淺談孢粉化石在油氣勘探中的應(yīng)用

薛雅倩 楊振京 寧凱 楊慶華 畢志偉

摘 要：孢粉是石油形成的原始物質(zhì)，二者聯(lián)系緊密。孢粉學(xué)在油氣的勘探、開發(fā)過程中應(yīng)用越來越廣泛。主要闡述了孢粉與油氣的有機(jī)成因，根據(jù)原油孢粉集合特征，判斷油源巖的孢粉時(shí)代和層位、生烴方向;根據(jù)孢粉化石的顏色，判斷生油母質(zhì)的成熟度等，以期為油氣勘探與開發(fā)提供一些基礎(chǔ)資料。

關(guān)鍵詞：孢粉化石;油氣勘探;油源巖;生烴方向

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，風(fēng)能、太陽能和核能等新能源不斷被開發(fā)和利用，但是世界能源消費(fèi)和化工原料的支柱仍然是石油和天然氣。孢粉（包括藻類、細(xì)菌）是石油形成的原始物質(zhì)，由于孢子花粉的外壁堅(jiān)固，在經(jīng)歷了熱解作用即有機(jī)質(zhì)轉(zhuǎn)化為油氣以及漫長的油氣運(yùn)移過程后，仍能保持原有的結(jié)構(gòu)和紋飾，所以能夠較為準(zhǔn)確地鑒定屬種，判斷油源巖時(shí)代及其形成環(huán)境[1]。原油中，孢粉的研究始于20世紀(jì)30年代，在20世紀(jì)50年代后引起普遍關(guān)注。桑德斯最先在羅馬尼亞和墨西哥等油田的原油中分離出了藻菌類植物的孢子。之后，美國、俄羅斯、印度、澳大利亞等國的孢粉學(xué)家們，都從本國油田的原油中先后分離出了硅藻和各種藻類孢子以及高等植物的花粉，以確鑿的證據(jù)支持了石油有機(jī)起源說。我國的原油孢粉學(xué)家們也從許多油田原油中分離出大量的孢粉，如楊惠秋等[2]在1973年從遼河油田原油中分離出23屬29種孢粉，探討了油源巖的問題。現(xiàn)在，隨著孢粉分析水平的提高，其在油氣勘探中的應(yīng)用越來越廣泛。本研究將探索孢粉與油氣的有機(jī)成因，根據(jù)原油孢粉集合特征，判斷油源巖的孢粉時(shí)代和層位;根據(jù)孢粉化石的顏色，判斷生油母質(zhì)的成熟度等，以期為油氣勘探與開發(fā)提供一些基礎(chǔ)資料。

1 ? ?孢粉與油氣的有機(jī)成因

現(xiàn)在具有一定規(guī)模的油氣田存在的首要條件是在地質(zhì)歷史時(shí)期，該地有大量生物有機(jī)體（動(dòng)植物和浮游生物遺體）的堆積與埋藏。這些生物遺體由于含有豐富的類脂或脂質(zhì)，當(dāng)它們處于無氧環(huán)境時(shí)會(huì)被細(xì)菌分解，并且在地?zé)帷囟群蛪毫σ约案鞣N物理、生物和化學(xué)因素的共同作用下，逐漸凝結(jié)成石油或揮發(fā)成天然氣。另外，眾多研究得出，植物孢子和花粉的孢粉素是由類胡蘿卜素和類胡蘿卜素酯組成的[3]，其氧化聚合物的基本化學(xué)結(jié)構(gòu)是由異戊二烯組成的，而石油中恰恰存在高濃度的異戊二烯[4]，這一研究成果更有力地說明了動(dòng)植物和浮游生物的遺體是石油的原料。BIRKS H J B等[5]曾指出，石油中除含有異戊二烯外，還含有高濃度的固醇類和五環(huán)三萜烯，進(jìn)一步說明了地層中的類脂是由植物類酯類、固醇類和五環(huán)三萜類與氫離子互換而來的。

王開發(fā)等[6]通過對向日葵（Helianthus Annuus）、松屬（Pinus）、玉蜀黍（Zea Mays）、白皮松（Pinus Bungeana）和嵩明省沽油（Staphylea Forrestii）等現(xiàn)代孢粉進(jìn)行了熱模擬實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明孢粉可以生成石油，且生油階段主要分為早期生成石油和晚期生成石油兩個(gè)階段。早期生成石油的溫度約為300 ℃，主要通過原生質(zhì)和纖維素的熱降解可以生成石油。但是在地層深層埋藏過程中，原生質(zhì)和纖維素容易被氧化破壞或被細(xì)菌分解和腐蝕，所以不能直接熱解生成烴類。但是被細(xì)菌分解后的纖維素可以形成腐殖酸，然后進(jìn)一步聚合形成干酪根，干酪根熱降解后仍能生成石油。晚期生成石油的溫度在400～420 ℃，是由孢粉外壁的孢粉素經(jīng)過裂解生成的，所以孢粉的外壁越厚，生油量越大，現(xiàn)代孢粉熱模擬實(shí)驗(yàn)的結(jié)果也進(jìn)一步證明了在石油形成過程中有化石孢粉的參與。

