中國(guó)海相碳酸鹽巖層系有機(jī)質(zhì)生烴理論新解

劉文匯，騰格爾，王曉鋒，黎茂穩(wěn)，胡廣，王杰，盧龍飛，趙恒,，陳強(qiáng)路，羅厚勇

（1.中國(guó)石化油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫 214151；2.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇無(wú)錫214151；3.甘肅省油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；4.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心，蘭州 730000；5.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500；6.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

中國(guó)海相碳酸鹽巖層系有機(jī)質(zhì)生烴理論新解

劉文匯1,2，騰格爾1,2，王曉鋒3,4，黎茂穩(wěn)1,2，胡廣5，王杰1,2，盧龍飛1,2，趙恒3,4,6，陳強(qiáng)路1,2，羅厚勇1,2

（1.中國(guó)石化油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇無(wú)錫 214151；2.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，江蘇無(wú)錫214151；3.甘肅省油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/中國(guó)科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；4.中國(guó)科學(xué)院地質(zhì)與地球物理研究所蘭州油氣資源研究中心，蘭州 730000；5.西南石油大學(xué)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，成都 610500；6.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

以塔里木盆地海相碳酸鹽巖層系為重點(diǎn)，研究烴源巖發(fā)育與油氣藏之間的關(guān)系，探討中國(guó)高熱演化程度、低TOC值（小于0.5%）海相碳酸鹽巖層系作為烴源巖的可能性及其生烴機(jī)理。通過(guò)對(duì)塔里木盆地?zé)N源巖分布與塔河油田油氣藏的匹配關(guān)系、烴源巖成烴生物組合及其與油氣藏的地球化學(xué)特征對(duì)比分析，建立海相碳酸鹽巖烴源巖成烴物質(zhì)評(píng)價(jià)方法。研究得出塔里木盆地塔河油田原油并非來(lái)自泥質(zhì)烴源巖，而具有來(lái)源于碳酸鹽巖烴源巖的明顯特征，進(jìn)一步揭示高熱演化碳酸鹽巖中被低估的生烴物質(zhì)（有機(jī)酸鹽）及碳酸鹽巖中優(yōu)質(zhì)成烴生物組合是高熱演化碳酸鹽巖可以作為烴源巖的關(guān)鍵，有機(jī)酸鹽具有高溫裂解成烴、主體成氣和成烴轉(zhuǎn)化率高的生烴特征。塔里木盆地寒武系—中下奧陶統(tǒng)有效碳酸鹽巖烴源巖的發(fā)育模式以陸棚模式為主。圖6表1參85

塔里木盆地；碳酸鹽巖；烴源巖；成烴生物；有機(jī)酸鹽；生烴理論

引用：劉文匯,騰格爾,王曉鋒,等.中國(guó)海相碳酸鹽巖層系有機(jī)質(zhì)生烴理論新解[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),2017,44(1):155-164.

LIU Wenhui,BORJIGIN Tenger,WANG Xiaofeng,et al.New knowledge of hydrocarbon generating theory of organic matter in Chinese marine carbonates[J].Petroleum Exploration and Development,2017,41(1):155-164.

0 引言

在中國(guó)陸相油氣勘探突破之前，勘探界普遍認(rèn)為海相層系烴源巖是常規(guī)油氣最主要的來(lái)源。海相層系烴源巖中一直以傳統(tǒng)的泥質(zhì)烴源巖和高TOC值（大于0.5%）碳酸鹽巖烴源巖為主，以此為出發(fā)點(diǎn)，海相油氣勘探取得了巨大的成效。塔里木盆地海相最大油田——塔河油田的發(fā)現(xiàn)、鄂爾多斯盆地下古生界天然氣的規(guī)模發(fā)現(xiàn)以及四川盆地海相下組合天然氣再次取得勘探突破，顯示了中國(guó)海相油氣的巨大勘探潛力。但隨著油氣勘探的深入，海相油氣規(guī)模性發(fā)現(xiàn)卻未見(jiàn)與之匹配的泥質(zhì)烴源巖和高TOC值碳酸鹽巖烴源巖規(guī)模性發(fā)育，目前越來(lái)越多的勘探和地質(zhì)證據(jù)證明，僅以高TOC值泥質(zhì)和碳酸鹽巖烴源巖作為烴源類(lèi)型難以解釋許多海相油氣勘探的問(wèn)題，直接影響著海相油氣精細(xì)勘探和資源評(píng)價(jià)。一方面石油勘探家和石油地質(zhì)家仍在尋找優(yōu)質(zhì)烴源巖，另一方面，人們開(kāi)始對(duì)僅以傳統(tǒng)的高TOC值烴源巖（泥質(zhì)烴源巖）作為海相油氣烴源的觀點(diǎn)提出質(zhì)疑。在古老的海相層系中可能存在除高TOC值烴源巖特別是泥質(zhì)烴源巖之外的其他類(lèi)型烴源巖，因此需要對(duì)高演化、低TOC值的碳酸鹽巖作為烴源巖的可能性進(jìn)行分析。

