HI能较好地反映有机质生烃能力的高低，母质类型指数也可反映有机质氢、氧的相对富集程度，因而可成为良好的判识有机质类型的指标。

事实上，这些参数已成为目前油田生产实践中最常用的判识有机质类型的指标之一。

图1.5为以氢指数－氧指数关系图按三类四型方案划分有机质类型的图解。

黄第藩等（1984）提出的判识有机质类型的X型图解及相应的分类标准主要就是依据氢指数及母质类型指数。

2.3依据红外光谱（官能团）特征划分有机质的类型

有机质的红外谱带可以分为脂族基团、芳香基团和含氧基团三大类。

依据这些基团（谱带）的强度，可以选择许多比值来表征有机质的类型。

石油天然气总公司1995年颁布的行业标准中就有由红外参数判识有机质类型的方案。

（图2.2）

表1.6红外光谱陆相烃源岩有机质类型划分表（SY/T5735-1995）

吸光度比

Ⅰ1

Ⅰ2

Ⅱ

Ⅲ1

Ⅲ2

2920cm-1/1600cm-1

－

>4.3

4.3~1.6

<1.6~0.5

<0.5

1460cm-1/1600cm-1

－

>1.00

1.00~0.40

<0.40~0.15

<0.15

2.4据干酪根的稳定碳同位素组成（δ13C）判识干酪根的类型

不同来源、不同环境中发育的生物具有不同的稳定碳同位素组成（δ13C）。

干酪根作为生物有机质的演化产物，应该继承原始有机质的特征。

因此，由干酪根的碳同位素组成应该可以反映其有机质的来源及有机质的类型。

有关碳同位素分布的研究成果表明，由于生物分馏作用（生物对轻碳同位素的选择性优先利用），生物中的碳同位素明显较其利用的CO2偏轻；由于陆相生物所用大气碳源（δ13C=－7‰）轻于海相生物所用海洋水中的碳源（δ13C=0‰），陆生植物与海洋水生生物的碳同位素值差异明显，陆生植物的δ13C分布范围为-10‰~-37‰（王大锐，2002），典型值-24~-34‰（郑永飞，2000）；水生生物（海洋）为-4~-28%，湖生生物比海洋生物的δ13C偏负10‰左右（表2.3）。

同时，同一种生物体中，类脂化合物往往比较富含轻碳同位素。

总体上讲，相同条件下，水生生物较陆生生物富集轻碳同位素，类脂化合物较其它组分富集轻碳同位素。

因此，较轻的干酪根碳同位素组成一般反映较高的水生生物贡献和较多的类脂化合物含量，即对应着较好的有机质类型。

表2.4列出了代表性的由干酪根的碳同位素组成鉴别干酪根类型的方案，其中第三列为1995年发布的石油行业标准。

表2.3现代海洋、湖泊和陆地各种生物中碳同位素（δ13C，‰）（黄汝昌，1997）

环境

高等植物

植物

浮游植物

植物类脂组

藻类

浮游生物

陆相

-21.6~-26.7

-21.0~-30.0

-30

-28.7~-32

-27~-32

-27.6~-32.6

海相

-9.3~-15.8

-10.0~-20.0

-15~-20

-17.8~-22

-17~-28

-18.2~-28.5

表2.4陆相干酪根的δ13C（‰）与其类型的关系

三分法（王大锐，2002）

      黄第藩（1991）

SY/T5735-1995

典型腐泥型   -28.0~30.2

Ⅰ           -27.0~29.3

Ⅱ           -25.5~27.2

Ⅲ           -21.0~26.0

 标准腐泥型  Ⅰ1   -28.2~31.0

含腐殖腐殖型  Ⅰ2   -27.5~28.2

中间型或混合型Ⅱ   -26.0~-27.5

含腐泥的腐殖型Ⅲ1  -24.5~-26.0

标准腐殖型  Ⅲ2  -20.0~-24.5

<-30

-30~-28.0

-28.0~-25.5

-25.5~-22.5

>-22.5

2.5据干酪根的热失重特征判识干酪根的类型

干酪根在受热过程中会发生裂解产生挥发性的产物，因此残余干酪根的重量会随着受热温度的升高而逐渐减少。

热失重即是指受热前干酪根的重量－受热后干酪根的重量。

不同的类型的干酪根由于产烃潜力不同，因而失重量也会不同。

显然，对成熟度相近的样品，干酪根的类型越好（产烃潜力越大），相同条件下的失重量越大，即各类干酪根的热失重量顺序为I>II>III型。

这三类干酪根的最大失重量分别可达到干酪根原始重量的80%,50%和30％左右。

2.6据可溶沥青的特征识别有机质类型

2.6.1氯仿沥青“A”及其族组成

氯仿沥青“A”是各种烃类和非烃类的混合物，出于研究的需要通常将其进一步分离成饱和烃、芳香烃、非烃和沥青质4个族组分。

不同类型干酪根所生成的氯仿沥青“A”的族组成存在一定的差异，Ⅰ型干酪根的氯仿抽提物中含有更多的饱和烃；同时，由于藻类等水生生物的正构烷烃一般以较低碳数（

因此，在有利的条件下，可以由此间接判识有机质的类型（表2.5）。

需要说明的是，氯仿沥青的族组成不仅受母质类型影响还受母质的成熟度及生排烃过程的影响，因此表中只适用于低演化程度的样品，当热演化程度较高时，由于大分子烃类的热裂解，会导致上述特征消失。

