鄧運華 孫 濤

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

1 烴源巖的認識過程

一個油田的形成，必須具備“生、儲、蓋、運、圈、?！钡?個條件，缺一不可，其中最重要的是“源”，“源控”是一級控制。中國老一輩石油地質(zhì)學(xué)家提出“源控論”是對世界石油地質(zhì)理論的重大貢獻，在勘探實踐中發(fā)揮了重要的作用。筆者總結(jié)30年的勘探實踐認為，在一個地區(qū)搞勘探，如果是“儲、蓋、運、圈、保”未搞清楚，探井是一口一口地失利；如果是“源”沒有搞清楚，探井則是一批一批地失利。在新區(qū)勘探，尤其是中國公司走向海外勘探，進行新項目評價，核心的要素是“源”。關(guān)于烴源巖的認識，經(jīng)歷了一個較長過程。

石油地質(zhì)學(xué)家很早就認識到油氣是沉積巖中有機質(zhì)生成的，但是油氣的有機成因理論直到20世紀70年代初，法國化學(xué)家蒂索提出干酪根熱降解成油之后才逐步建立起來，并在實驗室從沉積巖中熱解出石油。20世紀70年代至今，石油地質(zhì)學(xué)家、勘探家對生油巖的認識可以分為3個階段：①20世紀70—90年代，學(xué)者們認為沉積巖中的有機質(zhì)在較高溫度和壓力作用下生成石油，生成的石油首先是被泥質(zhì)顆粒所吸附，滿足吸附后多余的石油才能發(fā)生初次運移，為油田作貢獻。沉積巖中不同類型的有機質(zhì)生油能力不同，以水生生物為主的腐泥型干酪根生油能力強，當有機碳含量(TOC)大于0.5%時，除滿足吸附外，還可排出石油。有機質(zhì)組分以高等植物為主的腐殖型干酪根生油能力差，TOC值大于1.0 %時生成的石油才能夠滿足吸附。②隨著油氣成因研究和勘探的深入，石油地質(zhì)家和勘探家解放思想，一些學(xué)者和專家在1990～2000年提出生油巖體積可以彌補生油巖品質(zhì)的不足，生油巖TOC下限值不一定是0.5%，0.3%就可以滿足吸附，排出石油，而碳酸鹽巖生油巖因含泥質(zhì)少、吸附性差，TOC值只需達到0.2%就是有效生油巖。③2000年以后，石油地質(zhì)家和勘探家獲得了更多盆地(凹陷)中心生油巖的鉆井、取心、地化分析資料，對有效生油巖的認識發(fā)生了根本性變化，豐富的生油巖地化資料，尤其是生物標志物資料的獲得，使油-巖對比更清晰、更充分，發(fā)現(xiàn)為油田作貢獻的生油巖是厚度并不一定很大，但有機質(zhì)豐度很高的優(yōu)質(zhì)生油巖。

例如,濟陽坳陷的東營凹陷探明石油地質(zhì)儲量達25.6億噸，是中國最富的生油凹陷。過去認為之所以石油非常豐富，是因沙四段、沙三段生油巖厚度高達1 500 m，生油巖體積大；而隨著大量生油巖地化資料的積累以及油-巖對比研究的深入，發(fā)現(xiàn)對油田作貢獻的是沙四上亞段和沙三下亞段優(yōu)質(zhì)烴源巖，厚度在190～320 m(表1)，這2套生油巖有機質(zhì)豐度高(TOC值為2.0%～10.0%)，有機質(zhì)類型好，生烴潛力大[1]。四川盆地是我國近些年勘探重點地區(qū)，也是我國發(fā)現(xiàn)氣田最早、目前年產(chǎn)氣量較大的盆地之一[2]。過去認為古生代海相烴源巖在盆地內(nèi)廣泛發(fā)育，據(jù)此在盆地內(nèi)均衡勘探，效果欠佳。近幾年隨著新資料的增加，認識到古生代裂陷槽內(nèi)優(yōu)質(zhì)烴源巖有機質(zhì)豐度較高，TOC值在2.0%～9.8%，厚度為30～50 m，所發(fā)現(xiàn)的普光、元壩、龍崗、安岳等大氣田均位于裂陷槽邊緣。關(guān)于裂陷槽內(nèi)優(yōu)質(zhì)烴源巖的成因和主控因素，可能是裂陷槽水體較深，位于浪基面以下，有機質(zhì)保存條件好，而廣大臺地上水體淺，不利于有機質(zhì)保存。四川盆地的勘探成果充分證明了優(yōu)質(zhì)烴源巖對油氣田的控制作用。