隨著塔里木盆地輪南—塔河、塔中以及鄂爾多斯盆地靖邊等大型油氣田的發(fā)現(xiàn)及勘探深入，前人開(kāi)展了大量的海相油氣烴源巖方面的研究工作，但其油氣來(lái)源仍不清楚且存在嚴(yán)重的分歧[1-9]。本文基于中國(guó)古生界沉積層系地質(zhì)及地球化學(xué)分析，結(jié)合油氣地球化學(xué)特征、成烴生物組合、成烴轉(zhuǎn)化及地質(zhì)過(guò)程，討論高熱演化、低TOC值碳酸鹽巖成為烴源巖的可能性。

1 全球碳酸鹽巖烴源巖

對(duì)全球含油氣盆地不同類(lèi)型烴源巖的統(tǒng)計(jì)表明，以泥質(zhì)巖為主的烴源巖占全部烴源巖的42%，而與碳酸鹽巖有關(guān)的烴源巖占全部烴源巖的58%[10-11]，這些碳酸鹽巖烴源巖提供了世界大油田近一半[12]的油氣資源。優(yōu)質(zhì)碳酸鹽巖烴源巖在低—中熱演化階段TOC值高達(dá)8%～12%；而到高熱演化階段，TOC值迅速下降為1%～4%，推測(cè)母質(zhì)類(lèi)型較好的烴源巖在演化過(guò)程中，TOC值降低明顯。Jarvie對(duì)演化過(guò)程中TOC值的變化進(jìn)行了系統(tǒng)分析，認(rèn)為好的烴源巖在高熱演化階段TOC值最多可降低80%，而有機(jī)質(zhì)類(lèi)型差的烴源巖TOC值最多可降低20%[13-14]，這一點(diǎn)對(duì)中國(guó)高熱演化、低—中TOC值碳酸鹽巖的評(píng)價(jià)有重要意義。對(duì)于目前處于高熱演化階段具有低TOC值的碳酸鹽巖，并不能否定其在低—中熱演化階段曾經(jīng)具有高TOC值的可能性。

2 中國(guó)海相油氣勘探與烴源巖認(rèn)識(shí)的困惑

中國(guó)油氣勘探長(zhǎng)時(shí)期集中在陸相盆地，其現(xiàn)有油氣資源探明率處于30%～40%。而海相油氣勘探現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)大型及以上規(guī)模油氣田13個(gè)，但資源探明率僅10%左右，遠(yuǎn)低于中國(guó)陸相和全球海相油氣探明率（69%）。其中，下古生界海相碳酸鹽巖層系勘探程度更低，天然氣探明率為7%[15-17]。

前人已開(kāi)展大量海相層系烴源巖研究，取得認(rèn)識(shí)主要為[3-11]：①泥質(zhì)烴源巖仍是烴源巖的主要類(lèi)型；②碳酸鹽巖烴源巖具有低TOC值、成烴母質(zhì)類(lèi)型好及目前無(wú)法進(jìn)行有效潛力評(píng)價(jià)的特征；③低TOC值的源巖中可能存在未認(rèn)識(shí)到的成烴物質(zhì)，形成大量烴類(lèi)。

目前中國(guó)海相油氣勘探面臨明顯的源、藏不匹配問(wèn)題，以中國(guó)3大海相油氣盆地為例加以說(shuō)明。①塔里木盆地發(fā)現(xiàn)塔河特大型油田，但其油氣來(lái)源仍不明了，至今未找到傳統(tǒng)的處于生烴階段的富有機(jī)質(zhì)優(yōu)質(zhì)烴源巖。能確定的高TOC值烴源層空間分布和地球化學(xué)特征與已發(fā)現(xiàn)規(guī)模油氣藏?zé)N類(lèi)不完全一致[18-20]。②靖邊大型油氣田發(fā)現(xiàn)近20年，天然氣地球化學(xué)特征顯示其來(lái)源于古生界海相烴源巖[21-25]，但無(wú)論是地質(zhì)分析還是鉆探均未揭示與之對(duì)應(yīng)的傳統(tǒng)優(yōu)質(zhì)烴源巖。同時(shí)，近期在鄂爾多斯盆地中央古隆起東側(cè)及靖邊氣田以西地區(qū)的中奧陶統(tǒng)馬家溝組五段黑色碳酸鹽層中進(jìn)行水平井鉆探，獲得工業(yè)氣流，天然氣似乎源于傳統(tǒng)認(rèn)識(shí)的石炭-二疊系煤系烴源巖，但不具備上生下儲(chǔ)的運(yùn)聚條件和運(yùn)移路徑。③四川盆地古生界傳統(tǒng)烴源巖異常發(fā)育，寒武系牛蹄塘（筇竹寺）組和志留系龍馬溪組均存在TOC值很高的優(yōu)質(zhì)泥質(zhì)烴源巖。但至今未發(fā)現(xiàn)其對(duì)應(yīng)的規(guī)模天然氣藏，而大型天然氣藏天然氣主要來(lái)自石炭-二疊系的泥質(zhì)、泥灰質(zhì)烴源巖，只有四川盆地東部石炭系氣田天然氣來(lái)自志留系龍馬溪組。2013年在四川盆地中部古隆起發(fā)現(xiàn)安岳大型天然氣田，認(rèn)為氣源與筇竹寺組烴源巖有關(guān)[26]。綜上，塔里木盆地海相油氣規(guī)模成藏，但烴源巖不明確；中上揚(yáng)子地區(qū)多套優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育，但遠(yuǎn)未達(dá)到其對(duì)應(yīng)的油氣藏規(guī)模；鄂爾多斯盆地油氣豐富，但古生界海相烴源巖仍不明確。同時(shí)，已有的大型海相油田，特別是塔里木盆地塔河油田的原油地球化學(xué)特征（包括生物標(biāo)志化合物和大分子化合物），均顯示出碳酸鹽巖烴源巖來(lái)源的特征。因此，應(yīng)重新分析中國(guó)高熱演化、低TOC值海相碳酸鹽巖作為烴源巖的可能性。

