優(yōu)質(zhì)烴源巖成烴生物與生烴能力動態(tài)評價

秦建中，申寶劍，陶國亮，騰格爾，仰云峰，鄭倫舉，付小東

(中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇無錫214126)

廣泛分布于海洋和湖泊中的古代微生物是形成石油和天然氣的主要原始母質(zhì)[1］，微觀的、廣泛分布于沉積巖中的細(xì)菌、藻類、菌類等各類成烴生物經(jīng)歷了復(fù)雜的生物化學(xué)及化學(xué)變化，通過腐泥化及腐殖化過程形成干酪根，成為海相優(yōu)質(zhì)烴源巖形成的物質(zhì)基礎(chǔ)[2－5］。世界范圍內(nèi)的大型油氣田中，海相碳酸鹽巖油氣探明儲量約占60%。我國海相碳酸鹽巖具有良好的勘探前景和巨大的潛力[6－7］，但我國海相烴源巖普遍處于高—過成熟階段，常規(guī)評價手段難以奏效，因此海相優(yōu)質(zhì)烴源巖有效的評價體系是海相地層油氣勘探開發(fā)中的關(guān)鍵問題之一。成烴生物作為油氣原始物質(zhì)來源，加之具有鮮明的時代特征和環(huán)境特色，在油氣綜合評價中具有重要意義。本研究集成掃描電鏡、激光共聚焦和拉曼光譜等先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合有機(jī)巖石學(xué)、地球化學(xué)和古生物學(xué)等多學(xué)科建立的成烴生物識別技術(shù)[8－12］，實現(xiàn)了對超顯微和高熱演化成烴生物的識別，生烴模擬實驗?zāi)M不同類型成烴生物生烴潛力，為海相沉積盆地預(yù)測烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度和類型、確定不同成烴生物的生烴潛力評價提供支撐，為提高油氣資源潛力評價的可靠性奠定基礎(chǔ)。

1 海相優(yōu)質(zhì)烴源巖的成烴生物

本文在南方海相烴源巖研究的基礎(chǔ)上，應(yīng)用全巖掃描電鏡(SEM)+能譜元素分析等方法，對南方海相上二疊統(tǒng)龍?zhí)督M(P2l)—大隆組(P2d)、上奧陶統(tǒng)五峰組(O3w)—下志留統(tǒng)龍馬溪組(S1l)和下寒武統(tǒng)牛蹄塘組(－C1n)及塔里木盆地下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組等優(yōu)質(zhì)烴源巖進(jìn)行成烴生物研究，識別出海相碳酸鹽巖層系優(yōu)質(zhì)烴源巖的成烴生物主要由4種類型組成:

(1)浮游藻類(圖1a):主要包括藻紋層，可能為葡萄球藻等，多為硅質(zhì)或硅化有機(jī)超顯微薄層，P2中較發(fā)育。金藻門魚鱗藻類，鱗片大小不一，具有大網(wǎng)眼的鱗片直徑為20 μm左右，網(wǎng)眼直徑約為3～5 μm，具有小網(wǎng)眼的鱗片直徑為3～9 μm左右，網(wǎng)眼直徑為0.4～0.5 μm;在一個鱗片上，可以只發(fā)育一種類型的網(wǎng)眼，也可以發(fā)育大小不一的網(wǎng)眼，多為硅質(zhì)或硅化有機(jī)碎屑，常見單一鱗片，也可以看到若干個鱗片相互疊合，以斑塊狀成層狀分布，－C1n及O3w－S1l中較發(fā)育。疑源類，有光面球藻(硅質(zhì)或硅化)、小刺藻(有機(jī))及原始硅藻等，－C1n中較發(fā)育。還有塔斯馬尼亞藻(鈣質(zhì)或鈣化)、藍(lán)藻類(鈣質(zhì)或鈣化等)等，P2中較發(fā)育。

(2)底棲藻類(圖1b):主要包括藻席，多為硅質(zhì)或鈣質(zhì)或鐵質(zhì)等，－C1n中較發(fā)育;藻孢子囊及宏觀藻絲體殘片，多為硅質(zhì)或硅化生屑或黃鐵礦化等，－C1及P2中均發(fā)育;海綿，硅質(zhì)或硅化生屑，－C1n中較發(fā)育。