表1 不同盆地(凹陷)優(yōu)質(zhì)烴源巖參數(shù)對比Table 1 Comparison of parameters of high quality source rocks in different basins (sags)

墨西哥灣盆地油氣非常豐富，是世界上最為富集的三大油區(qū)之一[3]。過去認為，該區(qū)發(fā)育侏羅系、白堊系及第三系等3套厚層生油巖，但近10年油-巖對比分析，尤其是生物標志物指標對比分析，認識到93%的原油是來自上侏羅統(tǒng)提塘階，厚度只有30～170 m，有機質(zhì)豐度高(TOC值為2.0%～22.8%)，類型為Ⅰ、Ⅱ1型(表1)。歐洲的北海盆地已發(fā)現(xiàn)石油可采儲量91億方，油-巖對比分析認為95%的石油來自厚度50～250 m的上侏羅統(tǒng)基莫利階泥頁巖。西西伯利亞盆地已發(fā)現(xiàn)300多個油氣田，石油可采儲量200億～280億噸，天然氣可采儲量40萬～60萬億方，為全球第二大富油氣盆地，絕大多數(shù)石油來自上侏羅統(tǒng)巴熱諾夫組，烴源巖厚度30～50 m，有機質(zhì)豐度高(TOC值為5%～40%)，類型為Ⅰ、Ⅱ1型(表1)。可采儲量占全球一半的波斯灣盆地，主力生油巖是侏羅系，厚度介于50～300 m，并不是很厚，但有機質(zhì)豐度高(TOC值為2%～12%)，類型為Ⅰ、Ⅱ1型。古特堤斯洋盆志留系熱頁巖厚度只有5～75 m，但是TOC值高達17%，有機質(zhì)類型為Ⅰ、Ⅱ1型(表1)，該熱頁巖高溫裂解生成的大量天然氣形成了很多大型、超大型油氣田，全球最大的氣田——北方氣田就位于該盆地，可采儲量高達38萬億方。巴西東南部海域的桑托斯盆地石油地質(zhì)條件十分優(yōu)越，油氣資源極為豐富，石油可采儲量400億桶，烴源巖為白堊系湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖，厚度介于50～300 m，有機質(zhì)豐度高(TOC值為2.0%～16.0%)，類型主要為Ⅰ型(表1)。

由此可見，為油田作出貢獻的烴源巖取決于質(zhì)量好，而非體積大，多數(shù)學(xué)者認為Ⅰ、Ⅱ1型干酪根，TOC值大于2%的烴源巖為優(yōu)質(zhì)烴源巖，是油田主要貢獻者。實際取心資料也證明了這一論斷，據(jù)報道曾在一個盆地中心針對烴源巖進行系統(tǒng)取心，位于生油門限之下的泥巖厚度大于1 000 m，在泥巖中發(fā)育砂巖透鏡體，分析發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)豐度TOC值為1.0%～1.5%的泥巖內(nèi)砂巖無熒光顯示，而TOC值大于2.0%的泥巖內(nèi)砂巖中有熒光顯示。此外，對不同有機質(zhì)豐度的生油巖進行排烴效率研究時發(fā)現(xiàn)，豐度高的優(yōu)質(zhì)生油巖不僅生油量多，而且排烴效率高，TOC值大于2.0%的Ⅰ型干酪根對應(yīng)的泥巖排烴效率為80%，排出的油多，對油田的貢獻才大。

