錢 強(qiáng)，張金功，彭海波

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710069)

隨著常規(guī)油氣資源逐漸減少，非常規(guī)油氣資源的勘探開發(fā)顯得日益重要，其中頁巖氣、頁巖油在美國、加拿大等國的勘探開發(fā)取得了巨大成功，引發(fā)了全球?qū)Ψ浅Ｒ?guī)油氣資源的關(guān)注［1－4］。本文將對泥頁巖相關(guān)概念、生烴性研究的三個方面(有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型和有機(jī)質(zhì)演化程度)及泥頁巖含烴性進(jìn)行綜合分析，并指出其存在的問題以及泥頁巖生烴性與含烴性研究的發(fā)展趨勢，以期能夠客觀、全面地反映泥頁巖油氣賦存層段的生烴、含烴特征，有效服務(wù)于泥頁巖油氣勘探。

1 泥頁巖相關(guān)概念

廣義的泥巖即通常所說的泥巖，包括塊狀泥巖和層狀頁巖，可籠統(tǒng)稱為泥頁巖，是由泥級顆粒組成的碎屑沉積巖。泥級顆粒既包括泥級的石英、長石等陸源碎屑，也包括高嶺石、蒙脫石、伊利石等粘土礦物，巖石定名中的泥質(zhì)即泛指這些泥級顆粒。廣義泥巖中可混入粉砂等相對大粒級碎屑，也可混含方解石、白云石等(生物)化學(xué)沉積物，隨著混入物含量增加，相應(yīng)向其他巖石類型過渡。狹義的泥巖特指塊狀泥質(zhì)巖。

頁巖氣和頁巖油氣中的“頁巖”為模糊概念，泛指聚集天然氣或油氣的烴源巖，該類地層由不同巖石類型構(gòu)成，包括泥巖、頁巖及灰質(zhì)泥巖、灰質(zhì)頁巖、泥質(zhì)灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖等過渡巖性，甚至灰?guī)r、云巖及粉砂巖等其他巖石類型［5］。

根據(jù)泥頁巖地層中所含烴類相態(tài)、成因機(jī)理及勘探開發(fā)等特點(diǎn)，將頁巖類油氣劃分為頁巖氣和頁巖油兩大類［4］。頁巖氣從石油地質(zhì)理論來講屬于自生自儲或者自生近儲，氣體或有很短距離的運(yùn)移，氣體以游離、吸附和溶解狀態(tài)存在于富含有機(jī)質(zhì)的細(xì)粒泥頁巖中，分布廣泛，沒有氣水邊界的連續(xù)分布型氣藏［1－8］。頁巖油是以游離(含凝析態(tài))、吸附及溶解(可溶解于天然氣、干酪根和殘余水等)態(tài)等多種方式賦存于有效生烴泥頁巖地層層系中且具有勘探開發(fā)意義的非氣態(tài)烴類［1－9］。頁巖油的形成和分布受頁巖有機(jī)質(zhì)演化程度的限制，只有在生油窗范圍內(nèi)的頁巖才具備形成頁巖油的條件，演化程度過高則易轉(zhuǎn)化為頁巖氣［9］

2 泥頁巖生烴性的研究

2.1 泥頁巖類烴源巖的沉積環(huán)境

泥頁巖類烴源巖沉積于淺海、三角洲、湖泊等沉積環(huán)境，環(huán)境安靜乏氧、氣候溫暖、生物繁茂、穩(wěn)定沉降，浮游生物或陸源有機(jī)質(zhì)豐富并隨粘土礦物質(zhì)大量堆積、保存，其中的有機(jī)質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化。顯然這種環(huán)境并不是到處都有，它們受到區(qū)域大地構(gòu)造和巖相古地理等條件的嚴(yán)格控制［9－12］。

