低豐度碳酸鹽巖有效烴源巖存在的證據(jù)及其TOC下限

霍志鵬，龐雄奇，張寶收，陳踐發(fā)，范柏江，李素梅

1) 中國石油大學(xué)(北京)油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京，102249；2) 中國石油大學(xué)(北京)盆地與油藏研究中心，北京，102249；3) 中國石油塔里木油田勘探開發(fā)研究院，新疆庫爾勒，841000；4) 陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，西安，710075

內(nèi)容提要：中國碳酸鹽巖分布面積廣、熱演化程度高、有機(jī)質(zhì)豐度普遍較低，研究低豐度碳酸鹽巖能否成為有效烴源巖對(duì)評(píng)價(jià)碳酸鹽巖油氣潛力和勘探前景具有重要意義。多方面研究表明，隨著深度增大或熱演化程度的提高，碳酸鹽巖烴源巖TOC降低、生烴潛力和殘留烴量均表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果等都表明低豐度碳酸鹽巖烴源巖可以發(fā)生生排烴作用，國外勘探實(shí)踐亦發(fā)現(xiàn)低豐度碳酸鹽巖作為烴源巖的油氣田，這都表明低豐度碳酸鹽巖可以成為有效烴源巖。確定碳酸鹽巖烴源巖TOC下限需要考慮多個(gè)因素，研究認(rèn)為碳酸鹽巖烴源巖的TOC下限應(yīng)該比泥頁巖的0.5%低一些。根據(jù)排烴門限，利用生烴潛力法和物質(zhì)平衡數(shù)值模擬計(jì)算法確定了不同成熟階段有效烴源巖TOC下限，結(jié)合前人研究成果和勘探實(shí)踐，綜合確定低成熟階段、成熟階段和高過成熟階段碳酸鹽巖有效烴源巖的TOC下限分別為TOC≥1.4%、TOC=0.1%～1.4%和TOC<0.1%。

中國的海相碳酸鹽巖分布面積為344×104km2，占陸地沉積巖總面積的40%，具有巨大的油氣勘探潛力(馬永生，2000)。中國碳酸鹽具有時(shí)代老(以古生界主)、有機(jī)質(zhì)豐度低(TOC一般小于0.2%)、熱演化程度高、埋藏深和受多旋回構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響強(qiáng)烈等特點(diǎn)(李晉超等，1998；秦建中，2005)。關(guān)于有機(jī)質(zhì)豐度普遍偏低、處于高—過成熟階段的碳酸鹽巖能否成為有效烴源巖一直是許多石油地質(zhì)學(xué)者爭(zhēng)論的焦點(diǎn)。早期中國學(xué)者認(rèn)為碳酸鹽巖烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度(TOC)下限比泥頁巖低，一般為0.1%～0.2%(周中毅和賈蓉芬，1974；傅家謨和史繼楊，1977；陳丕濟(jì)，1985；劉德漢和史繼揚(yáng)，1994)，國外學(xué)者確定的有機(jī)碳下限一般為0.3%(Tissot and Welte，1978；Hunt，1979)。而近些年來中國一些學(xué)者研究認(rèn)為碳酸鹽巖烴源巖的TOC下限和泥頁巖沒有根本的差別，也應(yīng)該是0.5%(邱中建等，1998；梁狄剛等，2000；夏新宇，2000；張水昌等，2002、2004)，并認(rèn)為如果碳酸鹽巖烴源巖有機(jī)碳下限很低，會(huì)導(dǎo)致烴源巖無處不在，不應(yīng)成為勘探過程中的主要限定因素，但是我國碳酸鹽巖的油氣勘探效果卻并不理想(張水昌等，2004)。TOC=0.5%作為碳酸鹽巖烴源巖有機(jī)碳下限的觀點(diǎn)提出后影響較大，得到一些學(xué)者的倡導(dǎo)。但是近年來碳酸鹽巖油氣勘探獲得重大突破，油氣儲(chǔ)量大幅增加。例如，塔里木盆地截止2011年底，塔中和塔北兩個(gè)地區(qū)已發(fā)現(xiàn)油氣三級(jí)儲(chǔ)量超40×108t油當(dāng)量，已超過塔中和塔北地區(qū)三次資源評(píng)價(jià)38×108t油當(dāng)量的結(jié)果。資源評(píng)價(jià)和實(shí)際勘探儲(chǔ)量的巨大反差，說明根據(jù)有機(jī)質(zhì)豐度較大的優(yōu)質(zhì)烴源巖而開展的資源評(píng)價(jià)可能面臨著巨大挑戰(zhàn)，而2004年以前我國碳酸鹽巖的油氣勘探效果并不理想的傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)也成為歷史。因此，低豐度碳酸鹽巖能否成為有效烴源巖值得重新深入思考和研究，這將對(duì)深入認(rèn)識(shí)碳酸鹽巖的生烴機(jī)制、重新評(píng)價(jià)碳酸鹽巖油氣潛力和勘探前景具有重要的戰(zhàn)略意義。本文將系統(tǒng)論述低豐度烴源巖的有關(guān)概念、低豐度碳酸鹽巖烴源巖有效的證據(jù)，并確定有效的TOC下限。文中所有圖件，尤其是散點(diǎn)圖，如果沒有特殊說明，均只利用的是TOC≤0.5%的低豐度碳酸鹽巖烴源巖數(shù)據(jù)，而不包括TOC>0.5%的數(shù)據(jù)。