2 優(yōu)質(zhì)生油巖的形成環(huán)境

優(yōu)質(zhì)生油巖的形成必須具備2個條件，一是水生生物大量生長，提供大量的有機質(zhì)來源；二是有機質(zhì)保存條件好。水生生物生長所需的條件包括營養(yǎng)物質(zhì)、水體溫度和清澈度。通常情況下，湖泊的中-深湖區(qū)、淺海區(qū)(水深20～200 m)水體清澈，適于生物生長。而溫度對生物的生長控制性并不明顯，不同的生物對溫度的適應(yīng)性不同，有的動植物適合于溫暖的環(huán)境生長，而有的動植物則適合在較寒冷的地區(qū)生存。最近一些學(xué)者對全球泥炭分布進行了分析統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在地球上90%的泥炭分布在北半球緯度較高、溫度較低的地區(qū)，而不是赤道附近溫暖地區(qū)。其中，西西伯利亞盆地的泥炭占比約70%，原因是那里地形平坦，平原—濕地—沼澤分布廣，植物茂盛，物質(zhì)基礎(chǔ)好；水系發(fā)育，植物死亡后被薄層水所覆蓋，為弱還原環(huán)境，有利于植物腐化-保存而不被氧化。由此可見，生物的生長對溫度的要求并不嚴格，寒帶—溫帶同樣有大量生物繁殖。

水生生物的生長主要受水體營養(yǎng)物質(zhì)控制，那么湖泊與海洋中營養(yǎng)物質(zhì)來自何處？傳統(tǒng)石油地質(zhì)學(xué)認為，海洋中藻類等水生生物生長的營養(yǎng)物質(zhì)來自大洋上升流，大洋中脊的火山物質(zhì)溶解在海水中，隨底層流動帶到大洋兩岸，形成大洋上升流。據(jù)此推論，海相生油巖形成于大洋中脊兩側(cè)開闊的海岸盆地中。但是，筆者在近12年從事海外油氣勘探研究工作中發(fā)現(xiàn)，波斯灣盆地、西西伯利亞盆地、墨西哥灣盆地、北海盆地、大西洋盆地、東非海岸盆地等，它們在主力生油巖形成時期均位于大陸邊緣的海灣。這些盆地周邊三面為陸地，只有一個方向水道與大洋相連，這種狀況下大洋上升流不能到達海灣，盆地與大洋中間被島嶼、半島所隔離，所以大洋上升流不是海相盆地生物生長所需主要營養(yǎng)物質(zhì)的來源。深入研究后認為營養(yǎng)物質(zhì)來自盆地周邊的陸地，陸上基巖風(fēng)化后的礦物質(zhì)溶解在河水中，經(jīng)河流帶入海灣，海灣與大洋的海水流通置換不暢，海灣內(nèi)長期保持礦物質(zhì)高濃度，有利于生物生長?，F(xiàn)代生物的發(fā)育也證明了這個推論，中國渤海海域夏季紅藻大量生長，將海水“染紅”，即為赤潮，但是渤海的赤潮只分布在5條河流(遼河、大凌河、綏中河、海河、黃河)入?？?圖1)，由于這5條河中含有大量的磷、鐵等元素，是紅藻生長的主要養(yǎng)分，導(dǎo)致紅藻繁盛(其實紅藻也是生油母質(zhì))。相反的例子是弧前盆地，世界上絕大多數(shù)弧前盆地不富集石油，而絕大多數(shù)弧后盆地卻富集石油。這是因為，弧后盆地靠近陸地，河流帶來了營養(yǎng)物質(zhì)，使水生生物得以繁盛；而弧前盆地遠離大陸，只與面積較小的火山島弧相鄰(圖2)，沒有河流注入，缺乏陸地帶來的營養(yǎng)物質(zhì)，水生生物不能大量生長，缺乏生油的物質(zhì)基礎(chǔ)。這正是弧前盆地與弧后盆地油氣富集程度不同的主要原因，也是水生生物賴以生存的營養(yǎng)物質(zhì)來源于陸地河流的有力證據(jù)。

