許化政，王傳剛，劉春燕

（中國(guó)石化股份有限公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院）

海相碳酸鹽巖成巖作用與排烴特征

許化政，王傳剛，劉春燕

（中國(guó)石化股份有限公司石油勘探開(kāi)發(fā)研究院）

與泥頁(yè)巖以緩慢壓實(shí)為主的成巖作用不同，碳酸鹽巖的成巖以膠結(jié)和交代作用為主，并在淺埋處幾乎失去其所有的原生孔隙和沉積水。碳酸鹽巖在埋藏條件下處于近完全封閉的壓實(shí)流環(huán)境中，深埋和地溫升高除形成小規(guī)模的壓溶作用（如縫合線(xiàn)）外，其他類(lèi)型的成巖作用很微弱。在進(jìn)入有機(jī)質(zhì)生烴的門(mén)限深度后，低豐度有機(jī)質(zhì)雖可生成一定數(shù)量的烴類(lèi)，但碳酸鹽巖不像泥巖那樣可以脫出大量壓實(shí)水，烴的運(yùn)移既無(wú)“載體”，又無(wú)異常高壓作為動(dòng)力和造縫條件，烴類(lèi)很難大規(guī)模運(yùn)移。在其后的成巖作用中，烴類(lèi)或分散于封閉的晶間孔隙中，或與礦物結(jié)合形成晶包有機(jī)質(zhì)和包裹體有機(jī)質(zhì)，造成碳酸鹽巖含烴率常常高于泥頁(yè)巖。

碳酸鹽巖；泥頁(yè)巖；成巖作用；排烴效率；有效烴源巖

排烴效率是烴源巖評(píng)價(jià)的重要條件。一些地球化學(xué)工作者通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，得出碳酸鹽巖排烴效率高的觀(guān)點(diǎn)，并由此認(rèn)為碳酸鹽巖生油指標(biāo)的下限可以降低。而地質(zhì)實(shí)際中的排烴效率，需要從碳酸鹽巖成巖、排烴的動(dòng)力條件、運(yùn)移方式和運(yùn)移通道的綜合上來(lái)認(rèn)識(shí)，與排烴實(shí)驗(yàn)得出的結(jié)論完全相反。

1 碳酸鹽巖中的烴含量

一個(gè)普遍的事實(shí)是：碳酸鹽巖中的烴含量（烴/巖石）高于泥頁(yè)巖。雖然大多數(shù)石灰?guī)r和白云巖中的有機(jī)質(zhì)含量?jī)H為頁(yè)巖的1/10，但其烴含量可與頁(yè)巖中的數(shù)量相當(dāng)；泥巖中的TOC平均含量(1.14%)為碳酸鹽巖(0.24%)的5倍，但二者的烴含量卻幾乎一樣［1］，并由此得出一個(gè)結(jié)論：碳酸鹽巖的烴轉(zhuǎn)化率（HC/TOC）比泥巖高4倍。Baker［2］的研究也證實(shí)，碳酸鹽巖內(nèi)烴類(lèi)與有機(jī)碳的比值比頁(yè)巖高得多，并認(rèn)為“這與石灰?guī)r趨向于封鎖住本身的烴類(lèi)，而要釋放出來(lái)比頁(yè)巖困難得多”的概念是一致的。Chaykovskaya［3］提出，碳酸鹽巖成巖作用早，致使其中所含的瀝青不能運(yùn)移到圍巖中去，是土魯漢斯克和諾里爾斯克地區(qū)碳酸鹽巖內(nèi)瀝青含量高的原因。夏新宇認(rèn)為［4］，“碳酸鹽巖的HC/TOC值高于泥頁(yè)巖”有可能是異地運(yùn)移烴的增多、排烴效率低和高的巖石吸附能力造成的，并不能說(shuō)明碳酸鹽巖的有機(jī)質(zhì)烴轉(zhuǎn)化系數(shù)高。

