海相碳酸鹽巖烴源巖有效性探討
——以川西坳陷中三疊統雷口坡組為例

繆九軍，吳小奇, 2，宋曉波，鄭倫舉，陳迎賓, 2，曾華盛

1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質研究所，江蘇 無錫 214126；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 四川地區(qū)勘探開發(fā)研究中心，成都 610041；3.中國石化 西南油氣分公司 勘探開發(fā)研究院，成都 610041

圖1 川西坳陷構造單元劃分(a)及中三疊統雷口坡組四段柱狀圖(b)b圖據參考文獻[20]修改。

川西坳陷雷口坡組天然氣干燥系數普遍大于0.99，含有少量的H2S，烷烴氣碳氫同位素組成等地球化學特征綜合表明其為油型裂解氣[14-15]。雷口坡組碳酸鹽巖整體上有機質豐度偏低，有機碳含量(TOC)普遍低于0.5%，其品質被認為難以單獨支撐大氣田的形成，因此推測雷口坡組主力氣源為寒武系[16]或上二疊統烴源巖[17]；楊克明[18]則認為，雷口坡組碳酸鹽巖原始生烴潛力較高，較低的TOC含量主要源自較高的生烴轉化率，其原始生氣強度較高，具備形成大中型氣田的物質基礎[19]?？梢姡瑢卓谄陆M碳酸鹽巖烴源巖有效性認識的差異制約了對川西大氣田主力氣源及勘探方向的認識，有必要對其進行詳細探討。這可以為揭示雷口坡組天然氣成藏過程和富集機理提供科學依據，以期為海相天然氣后續(xù)勘探提供參考。

1 碳酸鹽巖有效烴源巖評價標準

我國海相碳酸鹽巖有效烴源巖的有機質豐度標準及TOC恢復系數在本世紀初引起了業(yè)內廣泛討論[21-23]。目前國內學者普遍認為海相碳酸鹽巖有效烴源巖有機碳含量下限為0.5%[22,24]，在高—過成熟階段可降低到0.4%[23]。陳建平等[24]提出了我國古生界海相碳酸鹽巖烴源巖生烴潛力的評價標準，但高演化階段的樣品經歷了生排烴過程，實測熱解生烴潛力不具有代表性，需要基于烴源巖的TOC含量與熱解生烴潛力之間的線性關系對原始生烴潛力進行恢復，本質上與利用TOC含量進行評價具有一致性。碳酸鹽巖烴源巖有機質類型主要為Ⅱ1型，其原始生烴潛力與TOC含量呈正相關，即S1+S2=563×ω(TOC)-2.37[24]。將有效烴源巖的生烴潛力標準(S1+S2≥0.5 mg/g[24])代入計算可得，TOC不低于0.51%，這與有機碳含量下限普遍被認為是0.5%基本一致。

生排烴過程中有機碳含量的變化也是業(yè)內爭論的焦點之一。熱模擬實驗表明，海相不同類型烴源巖殘余TOC隨著成熟度增大逐漸降低，在高—過成熟階段TOC變化不明顯[25]。因此，海相烴源巖恢復系數整體隨著成熟度增大而增大，并在高—過成熟階段趨于穩(wěn)定，業(yè)內往往用該階段達到的最大恢復系數來代表TOC恢復系數。熱模擬實驗揭示了Ⅱ1型有機質的烴源巖在高—過成熟階段恢復系數約1.35～1.50[25]。模擬計算等揭示了Ⅱ1型有機質的烴源巖有機碳在生烴演化過程中最高降低20%，即恢復系數為1.25[21]。因此，生排烴過程被認為一般不會造成有機碳含量的明顯降低[21-22]。對殘余TOC含量為 0.4%的碳酸鹽巖而言，采用1.25的系數進行恢復后得到的原始TOC為0.5%，即高—過成熟階段碳酸鹽巖直接采用殘余TOC下限為0.4%與原始TOC含量下限為0.5%一致[14]。

