烴源巖的評價

在對烴源巖的研究中，通常要從有機質數量、有機質類型和有機質成熟度等三個方面對其做出定性和定量評價。

( 一) 有機質的數量

有機質的數量包括有機質的豐度和烴源巖的體積。有機質豐度是烴源巖啟冊洞評價的第一位標志，其主要指標為有機碳、氯仿瀝青 A 和總烴的百分含量。但是這些指標都只反映烴源巖排烴后殘留的有機質豐度，它是否能基本代表母巖原始的有機質豐度尚不得而知。據研究，有機質生烴轉化率最高可達 40% ，失重量可達 60% ～70% ，但是母巖在成熟階段轉化率一般為5% ～10% ，很少超過 20% ，排烴率大多小于 10% ，最高可達 50% 。按排烴率 50% 計算，排出的烴類僅占總有機質的 2. 5% ～ 10% ，殘余在烴源巖中的有機質仍高達 90% ～97. 5% 。在過成熟階段，有機質可有 30% 以上轉化為氣態烴，按排烴率 70% 估算，母巖中殘留的有機質仍有80% 左右。因此，殘余有機質的豐度基本能相對反映原始有機質的豐度。當然對于成熟度和排烴效率都較高的烴源巖最好能進行原始有機質豐度的恢復。

在沉積巖中，碳以碳酸鹽碳 ( 或氧化碳) 和非碳酸鹽姿拍碳 ( 或還原碳，有機碳) 兩種形式存在。沉積巖中有機碳約占 18% ，而氧化碳占 82% 。有機碳與生物活動有關，在組成生物體的 C、H、O、N、S 五種主要元素成分中，碳的含量最高、最穩定。因此有機碳的含量能夠代表有機質的數量。

暗色泥巖的有機碳含量一般不超過 15% ，但作為烴源巖，確定其有機碳下限值尤為重要。討論烴源巖有機碳下限值，常引用的經典實例是 Ронов ( 1958) 對俄羅斯地臺油氣分布與有機質含量關系的研究。他通過上千塊海相上泥盆統頁巖的有機碳分析，證明油田集中于有機碳含量為 0. 5% ～5% 的古比雪夫和烏法地區，而在有機碳含量為 0. 5% 左右的薩拉托夫和基輔地區發現了一些氣田，在有機碳 ＜0. 25% 的其他地區，則沒有泥盆紀的油氣田 ( 圖 5 －36) 。Pонов 發現，在含油區細粒粘土巖的有機碳平均含量比非含油區幾悄枯乎高 3 倍，為 1. 37% ，其有機碳含量下限值為 0. 5% 。

原地質礦產部無錫石油地質中心實驗室 ( 1980) ，根據研究也將中國陸相泥質油源巖的有機碳下限值定為 0. 5% ，中國石油勘探開發研究院的胡見義和黃第藩 ( 1991) 提出了中國陸相泥質油源巖的評價標準，并把有機碳下限值定為 0. 4% ( 表 5 －6) 。對咸湖環境形成的泥質油源巖，其有機碳含量下限應適當降低至 0. 3% 。

圖 5 －36 俄羅斯地臺上泥盆統有機碳含量( 據 Ронов，1958)

Gehman ( 1962) 對碳酸鹽巖中的有機質進行了綜合性研究，對世界各地約 1400個樣品的分析表明，碳酸鹽巖中的平均有機碳含量比頁巖低得多，前者為 0. 2% ，而后者為 0. 94% 。但它們的烴類平均含量卻相近，約 100mg/L。根據 Gehman 的調查，Tissot 認為碳酸鹽巖的有機碳含量下限值可定為0. 3% ，甚至有學者認為可低至0. 1% 。

對巖石進行氯仿抽提可得到氯仿瀝青A 含量，然后將抽提物進行色層分離可得到總烴含量，它們也能反映巖石中有機質的豐度，其評價標準參考表 5 －6。

表 5 －6 中國陸相油源巖評價標準

并非烴源巖的有機碳含量愈高，生烴愈大，這是因為它還取決于有機質的類型和成熟度。氯仿瀝青 A 和總烴含量也明顯受有機質類型和成熟度的影響。因此，評價烴源巖還需研究有機質的類型及其演化。

( 二) 有機質的類型

烴源巖中有機質的類型不同，其生烴潛力、產物的類型及性質也不同，生油門限值和生烴過程也有一定差別。

有機質的類型常從不溶有機質 ( 干酪根) 和可溶有機質 ( 瀝青) 的性質和組成來加以區分。干酪根類型的確定是有機質類型研究的主體，常用的研究方法有元素分析、光學分析、紅外光譜分析以及巖石熱解分析等。另外可溶瀝青的研究也普遍受到重視。

