中上扬子五峰组页岩有机质丰度恢复及评价

李志鹏

(中石化胜利油田分公司，山东 东营 257061)



中上扬子五峰组页岩有机质丰度恢复及评价

李志鹏

(中石化胜利油田分公司，山东 东营 257061)

通过室内实验和理论推导，提出一种基于有机质类型和镜质体反射率的有机质丰度恢复新方法。对中上扬子五峰组高、过成熟烃源岩进行了有机质丰度恢复，五峰组页岩平均有机碳含量为7.45%，平均生烃强度为0.96 t/m2。利用有机质类型、原始有机碳含量和生烃强度对烃源岩进行综合评价，明确五峰组页岩为有机质类型好、丰度高、厚度薄、生烃强度低的中等烃源岩。为同类海相页岩气资源量估算和评价提供借鉴。

烃源岩；恢复系数；原始有机质丰度；五峰组；中上扬子地区

引 言

中国南方存在4套区域性主力烃源岩层，分别为：下寒武统、下志留统、下二叠统和上二叠统。另存在上震旦统陡山沱组、上奥陶统、下奥陶统、中泥盆统、下石炭统、下三叠统及上三叠统—下侏罗统等7套区域性烃源岩层[1]。前人对4套区域性主力烃源岩层做了大量而详细的工作[2-4]，提出高演化程度烃源岩的评价必须对其进行原始有机质丰度的恢复，即恢复其镜质体反射率(Ro)在0.5左右的有机质丰度[5]。目前有机质丰度恢复的方法总结起来共存在4大类：自然演化剖面法、热模拟实验法[6-7]、谱学类型模型法[8]和理论计算法，其中理论计算法主要包括元素模型法[8]、热降解法[9-10]和物质平衡恢复法[11]。本文以热降解法为指导思路，借鉴前人[12-19]的部分研究成果和室内实验，提出了利用有机质类型和镜质体反射率进行原始有机碳含量恢复的方法，并利用该方法对中上扬子地区上奥陶统五峰组页岩进行了原始有机碳含量的恢复，计算其生烃强度，并对五峰组页岩进行综合评价，为中国南方页岩气资源量的估算和评价提供借鉴。

1 岩性特征

中上扬子地区五峰组厚度为1.8～52.4 m，平均为11.1 m。岩石类型简单，主要包括页岩和硅质岩，另外在四川盆地中东部和湖北崇阳—江西武宁地区五峰组顶部存在厚度为1.0 m左右的观音桥段粉砂岩和生物屑颗粒灰岩。纵向上页岩和硅质岩呈不等厚互层状，页岩呈灰黑色，富含笔石和放射虫，含一定的硅质成分，是五峰组烃源岩的主要岩性。硅质岩主要由自生硅质矿物组成，一般为黑色薄层状，部分地区含一定泥质成分和浮游生物，主要是笔石和放射虫，泥质硅岩和含生物硅质岩是五峰组的次要烃源岩。五峰组顶部观音桥段的薄层粉砂岩及少量生物屑颗粒灰岩，在一定条件下可以作为储集岩层(图1)。

2 烃源岩综合评价

2.1 有机质类型及热演化程度

2.1.1 有机质类型

腾格尔[12-13]对中上扬子地区的重庆城口、南江剖面和湖北龙山—来凤剖面的五峰组烃源岩进行了有机地球化学指标的测量(表1)，发现五峰组的δ13C小于-27.50‰，属腐泥型有机质，Ⅰ型有机质。3条剖面所处平面位置不同，城口和南江剖面位于中上扬子地区的北缘，龙山—来凤剖面位于中上地区的中部。中上扬子地区五峰期沉积环境稳定[14-15]，岩性组合(硅质页岩、泥质硅质岩)和生物组合(笔石、放射虫)基本相同。综上，城口、南江和龙山—来凤地区的五峰组有机质类型可以代表整个中上扬子地区五峰组烃源岩的有机质类型。

图1 中上扬子地区五峰组地层特征

剖面层位TOC/%氯仿沥青“A”/10-6S1+S2/(mg/g)δ13C干酪根/‰城口五峰组1.37～4.76444.76～552.692.86～3.65-30.23～-30.50南江五峰组2.05～3.6434.60～55.200.02～0.04-29.61～-29.70龙山—来凤五峰组1.73～3.1237.89～49.940.00～0.02-29.26～-29.55

