確定烴源巖有效排烴總有機(jī)碳閾值的方法及應(yīng)用

高 崗，楊尚儒，陳 果，胡丹丹，趙 克

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2.中國(guó)石油 玉門(mén)油田青西作業(yè)區(qū)，甘肅 玉門(mén) 735200； 3.中國(guó)石油 華北油田分公司 地球物理勘探研究院，河北 任丘 062552)

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確定烴源巖有效排烴總有機(jī)碳閾值的方法及應(yīng)用

高 崗1，楊尚儒1，陳 果1，胡丹丹2，趙 克3

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249； 2.中國(guó)石油 玉門(mén)油田青西作業(yè)區(qū)，甘肅 玉門(mén) 735200； 3.中國(guó)石油 華北油田分公司 地球物理勘探研究院，河北 任丘 062552)

針對(duì)油氣地質(zhì)學(xué)中排烴源巖難以識(shí)別的問(wèn)題，依據(jù)生排烴原理，利用常規(guī)烴源巖有機(jī)碳和熱解(Rock-Eval)分析測(cè)試參數(shù)，建立了判別排烴源巖的實(shí)用方法。該方法主要基于生烴量參數(shù)[IHC=S1/w(TOC)]和瀝青轉(zhuǎn)化率[w(A)/w(TOC)]，判別排烴源巖的總有機(jī)碳閾值，高于該值的烴源巖即為排烴源巖。根據(jù)分析測(cè)試資料，對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地和三塘湖盆地二疊系蘆草溝組、酒泉盆地營(yíng)爾凹陷和青西凹陷白堊系下溝組以及鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段的排烴源巖進(jìn)行判別，判別效果較好，應(yīng)用該方法時(shí)要求烴源巖的母質(zhì)特征與熱演化程度接近。由于氣態(tài)烴易散失，所以采用的參數(shù)主要反映烴源巖中生成的液態(tài)烴量。該方法對(duì)于油源巖的判別更為有效。

總有機(jī)碳閾值；生烴量；殘留烴量；飽和吸附；排烴源巖；油氣生成

烴源巖指能生成并排出油氣的巖石，有烴類排出是烴源巖的重要表現(xiàn)[1-3]。油氣生成與排出并存的烴源巖即有效烴源巖，可從定性和定量?jī)煞矫娲_定。定性方法從概念角度判別烴源巖是否有效，包括有機(jī)質(zhì)豐度高、生烴潛力高，且有烴類生成和排出的烴源巖[4-7]。定量方法主要根據(jù)有機(jī)質(zhì)豐度下限確定有效烴源巖，常用總有機(jī)碳(TOC)含量標(biāo)定有機(jī)質(zhì)豐度下限，研究結(jié)果顯示：排烴源巖總有機(jī)碳閾值主要介于1%～6%[8-11]。目前確定有機(jī)質(zhì)豐度下限的方法以經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)為主，未充分考慮烴源巖的生排烴機(jī)理。本文深入探討烴源巖生排烴機(jī)理，結(jié)合烴源巖的基本地化參數(shù)，初步建立了判別排烴源巖的方法。

1 烴源巖生排烴基本原理

烴源巖主要由無(wú)機(jī)礦物和有機(jī)質(zhì)組成，且礦物顆粒與有機(jī)質(zhì)顆粒間存在孔隙。在烴源巖系統(tǒng)中，有機(jī)質(zhì)生烴前，孔隙主要被水占據(jù)，當(dāng)有機(jī)質(zhì)進(jìn)入生烴階段，早期生成的烴類首先占據(jù)鄰近的孔隙，并排替孔隙水，隨著生成烴類的增多而占據(jù)不同的孔隙空間。當(dāng)烴類排出可動(dòng)的孔隙水后，其余烴類才開(kāi)始排出烴源巖，此時(shí)烴源巖中的烴類基本達(dá)到飽和，即烴源巖生成的烴類必須滿足自身的飽和吸附才能排出[12-13]。