圖5－37 黃驊坳陷烴源巖元素分析圖(據盧松年，1989)

1.元素分析

干酪根元素分析是從化學性質和本質上來把握其類型的。Tissot和Durand等(1974)根據干酪根的元素組成分析，利用范氏(VanKrevelen)圖上H/C和O/C原子比的演化路線將干酪根分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。Ⅰ型為細菌改造的藻質型，Ⅱ型為腐泥型，Ⅲ型為腐殖型。另外，還分出Ⅳ型為殘余型，它們的主要特征在干酪根中已述。另外，Hunt(1991)根據干酪根中的硫含量，將Ⅱ型干酪根進一步劃分為4種類型。

從全球來看，石油主要源于腐泥型或腐泥型與腐殖型過渡的有機質，而腐殖型有機質則主要生成天然氣。腐殖煤屬腐殖型有機質，個別來自腐殖煤的輕質油，往往與煤中的殼質組和富氫鏡質組有關。

圖5－38 巖樣熱解分析記錄和應用(據Espitalié等，1974)

我國陸相烴源巖中干酪根類型的劃分方案較多，比較通用的方案是:Ⅰ型為腐泥型(包括Tissot的Ⅰ型和Ⅱ型，陸相湖盆藻質型少)，Ⅲ型為腐殖型，Ⅱ型為混合型中的中間型，Ⅱ1型為腐殖腐泥型，Ⅱ2型為腐泥腐殖型(圖5－37)。另外，還有Ⅳ型為煤質型，相當于Tissot的殘余型。

2.光學分析

在顯微鏡下對干酪根進行光學分析是從光學性質上和形貌上把握其類型。光學分析方法包括孢粉學法和煤巖學法。

孢粉學法是按干酪根在透射光下的微觀結構，將其分成藻質、絮質(無定形)、草質、本質和煤質，其中前3種為腐泥型有機質，后2種為腐殖型和殘余型有機質。煤巖學法是將干酪根的顯微組成分為殼質組、鏡質組和惰質組，其中殼質組為腐泥型有機質，多數鏡質組為腐殖型有機質，惰質組為煤質型有機質。認識上述各種微觀組分，有利于理解過渡類型干酪根的組成。

3.巖石熱解分析

Espitalié等(1977)發展了一種快速評價烴源巖特征的熱解方法，即烴源巖評價儀(Rock—Eval)，它是用巖石熱解分析儀直接從巖樣中測出所含的吸附烴(S1)、干酪根熱解烴(S2)和二氧化碳(S3)與水等含氧揮發物以及相應的溫度，溫度可逐步加熱到550℃(圖5－38)。

氫指數(S2/有機碳，IH)和氧指數(S3/有機碳，IO)與干酪根元素組成分析能進行很好的對比。因此，可利用這兩個指數繪制范氏圖確定烴源巖中有機質的類型(圖5－39)。

各種干酪根的分類和特征綜合在表5－7中。

需要指出，確定干酪根的類型應選擇未成熟或低成熟的樣品進行分析，尤其是采用有關化學分析的方法。這是因為有機質的成熟度過高會模糊不同類型干酪根之間的差異。

表5－7 烴源巖中的干酪根分類

圖5－39 氫指數和氧指數確定烴源巖類型(據Espitalié等，1974)

4.可溶瀝青分析

可溶瀝青的研究也能反映烴源巖中有機質的類型，較常用的參數如下:

1)烴源巖氯仿抽提物中組分組成特征，如飽和烴/芳烴。

2)飽和烴氣相色譜特征，包括主峰碳位置和峰型等。如正烷烴主峰碳在C25—C33的后峰型，反映原始有機質為陸源高等植物輸入;主峰碳在C15—C19的前峰型，反映母質來源于水生低等生物;雙峰型反映母質具有低等生物和高等植物的混合來源。還有姥鮫烷/植烷可反映有機質的形成環境。但這種方法基本不適用具有較高成熟度的母巖。

3)色譜－質譜分析可鑒定甾類和萜類等生物標志化合物的種類和數量，這對判斷母質的來源也有重要意義。如C27甾烷主要來自浮游生物，而C22甾烷主要來自陸源高等植物，萜烷中的伽馬蠟烷源于細菌，奧利烷和羽扇烷系列反映高等植物輸入等。

