烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度的實(shí)時(shí)判別方法探索

董黛莉

（大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井一公司資料解釋評價(jià)中心，黑龍江 大慶 163411）

烴源巖演化生烴是油氣藏形成的最基本物質(zhì)條件和前提，烴源巖成熟度是表示沉積有機(jī)質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化的熱演化程度，大量油氣勘探實(shí)踐證明，在成熟烴源巖分布區(qū)，才具有較高的油氣勘探成功率，因此，烴源巖成熟度是決定油氣勘探成敗的關(guān)鍵。

在烴源巖熱演化過程中，烴源巖中的有機(jī)質(zhì)會(huì)發(fā)生一系列的物理變化及化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致烴源巖中有機(jī)質(zhì)的物理性質(zhì)和化學(xué)組成產(chǎn)生不可逆的變化，因此，可以根據(jù)有機(jī)質(zhì)的物理性質(zhì)及化學(xué)組成的變化特征來判斷有機(jī)質(zhì)熱演化程度。為了判斷烴源巖有機(jī)質(zhì)熱演化程度，分析有機(jī)質(zhì)是否開始大量生成油氣，國內(nèi)外石油地質(zhì)學(xué)家和地球化學(xué)家提出了多種衡量有機(jī)質(zhì)成熟度的指標(biāo)，其中，鏡質(zhì)體反射率Ro因具有穩(wěn)定性、不可逆性及可量化性等特點(diǎn)，被認(rèn)定為是判識(shí)有機(jī)質(zhì)熱演化和成熟度的最佳參數(shù)之一。

目前，鏡質(zhì)體反射率分析都是采用鉆井現(xiàn)場取樣送回實(shí)驗(yàn)室分析的模式，由于這種模式耗時(shí)周期長、樣品數(shù)量受限、分析數(shù)據(jù)不連續(xù)，大大延誤了有機(jī)質(zhì)成熟度分析資料在油氣勘探及解釋評價(jià)中的應(yīng)用。因此，需要找出烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度實(shí)時(shí)判別方法，從而快速準(zhǔn)確判別有機(jī)質(zhì)成熟度，及時(shí)指導(dǎo)油氣勘探的有序進(jìn)行。

1 鏡質(zhì)體反射率Ro特點(diǎn)

鏡質(zhì)體是一組具鏡煤特征的富氧顯微組分，由同泥炭成因有關(guān)的腐殖質(zhì)組成。鏡質(zhì)體反射率是鏡質(zhì)體(在綠光中)的反射光強(qiáng)度對垂直入射光強(qiáng)度的百分比[1]，鏡質(zhì)體反射率值是依據(jù)反射光強(qiáng)度與光電信號成正比的原理，在入射光一定的顯微鏡下，對比煤光片中的鏡質(zhì)體和標(biāo)準(zhǔn)樣的反射率光電信號值而得出的。

干酪根的基本成分為來源于陸生高等植物碎片的鏡質(zhì)體碎片和非晶質(zhì)有機(jī)物，因此，在成巖過程中干酪根與鏡質(zhì)體的熱演化過程基本一致。鏡質(zhì)體的化學(xué)結(jié)構(gòu)為芳香環(huán)帶烷基支鏈，隨著熱演化程度逐漸加深，烷基支鏈熱解析出，而芳環(huán)結(jié)構(gòu)由于進(jìn)一步的縮合、稠合等作用，產(chǎn)生微片狀結(jié)構(gòu)，使芳香片的間距逐漸縮小，導(dǎo)致反射率逐漸增高，該過程是十分穩(wěn)定且不可逆的，因此，鏡質(zhì)體反射率的變化，可以認(rèn)為是有機(jī)質(zhì)熱演化過程的積分，是溫度與時(shí)間的函數(shù)，而地層溫度又是利用地層深度與地溫梯度獲得的，所以，鏡質(zhì)體反射率與地層深度存在一定的關(guān)聯(lián)性。

