對烴源巖評價的幾個問題的深入探討

石記鵬 趙長毅 劉海濤 李傳明

1. 中國礦業大學（北京） 2. 中國石油勘探開發研究院

0 引言

自20世紀法國地球化學家蒂索B.P等提出“干酪根熱降解晚期生油學說”以來[1-2]，圍繞烴源巖的研究一直是地質工作者分析盆地和區帶油氣勘探前景的一項重要工作。油氣是從烴源巖中生成并排出的，排出的油氣經過運移聚集成藏，便能成為可供人類開發利用的寶貴資源，烴源巖作為一種“源”的問題，在尋找油氣工作中的地位毋庸置疑，烴源巖評價的內容主要圍繞烴源巖有機質豐度、有機質類型和成熟度三個方面展開，宏觀上還要對烴源巖的分布與厚度進行評價和預測。目前關于烴源巖的評價方法從有機地球化學、有機巖石學、地震與測井資料以及層序地層學等方面均有涉及，各種方法交相輝映，但由于地質條件的復雜性，實際烴源巖評價中依然存在這樣或那樣的問題，給研究工作帶來很大困擾。筆者根據大量文獻調研，綜述了近年來關于烴源巖評價的最新進展，提出幾點值得思考的意見。

1 烴源巖標準與豐度下限問題

當前地質學家們對烴源巖的判別標準主要存在兩種觀點，Tissot等[3]（1978）、張厚福等[4]（1989）認為烴源巖主要是指能夠生成或已經生成油氣的沉積巖 ；而 Hunt等[5]（1979）、王啟軍等[6]（1988）認為烴源巖應是曾經產生并排出足以形成工業性油氣聚集的細粒沉積巖。目前學者采用更廣泛的是前者的觀點，烴源巖即指那些可生成或已經生成油氣的沉積巖。而后者的觀點更加強調烴源巖生烴對油氣藏的貢獻，與有效烴源巖的概念相當。在對一個地區的油氣分布進行研究時，有越來越多的學者主張考慮烴源巖的有效性因素[7-9]。事實上，只要是含有有機質的巖石，在達到一定成熟度后就能生烴，而作為有效烴源巖的關鍵，在于有機質豐度達到什么標準下生成的烴類才能排出[10]，目前研究者普遍采用有機碳含量達到0.5%作為泥質烴源巖有機質豐度的下限（碳酸鹽巖烴源巖豐度下限標準尚有爭議），但在一定成熟度下，有機碳含量達到0.5%能否有效排烴的問題還有待研究，烴源巖能否排烴受有機質豐度、有機質類型和成熟度以及烴源巖層系的巖性組合等諸多因素影響。實際工作中，為了便于研究和應用，一般以有機碳含量指標作為有效烴源巖的判別標準，烴源巖有機碳含量是根據巖石中與有機質相關的碳元素含量來表示的，由于烴源巖排烴作用的影響，實測值僅代表巖石中剩余有機碳含量，目前主要通過有機碳分析儀和巖石熱解分析儀（Rock-EvalⅢ）進行測量，有機碳分析儀的測量值稱為殘余有機碳含量，巖石熱解分析儀的測量值常稱為總有機碳含量（TOC）。

高崗等（2012）提出了一種通過有機碳含量（TOC）與熱解參數S1之間的關系確定烴源巖的有機質豐度下限的辦法[11]，巖石中殘留烴的含量可以用熱解參數S1來表示，對于已生烴但烴類未排出的巖石，S1代表其生烴量，對于生烴且烴類有排出的巖石，巖石自身被烴類飽和，S1代表巖石殘留烴類能力的極限值，此時S1隨有機碳含量的增加保持在一個相對穩定的數值，這樣就可以把巖石殘留烴極限值S1對應的最小有機碳含量作為有效烴源巖的豐度下限，巖石的生烴量和殘留烴類能力極限值的差即為排烴量。在實際應用中，對于未熟—成熟烴源巖，這種方法取得了較好的應用效果，但對于高演化階段的烴源巖，由于巖石中殘留烴類的裂解，導致烴類含量的降低，此法就不適用了。事實上，對一個地區烴源巖的有效性進行研究是非常必要的，通過確定其有機質豐度下限，劃分有效烴源巖的判別標準，尤其是為油氣藏或資源評價服務的研究更應該建立有效烴源巖的概念，從而使研究工作更具針對性。

