李志鵬

(中石化勝利油田分公司，山東 東營 257061)

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中上揚(yáng)子五峰組頁巖有機(jī)質(zhì)豐度恢復(fù)及評(píng)價(jià)

李志鵬

(中石化勝利油田分公司，山東 東營 257061)

通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)和理論推導(dǎo)，提出一種基于有機(jī)質(zhì)類型和鏡質(zhì)體反射率的有機(jī)質(zhì)豐度恢復(fù)新方法。對(duì)中上揚(yáng)子五峰組高、過成熟烴源巖進(jìn)行了有機(jī)質(zhì)豐度恢復(fù)，五峰組頁巖平均有機(jī)碳含量為7.45%，平均生烴強(qiáng)度為0.96 t/m2。利用有機(jī)質(zhì)類型、原始有機(jī)碳含量和生烴強(qiáng)度對(duì)烴源巖進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，明確五峰組頁巖為有機(jī)質(zhì)類型好、豐度高、厚度薄、生烴強(qiáng)度低的中等烴源巖。為同類海相頁巖氣資源量估算和評(píng)價(jià)提供借鑒。

烴源巖；恢復(fù)系數(shù)；原始有機(jī)質(zhì)豐度；五峰組；中上揚(yáng)子地區(qū)

引 言

中國南方存在4套區(qū)域性主力烴源巖層，分別為：下寒武統(tǒng)、下志留統(tǒng)、下二疊統(tǒng)和上二疊統(tǒng)。另存在上震旦統(tǒng)陡山沱組、上奧陶統(tǒng)、下奧陶統(tǒng)、中泥盆統(tǒng)、下石炭統(tǒng)、下三疊統(tǒng)及上三疊統(tǒng)—下侏羅統(tǒng)等7套區(qū)域性烴源巖層[1]。前人對(duì)4套區(qū)域性主力烴源巖層做了大量而詳細(xì)的工作[2-4]，提出高演化程度烴源巖的評(píng)價(jià)必須對(duì)其進(jìn)行原始有機(jī)質(zhì)豐度的恢復(fù)，即恢復(fù)其鏡質(zhì)體反射率(Ro)在0.5左右的有機(jī)質(zhì)豐度[5]。目前有機(jī)質(zhì)豐度恢復(fù)的方法總結(jié)起來共存在4大類：自然演化剖面法、熱模擬實(shí)驗(yàn)法[6-7]、譜學(xué)類型模型法[8]和理論計(jì)算法，其中理論計(jì)算法主要包括元素模型法[8]、熱降解法[9-10]和物質(zhì)平衡恢復(fù)法[11]。本文以熱降解法為指導(dǎo)思路，借鑒前人[12-19]的部分研究成果和室內(nèi)實(shí)驗(yàn)，提出了利用有機(jī)質(zhì)類型和鏡質(zhì)體反射率進(jìn)行原始有機(jī)碳含量恢復(fù)的方法，并利用該方法對(duì)中上揚(yáng)子地區(qū)上奧陶統(tǒng)五峰組頁巖進(jìn)行了原始有機(jī)碳含量的恢復(fù)，計(jì)算其生烴強(qiáng)度，并對(duì)五峰組頁巖進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，為中國南方頁巖氣資源量的估算和評(píng)價(jià)提供借鑒。

1 巖性特征

中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組厚度為1.8～52.4 m，平均為11.1 m。巖石類型簡(jiǎn)單，主要包括頁巖和硅質(zhì)巖，另外在四川盆地中東部和湖北崇陽—江西武寧地區(qū)五峰組頂部存在厚度為1.0 m左右的觀音橋段粉砂巖和生物屑顆?；?guī)r?？v向上頁巖和硅質(zhì)巖呈不等厚互層狀，頁巖呈灰黑色，富含筆石和放射蟲，含一定的硅質(zhì)成分，是五峰組烴源巖的主要巖性。硅質(zhì)巖主要由自生硅質(zhì)礦物組成，一般為黑色薄層狀，部分地區(qū)含一定泥質(zhì)成分和浮游生物，主要是筆石和放射蟲，泥質(zhì)硅巖和含生物硅質(zhì)巖是五峰組的次要烴源巖。五峰組頂部觀音橋段的薄層粉砂巖及少量生物屑顆?；?guī)r，在一定條件下可以作為儲(chǔ)集巖層(圖1)。

2 烴源巖綜合評(píng)價(jià)