2 排烴源巖的識(shí)別方法

根據(jù)生排烴原理，烴源巖若只生成而不排出烴類，則該烴源巖對(duì)常規(guī)油氣藏的形成是無(wú)效的[14-16]。當(dāng)烴源巖的母質(zhì)特征、成熟度等變化不大時(shí)，在開(kāi)始排烴前，烴源巖中總有機(jī)質(zhì)含量越高，生成的烴量就越多。當(dāng)烴源巖生成的烴類滿足了自身的飽和吸附并排出時(shí)，總有機(jī)質(zhì)含量與生成的烴量間的相關(guān)關(guān)系便會(huì)改變。當(dāng)有機(jī)碳含量達(dá)到某臨界值并繼續(xù)增加時(shí)，生成的烴類滿足烴源巖的飽和吸附而排出，已生烴量將偏離正常趨勢(shì)而降低。圖1中拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的總有機(jī)質(zhì)含量為排烴源巖的有機(jī)質(zhì)含量下限，烴源巖開(kāi)始排烴而成為排烴源巖。因此，只有烴源巖的總有機(jī)質(zhì)含量達(dá)到其閾值才能成為排烴源巖。

烴源巖常規(guī)的有機(jī)地化分析測(cè)試包括總有機(jī)碳含量、氯仿瀝青“A”、熱解烴(S1)等。TOC含量代表巖石中總有機(jī)碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，氯仿瀝青“A”含量為巖石中可溶有機(jī)質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，熱解烴S1代表烴源巖的殘留生烴量[m(烴)/m(巖石)，mg/g]。根據(jù)上述排烴源巖判別原理，利用烴源巖常規(guī)有機(jī)地化分析測(cè)試數(shù)據(jù)，確定排烴源巖的總有機(jī)碳閾值。

3 排烴源巖的識(shí)別方法應(yīng)用實(shí)例

利用上述排烴源巖識(shí)別方法確定了準(zhǔn)噶爾盆地與三塘湖盆地二疊系蘆草溝組、酒泉盆地白堊系下溝組和鄂爾多斯盆地上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段排烴源巖的總有機(jī)碳閾值。

圖1 排烴源巖識(shí)別方法示意

3.1 吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組排烴源巖

準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組泥質(zhì)烴源巖形成于咸化湖沉積環(huán)境，儲(chǔ)層巖性主要為粉砂巖和碳酸鹽巖，源儲(chǔ)互層且呈大面積接觸[17-18]。烴源巖排烴條件良好，地化分析結(jié)果顯示：源巖母質(zhì)類型主要為混合型，部分為腐泥型，具有傾油特征。烴源巖主要處于生油高峰前的熱演化階段，母質(zhì)特征與熱演化程度變化小。本文采用相對(duì)生烴量參數(shù)[IHC=S1/w(TOC)]和瀝青轉(zhuǎn)化率[w(A)/w(TOC)]進(jìn)行排烴源巖的判別分析。根據(jù)排烴原理，繪制了準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組泥質(zhì)烴源巖w(TOC)與IHC、w(A)/w(TOC)的關(guān)系圖(圖2)。

由圖2可得：隨w(TOC)的增加，IHC和w(A)/w(TOC)值均具有先增后降的特征，表明當(dāng)烴源巖的w(TOC)達(dá)到一定值時(shí)才開(kāi)始大量排烴，拐點(diǎn)對(duì)應(yīng)的w(TOC)即為排烴源巖的總有機(jī)碳閾值。吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組排烴源巖的總有機(jī)碳閾值約為1%，當(dāng)w(TOC)<1%時(shí)，烴源巖生成的油氣未滿足自身吸附；當(dāng)w(TOC)>1%時(shí)，烴源巖生成的油氣滿足自身吸附并開(kāi)始排烴。

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組排烴源巖TOC閾值判別圖版

3.2 三塘湖盆地二疊系蘆草溝組排烴源巖

三塘湖盆地蘆草溝組烴源巖發(fā)育特征與準(zhǔn)噶爾盆地基本接近[19-20]，但同樣方法確定的排烴源巖TOC閾值在2.2%左右(圖3)，明顯高于準(zhǔn)噶爾盆地蘆草溝組排烴源巖，這種差異與源儲(chǔ)關(guān)系和運(yùn)移作用有關(guān)。三塘湖盆地蘆草溝組更發(fā)育泥質(zhì)白云巖，當(dāng)次生溶孔、裂縫發(fā)育時(shí)，可作為儲(chǔ)集層，具有自生自儲(chǔ)特征。除自身含有的原始有機(jī)質(zhì)可以生烴外，也可能有鄰近烴源巖生成的油氣運(yùn)移而來(lái)，受外來(lái)烴的影響大，導(dǎo)致IHC和w(A)/w(TOC)值不降反增，使得拐點(diǎn)位置向w(TOC)高值區(qū)移動(dòng)。準(zhǔn)噶爾盆地蘆草溝組主要呈源儲(chǔ)互層特征，泥質(zhì)烴源巖生成的油氣相對(duì)較容易排出烴源巖進(jìn)入鄰近的儲(chǔ)集層，受外來(lái)烴的影響較小，故排烴源巖的TOC閥值相對(duì)較低。