半深湖——深湖相沉積的泥巖類巖石大多有機(jī)質(zhì)豐度高;河流——沼澤相沉積的泥巖類巖石有機(jī)質(zhì)豐度較低(苗建宇等，2005)。

2.2 泥頁巖類烴源巖的地球化學(xué)特征

通過對烴源巖的地球化學(xué)研究，可以判斷哪些泥頁巖具備烴源巖的條件，其生烴能力如何、是不是好的烴源巖等。烴源巖的地球化學(xué)特征包括三個方面:有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型和有機(jī)質(zhì)演化程度［12］。隨著勘探技術(shù)的進(jìn)步，對于烴源巖研究的方法較前幾年已經(jīng)發(fā)生了非常巨大的變化，各種測試方法和測試技術(shù)的改進(jìn)和提高使得烴源巖的定性研究更加可靠。而目前對于烴源巖的研究還主要集中在烴源巖評價(jià)方面的與油氣生成和產(chǎn)出有關(guān)的巖石特性指標(biāo)上。

2.2.1 烴源巖中有機(jī)質(zhì)的數(shù)量

巖石中有機(jī)質(zhì)的數(shù)量直接決定著烴類的生成量，因此，精確測定巖石中的有機(jī)質(zhì)數(shù)量是評價(jià)烴源巖的關(guān)鍵。國內(nèi)外一直流行的，并且目前仍沿用的測定有機(jī)質(zhì)的數(shù)量的方法就是直接測定烴源巖的總有機(jī)碳含量，可溶有機(jī)質(zhì)含量和總烴含量并結(jié)合烴源巖的其它特征建立了一系列適用于各種不同類型烴源巖的有機(jī)質(zhì)數(shù)量指標(biāo)評價(jià)體系。對于一套已生成和釋放出足夠形成工業(yè)性油氣聚集的烴源巖來說，所測定出來的有機(jī)質(zhì)含量實(shí)際上只是其殘余有機(jī)質(zhì)含量，但考慮到轉(zhuǎn)化成烴類的有機(jī)質(zhì)與巖石中的原始有機(jī)質(zhì)相比只是很少的一部分，所以一般均用巖石中的殘余有機(jī)質(zhì)數(shù)量近似地代表烴源巖的有機(jī)質(zhì)數(shù)量。作為烴源巖，其有機(jī)碳含量的下限值是頗為重要的。中國石油天然氣總公司石油勘探開發(fā)科學(xué)研究院將中國陸相泥質(zhì)生油巖的有機(jī)碳含量的下限值定為0.4%。國外各石油公司也都根據(jù)生油巖中的烴含量建立了自己的生油巖級別評價(jià)體系。目前，衡量巖石中有機(jī)質(zhì)的豐度所用的指標(biāo)主要有總有機(jī)碳(TOC)、氯仿瀝青“A”、總烴和生烴勢［12］。此外，對咸化環(huán)境形成的泥質(zhì)生油巖和泥灰?guī)r其有機(jī)碳含量標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)適當(dāng)降低至0.25%左右，為此，部分學(xué)者還提出了分別適用于泥質(zhì)巖和碳酸鹽巖生油巖的有機(jī)碳評價(jià)體系。但是目前所使用的有關(guān)烴源巖中的有機(jī)質(zhì)含量實(shí)際上都是殘余有機(jī)質(zhì)含量。因此，對于那些烴轉(zhuǎn)化率比較高、排烴效率比較好的烴源巖，用殘余有機(jī)質(zhì)含量代替其原始有機(jī)質(zhì)含量，必然會造成烴源巖評價(jià)中的失誤，所以在實(shí)際的地質(zhì)工作中，還應(yīng)針對具體情況，對有關(guān)的指標(biāo)作一些必要的調(diào)整，以使評價(jià)工作更接近地質(zhì)實(shí)際［13－15］。

2.2.2 烴源巖中的有機(jī)質(zhì)類型

雖然國內(nèi)外目前用來進(jìn)行烴源巖有機(jī)質(zhì)類型劃分的方法很多，但都是通過分析巖石中可溶有機(jī)質(zhì)的組成和不溶有機(jī)質(zhì)(干酪根)的結(jié)構(gòu)和組成來實(shí)現(xiàn)的，常見的分析方法及其特點(diǎn)如下［13－15］:

