申寶劍，秦建中，馮 丹，陶國亮，仰云峰，騰格爾，潘安陽

(1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，江蘇 無錫 214126；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126；3.渤海鉆探工程技術(shù)研究院，河北 任丘 062552)

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烴源巖有機碳含量與生排油效率動態(tài)評價

申寶劍1, 2，秦建中1, 2，馮 丹3，陶國亮1, 2，仰云峰1, 2，騰格爾1, 2，潘安陽1, 2

(1.頁巖油氣富集機理與有效開發(fā)國家重點實驗室，江蘇 無錫 214126；2.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126；3.渤海鉆探工程技術(shù)研究院，河北 任丘 062552)

選擇海相典型烴源巖樣品和人工配制烴源巖樣品進行熱壓模擬實驗，對比分析了海相烴源巖的生油量、生排油效率與烴源巖有機碳含量的關(guān)系，模擬結(jié)果表明：(1)烴源巖的生排油量與烴源巖有機碳含量呈線性正相關(guān)關(guān)系，生排油效率與有機碳含量呈曲線(非線性)正相關(guān)關(guān)系，相關(guān)系數(shù)的大小與烴源巖的干酪根類型、巖性及演化史等有關(guān)；(2)在整個生烴演化過程中，高有機質(zhì)含量的優(yōu)質(zhì)烴源巖(TOC一般大于2%)的生排油量和效率都高于中等有機質(zhì)豐度的中等烴源巖(TOC一般在0.5%～2.0%之間)和低有機質(zhì)豐度的差烴源巖(TOC一般小于0.5%)，只有高有機質(zhì)豐度的優(yōu)質(zhì)烴源巖才能夠大量生排出油并形成大油田，差烴源巖即使很厚也難以形成大量的油氣聚集；(3)在地質(zhì)演化過程中，烴源巖TOC含量及其生排油氣能力始終都是動態(tài)變化的，因此需要在確定演化階段的基礎(chǔ)上，結(jié)合有機碳含量和生排油效率進行烴源巖和資源量動態(tài)評價。

優(yōu)質(zhì)烴源巖；有機碳含量；生排油效率；成熟度；烴源巖評價；資源評價

烴源巖評價研究一直是石油地質(zhì)與地球化學研究的重要內(nèi)容之一，也是油氣資源評價的關(guān)鍵環(huán)節(jié)[1-4]。常規(guī)烴源巖評價大多從有機質(zhì)豐度、類型和成熟度角度直接評價烴源巖品質(zhì)，近年來也有從構(gòu)造背景、沉積環(huán)境[5-8]、古氣候、古生產(chǎn)力[9-11]、沉積物源、生烴母質(zhì)[12-16]等角度對烴源巖進行間接評價，但這些研究工作中大都使用靜態(tài)評價指標。

烴源巖生排烴效率是油氣資源評價關(guān)鍵參數(shù)，但烴源巖生排烴是一個復(fù)雜的地質(zhì)過程，是各種地質(zhì)因素綜合作用的結(jié)果，包括烴源巖形成的沉積環(huán)境[17-19]、有機質(zhì)類型[20-22]、有機質(zhì)豐度[23]、成熟度[18,20,24]、巖性組合[25-26]以及烴源巖所處的溫度、壓力等。烴源巖生排烴隨熱演化增加過程中，有機質(zhì)含量不斷降低，有機質(zhì)類型判識指標逐漸失效，同時隨著烴源巖生成的烴類物質(zhì)不斷增加，在突破烴源巖內(nèi)部有機質(zhì)和無機礦物的吸附作用之后，排出烴源巖外的烴類物質(zhì)也在不斷增加，因此烴源巖的生排烴過程是一個動態(tài)的過程。靜態(tài)評價中使用的多項評價參數(shù)在熱演化過程中是不斷變化的，如不考慮這一動態(tài)過程，生搬硬套靜態(tài)評價標準，可能會對資源量評價造成誤判。

本文采用烴源巖熱壓模擬實驗技術(shù)，重點研究烴源巖生烴量、生排烴效率與總有機碳含量之間的動態(tài)關(guān)系，分析生烴演化過程中生排烴量和效率的變化趨勢，為準確進行烴源巖動態(tài)評價和資源量計算提供科學依據(jù)。