湖泊中生物生長的營養(yǎng)物質(zhì)來自何處？筆者在1998年曾考察了美國鹽湖，該湖中鹽、碳酸鹽鮞粒非常多，當時提出了一個問題，即這些鹽、碳酸鹽鮞粒的元素來自何處，為何湖中含鹽如此之高。經(jīng)考察發(fā)現(xiàn)，有一條河流長年流入湖泊，但湖水沒有出口，湖水減少靠蒸發(fā)，入湖的河水中溶解了流經(jīng)區(qū)域基巖風(fēng)化的礦物質(zhì)；蒸發(fā)的水分是純淡水，礦物質(zhì)則滯留在湖泊中，日積月累，湖水中礦化度越來越高，最終成為鹽湖。正常湖泊中的水有2個補給來源，一是河流注入，二是大氣降水。大氣降水中不含礦物質(zhì)，所以湖泊中礦物質(zhì)主要來自河流。海水為什么是咸的，也是同樣的道理。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，河流流經(jīng)地區(qū)基巖巖性不同，河水中礦物質(zhì)含量也不同，湖泊中的水生生物發(fā)育程度亦不同?；鸪蓭r和正變質(zhì)巖流經(jīng)地河水中礦物質(zhì)含量豐富，有利于湖泊中水生生物生長；而沉積巖，負變質(zhì)巖，尤其是碳酸鹽巖為母巖風(fēng)化后礦物質(zhì)含量低，不利于水生生物發(fā)育。

圖1 渤海海域赤潮分布圖Fig.1 Red tide distribution in Bohai sea

圖2 主動大陸邊緣溝弧盆體系模式圖Fig.2 Active continental marginal arc basin system pattern

由此可見，河流-湖泊體系、河流-海灣體系是生油巖發(fā)育的主要場所；而湖泊中水深大于8 m的中—深湖區(qū)，海灣中水深在20～200 m的海域有利于有機質(zhì)保存，形成優(yōu)質(zhì)生油巖。

3 優(yōu)質(zhì)烴源巖對大油田的貢獻實例分析

3.1 墨西哥灣盆地

墨西哥灣盆地位于北美洲南部，為近圓形的沉積盆地，面積為93×104km2，沉積厚度約10 km，為世界上油氣最為富集的三大油區(qū)之一，目前已發(fā)現(xiàn)1 200多個油氣田[4]。墨西哥灣盆地構(gòu)造演化可劃分為3個階段：①裂谷期(晚三疊世—中侏羅世)，發(fā)育晚三疊世湖相沉積和中侏羅世鹽巖；②過渡期(晚侏羅世全面海泛時期)，為海相碳酸鹽巖、泥灰?guī)r、泥巖及砂巖沉積，富含有機質(zhì)泥灰?guī)r是主要的烴源巖。③被動陸緣期(白堊紀—第三紀)，早白堊世以碳酸鹽巖臺地為主，晚白堊世—第三紀海岸線不斷向南推進發(fā)育碎屑巖沉積，白堊紀—第三紀的泥巖是次要的生油巖。