1 低豐度烴源巖的有關(guān)概念

有機(jī)質(zhì)豐度一般用有機(jī)碳含量(TOC)、氯仿瀝青“A”、總烴(HC)和生烴潛力(S1+S2)來表示。其中TOC是被利用最廣泛、也最方便的一個(gè)，本文也用TOC來表征烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度。大量學(xué)者已對(duì)碳酸鹽巖烴源巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了研究(表1)，其中TOC=0.5%作為碳酸鹽巖烴源巖下限的觀點(diǎn)近年來影響較大，根據(jù)研究目的，筆者等把TOC≤0.5%的烴源巖稱為低豐度烴源巖。

有效烴源巖是指細(xì)粒的沉積巖，在其自然條件下已產(chǎn)生并釋放出烴類，這些烴類足以形成商業(yè)油氣聚集(Hunt，1979)。根據(jù)有效烴源巖的定義，結(jié)合排烴門限概念(龐雄奇，1995)，筆者等把生烴量滿足了烴源巖各種形式的殘留烴量，開始以游離相態(tài)向外大量排烴的低豐度烴源巖稱為低豐度有效烴源巖。由于以游離相態(tài)排出的烴占低豐度烴源巖排出烴量的76%以上、對(duì)油氣成藏有實(shí)質(zhì)貢獻(xiàn)，因此筆者等的定義和前人并沒有本質(zhì)區(qū)別，但文中定義給筆者等另一研究的角度。

表 1 不同單位及學(xué)者提出的碳酸鹽巖烴源巖TOC下限Table 1 Lower limit of TOC of carbonate source rocks from different units and scholars

2 低豐度有效烴源巖存在的地質(zhì)地化證據(jù)

2.1 熱演化過程中TOC的變化特征表明低豐度有效烴源巖的存在

烴源巖中的有機(jī)質(zhì)在地質(zhì)歷史演化過程中會(huì)遭受破壞而大量損失(Gehman，1962；Tissot and Welte，1978；Hunt，1979；傅家謨和史繼楊，1977；傅家謨和劉德漢，1982；曾凡剛和程克明，1998)。影響有機(jī)質(zhì)損失的因素主要有成巖作用、水洗作用、生排烴作用、對(duì)碳酸鹽巖還有晶析作用(傅家謨和劉德漢，1982)。其中水洗作用和晶析作用對(duì)有機(jī)質(zhì)損失影響較小，且和成巖作用都有一定的關(guān)系(Tissot and Welte，1978)，而成巖作用會(huì)造成有機(jī)質(zhì)的大量損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)，成巖作用可使泥巖原始有機(jī)質(zhì)損失15%～50%(Bordovsiky，1965；Hartmann et al.,1973)，碳酸鹽巖原始有機(jī)質(zhì)損失80%～90%以上(Gehman，1962)。有機(jī)質(zhì)的成巖作用和生物甲烷氣階段相對(duì)應(yīng)，即主要發(fā)生于Ro<0.5%階段(Tissot and Welte，1978)，此時(shí)還沒有進(jìn)入生烴門限，烴源巖還沒有開始大量生烴。只有進(jìn)入生烴門限(Ro=0.5%)時(shí)烴源巖剩余的有機(jī)質(zhì)才對(duì)油氣藏有貢獻(xiàn)，而成巖作用、水動(dòng)力作用、晶析作用損失的有機(jī)質(zhì)對(duì)油氣藏的形成貢獻(xiàn)很小。這就意味著有機(jī)質(zhì)成熟后，有機(jī)質(zhì)的損失主要是由烴源巖大量生烴和排烴造成的，表現(xiàn)為隨著生排烴或熱演化，烴源巖的TOC一般呈下降趨勢(shì)。一般把Ro=0.5%時(shí)烴源巖TOC稱為原始TOC或初始TOC。