3.3 酒泉盆地白堊系下溝組排烴源巖

酒泉盆地油氣勘探主要集中在酒東坳陷營(yíng)爾凹陷和酒西坳陷青西凹陷，2個(gè)凹陷的主要烴源巖均為白堊系下溝組(K1g)[21-22]。酒泉盆地分割性強(qiáng)，2個(gè)凹陷下溝組沉積環(huán)境存在差異，營(yíng)爾凹陷下溝組主要形成于微咸水—淡水沉積環(huán)境，泥巖為主要烴源巖，白云石含量很少或無(wú)。母質(zhì)類型以混合型為主，腐泥型較少，具傾油傾氣特征，熱演化程度相對(duì)較高，以液態(tài)石油為主，少量伴生氣。依據(jù)排烴源巖TOC閾值判別圖版，營(yíng)爾凹陷下溝組排烴源巖的總有機(jī)碳閾值約為0.8%(圖4)。

青西凹陷下溝組主要形成于咸化湖沉積環(huán)境，巖性包括泥巖、白云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)白云巖和白云巖，較純的白云巖很少，普遍含有泥質(zhì)。泥巖為主要烴源巖，母質(zhì)類型以混合型為主，少量腐泥型，具傾油特征，主要處于生油高峰前的熱演化階段，以生油為主。青西凹陷下溝組排烴源巖的總有機(jī)碳閾值約為1.0%(圖5)。2個(gè)凹陷排烴源巖總有機(jī)碳閾值的差異主要與其熱演化程度有關(guān)，當(dāng)烴源巖的w(TOC)含量相近時(shí)，熱演化程度越高，生成烴類越多，滿足排烴源巖條件的總有機(jī)碳閾值會(huì)向低值區(qū)遷移。由于營(yíng)爾凹陷下溝組烴源巖的成熟度總體高于青西凹陷，故其排烴源巖的總有機(jī)碳閾值相對(duì)較低。

圖4 酒泉盆地營(yíng)爾凹陷白堊系下溝組排烴源巖TOC閾值判別圖版

圖5 酒泉盆地青西凹陷白堊系下溝組排烴源巖TOC閾值判別圖版

圖6 鄂爾多斯盆地三疊系延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段排烴源巖TOC閾值判別圖版

3.4 鄂爾多斯盆地三疊系長(zhǎng)7段排烴源巖

鄂爾多斯盆地的烴源巖主要為延長(zhǎng)組湖相泥質(zhì)巖、油頁(yè)巖，主力烴源巖層段為長(zhǎng)7段[23-25]。本文主要確定長(zhǎng)7段排烴源巖的總有機(jī)碳閾值。長(zhǎng)7段烴源巖的w(TOC)介于0.2%～37%，其中油頁(yè)巖的w(TOC)>3%。母質(zhì)類型以混合型為主，油頁(yè)巖主要為傾油型母質(zhì)，且處于生油熱演化階段。依據(jù)判別圖版，排烴源巖的總有機(jī)碳閾值約為1.5%(圖6)。可見(jiàn)所有的油頁(yè)巖均為排烴源巖，部分泥巖也為排烴源巖。由于分析數(shù)據(jù)有限，圖6中2個(gè)圖版確定的排烴源巖的總有機(jī)碳閾值存在細(xì)微差異。筆者認(rèn)為分析數(shù)據(jù)較多的結(jié)果更為可信，因此在分析w(A)/w(TOC)數(shù)據(jù)變化規(guī)律時(shí)，必須參考IHC的分析結(jié)果。

4 排烴源巖識(shí)別方法討論

排烴源巖的確定是油氣地質(zhì)研究的難點(diǎn)之一，本文提出的排烴源巖判別方法建立在大量分析測(cè)試數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，假定烴源巖的母質(zhì)類型與熱演化總體相近。實(shí)際研究的烴源巖母質(zhì)類型與熱演化均有一定的變化范圍，烴源巖的w(TOC)大于閾值即代表已經(jīng)排烴，但小于該值未必不排烴，只是其排烴量相對(duì)較低。只有當(dāng)烴源巖的w(TOC)大于閾值時(shí)，才能排出更多烴類，對(duì)源外油氣藏的形成更為有效。

