中上揚子五峰組頁巖有機質豐度恢復及評價

李志鵬

(中石化勝利油田分公司，山東 東營 257061)

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中上揚子五峰組頁巖有機質豐度恢復及評價

李志鵬

(中石化勝利油田分公司，山東 東營 257061)

通過室內實驗和理論推導，提出一種基于有機質類型和鏡質體反射率的有機質豐度恢復新方法。對中上揚子五峰組高、過成熟烴源巖進行了有機質豐度恢復，五峰組頁巖平均有機碳含量為7.45%，平均生烴強度為0.96 t/m2。利用有機質類型、原始有機碳含量和生烴強度對烴源巖進行綜合評價，明確五峰組頁巖為有機質類型好、豐度高、厚度薄、生烴強度低的中等烴源巖。為同類海相頁巖氣資源量估算和評價提供借鑒。

烴源巖；恢復系數；原始有機質豐度；五峰組；中上揚子地區

引 言

中國南方存在4套區域性主力烴源巖層，分別為：下寒武統、下志留統、下二疊統和上二疊統。另存在上震旦統陡山沱組、上奧陶統、下奧陶統、中泥盆統、下石炭統、下三疊統及上三疊統—下侏羅統等7套區域性烴源巖層[1]。前人對4套區域性主力烴源巖層做了大量而詳細的工作[2-4]，提出高演化程度烴源巖的評價必須對其進行原始有機質豐度的恢復，即恢復其鏡質體反射率(Ro)在0.5左右的有機質豐度[5]。目前有機質豐度恢復的方法總結起來共存在4大類：自然演化剖面法、熱模擬實驗法[6-7]、譜學類型模型法[8]和理論計算法，其中理論計算法主要包括元素模型法[8]、熱降解法[9-10]和物質平衡恢復法[11]。本文以熱降解法為指導思路，借鑒前人[12-19]的部分研究成果和室內實驗，提出了利用有機質類型和鏡質體反射率進行原始有機碳含量恢復的方法，并利用該方法對中上揚子地區上奧陶統五峰組頁巖進行了原始有機碳含量的恢復，計算其生烴強度，并對五峰組頁巖進行綜合評價，為中國南方頁巖氣資源量的估算和評價提供借鑒。

1 巖性特征

中上揚子地區五峰組厚度為1.8～52.4 m，平均為11.1 m。巖石類型簡單，主要包括頁巖和硅質巖，另外在四川盆地中東部和湖北崇陽—江西武寧地區五峰組頂部存在厚度為1.0 m左右的觀音橋段粉砂巖和生物屑顆粒灰巖。縱向上頁巖和硅質巖呈不等厚互層狀，頁巖呈灰黑色，富含筆石和放射蟲，含一定的硅質成分，是五峰組烴源巖的主要巖性。硅質巖主要由自生硅質礦物組成，一般為黑色薄層狀，部分地區含一定泥質成分和浮游生物，主要是筆石和放射蟲，泥質硅巖和含生物硅質巖是五峰組的次要烴源巖。五峰組頂部觀音橋段的薄層粉砂巖及少量生物屑顆粒灰巖，在一定條件下可以作為儲集巖層(圖1)。

2 烴源巖綜合評價

2.1 有機質類型及熱演化程度

2.1.1 有機質類型

騰格爾[12-13]對中上揚子地區的重慶城口、南江剖面和湖北龍山—來鳳剖面的五峰組烴源巖進行了有機地球化學指標的測量(表1)，發現五峰組的δ13C小于-27.50‰，屬腐泥型有機質，Ⅰ型有機質。3條剖面所處平面位置不同，城口和南江剖面位于中上揚子地區的北緣，龍山—來鳳剖面位于中上地區的中部。中上揚子地區五峰期沉積環境穩定[14-15]，巖性組合(硅質頁巖、泥質硅質巖)和生物組合(筆石、放射蟲)基本相同。綜上，城口、南江和龍山—來鳳地區的五峰組有機質類型可以代表整個中上揚子地區五峰組烴源巖的有機質類型。

圖1 中上揚子地區五峰組地層特征

剖面層位TOC/%氯仿瀝青“A”/10-6S1+S2/(mg/g)δ13C干酪根/‰城口五峰組1.37～4.76444.76～552.692.86～3.65-30.23～-30.50南江五峰組2.05～3.6434.60～55.200.02～0.04-29.61～-29.70龍山—來鳳五峰組1.73～3.1237.89～49.940.00～0.02-29.26～-29.55