眾多學(xué)者利用了不同方法對(duì)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度的演化規(guī)律做了研究。Tissot and Welte(1978)在他們的著作《Petroleum Formation and Occurrence》中曾有如下重要論述：“作為生油巖標(biāo)準(zhǔn)的最小有機(jī)碳值不能再應(yīng)用到較高變質(zhì)階段的巖石中，在較高變質(zhì)階段的巖石中，0.3或0.5的有機(jī)碳值只能反映有機(jī)質(zhì)的殘余數(shù)量，而原始數(shù)量可能曾是它的兩倍以上”。自然演化剖面、熱模擬實(shí)驗(yàn)(郝石生，1984；秦建中等，2005)和數(shù)值模擬計(jì)算(陳丕濟(jì)，1985；盧雙舫等，2003；鐘寧寧等，2004)都表明碳酸鹽巖烴源巖TOC隨著熱演化或者生排烴而下降，對(duì)低豐度烴源巖也是如此(圖1)。一般有機(jī)質(zhì)豐度越大、有機(jī)質(zhì)類型越好、有機(jī)質(zhì)成熟度越高、排烴效率越大，TOC下降的幅度也越大。雖然不同學(xué)者由于研究方法不同、采取樣品的差異或其他原因研究的TOC下降幅度有所不同，甚至在成熟早期，TOC還可能出現(xiàn)短暫的升高后再降低，但是毫無疑問，碳酸鹽巖低豐度烴源巖TOC隨著生排烴作用而下降的特征是存在的。對(duì)于中國一般處于高—過成熟、當(dāng)前有機(jī)質(zhì)豐度較低、有機(jī)質(zhì)類型多為I型和II1型的碳酸鹽巖烴源巖，TOC降低意味著已發(fā)生大量生排烴作用，可以認(rèn)為是有效的烴源巖。

圖 1 碳酸鹽巖烴源巖TOC隨著生排烴作用而降低 (a)塔中12井O2+3泥灰?guī)r自然演化剖面；(b)羌塘盆地侏羅系泥灰?guī)r熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果(秦建中等，2005)；(c)數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果(鐘寧寧等，2004)Fig. 1 TOC reducing of carbonate source rocks with hydrocarbon generation and expulsion (a) natural development of O2+3 marlite in well TZ12； (b) thermal simulation experiment of Jurassic marlite in Qiangtang Basin(Qin Jianzhong, 2005)； (c) simulative calculation(Zhong Ningning et al., 2004)

2.2 生烴潛力變化表明低豐度有效烴源巖的存在

生烴潛力法是一種有效的計(jì)算生排烴量的方法，可以確定排烴門限和排烴量(周杰和龐雄奇，2002；馬中振等，2009)。在熱解參數(shù)中，S1和S2分別代表游離烴、熱解烴，S1+S2反映烴源巖內(nèi)部殘留的生烴潛力，包含殘存于烴源巖中的烴以及尚未生成的烴。(S1+S2)/TOC為生烴潛力指數(shù)，反應(yīng)單位質(zhì)量有機(jī)碳的生烴潛力。理論上，對(duì)有效烴源巖來說，(S1+S2)/TOC表現(xiàn)出隨埋深增大或Ro增大先增加，達(dá)到某一極大值后再降低的趨勢(shì)，呈近似拋物線的“大肚子”曲線(周杰和龐雄奇，2002；龐雄奇等，2004)。早期增大的原因是有機(jī)質(zhì)在成巖作用階段主要經(jīng)歷脫氧過程，生成CO2，使烴源巖的總有機(jī)碳相對(duì)減少，而減小的原因就是烴源巖向外排出油氣。雖然對(duì)不同巖性有效烴源巖該曲線的形狀可能存在一些差異，但隨埋深增加先增加后減小的趨勢(shì)是不變的。(S1+S2)/TOC由大變小的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深度或Ro為排烴門限。排烴門限之后生烴潛力的降低表明油氣的大量生成和排出，這說明早期的生烴巖已轉(zhuǎn)變?yōu)橛行N源巖。

圖 2 塔里木盆地不同地區(qū)O2+3低豐度碳酸鹽巖烴源巖生烴潛力變化: (a)塔中地區(qū)；(b)輪南地區(qū)；(c)巴楚地區(qū)Fig. 2 Variation of hydrocarbon generation potential of O2+3 carbonate source rocks of low organic matter abundance in different areas, Tarim Basin: (a) Tazhong area; (b) Lunnan area; (c) Bachu area

圖 3 塔中12井O2+3低豐度碳酸鹽巖烴源巖生烴潛力的變化Fig. 3 Variation of hydrocarbon generation potential of O2+3 carbonate source rocks of low organic matter abundance in well TZ12

