烃源岩有机碳含量与生排油效率动态评价
2017-08-07申宝剑秦建中陶国亮仰云峰腾格尔潘安阳
申宝剑，秦建中，冯 丹，陶国亮，仰云峰，腾格尔，潘安阳
(1.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，江苏 无锡 214126；2.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126；3.渤海钻探工程技术研究院，河北 任丘 062552)
烃源岩有机碳含量与生排油效率动态评价
申宝剑1, 2，秦建中1, 2，冯 丹3，陶国亮1, 2，仰云峰1, 2，腾格尔1, 2，潘安阳1, 2
(1.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，江苏 无锡 214126；2.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126；3.渤海钻探工程技术研究院，河北 任丘 062552)
选择海相典型烃源岩样品和人工配制烃源岩样品进行热压模拟实验，对比分析了海相烃源岩的生油量、生排油效率与烃源岩有机碳含量的关系，模拟结果表明：(1)烃源岩的生排油量与烃源岩有机碳含量呈线性正相关关系，生排油效率与有机碳含量呈曲线(非线性)正相关关系，相关系数的大小与烃源岩的干酪根类型、岩性及演化史等有关；(2)在整个生烃演化过程中，高有机质含量的优质烃源岩(TOC一般大于2%)的生排油量和效率都高于中等有机质丰度的中等烃源岩(TOC一般在0.5%～2.0%之间)和低有机质丰度的差烃源岩(TOC一般小于0.5%)，只有高有机质丰度的优质烃源岩才能够大量生排出油并形成大油田，差烃源岩即使很厚也难以形成大量的油气聚集；(3)在地质演化过程中，烃源岩TOC含量及其生排油气能力始终都是动态变化的，因此需要在确定演化阶段的基础上，结合有机碳含量和生排油效率进行烃源岩和资源量动态评价。
优质烃源岩；有机碳含量；生排油效率；成熟度；烃源岩评价；资源评价
烃源岩评价研究一直是石油地质与地球化学研究的重要内容之一，也是油气资源评价的关键环节[1-4]。常规烃源岩评价大多从有机质丰度、类型和成熟度角度直接评价烃源岩品质，近年来也有从构造背景、沉积环境[5-8]、古气候、古生产力[9-11]、沉积物源、生烃母质[12-16]等角度对烃源岩进行间接评价，但这些研究工作中大都使用静态评价指标。
烃源岩生排烃效率是油气资源评价关键参数，但烃源岩生排烃是一个复杂的地质过程，是各种地质因素综合作用的结果，包括烃源岩形成的沉积环境[17-19]、有机质类型[20-22]、有机质丰度[23]、成熟度[18,20,24]、岩性组合[25-26]以及烃源岩所处的温度、压力等。烃源岩生排烃随热演化增加过程中，有机质含量不断降低，有机质类型判识指标逐渐失效，同时随着烃源岩生成的烃类物质不断增加，在突破烃源岩内部有机质和无机矿物的吸附作用之后，排出烃源岩外的烃类物质也在不断增加，因此烃源岩的生排烃过程是一个动态的过程。静态评价中使用的多项评价参数在热演化过程中是不断变化的，如不考虑这一动态过程，生搬硬套静态评价标准，可能会对资源量评价造成误判。
本文采用烃源岩热压模拟实验技术，重点研究烃源岩生烃量、生排烃效率与总有机碳含量之间的动态关系，分析生烃演化过程中生排烃量和效率的变化趋势，为准确进行烃源岩动态评价和资源量计算提供科学依据。
1 样品与实验
通过对中国南方、青藏高原、冀北等地区数千块海相烃源岩样品进行分析，在总结各类型海相烃源岩特征的基础上，对本次研究所采用的两类样品进行了制备和挑选。第一类样品是有机碳含量不同的海相钙质泥页岩烃源岩地质样品，成熟度(Ro)都在0.5%左右，有机质类型为Ⅱ型，按有机碳含量高低分为优质烃源岩[w(TOC)≥2%]、中等烃源岩[0.5≤w(TOC)<2%]和差烃源岩[w(TOC)<0.5%]3种；第二类样品是采用在灰岩和钙质泥岩中添加不同含量相同有机质的人工配制样品为研究对象，所添加干酪根有机质类型为Ⅰ型，Ro在0.5%左右，代表了仅有机碳含量不同而其他条件都相同的同一类型低熟烃源岩。
本次实验采用中国石化无锡石油地质研究所自行研制的地层孔隙生排烃热压模拟仪。详细实验方法、条件和流程见文献[27]，热模拟温度从250 ℃至500 ℃，相当于Ro从0.5%至4.5%[28]。
2 模拟实验结果
2.1 不同丰度烃源岩生油率对比
图1展示了3种不同有机碳含量海相钙质泥页岩烃源岩在生烃全过程中的生油效率(热压模拟实验结果)，其中每个数据点为该烃源岩样品在不同成熟阶段的生油效率(单位重量有机碳的生油量)。
图1 海相不同有机碳丰度烃源岩模拟实验生油效率对比Fig.1 Oil generation efficiency for marine source rocks of different TOC content in simulation experiments