1 樣品與實驗

通過對中國南方、青藏高原、冀北等地區(qū)數(shù)千塊海相烴源巖樣品進行分析，在總結(jié)各類型海相烴源巖特征的基礎(chǔ)上，對本次研究所采用的兩類樣品進行了制備和挑選。第一類樣品是有機碳含量不同的海相鈣質(zhì)泥頁巖烴源巖地質(zhì)樣品，成熟度(Ro)都在0.5%左右，有機質(zhì)類型為Ⅱ型，按有機碳含量高低分為優(yōu)質(zhì)烴源巖[w(TOC)≥2%]、中等烴源巖[0.5≤w(TOC)<2%]和差烴源巖[w(TOC)<0.5%]3種；第二類樣品是采用在灰?guī)r和鈣質(zhì)泥巖中添加不同含量相同有機質(zhì)的人工配制樣品為研究對象，所添加干酪根有機質(zhì)類型為Ⅰ型，Ro在0.5%左右，代表了僅有機碳含量不同而其他條件都相同的同一類型低熟烴源巖。

本次實驗采用中國石化無錫石油地質(zhì)研究所自行研制的地層孔隙生排烴熱壓模擬儀。詳細實驗方法、條件和流程見文獻[27]，熱模擬溫度從250 ℃至500 ℃，相當于Ro從0.5%至4.5%[28]。

2 模擬實驗結(jié)果

2.1 不同豐度烴源巖生油率對比

圖1展示了3種不同有機碳含量海相鈣質(zhì)泥頁巖烴源巖在生烴全過程中的生油效率(熱壓模擬實驗結(jié)果)，其中每個數(shù)據(jù)點為該烴源巖樣品在不同成熟階段的生油效率(單位重量有機碳的生油量)。

圖1 海相不同有機碳豐度烴源巖模擬實驗生油效率對比Fig.1 Oil generation efficiency for marine source rocks of different TOC content in simulation experiments

結(jié)果表明，有機質(zhì)類型相似的海相烴源巖，有機碳豐度控制液態(tài)烴的產(chǎn)量。TOC含量大于2%的優(yōu)質(zhì)烴源巖在低成熟階段[模擬等效鏡質(zhì)體反射率(VRo)在0.6%左右]產(chǎn)油率可達300 kg/t，多為重質(zhì)油；在成熟生油高峰期(VRo在0.9%～1.0%左右)產(chǎn)油率可達500 kg/t，為正常原油；在過成熟階段(VRo>2%)產(chǎn)油率為160 kg/t左右。TOC含量在0.5%～2%之間的中等烴源巖低成熟階段產(chǎn)油率為133 kg/t，生油高峰期產(chǎn)率為273.53 kg/t，過成熟階段產(chǎn)油率為150 kg/t左右，相對優(yōu)質(zhì)烴源巖，在低成熟和成熟階段產(chǎn)油率差別較大，過成熟階段產(chǎn)油率較小，差別不大。TOC含量小于0.5%的差烴源巖則與優(yōu)質(zhì)和中等烴源巖有明顯的差別，不同成熟階段其產(chǎn)油率均小于90 kg/t，對油氣藏貢獻相對較小。在高—過成熟階段，烴源巖的產(chǎn)油率仍明顯是優(yōu)質(zhì)烴源巖>中等烴源巖>差烴源巖。

2.2 總有機碳含量與排油量關(guān)系

圖2為不同有機質(zhì)含量灰?guī)r與鈣質(zhì)泥巖在生油高峰期(模擬溫度350 ℃，相當于Ro≈1.0%)條件下熱壓模擬實驗后樣品生成并排出的油含量，排出油是指在實驗進程中當生烴系統(tǒng)壓力與外部排烴裝置存在一定差值時，在排烴裝置中收集的油[29]。數(shù)據(jù)按統(tǒng)一的烴源巖總質(zhì)量進行了換算和歸一化處理。

圖2 不同有機質(zhì)豐度烴源巖排油量對比Fig.2 Oil expulsion from marine source rocks of different TOC content

8月21日，由中國無機鹽工業(yè)協(xié)會和海西州人民政府聯(lián)合舉辦，IFA國際肥料協(xié)會、國際鹽湖學會支持，格爾木市人民政府、中國無機鹽工業(yè)協(xié)會鉀鹽鉀肥分會、中國國際貿(mào)易促進會化工行業(yè)分會共同承辦的2018鉀鹽鉀肥大會暨格爾木鹽湖論壇在格爾木市會展中心開幕。