為了提高研究的針對(duì)性和可靠性，我們盡力選擇同一層位、巖性和沉積相類似、成熟—高成熟的烴源巖進(jìn)行研究。圖2是塔里木盆地不同地區(qū)中上奧陶統(tǒng)低豐度碳酸鹽巖烴源巖生烴潛力變化特征(數(shù)據(jù)來自油田收集)，雖然不同地區(qū)的(S1+S2)/TOC曲線變化形狀有差異，但均呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)(圖2c中間數(shù)據(jù)較少，但從淺部和深部的數(shù)值都相對(duì)較小推斷，仍然符合先增大后減小的變化規(guī)律)。此外，S1+S2、氫指數(shù)HI也能表示生烴潛力，在烴源巖成熟階段以后，它們的減少也和排烴有很大關(guān)系。圖3是塔中12井O2+3低豐度碳酸鹽巖烴源巖S1+S2和HI變化圖(數(shù)據(jù)來自項(xiàng)目實(shí)驗(yàn))。其中巖性主要為含泥灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r、Ro=0.90%～1.08%，并刪除了含油斑、熒光等含油樣品的數(shù)據(jù)。由于Ro已達(dá)0.90%以上，除了下部的個(gè)別點(diǎn)，S1+S2和HI一直都呈減小趨勢(shì)，說明烴源巖正在進(jìn)行生烴和排烴過程，為有效烴源巖。

表 2 不同學(xué)者低豐度碳酸鹽巖烴源巖生排烴熱模擬實(shí)驗(yàn)產(chǎn)油氣率Table 2 Oil and gas production rate of thermal simulation experiment of carbonate source rocks of low organic matter abundance from different scholars

注：①胡國藝. 2005. 塔里木盆地?zé)N源巖產(chǎn)烴率求取與分析. 塔里木油田分公司，中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，37～44.

2.3 殘留烴量變化特征表明低豐度有效烴源巖的存在

氯仿瀝青“A”和熱解值S1反映烴源巖中的實(shí)際殘留烴量，這里用單位質(zhì)量有機(jī)碳?xì)埩舻臒N量表示烴源巖殘留烴能力，即“A”/TOC、S1/TOC。理論上，在烴源巖類型和TOC相近的條件下，隨深度或Ro的增加，烴源巖殘留烴量也呈現(xiàn)先增大后減小趨勢(shì)(郝石生等，1996；龐雄奇，1995；龐雄奇等，2004)。這是由于烴源巖可以通過吸附作用、溶解作用和游離相態(tài)滯留一部分油氣，生成油氣只有滿足烴源巖滯留需要才能排出，即存在一個(gè)殘留烴臨界飽和量(Dickey，1975；Durand，1988；龐雄奇，1995)，到達(dá)烴源巖殘留烴臨界飽和量之前，生成的烴絕大部分都?xì)埩粼跓N源巖中，殘留烴量隨生烴量的增加而增大；而滿足殘留烴臨界飽和量之后，生成烴絕大部分都排出，且殘留烴臨界飽和量由于受TOC、孔隙度、溫壓的影響，隨深度增加而減小，因而早期的殘留烴量也在減小。圖4是塔里木盆地低豐度碳酸鹽巖烴源巖殘留烴量S1/TOC和“A”/TOC變化圖，塔中12單井和塔里木臺(tái)盆區(qū)的殘留烴量也都呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。因此，它們已開始大量生排烴，為有效的烴源巖。

2.4 生排烴熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明低豐度有效烴源巖的存在

圖 4 塔里木盆地低豐度碳酸鹽巖烴源巖殘留烴量變化:(a)塔中12井O2+3；(b)塔里木盆地O—∈；(c)塔里木盆地O—∈Fig. 4 Variation of residual amount of hydrocarbons of carbonate source rocks of low organic matter abundance, Tarim Basin: (a) O2+3 in well TZ12; (b) O—∈ in Tarim Basin; (c) O—∈ in Tarim Basin

許多學(xué)者對(duì)碳酸鹽巖烴源巖的生排烴特征、產(chǎn)油氣率進(jìn)行了大量的熱模擬實(shí)驗(yàn)研究，其中包括很多低豐度碳酸鹽巖烴源巖(秦建中，2005；郝石生等，1993；程克明等，1995；范善發(fā)等，1997；謝增業(yè)等，2002；胡國藝，2005；劉全有等，2010)，見表2。盡管各個(gè)學(xué)者實(shí)驗(yàn)的樣品產(chǎn)地、巖性、TOC、有機(jī)質(zhì)類型、Ro有所差異，實(shí)驗(yàn)條件也有所不同，烴源巖都生排出了大量的油氣，最大產(chǎn)油率為40.45～482.6kg/tTOC，最大產(chǎn)氣率115～4226m3/tTOC。按此產(chǎn)油氣率計(jì)算，厚度為100m、面積為1km2的碳酸鹽巖最大產(chǎn)油量為5.27×104～51.34×104t，最大產(chǎn)氣量為3.06×104～528.33×104m3。低豐度碳酸鹽巖面積很廣，厚度更大，因此生成的油氣量是非常巨大的。雖然熱模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果與實(shí)際地質(zhì)條件有所差異，但依然能反映出低豐度碳酸鹽巖能夠生排出油氣。生排烴熱模擬實(shí)驗(yàn)分為無水和加水兩種，其中加水熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果更接近自然演化的結(jié)果(Lewan et al.，1979；Lewan，1983)。實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)可分為開放系統(tǒng)、半封閉系統(tǒng)和封閉系統(tǒng)，而全巖熱模擬新方法類似半封閉系統(tǒng)，比較符合實(shí)際地質(zhì)條件下有機(jī)質(zhì)生油氣過程(謝增業(yè)等，2002)，因?yàn)樯鸁N時(shí)受巖石中礦物質(zhì)的催化作用；烴類在排出時(shí)，受孔隙、裂隙及巖石礦物表面的吸附等作用，相當(dāng)于地層中油氣初次運(yùn)移的作用。如表2所示，謝增業(yè)等(2002)利用全巖熱模擬新方法模擬了泥質(zhì)云巖生排烴特征，雖然樣品的有機(jī)質(zhì)豐度很低(TOC=0.1%)、成熟度高(Ro=2.43%)，但是其最大產(chǎn)氣率仍可達(dá)到115m3/tTOC，意味著對(duì)于TOC更大、成熟度更低的低豐度碳酸鹽巖烴源巖，產(chǎn)氣量可能更大，能夠?qū)τ蜌獬刹鼐哂幸欢ǖ呢暙I(xiàn)，可以成為有效的烴源巖。