值得注意的是，TOC反映的是巖石中有機物的相對含量而非絕對含量，在生排烴過程中受無機礦物、水等損失的影響，有機質絕對總量的減少并不等同于TOC的降低[24]，有時甚至會出現相對增碳的過程[21,25]。此外，烴源巖中有機碳可以分為可生烴碳和不可生烴碳兩類[26]，因而TOC恢復僅需考慮恢復可生烴碳的量。對特定的巖石類型和熱演化歷史而言，TOC變化主要受控于生排烴效率[11]。

對常規(guī)油氣藏的形成而言，只有能夠排出并聚集的烴類才具有實際意義。對川西坳陷雷口坡組氣藏而言，天然氣賦存于雷四段上亞段儲層中，在其他層段尚未發(fā)現規(guī)模性天然氣聚集。雷四段上亞段自西向東厚度逐漸減薄，在龍門山前厚約150 m[12]，在A-14井至A-16井一線附近尖滅(圖1a)。雷四段上亞段為一套碳酸鹽巖和含藻碳酸鹽巖(圖1b)，實測TOC含量普遍低于0.2%，有機質豐度整體低于雷四中、下亞段中的含膏碳酸鹽巖[27]。因此，雷四段上亞段自生自儲組合雖然可以不用考慮排烴效率的問題，但僅依靠其中豐度較低的有機質進行供烴遠遠無法滿足現今氣藏規(guī)模所需。雷口坡組其他層段中的潛在烴源巖則與雷四段上亞段儲層構成了下生上儲組合，這種條件下則會經歷明顯的排烴過程。

本次對不同有機質豐度的泥灰?guī)r開展了生排烴熱模擬實驗，結果表明，不同體系下TOC恢復系數均隨著原始TOC降低而逐漸降低(圖2)。對原始TOC含量不足0.5%的低豐度碳酸鹽巖而言，不同體系下TOC恢復系數均小于1.25(圖2)。根據封閉體系和幕式體系下不同TOC含量樣品的恢復系數與原始TOC含量相關性擬合曲線，TOC含量不足0.2%時不能發(fā)生有效的排烴過程，只有當TOC超過0.2%，TOC恢復系數才會發(fā)生變化，即TOC含量達到0.2%之后即可生排烴(圖2)。但從勘探的角度講，低有機質含量生成的烴類太少，不足以滿足有機質和巖石的吸附，因而能排出的烴類非常有限[24]。只有對油氣聚集做出貢獻的烴源巖，才能稱之為有效烴源巖。因此，本文中碳酸鹽巖有效烴源巖TOC含量下限定為0.5%，對高—過成熟階段的樣品采用0.4%。

圖2 不同體系模擬實驗中泥灰?guī)r有機碳恢復系數與原始有機碳相關性

2 碳酸鹽巖中有機質賦存狀態(tài)

2.1 有機顯微組分

楊克明[18]研究認為，川西坳陷雷口坡組碳酸鹽巖烴源巖干酪根類型指數TI為12.50～98.03，表明其主要為Ⅱ1-Ⅱ2型干酪根。本次工作中干酪根鏡檢表明，川西坳陷雷口坡組碳酸鹽巖中干酪根較細、較分散。多數樣品干酪根顯微組分主要為腐泥無定形體，含少量固體瀝青，其類型指數均大于90，表現出Ⅰ型干酪根的特征；少數樣品有機質以腐殖無定形體、鏡質體為主，含少量絲質體，其類型指數均小于0，表現出Ⅲ型干酪根的特征(表1)。川西坳陷雷口坡組碳酸鹽巖干酪根碳同位素值主體介于-28‰～-26‰，表現出Ⅱ1型為主的特征[14]。雷口坡組干酪根類型指數具有多樣性，且與碳同位素指示結果不一致，這可能主要與雷口坡組現今處于過成熟演化階段有關。雷口坡組現今等效鏡質體反射率均超過2.0%[14]，較高的成熟度使得干酪根在鏡下光性趨于一致，結構難以辨清甚至無法識別，鏡檢結果僅供參考。與之類似，四川盆地二疊系烴源巖中殼質組和腐泥組含量很低，除了這些組分在原始有機質中含量較低外，主要源自較高成熟度使其光性特征消失[28]。由此可見，在高—過成熟演化階段，受顯微組分光性特征變化影響，僅根據類型指數不能有效指示干酪根類型。

