基于巖石熱解參數圖版的烴源巖內部排烴效率計算方法

張冬梅，張延延，郭雋菁，胡守志，李水福

(1.中國地質大學(武漢) 資源學院，武漢 430074；2.中國石油集團 測井有限公司 新疆分公司，烏魯木齊 831511)

排烴作用是指油氣的初次運移，即烴類從烴源巖運移到儲集巖的過程，它是油氣成藏過程中的重要地質作用之一[1]，也是連接生烴與成藏的重要紐帶[2-6]。排烴效率是排烴研究中的一個關鍵地質參數，倍受人們關注[7-11]。排烴效率的高低不僅影響常規油氣聚集量，也影響著非常規油氣的富集程度[12-13]，是常規與非常規油氣資源評價的關鍵[14-16]。因此，如何準確計算烴源巖排烴效率，對油氣聚集成藏具有重要的理論意義和實際價值。目前排烴效率的計算有很多種方法，而這些方法或是與實際地質條件有偏差，或是地質參數獲取比較困難，或是計算過程比較復雜[7]。其中，原始生烴潛力恢復法是一種比較通用的方法，它是通過選擇典型的含不同有機質類型的未熟烴源巖進行熱解法模擬，以獲得不同成熟度下的熱降解率曲線圖版。其優點是熱解數據和有機碳含量容易獲得，避免了復雜的排烴過程模擬；但也正因為是選擇為數有限的典型有機質類型樣品，所以一種類型有機質的原始生烴潛量(指數)僅采用同一個值[17-19]。

然而，烴源巖地球化學精細研究表明，陸相烴源巖具有較強的非均質性，即使同一類型有機質，其生烴潛量(指數)跨度較大，僅僅用幾個數值顯然很難代表/反映一個地區所有烴源巖的原始生烴潛量(指數)。盡管CHEN等[20-21]和郭秋麟等[22]采用數學公式擬合，但也是將眾多參差不齊的數據擬合為一個原始氫指數，顯然也代表不了非均質性很強的每個烴源巖樣品特征。為了使不同特性的烴源巖樣品具有獨立的原始生烴量值(指數)，本文在原始生烴潛力恢復法基礎上，介紹一種利用熱解參數的氫指數(IH)與最大熱解峰溫(Tmax)劃分有機質類型圖版來恢復烴源巖原始生烴潛量(指數)的方法，它是原始生烴潛力恢復法研究排烴效率的一個補充。

1 排烴效率概念與計算方法

烴源巖的排烴效率有3個不同的概念：即相對排烴效率、絕對排烴效率和累計排烴效率[17]。它們相應的計算公式如下[7,23]：

(1)

(2)

(3)

生烴潛力恢復法計算的排烴效率為累積排烴效率。

2 熱解圖版法恢復烴源巖原始生烴潛量

熱解圖版法是指利用巖石熱解分析獲得的參數——IH與Tmax關系圖，在已有的有機質類型分界線(稱類型線)和成熟度趨勢線(成熟度線)基礎上進一步細分，將IH和Tmax繪圖區域網格化(圖1)，并定義Ro=0.2%的成熟度線與類型線交點為每個樣品的原始值。需要說明的是，圖版可在具有縮放功能的軟件中制作，如Surfer12.0版軟件，既可將樣品數據投點，又可畫出趨勢線，并放大追蹤其原始值。

具體做法：(1)將現今樣品熱解分析獲得的IH和Tmax數據投點到圖版中，再沿著類型線向左側追蹤，找到Ro=0.2%的成熟度線，讀出該交點的氫指數，即為原始氫指數；(2)將原始氫指數減去現今氫指數獲得生烴指數，再減去殘烴指數，即可得到排烴指數，生烴指數與排烴指數相除的百分數為排烴效率。

具體計算公式如下：

生烴指數=原始氫指數-現今氫指數

(4)

排烴指數=生烴指數-殘烴指數

(5)

(6)

圖版說明：(1)圖版類型線的形成。經典的IH—Tmax有機質類型劃分圖版[24]只有Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3條類型分界線，國內學者通過對我國不同沉積盆地大量熱解資料統計，提出了四分法圖版，即在經典圖版的Ⅱ型和Ⅲ型分界線之間增加一條新的分界線，并將原來Ⅱ型命名為Ⅱ1型，新加的為Ⅱ2型[25-26]。本圖版的類型線是在此基礎上按照Ⅰ型、Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型變化趨勢均勻插入多條趨勢線而成的。(2)圖版成熟度線的形成。同理，圖版成熟度線是在經典的IH—Tmax有機質類型劃分圖版[24]中成熟度趨勢線基礎上，按照它們變化趨勢均勻插入多條趨勢線而成的。(3)圖版原始成熟度線的確定。根據地表鏡質體反射率值(一般為Ro=0.2%)確定圖版原始成熟度線，與類型趨勢線交點的縱坐標值即為某樣品點(IH和Tmax決定)的原始氫指數值。DOW[27]提出用logRo—H(深度)關系推到地表的值與0.2%比較來判斷剝蝕量，他將地表處的Ro值定為0.18%～0.2%[27-30]。

圖1 巖石熱解分析參數圖版 圖中數據點為南襄盆地泌陽凹陷泌頁1井樣品的數據點。Fig.1 Parameter chart of Rock-Eval pyrolysis analysis