表 3 國外含油氣區(qū)碳酸鹽巖有機(jī)質(zhì)豐度Table 3 Organic matter abundance of carbonate rocks in oil and gas fields abroad

2.5 國外勘探實(shí)例表明低豐度有效烴源巖的存在

中東、北美、歐洲等國外油氣勘探發(fā)現(xiàn)了眾多大型、超大型碳酸鹽巖油氣田，其中很多油氣田的油氣源為碳酸鹽巖烴源巖(Owen，1964；Hunt，1967；Palacas，1984；George,1989；邱中建等，1998)。一般國外的碳酸鹽巖烴源巖年代較新、成熟度較低和有機(jī)質(zhì)豐度較高，而國外學(xué)者通常確定碳酸鹽巖烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度下限也較大，一般TOC大于0.3%或0.5%，甚至TOC>1.0%。而已發(fā)現(xiàn)的許多油氣藏的碳酸鹽巖烴源巖的TOC在0.5%以上，但也不乏TOC<0.5%的實(shí)例(表3)。一個(gè)典型實(shí)例是美國密執(zhí)安盆地尼亞加拉礁體志留系白云巖(Gardner and Bray，1984)，地質(zhì)分析、油源對(duì)比都表明，志留系撒利那群A-1組碳酸鹽巖為主要的烴源巖，TOC最大值才為0.6%，平均值為0.28%；撒利那群A-1組“褐色尼亞加拉相”為次要烴源巖，TOC平均值為0.27%。密執(zhí)安盆地中志留統(tǒng)塔礁油氣田藏儲(chǔ)量巨大，而這規(guī)模巨大的油氣均來自低豐度的碳酸鹽巖，這說明低豐度碳酸鹽巖是能夠生成并且排出大量油氣的，能成為有效的烴源巖。毫無疑問，有機(jī)質(zhì)豐度高的碳酸鹽巖是有效和優(yōu)質(zhì)的烴源巖，也許正是由于國外的碳酸鹽巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，國外石油地質(zhì)學(xué)者們認(rèn)為只有高TOC的碳酸鹽巖才能作為有效烴源巖，把關(guān)注的重點(diǎn)放在了高TOC的碳酸鹽巖上，而忽略了低TOC的碳酸鹽巖研究的重要性，但這并不意味著低TOC的碳酸鹽巖就不能成為有效的烴源巖。

3 低豐度碳酸鹽巖有效烴源巖TOC下限的確定

3.1 確定碳酸鹽巖烴源巖TOC下限需考慮的幾點(diǎn)因素

關(guān)于烴源巖TOC下限眾多學(xué)者已做過大量的研究，其中泥頁巖烴源巖的下限認(rèn)識(shí)比較一致，大都采用TOC=0.4%～0.5%作為下限值；而碳酸鹽巖烴源巖TOC下限值很不統(tǒng)一，從0.05%～0.5%不等(表1)。這主要是研究地區(qū)、研究方法、烴源巖巖性、類型、地質(zhì)時(shí)代和成熟度不同造成的，對(duì)有效烴源巖下限理解的差異也是一個(gè)重要因素。此外要確定碳酸鹽巖烴源巖的TOC下限，還應(yīng)該深入分析和認(rèn)識(shí)碳酸鹽巖和泥頁巖烴源巖的差異。

