馮乾乾，韓一哲，李倩文.2，龐雄奇

(1.中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249；2.中國石油大學(北京)盆地與油藏研究中心，北京 102249；3.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249)

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南堡凹陷烴源巖有機碳含量恢復研究

馮乾乾1，韓一哲1，李倩文1.2，龐雄奇2,3

(1.中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249；2.中國石油大學(北京)盆地與油藏研究中心，北京 102249；3.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249)

摘要：烴源巖進入成熟階段后隨著大規(guī)模生排烴作用的進行，TOC含量逐漸減少，將烴源巖內(nèi)殘余TOC恢復至生排烴前的原始狀態(tài)有助于正確評價一個地區(qū)的烴源巖。南堡凹陷發(fā)育沙河街組和東營組兩套烴源巖，有機質(zhì)類型主要為Ⅱ型，Ro主要為0.5% ～1.4%，處于成熟—高成熟階段；根據(jù)烴源巖演化過程中殘余生烴母質(zhì)變化原理，利用烴源巖TOC演化與各種主控因素之間的定量關(guān)系模型，對模型中烴源巖密度、孔隙度、油氣發(fā)生率、生成烴類的含碳系數(shù)、排烴系數(shù)等因素在自然條件下變化的特征進行取值，計算得到了南堡凹陷烴源巖不同成熟度下的TOC恢復系數(shù)，并制作了恢復圖版，研究證實，烴源巖殘余有機碳恢復系數(shù)可達1.67。說明進入了排烴門限的低有機質(zhì)豐度( TOC<0.5%)烴源巖不應被排除在有效烴源巖之外，其可能對南堡凹陷油氣藏的形成和分布具有重要貢獻。

關(guān)鍵詞：南堡凹陷；TOC恢復；烴源巖；烴源巖評價

烴源巖中有機質(zhì)數(shù)量和質(zhì)量是油氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，決定著其生烴能力，有機質(zhì)豐度是烴源巖重要表征參數(shù)[1-3]。常用的有機質(zhì)豐度指標包括總有機碳含量(TOC)、氯仿瀝青“A”、總烴含量(HC)和巖石熱解生烴潛量(S1+S2)等[1-4]。烴源巖未大量生排烴時的有機質(zhì)稱為原始有機質(zhì)，而現(xiàn)今測得的有機質(zhì)通常是大量生排烴作用之后的殘余有機質(zhì)[5]。排烴門限理論研究表明，當烴源巖生成的烴飽和了自身各種形式的存留后，就開始大量向外排烴，并且排出烴量隨烴源巖埋藏深度和演化程度的增加而增加[6]。因此，在地史過程中，烴源巖中有機質(zhì)的絕對量隨生排烴作用的進行而不斷減少，導致反映其豐度的總有機碳含量(TOC)逐漸降低[7-8]，若用現(xiàn)今殘余有機質(zhì)的含量去評價一個地區(qū)的烴源巖和油氣遠景，必然會引起一定誤差，對于已達到高成熟—過成熟階段的烴源巖而言，差別更加顯著。南堡凹陷主要發(fā)育沙河街組和東營組兩套泥質(zhì)烴源巖，有機質(zhì)類型以Ⅱ型為主，Ro分布范圍主要為0.5% ～1.4%，總體已處于成熟—高成熟階段，對烴源巖TOC含量進行恢復，有助于正確認識該地區(qū)的資源潛力，對油氣勘探具有現(xiàn)實的指導意義。

從20世紀80年代開始，許多學者提出了不同的有機質(zhì)豐度恢復方法，主要有自然演化剖面法、熱解模擬實驗法、物質(zhì)平衡法(包括化學元素守恒法、無效碳守恒法和有機質(zhì)守恒法)、理論推導法(包括化學動力學法、有機質(zhì)演化規(guī)律法、降解率法和回歸分析法)等[4,9-15]。這些方法均有一定的適用性，但也都有一定的局限性，很難普遍適用。本文采用的TOC 變化定量關(guān)系模型是根據(jù)干酪根熱降解生烴理論[2]，從烴源巖演化和油氣生、留、排的角度出發(fā)，結(jié)合烴源巖內(nèi)相關(guān)參數(shù)的變化，基于物質(zhì)平衡理論推導出的，同時考慮到了地層壓實作用和烴源巖熱演化過程對生排烴作用的影響，具有一定的普遍適用性。公式中參數(shù)簡單,較易從自然條件下獲得，不受主觀因素影響，計算結(jié)果比較接近實際[16]。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