(3)真菌和細(xì)菌類(圖1c):主要包括真菌(附體生物)菌絲，鈣質(zhì)或鈣化有機(jī)生屑，P2及－C1中較發(fā)育;細(xì)菌、硅質(zhì)或硅化細(xì)菌多含有機(jī)質(zhì)，－C1n及P2中較發(fā)育，硫細(xì)菌可不含有機(jī)質(zhì)，P2中較發(fā)育，鐵細(xì)菌含有機(jī)質(zhì)，O3w－S1l中較發(fā)育。

(4)原始線葉植物和高等植物類(圖1d):原始線葉植物含有機(jī)質(zhì)，多黏土化，－C1n、P2中較發(fā)育。

以上識別出的高成熟度海相烴源巖成烴生物構(gòu)成了海相優(yōu)質(zhì)烴源巖干酪根的主體有機(jī)生物，海相優(yōu)質(zhì)烴源巖多為不同成烴生物的混合物。以南方四川盆地二疊系烴源巖為例，川東北P2l海相烴源巖是一套優(yōu)質(zhì)烴源巖(河壩1井、普光5井、毛壩3井和元壩3井等煤層不發(fā)育)，實測Ro變化在3% ～4.5%之間，有機(jī)質(zhì)已經(jīng)處于過成熟階段，可溶有機(jī)質(zhì)和不溶有機(jī)質(zhì)地球化學(xué)分析多數(shù)已經(jīng)失去原始面貌，瀝青“A”含量極低，生物標(biāo)志物、干酪根H/C原子比等多已失效，干酪根鏡下全黑難以鑒定，給干酪根類型分析帶來困難;全巖有機(jī)巖石學(xué)研究表明，有機(jī)顯微組分以腐泥組或裂縫充填型瀝青為主，前者相對含量多為48% ～83%，以浮游藻類和底棲藻類殘屑為主，后者主要為次生組分，瀝青賦存于孔隙中或動物硬體晶間孔中，而鏡質(zhì)體及絲質(zhì)體等高等植物殘屑很少見，局部偶在頁理薄層中見到?？梢哉J(rèn)為，川東北P2l海相烴源巖原始有機(jī)質(zhì)主要來自海洋浮游藻類或底棲藻類或動物有機(jī)殘骸及少量薄層陸源高等植物的Ⅱ型干酪根(圖2)。川東北河壩1井、元壩3井和毛壩3井P2l海相烴源巖成烴生物主要由浮游生物(浮游藻類)殘屑(圖1a1，a3)、底棲生物(底棲藻類、孢子囊及壁)殘屑(圖1b1)、細(xì)菌殘骸(圖1c2)及部分植物(線葉及高等植物)殘片(圖1d3)等組成，也為Ⅱ型干酪根;干酪根δ13C一般變化在－27‰～－29.5‰之間，干酪根類型也應(yīng)屬Ⅱ型。盡管它們的成烴生物也為浮游生物殘屑、底棲生物殘屑及其細(xì)菌殘骸和少量陸源植物殘片混合，但它們并非湖相原來意義上的陸源植物與湖相水生生物之間的混合型，而是以海相底棲生物為主體的Ⅱ型干酪根。

2 浮游藻類和底棲藻類生油氣能力強(qiáng)

浮游藻類的原始生烴潛力相當(dāng)于Ⅰ型有機(jī)質(zhì)，底棲藻類相當(dāng)于Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)，真菌和細(xì)菌類相當(dāng)于Ⅱ型有機(jī)質(zhì)，原始線葉植物(水下植物)相當(dāng)于Ⅱ2型有機(jī)質(zhì)，而高等植物則相當(dāng)于Ⅲ型有機(jī)質(zhì)。海相優(yōu)質(zhì)烴源巖中的“優(yōu)質(zhì)”實際上是烴源巖在成熟階段生油能力的體現(xiàn)，除烴源巖w(TOC)＞1.5%外，干酪根類型應(yīng)為Ⅰ型或Ⅱ型[11］，成烴生物主要應(yīng)為浮游生物(以浮游藻類為主，相當(dāng)于Ⅰ型)和底棲生物(以底棲藻類為主，相當(dāng)于Ⅱ型)。