何為有效烴源巖？除了前文的定義，中國學(xué)者夏新宇(2000)和張水昌等(2002)把有效烴源巖強(qiáng)調(diào)為生排烴量足以保證經(jīng)過運(yùn)移、散失后仍能聚集成商業(yè)性油氣藏的“商業(yè)性烴源巖”。實(shí)際上，Hunt(1995)在第二版《石油地球化學(xué)與地質(zhì)學(xué)》中對(duì)第一版的有效烴源巖的定義做了修正，不再強(qiáng)調(diào)“商業(yè)性”的聚集。而且，烴源巖非均質(zhì)性很強(qiáng)，高豐度和低豐度烴源巖常常交替混合，兩者生成的油氣有可能一起沿運(yùn)移通道向外運(yùn)移，高豐度烴源巖對(duì)商業(yè)性油氣藏有較大的貢獻(xiàn)，低豐度烴源巖對(duì)商業(yè)性油氣藏貢獻(xiàn)應(yīng)該較小，而不能說沒有(當(dāng)然TOC低到某一數(shù)值時(shí)，不能排出油氣，就對(duì)油氣藏沒有貢獻(xiàn))。一個(gè)工業(yè)性油氣藏的烴源巖通常不是一種巖性或一個(gè)層位，而是多套烴源巖構(gòu)成的一個(gè)烴源巖體系，假如一套低豐度烴源巖對(duì)油氣藏貢獻(xiàn)較小，那多套烴源巖對(duì)油氣藏就可能具有較大的貢獻(xiàn)。在高豐度和低豐度烴源巖混合的地區(qū)，它們各自貢獻(xiàn)的大小視它們的排出烴量在研究區(qū)總排烴量中所占比例的大小而定。雖然有些低豐度烴源巖早期排出的烴量較少，甚至在運(yùn)移途中全部損耗了，但它們?yōu)楹笃跓N源巖排出烴量的運(yùn)移和聚集起到了鋪路的作用，在油氣成藏中具有不可或缺的作用。因此，在原理上低豐度碳酸鹽巖是可以成為有效烴源巖的。

其次，不能“一刀切”地把TOC≤0.5%的碳酸鹽巖排除在有效烴源巖之外，因?yàn)闊N源巖下限不是一個(gè)定值，而是一個(gè)變化范圍，它隨著有機(jī)質(zhì)成熟度變高、有機(jī)類型變好、烴源巖厚度變大而逐漸降低(龐雄奇等，1993；龐雄奇，1995)。因此，TOC=0.5%作為有效烴源巖的唯一下限是有失科學(xué)的。我國碳酸鹽巖一般處于高—過成熟階段，當(dāng)前低TOC可能是它們?cè)诘厥愤^程中大量排出烴后的表現(xiàn)結(jié)果，因此比國外學(xué)者確定的成熟度更低的烴源巖TOC下限低一些也是合理的。

碳酸鹽巖烴源巖的TOC下限和泥頁巖TOC下限應(yīng)該不同的根本原因是它們的生排烴機(jī)制存在差異。與泥頁巖相比，碳酸鹽巖具有一些特性：①碳酸鹽巖對(duì)烴的吸附作用比泥頁巖小很多(鄔立言，1986；秦建中，2005)，因此碳酸鹽更容易排烴；②碳酸鹽巖既可以作烴源巖，又可以作為儲(chǔ)層，是生儲(chǔ)共生的，這意味著油氣運(yùn)移的距離可以更短，油氣在運(yùn)移的過程中散失量也可能更低，尤其對(duì)低豐度的碳酸鹽巖出現(xiàn)這種情況的概率更大(秦建中，2005)；③碳酸鹽巖層多與膏鹽層接觸，膏鹽層是比泥頁巖更好的蓋層，碳酸鹽巖油氣藏被破壞逸散的油氣可能更少，更容易形成油氣藏(Hunt，1967；Hunt and Mcnichol，1984)；④碳酸鹽巖生烴效率比泥頁巖高，雖然可能不像Gehman(1962)統(tǒng)計(jì)的那樣高出4倍，但生烴模擬實(shí)驗(yàn)證明碳酸鹽巖生烴效率的確比泥頁巖高，且TOC越大，高的越多(秦建中，2005)。碳酸鹽巖這些特性說明碳酸鹽巖更容易發(fā)生排烴作用，對(duì)油氣藏更容易形成貢獻(xiàn)，因此碳酸鹽巖烴源巖的TOC下限應(yīng)該比泥頁巖的0.5%低一些，而不是沒有差別。

圖 5 塔里木盆地不同范圍TOC低豐度碳酸鹽巖烴源巖生烴潛力變化Fig. 5 Variation of hydrocarbon generation potential of carbonate source rocks of low organic matter abundance with different range TOC, Tarim Basin