實(shí)際上，上述專(zhuān)家所說(shuō)的烴僅是吸附烴（氯仿瀝青“A”）的部分，除此之外，碳酸鹽巖中還有一定比例與礦物結(jié)合形成的包裹體有機(jī)質(zhì)（瀝青“B”）和晶包有機(jī)質(zhì)（瀝青“C”）。趙政璋［5］等對(duì)華北石炭系灰?guī)r測(cè)試的“A”∶“B”∶“C”比值為（65%～95%）∶（1%～5%）∶（3%～20%）；下?lián)P子地區(qū)下古生界碳酸鹽巖的“A”∶“B”∶“C”比值為（30%～60%）∶（3%～10%）∶（38%～60%）。

由于碳酸鹽巖的有機(jī)質(zhì)多為Ⅲ型或Ⅱ2型干酪根，不可能有高的烴轉(zhuǎn)化率，瀝青“A”+“B”+“C”很可能就是其總的生烴率。

顯微鏡下觀(guān)察鄂爾多斯盆地下古生界碳酸鹽巖樣，可高頻率地發(fā)現(xiàn)各種形式的瀝青和石油；瀝青主要以不規(guī)則粒狀分散彌漫在礦物顆粒邊緣，個(gè)別分布在生物體腔內(nèi)，或沿縫合線(xiàn)形成“死油”。更多的則是各類(lèi)不含水或含水較少的油、氣包裹體。吳征等［6］對(duì)鄂爾多斯盆地近百件樣品作了較系統(tǒng)的有機(jī)巖石學(xué)觀(guān)察，在對(duì)其所見(jiàn)的各種瀝青的光性特征和賦存形式分析基礎(chǔ)上，確定出原生—同層瀝青（碳酸鹽巖自身生成的瀝青），然后進(jìn)行目測(cè)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算了原生—同層瀝青（含包裹體有機(jī)質(zhì)）面積占巖片總面積的百分含量，并與巖石的有機(jī)碳含量（TOC）做圖，結(jié)果是二者間為正相關(guān)關(guān)系（圖1）。這樣求出的原生瀝青含量可達(dá)0～3%，平均1.6%［6］，且與巖石的TOC為正相關(guān)，說(shuō)明碳酸鹽巖的排烴是非常有限的，大部分仍滯留和包裹在其母巖內(nèi)。

圖1 鄂爾多斯盆地北部下奧陶統(tǒng)原生瀝青含量—有機(jī)碳豐度相關(guān)變化圖［6］

2 泥質(zhì)巖的成巖與排烴作用

由于對(duì)碳酸鹽巖成巖和釋出液體到油藏的了解還較少，因此將石油在碳酸鹽巖和黏土中的初次運(yùn)移進(jìn)行對(duì)比說(shuō)明是必要的。

泥質(zhì)沉積物在不斷加大的埋藏作用下，會(huì)出現(xiàn)以下影響油氣初次運(yùn)移的變化。

（1）泥質(zhì)巖是由粒徑 1～5 μm，具有像云母一樣片狀構(gòu)造，層狀含水的鋁硅酸鹽礦物組成的凝絮狀沉積物。成巖初期和早期，對(duì)上覆地層壓力的承載，是由片狀礦物和孔隙水共同承擔(dān)的，壓實(shí)成巖作用表現(xiàn)為孔隙水的減少和黏土礦物的有序排列。這個(gè)過(guò)程極其緩慢，持續(xù)進(jìn)行到有機(jī)質(zhì)開(kāi)始生烴時(shí)（地溫80～100℃，埋深 2400～3000m），泥巖中仍含有大約8%～10%的孔隙水［7］。這時(shí)，組成泥質(zhì)巖主要組分的可膨脹黏土在熱力作用下向非膨脹性黏土轉(zhuǎn)化，如蒙脫石轉(zhuǎn)化成伊利石，脫出大量層間水。由于黏土礦物脫水的時(shí)間與油氣生成的時(shí)間是同步的，且新脫出的層間水和結(jié)合水礦化度極低，對(duì)烴類(lèi)有較強(qiáng)的溶解能力，因此成為油氣初次運(yùn)移的“載體”［8］。