南堡凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷東北部，為新生代斷陷盆地，是渤海灣盆地北側(cè)的一個小型油氣富集區(qū)，也是一個勘探比較成熟的油氣區(qū)。南堡凹陷西北部以西南莊斷層為界與老王莊—西南莊凸起毗鄰；東北部以柏各莊斷層為界與馬頭營—柏各莊凸起相鄰；南部與沙壘田凸起呈斷超關(guān)系。地理位置處于河北省唐山市和秦皇島市之間，北部與燕山相連，南部和東部與渤海相接，西部以澗河為界。整個南堡凹陷面積為1932km2，其中灘海面積為1100km2[17]。

南堡凹陷古近系是一個具有北斷南超特征的典型箕狀生油凹陷，整體呈現(xiàn)出“四凹三凸”的特征[17]。凹陷內(nèi)部被高柳斷層分割為南北兩區(qū)，北區(qū)是沙河街組的沉積中心，發(fā)育柳贊構(gòu)造、高尚堡構(gòu)造、拾場次凹，是沙河街組主要的含油區(qū)帶(圖1)。南區(qū)是東營組的沉積中心，在西南莊斷層的下降盤發(fā)育了老爺廟構(gòu)造、北堡構(gòu)造帶；在灘海區(qū)域發(fā)育了南堡1號構(gòu)造、南堡2號構(gòu)造、南堡3號構(gòu)造、南堡4號構(gòu)造和南堡5號構(gòu)造，南區(qū)中央地帶從西向東依次發(fā)育了林雀次凹和柳南次凹兩個負向構(gòu)造單元，也是重要的生烴中心，館陶組、明化鎮(zhèn)組、東營組、沙河街組和奧陶系潛山是重要的含油氣層系[18]。

2 南堡凹陷烴源巖特征

2.1 烴源巖地質(zhì)特征

南堡凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷北部，是新生代發(fā)育起來的北斷南超的箕狀生油凹陷，凹陷主要發(fā)育古近系東營組東三段( Ed3) 、沙河街組沙一段( Es1) 、沙三段( Es3)共3 套烴源巖層系。沙一段烴源巖發(fā)育于半深湖相，為深灰色泥巖，厚度為 200～300m，分布廣泛，為南堡凹陷的有效烴源巖。東三段烴源巖為深灰色湖相泥巖，暗色泥巖厚度在600m左右，主要分布在林雀次凹南部和曹妃甸北部地區(qū)，其次是高柳斷層南側(cè)地區(qū)。沙三段烴源巖也是一套優(yōu)質(zhì)烴源巖，具有很高的有機質(zhì)豐度。平面上，厚層暗色泥巖主要分布在高柳斷層的北部和凹陷的中部，呈東西向條帶狀展布，其厚度可達300m以上。

2.2 烴源巖有機質(zhì)豐度

有機質(zhì)豐度是評價烴源巖生烴潛力的重要參數(shù)。目前常用的有機質(zhì)豐度指標主要有有機碳含量(TOC)、巖石熱解生烴潛力(S1+S2)、氯仿瀝青“A”和總烴含量(HC)等。其中有機碳含量是最常用的有機質(zhì)豐度指標，不同沉積環(huán)境的烴源巖評價標準不同。按照“中國陸相烴源巖有機質(zhì)豐度評價標準”，確定了南堡凹陷不同層位烴源巖有機碳含量平均值分布特征：不同層位烴源巖有機質(zhì)豐度分布差異大，東營組東三段和沙河街組沙三段是好的烴源巖(沙三段烴源巖主要集中在沙三段4亞段和5亞段)；沙一段為較好的烴源巖；東一段、東二段和沙二段為較差烴源巖。