(1)用Rock－Eval熱解分析方法直接測定出巖石中的吸附烴、干酪根熱解烴和二氧化碳等含氧揮發(fā)組分的含量以及相應(yīng)的溫度，并根據(jù)有機(jī)碳含量算出其氫指數(shù)和氧指數(shù)，從而確定其有機(jī)質(zhì)類型，該方法快速、簡單、成本較低，但準(zhǔn)確率比較低。

(2)用元素分析測定干酪根的元素組成，計(jì)算出干酪根的H/C原子比和O/C原子比，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)投在標(biāo)準(zhǔn)的范一克羅維倫坐標(biāo)圖上，即可確定其有機(jī)質(zhì)的類型，該方法的準(zhǔn)確率較高，但對高成熟生油巖有機(jī)質(zhì)類型的確定比較困難。

(3)用有機(jī)巖石學(xué)方法在顯微鏡下直觀地鑒別源巖中有機(jī)質(zhì)的顯微組成特征，劃分源巖類型。(4)根據(jù)巖石中可溶有機(jī)質(zhì)的組成特征來劃分有機(jī)質(zhì)類型。(5)根據(jù)特征的具有成因標(biāo)志的生物標(biāo)志化合物的相對含量來確定烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型。

上述方法都是在近幾十年以來精確的有機(jī)地球化學(xué)分析測試技術(shù)發(fā)展起來以后才逐漸建立起來的。但上述各種方法在確定烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型時都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足之處。而近年來由于油氣勘探工作日趨復(fù)雜化，用某一單一的方法來確定有機(jī)質(zhì)的類型已不大可能，因此，通常是將上述各種方法綜合起來，相互取長補(bǔ)短，來確定烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型。另外在確定烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型時，干酪根的X光衍射、紅外光譜特征及碳同位素組成特征等都可以作為定型的輔助手段。

2.2.3 烴源巖中有機(jī)質(zhì)的成熟度

烴源巖中有機(jī)質(zhì)的成熟度研究是現(xiàn)代烴源巖研究的三大要素之一，盡管近幾年來未熟油理論和低熟油理論的興起和發(fā)展，對傳統(tǒng)的“石油深成說”提出了挑戰(zhàn)。但許多研究表明，在影響烴類生成的諸因素中，有機(jī)質(zhì)的成熟作用仍然是最重要的因素之一。從近幾年來國外勘探成功率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，在有機(jī)質(zhì)成熟帶找油的成功率可達(dá)25% ～50%，在不成熟帶則為2.5% ～5%，而在過成熟帶找到的主要是氣。在石油勘探中，用以研究有機(jī)質(zhì)成熟度的方法及其使用的參數(shù)和指標(biāo)很多。除此之外，還可根據(jù)干酪根鏡質(zhì)體反射率(Ro)、抱粉顏色、結(jié)構(gòu)和熒光特性、干酪根ESR“自由基”濃度、流體包裹體以及裂變徑跡等手段來確定烴源巖有機(jī)質(zhì)的成熟度［13－15］。

3 泥頁巖含烴性的研究

3.1 泥頁巖含烴性分析

泥頁巖的含烴性是評價(jià)泥頁巖油氣藏是否具有開采價(jià)值的一個重要標(biāo)準(zhǔn)。含烴性分析主要包括泥頁巖的含烴量測試、等溫吸附試驗(yàn)、烴類組分及同位素分析，其中含烴量測試是含烴性分析的重點(diǎn)。由于泥頁巖中所含的溶解態(tài)烴量極少，故泥頁巖總資源量可近似分解為吸附總量與游離總量之和。