3 中國(guó)海相烴源巖分析

中國(guó)海相烴源巖除傳統(tǒng)的泥質(zhì)烴源巖外是否還存在其他類(lèi)型的烴源巖是目前油氣勘探最關(guān)心的問(wèn)題之一，本文以塔里木盆地為例予以分析。

3.1 塔里木盆地泥質(zhì)烴源巖分布

塔里木盆地沙參2井勘探突破以來(lái)，有關(guān)塔北地區(qū)乃至塔里木盆地臺(tái)盆區(qū)的海相主力烴源巖一直存在著很大的爭(zhēng)議。

20世紀(jì)80年代，沙參2井下古生界油氣勘探突破后，基于區(qū)域地質(zhì)分析，結(jié)合原油物理化學(xué)特征，明確了沙參2井原油的海相屬性[27-30]，認(rèn)為油源為海相寒武系—奧陶系碳酸鹽巖，但不排除石炭-二疊系和陸相三疊系—侏羅系的混源[31-34]；但其油源是以上古生界石炭系為主還是以下古生界寒武系—奧陶系為主還不明確。進(jìn)入90年代，對(duì)臺(tái)盆區(qū)海相原油的油氣源主要有2種觀點(diǎn)：①以石炭系為主要源巖[7,35]。輪南地區(qū)奧陶系、石炭系和三疊系發(fā)現(xiàn)一批高蠟油，含蠟量為7.0%～14.6%，據(jù)此提出塔北地區(qū)原油的主力油源層是海陸交互相的石炭系。②塔北地區(qū)油氣源主要來(lái)自寒武系—奧陶系源巖[36]。隨后，由于塔里木盆地臺(tái)盆區(qū)海相油氣的大量發(fā)現(xiàn)，油氣來(lái)源于寒武系—奧陶系烴源巖的認(rèn)識(shí)基本趨于一致，黃第藩[37]明確了塔里木盆地主力海相油源層是寒武系—奧陶系碳酸鹽巖和泥巖，志留系瀝青砂可作為一種特殊油源，而高蠟油來(lái)源于寒武系—奧陶系的特殊細(xì)菌和菌藻類(lèi)。

進(jìn)入21世紀(jì)，塔里木盆地臺(tái)盆區(qū)烴源巖發(fā)育層位基本上可以明確為寒武系—奧陶系，但仍存在著寒武系—中下奧陶統(tǒng)[11,38-44]和上奧陶統(tǒng)[19,45-50]作為主力烴源巖的不同認(rèn)識(shí)。然而上述烴源巖不是分布比較局限，便是與已發(fā)現(xiàn)的油氣藏不匹配[51]。

在目前研究認(rèn)為的寒武系—中下奧陶統(tǒng)和上奧陶統(tǒng)烴源巖層系中，已識(shí)別出下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組、上奧陶統(tǒng)印干組和中上奧陶統(tǒng)薩爾干組（臺(tái)盆區(qū)）和下寒武統(tǒng)西大山組、下寒武統(tǒng)西山布拉克組、中寒武統(tǒng)莫合爾山組、中下奧陶統(tǒng)黑土凹組（東部臺(tái)地）等多套泥頁(yè)巖烴源巖，但這兩套層系中發(fā)育的多個(gè)碳酸鹽巖層是否可作為烴源巖且其生烴貢獻(xiàn)如何，目前尚無(wú)明確認(rèn)識(shí)。就海相層系而言，塔里木盆地主要有3套烴源巖，包括下寒武統(tǒng)玉爾吐斯組/下寒武統(tǒng)西山布拉克組、中下奧陶統(tǒng)黑土凹組和中上奧陶統(tǒng)的薩爾干組—上奧陶統(tǒng)印干組，但均為泥質(zhì)或富泥質(zhì)的富有機(jī)質(zhì)烴源巖（見(jiàn)圖1），前人認(rèn)為玉爾吐斯組為主要烴源巖。