3.2 依據(jù)不同TOC生烴潛力變化與排烴門限確定有效烴源巖TOC下限

根據(jù)前文論述，有效烴源巖的生烴潛力隨深度呈先增大后減小的“大肚子”特征。生烴潛力減小的原因是烴源巖開始向外排烴，由大變小的轉(zhuǎn)折點(diǎn)對(duì)應(yīng)的深度或Ro即為排烴門限。開始向外大量排烴就意味著該烴源巖開始成為了有效烴源巖，而非有效烴源巖由于沒有向外發(fā)生過大量排烴作用，生烴潛力隨深度是一直增大的，沒有排烴門限。理論上，在Ro相同或同等深度下，隨著TOC的逐漸增大，烴源巖生成的烴量也會(huì)逐漸增加，生烴量從原來的不能滿足烴源巖最大殘留烴量需要而滯留其中到滿足了最大殘留烴量需要而開始向外排烴，即隨TOC的增大，排烴門限會(huì)有一個(gè)從無到有的過程，開始出現(xiàn)排烴門限時(shí)對(duì)應(yīng)的TOC值或范圍即為有效烴源巖的TOC下限值。為了確定低豐度碳酸鹽巖有效烴源巖的TOC下限，我們以0.05%相同間隔，把TOC=0～0.5%分為10個(gè)區(qū)間，分別繪制不同范圍TOC烴源巖生烴潛力隨深度或Ro的演化剖面。圖5為塔里木盆地不同范圍TOC低豐度碳酸鹽巖烴源巖生烴潛力變化圖?？梢钥闯觯赥OC較小時(shí)，(S1+S2)/TOC隨深度一直增大，而在0.11%≤TOC≤0.15%區(qū)間首次減小，出現(xiàn)明顯的排烴門限。結(jié)合0.06%≤TOC≤0.10%時(shí)，(S1+S2)/TOC在最深處有開始變小的趨勢(shì)，因此把低豐度碳酸鹽巖有效烴源巖的TOC下限確定為0.11%是相對(duì)準(zhǔn)確的。需要說明的TOC≤0.05%、0.06%≤TOC≤0.1%區(qū)間的熱解數(shù)據(jù)最深只有6400m，缺少更深的數(shù)據(jù)，而其他TOC區(qū)間的熱解數(shù)據(jù)最深均達(dá)到7000m以上。根據(jù)統(tǒng)計(jì)觀察，TOC≤0.05%的烴源巖在大于6400m的更深處也可能出現(xiàn)排烴門限，也可能不出現(xiàn)；0.06%≤TOC≤0.10%的在更深處可能出現(xiàn)排烴門限，此時(shí)烴源巖熱演化程度更高。但不管數(shù)據(jù)有無，隨著TOC的增大，排烴門限總體上呈現(xiàn)從無到有、由深變淺的規(guī)律，符合上述生烴潛力隨TOC變化原理。另外，低豐度碳酸鹽巖由于生烴較少，排烴也較晚，這時(shí)烴源巖可能已達(dá)到成熟后期，甚至高成熟階段；并且圖5中所用數(shù)據(jù)反映的塔里木盆地低豐度碳酸鹽巖多處于高成熟階段，因此這里確定的TOC下限是對(duì)成熟—高成熟階段烴源巖而言的。

3.3 依據(jù)排烴門限的數(shù)值模擬計(jì)算確定有效烴源巖TOC下限

根據(jù)物質(zhì)平衡原理，可以數(shù)值模擬計(jì)算烴源巖層埋深過程中的生烴量、殘留烴臨界飽和量、排烴量，依據(jù)生烴量與殘留烴量大至相等確定烴源巖層排烴門限(龐雄奇等，1993；龐雄奇，1995)。烴源巖的生烴、殘留烴以及排烴過程是一個(gè)物質(zhì)平衡過程，研究烴源巖的排烴必須把生烴研究與殘留烴研究相結(jié)合。氣態(tài)烴的殘留作用比液態(tài)烴相對(duì)復(fù)雜，包括油溶、水溶、吸附3種相態(tài)，氣態(tài)烴的的排出相態(tài)包括油溶、水溶、擴(kuò)散以及游離4種。通過分別模擬計(jì)算烴源巖生烴量、不同相態(tài)烴的殘留量，依據(jù)生烴量和殘留烴量相減即可得到烴源巖的排烴量，結(jié)合不同相態(tài)的排出烴量，從而獲得游離相態(tài)的有效排烴量(龐雄奇，1995)。在排烴門限處，有效排烴量大于或等于0，此時(shí)對(duì)應(yīng)的TOC值即為有效烴源巖的TOC下限(圖6)。

圖 6 數(shù)值模擬計(jì)算確定有效烴源巖TOC下限原理Fig. 6 Principle of determining lower limit of TOC of effective source rocks by simulative calculation

圖 7 塔里木盆地碳酸鹽巖有效烴源巖TOC下限: (a)塔里木盆地碳酸鹽巖生烴優(yōu)化模擬結(jié)果；(b)有效烴源巖TOC下限隨Ro的變化Fig. 7 lower limit of TOC of the effective carbonate source rocks , Tarim Basin:(a) Result of hydrocarbon generation optimizing simulation of carbonate rocks,Tarim Basin;(b) Variation of lower limit of TOC of the effective source rocks with Ro