2.1 有機(jī)質(zhì)類型及熱演化程度

2.1.1 有機(jī)質(zhì)類型

騰格爾[12-13]對(duì)中上揚(yáng)子地區(qū)的重慶城口、南江剖面和湖北龍山—來鳳剖面的五峰組烴源巖進(jìn)行了有機(jī)地球化學(xué)指標(biāo)的測(cè)量(表1)，發(fā)現(xiàn)五峰組的δ13C小于-27.50‰，屬腐泥型有機(jī)質(zhì)，Ⅰ型有機(jī)質(zhì)。3條剖面所處平面位置不同，城口和南江剖面位于中上揚(yáng)子地區(qū)的北緣，龍山—來鳳剖面位于中上地區(qū)的中部。中上揚(yáng)子地區(qū)五峰期沉積環(huán)境穩(wěn)定[14-15]，巖性組合(硅質(zhì)頁巖、泥質(zhì)硅質(zhì)巖)和生物組合(筆石、放射蟲)基本相同。綜上，城口、南江和龍山—來鳳地區(qū)的五峰組有機(jī)質(zhì)類型可以代表整個(gè)中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型。

圖1 中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組地層特征

剖面層位TOC/%氯仿瀝青“A”/10-6S1+S2/(mg/g)δ13C干酪根/‰城口五峰組1.37～4.76444.76～552.692.86～3.65-30.23～-30.50南江五峰組2.05～3.6434.60～55.200.02～0.04-29.61～-29.70龍山—來鳳五峰組1.73～3.1237.89～49.940.00～0.02-29.26～-29.55

2.1.2 熱演化程度

此次測(cè)量的26塊反映五峰組烴源巖熱演化程度的樣品的鏡質(zhì)體反射率(Ro)為0.9%～2.9%，平均為1.7%。鏡質(zhì)體反射率平面分布存在3個(gè)特點(diǎn)：古陸周圍鏡質(zhì)體反射率低；自中部向南北盆地邊緣鏡質(zhì)體反射率降低；西部鏡質(zhì)體反射率高于東部。熱演化程度方面，中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組烴源巖都已經(jīng)成熟，過成熟烴源巖出現(xiàn)在中上揚(yáng)子地區(qū)的西部中央，高成熟烴源巖主要分布在中上揚(yáng)子地區(qū)的東部和西部，圍繞過成熟烴源巖分布，低成熟期烴源巖分布范圍小，主要發(fā)育在靠近南部古陸的張家坪、燕子口地區(qū)和北部的建陽坪地區(qū)。目前五峰組大部分地區(qū)烴源巖已經(jīng)完成了大量的生排烴過程，主要處于熱裂解生氣階段和生烴枯竭階段(圖2a)。

圖2 中上揚(yáng)子五峰組鏡質(zhì)體反射率及殘余有機(jī)碳含量

2.2 有機(jī)質(zhì)豐度

2.2.1 殘余有機(jī)碳含量

通過對(duì)26塊采集樣品的殘余有機(jī)碳含量測(cè)定，發(fā)現(xiàn)中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組殘余有機(jī)碳含量高，為1.36%～6.78%，平均為3.12%。最高出現(xiàn)在觀音橋地區(qū)，殘余有機(jī)碳含量達(dá)到6.78%。小于1.00%的區(qū)域主要分布在靠近古陸的西南部(圖2b)?？傮w上，西部殘余有機(jī)碳含量以觀音橋?yàn)橹行南蛩闹芙档?，東部存在道子廟—分鄉(xiāng)—大沙坪—新開嶺的一條殘余有機(jī)碳含量低值帶，向兩邊殘余有機(jī)碳含量增加。

高演化烴源巖的有機(jī)質(zhì)已完成大量的生排烴過程，目前有機(jī)碳含量為完成生排烴后的殘余有機(jī)碳含量，已基本失去了生烴能力，殘余有機(jī)碳含量不能反映高演化烴源巖的真實(shí)品質(zhì)。所以對(duì)高演化烴源巖必須進(jìn)行原始有機(jī)質(zhì)豐度的恢復(fù)，恢復(fù)其低成熟階段的原始有機(jī)碳含量，利用原始有機(jī)碳含量才能對(duì)高演化烴源巖進(jìn)行更客觀的評(píng)價(jià)。