圖1 塔里木盆地古生界地層分布及傳統(tǒng)烴源巖發(fā)育層系

3.2 烴源巖與原油的地球化學(xué)特征對(duì)比

對(duì)海相烴源巖的顯微成烴物質(zhì)組合分析發(fā)現(xiàn)，其成烴生物主要有3大類(lèi)：顯微—超顯微生物（包括底棲藻類(lèi)、浮游藻類(lèi)、真菌和細(xì)菌類(lèi)），原始線(xiàn)葉植物和高等植物類(lèi)，胞外和次生的固體瀝青[52-54]。下古生界海相烴源巖中主要成烴生物為浮游藻類(lèi)和底棲藻類(lèi)，前者主要發(fā)育于潟湖或盆內(nèi)凹陷，后者則主要發(fā)育于淺海陸棚。成烴模擬實(shí)驗(yàn)顯示以浮游藻為主的烴源巖其TOC值產(chǎn)烴率是底棲藻的1倍以上[55-56]，意味著同屬海相沉積的有機(jī)質(zhì)，原始生物組合不同對(duì)成烴的貢獻(xiàn)差異巨大，暗示以浮游藻類(lèi)為主的干酪根才是大油氣田烴類(lèi)的主要貢獻(xiàn)者。塔里木盆地?zé)N源巖干酪根δ13C值組成對(duì)比也證明了這一點(diǎn)，即玉爾吐斯組高TOC值的烴源巖以底棲藻類(lèi)為主，其干酪根碳同位素組成均輕于-30‰，而塔里木盆地目前發(fā)現(xiàn)的原油，其碳同位素組成均重于-30‰[57]。一方面說(shuō)明原油并非來(lái)自底棲藻類(lèi)而是浮游藻類(lèi)，同時(shí)也暗示至今還未發(fā)現(xiàn)以輕的碳同位素組成為主的玉爾吐斯組烴源巖形成的油氣，可以進(jìn)一步推斷，玉爾吐斯組并非塔里木盆地至今發(fā)現(xiàn)原油的主要貢獻(xiàn)者。

Peters等[58]對(duì)全球207個(gè)大中型油氣藏地球化學(xué)研究表明，世界范圍內(nèi)海相碳酸鹽巖和泥灰?guī)r烴源巖生成的原油有著明顯的有機(jī)地球化學(xué)特征，主要表現(xiàn)為C29藿烷/C30藿烷值大于0.6和C35S藿烷/C34S藿烷值大于0.8（見(jiàn)圖2），前人對(duì)泥質(zhì)烴源巖與碳酸鹽巖烴源巖所形成的原油有機(jī)地球化學(xué)差異已有較為系統(tǒng)的研究[59-69]，體現(xiàn)出母質(zhì)及其沉積環(huán)境對(duì)油氣的控制。以此將塔河油田原油的相應(yīng)有機(jī)地球化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行比對(duì)，顯示出明顯的碳酸鹽巖烴源巖特征（見(jiàn)圖2）。因此，確定塔河油田碳酸鹽巖烴源巖及其分布至關(guān)重要。

圖2 世界不同類(lèi)型烴源巖油氣生物標(biāo)志化合物指標(biāo)分布圖（據(jù)文獻(xiàn)[58]修改；紅五星為塔河油田樣品）

原油地球化學(xué)研究表明，塔河油田主體原油來(lái)自碳酸鹽巖烴源巖，而塔里木盆地海相碳酸鹽巖層系中潛在碳酸鹽巖烴源巖廣泛分布，包括寒武系肖爾布拉克組和奧陶系良里塔格組。目前肖爾布拉克組碳酸鹽巖可以確定為有效的烴源巖，其他層系仍需要進(jìn)一步研究確定。

4 高熱演化碳酸鹽巖成源分析

碳酸鹽巖不僅能夠生成油氣，而且能夠儲(chǔ)集油氣，同時(shí)，碳酸鹽巖生成的油氣不易發(fā)生較長(zhǎng)距離運(yùn)移，更多是經(jīng)短距離運(yùn)移或未運(yùn)移出烴源巖內(nèi)部即聚集成藏[70-71]，即具有自生自?xún)?chǔ)的性質(zhì)和特征。前文述及中國(guó)古生界海相碳酸鹽巖烴源巖為大型油氣田提供了油氣來(lái)源，暗示目前以傳統(tǒng)方式確立的貧TOC值碳酸鹽巖可能就是烴源巖。一方面，優(yōu)質(zhì)的成烴物質(zhì)已轉(zhuǎn)化成烴，致使殘留TOC值降低；另一方面，可能低估了能夠形成烴類(lèi)但傳統(tǒng)方法還未認(rèn)識(shí)和定量的生烴物質(zhì)。人們對(duì)于碳酸鹽巖作為烴源巖的認(rèn)識(shí)晚于泥質(zhì)烴源巖，Trask于1933年指出碳酸鹽巖具有一定的生烴能力[72]。在之后的幾十年中，人們逐漸開(kāi)始重視碳酸鹽巖層系，陸續(xù)開(kāi)展了系列針對(duì)性研究工作，有效地指導(dǎo)了油氣勘探，成功發(fā)現(xiàn)了一批大中型油氣田，如在阿拉伯盆地、扎格羅斯盆地、南墨西哥灣盆地、威利斯頓盆地、提曼—伯朝拉盆地和坎寧等盆地中發(fā)現(xiàn)了數(shù)十個(gè)海相碳酸鹽巖大型油氣田，源儲(chǔ)均與碳酸鹽巖有關(guān)。如威利斯頓盆地的古生界幾乎由石灰?guī)r、白云巖及蒸發(fā)巖組成，所含泥質(zhì)巖極少，其油氣主要產(chǎn)自上奧陶統(tǒng)—下石炭統(tǒng)的Red River組、Winnipegosis組、Bakken組和Lodgepole組[73]。該套地層是一套黑色致密的石灰?guī)r系，為還原條件下富含有機(jī)質(zhì)的沉積物，石油和瀝青斑廣泛分布在裂縫中，反映了烴類(lèi)的原生性。在這些認(rèn)識(shí)中仍然以高含TOC值作為烴源巖的最主要依據(jù)。本文著重分析低TOC值碳酸鹽巖作為烴源巖的可能性。