2.1 成熟階段具有較強(qiáng)的生油潛力

浮游藻類和底棲藻類在成熟階段主要是生油，且總油產(chǎn)率或油轉(zhuǎn)化率很高，而Ⅲ型干酪根或鏡質(zhì)組+絲質(zhì)組+少量殼質(zhì)組等高等植物殘骸或殘屑在成熟階段總生油產(chǎn)率或油轉(zhuǎn)化率很低，而且在高成熟—過成熟階段生凝析油氣或烴氣產(chǎn)率也相對較低，即干酪根為Ⅲ型的烴源巖或腐殖煤是不能成為優(yōu)質(zhì)烴源巖的。

圖1 中國南方海相優(yōu)質(zhì)烴源巖成烴生物超顯微有機(jī)巖石學(xué)典型照片F(xiàn)ig.1 Typical ultra-microscopic photographs of hydrocarbon-forming organisms in marine source rocks in South China

優(yōu)質(zhì)烴源巖在低成熟—成熟階段具有很高的生油能力，與Ⅰ型或Ⅱ型干酪根的結(jié)構(gòu)或主要成烴生物浮游藻類和底棲藻類的構(gòu)成及它們生油的活化能有關(guān)[13－16］。干酪根是一種復(fù)雜和不均勻的大分子縮聚物，分子結(jié)構(gòu)難以用分子式表述，只能通過各種物理和化學(xué)分析新方法對干酪根提出假設(shè)結(jié)構(gòu)。在未成熟—低成熟沉積巖中，不同類型或不同有機(jī)相中的干酪根具有不同結(jié)構(gòu)的核、脂族鏈和官能團(tuán)，這是干酪根類型的本質(zhì)差別。Ⅰ型干酪根或無定型干酪根或浮游藻類中，核多是低環(huán)數(shù)且數(shù)量少的芳香環(huán)化合物，飽和的環(huán)狀化合物數(shù)量多，氮、硫、氧的雜環(huán)或官能團(tuán)少，橋鍵或脂族鏈主要是C10－C15以上的直鏈或支鏈族，其結(jié)構(gòu)與原油相似，因此它在低成熟—成熟階段是生油的。海相底棲藻類或底棲生物為主的干酪根或Ⅱ型或脂類或混合型干酪根結(jié)構(gòu)可能與Ⅰ型干酪根更相似，核也多是低環(huán)數(shù)，且含有6個相連的芳香環(huán)化合物，飽和的環(huán)狀化合物數(shù)量較多，氮、硫、氧的雜環(huán)或官能團(tuán)較少，橋鍵或脂族鏈也含有C10－C15以上的直鏈或支鏈族，其結(jié)構(gòu)也與原油具有一定的相似性，在成熟階段也主要是生油。Ⅲ型或木質(zhì)—腐殖干酪根或鏡質(zhì)組+絲質(zhì)組+少量殼質(zhì)組等高等植物殘骸或殘屑為主的干酪根中，核為7個相連的芳香環(huán)，環(huán)狀化合物相對較少，氮、硫、氧的雜環(huán)或官能團(tuán)較多，脂鏈族以－CH3為主，一般在(CH2)5以下，其結(jié)構(gòu)與原油相差明顯，C10－C15以上的直鏈或支鏈族以及環(huán)狀化合物很少，它在成熟階段不具備大量生油能力，只能在成熟中晚期生成少量輕質(zhì)油氣。

圖2 四川盆地上二疊統(tǒng)(P2l－P2d)優(yōu)質(zhì)烴源巖不同沉積相帶成烴生物發(fā)育特征Fig.2 Sedimentary facies of Upper Permian(P2l－ P2d)source rocks and their relationship with hydrocarbon-forming organisms in Sichuan Basin