2 烴源巖有機質豐度

油氣有機成因理論認為，油氣來源于烴源巖中的有機質，烴源巖中的有機質是油氣形成的物質基礎。因此，判斷烴源巖好壞的一個基本依據就是烴源巖中所含有機質的多少。烴源巖有機質豐度通常采用總有機碳（TOC）、氯仿瀝青“A”、總烴（HC）等參數表示。其中總有機碳（TOC）是衡量烴源巖有機質豐度的最常用指標。目前關于烴源巖豐度的評價標準基本上獲得了較統一的認識，但仍有幾點技術或認識上的問題值得深究。

2.1 烴源巖生烴潛力的判定

對于烴源巖豐度采用過于簡單直接的慣性思維，單純地以有機碳含量的高低來評價烴源巖的生烴潛力，忽略了有機質類型、成熟度Ro等其他指標對烴源巖評價的重要影響。有機碳含量是單位體積沉積巖中總有機質數量的指標，該值表示的是有機質的數量而不是質量，一般來說烴源巖中有機質的多少反映了烴源巖生烴潛力的大小，好的烴源巖具有較高的有機碳含量，但實際情況下，即使有機碳含量相同的烴源巖，生烴潛力可能會存在很大差異，由于組成有機質的成分不一，如石墨或絲質體的顯微組分，其有機碳質量分數近100%，但沒有生烴潛力，而藻類體有機質可生成的烴類80%～90%能夠運移形成油氣資源，因此，有機碳含量本身并不是衡量巖石生烴能力的絕對指標[12]．生烴的有機質的碳必須與氫相聯系，與碳相關的氫越多，其生成的烴越多。另外，評價烴源巖好壞的另一個關鍵因素是有機質成熟度，據前人大量煤巖模擬實驗的研究，Ro>2%時已不再新生烴氣，基本已喪失生烴能力[13]。

2.2 烴源巖有機碳含量的恢復

對于高—過成熟的烴源巖是否有必要恢復初始有機碳含量眾說紛紜。烴源巖熱演化進程中，隨著埋深和地溫的不斷增加，源巖中的有機母質逐漸向油氣轉化，起先轉化量較小，此時烴源巖中生成的油氣被自身所限，隨著熱演化的進行，油氣大量生成并從烴源巖中排出，導致烴源巖中有機質總量的減小。鑒于此，不少學者認為由于生烴損耗，烴源巖有機碳含量必然隨成熟度增加而減少。主張對高—過成熟階段碳酸鹽巖烴源巖的有機質豐度進行恢復。根據郝石生等[14]（1984,1996）、程克明等[15]（1996）提出的恢復方法和公式，認為高—過成熟的有機碳恢復系數介于2.0～3.0。夏新宇等[16]的研究認為即使液態烴的生排烴系數不低于50%，其有機碳的恢復系數也不應當高于2.0。王飛宇等[17]通過定量計算有機質成熟過程中芳碳和脂碳演化結果，認為對于類型好且成熟度較高烴源巖，理論上有機碳恢復系數最大也只接近1.8。

而梁狄剛等（2000）、鐘寧寧等（2004）、張水昌等（2002，2004）、陳建平（2012）等認為一般不需要對烴源巖有機碳進行恢復[18-23]。鐘寧寧等認為烴源巖有機碳含量的變化同時受源巖中有機物質和無機物質兩方面因素的影響，應在烴源巖有機—無機物質的平衡關系中討論有機碳含量值的變化，并根據有機碳損失率（DTOC）的變化來衡量烴源巖生排烴過程對有機質含量的影響。結果發現，烴源巖在生排烴效率很低時，有機碳損失率都為負值（圖1），即烴源巖處于“增碳”進程中，有機碳含量不減反增。以煤為例，在成熟演化歷程中，盡管發生了明顯生排烴效應，但相對于龐大的有機質數量而言，它的生排烴效率很低下，有機碳含量增加。對于混合型干酪根類烴源巖，成熟度演化過程中“增碳”或“減碳”視其生排烴效率而定，但總體變化幅度不大。只有腐泥型有機質烴源巖，在生排烴效率良好情況下，有機碳損失率才會發生顯著變化，此條件下，恢復其初始有機碳含量顯得尤為必要[22]。陳建平等也認為有機碳含量反映的是烴源巖有機質的相對含量，雖然烴源巖生排烴過程中有機質總量在不斷減小，但同時也會導致部分水和其他無機物質發生損耗，生烴過程不一定會導致有機碳含量的降低[23]。