表1 川西坳陷中三疊統雷口坡組碳酸鹽巖干酪根有機顯微組分構成

2.2 藻紋層中有機質豐度

藻白云巖曾被認為是川西坳陷雷口坡組重要的烴源巖類型之一[18,27]，近年來的研究表明，與殘余藻結構有關的組構孔(洞)或藻格架孔、晶間(溶)孔及微裂隙是主要儲集空間[4]，這表明藻白云巖可能更多對儲集空間有貢獻。對A-15和A-13井雷四段藻紋層白云巖的研究表明，藻紋層與非紋層部分在TOC方面沒有明顯的差異，整體都低于0.2%(圖3)，這表明紋層中有機質并不富集，即藻紋層對TOC沒有明顯貢獻。

圖3 川西坳陷中三疊統雷口坡組四段藻紋層白云巖TOC含量分布

2.3 黏土礦物與TOC相關性

由于有機質對放射性物質具有較強的吸附性，富有機質的烴源巖往往表現出較高的放射性強度，因此可以利用自然伽馬測井對烴源巖有機質豐度進行評價。這種方法以往主要用于對泥質烴源巖的評價，近年來在四川盆地中二疊統棲霞組和茅口組碳酸鹽巖烴源巖評價中得到了有益的嘗試[29]。但這兩套烴源巖中對有機質豐度有貢獻的主要是泥質成分，如涪陵地區(qū)中二疊統茅口組一段“瘤狀”灰?guī)r中瘤狀“眼球”主要為泥晶灰?guī)r，泥質含量低，TOC含量平均值僅為0.31%，而包裹“眼球”的“眼皮”主要為泥灰?guī)r和泥質灰?guī)r，泥質含量高，TOC平均值為0.90%[30]，即泥質組分是主要生烴來源。川西北廣元上寺剖面茅口組以灰色中—厚層灰?guī)r為主，其TOC含量均較低(<1.0%)，而TOC含量相對較高(1.0%～3.0%)的烴源巖一般為單層厚度僅幾厘米的薄層泥巖[31]。張水昌等[22]研究指出，海相地層中大量生烴的烴源巖其有機質豐度和黏土礦物含量都高，因而海相烴源巖評價的重點應是泥巖和泥灰?guī)r。

全巖X衍射分析和TOC含量分析(表2)綜合表明，四川盆地不同地區(qū)雷口坡組三段(簡稱雷三段，T2l3)碳酸鹽巖TOC與碳酸鹽礦物含量呈負相關，與黏土礦物含量呈正相關(圖4)，這表明雷口坡組較高的TOC主要源自黏土礦物即泥質的貢獻而非碳酸鹽礦物。以A-18井雷三段為代表，雷口坡組中除膏巖外，主體為碳酸鹽巖，其中泥質含量偏低，因而有機碳含量整體較低(圖4)，磨溪地區(qū)Mo27井與之類似。受沉積環(huán)境變化影響，川中局部地區(qū)如CT1井區(qū)雷三段發(fā)育泥質碳酸鹽巖，其TOC相對較高。統計表明，川西坳陷雷口坡組TOC達到0.4%的樣品其TOC與自然伽馬之間沒有明顯的相關性，這可能主要源自川西坳陷雷口坡組以碳酸鹽礦物為主，泥質含量偏低，而整體較低的有機質含量使得雷口坡組碳酸鹽巖對自然伽馬不夠敏感。