2 ? ?孢粉學(xué)在石油地質(zhì)中的應(yīng)用

2.1 ?判斷油源巖時(shí)代和層位

油源巖，即石油形成的來源。孢子和花粉是植物體的重要組成部分，而石油的形成是一些動(dòng)植物遺體在熱壓條件下長時(shí)間演變而來的。一些孢粉在熱變過程中可以不被破壞而在原油中保存下來，或從油源巖中被流動(dòng)的油氣攜帶到儲(chǔ)油巖中，但是其形態(tài)結(jié)構(gòu)可以保持不變[6]。由于油源巖和途經(jīng)巖系中的孢粉可以隨著油氣的運(yùn)移過程被帶進(jìn)油藏，所以實(shí)質(zhì)上，原油孢粉集合是來自油源巖、途經(jīng)巖系和儲(chǔ)油巖中孢粉的聚焦。因此，從原油中分離出來的孢粉可以反映油源巖、途經(jīng)巖系和儲(chǔ)油巖的地質(zhì)時(shí)代和層位。

在將研究區(qū)內(nèi)各個(gè)時(shí)代的地層剖面組合進(jìn)行系統(tǒng)研究的基礎(chǔ)上，可以根據(jù)原油孢粉集合的特征判斷油氣的運(yùn)移途徑，探索油源巖所處的孢粉時(shí)代和層位。在一般的層狀油藏中，原油孢粉集合中時(shí)代最新的孢子花粉指示儲(chǔ)油巖，時(shí)代最老的孢子花粉指示油源巖，時(shí)代在兩者之間的指示運(yùn)移途徑的巖系和可能的油源巖。例如，中國科學(xué)院蘭州地質(zhì)所通過對甘肅玉門油田第三紀(jì)白揚(yáng)河組等地層原油中孢粉組合的研究發(fā)現(xiàn)，原油中的孢粉類型屬于早白堊世下新民堡群，如莎草蕨（Schizaea Digitata）和金毛狗（Cibotium Barometz）孢子和本內(nèi)蘇鐵花粉等。同時(shí)，在志留紀(jì)變質(zhì)巖儲(chǔ)油層的原油中，也發(fā)現(xiàn)了下新民堡群的孢粉，說明該地區(qū)各時(shí)代儲(chǔ)油層的石油都應(yīng)來自早白堊世下新民堡群[6]。

2.2 ?判斷生烴方向

近年來，對孢粉在熱演化過程中成烴（氣）及排烴（氣）機(jī)理的認(rèn)識逐步加深，認(rèn)為可以根據(jù)孢粉的有機(jī)質(zhì)組成判斷成烴的方向，一般分為油傾（傾向生成液態(tài)烴）或氣傾（傾向生成氣態(tài)烴）[7]。在溫度和壓力的共同作用下，有機(jī)質(zhì)可以分解和生成各種氣態(tài)或液態(tài)的烴。但是由于有機(jī)質(zhì)的類型不同，生成烴的產(chǎn)量和化學(xué)物質(zhì)也并不相同，所以有機(jī)質(zhì)存在不同的生烴能力和方向。一般情況下，無定形有機(jī)質(zhì)如果是藻類來源，則具有很強(qiáng)的生油潛力和傾向。如果是由各種原始有機(jī)物質(zhì)降解產(chǎn)生，油傾特性也不盡然。如果來源是陸生維管植物，則氣傾的可能性更高。因此，無定形類的生烴潛力并不確定，根據(jù)來源判斷可以是油傾也可以是氣傾。