從排烴源巖的判別參數(shù)來(lái)看，該方法應(yīng)用于生油巖更為有效，因?yàn)闉r青“A”主要代表了烴源巖中的可溶有機(jī)質(zhì)，而氣態(tài)烴更容易散失，熱解烴S1也主要代表了烴源巖中的液態(tài)烴。對(duì)于以生氣為主的烴源巖，上述確定排烴源巖總有機(jī)碳閾值的方法還需深入探討。實(shí)際地質(zhì)中的沉積環(huán)境、沉積相、氣候條件、烴源巖母質(zhì)類型、熱演化程度都存在差異，排烴源巖的總有機(jī)碳閾值也不同。針對(duì)分析數(shù)據(jù)較多的地區(qū)，可以嘗試區(qū)分母質(zhì)類型和熱演化程度，來(lái)確定其排烴源巖的總有機(jī)碳閾值，該工作還需深入研究。

5 結(jié)論

(1)本文提出了判別排烴源巖的方法，主要利用相對(duì)生烴量參數(shù)[IHC=S1/w(TOC)]和瀝青轉(zhuǎn)化率[w(A)/w(TOC)]，操作性較強(qiáng)。該方法要求烴源巖的母質(zhì)特征和熱演化程度要大致接近，或僅在較小的范圍內(nèi)變化。

(2)利用排烴源巖判別圖版確定了準(zhǔn)噶爾盆地與三塘湖盆地二疊系蘆草溝組、酒泉盆地營(yíng)爾凹陷和青西凹陷白堊系下溝組以及鄂爾多斯盆地三疊系長(zhǎng)7段排烴源巖的總有機(jī)碳閾值，分別為1%，2.2%，0.8%，1%，1.5%，判別效果較好。

(3)不同地區(qū)和層位的烴源巖母質(zhì)類型、熱演化程度及源儲(chǔ)配置關(guān)系存在差異，應(yīng)分別確定其排烴源巖的總有機(jī)碳閾值。氣態(tài)烴易發(fā)生散失，本文采用的參數(shù)主要反映烴源巖中生成的液態(tài)烴量，該方法對(duì)于油源巖的判別更為有效。

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(編輯 黃 娟)

Method and application for identifying TOC threshold of hydrocarbon-expelling source rocks

Gao Gang1, Yang Shangru1, Chen Guo1, Hu Dandan2, Zhao Ke3

(1.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 2.QingxiOperationalZoneofYumenOilfieldCompany,CNPC,Yumen,Gansu735200,China; 3.GeophysicalExplorationResearchInstituteofHuabeiOilfieldCompany,CNPC,Renqiu,Hebei062552,China)

Considering the fact that hydrocarbon-expelling source rocks are difficult to identify in oil and gas geology, a method to distinguish hydrocarbon-expelling source rocks was proposed using the conventional TOC and pyrolysis analysis parameters (Rock-Eval). This method is used to identify the TOC threshold, based on hydrocarbon-generation amount parameters [IHC=S1/w(TOC) andw(A)/w(TOC)]. Only when TOC content is higher than the threshold, can the source rock be regarded as hydrocarbon-expelling source rock. This method was applied to the source rocks in the Permian Lucaogou Formation in the Junggar and Santanghu basins, the Cretaceous Xiagou Formation in the Ying’er and Qingxi sags in the Jiuquan Basin, and the Upper Triassic Yanchang Formation Chang-7 member in the Ordos Basin. The discriminant results are useful, but it requires source rocks with similar organic matter type and maturity. The parameters represent liquid hydrocarbon amount. Gaseous hydrocarbons are lost easily, and as a result, the method is more effective for oil source rock.

TOC threshold; hydrocarbon generating amount; remained hydrocarbon amount; saturated absorption hydrocarbon; hydrocarbon-expelling source rock; oil and gas generation

1001-6112(2017)03-0397-05

10.11781/sysydz201703397

2016-02-14；

2017-04-24。

高崗(1966—)，男，博士，副教授，從事油氣勘探與開(kāi)發(fā)的科研與教學(xué)工作。E-mail: gaogang2819@sina.com。

中國(guó)石油股份公司科技重大專項(xiàng) (2012E330)和中國(guó)石油第四次油氣資源評(píng)價(jià)(2013E-050209)資助。

TE122.1

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