3 熱解圖版法與人為賦值法對比

JARVIE 等[18]通過數據分析認為，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型干酪根的原始氫指數值分別為750，450，125，50 mg/g。陳建平等[19]按照烴源巖在未成熟—臨界成熟時熱解氫指數劃分有機質類型，即IH<200 mg/g為Ⅲ型，200≤IH<400 mg/g為Ⅱ2型，400≤IH<600 mg/g為Ⅱ1型，IH≥600 mg/g為Ⅰ型，并以150，350，550，750 mg/g代表Ⅲ型、Ⅱ2型、Ⅱ1型和Ⅰ型烴源巖的平均最大生烴量。本文的人為賦值法均采用文獻[19]的賦值計算。

對泌陽凹陷泌頁1井的66個烴源巖熱解分析數據，分別用熱解圖版法和人為賦值法計算出它們的排烴效率(PEE)，并將其分別與代表有機質豐度的TOC、代表有機質類型的IH和代表有機質成熟度的Tmax作圖(圖2)，重點研究排烴效率與有機質ATM特性(有機質豐度Abundance、有機質類型Type、有機質成熟度Maturity)的關系。

從圖2可以看出，熱解圖版法計算結果與有機質ATM特性的相關性(圖2中A-C)均優于人為賦值法(圖2中a-c)。其中，人為賦值法的計算過程和結果可能出現負值，導致排烴效率出現負值，也可能使排烴效率出現大于100%的現象，但熱解圖版法則不會出現這種情況(表1)。可見，利用熱解圖版法計算排烴效率更合理一些。

4 與頁巖油富集程度相關性

在常規油氣地質理論中，排烴效率一般是指一套烴源巖層段，或一個洼陷，甚至整個凹陷的總體排烴效率，因此，檢驗排烴效率的可靠性，可以用常規的油氣資源量來反推驗證。但是，在本文如果仍用這種方法驗證，則就失去了本方法的意義，而又回到原來的原始生烴潛力恢復法的狀況，即一種類型干酪根只用一個原始生烴潛力指數，而獲得的排烴效率也可能是一套烴源巖層，甚至一個凹陷只有一個或僅有幾個排烴效率值。

因此，驗證熱解圖版法計算的烴源巖內部排烴效率可靠性，最好的方法是用經過排烴作用后殘留在烴源巖中的滯留烴量。但是，滯留烴量不等于頁巖油資源量，只有其中的游離油才對頁巖油資源有貢獻。所以，不能直接用滯留烴量來衡量頁巖油資源量，目前判斷頁巖油資源的有效指標之一是含油飽和指數(OSI)[31-33]，它是單位質量有機碳所含的游離烴量，即OSI=S1/ω(TOC)。因此，我們對泌頁1井5號頁巖層(2 415～2 451 m)的樣品分析，通過研究兩種計算方法獲得的排烴效率與頁巖含油飽和指數的關系，可以發現，熱解圖版法的排烴效率與OSI具有較好的對應性(圖3a)。這說明用熱解圖版法計算的排烴效率，在一定程度上可以反映烴源巖內部的頁巖油富集情況。而人為賦值法的排烴效率與OSI的變化幾乎無規律，而且很多排烴效率為負值，更有超過100%者(圖3b)，這顯然很不合理。

圖2 南襄盆地泌陽凹陷泌頁1井烴源巖排烴效率與有機質特性(ATM)的關系(兩種排烴效率計算方法對比) 圖a—c為人為賦值法計算結果，A—C為熱解圖版法計算結果。Fig.2 Correlation between hydrocarbon expulsion efficiency and organic matter characteristics (ATM) of well BYHF 1, Biyang Sag, Nanxiang Basin

表1 南襄盆地泌陽凹陷泌頁1井烴源巖內部排烴效率Table 1 Internal expulsion efficiency of source rock of well BYHF 1, Biyang Sag, Nanxiang Basin

續表1

圖3 南襄盆地泌陽凹陷泌頁1井5號頁巖層不同方法計算的排烴效率與頁巖油富集程度吻合性Fig.3 Correlation between hydrocarbon expulsion efficiency calculated by different methods and shale oil enrichment degree for No.5 shale layer, well BYHF1, Biyang Sag, Nanxiang Basin

5 結論

(1)準確計算烴源巖排烴效率，對常規和非常規油氣聚集都非常重要，但現行計算方法中，或是地質參數獲取比較困難，或是計算過程比較復雜。其中，原始生烴潛力恢復法雖有參數易于獲取的優點，但也有一種類型有機質的原始生烴潛力僅有一個且是人為賦值的不足。在氫指數與最大熱解峰溫關系劃分有機質類型的經典圖版基礎上,將有機質類型分界線和成熟度趨勢線均勻插值網格化的圖版法，其參數獲取相對合理,計算過程較為簡單，是原始生烴潛力恢復法的修正和補充。

(2)通過泌陽凹陷泌頁1井66個烴源巖的實測數據，重點研究了排烴效率與有機質ATM特性以及頁巖油富集程度的關系。結果表明，與人為賦值法相比，熱解圖版法獲得的排烴效率與有機質ATM特性更具規律性，與頁巖油富集程度(OSI)的吻合度較高，而且計算結果不會出現負值和排烴效率大于100%的現象。由此可見，熱解圖版法計算烴源巖內部排烴效率比較合理可行。