為了分析含烴性，在取芯時，應(yīng)用了常規(guī)取芯和密封取芯兩種方法，對剛出筒的泥頁巖巖心進(jìn)行細(xì)致觀察的同時，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以觀察泥頁巖的含烴性并收集頁巖氣樣品，并用解吸儀器在現(xiàn)場測試了泥頁巖的含烴量，還有就是通過對巖心的氯仿瀝青“A”、總烴、殘留烴地球化學(xué)測試來分析泥頁巖的含烴性。

在頁巖氣資源評價(jià)過程中，如何快速評價(jià)泥頁巖的含氣性，尤其是在沒有針對泥頁巖取心，無法開展現(xiàn)場氣體解吸的情況下，作者認(rèn)為不能僅靠等溫吸附來決定地下泥頁巖的含氣性，因?yàn)槿魏我粔K泥頁巖石在一定的溫度和壓力條件下都能吸附一定量的氣體，并不能說明地下泥頁巖的含氣性和商業(yè)價(jià)值，可采取兩種方法來確定:一是通過老井或新井的氣測，有氣測顯示證明泥頁巖具有含氣性，氣測顯示越高的層越具有商業(yè)勘探價(jià)值，是有利的頁巖氣儲層，也是下一步勘探的重點(diǎn)層位;二是通過野外露頭挖淺探槽的方式取樣進(jìn)行直接解吸或熱模擬，然后對熱模擬結(jié)果進(jìn)行解吸，如果有氣體被解吸出來，盡管量很少，但意義重大，證明該層位泥頁巖具有含氣性，縱向系統(tǒng)的解吸可發(fā)現(xiàn)解吸氣量越高所對應(yīng)的層位是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)層位［13－18］。

3.2 泥頁巖含烴性的主要影響因素

泥頁巖含氣性除了受有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、成熟度、裂縫、孔隙度、厚度、礦物組成等內(nèi)部因素控制，同時也受深度、壓力、溫度、等外部因素影響［18］。吸附氣和游離氣組成了頁巖氣的主要成分，而吸附氣量主要與有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、成熟度、泥頁巖厚度有關(guān)，游離氣量主要與裂縫發(fā)育程度和孔隙度有關(guān)。

頁巖厚度和分布面積是保證頁巖氣藏有足夠的有機(jī)質(zhì)及充足的儲集空間的重要條件。頁巖厚度愈大，所含有機(jī)質(zhì)就愈多，天然氣生成量與滯留量也就愈大，頁巖氣藏的含氣豐度愈

高［19，20］。

通過美國頁巖氣藏和國內(nèi)可能存在的頁巖氣藏的構(gòu)造演化特征對比分析認(rèn)為，穩(wěn)定構(gòu)造條件下的持續(xù)沉降是頁巖氣成藏的關(guān)鍵(龔建明等，2012)。

穩(wěn)定的區(qū)域構(gòu)造環(huán)境為泥頁巖的持續(xù)沉降提供了可容空間，奠定了油氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ);持續(xù)的沉降作用為泥頁巖的不間斷受熱和生烴提供了熱力學(xué)條件;構(gòu)造隆升幅度小為頁巖氣的保存提供了的保障，因此，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定可能是頁巖氣成藏的關(guān)鍵［20－23］。

4 結(jié)語

現(xiàn)在對泥頁巖含烴性的研究較少，同時主要是關(guān)注各種因素對含烴性的影響，應(yīng)加強(qiáng)對泥頁巖含烴性主控因素的研究;泥頁巖生烴性、含烴性研究目前局限于單因素分析，應(yīng)制作暗色泥頁巖等厚圖、TOC等值線圖、Ro等值線圖、暗色泥巖埋深圖等地質(zhì)圖件，對其進(jìn)行疊加綜合分析。

隨著泥頁巖油氣藏研究的深入，首先須落實(shí)泥頁巖的生烴性，掌握其沉積特征，明確不同泥頁巖的地球化學(xué)特征及油氣轉(zhuǎn)化特征;其次研究泥頁巖的含烴性，掌握其受控因素，含烴豐度。

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