2.1.2 熱演化程度

此次測量的26塊反映五峰組烴源巖熱演化程度的樣品的鏡質體反射率(Ro)為0.9%～2.9%，平均為1.7%。鏡質體反射率平面分布存在3個特點：古陸周圍鏡質體反射率低；自中部向南北盆地邊緣鏡質體反射率降低；西部鏡質體反射率高于東部。熱演化程度方面，中上揚子地區五峰組烴源巖都已經成熟，過成熟烴源巖出現在中上揚子地區的西部中央，高成熟烴源巖主要分布在中上揚子地區的東部和西部，圍繞過成熟烴源巖分布，低成熟期烴源巖分布范圍小，主要發育在靠近南部古陸的張家坪、燕子口地區和北部的建陽坪地區。目前五峰組大部分地區烴源巖已經完成了大量的生排烴過程，主要處于熱裂解生氣階段和生烴枯竭階段(圖2a)。

圖2 中上揚子五峰組鏡質體反射率及殘余有機碳含量

2.2 有機質豐度

2.2.1 殘余有機碳含量

通過對26塊采集樣品的殘余有機碳含量測定，發現中上揚子地區五峰組殘余有機碳含量高，為1.36%～6.78%，平均為3.12%。最高出現在觀音橋地區，殘余有機碳含量達到6.78%。小于1.00%的區域主要分布在靠近古陸的西南部(圖2b)。總體上，西部殘余有機碳含量以觀音橋為中心向四周降低，東部存在道子廟—分鄉—大沙坪—新開嶺的一條殘余有機碳含量低值帶，向兩邊殘余有機碳含量增加。

高演化烴源巖的有機質已完成大量的生排烴過程，目前有機碳含量為完成生排烴后的殘余有機碳含量，已基本失去了生烴能力，殘余有機碳含量不能反映高演化烴源巖的真實品質。所以對高演化烴源巖必須進行原始有機質豐度的恢復，恢復其低成熟階段的原始有機碳含量，利用原始有機碳含量才能對高演化烴源巖進行更客觀的評價。

2.2.2 原始有機碳含量

2.2.2.1 有機質生烴率與鏡質體反射率的關系

生烴率(G)是指烴源巖熱演化到一定程度時，每克有機碳生成烴類的質量，生烴率在熱演化過程中是不斷增加的，主要受有機質類型和熱成熟度2個指標的影響。利用熱模擬實驗結果，回歸了有機質生烴率與鏡質體反射率之間的關系(圖3)。發現存在以下特點。①當Ro達到0.5時有機質才具有明顯的生烴率，既當Ro達到0.5時各型有機質才開始規模生烴；②有機質從生烴開始到生烴結束，G與Ro的關系可分2個階段：A階段，G隨Ro的升高大幅度增加，此階段G與Ro的對數呈線性關系，為有機質大規模的生排烴階段，是干酪根熱分解生烴階段；B階段，G隨Ro的升高變化不大，此階段G與Ro呈近水平的線性關系，是干酪根的熱裂解階段，主要是前期生成的烴類熱裂解為分子更小的烴類，而在生烴量上增加不多；③從Ⅰ型(腐泥型)有機質到Ⅲ型(腐殖型)有機質，A階段斜率逐漸減小而B階段斜率有所增加，說明自Ⅰ型有機質到Ⅲ型有機質早期生烴能力不斷減小，而后期生烴能力有所增加，這是Ⅲ型有機質后期生氣能力的表現；④從Ⅰ型有機質到Ⅲ型有機質A階段的Ro寬度增加，自Ⅰ型有機質的0.5%～1.3%增加到Ⅲ型有機質的0.5%～1.8%，Ro寬度增加了0.5%，這主要受自Ⅰ型有機質到Ⅲ型有機質熱裂解需要的能量越來越高，難度越來越大的影響。

圖3 生烴率與鏡質體反射率的關系

通過以上分析發現各型有機質的生烴率與Ro的關系符合有機生油理論規律，可以利用數學方程組表示為：

(1)

式中：b、c、m、n為系數；G為生烴率，mg/g；Ro為鏡質體反射率，%。

2.2.2.2 殘余降解率與鏡質體反射率的關系

降解率(D)是烴源巖中具生烴能力的有效有機碳占烴源巖總有機碳的百分數，可分為原始降解率(Dy)和殘余降解率(Dc)。原始降解率是指烴源巖在未成熟階段所具有的最大潛在降解率，殘余降解率是烴源巖熱演化到一定程度時剩余的潛在降解率。原始降解率主要受有機質類型的影響，與成熟度關系不大，程克明等[5]通過實驗得出Ⅰ型有機質的原始降解率在50%以上，最高可達70%。殘余降解率主要受有機質類型和成熟度的雙重控制，隨著烴源巖的熱演化不斷降低。

據生烴率與降解率的定義，烴源巖的生烴率與降解率之間存在定量關系。烴源巖熱演化極限狀態下的生烴率(Gy)與目前狀態生烴率(G)之差，正是目前烴源巖中殘余有效有機碳能夠生成的殘余烴量與總有機碳的比值，而烴源巖中的殘余有效有機碳與總有機碳之比正是烴源巖的殘余降解率。

(2)