结果表明，有机质类型相似的海相烃源岩，有机碳丰度控制液态烃的产量。TOC含量大于2%的优质烃源岩在低成熟阶段[模拟等效镜质体反射率(VRo)在0.6%左右]产油率可达300 kg/t，多为重质油；在成熟生油高峰期(VRo在0.9%～1.0%左右)产油率可达500 kg/t，为正常原油；在过成熟阶段(VRo>2%)产油率为160 kg/t左右。TOC含量在0.5%～2%之间的中等烃源岩低成熟阶段产油率为133 kg/t，生油高峰期产率为273.53 kg/t，过成熟阶段产油率为150 kg/t左右，相对优质烃源岩，在低成熟和成熟阶段产油率差别较大，过成熟阶段产油率较小，差别不大。TOC含量小于0.5%的差烃源岩则与优质和中等烃源岩有明显的差别，不同成熟阶段其产油率均小于90 kg/t，对油气藏贡献相对较小。在高—过成熟阶段，烃源岩的产油率仍明显是优质烃源岩>中等烃源岩>差烃源岩。
2.2 总有机碳含量与排油量关系
图2为不同有机质含量灰岩与钙质泥岩在生油高峰期(模拟温度350 ℃，相当于Ro≈1.0%)条件下热压模拟实验后样品生成并排出的油含量，排出油是指在实验进程中当生烃系统压力与外部排烃装置存在一定差值时，在排烃装置中收集的油[29]。数据按统一的烃源岩总质量进行了换算和归一化处理。
图2 不同有机质丰度烃源岩排油量对比Fig.2 Oil expulsion from marine source rocks of different TOC content
8月21日，由中国无机盐工业协会和海西州人民政府联合举办，IFA国际肥料协会、国际盐湖学会支持，格尔木市人民政府、中国无机盐工业协会钾盐钾肥分会、中国国际贸易促进会化工行业分会共同承办的2018钾盐钾肥大会暨格尔木盐湖论坛在格尔木市会展中心开幕。
对于图2中岩性相同的烃源岩(灰岩或钙质泥岩)来说，22个点(星号或菱形)代表了仅有机质丰度存在差异的相同烃源岩，从另一个角度看，对于图2中单种烃源岩而言，有机质丰度从高到低的不同样品，代表了烃源岩生排烃过程中有机质丰度的降低，因此有机质含量从高到低的22个样品可以在一定程度上反映该烃源岩的排烃过程。从图2可见，在热模拟温度350 ℃，即相当于在Ro≈1.0%的生排油高峰阶段，不同有机碳含量样品的生排油量存在显著差异。对于w(TOC)<0.5%的非—差烃源岩，每吨灰岩烃源岩的排油量小于4 kg，每吨钙质页岩烃源岩的排油量小于2 kg；对于0.5%
此外，两种不同类型烃源岩在TOC相同的情况下，生排油量并不相同。这是由于烃源岩自身有机质和无机矿物对生成的油的吸附作用造成的，灰岩对油的吸附作用比钙质页岩小，因此可以排出相对更多的油。生排油量数据与TOC数据呈线性正相关关系，表明有机碳是烃源岩生烃的物质基础，有机碳含量越高，生烃量就越高，排出烃量也越高。对两类生排油量与TOC的关系作了线性回归(图2)，直线斜率与干酪根类型、岩石类型及演化史等有关，直线截距为烃源岩中满足烃类排出的最小吸附量。
2.3 生排油效率
2.3.1 有机碳丰度对生油效率有重要影响
模拟实验中样品的单位重量TOC的生排油量，即生排油效率，其与TOC的关系如图3所示。从图3可以看出，在模拟的生排油高峰阶段，不同有机碳含量样品的生排油效率也存在明显差异。图3中有机碳含量高的优质烃源岩样品，无论是灰岩烃源岩还是钙质泥岩烃源岩，生排油效率(单位重量有机碳生排出的油的重量)也是较高的，对比低有机碳样品，其生排油效率也会相应降低。这反映出在烃源岩生排烃过程中，随着热演化程度的增加和有机碳丰度的降低，生排油效率也呈现降低趋势。
图3 不同有机质丰度烃源岩生排油气效率Fig.3 Oil generation and expulsion efficiency of source rocks of different TOC content
2.3.2 相同有机碳丰度生油效率存在差异
与生排油量类似，不同类型烃源岩在TOC相同的情况下生排油效率也存在差异。由于生排油效率=生排油量/有机碳含量，在相同TOC的情况下，烃源岩的吸附作用差异造成生排油量差异，因此也会同步造成生排油效率的差异。灰岩对油的吸附作用比钙质页岩小，因此具有相对更高的生排油效率[25]。
由图3可以看出，对于TOC含量较高、达到优质烃源岩程度的样品，其生排油效率基本一致且较稳定。由此可以推断，当TOC处在较低的范围内(差烃源岩—中等烃源岩阶段)，导致生油量偏低的时候，吸附量会占据总生油量较大比例(甚至吸附能力大于生油量，导致排油量为0)，此时油主要吸附在烃源岩内部，排油效率很低；当TOC大于2%时，生油量远大于吸附量，此时生排油效率增大，逐渐达到最大并趋于稳定。对于不同类型烃源岩，该最大的生排油效率值与干酪根类型、岩石类型及演化史等密切相关。