2.2.2 原始有機(jī)碳含量

2.2.2.1 有機(jī)質(zhì)生烴率與鏡質(zhì)體反射率的關(guān)系

生烴率(G)是指烴源巖熱演化到一定程度時(shí)，每克有機(jī)碳生成烴類的質(zhì)量，生烴率在熱演化過程中是不斷增加的，主要受有機(jī)質(zhì)類型和熱成熟度2個(gè)指標(biāo)的影響。利用熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果，回歸了有機(jī)質(zhì)生烴率與鏡質(zhì)體反射率之間的關(guān)系(圖3)。發(fā)現(xiàn)存在以下特點(diǎn)。①當(dāng)Ro達(dá)到0.5時(shí)有機(jī)質(zhì)才具有明顯的生烴率，既當(dāng)Ro達(dá)到0.5時(shí)各型有機(jī)質(zhì)才開始規(guī)模生烴；②有機(jī)質(zhì)從生烴開始到生烴結(jié)束，G與Ro的關(guān)系可分2個(gè)階段：A階段，G隨Ro的升高大幅度增加，此階段G與Ro的對(duì)數(shù)呈線性關(guān)系，為有機(jī)質(zhì)大規(guī)模的生排烴階段，是干酪根熱分解生烴階段；B階段，G隨Ro的升高變化不大，此階段G與Ro呈近水平的線性關(guān)系，是干酪根的熱裂解階段，主要是前期生成的烴類熱裂解為分子更小的烴類，而在生烴量上增加不多；③從Ⅰ型(腐泥型)有機(jī)質(zhì)到Ⅲ型(腐殖型)有機(jī)質(zhì)，A階段斜率逐漸減小而B階段斜率有所增加，說明自Ⅰ型有機(jī)質(zhì)到Ⅲ型有機(jī)質(zhì)早期生烴能力不斷減小，而后期生烴能力有所增加，這是Ⅲ型有機(jī)質(zhì)后期生氣能力的表現(xiàn)；④從Ⅰ型有機(jī)質(zhì)到Ⅲ型有機(jī)質(zhì)A階段的Ro寬度增加，自Ⅰ型有機(jī)質(zhì)的0.5%～1.3%增加到Ⅲ型有機(jī)質(zhì)的0.5%～1.8%，Ro寬度增加了0.5%，這主要受自Ⅰ型有機(jī)質(zhì)到Ⅲ型有機(jī)質(zhì)熱裂解需要的能量越來越高，難度越來越大的影響。

圖3 生烴率與鏡質(zhì)體反射率的關(guān)系

通過以上分析發(fā)現(xiàn)各型有機(jī)質(zhì)的生烴率與Ro的關(guān)系符合有機(jī)生油理論規(guī)律，可以利用數(shù)學(xué)方程組表示為：

(1)

式中：b、c、m、n為系數(shù)；G為生烴率，mg/g；Ro為鏡質(zhì)體反射率，%。

2.2.2.2 殘余降解率與鏡質(zhì)體反射率的關(guān)系

降解率(D)是烴源巖中具生烴能力的有效有機(jī)碳占烴源巖總有機(jī)碳的百分?jǐn)?shù)，可分為原始降解率(Dy)和殘余降解率(Dc)。原始降解率是指烴源巖在未成熟階段所具有的最大潛在降解率，殘余降解率是烴源巖熱演化到一定程度時(shí)剩余的潛在降解率。原始降解率主要受有機(jī)質(zhì)類型的影響，與成熟度關(guān)系不大，程克明等[5]通過實(shí)驗(yàn)得出Ⅰ型有機(jī)質(zhì)的原始降解率在50%以上，最高可達(dá)70%。殘余降解率主要受有機(jī)質(zhì)類型和成熟度的雙重控制，隨著烴源巖的熱演化不斷降低。

據(jù)生烴率與降解率的定義，烴源巖的生烴率與降解率之間存在定量關(guān)系。烴源巖熱演化極限狀態(tài)下的生烴率(Gy)與目前狀態(tài)生烴率(G)之差，正是目前烴源巖中殘余有效有機(jī)碳能夠生成的殘余烴量與總有機(jī)碳的比值，而烴源巖中的殘余有效有機(jī)碳與總有機(jī)碳之比正是烴源巖的殘余降解率。

(2)

式中：a為有效碳向烴類轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換系數(shù)，該系數(shù)各個(gè)地區(qū)不同，主要與有機(jī)質(zhì)類型有關(guān)；Gy為烴源巖熱演化極限狀態(tài)下的生烴率，mg/g；G為目前狀態(tài)下烴源巖的生烴率，mg/g。將式(1)和式(2)聯(lián)立，可以得到殘余降解率(Dc)與鏡質(zhì)體反射率(Ro)之間的關(guān)系為：

(3)

2.2.2.3 原始有機(jī)碳含量恢復(fù)

程克明等[5]提出了烴源巖原始有機(jī)質(zhì)豐度的熱降解恢復(fù)方法，有機(jī)碳含量恢復(fù)系數(shù)Rc為：

Rc=(1-Dc)/(1-Dy)