大量研究表明，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ型和Ⅲ型的烴源巖，其成熟度Ro的研究完全可以依托于對應(yīng)的甲烷碳同位素資料[2-3]，根據(jù)圖1甲烷同位素與鏡質(zhì)體反射率相關(guān)圖所示，鏡質(zhì)體反射率Ro與甲烷碳同位素值有很好的正相關(guān)性[4]。國內(nèi)外很多學(xué)者針對不同的區(qū)塊提出有機(jī)質(zhì)成熟度Ro與甲烷同位素的回歸方程[5-11]，Stahl提出了西北歐和北美有機(jī)成因天然氣的δ13C1≈141gRo-28（煤成氣）、δ13C1≈171gRo-42（油型氣）回歸方程，沈平等提出了鄂爾多斯盆地、四川盆地和東濮凹陷有機(jī)成因天然氣的δ13C1≈8.611gRo-32.8回歸方程，劉文匯指出腐殖型有機(jī)質(zhì)形成煤成氣在Ro=0.9前后有2個(gè)回歸方程，即δ13C1≈48.771gRo-34.1（Ro≤0.9%）、δ13C1≈22.421gRo-34.8（Ro＞0.9%），戴金星不僅提出了Ro與甲烷同位素回歸方程，同時(shí)還提出了Ro與乙烷同位素和丙烷同位素的回歸方程：δ13C1≈14.121gRo-34.39（煤成氣）、δ13C1≈15.801gRo-42.20（油型氣）、δ13C2≈8.161gRo-25.71（煤成氣）、δ13C3≈7.121gRo-24.03（煤成氣）。因此，根據(jù)不同的沉積環(huán)境生成的天然氣Ro及烷烴碳同位素值，建立相應(yīng)的δ13Cn－Ro回歸方程，計(jì)算出天然氣在生成時(shí)的成熟度，既可判斷烴源巖成熟度。

圖1 甲烷同位素與鏡質(zhì)體反射率相關(guān)圖

2 鏡質(zhì)體反射率Ro的實(shí)時(shí)判別方法

基于鏡質(zhì)體反射率Ro與地層深度及天然氣烷烴碳同位素值均存在一定關(guān)聯(lián)性的特點(diǎn)，下面以S盆地G探區(qū)為例，應(yīng)用此兩項(xiàng)參數(shù)分別與鏡質(zhì)體反射率Ro建立相應(yīng)回歸方程，以實(shí)現(xiàn)對烴源巖成熟度Ro值的實(shí)時(shí)定量分析，并且依據(jù)有機(jī)質(zhì)熱演化四個(gè)階段的Ro值范圍（據(jù)張厚福等，1999），即Ro＜0.5%為未成熟階段、0.5%＜Ro＜1.2%為成熟階段、1.2%＜Ro＜2.0%為高成熟階段、Ro＞2.0%為過成熟階段，對烴源巖熱演化階段進(jìn)行定性判別。

S盆地G凹陷是盆地的一個(gè)負(fù)向二級構(gòu)造單元，是在基底構(gòu)造形態(tài)基礎(chǔ)上發(fā)育的繼承性凹陷，呈南深北淺、東高西低的構(gòu)造形態(tài)。G凹陷Qn組沉積時(shí)期正處于大湖泛時(shí)期，沉積了厚度大、泥質(zhì)較純、有機(jī)質(zhì)豐富的泥頁巖層，是S盆地的主要生排烴中心。Qn組主要發(fā)育5大類巖性，為頁巖、泥巖、粉砂巖、白云巖、介殼灰?guī)r，烴源巖Ro主要介于0.8%～1.8%之間。

2.1 G探區(qū)鏡質(zhì)體反射率Ro與井深的關(guān)系

通過對G探區(qū)4口井的87塊泥頁巖巖芯樣品進(jìn)行了鏡質(zhì)體反射率的分析測定，根據(jù)測得數(shù)據(jù)建立烴源巖地層井深與鏡質(zhì)體反射率的關(guān)系（圖2），從圖2可以看出，烴源巖層地層的深度與鏡質(zhì)體反射率值具有較好的正相關(guān)性，得出鏡質(zhì)體反射率計(jì)算方程如下：

圖2 G探區(qū)烴源巖Ro與深度關(guān)系圖

Ro=（Depth?1083.5）/924.75

式中：Ro——鏡質(zhì)體反射率，%；

Depth——井深，TVD。

2.2 G探區(qū)鏡質(zhì)體反射率Ro與碳同位素的關(guān)系

國內(nèi)外學(xué)者根據(jù)研究區(qū)的具體情況提出了相應(yīng)的δ13Cn－Ro回歸方程，但是這些方程在G探區(qū)并不完全適用，因此，筆者以G探區(qū)A井天然氣烷烴實(shí)時(shí)碳同位素?cái)?shù)據(jù)與所對應(yīng)深度Ro建立δ13Cn－Ro回歸方程（圖3），可以看到乙烷及丙烷實(shí)時(shí)碳同位素?cái)?shù)據(jù)與Ro的相關(guān)性均較低，回歸方程關(guān)聯(lián)性不理想，但甲烷碳同位素與Ro具有一定相關(guān)性，其回歸方程為δ13C1=26.64ln Ro-55.53，可以嘗試應(yīng)用于G探區(qū)井Ro的實(shí)時(shí)判別。