表2 川西坳陷中三疊統雷口坡組三段碳酸鹽巖TOC含量與礦物組成

圖4 四川盆地雷口坡組三段碳酸鹽巖TOC與碳酸鹽礦物(a)和黏土礦物(b)含量相關性

2.4 膏巖與TOC相關性

膏鹽巖—碳酸鹽巖組合是重要的油氣成藏組合類型之一，膏鹽巖常被認為是有利蓋層或儲層形成的促進條件[32-33]。此外，包括膏鹽巖在內的蒸發(fā)巖類可以構成潛在烴源巖[32,34-35]，且不同類型蒸發(fā)巖沉積與富有機質層具有不同的相關性[36]。一方面，膏鹽巖層系沉積于高鹽度水體環(huán)境，在不同鹽度下會形成不同耐鹽生物群落[37]，盡管其中生存的物種偏少，但產物通量可以較大[32]；另一方面，膏鹽巖層系良好的厭氧條件有利于有機質的保存，如蒸發(fā)潮坪和潟湖環(huán)境[33]。膏鹽巖層系優(yōu)質烴源巖處于高生物產率與厭氧環(huán)境的疊加區(qū)，因此分布較為局限[32]。

盡管對川西坳陷雷口坡組烴源巖樣品巖性與TOC含量相關性統計表明，含膏碳酸鹽巖具有較高的TOC含量達標率且達標樣品TOC含量平均值相對較高[27]，但該統計是基于有效烴源巖TOC含量下限為0.2%進行的。本次工作中對TOC含量達到0.4%的有效烴源巖樣品進行的統計表明，83個達標樣品中有31個為與石膏相關的膏質白云巖、云質膏巖等。劉文匯等[32]研究指出，膏鹽巖本身并不具備生烴潛力，有機質真正來源為與膏鹽巖伴生的生物種群，因此這類烴源巖生烴潛力評價的關鍵是生物組合及生烴物質研究。對膏鹽巖層系而言，傳統的TOC測試方法忽視了有機酸鹽這一重要的再生烴源，低估了其生烴貢獻[32]。

3 有機酸鹽對生烴的貢獻

低豐度碳酸鹽巖作為烴源巖的可能性一直是業(yè)內關注的焦點，尤其是對成烴有機質的認識。近年來的研究表明，在常規(guī)TOC值測定的酸溶處理過程中，被丟棄的酸解液中也含有一定量有機質，其未被納入到有機碳測量中，使得常規(guī)方法測得的TOC值偏低[38-39]。這些酸溶有機質以有機酸鹽為典型代表，其對高豐度泥質烴源巖TOC值測定影響很小，但對于低有機質豐度碳酸鹽巖TOC值測定可能具有明顯的影響[40]。熱模擬實驗揭示出有機酸鹽可以生成烴類[41]，因此酸溶有機質對生烴的貢獻可能被低估了[32]。

蒙脫石增稠元素分析方法被提出用于測定包含有機酸鹽在內的總有機碳含量，從而更加客觀地反映樣品的總有機碳[38]，然而關于有機酸鹽對TOC的貢獻規(guī)模認識存在分歧。雷天柱等[39]認為，烴源巖酸解過程中損失的有機酸(鹽)類僅占總有機碳含量的10%左右。鄂爾多斯盆地海相高豐度(ω(TOC)>2.0%)碳酸鹽巖中有機酸鹽含量較低，而低TOC含量(0.2%～0.5%)的碳酸鹽巖中有機酸鹽含量均比較高[42]。采用新方法測得的塔里木盆地寒武系肖爾布拉克組和鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組碳酸鹽巖總有機碳增加值即酸溶有機質代表的TOC值差異非常大(0.23%～1.68%)[40]。對川西坳陷雷口坡組碳酸鹽巖而言，采用新方法測定的TOC含量增加值介于0.01%～0.42%[18]，多數增加值小于0.2%，對TOC含量的貢獻整體并不高，且與常規(guī)方法測定的TOC含量(0.04%～0.60%)之間沒有明顯的相關性(圖5)。