2.3 有機質(zhì)類型

有機質(zhì)豐度決定了烴源巖生烴物質(zhì)的多少，有機質(zhì)類型決定了烴源巖最終能生成油氣比例的多少。研究區(qū)烴源巖有機質(zhì)類型主要為Ⅱ2型和Ⅱ1型，其次為Ⅲ型，少量Ⅰ型。其中東三段主要為Ⅱ2型，少量Ⅱ1型和Ⅲ型；沙一段以Ⅱ2型和Ⅲ型為主，僅個別為Ⅰ型；沙三段以Ⅱ2型和Ⅲ型為主，僅個別為Ⅰ型。沙三段有機質(zhì)類型較好，其次為東三段和沙一段[16]。

2.4 烴源巖熱演化程度

已有的勘探理論表明，一個地區(qū)的烴源巖達到成熟階段并且發(fā)生過生、排烴作用，該地區(qū)才能有較高的油氣勘探成功率。烴源巖的成熟度對油氣勘探的成功起著至關(guān)重要的作用。目前主要利用Ro來評價烴源巖的成熟度。本次研究系統(tǒng)收集了南堡凹陷已有的Ro數(shù)據(jù)，統(tǒng)計分析鏡質(zhì)組反射率與埋深的變化關(guān)系(圖2)，發(fā)現(xiàn)南堡凹陷烴源巖實測鏡質(zhì)組反射率Ro與埋深H有很好的指數(shù)相關(guān)性，相關(guān)公式為：Ro=0.2e0.0004H。研究區(qū)Ro主要分布在0.5%～1.4%范圍內(nèi)，對應埋深為2000～5500m。預測石油生成高峰對應深度應在4200m左右[17]。

3 南堡凹陷烴源巖TOC恢復研究

根據(jù)Tissot提出的干酪根熱降解生烴理論，有機質(zhì)在熱演化過程中會有油氣的生成和排出，有機母質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程不論作用機理如何，都是一個物質(zhì)平衡過程。龐雄奇等認為有機母質(zhì)的生烴過程可以概略地認為是一個物質(zhì)平衡過程。設定有機母質(zhì)在轉(zhuǎn)化過程中C、H、O、N、S 等5 種元素不與外界其他元素發(fā)生化學反應，只在彼此之間相互作用；轉(zhuǎn)化過程中的損失量ΔM全部或最大限度地形成CH4、C2H6、C3H8、C4H10、CO2、H2S、N2、H2、H2O、Oil等10種產(chǎn)物。通過增加一些地質(zhì)與地球化學條件限制可以求出任意轉(zhuǎn)化階段的上列10 種產(chǎn)物的量[6，19]。

骨架不變原理[19-20]：

(1)

式中D0、D——兩階段烴源巖厚度，m；

φ0、φ——兩階段烴源巖的孔隙度，%；

物質(zhì)平衡原理[2]：原始有機碳含量=殘余有機碳含量+排出烴類中的有機碳含量。

烴源巖從A階段演化到B階段，根據(jù)骨架不變原理和物質(zhì)平衡原理，龐雄奇等由此推導出殘余有機碳含量與原始有機碳含量之間的關(guān)系模型，為：

(2)

式中QTOCo——原始有機碳含量，%；

QTOC——殘余有機碳含量，%；

ρro、ρr——兩階段烴源巖的密度，g/cm3；

Kc——排出烴類的含碳系數(shù)(含碳量所占烴類總質(zhì)量百分比)；

Ke——烴源巖的排烴效率(排出烴量占生成烴量的比率)；

Rp——有機母質(zhì)的油氣發(fā)生率(當前單位質(zhì)量有機碳在其已發(fā)生的演化過程中累計生烴量)[16]。

研究表明，南堡凹陷烴源巖分布廣泛，主要為灰色、深灰色泥巖，總體已達到成熟—高成熟演化階段[18]，選取該區(qū)的沙河街組、東營組的主力烴源巖進行研究，根據(jù)上述TOC恢復公式，將殘余有機碳含量QTOC恢復到原始有機碳含量QTOCo，能更好地評價該區(qū)的烴源巖。