圖1 生排烴效率對有機碳變化率的影響圖（據鐘寧寧改）[21]

2.3 烴源巖的非均質性

由于實際地質條件下烴源巖是非均質的，通過有限巖樣地化分析結果表征某一烴源巖層系有機質豐度特征的方法存在一定的技術缺陷。據研究，沉積作用下烴源巖的有機質含量在垂向和側向上變化較大，相比含腐泥型干酪根為主的淡水湖相烴源巖，含混合型或腐殖型干酪根的三角洲相烴源巖在垂向及側向上的變化更加明顯[24]。在幾百mm的深度變化范圍，烴源巖有機碳含量也可能發生超過一個數量級的變化（圖2）[25]。這種變化也反映了烴源巖沉積環境的改變。

圖2 美國東南部早阿爾必階總有機碳變化圖

Passey等通過分析Exxon/Esso公司測井評價有機碳含量的成果提出了測井資料評價法。測井資料評價法可以對烴源巖進行識別并計算其有機碳含量，根據測井響應曲線與地質特征之間的對應關系，將孔隙度測井響應曲線（聲波、中子、密度）與電阻率測井響應曲線疊合，實際常采用聲波時差與電阻率曲線疊合的方式，聲波時差以算術坐標表示，電阻率以對數坐標表示，保持每兩個電阻率對數坐標刻度對應聲波時差100 μs/ft（注：1ft=0.304 8 m，下同）間隔的方式將兩條曲線疊合，定義在細粒的非烴源巖層段兩條曲線“軌跡”一致或恰好重疊時為基線，兩條曲線的間距記為ΔlgR。低成熟烴源巖中，ΔlgR主要由聲波測井曲線響應造成的，而成熟度較高烴源巖中，孔隙中烴類物質的存在導致電阻率增加，ΔlgR受聲波測井曲線和電阻率曲線雙因素的影響[26]。

根據ΔlgR計算有機碳含量的經驗公式為：

式中wTOC表示泥質烴源巖總有機碳含量；ΔlgR表示分離曲線間隔在對數電阻率坐標上的讀數；Lom表示成熟度標尺。

Passey等提出的測井資料評價法可以得到烴源巖有機碳含量縱向的連續變化曲線，可以解決烴源巖的非均質性問題。但測井資料評價法也存在一定的技術缺陷，在測井資料評價法模型中對基線的定義意味著基線段的細粒烴源巖是不含有機質的，但實際情況下，所有的碳酸鹽巖和泥巖中均會含有一定量有機質，國內許多學者如王貴文等（2002）、朱振宇等（2003）、胡慧婷等（2011）、劉超等（2014）對測井資料評價法模型存在的一些問題進行過研究修正[27-30]。霍秋立等（2011）、郭澤清等（2012）應用改進的測井資料評價法對松遼盆地青山口組、柴達木盆地三湖地區烴源巖進行有機碳含量研究，結果表明通過改進的測井資料評價法計算有機碳含量與實測有機碳含量之間表現為較好的相關性（圖3），基于測井方法計算有機碳含量的結果是可靠的[31-32]。

圖3 三湖地區澀3-2-4井有機碳計算值與實測值對比圖（據郭澤清等）[32]

綜合認為，根據有機碳含量評價烴源巖豐度特征時，應考慮烴源巖沉積環境的影響，并與測井方法相結合，通過測井資料評價法獲得有機碳含量的縱向連續變化曲線，并與實測值進行對比分析，從而彌補烴源巖非均質性問題對烴源巖豐度特征評價的影響。