4.1 生烴有機(jī)質(zhì)測(cè)定新方法

成烴有機(jī)質(zhì)是指在地質(zhì)演化過(guò)程中能夠形成烴類(lèi)的有機(jī)質(zhì)。成烴有機(jī)質(zhì)包括以有機(jī)酸鹽為主的酸溶有機(jī)質(zhì)，因此其含量應(yīng)大于TOC值。石油地質(zhì)勘探專(zhuān)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化委員會(huì)對(duì)常規(guī)TOC值的測(cè)定過(guò)程制定了專(zhuān)門(mén)標(biāo)準(zhǔn)[74]：①用5%的鹽酸除去源巖粉末中的碳酸鹽成分以避免源巖中無(wú)機(jī)碳對(duì)有機(jī)碳測(cè)量的干擾；②用蒸餾水反復(fù)淋洗至中性，對(duì)固相物進(jìn)行TOC值測(cè)定，而淋洗液則被丟棄。近期研究發(fā)現(xiàn)，大量有機(jī)質(zhì)隨酸解液流失而未被納入有機(jī)碳的測(cè)量范圍。通過(guò)對(duì)酸解液中流失有機(jī)質(zhì)的反復(fù)提取，證實(shí)流失酸解液中含有大量的烷烴、芳烴、有機(jī)酸、酮、醛等有機(jī)質(zhì)，這些有機(jī)質(zhì)C/H值高，會(huì)對(duì)TOC值的測(cè)量造成較大的影響。該有機(jī)質(zhì)的流失對(duì)于高有機(jī)質(zhì)豐度的泥質(zhì)烴源巖，如煤、炭質(zhì)泥巖和油頁(yè)巖等TOC值的測(cè)定影響很小。這類(lèi)烴源巖TOC值測(cè)定過(guò)程能被酸溶的碳酸鹽礦物本身含量較低，且泥質(zhì)巖形成的偏酸性環(huán)境也不利于有機(jī)酸鹽礦物的形成。但是，對(duì)于有機(jī)質(zhì)豐度較低的碳酸鹽巖而言，由于流失有機(jī)質(zhì)所帶走的有機(jī)碳在總有機(jī)碳中占到了很大的比例，有些樣品流失的有機(jī)碳甚至是傳統(tǒng)方法測(cè)定TOC值的數(shù)倍乃至十?dāng)?shù)倍，所以其TOC值的測(cè)定不能反映樣品的有機(jī)碳真值。

針對(duì)上述問(wèn)題，劉鵬等[75]設(shè)計(jì)了蒙脫石增稠元素分析的新方法來(lái)確定碳酸鹽巖烴源巖中包含有機(jī)酸鹽在內(nèi)的總有機(jī)碳（為區(qū)別于已有的TOC值，簡(jiǎn)稱(chēng)生烴有機(jī)質(zhì)測(cè)定新方法）的準(zhǔn)確含量，為高演化海相碳酸鹽巖有機(jī)質(zhì)豐度及生烴潛力評(píng)價(jià)提供新依據(jù)。

利用傳統(tǒng)方法和生烴有機(jī)質(zhì)測(cè)定新方法，分別對(duì)塔里木盆地、鄂爾多斯盆地以及美國(guó)Eagle Ford盆地的碳酸鹽巖與泥灰?guī)r露頭樣品進(jìn)行了分析，對(duì)比兩種不同方法對(duì)樣品有機(jī)質(zhì)豐度的評(píng)價(jià)結(jié)果（見(jiàn)表1）。由表1可見(jiàn)，就碳酸鹽巖有機(jī)質(zhì)評(píng)價(jià)來(lái)說(shuō)，即使按照目前碳酸鹽巖烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)選取相對(duì)高的下限指標(biāo)0.4%～0.5%[46,76]，大部分利用生烴有機(jī)質(zhì)測(cè)定新方法測(cè)試樣品亦均為有效烴源巖，部分可列入中—好的烴源巖范圍（見(jiàn)表1）。需要說(shuō)明的是，新方法測(cè)定的生烴有機(jī)質(zhì)，其碳同位素組成在-31‰左右，說(shuō)明所測(cè)的碳是有機(jī)碳，而非無(wú)機(jī)碳的介入使豐度增加。生烴有機(jī)質(zhì)的測(cè)定是對(duì)碳酸鹽巖烴源巖潛力評(píng)價(jià)的補(bǔ)充。