(4)

根據(jù)式(3)和式(4)，結(jié)合不同有機(jī)質(zhì)類型的原始降解率Dy，可以利用有機(jī)質(zhì)的鏡質(zhì)體反射率Ro計(jì)算烴源巖原始有機(jī)碳含量的恢復(fù)系數(shù)，進(jìn)而對(duì)烴源巖的原始有機(jī)碳含量進(jìn)行恢復(fù)。

中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型有機(jī)質(zhì)，取原始降解率為60%，利用上述方法對(duì)中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組烴源巖的原始有機(jī)碳含量進(jìn)行了恢復(fù)?；謴?fù)系數(shù)為2.10～2.46，平均為2.40。

恢復(fù)五峰組原始有機(jī)碳含量為3.18%～16.54%，平均為7.45%，原始有機(jī)碳含量非常高。中上揚(yáng)子地區(qū)西部原始有機(jī)碳含量的分布特征與殘余有機(jī)碳含量的分布特征相似，以重慶觀音橋?yàn)橹行南蛩闹軠p小，觀音橋地區(qū)最高達(dá)到16.54%；在東部與殘余有機(jī)碳含量的分布特征存在差別，主要受鏡質(zhì)體反射率差異的影響(圖4a)。

圖4 中上揚(yáng)子五峰組原始有機(jī)碳含量和生烴強(qiáng)度等值線

2.3 生烴強(qiáng)度

烴源巖的生烴強(qiáng)度是評(píng)判烴源巖生烴能力的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組烴源巖研究更為重要，因?yàn)槠溆袡C(jī)質(zhì)豐度非常高且厚度薄，單從有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)不能反映中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組烴源巖的真實(shí)條件。利用中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組烴源巖的原始有機(jī)碳含量、鏡質(zhì)體反射率和生烴率，計(jì)算了到目前五峰組烴源巖的生烴強(qiáng)度。目前五峰組烴源巖已經(jīng)完成了大量生排烴過程，累計(jì)生烴強(qiáng)度為0.13～5.20 t/m2，平均為0.96 t/m2，受九溪地區(qū)地層厚度最大(52.4 m)的影響，生烴強(qiáng)度最大出現(xiàn)在九溪地區(qū)。總體上，生烴強(qiáng)度較低，主要受五峰組烴源巖厚度薄(平均為11.1 m)的制約。根據(jù)商業(yè)油氣流生烴強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)(生烴強(qiáng)度大于1 t/m2)，中上揚(yáng)子地區(qū)目前只有溪口—大塘口地區(qū)、雙河地區(qū)以及九溪—大沙坪—章山林場(chǎng)3個(gè)地區(qū)的生烴強(qiáng)度達(dá)到了商業(yè)油氣流標(biāo)準(zhǔn)(圖4b)。

2.4 烴源巖評(píng)價(jià)

綜合郝石生[10]、程克明等[8]提出的烴源巖綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提出了中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組烴源巖的綜合評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表2)。中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組烴源巖具有有機(jī)類型好、有機(jī)質(zhì)豐度高和烴源巖厚度薄的特點(diǎn)，受厚度薄的影響，生烴強(qiáng)度低。中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組烴源巖為Ⅰ型有機(jī)質(zhì)，原始有機(jī)碳含量大于2.00%，絕大部分地區(qū)生烴強(qiáng)度小于2.00 t/m2，綜合3個(gè)單因素，認(rèn)為中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組烴源巖為中等烴源巖。

表2 中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組烴源巖綜合評(píng)價(jià)

3 結(jié) 論

(1) 建立并分析了生烴率與鏡質(zhì)體反射率的關(guān)系，提出了描述兩者之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，理論推導(dǎo)了殘余降解率與鏡質(zhì)體反射率之間的數(shù)學(xué)關(guān)系式，結(jié)合熱降解有機(jī)碳含量恢復(fù)法，提出了利用有機(jī)質(zhì)類型、鏡質(zhì)體反射率和殘余有機(jī)碳含量進(jìn)行高、過成熟烴源巖原始有機(jī)碳含量恢復(fù)的方法。

(2) 中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組烴源巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ型(腐泥型)。殘余有機(jī)碳含量高，為1.36%～6.78%，平均為3.12%。原始有機(jī)碳含量更高，為3.18%～16.54%，平均7.45%。烴源巖厚度薄，為1.8～52.4 m，平均為11.1 m。

(3) 中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型和原始有機(jī)碳含量屬好烴源巖，受厚度薄的影響，生烴強(qiáng)度低，為0.13～5.20 t/m2，平均為0.96 t/m2，綜合判定為中等烴源巖。

[1] 蔡勛育，韋寶東，趙培榮.南方海相烴源巖特征分析[J].天然氣工業(yè)，2005，25(3)：20-22.