3 烴源巖類型

烴源巖有機質豐度體現的是單位烴源巖中有機質的數量多少，而有機質類型則是烴源巖評價中另一個重要參數質量的體現。大量研究表明，相同有機質豐度和成熟度的烴源巖的生烴潛力也可能會有顯著不同。蒂索B.P等（1978）提出將干酪根劃分為Ⅰ腐泥型、Ⅱ混合型、Ⅲ腐殖型三類，腐泥型干酪根富氫貧氧，腐殖型干酪根富氧貧氫，混合型干酪根氫氧含量介于兩者之間[33]。我國一般采用的干酪根類型劃分標準是依據楊萬里等（1981）提出的三類四分法[34]以及黃第潘等（1984）提出的三類五分法[35]。用于判別干酪根類型的方法眾多，目前，常用的方法有干酪根顯微組分、元素分析、干酪根熱解參數三種，碳同位素、飽和烴氣相色譜等實驗方法使用相對較少，在此不做贅述。

3.1 干酪根顯微組分法

干酪根顯微組分法是根據干酪根中各顯微組分（腐泥組、殼質組、鏡質組及惰質組）的相對百分含量為依據，通過計算干酪根類型指數（IT）來判別干酪根類型。

式中IT表示干酪根類型指數；wS表示腐泥組組分占總組分的相對百分含量；wE表示殼質組組分占總組分的相對百分含量；wV表示鏡質組組分占總組分的相對百分含量；wI表示惰質組組分占總組分的相對百分含量。

事實上，正是干酪根的顯微組分特征決定了干酪根的類型，而顯微組分法就是對干酪根的顯微組分進行的直接觀測，理論上是一種直接有效的方法。具有受熱演化程度影響小，易于進行的優點。但顯微組分與生烴量之間并不具備嚴格的對應關系，如干酪根中具有不同成因的無定形體，其生烴能力有好有壞，實際情況下會干擾對干酪根類型的界定[36]。而且在制備干酪根的過程中也會破壞原始有機質的產狀和結構，在鏡下進行描述和鑒定時受人為因素的影響，結果也會產生偏差。此外，顯微組分的鑒定和描述主要適用于Ro<1.4的烴源巖，對于更高成熟度的烴源巖并不適用。

3.2 元素分析法

干酪根主要是由C、H、O以及少量的N和S等元素組成的，干酪根中的不同有機質的C、H、O比例不同，因此可以根據干酪根的元素組成特征來劃分干酪根的類型，元素分析法也稱范式圖法，是根據干酪根中H/C和O/C在范式圖中的分布位置確定干酪根類型的一種方法，該法可以較為直觀地反映干酪根的類型，也在一定程度上反映了干酪根的熱演化程度，是目前應用較多的一種確定干酪根類型的方法。但應當注意的是，在干酪根的制備純化過程中可能會造成不同顯微組分的選擇性富集，提取出的干酪根樣品與原始干酪根樣品之間存在一定的差異，導致分析的結果也存在一定誤差。同時干酪根中黃鐵礦、重金屬氧化物與難溶硅酸鹽的存在，也會影響對于氧和硫元素的準確測定[32]。另外當演化程度較高時，烴類物質的生成排出會消耗干酪根中的氫元素和氧元素，在范式圖上表現為不同類型干酪根的演化曲線逐漸向原點收縮，演化路徑趨于一致。李春鵬等（2016）針對這個問題提出了一種成熟—過成熟階段干酪根類型的識別方法[37]，該法推導出烴源巖有機質熱演化過程的數學表征，將未成熟—低成熟階段的有機質樣本轉換到成熟—過成熟階段，建立了不同類型有機質的氫指數與氧指數的分布函數，并通過線性組合方法計算成熟—過成熟階段不同類型有機質所占比重，據此識別成熟—過成熟烴源巖有機質類型，在實際應用中也具有較好的可行性，但此法是基于范式圖干酪根類型曲線函數的數學分析推導，實際情況下可能會出現偏差。此外，申家年等提出一種根據干酪根有機元素H/C、O/C直接計算干酪根類型指數的計算公式[38]，與以往有機元素法不同的是，該法的計算結果為一數值，擬合的目標也不是范式圖，而是干酪根類型指數（IT），可根據擬合結果判斷干酪根類型，雖然采用的是有機元素數據，但與干酪根類型指數法的評價結果更相近，因此可以作為干酪根類型指數法的補充。不過，受限于數據來源問題，該法提出的計算公式尚需檢驗。