2.1.2 热演化程度

此次测量的26块反映五峰组烃源岩热演化程度的样品的镜质体反射率(Ro)为0.9%～2.9%，平均为1.7%。镜质体反射率平面分布存在3个特点：古陆周围镜质体反射率低；自中部向南北盆地边缘镜质体反射率降低；西部镜质体反射率高于东部。热演化程度方面，中上扬子地区五峰组烃源岩都已经成熟，过成熟烃源岩出现在中上扬子地区的西部中央，高成熟烃源岩主要分布在中上扬子地区的东部和西部，围绕过成熟烃源岩分布，低成熟期烃源岩分布范围小，主要发育在靠近南部古陆的张家坪、燕子口地区和北部的建阳坪地区。目前五峰组大部分地区烃源岩已经完成了大量的生排烃过程，主要处于热裂解生气阶段和生烃枯竭阶段(图2a)。

图2 中上扬子五峰组镜质体反射率及残余有机碳含量

2.2 有机质丰度

2.2.1 残余有机碳含量

通过对26块采集样品的残余有机碳含量测定，发现中上扬子地区五峰组残余有机碳含量高，为1.36%～6.78%，平均为3.12%。最高出现在观音桥地区，残余有机碳含量达到6.78%。小于1.00%的区域主要分布在靠近古陆的西南部(图2b)。总体上，西部残余有机碳含量以观音桥为中心向四周降低，东部存在道子庙—分乡—大沙坪—新开岭的一条残余有机碳含量低值带，向两边残余有机碳含量增加。

高演化烃源岩的有机质已完成大量的生排烃过程，目前有机碳含量为完成生排烃后的残余有机碳含量，已基本失去了生烃能力，残余有机碳含量不能反映高演化烃源岩的真实品质。所以对高演化烃源岩必须进行原始有机质丰度的恢复，恢复其低成熟阶段的原始有机碳含量，利用原始有机碳含量才能对高演化烃源岩进行更客观的评价。

2.2.2 原始有机碳含量

2.2.2.1 有机质生烃率与镜质体反射率的关系

生烃率(G)是指烃源岩热演化到一定程度时，每克有机碳生成烃类的质量，生烃率在热演化过程中是不断增加的，主要受有机质类型和热成熟度2个指标的影响。利用热模拟实验结果，回归了有机质生烃率与镜质体反射率之间的关系(图3)。发现存在以下特点。①当Ro达到0.5时有机质才具有明显的生烃率，既当Ro达到0.5时各型有机质才开始规模生烃；②有机质从生烃开始到生烃结束，G与Ro的关系可分2个阶段：A阶段，G随Ro的升高大幅度增加，此阶段G与Ro的对数呈线性关系，为有机质大规模的生排烃阶段，是干酪根热分解生烃阶段；B阶段，G随Ro的升高变化不大，此阶段G与Ro呈近水平的线性关系，是干酪根的热裂解阶段，主要是前期生成的烃类热裂解为分子更小的烃类，而在生烃量上增加不多；③从Ⅰ型(腐泥型)有机质到Ⅲ型(腐殖型)有机质，A阶段斜率逐渐减小而B阶段斜率有所增加，说明自Ⅰ型有机质到Ⅲ型有机质早期生烃能力不断减小，而后期生烃能力有所增加，这是Ⅲ型有机质后期生气能力的表现；④从Ⅰ型有机质到Ⅲ型有机质A阶段的Ro宽度增加，自Ⅰ型有机质的0.5%～1.3%增加到Ⅲ型有机质的0.5%～1.8%，Ro宽度增加了0.5%，这主要受自Ⅰ型有机质到Ⅲ型有机质热裂解需要的能量越来越高，难度越来越大的影响。

图3 生烃率与镜质体反射率的关系

通过以上分析发现各型有机质的生烃率与Ro的关系符合有机生油理论规律，可以利用数学方程组表示为：

(1)

式中：b、c、m、n为系数；G为生烃率，mg/g；Ro为镜质体反射率，%。

2.2.2.2 残余降解率与镜质体反射率的关系

降解率(D)是烃源岩中具生烃能力的有效有机碳占烃源岩总有机碳的百分数，可分为原始降解率(Dy)和残余降解率(Dc)。原始降解率是指烃源岩在未成熟阶段所具有的最大潜在降解率，残余降解率是烃源岩热演化到一定程度时剩余的潜在降解率。原始降解率主要受有机质类型的影响，与成熟度关系不大，程克明等[5]通过实验得出Ⅰ型有机质的原始降解率在50%以上，最高可达70%。残余降解率主要受有机质类型和成熟度的双重控制，随着烃源岩的热演化不断降低。

据生烃率与降解率的定义，烃源岩的生烃率与降解率之间存在定量关系。烃源岩热演化极限状态下的生烃率(Gy)与目前状态生烃率(G)之差，正是目前烃源岩中残余有效有机碳能够生成的残余烃量与总有机碳的比值，而烃源岩中的残余有效有机碳与总有机碳之比正是烃源岩的残余降解率。