3 讨论
3.1.1 有机碳丰度是烃源岩品质的物质基础
有机碳丰度是烃源岩生烃潜力的物质基础，高有机碳含量的烃源岩，很容易生排出大量的烃类，具有极高的生排油效率；而低有机碳丰度的烃源岩，能够生排出的烃类很低，生排油效率也很低。差烃源岩其生成的烃类甚至难以满足烃源岩自身的吸附量，或者能够排出烃源岩的量很少，几乎可以忽略不计，即使其厚度再厚，也难以有效聚集，因此差烃源岩并不存在所谓“体积补偿机制”，即使很厚也难以形成大油气田。
3.1.2 需根据成熟度评价烃源岩
烃源岩的生排烃过程是一个动态的热演化过程，随着成熟度逐渐增加，有机碳丰度逐渐降低，排出的烃类物质具有较高的H/C比值，导致烃源岩本身H/C比值降低，因此烃源岩的品质是动态变化的。需要分2个阶段进行分析：(1)在从未熟—低熟阶段到生烃高峰阶段，成熟度增加，有机碳丰度虽然在降低，但是生排烃量是增加的，此阶段内，在其他条件相同的情况下，随着成熟度增加，烃源岩品质是变好的；(2)而在过了生烃高峰期后，成熟度增加同样带来有机碳丰度降低，但此时生排烃量也在降低，此阶段内，随着成熟度增加，烃源岩品质也在降低。
烃源岩评价主要目的是判断该烃源岩是否能够形成具有商业价值的大油气田。对于成熟度偏低，未达到生排烃高峰且还未排出大量烃类的烃源岩，即使其有机碳含量很高，有机质类型评价指标好，因为需要很长的地质时间才能达到生排烃高峰，现在还不能形成大油气田；而对于成熟度偏高，已过生排烃高峰的烃源岩，也许现今其有机碳含量较低(达不到优质烃源岩的静态标准)，但是在生烃高峰期时，有机碳丰度较高且生排出了大量的油气，很可能对现今的油气藏有重大的贡献，因此在这种情况下，需要对此类烃源岩的有机碳丰度进行恢复[30]，并评价为优质烃源岩。
3.2 对油气资源评价的启示
烃源岩的有机质含量不但与总生排油气量有关，而且与生排油气产率密切相关。优质烃源岩在热演化过程每个阶段的生排油率都明显高于相同类型的低有机质含量烃源岩，这对油气资源评价或盆地模拟过程中油气产率参数的选择至关重要。在传统的成因法油气资源评价中，烃源岩总生烃量的计算往往采用烃源岩重量、总有机碳含量、有机碳恢复系数以及烃源岩生烃系数的乘积，总排烃量往往采用总生烃量乘以排烃系数的方法来进行计算。在该计算方法中，生烃系数和排烃系数在整个生排烃过程中保持不变，且仅与干酪跟类型和成熟度相关；也就是说，只要干酪跟类型和成熟度都接近，就可以采用相同的生烃系数和排烃系数，这存在过高估算差—中等烃源岩的油气资源量的问题，尤其当发育巨厚的差—中等烃源岩时。
3.3 对页岩油气评价的启示
页岩油气是页岩生烃后滞留在页岩中的油气，滞留量越高，含油(气)率就越高，而决定滞留量大小的首要条件就是生油(气)量的多少。
张金川等[31]提出了页岩油选区参考标准，提出远景区、有利区和目标区的页岩含油率标准分别为：>0.1%，>0.15%，>0.2%。如果按照目标区含油率最低0.2%的标准来说，对于Ⅱ型干酪根，中等烃源岩生油量在生油高峰时才刚刚达到0.2%，差烃源岩远远达不到，优质烃源岩超过0.2%(图4)。所以，要形成页岩油，必须得是优质烃源层。
对于页岩气，如果按照每砘岩石含气量2 m3的标准，同样地，对于Ⅱ型干酪根，中等烃源岩刚刚达到2 m3/t，差烃源岩达不到，优质烃源岩超过该标准(图4)。有效的页岩气藏的形成主要来自优质烃源岩的贡献。
从图4还可以看出，对于页岩油，在Ro=0.5%～1.2%时最有利；对于页岩气，在Ro>1.2%最有利。因此，对于页岩油气选区，除了有机质丰度，还需选择成熟度合适的优质页岩分布区域。
4 结论
(1)在热演化过程中，烃源岩有机碳丰度、有机质成熟度和有机质类型是不断变化的，其生排烃的能力也始终是动态变化的，因此不能使用静态指标，而需要考虑热演化阶段，对烃源岩进行动态评价。
(2)高有机碳丰度的优质烃源岩在热演化全过程以及热演化高峰期时的生排油量和生排油率均远大于低有机碳丰度的中等烃源岩和差烃源岩，更容易形成大型油气田。
图4 不同品质烃源岩在不同阶段的生油气量Fig.4 Hydrocarbon generation of different source rocks in different thermal evolution stages
(3)在进行油气资源评价时，不同品质烃源岩、不同热演化阶段烃源岩皆不能使用同一生排油气率。差烃源岩的生排油气率极低，对具商业价值的油气藏(包括页岩油气藏)很少有贡献，资源评价应以高有机碳丰度的优质烃源岩为主要评价对象。
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(编辑 徐文明)