3.3 干酪根熱解

元素分析法需要大的巖石樣品，并需要從巖樣中抽提出干酪根樣品，費時且昂貴，相比之下另一種評價方法——熱解參數法，能對干酪根類型做出更加快速定量的評價。基于溫度可以彌補時間對烴源巖生烴的地質效應理論，通過控制溫度，在短時間內即可模擬烴源巖地質條件下百萬年的熱演化歷程，通過分析巖石熱解圖譜即可獲得一系列重要的熱解參數，再根據熱解參數判斷干酪根類型。常用來評價干酪根類型的熱解參數有氫指數（IH）、熱解峰溫（Tmax）和類型指數（S2/S3）。需要注意的是，干酪根熱演化程度較高時，熱解參數也會發生變化，因此對成熟度較高的干酪根類型，該法并不適用。在熱解過程中，巖石樣品中無機礦物基質的存在會干擾熱解參數的測定。另外，當烴源巖中有機質豐度較低時，黏土類礦物對熱解氣態烴的吸附作用也會對熱解參數產生較大影響[35]。

應該看到的是，各種評價烴源巖類型的研究方法都有一定的局限性，采用不同的研究方法可能會得到不一致的評價結果，尤其是當有機質演化程度較高時，烴源巖類型的判斷就顯得更加困難，僅憑一種方法往往難以做出準確判斷。因此筆者認為在對烴源巖類型進行評價時，較恰當的做法應是輔以烴源巖的沉積環境，盡量選擇新鮮、未熟—低熟的烴源巖樣品為研究對象，對于界限模糊的干酪根類型，最好采用不同研究方法進行相互印證。

其實，換一種角度來思考，盧雙舫等認為自然界中干酪根的類型常常是難以準確辨識的[39]，對腐泥型、混合型、腐殖型干酪根的劃分純屬人為，帶有許多主觀因素，因此提出用一種方法將干酪根類型數值化，干酪根類型數值化就是根據干酪根生烴潛力的大小賦予其不同的數值，對于標準的腐泥型、混合型、腐殖型干酪根分別設置100、50、0三個數值，在干酪根類型劃分的基礎上，通過0～100之間的數值來對應其生烴潛力。但該方法目前還處于一種嘗試階段，在實際應用中需要依托大量資料的統計分析來實現，其效果和意義猶待研究實踐。

4 成熟度

烴源巖有機質豐度和類型的評價是針對烴源巖中有機質數量和質量參數的研究，而對烴源巖有機質熱演化進程的研究則需要另一個參數成熟度來表示，以烴源巖百萬年時間的演化為進度，成熟度代表了在其演化進度上的某一節點。用以表示烴源巖成熟度的參數有很多，如鏡質體反射率（Ro）、巖石熱解最高峰溫（Tmax）、孢粉顏色指數（SCI）、牙形石色變指數（CAI）等，還可以根據生物標志物特征對烴源巖成熟度做定性推斷。鏡質體反射率（Ro）表征烴源巖的成熟度是目前研究中應用最廣泛的一種方法。鏡質體是植物細胞壁上的纖維素和木質素通過熱蝕變形成的煤巖組分，在許多干酪根中都有發現。隨溫度的增加，干酪根發生了一系列復雜、不可逆的芳構化反應，致使反射率增高。最初鏡質體反射率（Ro）在煤巖學中被應用于確定煤階，Teichmuller（1950）將其推廣到確定沉積巖中分散有機質的成熟度，由于鏡質體反射率（Ro）值變化具有不可逆性，可以量化表示有機質成熟度，也可以進行很好的橫向對比，這種方法逐漸在烴源巖成熟度評價中被廣泛應用，并成為國際上烴源巖成熟度評價中的一個重要指標。但該方法也存在一些技術上的不足，其中兩個主要問題：準確鑒定分散有機質中鏡質體的難度以及鏡質體反射率的抑制作用，都會導致鏡質體反射率結果出現失真現象。有研究表明，有機質類型越好的烴源巖，鏡質體反射率所受到的抑制作用越強[40-41]。而針對鏡質體反射率存在的抑制作用問題，目前較好的解決方法是通過有機質多組分顯微熒光探針分析技術（FAMM）對Ro進行校正，FAMM技術拋開了烴源巖對鏡質體的依賴，通過樣品中各種顯微組分的熒光強度I400（使用激光照射400 s后的熒光強度）與I0（初始熒光強度）的比值得出R（I400/I0），即為熒光變化比。將測出的值落在標準圖版上，通過分析實測點與“J”字形曲線的差異來判斷Io的異常情況（圖4），并對其做出校正。等效鏡質組反射率代表了樣品的真實成熟度，應為實測R值與校正值之和，可以根據鏡質組反射率和熒光參數進行互相檢驗。因此，對于烴源巖鏡質體反射率Ro被抑制或增強，以及鏡質體含量低或難以辨識引起的異常情況，采用FAMM技術校正的方法可以使實驗結果更可靠。

