基于岩石热解参数图版的烃源岩内部排烃效率计算方法

张冬梅，张延延，郭隽菁，胡守志，李水福

(1.中国地质大学(武汉) 资源学院，武汉 430074；2.中国石油集团 测井有限公司 新疆分公司，乌鲁木齐 831511)

排烃作用是指油气的初次运移，即烃类从烃源岩运移到储集岩的过程，它是油气成藏过程中的重要地质作用之一[1]，也是连接生烃与成藏的重要纽带[2-6]。排烃效率是排烃研究中的一个关键地质参数，倍受人们关注[7-11]。排烃效率的高低不仅影响常规油气聚集量，也影响着非常规油气的富集程度[12-13]，是常规与非常规油气资源评价的关键[14-16]。因此，如何准确计算烃源岩排烃效率，对油气聚集成藏具有重要的理论意义和实际价值。目前排烃效率的计算有很多种方法，而这些方法或是与实际地质条件有偏差，或是地质参数获取比较困难，或是计算过程比较复杂[7]。其中，原始生烃潜力恢复法是一种比较通用的方法，它是通过选择典型的含不同有机质类型的未熟烃源岩进行热解法模拟，以获得不同成熟度下的热降解率曲线图版。其优点是热解数据和有机碳含量容易获得，避免了复杂的排烃过程模拟；但也正因为是选择为数有限的典型有机质类型样品，所以一种类型有机质的原始生烃潜量(指数)仅采用同一个值[17-19]。

然而，烃源岩地球化学精细研究表明，陆相烃源岩具有较强的非均质性，即使同一类型有机质，其生烃潜量(指数)跨度较大，仅仅用几个数值显然很难代表/反映一个地区所有烃源岩的原始生烃潜量(指数)。尽管CHEN等[20-21]和郭秋麟等[22]采用数学公式拟合，但也是将众多参差不齐的数据拟合为一个原始氢指数，显然也代表不了非均质性很强的每个烃源岩样品特征。为了使不同特性的烃源岩样品具有独立的原始生烃量值(指数)，本文在原始生烃潜力恢复法基础上，介绍一种利用热解参数的氢指数(IH)与最大热解峰温(Tmax)划分有机质类型图版来恢复烃源岩原始生烃潜量(指数)的方法，它是原始生烃潜力恢复法研究排烃效率的一个补充。

1 排烃效率概念与计算方法

烃源岩的排烃效率有3个不同的概念：即相对排烃效率、绝对排烃效率和累计排烃效率[17]。它们相应的计算公式如下[7,23]：

(1)

(2)

(3)

生烃潜力恢复法计算的排烃效率为累积排烃效率。

2 热解图版法恢复烃源岩原始生烃潜量

热解图版法是指利用岩石热解分析获得的参数——IH与Tmax关系图，在已有的有机质类型分界线(称类型线)和成熟度趋势线(成熟度线)基础上进一步细分，将IH和Tmax绘图区域网格化(图1)，并定义Ro=0.2%的成熟度线与类型线交点为每个样品的原始值。需要说明的是，图版可在具有缩放功能的软件中制作，如Surfer12.0版软件，既可将样品数据投点，又可画出趋势线，并放大追踪其原始值。

具体做法：(1)将现今样品热解分析获得的IH和Tmax数据投点到图版中，再沿着类型线向左侧追踪，找到Ro=0.2%的成熟度线，读出该交点的氢指数，即为原始氢指数；(2)将原始氢指数减去现今氢指数获得生烃指数，再减去残烃指数，即可得到排烃指数，生烃指数与排烃指数相除的百分数为排烃效率。

具体计算公式如下：

生烃指数=原始氢指数-现今氢指数

(4)

排烃指数=生烃指数-残烃指数

(5)

(6)

图版说明：(1)图版类型线的形成。经典的IH—Tmax有机质类型划分图版[24]只有Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型3条类型分界线，国内学者通过对我国不同沉积盆地大量热解资料统计，提出了四分法图版，即在经典图版的Ⅱ型和Ⅲ型分界线之间增加一条新的分界线，并将原来Ⅱ型命名为Ⅱ1型，新加的为Ⅱ2型[25-26]。本图版的类型线是在此基础上按照Ⅰ型、Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型变化趋势均匀插入多条趋势线而成的。(2)图版成熟度线的形成。同理，图版成熟度线是在经典的IH—Tmax有机质类型划分图版[24]中成熟度趋势线基础上，按照它们变化趋势均匀插入多条趋势线而成的。(3)图版原始成熟度线的确定。根据地表镜质体反射率值(一般为Ro=0.2%)确定图版原始成熟度线，与类型趋势线交点的纵坐标值即为某样品点(IH和Tmax决定)的原始氢指数值。DOW[27]提出用logRo—H(深度)关系推到地表的值与0.2%比较来判断剥蚀量，他将地表处的Ro值定为0.18%～0.2%[27-30]。

图1 岩石热解分析参数图版 图中数据点为南襄盆地泌阳凹陷泌页1井样品的数据点。Fig.1 Parameter chart of Rock-Eval pyrolysis analysis