對于圖2中巖性相同的烴源巖(灰?guī)r或鈣質(zhì)泥巖)來說，22個點(星號或菱形)代表了僅有機質(zhì)豐度存在差異的相同烴源巖，從另一個角度看，對于圖2中單種烴源巖而言，有機質(zhì)豐度從高到低的不同樣品，代表了烴源巖生排烴過程中有機質(zhì)豐度的降低，因此有機質(zhì)含量從高到低的22個樣品可以在一定程度上反映該烴源巖的排烴過程。從圖2可見，在熱模擬溫度350 ℃，即相當于在Ro≈1.0%的生排油高峰階段，不同有機碳含量樣品的生排油量存在顯著差異。對于w(TOC)<0.5%的非—差烴源巖，每噸灰?guī)r烴源巖的排油量小于4 kg，每噸鈣質(zhì)頁巖烴源巖的排油量小于2 kg；對于0.5%2%的優(yōu)質(zhì)烴源巖，隨著有機碳增加，每噸烴源巖的生排油量會更高，且與TOC呈線性正相關(guān)關(guān)系。

此外，兩種不同類型烴源巖在TOC相同的情況下，生排油量并不相同。這是由于烴源巖自身有機質(zhì)和無機礦物對生成的油的吸附作用造成的，灰?guī)r對油的吸附作用比鈣質(zhì)頁巖小，因此可以排出相對更多的油。生排油量數(shù)據(jù)與TOC數(shù)據(jù)呈線性正相關(guān)關(guān)系，表明有機碳是烴源巖生烴的物質(zhì)基礎(chǔ)，有機碳含量越高，生烴量就越高，排出烴量也越高。對兩類生排油量與TOC的關(guān)系作了線性回歸(圖2)，直線斜率與干酪根類型、巖石類型及演化史等有關(guān)，直線截距為烴源巖中滿足烴類排出的最小吸附量。

2.3 生排油效率

2.3.1 有機碳豐度對生油效率有重要影響

模擬實驗中樣品的單位重量TOC的生排油量，即生排油效率，其與TOC的關(guān)系如圖3所示。從圖3可以看出，在模擬的生排油高峰階段，不同有機碳含量樣品的生排油效率也存在明顯差異。圖3中有機碳含量高的優(yōu)質(zhì)烴源巖樣品，無論是灰?guī)r烴源巖還是鈣質(zhì)泥巖烴源巖，生排油效率(單位重量有機碳生排出的油的重量)也是較高的，對比低有機碳樣品，其生排油效率也會相應(yīng)降低。這反映出在烴源巖生排烴過程中，隨著熱演化程度的增加和有機碳豐度的降低，生排油效率也呈現(xiàn)降低趨勢。

圖3 不同有機質(zhì)豐度烴源巖生排油氣效率Fig.3 Oil generation and expulsion efficiency of source rocks of different TOC content

2.3.2 相同有機碳豐度生油效率存在差異

與生排油量類似，不同類型烴源巖在TOC相同的情況下生排油效率也存在差異。由于生排油效率=生排油量/有機碳含量，在相同TOC的情況下，烴源巖的吸附作用差異造成生排油量差異，因此也會同步造成生排油效率的差異。灰?guī)r對油的吸附作用比鈣質(zhì)頁巖小，因此具有相對更高的生排油效率[25]。

由圖3可以看出，對于TOC含量較高、達到優(yōu)質(zhì)烴源巖程度的樣品，其生排油效率基本一致且較穩(wěn)定。由此可以推斷，當TOC處在較低的范圍內(nèi)(差烴源巖—中等烴源巖階段)，導(dǎo)致生油量偏低的時候，吸附量會占據(jù)總生油量較大比例(甚至吸附能力大于生油量，導(dǎo)致排油量為0)，此時油主要吸附在烴源巖內(nèi)部，排油效率很低；當TOC大于2%時，生油量遠大于吸附量，此時生排油效率增大，逐漸達到最大并趨于穩(wěn)定。對于不同類型烴源巖，該最大的生排油效率值與干酪根類型、巖石類型及演化史等密切相關(guān)。