圖4 FAMM方法校正鏡質體反射率抑制圖

另外，鏡質體反射率也不適用于石炭紀之前沉積地層的烴源巖成熟度評價，鏡質體一般存在于石炭紀之后經歷了高等植物腐質化作用的沉積物[42]，這就限制了Ro的適用范圍。對于海相烴源巖，尤其是我國境內廣泛發育的早古生代海相碳酸鹽巖烴源巖，由于其沉積時期缺乏陸源高等植物的輸入，無法通過測定鏡質體反射率的方式來衡量烴源巖的成熟度。目前一般采用瀝青反射率（Rb）、鏡狀體反射率、動物（筆石、幾丁蟲、蟲牙等）有機碎屑反射率以及最高熱解峰溫（Tmax）等指標建立與鏡質體反射率的對應關系，據此判斷烴源巖成熟度情況[43]。此外，有研究者發現，鏡質體反射率也存在各向異性，當Ro<2.0%時，各向異性不明顯，當Ro>2.0%時，各向異性顯著增加，有可能會引起較大誤差。

不難看出，關于烴源巖的成熟度評價仍有許多值得注意的問題，尤其是對于有機質類型較好、熱演化程度較高的烴源巖更應該謹慎對待，對于Ro被抑制或增強的異常情況，采用FAMM技術對Ro值進行校正是很有必要的，對于高演化階段的烴源巖，因各向異性對Ro值的影響，選用Ro平均值是不恰當的，最好選擇一個較大值代表烴源巖成熟度。另外也要注意烴源巖的形成年代，過老烴源巖的成熟度評價應選用它法。

5 結論

1）不能簡單以有機質豐度高低作為判斷烴源巖好壞的指標，是否有必要恢復初始有機碳含量應根據烴源巖的類型和生排烴情況而定，烴源巖類型較好，排烴效率較高時，可以進行適當恢復。在地質條件下，烴源巖的空間分布具有非均質性，根據有限巖樣的地化分析結果忽略了烴源巖分布的非均質性，結合烴源巖的沉積環境和測井資料分析可以更真實地反映烴源巖的地下情況。

2）各種評價烴源巖類型的研究方法不可避免都有一定的局限性，尤其是當有機質演化程度較高時，僅憑一種方法往往難以做出準確判斷。研究時應參考烴源巖的沉積環境，盡量選擇新鮮、低熟—未熟的烴源巖樣品為研究對象，對于界限模糊的干酪根類型，最好采用不同研究方法進行相互印證。另外，將烴源巖類型數值化也是個很好的思路。

3）鏡質體反射率在某些情況下有可能被抑制或增強出現失真現象，可以采用FAMM技術對Ro值進行校正。高演化階段鏡質體的各向異性會對Ro值的結果造成影響，理論上應選用一個較大值才能更好地反映烴源巖成熟度情況。對于早古生代海相碳酸鹽巖烴源巖，由于缺乏鏡質體，可以采用瀝青反射率（Rb）、鏡狀體反射率、動物（筆石、幾丁蟲、蟲牙等）有機碎屑反射率以及最高熱解峰溫（Tmax）等指標來衡量烴源巖成熟度情況。

總之，當前有機地球化學分析方法用來評價烴源巖難免有些美中不足，而利用測井資料對烴源巖進行快速識別與評價的技術逐漸趨于成熟。可以預見，綜合地化資料的巖樣分析與地震測井資料的宏觀預測必然是將來烴源巖評價的一大趨勢。