下古生界生烴理論研究進(jìn)展及面臨的挑戰(zhàn)

摘 要：長(zhǎng)期以來(lái)的勘探實(shí)踐和大量研究證實(shí)，塔里木、南方和華北下古生界具有豐富的油氣資源和廣闊的勘探前景，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)常規(guī)和非常規(guī)油氣勘探戰(zhàn)略接替的現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域，并在下古生界多元生烴與示蹤指標(biāo)體系等方面已取得顯著進(jìn)展。我國(guó)下古生界海相層系地質(zhì)條件極為復(fù)雜，仍存在諸多理論技術(shù)難題，如早古生代生烴物質(zhì)特殊性與長(zhǎng)期生烴演化過(guò)程認(rèn)識(shí)有待深化，其中早古生代有機(jī)質(zhì)多元成烴機(jī)理與油氣示蹤標(biāo)志是亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題之一。

關(guān)鍵詞：下古生界 生烴理論 進(jìn)展與挑戰(zhàn)

中圖分類號(hào)：P53 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2013）05（b）-0120-02

我國(guó)油氣勘探很長(zhǎng)一段時(shí)間集中在陸相盆地，其現(xiàn)有油氣資源探明率已達(dá)30%～50%。而對(duì)于海相油氣勘探，據(jù)國(guó)家新一輪資評(píng)結(jié)果，資源總量約為385億噸油當(dāng)量，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)13個(gè)大油氣田，主要分布在塔里木、鄂爾多斯及南方古生界，表現(xiàn)出巨大的勘探潛力，但資源探明率僅10%左右[1]，遠(yuǎn)低于我國(guó)陸相（39%）和全球海相油氣探明率（69%）。其中，早在20世紀(jì)60年代初發(fā)現(xiàn)四川盆地威遠(yuǎn)氣田以后，早古生代海相碳酸鹽巖層系（以下簡(jiǎn)稱海相層系）是長(zhǎng)期備受關(guān)注，特別是發(fā)現(xiàn)塔里木盆地塔河-輪南油田、塔中油田以及鄂爾多斯盆地靖邊氣田以來(lái)，已成為我國(guó)重要的海相油氣勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域之一，但勘探程度更低的領(lǐng)域，天然氣探明程度僅7%。近年來(lái)，沙雅隆起上的塔深1井寒武系深層優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的發(fā)現(xiàn)、哈7井、橋古1井以及麥蓋提斜坡上玉北1井奧陶系油氣勘探的重要突破等進(jìn)一步揭示了臺(tái)盆區(qū)下古生界具有廣闊的勘探領(lǐng)域[2]。四川盆地海相領(lǐng)域繼普光氣田發(fā)現(xiàn)后，針對(duì)下古生界的建深1井在志留系獲得了工業(yè)氣流，同時(shí)正在成為南方頁(yè)巖氣重要勘探開(kāi)發(fā)領(lǐng)域。在華北地區(qū)，鄂爾多斯盆地下古生界現(xiàn)今天然氣探明儲(chǔ)量5712億方（靖邊氣田）；而華北南緣等其它地區(qū)尚未開(kāi)展系統(tǒng)工作，但該區(qū)下寒武統(tǒng)烴源巖普遍發(fā)育，具有勘探深層氣、裂解氣的現(xiàn)實(shí)意義[3]，甚至在燕山北部坳陷帶更為古老的中-新元古界中仍有原生油氣資源的勘探前景[4]。因此，我國(guó)塔里木、南方和華北早古生代海相層系具有豐富的油氣資源和廣闊的勘探前景，是實(shí)現(xiàn)我國(guó)常規(guī)和非常規(guī)油氣勘探戰(zhàn)略接替的現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域。然而，長(zhǎng)期以來(lái)的勘探實(shí)踐和大量研究工作表明，我國(guó)下古生界海相層系地質(zhì)條件極為復(fù)雜，仍存在諸多理論技術(shù)難題，勘探研究程度也很低。因此，針對(duì)我國(guó)下古生界海相層系大型油氣田形成機(jī)理與分布規(guī)律，深入調(diào)研下古生界油氣勘探基礎(chǔ)理論和評(píng)價(jià)方法方面的研究現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢(shì)以及面臨的挑戰(zhàn)，凝練亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題，這對(duì)實(shí)現(xiàn)海相油氣勘探重大突破和理論技術(shù)進(jìn)步具有重要意義。因篇幅所限，本文僅涉及成烴部分。