3 討論

3.1.1 有機碳豐度是烴源巖品質(zhì)的物質(zhì)基礎(chǔ)

有機碳豐度是烴源巖生烴潛力的物質(zhì)基礎(chǔ)，高有機碳含量的烴源巖，很容易生排出大量的烴類，具有極高的生排油效率；而低有機碳豐度的烴源巖，能夠生排出的烴類很低，生排油效率也很低。差烴源巖其生成的烴類甚至難以滿足烴源巖自身的吸附量，或者能夠排出烴源巖的量很少，幾乎可以忽略不計，即使其厚度再厚，也難以有效聚集，因此差烴源巖并不存在所謂“體積補償機制”，即使很厚也難以形成大油氣田。

3.1.2 需根據(jù)成熟度評價烴源巖

烴源巖的生排烴過程是一個動態(tài)的熱演化過程，隨著成熟度逐漸增加，有機碳豐度逐漸降低，排出的烴類物質(zhì)具有較高的H/C比值，導(dǎo)致烴源巖本身H/C比值降低，因此烴源巖的品質(zhì)是動態(tài)變化的。需要分2個階段進行分析：(1)在從未熟—低熟階段到生烴高峰階段，成熟度增加，有機碳豐度雖然在降低，但是生排烴量是增加的，此階段內(nèi)，在其他條件相同的情況下，隨著成熟度增加，烴源巖品質(zhì)是變好的；(2)而在過了生烴高峰期后，成熟度增加同樣帶來有機碳豐度降低，但此時生排烴量也在降低，此階段內(nèi)，隨著成熟度增加，烴源巖品質(zhì)也在降低。

烴源巖評價主要目的是判斷該烴源巖是否能夠形成具有商業(yè)價值的大油氣田。對于成熟度偏低，未達到生排烴高峰且還未排出大量烴類的烴源巖，即使其有機碳含量很高，有機質(zhì)類型評價指標好，因為需要很長的地質(zhì)時間才能達到生排烴高峰，現(xiàn)在還不能形成大油氣田；而對于成熟度偏高，已過生排烴高峰的烴源巖，也許現(xiàn)今其有機碳含量較低(達不到優(yōu)質(zhì)烴源巖的靜態(tài)標準)，但是在生烴高峰期時，有機碳豐度較高且生排出了大量的油氣，很可能對現(xiàn)今的油氣藏有重大的貢獻，因此在這種情況下，需要對此類烴源巖的有機碳豐度進行恢復(fù)[30]，并評價為優(yōu)質(zhì)烴源巖。

3.2 對油氣資源評價的啟示

烴源巖的有機質(zhì)含量不但與總生排油氣量有關(guān)，而且與生排油氣產(chǎn)率密切相關(guān)。優(yōu)質(zhì)烴源巖在熱演化過程每個階段的生排油率都明顯高于相同類型的低有機質(zhì)含量烴源巖，這對油氣資源評價或盆地模擬過程中油氣產(chǎn)率參數(shù)的選擇至關(guān)重要。在傳統(tǒng)的成因法油氣資源評價中，烴源巖總生烴量的計算往往采用烴源巖重量、總有機碳含量、有機碳恢復(fù)系數(shù)以及烴源巖生烴系數(shù)的乘積，總排烴量往往采用總生烴量乘以排烴系數(shù)的方法來進行計算。在該計算方法中，生烴系數(shù)和排烴系數(shù)在整個生排烴過程中保持不變，且僅與干酪跟類型和成熟度相關(guān)；也就是說，只要干酪跟類型和成熟度都接近，就可以采用相同的生烴系數(shù)和排烴系數(shù)，這存在過高估算差—中等烴源巖的油氣資源量的問題，尤其當發(fā)育巨厚的差—中等烴源巖時。

3.3 對頁巖油氣評價的啟示

頁巖油氣是頁巖生烴后滯留在頁巖中的油氣，滯留量越高，含油(氣)率就越高，而決定滯留量大小的首要條件就是生油(氣)量的多少。

張金川等[31]提出了頁巖油選區(qū)參考標準，提出遠景區(qū)、有利區(qū)和目標區(qū)的頁巖含油率標準分別為：>0.1%，>0.15%，>0.2%。如果按照目標區(qū)含油率最低0.2%的標準來說，對于Ⅱ型干酪根，中等烴源巖生油量在生油高峰時才剛剛達到0.2%，差烴源巖遠遠達不到，優(yōu)質(zhì)烴源巖超過0.2%(圖4)。所以，要形成頁巖油，必須得是優(yōu)質(zhì)烴源層。