Ⅰ1

Ⅱ1

Ⅱ2

Ⅲ

饱和烃特征

峰型特征

前高单峰型

前高双峰型

后高双峰型

后高单峰型

主峰碳

C17 C19

前C17、C19

后C21、C23

前C17 C19

后C27 C29

C25 C27 C29

“A”族组成

饱和烃％

饱/芳

非烃＋沥青质％

40～60

>3

20~40

<40~30

3.0~1.6

>40~60

<30~20

1.6~1.0

>60~70

<20

<1.0

>70~80

生物标志物

5α（C27+C28+C29）=1

5α-C27%

5α-C29%

5α-C27/5αC29

>55

<25

>2.0

55~35

25~35

2.0~1.2

35~20

>35~45

1.2~0.8

<20

>45~55

<0.8

2.6.2氯仿沥青“A”及原油的碳同位素

氯仿沥青作为干酪根的演化产物，应该在一定程度上继承了先质的特征，但由于成烃反应中的碳同位素分馏作用（12C优先富集于反应产物中），氯仿沥青的碳同位素组成略轻。

由于在石油从生油层向储集层运移过程中的碳同位素分馏作用和组分分馏作用，储层中聚集的石油的碳同位素组成也往往较氯仿沥青略轻。

通常存在如下关系（王大锐，2002）

δ13C干酪根-δ13C沥青“A”=0~1.5‰

δ13C沥青“A”-δ13C石油=0~1.5‰

一般情况下，氯仿沥青的族组分之间存在  δ13沥青质>δ13C非烃>δ13芳烃>δ13饱和烃

如果泥岩受到运移来烃类的浸染，则δ13C干酪根与δ13C沥青“A”远背离上述关系，使得δ13C沥青“A”所应代表的母质类型信息失去意义。

2.6.3单体烃同位素组成

单体烃同位素是指原油或沥青中单一烃类化合物碳同位素。

由GC-C-MS（气相色谱—氧化燃烧炉—同位素质谱）或称在线同位素分析仪完成。

该技术使液态石油烃的稳定碳同位素研究与天然气中C1~C4、CO2的碳同位素分析一样，进入了分子级水平。

单体烃同位素分析仪，于上世纪80年代初实现商品化，我国90年代初引入。

经过20余年的发展，单体烃同位素研究已经取了长足进步，可以测定正构组分、异构组分及生物标志化合物。

但总的来看，还属于新兴技术，对单体烃的地球化意义认识还不够深入，许多理论问题尚未明晰。

正构组分单体烃碳同位素有随分子量增加而变烃的趋势（鹿洪友等，2003；耿安松等，1999；谢文彦等，2004）。

用正构组分的正构组分的单体烃同分布可以区分油的来源。

2.6.4据生物标记化合物分布特征判识有机质类型

关于生物标记化合物的基本概念及其地质意义，第十章已做了较为详细的介绍。

饱和烃色谱（GC）、色谱—质谱（GC-MS）技术已是研究原油和岩石抽提沥青中生物标记化合物的常规手段。

色谱可以提供有机质组成全貌图，色谱－质谱可对其中的细节进行分辩，二者的结合可以提供大量的信息，对于揭示石油和沥青的母质类型、演化程度、经历的次生变化及原油的混源情况有重要作用，这些信息在油—油对比、油—源对比，研究沉积环境等有很大用途。

这里主要介绍它在识别母质类型方面的应用。

另一个应用更为广泛的判识有机质类型的生标指标是依据C27、C28、C29甾烷的相对组成，它可以区分不同源岩的石油或相同源岩不同有机相的原油（PetersandMoldowan，1995），这主要是基于它们在来源上存在差异。

C27甾烷主要来源于水生生物，而C29甾烷则主要来源于高等植物。

这对我国陆相盆地可能更适用。

而对海相生油，尤其是高等植物尚未大量出现的泥盆纪以前的海相原油中也存在丰富的C29甾烷则不好解释（PetersandMoldowan，1995）。

针对我国的情况曾宪章等（1989）提出ααα20R-C27、C28、C29三种生物构型甾烷来区分母质类型（图2.6）。

从理论上讲，使用四种异构体之和更合理。

但实际上在质谱图C27、C28的（除ααα20R之外的）另外三种构型有时存在与其化合物共逸现象，易受干扰。

生物构型的C27、C28、C29甾烷具有相同的热演化速率，这使它们的相对含量不受或很少受成熟度的影响，故能够反映原始母质中C27、C28、C29甾烷的比例，这是判识有机质类型的众多指标中，受成熟度影响较小的少数几个指标之一。