1 下古生界生烴理論及其評(píng)價(jià)方法研究進(jìn)展和發(fā)展趨勢(shì)

早古生代是重要的生物演化期，實(shí)現(xiàn)了生物從單細(xì)胞到多細(xì)胞的演化，使生物種群開(kāi)始大量涌現(xiàn)[5]，這為早古生代烴源巖發(fā)育提供了充足有機(jī)質(zhì)來(lái)源。從寒武紀(jì)開(kāi)始，海洋低等水生生物日趨繁盛，主要以海生藻類和無(wú)脊椎動(dòng)物群落為主，早志留世時(shí)還出現(xiàn)隱孢子及其它菌藻類。它們是早古生代海相烴源巖中主要成烴物質(zhì)，加之陸生植物的缺乏，由此決定了源巖干酪根主要為腐泥型[6～8]。我國(guó)早古生代海相烴源巖既有黑色頁(yè)巖，又有碳酸鹽巖，二者礦物類型和有機(jī)質(zhì)賦存與保存狀態(tài)存在較大差異[9，10]。

下古生界不僅存在高熟干酪根，還存在古油藏與分散可溶有機(jī)質(zhì)等再生烴源。再生烴源在適宜條件下發(fā)生熱裂解，形成凝析油氣藏或天然氣藏。不同類型的烴源在成烴過(guò)程中相互疊加，形成了我國(guó)特有的多元生烴、接力成氣、多期充注和多期成藏機(jī)制[11～13]。由沉積有機(jī)質(zhì)及干酪根生成的有機(jī)酸在碳酸鹽的堿性環(huán)境下與礦物反應(yīng)形成有機(jī)酸鹽，并廣泛存在于海相碳酸鹽巖層[14]。實(shí)驗(yàn)證實(shí)有機(jī)酸鹽在高溫條件下可以裂解成氣，可能成為另一類重要烴源，使下古生界生烴過(guò)程更具多元化[13]。

不同形式的烴源在成烴過(guò)程中通常具有一定的母質(zhì)繼承性、熱力學(xué)分餾和同位素累積效應(yīng)，這為運(yùn)用元素、分子和同位素示蹤和定年理論，進(jìn)行油氣形成與成藏過(guò)程的示蹤提供了重要線索和手段。其中，分子化石為油氣成因與評(píng)價(jià)提供了大量行之有效的信息與指標(biāo)[4，17]。天然氣地質(zhì)理論及指標(biāo)體系為我國(guó)天然氣成因分析、氣源對(duì)比和資源潛力預(yù)測(cè)提供了重要的理論依據(jù)和技術(shù)支持。

高過(guò)成熟階段天然氣源自干酪根還是原油裂解國(guó)外學(xué)者提出了一些判識(shí)指標(biāo)，我國(guó)學(xué)者廣泛用其識(shí)別原油與干酪根裂解氣。稀有氣體由于其特殊的化學(xué)性質(zhì)常用于氣源對(duì)比，近年來(lái)進(jìn)一步結(jié)合天然氣形成過(guò)程中穩(wěn)定同位素和輕烴演化特征，提出了以穩(wěn)定同位素、稀有氣體和輕烴為有效組合的天然氣三元地球化學(xué)示蹤體系[13]。隨著流體包裹體分析技術(shù)的快速發(fā)展，不僅可從分子級(jí)水平研究包裹體中烴類組分特征，還可通過(guò)原位微區(qū)、微束分析方法定量測(cè)定包裹體形成時(shí)古溫度和古壓力，加之地層有機(jī)質(zhì)熱史的有效恢復(fù)，為判識(shí)油氣充注期次和油氣源精細(xì)對(duì)比提供了重要依據(jù)。最近實(shí)驗(yàn)表明，加氫催化裂解技術(shù)可以有效地提取高演化油氣源巖的原生有機(jī)質(zhì)，豐富發(fā)展了下古生界高過(guò)成熟區(qū)的油氣源對(duì)比研究。