表1 塔里木盆地寒武系碳酸鹽巖不同方法分析的TOC值豐度

4.2 成烴演化過(guò)程中TOC值變化

TOC值是殘留有機(jī)碳的量，與原始有機(jī)質(zhì)豐度不完全相關(guān)，特別是高熱演化烴源巖，這對(duì)海相碳酸鹽巖層系高熱演化烴源巖評(píng)價(jià)非常重要。因此，海相碳酸鹽巖層系中的原油是否一定來(lái)自于高TOC值的烴源巖值得研究。Jarvie[14]研究表明：不同類(lèi)型有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程中殘余有機(jī)碳的比例差異巨大（見(jiàn)圖3），對(duì)于高熱演化烴源巖，難以根據(jù)殘余有機(jī)碳準(zhǔn)確地進(jìn)行原始有機(jī)碳的恢復(fù)。

圖3 不同類(lèi)型沉積有機(jī)質(zhì)演化過(guò)程殘余有機(jī)碳變化示意圖（據(jù)文獻(xiàn)[14]修改）

因碳酸鹽巖烴源巖具有優(yōu)質(zhì)的有機(jī)質(zhì)類(lèi)型且有機(jī)酸鹽規(guī)模發(fā)育，高的轉(zhuǎn)化率使高熱演化階段碳酸鹽巖烴源巖測(cè)得的TOC值更低，這種生烴有機(jī)質(zhì)與殘余有機(jī)碳的相關(guān)性不及泥質(zhì)烴源巖明顯，甚至不存在相關(guān)性。

4.3 碳酸鹽巖烴源巖中的有機(jī)酸鹽

有機(jī)酸鹽是指在地質(zhì)過(guò)程中有機(jī)酸與金屬離子反應(yīng)形成并保存在地層中以鹽類(lèi)形式存在的有機(jī)質(zhì)，具有與碳酸鹽礦物相容的結(jié)構(gòu)，前人對(duì)其成烴特征已做過(guò)較為系統(tǒng)的研究[77-80]。具備豐富的可形成酸的原始有機(jī)質(zhì)與堿性環(huán)境有利于有機(jī)酸鹽的形成，碳酸鹽-膏鹽沉積環(huán)境可以為有機(jī)酸鹽提供上述形成條件，因此有機(jī)酸鹽主要形成于碳酸鹽-膏鹽沉積環(huán)境，但并非所有的碳酸鹽巖中都富含有機(jī)酸鹽。

4.3.1 有機(jī)酸鹽溶解性

有機(jī)酸中的鈉鹽均溶于水，短鏈有機(jī)酸中的鈣、鎂鹽也溶于水，但中等和長(zhǎng)鏈有機(jī)酸中的鈣、鎂鹽不溶或難溶于水。有機(jī)酸鹽對(duì)有機(jī)溶劑的溶解具有極為明顯的選擇性，如硬脂酸鈣溶于苯，不溶于氯仿和乙醇，而軟脂酸鈣微溶于苯和氯仿[81-82]。

4.3.2 有機(jī)酸鹽熱穩(wěn)定性

熱失重分析表明，有機(jī)酸鹽的熱失重溫度明顯高于同類(lèi)有機(jī)酸，但遠(yuǎn)低于純碳酸鹽礦物（見(jiàn)圖4）。硬脂酸裂解溫度在230 ℃以下，有機(jī)酸鹽類(lèi)裂解溫度在340 ℃以上，碳酸鈣晶體在700 ℃以后被破壞。由此可見(jiàn)，有機(jī)酸鹽比有機(jī)酸具有更好的熱穩(wěn)定性，它在低溫條件下保持穩(wěn)定，在高溫條件下具有很強(qiáng)的生烴能力，可能是膏巖層系高熱演化階段的主要再生烴源。這也是海相碳酸鹽巖烴源巖高熱演化階段仍有生烴能力的關(guān)鍵所在。