3.有机质的成熟度

油气虽然是由有机质生成的，但有机质并不等于油气。

从有机质到油气需要经过一系列的变化。

衡量这种变化程度（有机质向油气转化程度）的参数为成熟度指标，这方面的研究即为有机质的成熟度评价。

从原理上讲，无论是成烃母质，还是其产物，只要在成熟演化过程中体现出规律性的变化，反映这种变化的参数即可成为成熟度指标。

因此，在第八章中介绍的反映生烃母质干酪根演变特征的元素组成的变化、官能团构成的变化、自由基含量的变化、颜色及荧光性的变化、热失重的变化、碳同位素组成的变化、镜质体反射率的变化以及反映热解产物演化的可溶有机质的含量及组成、烃类的含量及组成均可成为成熟度指标。

此外，生物标记化合物中的生物标记化合物异构化参数、奇偶优势参数等等也可以成为成熟度指标。

3.1镜质体反射率（Ro）作为成熟度指标

镜质体反射率（Ro）作为成熟度指标的原理已在第八章中介绍。

由于镜质体并非十分有利的成烃母质，Ro的增大与烃类的生成并没有直接的联系。

但由于镜质体反射率随热演化程度的升高而稳定增大，并具有相对广泛、稳定的可比性，使Ro成为目前应用最为广泛、最为权威的成熟度指标。

表3.1列出了我国石油行业1995年颁布的Ro与有机质演化阶段（熟度）的关系。

表3.1陆相烃源岩有机质成烃演化阶段划分及判别指标（据SY/T5735-1995简化）

演化阶段

Ro

/%

孢粉颜色指数SCI

Tmax

/℃

H/C

原子比

孢子体显微荧光Q

孢粉（干酪根）颜色

生物标志化合物

古地温

T/℃

油气性质

及产状

ααα-C2920S/（S+R）

C29ββ/（ββ+αα）

未成熟

<0.5

<2.0

<435

>1.6

>1~1.4

浅黄色

<0.20

<0.20

>50~60

生物甲烷未成熟油、凝析油

低成熟

>0.5~0.7

2.0~3.0

435~440

1.6~1.2

>1.4~2.0

黄色

0.20~0.40

0.20~0.40

>60~90

低成熟重质油、凝析油

成熟

>0.7~1.3

>3.0~4.5

>440~450

<1.2~1.0

>2.0~3.0

深黄色

>0.40

>0.40

>90~150

成熟中质油

高成熟

>1.3~2.0

>4.5~6.0

>450~580

<1.0~0.5

>3.0

浅棕色－棕黑色

－

－

>150~200

高成熟轻质油凝析油、湿气

过成熟

>2.0

>6.0

>580

<0.5

>3.0

黑色

－

－

>200

干气

3.2碳酸盐岩有机质成熟作用标志与成熟度评价

对缺少镜质体的地层，尤其是下古生界海相碳酸盐岩，很难用经过实践证明是可信的源于高等植物碎屑的镜质体反射率来作为成熟度指标。

可以说，这些地层的成熟度评价是困挠石油地质界和油气地球化学界的难题。

正因为如此，各国学者对这一问题进行了长期的研究和探索（钟宁宁等，1998）。

目前主要是利用海相岩石中各种有机显微组分光性参数和干酪根的化学结构参数与镜质体反射率之间的相关关系，来获取等效镜质体反射率。

任何成熟度评价参数，如不能建立起可与目前国际上唯一公认的、最广泛应用的成熟度指标——镜质体反射率进行直接或间接的对比关系，则不能被认为是可靠的成熟度指标。

3.2.1沥青反射率（Rb）

影响沥青反射率的主要地质因素是沥青的成因及其热演化特征。

由于沥青的来源不同，它可以发育成不同的光学结构。

只有在烃源岩原地形成的或干酪根热转化初期形成的固体沥青，才可以用作成熟度研究。

Jscob（1985）根据镜质组反射率与沥青反射率大量数据对比研究提出下列相关关系式：

Ro=0.618Rb+0.4

丰国奇（1988）用四川盆地样品分别通过热模拟实验和自然演化系列建立了两个相关关系式：

Ro=0.3195+0.6790Rb      （根据热模拟）

Ro=0.336+0.6569Rb     （根据自然演化）

3.2.2海相镜质组反射率（Rmv）

海相镜质组是碳酸盐岩中“自生”的镜质组分（钟宁宁、秦勇，1995）。

其反射率与煤中的镜质组反射率有极好的相关关系，是海相碳酸盐岩最理想的成熟度指标之一。

钟宁宁、秦勇（1995）通过华北地区