圖2 壓實(shí)—脫水作用期間頁(yè)巖主要組分變化略圖［10］d泥巖比重

（2）泥巖因礦物轉(zhuǎn)化釋出層間水的過(guò)程，也是固體礦物顆粒體積收縮、泥巖孔隙度變大、自由水體積增加的過(guò)程，上覆地層的壓力，將主要由泥巖中的孔隙水承擔(dān)，因而出現(xiàn)泥巖的異常高壓和欠壓實(shí)。由于前期的壓實(shí)和頁(yè)巖中缺少連續(xù)的滲透層或其他的排液通道，新生流體不能及時(shí)排出，不斷增加的自由水（含烴）體積和異常壓力將使黏土礦物晶片間產(chǎn)生裂隙，自由水從頁(yè)巖排出，泥巖降壓，裂縫閉合。此后，隨著埋深加大和地溫升高，泥巖出現(xiàn)新一輪的脫水、生烴、壓力積累，以及新一輪的造縫和排水排烴，如此反復(fù)，直到地溫達(dá)130℃（Ro=1.3%～1.5%），蒙脫石大部或全部轉(zhuǎn)化為伊利石，有機(jī)質(zhì)生成液態(tài)烴潛力近于耗盡［9］。在這個(gè)過(guò)程中，泥巖孔隙度由8%～10%降至3%以下，泥巖比重（d）由2.0g/cm3增至2.3g/cm3以上，泥巖內(nèi)的烴得到了較高程度的排放［10］（圖2）。

（3）在有互層的孔隙沉積物（如砂巖）存在時(shí)，泥質(zhì)烴源巖與孔隙性地層之間可產(chǎn)生很大的流體勢(shì)能差，泥質(zhì)巖因此能有效地排出自身流體到孔隙性地層中（圖3a）［11］。水是地質(zhì)體中最活躍的因素，碳酸鹽是不穩(wěn)定的礦物，壓實(shí)流在孔隙型地層（砂巖）流動(dòng)過(guò)程中可以溶解起封堵作用的鈣質(zhì)膠結(jié)物，由此改善儲(chǔ)集性能。在與非孔隙型沉積物（如石灰?guī)r）互層時(shí)，泥質(zhì)巖與灰?guī)r之間的巨大勢(shì)能差同樣可促使泥巖中高壓高溫流體（水和烴）排向兩種巖性間的界面，并發(fā)生碳酸鈣的溶解、造孔造縫，改善流體運(yùn)移通道（圖3b）。

（4）攜帶有大量石油的流體離開(kāi)泥巖進(jìn)入孔隙儲(chǔ)集層后，物理和化學(xué)條件的改變可引起原油的釋出，油珠增大，從此再也不能進(jìn)入到致密?chē)鷰r細(xì)小的水濕孔隙中。

圖3 不同巖性組合流體運(yùn)移示意圖

3 碳酸鹽巖的成巖與排烴作用

碳酸鹽巖的成巖作用與泥質(zhì)巖不同，因而其排烴機(jī)理不同，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1）碳酸鹽巖的固結(jié)，主要不是壓實(shí)，而是膠結(jié)和交代作用，發(fā)生在沉積表層水活躍的海底淺埋藏階段（準(zhǔn)同生階段）。Ginsburg［12］指出，碳酸鹽泥中的大部分沉積水在埋藏不到1m時(shí)就失去了。Weller［13］同意石灰泥中只有很小的壓實(shí)作用的觀(guān)點(diǎn)，認(rèn)為膠結(jié)和交代作用在很淺的埋藏處就可以使碳酸鹽泥的孔隙度降低到幾乎為零。筆者同意上述學(xué)者的觀(guān)點(diǎn)，認(rèn)為碳酸鹽的固結(jié)成巖不是通過(guò)重力作用（壓實(shí)）實(shí)現(xiàn)的，而是通過(guò)膠結(jié)、交代和重結(jié)晶等石化作用實(shí)現(xiàn)的，就像我們?cè)诰耪瘻?、黃龍旅游區(qū)看到的，石化作用可以發(fā)生在地表或很淺的埋藏處，石化后的碳酸鹽巖非常致密，幾乎不含沉積水。