(2)

式中：a为有效碳向烃类转换的转换系数，该系数各个地区不同，主要与有机质类型有关；Gy为烃源岩热演化极限状态下的生烃率，mg/g；G为目前状态下烃源岩的生烃率，mg/g。将式(1)和式(2)联立，可以得到残余降解率(Dc)与镜质体反射率(Ro)之间的关系为：

(3)

2.2.2.3 原始有机碳含量恢复

程克明等[5]提出了烃源岩原始有机质丰度的热降解恢复方法，有机碳含量恢复系数Rc为：

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

(4)

根据式(3)和式(4)，结合不同有机质类型的原始降解率Dy，可以利用有机质的镜质体反射率Ro计算烃源岩原始有机碳含量的恢复系数，进而对烃源岩的原始有机碳含量进行恢复。

中上扬子地区五峰组烃源岩的有机质类型为Ⅰ型有机质，取原始降解率为60%，利用上述方法对中上扬子地区五峰组烃源岩的原始有机碳含量进行了恢复。恢复系数为2.10～2.46，平均为2.40。

恢复五峰组原始有机碳含量为3.18%～16.54%，平均为7.45%，原始有机碳含量非常高。中上扬子地区西部原始有机碳含量的分布特征与残余有机碳含量的分布特征相似，以重庆观音桥为中心向四周减小，观音桥地区最高达到16.54%；在东部与残余有机碳含量的分布特征存在差别，主要受镜质体反射率差异的影响(图4a)。

图4 中上扬子五峰组原始有机碳含量和生烃强度等值线

2.3 生烃强度

烃源岩的生烃强度是评判烃源岩生烃能力的一个重要指标，对中上扬子地区五峰组烃源岩研究更为重要，因为其有机质丰度非常高且厚度薄，单从有机质丰度评价不能反映中上扬子地区五峰组烃源岩的真实条件。利用中上扬子地区五峰组烃源岩的原始有机碳含量、镜质体反射率和生烃率，计算了到目前五峰组烃源岩的生烃强度。目前五峰组烃源岩已经完成了大量生排烃过程，累计生烃强度为0.13～5.20 t/m2，平均为0.96 t/m2，受九溪地区地层厚度最大(52.4 m)的影响，生烃强度最大出现在九溪地区。总体上，生烃强度较低，主要受五峰组烃源岩厚度薄(平均为11.1 m)的制约。根据商业油气流生烃强度的标准(生烃强度大于1 t/m2)，中上扬子地区目前只有溪口—大塘口地区、双河地区以及九溪—大沙坪—章山林场3个地区的生烃强度达到了商业油气流标准(图4b)。

2.4 烃源岩评价

综合郝石生[10]、程克明等[8]提出的烃源岩综合评价标准，提出了中上扬子地区五峰组烃源岩的综合评价标准(表2)。中上扬子地区五峰组烃源岩具有有机类型好、有机质丰度高和烃源岩厚度薄的特点，受厚度薄的影响，生烃强度低。中上扬子地区五峰组烃源岩为Ⅰ型有机质，原始有机碳含量大于2.00%，绝大部分地区生烃强度小于2.00 t/m2，综合3个单因素，认为中上扬子地区五峰组烃源岩为中等烃源岩。

表2 中上扬子地区五峰组烃源岩综合评价

3 结 论

(1) 建立并分析了生烃率与镜质体反射率的关系，提出了描述两者之间关系的数学模型，理论推导了残余降解率与镜质体反射率之间的数学关系式，结合热降解有机碳含量恢复法，提出了利用有机质类型、镜质体反射率和残余有机碳含量进行高、过成熟烃源岩原始有机碳含量恢复的方法。

(2) 中上扬子地区五峰组烃源岩有机质类型为Ⅰ型(腐泥型)。残余有机碳含量高，为1.36%～6.78%，平均为3.12%。原始有机碳含量更高，为3.18%～16.54%，平均7.45%。烃源岩厚度薄，为1.8～52.4 m，平均为11.1 m。

(3) 中上扬子地区五峰组烃源岩的有机质类型和原始有机碳含量属好烃源岩，受厚度薄的影响，生烃强度低，为0.13～5.20 t/m2，平均为0.96 t/m2，综合判定为中等烃源岩。

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编辑 张 雁

20140916；改回日期：20150120

国家科技重大专项 “复杂油气藏精细表征与剩余油分布预测”(2009ZX05009—003)

李志鹏(1983-)，男，工程师，2006年毕业于长江大学资源勘查工程专业，2012年毕业于中国石油大学(华东)地质资源与地质工程专业，获博士学位，主要从事石油勘探与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