2.3 ?判斷有機(jī)質(zhì)成熟度

石油是由干酪根經(jīng)過熱降解后形成的[8]。干酪根是指沉積物中不溶于有機(jī)溶劑的有機(jī)質(zhì)，包括孢子花粉、植物角質(zhì)層、木質(zhì)碎片、浮游微植物、樹脂和某些底棲微生物化石。干酪根對溫度變化十分敏感，主要表現(xiàn)為顏色的變化。我國相關(guān)孢粉學(xué)者通過對現(xiàn)代孢粉的溫度實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，孢粉顏色的變化主要是由溫度升高引發(fā)的，生油母質(zhì)的成熟度可以通過孢粉的不同顏色反映出來。一般情況下，當(dāng)溫度低于 ? ? ? ? 150 ℃時(shí)，孢粉外壁的顏色深度不超過棕黃色;當(dāng)溫度為 ?200 ℃時(shí)，孢粉顏色呈現(xiàn)出棕黑和黑色;當(dāng)溫度超過300 ℃時(shí)，孢粉形狀趨向無定形團(tuán)塊，外壁內(nèi)層開始暴露。此外，還有一種判別方式，當(dāng)樣品中淺黃-黃色孢粉粒超過50%時(shí)，說明油氣還未形成，處于未成熟階段;當(dāng)棕黃-棕色孢粉粒超過50%時(shí)，說明油氣生成，處于成熟階段;當(dāng)棕黑-黑色孢粉粒大于50%時(shí)，說明油氣轉(zhuǎn)化為干氣，處于過熟階段。

3 ? ?結(jié)語

孢粉與油氣的聯(lián)系相當(dāng)緊密。目前，孢粉學(xué)對于判斷油源巖時(shí)代和層位、生烴方向和有機(jī)質(zhì)成熟度等方面的作用較大。尤其是隨著現(xiàn)代生物學(xué)技術(shù)的不斷提高，孢粉學(xué)在石油工業(yè)中的發(fā)展?jié)摿σ彩菬o限的。分析油氣勘探開發(fā)過程中存在的問題，許多新的領(lǐng)域還需要進(jìn)一步開拓。總之，隨著測試手段的更新和先進(jìn)設(shè)備的開發(fā)與引進(jìn)，孢粉化石在石油地質(zhì)中的應(yīng)用具有十分廣闊的發(fā)展前景，相信在孢粉學(xué)者與石油工作者的共同努力下，石油行業(yè)的孢粉學(xué)應(yīng)用將為我國的能源發(fā)展提供更多的基礎(chǔ)理論。

[參考文獻(xiàn)]

[1]劉文匯.孢粉化石在油氣地質(zhì)理論與勘探開發(fā)中的價(jià)值[J].地學(xué)前緣，2017，24（2）：53.

[2]楊惠秋，江德昕.遼河油田原油中的孢子花粉及其意義[J].植物學(xué)報(bào)，1981（1）：52-57.

[3]楊振京，楊慶華.孢粉分析原理與方法[M].北京：地質(zhì)出版社，2013.

[4]王開發(fā).孢粉學(xué)在石油地質(zhì)研究中的應(yīng)用[J].地質(zhì)地球化學(xué)，1979（9）：1-10.

[5]BIRKS H J B，GORDON A D.Numerical methods in Quaternary pollen analysis[M].London：Academic Press，1985.

[6]王開發(fā)，王憲曾.孢粉學(xué)概論[M].北京：北京大學(xué)出版社，1983.

[7]吳勘，宋倩倩，陳建華.孢粉化石在石油勘探中的應(yīng)用[J].石油天然氣學(xué)報(bào)，2009，31（4）：210-212.

[8]楊振京，楊慶華，王憲曾，等.神奇的孢子與花粉[M].北京：地質(zhì)出版社，2014.

Application of sporopollen fossils in oil and gas exploration

Xue Yaqian1，2，3， Yang Zhenjing2，3， Ning Kai2，3， Yang Qinghua2，3， Bi Zhiwei2，3

（1. Hebei GEO University， Shijiazhuang 050031， China; 2. Institute of Hydrogeology and Environmental Geology， Chinese Academy of Geosciences Sciences， Shijiazhuang 050061， China; 3. Key Laboratory of Quaternary Chronology and

Hydroenvironmental Evolution， China Geological Survey， Shijiazhuang 050061， China）

Abstract：Sporopollen is the original substance of petroleum formation， and the two are closely related. Palynology is more and more widely used in the exploration and development of oil and gas. In order to provide some basic data for oil and gas exploration and development， the organic origin of sporopollen and oil and gas is expounded， and according to the characteristics of sporopollen assemblage of crude oil， the sporopollen age and horizon of oil source rocks， the direction of hydrocarbon generation and the color of sporopollen fossils reflect the maturity of oil-producing parent materials， etc.

Key words：sporopollen fossil; oil and gas exploration; oil source rock; hydrocarbon generation direction

基金項(xiàng)目：中國地質(zhì)科學(xué)院水文地質(zhì)環(huán)境地質(zhì)研究所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（SK202012）

作者簡介：薛雅倩（1996— ），女，山西呂梁人，碩士;研究方向：第四紀(jì)孢粉。

通信作者：寧凱（1989— ），男，山西翼城人，助理研究員;研究方向：環(huán)境演變與現(xiàn)代過程。