針對(duì)早古生代生烴物質(zhì)性質(zhì)及烴源長(zhǎng)期演化過(guò)程中的空間和相態(tài)轉(zhuǎn)化、多期成烴等特征，全面認(rèn)識(shí)多元生烴機(jī)制并建立有效的油氣成藏示蹤技術(shù)體系是該領(lǐng)域研究的必然發(fā)展趨勢(shì)，主要為：（1）發(fā)展烴源綜合評(píng)價(jià)、精細(xì)分子地球化學(xué)、成藏定年分析和混源油氣識(shí)別等地球化學(xué)勘探技術(shù)，認(rèn)識(shí)早古生代生烴生物發(fā)育特征及其對(duì)后期成烴的控制。（2）全面認(rèn)識(shí)包括干酪根、古油藏、分散可溶有機(jī)質(zhì)和有機(jī)酸鹽在內(nèi)不同賦存狀態(tài)的烴源，揭示不同類型烴源的生烴演化特征及其對(duì)現(xiàn)今油氣資源的貢獻(xiàn)。（3）集成地質(zhì)學(xué)、地球化學(xué)和流體包裹體技術(shù)，示蹤長(zhǎng)時(shí)間、多期次油氣成藏過(guò)程，確定關(guān)鍵時(shí)期。（4）利用地質(zhì)學(xué)與元素、同位素地球化學(xué)以及分子地球化學(xué)等多學(xué)科交叉融合的綜合分析技術(shù)，進(jìn)行油氣源對(duì)比和油氣來(lái)源及其成藏過(guò)程示蹤。

2 下古生界油氣勘探面臨著諸多理論問(wèn)題和技術(shù)挑戰(zhàn)

我國(guó)海相層系具有盆地類型、巖相古地理背景多樣、多期構(gòu)造活動(dòng)、熱演化程度高低不一、成盆-成烴-成藏過(guò)程復(fù)雜等特點(diǎn)，尤以下古生界顯著。在多旋回構(gòu)造運(yùn)動(dòng)背景下，塔里木盆地和南方揚(yáng)子區(qū)的下古生界普遍經(jīng)歷了多期抬升剝蝕和沉降過(guò)程[29，30]，導(dǎo)致成烴成藏過(guò)程更加復(fù)雜，對(duì)長(zhǎng)期以來(lái)指導(dǎo)油氣勘探的一些經(jīng)典理論和傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)也提出了新的挑戰(zhàn)。其中，早古生代生烴物質(zhì)特殊性與長(zhǎng)期生烴演化過(guò)程認(rèn)識(shí)有待深化。