中國現(xiàn)代海相浮游藻類、底棲藻類、南方中三疊統(tǒng)—寒武系、羌塘盆地侏羅—三疊系、冀北中上元古界90余塊不同類型未成熟—成熟烴源巖常規(guī)生排烴熱壓模擬實驗和10余塊海相不同有機(jī)質(zhì)類型(成烴生物)烴源巖原樣仿真地層熱壓模擬實驗證實:①海相不同有機(jī)質(zhì)類型(成烴生物)烴源巖原樣仿真地層熱壓模擬實驗總生油量明顯增加，生油高峰模擬溫度錯后(Ro相當(dāng))，排油量及其占總油比例在Ro＜0.9%時相對較低，Ro＞1%之后排油量和占總油比例均迅速增高并趨于一致，總生烴氣量相當(dāng)或略偏高一些，H2和CO2等明顯減少，相對更接近地下客觀實際(圖3)。②Ⅰ型優(yōu)質(zhì)烴源巖(油頁巖，浮游藻類為主)在成熟階段是生油的，最高生油產(chǎn)率達(dá)到909.49 kg/t(圖3)，總有機(jī)碳的總油轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到75%;生油高峰階段的烴氣產(chǎn)率低，只有9.91 ～89.5 kg/t，相當(dāng)于生油量的0.3% ～9.8%。③Ⅱ型優(yōu)質(zhì)烴源巖(油頁巖，底棲藻類為主)在成熟階段最高生油產(chǎn)率達(dá)到427.29 kg/t(圖 3)，總 有 機(jī) 碳 的 總 油轉(zhuǎn)化率也可以達(dá)到35%以上。即Ⅱ型(混合型或底棲藻類為主)優(yōu)質(zhì)烴源巖在成熟階段也主要是生油的，而且生油量較高，生油高峰階段的烴氣產(chǎn)率也低，只有 17.4 ～35.51 kg/t。但是，Ⅱ型優(yōu)質(zhì)烴源巖在成熟階段的總生油量只有Ⅰ型(腐泥型或浮游藻類)優(yōu)質(zhì)烴源巖的50%左右(圖3)，烴氣產(chǎn)率相差并不明顯。④Ⅲ型(高等植物為主)煤巖在成熟階段最高總生油量也只有51.54 kg/t(圖3)，總有機(jī)碳的總油轉(zhuǎn)化率小于4.5%，此時烴氣產(chǎn)率只有0.25 kg/t，它們難以排出煤巖，最多可能含有一定量殼質(zhì)組的煤巖在成熟階段中后期可以隨氣排出少量輕質(zhì)油或凝析油。即Ⅲ型煤系烴源巖在成熟階段生油量很低，僅相當(dāng)于Ⅱ型優(yōu)質(zhì)烴源巖在成熟階段總生油量的12.5%左右，Ⅰ型優(yōu)質(zhì)烴源巖的6%左右。此外，Ⅲ型煤系烴源巖在成熟生油階段烴氣產(chǎn)率也不高，總烴氣量還低于Ⅰ、Ⅱ型優(yōu)質(zhì)烴源巖，即Ⅲ型煤系烴源巖不能成為優(yōu)質(zhì)烴源巖。

圖3 優(yōu)質(zhì)烴源巖和煤巖原樣仿真地層熱壓模擬實驗總油產(chǎn)率對比Fig.3 Total oil yields of excellent source rocks and coal based on simulation experiment

2.2 高—過成熟階段生氣潛力強(qiáng)

圖4 優(yōu)質(zhì)烴源巖和煤巖原樣仿真地層熱壓模擬實驗總烴氣產(chǎn)率對比Fig.4 Total hydrocarbon gas yields of excellent source rocks and coal based on simulation experiment