式中：a為有效碳向烴類轉換的轉換系數，該系數各個地區不同，主要與有機質類型有關；Gy為烴源巖熱演化極限狀態下的生烴率，mg/g；G為目前狀態下烴源巖的生烴率，mg/g。將式(1)和式(2)聯立，可以得到殘余降解率(Dc)與鏡質體反射率(Ro)之間的關系為：

(3)

2.2.2.3 原始有機碳含量恢復

程克明等[5]提出了烴源巖原始有機質豐度的熱降解恢復方法，有機碳含量恢復系數Rc為：

Rc=(1-Dc)/(1-Dy)

(4)

根據式(3)和式(4)，結合不同有機質類型的原始降解率Dy，可以利用有機質的鏡質體反射率Ro計算烴源巖原始有機碳含量的恢復系數，進而對烴源巖的原始有機碳含量進行恢復。

中上揚子地區五峰組烴源巖的有機質類型為Ⅰ型有機質，取原始降解率為60%，利用上述方法對中上揚子地區五峰組烴源巖的原始有機碳含量進行了恢復。恢復系數為2.10～2.46，平均為2.40。

恢復五峰組原始有機碳含量為3.18%～16.54%，平均為7.45%，原始有機碳含量非常高。中上揚子地區西部原始有機碳含量的分布特征與殘余有機碳含量的分布特征相似，以重慶觀音橋為中心向四周減小，觀音橋地區最高達到16.54%；在東部與殘余有機碳含量的分布特征存在差別，主要受鏡質體反射率差異的影響(圖4a)。

圖4 中上揚子五峰組原始有機碳含量和生烴強度等值線

2.3 生烴強度

烴源巖的生烴強度是評判烴源巖生烴能力的一個重要指標，對中上揚子地區五峰組烴源巖研究更為重要，因為其有機質豐度非常高且厚度薄，單從有機質豐度評價不能反映中上揚子地區五峰組烴源巖的真實條件。利用中上揚子地區五峰組烴源巖的原始有機碳含量、鏡質體反射率和生烴率，計算了到目前五峰組烴源巖的生烴強度。目前五峰組烴源巖已經完成了大量生排烴過程，累計生烴強度為0.13～5.20 t/m2，平均為0.96 t/m2，受九溪地區地層厚度最大(52.4 m)的影響，生烴強度最大出現在九溪地區。總體上，生烴強度較低，主要受五峰組烴源巖厚度薄(平均為11.1 m)的制約。根據商業油氣流生烴強度的標準(生烴強度大于1 t/m2)，中上揚子地區目前只有溪口—大塘口地區、雙河地區以及九溪—大沙坪—章山林場3個地區的生烴強度達到了商業油氣流標準(圖4b)。

2.4 烴源巖評價

綜合郝石生[10]、程克明等[8]提出的烴源巖綜合評價標準，提出了中上揚子地區五峰組烴源巖的綜合評價標準(表2)。中上揚子地區五峰組烴源巖具有有機類型好、有機質豐度高和烴源巖厚度薄的特點，受厚度薄的影響，生烴強度低。中上揚子地區五峰組烴源巖為Ⅰ型有機質，原始有機碳含量大于2.00%，絕大部分地區生烴強度小于2.00 t/m2，綜合3個單因素，認為中上揚子地區五峰組烴源巖為中等烴源巖。

表2 中上揚子地區五峰組烴源巖綜合評價

3 結 論

(1) 建立并分析了生烴率與鏡質體反射率的關系，提出了描述兩者之間關系的數學模型，理論推導了殘余降解率與鏡質體反射率之間的數學關系式，結合熱降解有機碳含量恢復法，提出了利用有機質類型、鏡質體反射率和殘余有機碳含量進行高、過成熟烴源巖原始有機碳含量恢復的方法。

(2) 中上揚子地區五峰組烴源巖有機質類型為Ⅰ型(腐泥型)。殘余有機碳含量高，為1.36%～6.78%，平均為3.12%。原始有機碳含量更高，為3.18%～16.54%，平均7.45%。烴源巖厚度薄，為1.8～52.4 m，平均為11.1 m。

(3) 中上揚子地區五峰組烴源巖的有機質類型和原始有機碳含量屬好烴源巖，受厚度薄的影響，生烴強度低，為0.13～5.20 t/m2，平均為0.96 t/m2，綜合判定為中等烴源巖。

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編輯 張 雁

20140916；改回日期：20150120

國家科技重大專項 “復雜油氣藏精細表征與剩余油分布預測”(2009ZX05009—003)

李志鵬(1983-)，男，工程師，2006年畢業于長江大學資源勘查工程專業，2012年畢業于中國石油大學(華東)地質資源與地質工程專業，獲博士學位，主要從事石油勘探與油藏描述方面的研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2015.02.003

TE121.1

A

1006-6535(2015)02-0013-05