鉆探結(jié)果證實，墨西哥灣盆地發(fā)育多套烴源巖，包括中上侏羅統(tǒng)、白堊系及第三系海相泥頁巖。其中，最重要的是上侏羅統(tǒng)提塘階優(yōu)質(zhì)烴源巖，TOC值最高可達22.8%，生烴潛量S1+S2值為12～177 mgHC/gTOC(圖3)，氫指數(shù)IH最高達753 mgHC/gTOC，顯微組分以藻類為主，有機質(zhì)類型為Ⅰ、Ⅱ1型。墨西哥灣盆地提塘階分布廣泛，陸上、淺水區(qū)和深水區(qū)均有分布，幾乎遍及整個墨西哥灣，是墨西哥灣盆地油氣的主力烴源巖，烴源巖厚度介于30～170 m，為墨西哥灣盆地形成巨型油氣田奠定了雄厚的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖3 墨西哥灣盆地提塘階烴源巖質(zhì)量Fig.3 Tithonian source rock quality in Gulf of Mexico basin

墨西哥灣盆地提塘階烴源巖及其生成原油的生物標志化合物特征見圖4，可見生物標志化合物特征為藿烷及升藿烷含量較高，C29/C30αβ藿烷<1，Ts/Tm<1，三環(huán)萜烷含量低(相對五環(huán)萜烷而言)，C35/C34升藿烷含量較高，重排甾烷含量較低。分析認為，C35升藿烷含量較高和重排甾烷含量較低主要與碳酸鹽巖沉積環(huán)境和較少的黏土輸入量有關(guān)。另外，C27甾烷含量高，表明有機質(zhì)來源主要為水生生物。提塘階烴源巖和原油的生物標志化合物對比表明，提塘階烴源巖貢獻了墨西哥灣盆地已發(fā)現(xiàn)石油儲量的約80%。

圖4 墨西哥灣盆地Tampico-Misantla次盆提塘階油-源對比圖Fig.4 Tithonian oil-source rock correlation of Tampico-Misantla sub-basin in Gulf of Mexico basin

3.2 東營凹陷

東營凹陷位于濟陽坳陷的東南部，是勝利油田主要產(chǎn)油凹陷，面積約5 700 km2，探明儲量約25.6億噸，其中92%的油氣分布在凹陷內(nèi)，8%分布在凸起上，為典型的凹陷富集型。東營凹陷的基本構(gòu)造格局為北斷南超、北陡南緩。

在新生代始新統(tǒng)生油巖形成時期，東營凹陷氣候溫暖潮濕，古湖泊周邊有多條河流水系注入，河流帶來了大量營養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致湖生生物大量生長繁盛。前人研究認為，東營凹陷發(fā)育多套烴源巖，包括咸水-半咸水環(huán)境的沙四上亞段、沙一段，淡水環(huán)境的沙三下亞段及沙三中亞段[5]，烴源巖累計厚度很大。多年來的勘探實踐及分析測試數(shù)據(jù)證實，東營凹陷古近系烴源巖中有機質(zhì)分布明顯存在非均質(zhì)性，表現(xiàn)為既存在有機質(zhì)豐度一般的烴源巖，也存在有機質(zhì)富集的優(yōu)質(zhì)烴源巖，其中優(yōu)質(zhì)烴源巖有機質(zhì)豐度高、類型好，具有較高的生烴潛力。經(jīng)過對烴源巖進行系統(tǒng)評價，證實沙四上亞段和沙三下亞段的泥頁巖為東營凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖。其中，沙四上亞段烴源巖巖性組合以鈣質(zhì)紋層泥頁巖為主，夾泥灰?guī)r，為半咸水—咸水湖相沉積，厚度并不大，僅為40～120 m，TOC值高達10.0%，生烴潛量S1+S2值達72 mgHC/gTOC(圖5)；沙三下亞段烴源巖厚度為150～200 m，巖性以泥巖、灰褐色油頁巖為主，夾少量灰?guī)r及白云巖，為淡水湖相沉積，TOC值高達10.5%，生烴潛量S1+S2值達76 mgHC/gTOC(圖5)。