3.1 烴源巖孔隙度

南堡凹陷屬于典型的斷陷盆地，主要發(fā)育斷層油氣藏，斷層為主要油氣運移通道，生儲蓋組合為互層式，以河流—湖泊沉積體系為主，砂體中泥質(zhì)分布不均。其烴源巖孔隙度隨埋深變化如圖3所示，通過分析擬合，可以得出烴源巖孔隙度與埋深的關(guān)系式：

φn=55.127e-0.0004H

(3)

式中H——烴源巖埋深，m；

φn——烴源巖孔隙度，%。

3.2 烴源巖密度

南堡凹陷烴源巖密度隨埋深變化如圖4所示，關(guān)系式為：

ρn=0.0001H+1.9152

(4)

式中ρn——烴源巖密度，g/cm3。

3.3烴源巖油氣發(fā)生率

油氣發(fā)生率指當前1t有機母質(zhì)在轉(zhuǎn)化過程中累計產(chǎn)生的油氣量。隨干酪根類型和熱演化程度的變化，烴源巖油氣發(fā)生率也相應變化?；诟衫腋鸁N量物質(zhì)平衡優(yōu)化模型計算結(jié)果可知，南堡凹陷烴源巖有機質(zhì)類型為Ⅱ2型，烴源巖油氣發(fā)生率Rpn與熱演化程度Ro的關(guān)系(圖5)為[19]：

Rpn=0.591lnRo+0.650

(5)

3.4 生成烴類的含碳系數(shù)

生成烴類的含碳系數(shù)為單位質(zhì)量的有機母質(zhì)在轉(zhuǎn)化過程中生成的烴類中所含有機碳的質(zhì)量比率。理論上為10種產(chǎn)物中所含有機碳的質(zhì)量與10種產(chǎn)物的總質(zhì)量之比，它隨著干酪根類型和熱演化程度的不同而改變。南堡凹陷有機質(zhì)類型為Ⅱ2型，烴源巖的Kcn與Ro的關(guān)系(圖6)為[7]：

Kcn=0.021lnRo+0.775

(6)

式中Kcn——生成烴類的含碳系數(shù)。

3.5 烴源巖排烴效率

烴源巖排烴效率為烴源巖排烴量占生烴量的百分數(shù)。干酪根類型不同、烴源巖熱演化程度不同，其排烴效率不同。選取基于排烴門限理論的生烴潛力法[6]作為評價的模型，對南堡凹陷烴源巖排烴過程進行統(tǒng)計分析，得到南堡凹陷Ⅱ2型有機質(zhì)烴源巖排烴效率Ken與Ro變化關(guān)系(圖7)，其相關(guān)公式為：

(7)

3.6 TOC恢復圖版

將以上參數(shù)選定后，代入恢復系數(shù)公式，求出南堡凹陷Ⅱ2型有機質(zhì)烴源巖的TOC恢復系數(shù)R，公式為：

(8)

式中φn0、φn——南堡凹陷兩階段烴源巖孔隙度，%；

ρn0、ρn——南堡凹陷兩階段烴源巖的密度，g/cm3。

由式(8)計算的結(jié)果見表1。由表1可知，利用插值法可以精確地求出某一深度或熱演化程度Ro時的烴源巖的埋深、密度、孔隙度等，從而應用TOC恢復公式求取恢復系數(shù)R，擬合出南堡凹陷烴源巖原始有機碳恢復圖版(圖8)。由圖8可以看出，隨著熱演化程度的增加，烴源巖內(nèi)TOC的含量逐漸減小，TOC恢復系數(shù)逐漸增大，恢復系數(shù)增大最快的階段對應烴源巖大量排烴的階段。將烴源巖殘余有機碳含量乘以恢復系數(shù)就是原始有機碳含量，從而能夠更好地對該地區(qū)的勘探遠景進行評價。