圖3 G探區(qū)A井天然氣δ13Cn－Ro回歸方程

3 G探區(qū)Ro實(shí)時(shí)判別方法在B井的初步應(yīng)用

G探區(qū)B井位于G凹陷北部構(gòu)造低部位，Qn組二段發(fā)育厚層黑灰、灰黑色泥巖，Qn組一段巖性以黑灰色泥巖、頁巖為主，夾薄層介殼灰?guī)r，對Qn組二段、一段15塊泥頁巖巖芯樣品進(jìn)行了Ro分析，其數(shù)值在1.25%～1.53%之間（表1），反映本井Qn組二段、一段泥頁巖均處于高成熟階段，并且隨著深度的加深，Ro值存在逐漸增大的趨勢。

根據(jù)前文所建立的Ro=（Depth?1083.5）/924.75及δ13C1=26.64lnRo-55.53方程，分別應(yīng)用深度、甲烷碳同位素?cái)?shù)值計(jì)算出對應(yīng)井深點(diǎn)的Ro值，所得數(shù)據(jù)如表1。將計(jì)算Ro值與該井深點(diǎn)的巖芯分析Ro值進(jìn)行比較，如圖4所示，利用深度計(jì)算所得Ro與巖芯分析Ro數(shù)據(jù)趨勢的一致性較好，且隨著井深的增加，數(shù)值誤差逐漸減小，Qn組一段數(shù)值誤差明顯小于Qn組二段，深度計(jì)算所得Ro的數(shù)值范圍反映本井Qn組二段、一段泥頁巖均處于高成熟階段，與巖芯分析Ro結(jié)論吻合；甲烷碳同位素計(jì)算所得的Qn組二段Ro數(shù)值與巖芯分析Ro趨勢及數(shù)值差異均較大，而Qn組一段Ro趨勢及數(shù)值數(shù)值與巖芯分析Ro吻合性較好，甲烷碳同位素計(jì)算Ro的數(shù)值范圍反映本井Qn組二段、一段泥頁巖均處于高成熟階段，與巖芯分析Ro結(jié)論吻合。

圖4 B井巖芯分析與方程預(yù)測Ro對比圖

表1 B井巖芯分析與方程預(yù)測Ro

由深度、甲烷碳同位素回歸方程在B井的初步應(yīng) 用可以看出，深度、甲烷碳同位素回歸方程計(jì)算所得的Ro數(shù)據(jù)，在烴源巖成熟度的定性分析中應(yīng)用效果均較好；在Ro定量分析中，深度回歸方程應(yīng)用效果相對較好，但也存在一定誤差，甲烷碳同位素回歸方程計(jì)算Ro值與巖芯分析Ro誤差較大，應(yīng)用效果差。

4 結(jié)論

（1）應(yīng)用G探區(qū)Qn組泥頁巖數(shù)據(jù)，對烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度的實(shí)時(shí)判別方法進(jìn)行探索，實(shí)際應(yīng)用效果較好，能夠完成對烴源巖熱演化階段的定性評價(jià)，由于G探區(qū)目前勘探井資料較少，Ro值的定量評價(jià)方法還不夠完善，后期更多數(shù)據(jù)補(bǔ)充進(jìn)來后逐步優(yōu)化回歸方程，應(yīng)當(dāng)能夠達(dá)到更好效果。

（2）在實(shí)際烴源巖層評價(jià)中，不同區(qū)域、不同生儲(chǔ)蓋組合的計(jì)算公式會(huì)存在一定的差異，應(yīng)用分區(qū)塊建立回歸方程的方法，即可根據(jù)井深、甲烷碳同位素值計(jì)算出成熟度Ro值，實(shí)時(shí)對烴源巖成熟度進(jìn)行有效的定性及定量分析。烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度的實(shí)時(shí)判別具有數(shù)據(jù)連續(xù)性好、反饋及時(shí)、成本低廉等特點(diǎn)，能為隨鉆研究烴源巖成熟度提供重要的參考依據(jù)，未來隨著各個(gè)區(qū)塊研究工作的逐步開展，烴源巖成熟度的實(shí)時(shí)判別將具有更廣闊的應(yīng)用前景。