[2] 彭金寧，劉光祥，羅開平，等.中揚(yáng)子地區(qū)下寒武統(tǒng)烴源巖橫向分布特征及主控因素分析[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，24(6)：17-20.

[3] 李建青，蒲仁海，田媛媛.下?lián)P子區(qū)印支期后構(gòu)造演化與有利勘探區(qū)預(yù)測(cè)[J].現(xiàn)代地質(zhì)，2012，26(2)：326-331.

[4] 嚴(yán)德天，王清晨，陳代釗，等.揚(yáng)子及周緣地區(qū)上奧陶統(tǒng)—志留統(tǒng)烴源巖發(fā)育環(huán)境及其控制因素[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，2008，82(3)：321-327.

[5] 程克明，王兆云，熊英，等.中國海相碳酸鹽巖的生烴研究[J].海相油氣地質(zhì)，1999，4(4)：1-11.

[6] 鄔立言，顧信章，盛志偉，等.生油巖熱解快速定量評(píng)價(jià)[M].北京： 科學(xué)出版社，1986：30-31.

[7] 龐雄奇，方祖康，陳章明.地史過程中的巖石有機(jī)質(zhì)含量變化及其計(jì)算[J].石油學(xué)報(bào)，1988，9(1)：17-24.

[8] 程克明，王兆云，鐘寧寧，等.碳酸鹽巖油氣生成理論與實(shí)踐[M].北京：石油工業(yè)出版社，1996：276-285.

[9] 程克明，王兆云.高成熟和過成熟海相碳酸鹽巖生烴條件評(píng)價(jià)方法研究[J].中國科學(xué)(D 輯)，1996，26(6)：537-543.

[10] 郝石生，高崗，王飛宇，等.高過成熟海相烴源巖[M].北京：石油工業(yè)出版社，1996：98-109.

[11] 盧雙舫，薛海濤，鐘寧寧.地史過程中烴烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度和生烴潛力變化的模擬計(jì)算[J].地質(zhì)論評(píng)，2003，29(3)：292-297.

[12] 騰格爾，高長林，胡凱，等.上揚(yáng)子北緣下組合優(yōu)質(zhì)烴源巖分布及生烴潛力評(píng)價(jià)[J].天然氣地球科學(xué)，2007，18(2)：254-259.

[13] 騰格爾，高長林，胡凱，等.上揚(yáng)子?xùn)|南緣下組合優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育及生烴潛力[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2006，28(4)：359-365.

[14] 高振中，何幼斌，李羅照，等.中國南方上奧陶統(tǒng)五峰組觀音橋段成因探討：是“淺水介殼相”，還是深水異地沉積?[J].古地理學(xué)報(bào)，2008，10(5)：487-494.

[15] 肖傳桃，李建明，郭成賢.中上揚(yáng)子地區(qū)五峰組沉積環(huán)境的再認(rèn)識(shí)[J].四川地質(zhì)學(xué)報(bào)，1996， 16(4)： 294-298.

[16] 朱定偉，丁文龍，鄧禮華， 等.中上揚(yáng)子地區(qū)泥頁巖發(fā)育特征與頁巖氣形成條件分析[J].特種油氣藏，2012， 19(1)： 34-38.

[17] 徐波，李敬含，謝東， 等.中石油探區(qū)主要盆地頁巖氣資源分布特征研究[J].特種油氣藏，2011， 18(4)： 1-6.

[18] 許長春.國內(nèi)頁巖氣地質(zhì)理論研究進(jìn)展[J].特種油氣藏，2012， 19(1)： 1-15.

[19] 張培先.頁巖氣測(cè)井評(píng)價(jià)研究——以川東南海相地層為例[J].特種油氣藏，2012，19(2)： 12-15.

編輯 張 雁

20140916；改回日期：20150120

國家科技重大專項(xiàng) “復(fù)雜油氣藏精細(xì)表征與剩余油分布預(yù)測(cè)”(2009ZX05009—003)

李志鵬(1983-)，男，工程師，2006年畢業(yè)于長江大學(xué)資源勘查工程專業(yè)，2012年畢業(yè)于中國石油大學(xué)(華東)地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，主要從事石油勘探與油藏描述方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.02.003

TE121.1

A

1006-6535(2015)02-0013-05