Dynamic assessment of organic carbon content and hydrocarbon generation and expulsion efficiency in source rocks
Shen Baojian1,2, Qin Jianzhong1,2, Feng Dan3, Tao Guoliang1,2, Yang Yunfeng1,2, Tenger1,2, Pan Anyang1,2
(1.StateKeyLaboratoryofShaleOilandGasEnrichmentMechanismandEffectiveDevelopment,Wuxi,Jiangsu214126,China; 2.WuxiResearchInstituteofPetroleumGeology,Wuxi,Jiangsu214126,China; 3.ResearchInstituteofCNPCBohaiDrillingEngineeringCompanyLimited,Renqiu,Hebei062552,China)
The relationship of the yields and efficiencies of oil generation and expulsion with total organic carbon content (TOC) was analyzed based on thermal simulations of typical natural marine source rocks and artificial source rocks. (1) The simulation results show a positive linear correlation between the yields of oil generation and expulsion and TOC, and a nonlinear correlation between the efficiencies of oil generation and expulsion and TOC. The correlation coefficients are related to kerogen type, lithology and thermal maturity. (2) Source rocks with high TOC contents (generally over 2.0%) always have higher yields and efficiencies of oil generation and expulsion throughout the simulation experiments, when compared to source rocks with middle (0.5%-2.0%) and low (less than 0.5%) TOC contents, which indicates that only source rocks with high TOC contents have the capacity to form large oil fields. Source rocks with low TOC content do not generate large hydrocarbon accumulations even if they are very thick. (3) In the process of geological evolution, the TOC content and the capability of hydrocarbon generation and expulsion for source rocks are changing continuously. Correspondingly, the evaluations of source rock and resources should be dynamic.
excellent source rocks; total organic carbon content; efficiency of oil generation and expulsion; maturity; source rock evaluation; resource assessment
1001-6112(2017)04-0505-06
10.11781/sysydz201704505
2017-02-13；
2017-06-10。
申宝剑(1978—)，男，博士，高级工程师，从事烃源岩有机地球化学研究。E-mail: shenbj.syky@ sinopec.com。
国家自然科学基金重点项目“古生界页岩含气性原生有机质控制作用研究”(U1663202)资助。
TE122.115
A