3 热解图版法与人为赋值法对比

JARVIE 等[18]通过数据分析认为，Ⅰ型、Ⅱ型、Ⅲ型和Ⅳ型干酪根的原始氢指数值分别为750，450，125，50 mg/g。陈建平等[19]按照烃源岩在未成熟—临界成熟时热解氢指数划分有机质类型，即IH<200 mg/g为Ⅲ型，200≤IH<400 mg/g为Ⅱ2型，400≤IH<600 mg/g为Ⅱ1型，IH≥600 mg/g为Ⅰ型，并以150，350，550，750 mg/g代表Ⅲ型、Ⅱ2型、Ⅱ1型和Ⅰ型烃源岩的平均最大生烃量。本文的人为赋值法均采用文献[19]的赋值计算。

对泌阳凹陷泌页1井的66个烃源岩热解分析数据，分别用热解图版法和人为赋值法计算出它们的排烃效率(PEE)，并将其分别与代表有机质丰度的TOC、代表有机质类型的IH和代表有机质成熟度的Tmax作图(图2)，重点研究排烃效率与有机质ATM特性(有机质丰度Abundance、有机质类型Type、有机质成熟度Maturity)的关系。

从图2可以看出，热解图版法计算结果与有机质ATM特性的相关性(图2中A-C)均优于人为赋值法(图2中a-c)。其中，人为赋值法的计算过程和结果可能出现负值，导致排烃效率出现负值，也可能使排烃效率出现大于100%的现象，但热解图版法则不会出现这种情况(表1)。可见，利用热解图版法计算排烃效率更合理一些。

4 与页岩油富集程度相关性

在常规油气地质理论中，排烃效率一般是指一套烃源岩层段，或一个洼陷，甚至整个凹陷的总体排烃效率，因此，检验排烃效率的可靠性，可以用常规的油气资源量来反推验证。但是，在本文如果仍用这种方法验证，则就失去了本方法的意义，而又回到原来的原始生烃潜力恢复法的状况，即一种类型干酪根只用一个原始生烃潜力指数，而获得的排烃效率也可能是一套烃源岩层，甚至一个凹陷只有一个或仅有几个排烃效率值。

因此，验证热解图版法计算的烃源岩内部排烃效率可靠性，最好的方法是用经过排烃作用后残留在烃源岩中的滞留烃量。但是，滞留烃量不等于页岩油资源量，只有其中的游离油才对页岩油资源有贡献。所以，不能直接用滞留烃量来衡量页岩油资源量，目前判断页岩油资源的有效指标之一是含油饱和指数(OSI)[31-33]，它是单位质量有机碳所含的游离烃量，即OSI=S1/ω(TOC)。因此，我们对泌页1井5号页岩层(2 415～2 451 m)的样品分析，通过研究两种计算方法获得的排烃效率与页岩含油饱和指数的关系，可以发现，热解图版法的排烃效率与OSI具有较好的对应性(图3a)。这说明用热解图版法计算的排烃效率，在一定程度上可以反映烃源岩内部的页岩油富集情况。而人为赋值法的排烃效率与OSI的变化几乎无规律，而且很多排烃效率为负值，更有超过100%者(图3b)，这显然很不合理。

图2 南襄盆地泌阳凹陷泌页1井烃源岩排烃效率与有机质特性(ATM)的关系(两种排烃效率计算方法对比) 图a—c为人为赋值法计算结果，A—C为热解图版法计算结果。Fig.2 Correlation between hydrocarbon expulsion efficiency and organic matter characteristics (ATM) of well BYHF 1, Biyang Sag, Nanxiang Basin

表1 南襄盆地泌阳凹陷泌页1井烃源岩内部排烃效率Table 1 Internal expulsion efficiency of source rock of well BYHF 1, Biyang Sag, Nanxiang Basin

续表1

图3 南襄盆地泌阳凹陷泌页1井5号页岩层不同方法计算的排烃效率与页岩油富集程度吻合性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 结论

(1)准确计算烃源岩排烃效率，对常规和非常规油气聚集都非常重要，但现行计算方法中，或是地质参数获取比较困难，或是计算过程比较复杂。其中，原始生烃潜力恢复法虽有参数易于获取的优点，但也有一种类型有机质的原始生烃潜力仅有一个且是人为赋值的不足。在氢指数与最大热解峰温关系划分有机质类型的经典图版基础上,将有机质类型分界线和成熟度趋势线均匀插值网格化的图版法，其参数获取相对合理,计算过程较为简单，是原始生烃潜力恢复法的修正和补充。

(2)通过泌阳凹陷泌页1井66个烃源岩的实测数据，重点研究了排烃效率与有机质ATM特性以及页岩油富集程度的关系。结果表明，与人为赋值法相比，热解图版法获得的排烃效率与有机质ATM特性更具规律性，与页岩油富集程度(OSI)的吻合度较高，而且计算结果不会出现负值和排烃效率大于100%的现象。由此可见，热解图版法计算烃源岩内部排烃效率比较合理可行。