圖4 有機(jī)酸、有機(jī)酸鹽和碳酸鹽礦物熱失重圖

4.3.3 有機(jī)酸鹽成烴特征

人們很早就認(rèn)識(shí)到有機(jī)酸鹽具有生烴能力，Carothers和Kharaka在研究美國(guó)墨西哥灣地區(qū)油田水中的有機(jī)酸鹽時(shí)發(fā)現(xiàn)其能形成較多的氣態(tài)烴，對(duì)德克薩斯州境內(nèi)的諸多天然氣藏有明顯貢獻(xiàn)[83]。然而從烴源巖研究角度進(jìn)行的生烴熱模擬研究仍然較少，對(duì)有機(jī)酸鹽的生烴過(guò)程和生烴特征了解十分有限。雷天柱對(duì)硬脂酸鈣、硬脂酸鎂進(jìn)行了常規(guī)釜熱模擬研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)不僅有氣態(tài)烴生成，還有液態(tài)烴[84]。筆者選用硬脂酸鈣進(jìn)行常規(guī)生烴模擬研究，發(fā)現(xiàn)硬脂酸鈣在較高溫度下才開(kāi)始裂解成烴，雖從150 ℃開(kāi)始就有少量液態(tài)烴生成，但液態(tài)烴生成高峰卻出現(xiàn)在375 ℃（見(jiàn)圖5），氣態(tài)烴直到350 ℃才開(kāi)始生成，在450 ℃及以上溫度出現(xiàn)氣態(tài)烴生成高峰，且氣態(tài)烴產(chǎn)率非常高，遠(yuǎn)高于液態(tài)烴。在模擬地質(zhì)條件下，有機(jī)酸鹽類(lèi)具有高溫裂解成氣的生烴特征，氣態(tài)產(chǎn)物具有甲烷含量高的特點(diǎn)。硬脂酸鈣的熱模擬結(jié)果顯示生烴峰溫高于一般有機(jī)質(zhì)的生烴峰溫，以高溫裂解成烴、主體成氣和成烴轉(zhuǎn)化率高為生烴特征，表明有機(jī)酸鹽在較高溫度條件下具有很強(qiáng)的生烴能力，故可能是碳酸鹽巖烴源巖高熱演化階段的主要成烴物質(zhì)。而不同類(lèi)型和不同相帶的有機(jī)酸鹽等酸溶有機(jī)質(zhì)在碳酸鹽巖烴源巖有機(jī)質(zhì)總量中的豐度差別很大，最高可達(dá)到1.68%（見(jiàn)表1）。

圖5 硬脂酸鈣熱解生烴演化圖

4.4 碳酸鹽巖烴源巖發(fā)育

4.4.1 發(fā)育環(huán)境

碳酸鹽巖烴源巖主要發(fā)育于陸棚相環(huán)境，以碳酸鹽巖及碳酸鹽巖與泥質(zhì)過(guò)渡巖類(lèi)為主，巖性為深灰色/黑灰色泥晶灰?guī)r、含泥灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r，或者是灰色—深灰色中薄層細(xì)粉晶白云巖，生物相以浮游藻類(lèi)為主。如肖爾布拉克組下段灰色—深灰色中薄層殘余顆粒細(xì)粉晶白云巖、硅化白云巖，薄層狀泥質(zhì)灰?guī)r、白云巖夾黑灰色泥質(zhì)頁(yè)巖，發(fā)育水平層理、微波狀層理。常規(guī)測(cè)試灰色泥質(zhì)灰?guī)rTOC值為0.46%～0.60%，新方法測(cè)試TOC值可達(dá)1.16%潟。除陸棚相帶外，湖相、碳酸鹽巖臺(tái)內(nèi)洼地等可能發(fā)育碳酸鹽巖烴源巖，其巖性組合與沉積環(huán)境、氣候有關(guān)。

4.4.2 有效烴源巖發(fā)育模式

以塔里木盆地下古生界為例，討論烴源巖的發(fā)育模式。前人曾提出埋藏靜海形式展布模式，代表性觀點(diǎn)認(rèn)為中下寒武統(tǒng)欠補(bǔ)償盆地相、蒸發(fā)潟湖相源巖為保存模式，中上奧陶統(tǒng)臺(tái)緣灰泥丘生油巖為生產(chǎn)力模式等[85]。隨著勘探和研究的深入，發(fā)現(xiàn)無(wú)論是寒武系還是奧陶系均存在與缺氧事件有關(guān)的高豐度烴源巖和臺(tái)緣灰泥丘生油巖等。據(jù)此，宏觀上通過(guò)大量地震剖面和鉆井資料進(jìn)行層序地層和沉積相展布研究，微觀上從烴源巖巖石礦物組合、成烴生物組合以及烴源巖測(cè)試方法3個(gè)方面進(jìn)行分析，建立塔里木盆地古生界碳酸鹽巖烴源巖發(fā)育模式。

宏觀上，塔里木盆地寒武系—奧陶系沉積演化具有如下特點(diǎn)：①寒武紀(jì)早期大規(guī)模的海侵具有填平補(bǔ)齊的沉積特征，前寒武紀(jì)古地貌對(duì)玉爾吐斯組、西山布拉克組的分布具有控制作用；②寒武紀(jì)—中奧陶世整體沉積格局表現(xiàn)為槽盆圍臺(tái)格局，現(xiàn)今盆地改造邊界內(nèi)主要表現(xiàn)為陸棚；③中晚奧陶世臺(tái)地分異，快速充填。微觀上沉積巖性所包含的礦物、元素地球化學(xué)特征及成烴生物相組合均指示了烴源巖沉積環(huán)境。

根據(jù)烴源巖沉積相分析及沉積格架綜合分析認(rèn)為，寒武系—中下奧陶統(tǒng)有效烴源巖的發(fā)育模式以陸棚模式為主，其中泥質(zhì)陸棚相底棲藻生物相占優(yōu)勢(shì)，碳酸鹽陸棚相浮游藻生物相占優(yōu)勢(shì)。碳酸鹽陸棚相因具有優(yōu)質(zhì)的成烴生物，能夠形成良好的烴源巖。同時(shí)碳酸鹽臺(tái)地內(nèi)也發(fā)育潟湖相碳酸鹽巖烴源巖。泥質(zhì)陸棚相受上升洋流和熱水沉積影響，發(fā)育高豐度的烴源巖（見(jiàn)圖6）。