早古生代生物種群和沉積有機(jī)質(zhì)的特殊性，以及它們?cè)诼L(zhǎng)地史時(shí)期經(jīng)歷的多期構(gòu)造疊加與演化，決定了早古生代海相烴源形成與生排烴過(guò)程的復(fù)雜性。首先，在生物演化史上，早古生代以海生藻類為主，主要決定了早古生代烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度和質(zhì)量，干酪根為腐泥型，加之良好的保存環(huán)境，在南方和塔里木盆地形成了多套海相優(yōu)質(zhì)烴源巖。其次，在多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和不同溫壓條件下，下古生界普遍存在多種形式烴源共存且動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)化接替供烴的特點(diǎn)：（1）除了干酪根之外，以分散和富集狀態(tài)賦存的可溶有機(jī)質(zhì)，以及以有機(jī)酸鹽形式存在的不溶有機(jī)質(zhì)，在高溫條件下可裂解生成天然氣，表現(xiàn)出成烴物質(zhì)的多元性。（2）在差異構(gòu)造運(yùn)動(dòng)下，不同地區(qū)下古生界烴源（巖）可能經(jīng)歷一次或多期次生排烴過(guò)程，造成有些地區(qū)原油聚集成藏保存至今，如塔里木盆地下古生界中油氣并存；有些地區(qū)深埋裂解成氣，如川東北長(zhǎng)興組-飛仙關(guān)組儲(chǔ)層瀝青的大量發(fā)育，印證了原油裂解成氣的過(guò)程；有些地區(qū)則經(jīng)過(guò)構(gòu)造抬升發(fā)生次生變化，如南方大量分布的古油藏，導(dǎo)致生烴中心的變遷以及多元生烴的有效性、貢獻(xiàn)程度的不同。（3）通過(guò)國(guó)家“九五”以來(lái)攻關(guān)研究，對(duì)海相碳酸鹽巖烴源巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)形成了基本共識(shí)。但現(xiàn)今下古生界烴源巖及衍生物都處于高過(guò)成熟階段，尤其在南方，早期由干酪根形成的原油均已裂解成氣和固體瀝青，其分子和同位素組成發(fā)生了顯著變化，使得大量的地球化學(xué)參數(shù)失去了原始指示意義。加之，分散可溶有機(jī)質(zhì)和古油藏等再生烴源已成為下古生界深層油氣成藏的重要來(lái)源，其油氣源對(duì)比、成藏示蹤及其潛力分析尚無(wú)合適的指標(biāo)體系。因此，厘清早古生代烴源原始特征，揭示多元生烴機(jī)制，建立相應(yīng)的油氣示蹤標(biāo)志體系，是查明下古生界油氣地質(zhì)特征的重要基礎(chǔ)。

3 亟待解決的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和主要對(duì)策

從我國(guó)下古生界海相層系油氣勘探現(xiàn)狀和資源潛力來(lái)看，注重早古生代生物演化初期階段成烴有機(jī)質(zhì)的生源特征，亟待解決“早古生代有機(jī)質(zhì)多元成烴機(jī)理與油氣示蹤標(biāo)志”關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。

早古生代海相碳酸鹽巖層系生物種群和沉積有機(jī)質(zhì)的特殊性，以及它們?cè)诼L(zhǎng)地質(zhì)歷史時(shí)期經(jīng)歷的多期構(gòu)造疊加與演化，決定了烴源形成與生排烴過(guò)程的復(fù)雜性。除了干酪根之外，從古源巖、輸導(dǎo)體系到古圈閉，以分散和富集狀態(tài)賦存的可溶有機(jī)質(zhì)、以有機(jī)酸鹽形式存在的不溶有機(jī)質(zhì)，在高溫高壓條件下均可裂解生成天然氣，表現(xiàn)出成烴物質(zhì)的多元性。在差異構(gòu)造活動(dòng)背景下，不同地區(qū)早古生代層系烴源（巖）可能經(jīng)歷一次或多期次生排烴過(guò)程，造成部分地區(qū)原油聚集成藏保存至今，部分地區(qū)繼續(xù)深埋裂解成氣，部分地區(qū)經(jīng)過(guò)抬升發(fā)生次生變化，從而導(dǎo)致生烴中心的變遷、儲(chǔ)層流體相態(tài)的轉(zhuǎn)化和有效圈閉的位移。因此，厘清早古生代烴源的原始特征，研究多期構(gòu)造演化過(guò)程中多元油氣的生成機(jī)理，建立油氣示蹤的標(biāo)志體系，是揭示下古生界油氣地質(zhì)特征的重要基礎(chǔ)。

總之，烴源巖的有效性是中國(guó)海相碳酸鹽巖層系油氣勘探所必須解決的重大基礎(chǔ)問(wèn)題之一，這對(duì)我國(guó)古老的海相碳酸鹽巖層系油氣規(guī)模聚集、保存及分布預(yù)測(cè)開(kāi)展進(jìn)一步的深化研究，從理論上、技術(shù)方法上形成系列的評(píng)價(jià)體系，以期揭示大中型油氣田分布規(guī)律具有重要意義，可為下古生界更多的油氣發(fā)現(xiàn)提供基礎(chǔ)理論和技術(shù)方法支持。

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