(三) 有機質的成熟度

有機質的成熟度是表征其成烴有效性和產物性質的重要參數。它是指在有機質所經歷的埋藏時間內，由于增溫作用所引起的各種變化。當有機質達到或超過溫度和時間相互作用的門限值時，干酪根才進入成熟并開始在熱力作用下大量生成烴類。而未成熟的有機質主要生成生物成因氣，有時可生成少量液態烴。評價有機質成熟度的方法有多種，其中常用且較有效的方法有:鏡質體反射率(Ro)法、孢粉和干酪根的顏色法、巖石熱解法、可溶有機質的化學法。另外，還可應用多種成熟度標尺和TTI等預測方法來估算烴源巖中有機質的成熟度。

1.鏡質體反射率法

鏡質體反射率也稱鏡煤反射率(Ro)，它是溫度和有效加熱時間的函數且具不可逆性，所以它是確定煤化作用階段的最佳參數之一。1969年以來鏡質體反射率被廣泛應用于頁巖和其他巖石中分散有機質的測定中，它亦成為確定干酪根成熟度的一種最有效的指標。

鏡質體反射率可定義為光線垂直入射時，反射光強度與入射光強度的百分比。鏡質體反射率的主要類型有最大(Rmax)、最小(Rmin)和隨機(Re)3種，前兩種是在垂直和平行層面的定向切片樣品上測定的。鏡質體反射率可在空氣中和油浸條件下測定，分別表示為Ra和Ro，每個樣品需測定20～50個點計算出平均值。油氣地質研究中常用油浸隨機的鏡質體反射率，用Ro表示。有時也用油浸最大和最小的鏡質體反射率，分別用Romax和Romin表示。

圖5－40 盧森堡中里阿斯統頁巖有機質不同組分反射率分布直方圖(據Hagermann，1978)

圖5－41 鏡質體反射率確定油氣近似界限(據Tissot，1978)

在煤巖顯微組成中，鏡質組最豐富，反射率居中，而殼質組反射率低，惰質組最高(圖5－40)。鏡質體反射率隨成熟度而增加，這是因為，從化學結構看鏡質組由縮合芳環束組成，隨著成熟度的增加，芳環束逐漸結合成更大和更規則的縮合芳香頁片，定向有序排列，故引起其反射率升高。Dow(1977)提出鏡質體反射率的對數值(lgRo)與埋深呈線性關系。干酪根的類型不同，其各成熟階段Ro值也有一定差別，如圖5－41所示。Ro＜0.5%～0.7%為成巖作用階段，生的烴未成熟;0.5%～0.7%＜Ro＜1.1%～1.3%為深成作用階段的成油主帶;1.1%～1.3%＜Ro＜2%為深成作用階段的高成熟凝析油和濕氣帶;Ro＞2%為準變質作用階段，為只產甲烷的干氣帶。

鏡煤反射率法的缺點是腐泥型干酪根中缺乏鏡質組。另外還需注意富氫鏡質組、再沉積的鏡煤和構造運動以及火成巖的影響。用Ro表征成熟度方法，主要限于晚古生代以來碎屑巖系。

2.孢粉和干酪根顏色法

在顯微鏡透射光下，孢子、花粉和其他微體化石隨成熟度作用的增強而顯不同顏色。未成熟階段為淺黃至黃色，成熟階段為褐黃至棕色，過成熟階段為深棕至黑色。Staplin(1969)和Correia(1971)提出了熱變指數(TAI);Barnard(1977)提出了色變指數(CAI)。

干酪根顏色的應用實例如圖5－42所示，加拿大不列顛哥倫比亞省和鄰近的西北中泥盆統碳酸鹽巖，只產干氣，而石油和濕氣則產自東部的西北阿爾伯特。干酪根顏色的變化反映了因埋藏歷史不同而引起的成熟度差異。

圖5－42 成熟度與干酪根顏色的關系(據Staplin，1969)

3.巖石熱解法

利用巖石熱解分析資料中S1/(S1+S2)和熱解峰溫Tmax(℃)兩個參數可確定烴源巖的未成熟帶、成油帶和成氣帶(圖5－43)。采用巖石熱解法確定的界限，也會因干酪根的類型不同而異，需配合氫指數(IH)和氧指數(IO)以及其他方法給出的類型參數分析。

4.可溶有機質的化學法

(1)演化曲線

根據氯仿瀝青A、總烴含量和氯仿瀝青A/有機碳、總烴/有機碳等轉化率繪制隨深度的演化曲線，這些曲線可反映有機質的成熟度隨深度的變化。

(2) C2—C6輕烴

C2—C8輕烴數量和組成能很好地判斷烴源巖中有機質的成熟度。因為，C2—C8不是生物合成的，而是干酪根熱降解的產物。C2—C8中的烷烴、環烷烴和芳烴的相對含量隨成熟度的增加而發生有規律的變化，如庚烷值=正庚烷/(80.7～100.9℃之間C7—C8的鏈烷烴和環烷烴的餾分)×100%與溫度作圖則有正相關關系(圖5－44)。而異庚烷值=(2－甲基己烷+3－甲基己烷)/二甲基戊烷，也與溫度有正相關性。