3.7 討論

烴源巖現(xiàn)今有機碳含量是其在地史過程中埋藏、生烴、排烴后的最終結(jié)果，當前測得的數(shù)值只能反映其目前殘留量的大小。研究表明，Ⅱ型有機質(zhì)在進入大量排烴之前(Ro<0.5%) 的原始母質(zhì)含量可以達到高過成熟階段(Ro>1.2%)殘余TOC的2.2倍[16]。在這種情況下，必須對現(xiàn)今TOC含量較低的烴源巖進行有機碳恢復，才能進行有效烴源巖判定，否則可能大大低估盆地油氣勘探潛力，對油氣勘探和資源評價不利。

4 結(jié)論

(1)隨著熱演化程度的增加，烴源巖內(nèi)TOC的含量呈逐漸減小的趨勢，尤其是高過成熟階段的烴源巖。進入了排烴門限的低有機質(zhì)豐度( TOC<0.5%)烴源巖不應被排除在有效烴源巖之外，它們可能對油氣藏形成和分布具有不可忽視的貢獻。

(2)南堡凹陷古近系烴源巖處于成熟—高過成熟階段，利用TOC 變化的定量關(guān)系模型，將殘余TOC恢復到原始狀態(tài)，恢復系數(shù)可達1.67。恢復過程同時考慮到了地層壓實作用和烴源巖熱演化過程對油氣生排烴作用的影響，所需參數(shù)簡單且較易從自然條件下獲得，不受主觀因素影響，計算結(jié)果比較符合南堡凹陷的實際。

(3)對南堡凹陷烴源巖TOC進行恢復，能夠更為客觀地分析烴源巖TOC在地史過程中的變化，準確判別與評價烴源巖的有效性，對預測有利勘探領(lǐng)域和評價油氣資源潛力、計算不同烴源巖層對油氣成藏的相對貢獻具有重要的理論意義和實用價值。

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TOC Recovery of Source Rock in Nanpu Sag

Feng Qianqian1，Han Yizhe1，Li Qianwen1,2，Pang Xiongqi2,3

(1.CollegeofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;2.Basin&ReservoirResearchCenter,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China;3.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum，Beijing102249,China)

Abstract:In the process of geologic history, the amount of TOC gradually decreases with the mass hydrocarbon expulsion after the source rock enters mature stage.Therefore, it may contribute to evaluate the source rock in an area accurately if the residual amount of TOC in present source rock is restored to the condition where the source rock hasn’t expelled hydrocarbon.Study showed that there were two sets of source rocks in Nanpu sag, namely, the Shahejie Formation and the Dongying Formation.The organic matter type of them was mainly type Ⅱand the Ro of them ranged from 0.5% to 1.4%, which indicated that the source rocks were at the mature and highly mature stage.Based on the principle of the changes that the residual organic matter in the source rocks made in the evolution process of the source rock, a quantitative model about the amount of TOC and various main controlling factors was proposed.By given a proper value of each factor like source rock density, porosity, oil and gas incidence, carbon coefficient and expulsion coefficient of generated hydrocarbons in natural conditions, the value of TOC recovery coefficient at different thermal maturity degree in source rocks of Nanpu Sag could be calculated and the result of which was 1.67.Based on this, the evolution chart of TOC in the source rocks was also established.It was revealed that the source rocks of low organic matter abundance (TOC<0.5%)that have entered expulsion threshold should not be excluded from effective source rocks.They might contribute a lot to formation and distribution of hydrocarbon reservoirs in Nanpu sag.

Key words:Nanpu sag; TOC Recovery; source rock; evaluation of source rock

第一作者簡介：馮乾乾(1994年生)，男，主要研究方向為油氣成藏機理和油氣資源評價。郵箱: 1181335329@qq.com。

中圖分類號：TE122

文獻標識碼:A