圖5 川西坳陷中三疊統雷口坡組碳酸鹽巖常規(guī)TOC與含有機酸鹽TOC增加值相關性

此外，對有機酸鹽在不同熱演化階段的生烴貢獻也存在不同認識。不同溫度下的熱模擬實驗表明，有機酸鹽熱解生成的酮類化合物在高溫下不易保存，因此應用其評價有機酸鹽生烴貢獻強度只適合于中低熱演化程度的烴源巖[41]。而劉文匯等[40]則研究認為，有機酸鹽在低溫下比較穩(wěn)定，在高溫則下具有很強的生烴能力，可能是膏巖層系高演化階段的主要再生烴源，因此，高演化階段低豐度海相碳酸鹽巖中有機酸鹽的生烴潛力值得重視[42]。

由此可見，目前對有機酸鹽類生烴潛力的評價仍然存在諸多困難。盡管有機酸鹽作為一類生烴物質已被證實，并且被認為生氣時具有較高的轉化率[39]，但在不同烴源巖中有機酸鹽的賦存量大小和具體類型、不同類型有機酸鹽生烴潛力的大小和轉化率的高低等多方面認識仍不明確，這也給客觀評價有機酸鹽生烴貢獻增加了難度和不確定性。對有機酸鹽生烴潛力進行定量評價的有效方法仍在發(fā)展中，這有待對有機酸鹽形成機理和賦存機制開展更深入的研究。

4 雷口坡組烴源巖有效性

4.1 碳酸鹽巖總有機碳含量

對雷口坡組碳酸鹽巖有機質豐度的分析和統計表明，1 355個井下樣品中殘余TOC含量達到0.4%的樣品僅有83個(圖6，表3)，有效烴源巖達標率為6.13%。雷口坡組不同層段有效烴源巖達標率均較低，介于5.22%～7.87%，達標樣品TOC均值介于0.46%～0.80%(表3)。殘余TOC達到1.0%的樣品僅有5個，最高為1.72%(圖6)。因此，川西坳陷雷口坡組碳酸鹽巖中有效烴源巖發(fā)育程度整體偏低，生烴潛力較為有限，單獨難以構成主力烴源巖。

圖6 川西坳陷中三疊統雷口坡組不同層段殘余TOC與深度的關系

表3 川西坳陷中三疊統雷口坡組不同層段碳酸鹽巖總有機碳含量統計

從TOC達標的83個樣品的平面分布特征來看，來自A-6、A-9和A-15井的樣品分別為18個、26個、14個，共占70%，其余單井達標樣品數均不超過4個。這表明，相對富有機質層段表現出較強的局限分布特征，不具有廣泛性和普遍性，其可能受到沉積相展布的控制?？紤]到雷三段烴源巖TOC含量與泥質含量呈正相關性(圖4b)，推測有效烴源巖主要與泥灰質潟湖的局限分布有關。因此，對雷口坡組有效烴源巖的分布預測有賴于對不同時期沉積相特征的精細研究。

4.2 碳酸鹽巖對氣藏的貢獻

從油氣成藏的角度看，只有對油氣聚集做出貢獻的烴源巖，才能真正稱為有效烴源巖。對川西坳陷雷口坡組而言，TOC達標樣品數分布較多的三口井(A-6、A-9、A-15)均未獲得油氣突破，其中A-9井和A-15井位于雷四上亞段尖滅線以東(圖1)，即缺失雷四上亞段儲層；A-6井盡管儲層段發(fā)育，但測試產水。而獲得油氣突破的井(如A-1、A-2、A-8等)，其實測TOC達標樣品數均不超過4個。由此可見，雷口坡組鉆井揭示的碳酸鹽巖烴源巖與現今氣藏分布不匹配，反映了雷口坡組碳酸鹽巖烴源巖對氣藏貢獻較為有限。