圖6 塔里木盆地寒武系—奧陶系主要烴源巖發(fā)育模式

5 結(jié)論

高熱演化、低TOC值碳酸鹽巖可能是烴源巖。與泥質(zhì)烴源巖不同，古生界碳酸鹽巖成源的特殊性（以低等浮游生物組合為先質(zhì)，成烴演化過(guò)程中轉(zhuǎn)化率高）使殘留于源巖中的TOC值明顯偏低；碳酸鹽礦物組成的特殊性（富含“酸溶有機(jī)質(zhì)”，在傳統(tǒng)TOC值測(cè)試過(guò)程中容易流失）導(dǎo)致評(píng)價(jià)時(shí)低估了高熱演化碳酸鹽巖烴源巖的生烴潛力。但并非所有的低TOC值、高熱演化的海相碳酸鹽巖都曾經(jīng)是有效烴源巖，碳酸鹽巖中有機(jī)酸鹽的富集和分布仍然受沉積環(huán)境、相帶、生物發(fā)育程度甚至成巖演化過(guò)程等因素控制。

海相碳酸鹽巖烴源巖潛力評(píng)價(jià)需用針對(duì)碳酸鹽巖的生烴有機(jī)質(zhì)測(cè)定方法，同時(shí)必須結(jié)合酸溶有機(jī)質(zhì)發(fā)育的有利相帶綜合分析。

陸棚相、潟湖相、臺(tái)內(nèi)洼地等是塔里木盆地碳酸鹽巖烴源巖發(fā)育的有利地帶。寒武系—中下奧陶統(tǒng)有效烴源巖的發(fā)育模式以陸棚模式為主，其中泥質(zhì)陸棚相底棲藻生物相占優(yōu)勢(shì)，碳酸鹽陸棚相浮游藻生物相占優(yōu)勢(shì)。碳酸鹽陸棚相因具有優(yōu)質(zhì)的成烴生物，能夠形成良好的烴源巖。同時(shí)碳酸鹽臺(tái)地內(nèi)也發(fā)育潟湖相碳酸鹽巖烴源巖。

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（編輯 魏瑋 王大銳）

New knowledge of hydrocarbon generating theory of organic matter in Chinese marine carbonates

LIU Wenhui1,2,BORJIGIN Tenger1,2,WANG Xiaofeng3,4,LI Maowen1,2,HU Guang5,WANG Jie1,2,LU Longfei1,2,ZHAO Heng3,4,6,CHEN Qianglu1,2,LUO Houyong1,2
(1.Key Laboratory of Petroleum Accumulation Mechanisms,SINOPEC,Wuxi 214151,China; 2.Wuxi Research Institute of Petroleum Geology,Sinopec Petroleum Exploration & Production Research Institute,Wuxi 214151,China; 3.Key Laboratory of Petroleum Resources,Gansu Province/Key Laboratory of Petroleum Resources Research,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China; 4.Lanzhou Center for Oil and Gas Resources,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China; 5.School of Earth Science and Technology,Southwest Petroleum University,Chengdu 610500,China; 6.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)

The marine carbonates of the Tarim Basin are taken to study the relationship between source rock and oil and gas reservoirs and discuss the possibility and mechanisms of mature and low-TOC (less than 0.5%) marine carbonates being source rock.By studying the matching relationship between source rocks in Tarim Basin and hydrocarbon reservoirs in Tahe oilfield and analyzing the hydrocarbon-generating organism combination and its correlation with geochemical characteristics of oil and gas reservoirs,this study established a method to evaluate hydrocarbon generation substance of marine carbonate source rocks.It is concluded that the crude oil of the Tahe oilfield in the Tarim Basin is not derived from muddy source rocks,but has the obvious characteristics derived from carbonate source rocks.It revealed that the underestimated hydrocarbon-generating substance (organic acid salts) in the highly evolved marine carbonate rocks and high quality hydrocarbon-generating organism are the key to high-evolution carbonate rocks being as source rock.Organic acid salts have high hydrocarbon conversion rate and are mainly cracked into natural gas at high temperature.The development model of the source rocks of the Cambrian-Lower Ordovician carbonate source rocks in the Tarim Basin is dominated by the shelf model.

Tarim Basin; carbonate rocks; hydrocarbon source rock; hydrocarbon-generating organism combination; organic acid salts; hydrocarbon generating theory

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃（973）項(xiàng)目（2012CB214801）

TE122.1

：A

1000-0747(2017)01-0155-10

10.11698/PED.2017.01.19

劉文匯（1957-），男，甘肅靖遠(yuǎn)人，博士，中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院首席專(zhuān)家，主要從事天然氣地質(zhì)學(xué)及油氣地球化學(xué)方面研究。地址：江蘇省無(wú)錫市惠山區(qū)惠錢(qián)路210號(hào)，中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院無(wú)錫石油地質(zhì)研究所，郵政編碼：214151。E-mail：whliu.syky@sinopec.com

2016-04-26

2016-12-05