海相優(yōu)質(zhì)烴源巖不但在低成熟—成熟階段總生油產(chǎn)率高，而且在高成熟—過成熟階段早期生氣潛力強(qiáng)，主要是原油再裂解烴氣。①Ⅰ型優(yōu)質(zhì)烴源巖原樣仿真地層熱壓模擬實驗高成熟—過成熟階段早期最高生烴氣產(chǎn)率達(dá)到418.09 kg/t(圖4)，總有機(jī)碳中總烴氣(甲烷)碳的轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到約32%，其中約有85%為其成熟階段所生原油再裂解的烴氣(甲烷)。即Ⅰ型優(yōu)質(zhì)烴源巖不但在成熟階段總生油量很高，而且在高成熟—過成熟階段早期生烴氣產(chǎn)率也很高，為很好的或優(yōu)質(zhì)氣源巖，不過烴氣(甲烷)80%以上為Ⅰ型優(yōu)質(zhì)烴源巖早期所生原油再裂解的產(chǎn)物。②Ⅱ型優(yōu)質(zhì)烴源巖在高成熟—過成熟階段早期最高生烴氣產(chǎn)率達(dá)到257.06 kg/t(圖4)，總有機(jī)碳中總烴氣(甲烷)碳的轉(zhuǎn)化率可以達(dá)到約20%，其中約有71%為其在成熟階段所生原油再裂解的烴氣(甲烷)。與Ⅰ型優(yōu)質(zhì)烴源巖相比，最高產(chǎn)烴氣量約降低了38%，原油再裂解烴氣(甲烷)所占總烴氣比例也約降低了15%。即Ⅱ型優(yōu)質(zhì)烴源巖不但在成熟階段總生油量較高，而且在高成熟—過成熟階段早期烴氣產(chǎn)率也較高，也為好或優(yōu)質(zhì)氣源巖。與Ⅰ型優(yōu)質(zhì)烴源巖相比，其最高產(chǎn)烴氣量約降低了30%左右，原油再裂解烴氣(甲烷)所占總烴氣比例也約降低了20%左右，相反干酪根直接產(chǎn)烴氣卻有所增加。③Ⅲ型煤巖原樣在高成熟—過成熟階段最高生烴氣產(chǎn)率為117.33 kg/t，相對較低，總有機(jī)碳中總烴氣(甲烷)碳的轉(zhuǎn)化率約為9%，僅相當(dāng)于Ⅰ型優(yōu)質(zhì)烴源巖的28%，Ⅱ型優(yōu)質(zhì)烴源巖的45%，其不能作為優(yōu)質(zhì)氣源巖。此外，Ⅲ型煤系烴源巖在成熟生油階段烴氣產(chǎn)率也不高，總烴氣量還低于Ⅰ、Ⅱ型優(yōu)質(zhì)烴源巖。也就是說，Ⅲ型煤系烴源巖不能成為優(yōu)質(zhì)烴源巖。但是，Ⅲ型煤系烴源巖在高成熟—過成熟階段的產(chǎn)烴氣量主要是干酪根直接熱裂解所生，烴氣量約占總生烴氣量的70%以上，最高可達(dá)到90%，這與Ⅰ、Ⅱ型優(yōu)質(zhì)烴源巖在高成熟—過成熟階段早期以原油再裂解烴氣(甲烷)為主正相反(圖3，4)。

高成熟—過成熟階段的海相優(yōu)質(zhì)烴源巖生氣量也高或“優(yōu)質(zhì)”，主要是優(yōu)質(zhì)烴源巖中的“可溶有機(jī)質(zhì)”和運移出來后形成古油藏或儲集巖中的“油”熱裂解而形成天然氣，優(yōu)質(zhì)烴源巖中干酪根直接熱裂解氣只占少部分。而Ⅲ型煤系烴源巖[w(TOC)＞2%］在高成熟—過成熟階段烴氣最高產(chǎn)率只有不到120 kg/t，其中70%以上為干酪根直接熱裂解而產(chǎn)生。隨著干酪根類型變差(Ⅰ→Ⅱ1→Ⅱ)，干酪根直接熱裂解凝析氣比例有所提高，但總生氣量是相對減少的(圖4)。也就是說，在高成熟—過成熟階段，海相優(yōu)質(zhì)烴源巖盡管主要經(jīng)過“油”再熱裂解而形成天然氣，其烴氣最終轉(zhuǎn)化率仍是Ⅲ型烴源巖的2～4倍，屬好的氣源巖或優(yōu)質(zhì)氣源巖。因此，在油氣資源評價或盆地模擬過程中，高成熟—過成熟原油裂解生烴是烴氣組成的重要方面。

3 不同成烴生物生油氣能力評價

在地質(zhì)演化過程中，不同干酪根類型或成烴生物優(yōu)質(zhì)烴源巖的生排油氣能力始終都是動態(tài)變化的，其評價方法和評價技術(shù)也是動態(tài)變化的。