天然氣地球化學特征分析和成因鑒別揭示了川西坳陷雷口坡組天然氣主體為原油裂解氣[14-15]。四川盆地海相氣藏中天然氣以原油裂解氣為主，作為原油裂解的副產物，瀝青在海相儲層中往往大量發(fā)育，如安岳氣田寒武系龍王廟組[43]。雷口坡組野外踏勘僅在天池鄉(xiāng)卸軍門和香水鎮(zhèn)黃連橋等極少數剖面觀察到了瀝青，藿烷比值等特征表明其與雷口坡組自身碳酸鹽巖具有較好的親緣性[44]。這反映了雷口坡組碳酸鹽巖確實可以生烴。當然，受碳酸鹽巖烴源巖分布局限和整體有機質豐度偏低等因素影響，野外剖面觀察到的瀝青點十分有限。

鉆井巖心和巖石薄片觀察均表明，川西坳陷雷口坡組儲層段白云巖孔洞中基本未充填瀝青(圖7)，與現今氣藏規(guī)模不匹配。顯微組分分析揭示了川西坳陷雷口坡組碳酸鹽巖中沉積有機質含量較低，次生組分固體瀝青呈分散狀存在，其可能主要為碳酸鹽巖中分散有機質轉化而來。分散可溶有機質的生烴能力得到了業(yè)內的認可，盡管通過模擬實驗對其生烴過程進行了一定程度的研究[45]，但該過程中是否會產生大量瀝青、具體生烴潛力如何評價、有利區(qū)如何優(yōu)選等仍然有待進一步研究。較低的瀝青含量表明雷口坡組儲層中未經歷大規(guī)模的古油藏聚集和裂解，因而川西坳陷雷口坡組天然氣主體并非來自古油藏的原位裂解。氣源對比揭示了雷口坡組天然氣主要為上二疊統龍?zhí)督M烴源巖生成的原油后期發(fā)生裂解所形成，原油裂解氣沿斷裂運移到上覆雷口坡組儲層中發(fā)生聚集成藏[14-15]。因此，雷口坡組碳酸鹽巖烴源巖盡管具有一定的生烴潛力，但整體上對氣藏貢獻較為有限。鑒于龍?zhí)督M主力烴源巖與雷口坡組四段主力儲層在縱向上的源儲配置關系，川西坳陷雷口坡組天然氣勘探應著重關注氣源輸導條件。尋找規(guī)模性的天然氣聚集，應重點關注連通上二疊統烴源巖的通源斷裂發(fā)育區(qū)。

圖7 川西坳陷中三疊統雷口坡組四段巖心樣品中孔隙和裂縫充填特征

5 結論

(1)川西坳陷雷口坡組碳酸鹽巖中干酪根顯微組分主要為腐泥無定形體，含少量固體瀝青，較高的成熟度對顯微組分光性特征有一定的影響。藻紋層和非紋層部分TOC含量沒有明顯差異。雷三段TOC含量與黏土礦物含量呈正相關，與碳酸鹽礦物呈負相關，表明有機質主要賦存于黏土礦物中。

(2)蒙脫石增稠元素分析方法比常規(guī)方法測得的TOC值略高，但差值多數小于0.2%，且有機酸鹽與常規(guī)TOC不具有明顯的相關性。對有機酸鹽生烴潛力的定量評價仍處于發(fā)展階段，有待對有機酸鹽形成機理和賦存機制的深入認識。

(3)川西坳陷雷口坡組碳酸鹽巖TOC含量整體偏低，有效烴源巖達標率僅為6.13%，相對富有機質層段的分布具有較強的局限性。雷口坡組碳酸鹽巖生烴潛力整體偏低，單獨難以構成主力烴源巖，氣源對比揭示了其對氣藏的貢獻較為有限。連通上二疊統龍?zhí)督M烴源巖和雷口坡組四段儲層的通源斷裂發(fā)育區(qū)是川西坳陷雷口坡組天然氣有利聚集區(qū)。

致謝：樣品采集和資料收集得到了中國石化西南油氣分公司的大力協助，樣品分析測試得到了中國石化油氣成藏重點實驗室的有力支持，審稿專家對初稿提出了寶貴修改意見，在此一并深表謝意！