對(duì)于塔里木盆地而言，寒武系和奧陶系海相碳酸鹽巖主要為I型和II1型有機(jī)質(zhì)，以生排液態(tài)烴為主，因此筆者等以烴源巖排油門限的TOC值作為有效烴源巖TOC下限。圖7a是利用生烴物質(zhì)平衡優(yōu)化模擬方法(龐雄奇和周永炳，1995)計(jì)算的單位有機(jī)碳生成的液態(tài)烴量，即產(chǎn)油率，圖7b是塔里木盆地碳酸鹽巖有效烴源巖TOC下限隨Ro的變化?？梢钥闯?，碳酸鹽巖烴源巖處于不同成熟階段的TOC下限判別標(biāo)準(zhǔn)不同：Ro<0.5%的未成熟階段，TOC≥1.85%；Ro=0.5%～0.75%的低成熟階段，TOC=1.41%～1.85%；Ro=0.75%～1.3%的成熟階段，TOC=0.015%～1.41%；Ro≥1.3%的高過成熟階段，TOC≤0.015%。這說明成熟度較低時(shí)，有效烴源巖TOC下限較大，而成熟度較高時(shí)，TOC下限迅速減低。同樣，薛海濤(2010)利用數(shù)值模擬計(jì)算法系統(tǒng)評(píng)價(jià)了碳酸鹽巖烴源巖TOC下限，確定塔里木盆地和渤海灣盆地碳酸鹽巖有效烴源巖TOC下限分別為0.15%和0.12%。上述研究說明碳酸鹽巖烴源巖TOC下限是隨著Ro的增大而逐漸降低的。根據(jù)前面生烴潛力法確定的塔里木盆地寒武系—奧陶系有效烴源巖TOC下限、物質(zhì)平衡模擬計(jì)算法確定的碳酸鹽巖排油門限的TOC下限以及前人關(guān)于有效烴源巖TOC下限的研究成果，本文綜合給出的I—II1型碳酸鹽巖有效烴源巖TOC下限為：低成熟階段，TOC≥1.4%；成熟階段，TOC=0.1%～1.4%；高過成熟階段，TOC<0.1%。這說明，處于高過成熟階段和部分成熟階段的低豐度碳酸鹽巖可以成為有效烴源巖。

4 結(jié)語

4.1 結(jié)論

(1)低豐度烴源巖指TOC≤0.5%的烴源巖，而把生烴量滿足了烴源巖各種形式的殘留烴量，開始以游離相態(tài)向外大量排烴的低豐度烴源巖稱為低豐度有效烴源巖。低豐度碳酸鹽巖烴源巖到底能否成為有效烴源巖爭(zhēng)議較大，研究低豐度碳酸鹽巖烴源巖的有效性仍具有重要的理論意義和實(shí)際意義。

(2)自然條件下烴源巖隨埋深或Ro增大，TOC降低生烴潛力和殘留烴量先增大后減小，再加上生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果和國外勘探實(shí)例等多方面綜合研究都表明低豐度碳酸鹽巖能夠進(jìn)入排烴門限并發(fā)生大量排油氣作用，構(gòu)成有效烴源巖。

(3)確定碳酸鹽巖烴源巖TOC下限需要考慮多個(gè)因素，碳酸鹽巖的特性表明碳酸鹽巖烴源巖的TOC下限應(yīng)該與泥頁巖的0.5%低一些。本文依據(jù)排烴門限TOC臨界條件變化特征模擬結(jié)果，結(jié)合自然條件下的烴源巖排烴特征、前人研究結(jié)果和勘探實(shí)踐，綜合確定低成熟階段、成熟階段和高過成熟階段碳酸鹽巖有效烴源巖的TOC下限分別為TOC≥1.4%、TOC=0.1%～1.4%和TOC<0.1%。

4.2 相關(guān)問題討論

其實(shí)烴源巖的生排烴作用不僅取決于TOC的大小，還取決于烴源巖中氫(H)含量的多少(熱解參數(shù)S2在一定程度上能反映H含量)，即烴源巖TOC相同或相近時(shí)，H含量多的生排烴也越大。文中前面求取的碳酸鹽巖烴源巖TOC下限只考慮了有機(jī)碳，而沒有反映H含量對(duì)TOC下限以及生排烴的影響。而對(duì)于TOC下限以上的低豐度烴源巖，它們的H含量也有大有小(S2有大有小)，這意味著并非所有的當(dāng)前TOC下限以上的低豐度烴源巖都發(fā)生過大量生排油氣作用，可能存在以下三種類型：一是烴源巖發(fā)生過大量排烴作用，原始TOC大于0.5%；二是發(fā)生過較大量的生排烴作用，原始TOC小于0.5%；三是僅發(fā)生生烴作用，而排烴很少或沒有發(fā)生排烴作用，原始TOC也小于0.5%。如何識(shí)別這三種低TOC烴源巖及其評(píng)價(jià)各自對(duì)油氣藏的相對(duì)貢獻(xiàn)有待下一步深入研究。