對于頁巖氣，如果按照每砘巖石含氣量2 m3的標準，同樣地，對于Ⅱ型干酪根，中等烴源巖剛剛達到2 m3/t，差烴源巖達不到，優(yōu)質(zhì)烴源巖超過該標準(圖4)。有效的頁巖氣藏的形成主要來自優(yōu)質(zhì)烴源巖的貢獻。

從圖4還可以看出，對于頁巖油，在Ro=0.5%～1.2%時最有利；對于頁巖氣，在Ro>1.2%最有利。因此，對于頁巖油氣選區(qū)，除了有機質(zhì)豐度，還需選擇成熟度合適的優(yōu)質(zhì)頁巖分布區(qū)域。

4 結(jié)論

(1)在熱演化過程中，烴源巖有機碳豐度、有機質(zhì)成熟度和有機質(zhì)類型是不斷變化的，其生排烴的能力也始終是動態(tài)變化的，因此不能使用靜態(tài)指標，而需要考慮熱演化階段，對烴源巖進行動態(tài)評價。

(2)高有機碳豐度的優(yōu)質(zhì)烴源巖在熱演化全過程以及熱演化高峰期時的生排油量和生排油率均遠大于低有機碳豐度的中等烴源巖和差烴源巖，更容易形成大型油氣田。

圖4 不同品質(zhì)烴源巖在不同階段的生油氣量Fig.4 Hydrocarbon generation of different source rocks in different thermal evolution stages

(3)在進行油氣資源評價時，不同品質(zhì)烴源巖、不同熱演化階段烴源巖皆不能使用同一生排油氣率。差烴源巖的生排油氣率極低，對具商業(yè)價值的油氣藏(包括頁巖油氣藏)很少有貢獻，資源評價應(yīng)以高有機碳豐度的優(yōu)質(zhì)烴源巖為主要評價對象。

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(編輯 徐文明)

Dynamic assessment of organic carbon content and hydrocarbon generation and expulsion efficiency in source rocks

Shen Baojian1,2, Qin Jianzhong1,2, Feng Dan3, Tao Guoliang1,2, Yang Yunfeng1,2, Tenger1,2, Pan Anyang1,2

(1.StateKeyLaboratoryofShaleOilandGasEnrichmentMechanismandEffectiveDevelopment,Wuxi,Jiangsu214126,China; 2.WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,Wuxi,Jiangsu214126,China; 3.ResearchInstituteofCNPCBohaiDrillingEngineeringCompanyLimited,Renqiu,Hebei062552,China)

The relationship of the yields and efficiencies of oil generation and expulsion with total organic carbon content (TOC) was analyzed based on thermal simulations of typical natural marine source rocks and artificial source rocks. (1) The simulation results show a positive linear correlation between the yields of oil generation and expulsion and TOC, and a nonlinear correlation between the efficiencies of oil generation and expulsion and TOC. The correlation coefficients are related to kerogen type, lithology and thermal maturity. (2) Source rocks with high TOC contents (generally over 2.0%) always have higher yields and efficiencies of oil generation and expulsion throughout the simulation experiments, when compared to source rocks with middle (0.5%-2.0%) and low (less than 0.5%) TOC contents, which indicates that only source rocks with high TOC contents have the capacity to form large oil fields. Source rocks with low TOC content do not generate large hydrocarbon accumulations even if they are very thick. (3) In the process of geological evolution, the TOC content and the capability of hydrocarbon generation and expulsion for source rocks are changing continuously. Correspondingly, the evaluations of source rock and resources should be dynamic.

excellent source rocks; total organic carbon content; efficiency of oil generation and expulsion; maturity; source rock evaluation; resource assessment

1001-6112(2017)04-0505-06

10.11781/sysydz201704505

2017-02-13；

2017-06-10。

申寶劍(1978—)，男，博士，高級工程師，從事烴源巖有機地球化學研究。E-mail: shenbj.syky@ sinopec.com。

國家自然科學基金重點項目“古生界頁巖含氣性原生有機質(zhì)控制作用研究”(U1663202)資助。

TE122.115

A