未成熟階段優(yōu)質(zhì)烴源巖干酪根尚未大量熱裂解生成并排出原油，保持著原始生烴潛量(表1)，可溶有機(jī)質(zhì)或殘留油幾乎全部為生物標(biāo)志物。干酪根類型或成烴生物的評價指標(biāo)主要為干酪根H/C原子比、鏡下鑒定、碳同位素、有機(jī)巖石學(xué)及超顯微有機(jī)巖石學(xué)、可溶有機(jī)質(zhì)及生物標(biāo)志物、巖石熱解氫指數(shù)等(表2)。

成熟早中期優(yōu)質(zhì)烴源巖干酪根開始大量生排油，生烴潛量高、產(chǎn)油率及殘留油率也高，烴氣產(chǎn)率低，Ro一般介于0.45% ～0.8%之間。干酪根類型或成烴生物的評價指標(biāo)與未成熟優(yōu)質(zhì)烴源巖相似，主要為干酪根H/C原子比、鏡下鑒定、碳同位素等、有機(jī)巖石學(xué)及超顯微有機(jī)巖石學(xué)、可溶有機(jī)質(zhì)及生物標(biāo)志物、巖石熱解氫指數(shù)及巖石輕烴、吸附氣、酸解氣分析與單體烴碳同位素等(表2)。

成熟中晚期優(yōu)質(zhì)烴源巖正處于大量生排油氣階段，生烴潛力明顯降低，Ro一般介于0.8% ～1.35%之間。干酪根類型或成烴生物的評價指標(biāo)主要為干酪根鏡下鑒定、干酪根碳同位素、有機(jī)巖石學(xué)或超顯微有機(jī)巖石學(xué)、可溶有機(jī)質(zhì)及生物標(biāo)志物、巖石輕烴、吸附氣、酸解氣分析與單體烴碳同位素等(表2)。

高成熟優(yōu)質(zhì)烴源巖正處于生排凝析濕氣階段，它是干酪根和成熟階段生成及排出的可溶有機(jī)質(zhì)或油熱裂解產(chǎn)物，生烴潛力已經(jīng)較低，固體瀝青產(chǎn)率較高，Ro一般介于1.3% ～2.0%之間。干酪根類型或成烴生物的評價指標(biāo)主要為干酪根碳同位素、有機(jī)巖石學(xué)或超顯微有機(jī)巖石學(xué)及巖石輕烴、吸附氣、酸解氣分析與單體烴碳同位素等(表2)。

過成熟優(yōu)質(zhì)烴源巖(Ro＞2.0%)是已經(jīng)過大量生排烴的烴源巖，生烴潛力已經(jīng)很低，到過成熟晚期(Ro＞4.3%)生烴潛力接近零。干酪根類型或成烴生物的辨認(rèn)只能靠干酪根碳同位素、有機(jī)巖石學(xué)或超顯微有機(jī)巖石學(xué)及巖石吸附氣、酸解氣甲烷碳同位素等(表2)。

表1 海相優(yōu)質(zhì)烴源巖不同干酪根類型生油氣能力的動態(tài)評價數(shù)據(jù)Table 1 Dynamic evaluation of hydrocarbon generation of different kerogen types of excellent marine source rocks

表2 烴源巖干酪根類型動態(tài)評價參數(shù)或指標(biāo)統(tǒng)計Table 2 Statistics of dynamic evaluation parameters of kerogen type of hydrocarbon source rocks

4 結(jié)論

(1)中國南方和塔里木高成熟—過成熟海相優(yōu)質(zhì)烴源巖識別出成烴生物主要有浮游生物(浮游藻類)、底棲生物(或底棲藻類)、菌類(真菌類和細(xì)菌)及線葉或高等植物等4大類組成，干酪根類型主要為Ⅱ型(底棲藻類、菌類及浮游藻類為主)。

(2)浮游藻類(相當(dāng)于Ⅰ型)和底棲藻類(相當(dāng)于Ⅱ1型)成烴生物原始生烴潛力在不同成熟階段生油潛力不同，在高成熟—過成熟階段生氣潛力也存在差異，主要是原油再裂解烴氣。

(3)不同類型的成烴生物在各成熟階段的生油、生氣潛力與評價技術(shù)和方法是動態(tài)變化的。在高成熟—過成熟階段有機(jī)巖石學(xué)或超顯微有機(jī)巖石學(xué)及干酪根碳同位素也是相對有效的評價方法。

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