圖5－43 利用巖石熱解分析資料中S1/(S1+S2)和熱解峰溫Tmax(℃)確定烴源巖的成熟度(據Espitalié等，1977)

圖5－44 墨西哥五口非生產井的庚烷值與最大溫度的關系(據Thompson，1979)

圖5－45 沉積物和原油的碳優勢指數的分布(據Bray＆Evens，1965)

(3) C+15烴類

Bray和Evens(1965)研究了近代沉積、古代沉積和原油中C+15奇數碳和偶數碳正烷烴的分布，發現有明顯的差別(圖5－45)。在近代沉積物中，C+15正烷烴主要來源于高等植物的蠟，具有明顯的奇數碳優勢。在古代成熟烴源巖和石油中，干酪根熱降解的烷烴不具此優勢，因而奇碳優勢逐漸消失，一般認為，生油高峰期，已不再有奇碳優勢。

Bray和Evens(1965)提出了碳優勢指數(CPI):

石油與天然氣地質學

Philippi(1965)提出了C29正構烷烴優勢指數:

石油與天然氣地質學

Scalan和Smith(1970)提出了5個碳數區間的奇偶優勢指數(OEP):

石油與天然氣地質學

隨著有機質成熟度的增加，上述CPI、R29和OEP值愈來愈接近1，并趨于穩定。

(4)環烷烴

隨埋深的增加，環烷烴的環數從以三－四環為主變為以單－雙環為主。

(5)生物標志化合物

隨埋深和溫度的增加，干酪根熱降解的新生烴類使來自生物的烴類受到稀釋，與其相鄰的正烷烴比較，其含量都隨成熟度的增加而減少，如姥鮫烷/正十七烷、植烷/正十八烷。

甾烷和藿烷的立體異構化，能十分有效地反映成熟度。甾烷指標如(5α－20S－C29)/(5α－20R－C29)，隨埋深的增加從0.3左右上升到1.0且穩定;重排甾烷/(5α(C27+C28+C29))，隨埋深的增加從0.1左右增加到1.0且趨于穩定。藿烷指標如18α(H)三降新藿烷/17α(H)三降藿烷(Tm/Ts)隨成熟度的增加從2.0左右降到1.0且趨于穩定;(βα－C30藿烷)/((αβ+βα)－C30藿烷)隨埋深從0.2左右增加到約0.7。

上述各種確定烴源巖有機質成熟度的方法綜合使用最有效，而且還需考慮有機質類型的影響。在實際工作中應隨深度系統取樣，進行測試分析，將數據和結果作出與埋深的關系圖表。圖5－46和圖5－47是各種成熟度指標綜合應用時的對應情況。

(四) 成熟度標尺和TTI

在烴源巖的熱演化成烴過程中，有機質的許多物理性質和化學性質被改變，并可作為成熟度標志如Ro、孢粉顏色和煤階等。為估算和評價有機質的成熟度，許多學者根據這些性質與烴源巖的埋藏時間和溫度史，用數學模型建立了各種數字化的熱成熟度標尺和計算圖表，如Karwell(1955)、Teichmüller(1971)、Bostick(1971)、Cooper(1977)等提出了鏡質體反射率與溫度和時間的關系圖。Hood(1975)提出了有機質變質水平(LOM)的成熟度標尺。Royden(1980)提出C標尺等等。

為定量預測烴源巖中有機質的成熟度，Lopatin(1971)和Waples(1980)根據溫度每增加10℃，干酪根熱降解成烴的反應速率增加1倍并與時間呈線性關系，而且有機質成熟度效應是累加的、不可逆的等原理，提出并改進了時間－溫度指數(TTI)的有機質成熟度預測方法，從而得到了極為廣泛的應用。Wood(1988)根據有機質化學反應的動力學原理提出了ArrheniusTTI法。應用Lopatin和Arrhenius法TTI(TTIARR)的關鍵問題是要忠實地重建沉積盆地的埋藏歷史和受熱溫度史。關于TTI的計算和對烴源巖的評價將在實習中仔細講解。

圖5－46 干酪根分析所得各成熟指標的對應情況據Tissot等，1978)

圖5－47 據瀝青的組成和豐度所得各成熟指標的對應情況(Tissot據Durand改編，1978)

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