（2）由以上可知，碳酸鹽巖有機(jī)質(zhì)在埋藏很淺處就進(jìn)入一種近于完全封閉的環(huán)境。其后的埋深加大和地溫升高，雖能引起礦物的轉(zhuǎn)變（交代）、重結(jié)晶和晶粒生長(zhǎng)，但都是在礦物顆粒接觸處的固態(tài)下進(jìn)行的，范圍極其有限。在不溶解的情況下，離子從一個(gè)晶格遷移到另一個(gè)晶格，不穩(wěn)定礦物（文石、高鎂方解石）趨向于轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定礦物，大顆粒趨向于交代小顆粒，細(xì)晶鑲嵌結(jié)構(gòu)趨向于轉(zhuǎn)變?yōu)榇志ц偳督Y(jié)構(gòu)，雖然可以有限度地增加碳酸鹽巖的孔隙度，但并不能改善其滲透率，這是因?yàn)榫植烤чg孔隙的增大，是以晶粒之間的更加緊密接觸為代價(jià)的。

（3）碳酸鹽巖中既無(wú)沉積水，成巖過(guò)程中又無(wú)新生水，極大地增加了原生性碳酸鹽巖中油氣初次運(yùn)移的難度。首先，由于缺乏水載體，石油只能以細(xì)小的油珠運(yùn)移。為了通過(guò)碳酸鹽巖極細(xì)的晶間孔隙，油珠必須依孔隙形狀來(lái)改變其自身，但這種改變必須克服很高的表面張力，阻力很大。其次，碳酸鹽巖中的TOC很低，生烴增壓和熱膨脹增壓都不足以產(chǎn)生像泥巖那樣脈沖式地壓力積累—超壓—微裂隙—排水排烴現(xiàn)象，也不可能積聚起足以使油珠克服表面張力，在微孔隙中長(zhǎng)距離運(yùn)移的動(dòng)力。

（4）持續(xù)埋深的碳酸鹽巖最明顯的成巖作用是壓溶作用，它可以引起顆粒的溶解、膠結(jié)和縫合線(xiàn)形成。壓溶作用形成的縫合線(xiàn)可以在有限的范圍內(nèi)改善烴的排放條件，但壓溶作用釋放出的CaCO3充填在顆粒附近的孔隙內(nèi)，堵塞了孔隙。除此之外，其他類(lèi)型的成巖作用很少。這是因?yàn)榈叵律钐幍奶妓猁}巖不含水，缺少水帶動(dòng)的各種金屬離子交換，不能發(fā)生較強(qiáng)的重結(jié)晶作用，碳酸鹽巖顆粒之間是密封的，不容許流體在其間流動(dòng)。

（5）華北海相碳酸鹽巖沉積環(huán)境穩(wěn)定，厚度巨大，縱向上缺少孔隙型儲(chǔ)集層。因此碳酸鹽巖不但初次排烴效率低，二次運(yùn)移條件也極差，僅從這方面考慮，碳酸鹽巖作為有效烴源巖幾乎是不可能的。

（6）泥灰?guī)r具有黏土與碳酸鹽巖之間的礦物成分，對(duì)它的成巖特征和釋出液體到油藏的可能性了解得還很少。但從機(jī)理上講，泥灰?guī)r的排烴效率應(yīng)介于二者之間，如果沒(méi)有足夠量的烴生成，泥灰?guī)r不可能成為有效烴源巖，這就要求泥灰?guī)r要有較高的有機(jī)質(zhì)豐度（TOC＞0.5%）［14］。

（7）在成巖變化中，碳酸鹽巖低豐度有機(jī)質(zhì)生成的少量烴類(lèi)，或散布于分散、孤立、近于封閉的晶格中,或與礦物結(jié)合形成晶包有機(jī)質(zhì)和包裹體有機(jī)質(zhì)，被永久地封閉起來(lái)，這就是碳酸鹽巖含烴量高的原因。只有在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)形成區(qū)域性隆升或褶皺，并產(chǎn)生斷裂、裂隙、節(jié)理以后，造成了大規(guī)模的地面水下滲，形成了地下水流動(dòng)環(huán)境，碳酸鹽巖才有可能成孔、成洞和造縫而改善運(yùn)移通道和形成儲(chǔ)集層。但在這種環(huán)境中，早期形成的烴或氧化成分散瀝青，或被礦化俘獲封閉起來(lái)，大部分烴類(lèi)仍不能加入到聚集成藏的行列中。