東營凹陷沙四段優(yōu)質(zhì)烴源巖及其生成原油的生物標志化合物特征(圖6)為高含量的伽馬蠟烷與C27甾烷，表明為咸水的沉積環(huán)境，有機質(zhì)主要來自水生生物。油源對比的結(jié)果表明，沙四上亞段和沙三下亞段優(yōu)質(zhì)烴源巖形成了多個大型油田，如八面河油田、草橋油田、東辛油田、坨莊油田和平方王油田等。這些億噸級的大油田均與優(yōu)質(zhì)烴源巖有關(guān)，優(yōu)質(zhì)烴源巖是東營富油凹陷形成的決定條件。

圖5 東營凹陷烴源巖有機碳及S1+S2頻率分布圖Fig.5 Source rock frequency distribution of TOC and S1+S2 in Dongying sag

圖6 東營凹陷沙四段油-源對比圖Fig.6 Oil-source rock correlation of Shahejie-4 in Dongying sag

3.3 北部灣盆地

北部灣盆地是在南海北部大陸邊緣發(fā)育起來的新生代裂谷盆地，面積約為2.2×104km2。北部灣盆地經(jīng)過幾十年的勘探，已經(jīng)證實潿西南凹陷和烏石凹陷為富油凹陷[6-9]，主力烴源巖為流二段，巖性為暗色泥頁巖，尤其是流二段頂部和底部發(fā)育的油頁巖，為優(yōu)質(zhì)烴源巖。潿西南凹陷流二段頂部油頁巖厚度在7～25 m，流二段底部油頁巖厚度為15～98 m；有機質(zhì)豐度較高，TOC值大于2%，最高達20%(圖7)，生烴潛量S1+S2值最高達97.40 mgHC/gTOC；顯微組分以無定型和殼質(zhì)組為主，有機質(zhì)類型以Ⅱ1型為主，部分為Ⅰ型，具有較強的生油能力。北部灣盆地的烏石凹陷同樣也揭示了流二段優(yōu)質(zhì)烴源巖[9]，流二段中下部油頁巖厚度為35～180 m，平均131 m；TOC值為2.84%～14.77%，平均5.83%；生烴潛量S1+S2值為8.5～102.59 mgHC/gTOC，平均29 mgHC/gTOC；氫指數(shù)IH平均461 mgHC/gTOC，有機質(zhì)類型為Ⅰ、Ⅱ1型。

北部灣盆地油頁巖及其生成原油的生物標志化合物特征為高含量的4-甲基甾烷(圖8)。一般認為，4-甲基甾烷的母源為浮游藻類，因此該油頁巖的形成可能與藻類等水生生物的勃發(fā)有關(guān)[10]。油-源生物標志化合物對比結(jié)果表明，優(yōu)質(zhì)烴源巖對北部灣盆地大油田的形成有明顯的控制作用，已探明儲量中潿西南凹陷80%的原油、烏石凹陷90%的原油均為優(yōu)質(zhì)烴源巖的貢獻。

圖7 潿西南凹陷流二段烴源巖TOC頻率分布圖Fig.7 TOC frequency distribution of Liushagang-2 source rock in Weixinan sag

圖8 北部灣盆地流二段油-源對比圖Fig.8 Oil-source rock correlation of Liushagang-2 in Beibuwan basin

4 結(jié)論

1)隨著石油勘探和烴源巖研究的深入，生油巖、原油和油-源對比資料的積累，大量的勘探實踐及研究成果揭示大油田的形成主要依賴于優(yōu)質(zhì)生油巖。一個盆地或者一個凹陷石油富集程度取決于烴源巖品質(zhì)，而并非烴源巖厚度或者體積，要尋找大型油田，首先要找到優(yōu)質(zhì)烴源巖。

2)河流-湖泊體系、河流-海灣體系是生油巖發(fā)育的主要場所，而湖泊中的中—深湖區(qū)、海灣中水深在20～200 m的海域有利于有機質(zhì)的富集和保存，是優(yōu)質(zhì)生油巖形成的有利環(huán)境。