4 結(jié)語(yǔ)

世界上許多大油氣田的儲(chǔ)集巖是碳酸鹽巖，與鄂爾多斯盆地下古生界氣田一樣，含氣剖面中的圍巖幾乎全由碳酸鹽巖組成，其他巖性很少，因此誤把碳酸鹽巖作為烴源巖。隨著研究工作的深入，人們發(fā)現(xiàn)碳酸鹽巖含有機(jī)質(zhì)豐度低，類(lèi)型差，開(kāi)始對(duì)碳酸鹽巖的生油有效性產(chǎn)生懷疑，并發(fā)現(xiàn)區(qū)域性分布碳酸鹽巖的地區(qū)沒(méi)有大油氣田，大油氣田總是和碳酸鹽巖剖面中所含的厚度并不算大、但分布廣、含有機(jī)質(zhì)豐度高的泥頁(yè)巖有關(guān)聯(lián)，最終確認(rèn)這種海相高有機(jī)質(zhì)豐度泥頁(yè)巖為有效烴源巖。依此思想部署勘探，大大提高了大油氣田的發(fā)現(xiàn)速度。

中國(guó)的海相油氣勘探起步于20世紀(jì)80年代。由于海相沉積穩(wěn)定，相帶寬緩，有關(guān)海洋沉積相（特別是烴源巖發(fā)育的構(gòu)造部位、沉積環(huán)境）的研究相對(duì)滯后。地球化學(xué)工作者依據(jù)有限的分析化驗(yàn)數(shù)據(jù)、過(guò)多地“模擬實(shí)驗(yàn)”研究碳酸鹽巖的生油性，常常是各執(zhí)已見(jiàn)，至今未獲得統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。假如我們把碳酸鹽巖的低有機(jī)質(zhì)豐度、差有機(jī)質(zhì)類(lèi)型放到沉積環(huán)境中去研究，把碳酸鹽巖生油的有效性放到成巖演變中去認(rèn)識(shí)，我們就不會(huì)得出所謂的碳酸鹽巖“烴轉(zhuǎn)化率高”、“排烴效率高”、“有機(jī)碳應(yīng)該恢復(fù)”等的錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，不至于人為地拉低碳酸鹽巖生油的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

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Diagenesis and Expulsion efficiency of Marine Carbonate Rock

Xu Huazheng,Wang Chuangang,Liu Chunyan

Being different from diagenesis of argillutite that is mainly secular compaction,the diagenesis of carbonate rock is mainly cementation and metasomatism so that carbonate rock almost lose all of primary pores and depositional water in it.The carbonate rock is in the perfectly enclosed environment of compacting fluid with deep burial.Besides of small-scaled pressure solution that is formed by deep burial and geothermal rise,other styles of diagenesis are faint.After organic matter enter the depth of hydrocarbon generation threshold,low abundance of organic matter may generate an amount of hydrocarbon but carbonate rock may not cast off such same great deal of compaction water as the argillutite.Due to neither carrier of hydrocarbon migration nor dynamics of abnormal pressure with fracture-generating condition,hydrocarbon compounds are difficult to come out from its parent rock in large scale.Hydrocarbon compounds may be dispersed in disconnected intercrystalline pores and form crystal-wrapped organic matter combined with minerals and inclusion enclave organic matter,which results in hydrocarbon percentage of carbonate rock commonly higher than that of argillutite.

Carbonate rock;Argillutite;Diagenesis;Expulsion efficiency;Effective source rock

TE112.23

A

許化政 1943年生，碩士，教授級(jí)高級(jí)工程師。1968年畢業(yè)于北京石油學(xué)院勘探系，1981年獲工學(xué)碩士學(xué)位，石油地質(zhì)專(zhuān)業(yè)，長(zhǎng)期從事石油地質(zhì)和油氣勘探地質(zhì)研究。通訊地址：100083北京市海淀區(qū)學(xué)院路31號(hào)

許化政

1672-9854(2010)-01-0051-04

2009-05-01

趙國(guó)憲

Xu Huazheng：male,Professorial Geologist.Add：Sinopec Research Institute of Petroleum Exploration and Production,31 Xueyuan Rd.,Beijing,100083 China