泥頁(yè)巖生烴性與含烴性研究現(xiàn)狀

錢 強(qiáng)，張金功，彭海波

(西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安710069)

隨著常規(guī)油氣資源逐漸減少，非常規(guī)油氣資源的勘探開(kāi)發(fā)顯得日益重要，其中頁(yè)巖氣、頁(yè)巖油在美國(guó)、加拿大等國(guó)的勘探開(kāi)發(fā)取得了巨大成功，引發(fā)了全球?qū)Ψ浅Ｒ?guī)油氣資源的關(guān)注［1－4］。本文將對(duì)泥頁(yè)巖相關(guān)概念、生烴性研究的三個(gè)方面(有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型和有機(jī)質(zhì)演化程度)及泥頁(yè)巖含烴性進(jìn)行綜合分析，并指出其存在的問(wèn)題以及泥頁(yè)巖生烴性與含烴性研究的發(fā)展趨勢(shì)，以期能夠客觀、全面地反映泥頁(yè)巖油氣賦存層段的生烴、含烴特征，有效服務(wù)于泥頁(yè)巖油氣勘探。

1 泥頁(yè)巖相關(guān)概念

廣義的泥巖即通常所說(shuō)的泥巖，包括塊狀泥巖和層狀頁(yè)巖，可籠統(tǒng)稱為泥頁(yè)巖，是由泥級(jí)顆粒組成的碎屑沉積巖。泥級(jí)顆粒既包括泥級(jí)的石英、長(zhǎng)石等陸源碎屑，也包括高嶺石、蒙脫石、伊利石等粘土礦物，巖石定名中的泥質(zhì)即泛指這些泥級(jí)顆粒。廣義泥巖中可混入粉砂等相對(duì)大粒級(jí)碎屑，也可混含方解石、白云石等(生物)化學(xué)沉積物，隨著混入物含量增加，相應(yīng)向其他巖石類型過(guò)渡。狹義的泥巖特指塊狀泥質(zhì)巖。

頁(yè)巖氣和頁(yè)巖油氣中的“頁(yè)巖”為模糊概念，泛指聚集天然氣或油氣的烴源巖，該類地層由不同巖石類型構(gòu)成，包括泥巖、頁(yè)巖及灰質(zhì)泥巖、灰質(zhì)頁(yè)巖、泥質(zhì)灰?guī)r、粉砂質(zhì)泥巖等過(guò)渡巖性，甚至灰?guī)r、云巖及粉砂巖等其他巖石類型［5］。

根據(jù)泥頁(yè)巖地層中所含烴類相態(tài)、成因機(jī)理及勘探開(kāi)發(fā)等特點(diǎn)，將頁(yè)巖類油氣劃分為頁(yè)巖氣和頁(yè)巖油兩大類［4］。頁(yè)巖氣從石油地質(zhì)理論來(lái)講屬于自生自儲(chǔ)或者自生近儲(chǔ)，氣體或有很短距離的運(yùn)移，氣體以游離、吸附和溶解狀態(tài)存在于富含有機(jī)質(zhì)的細(xì)粒泥頁(yè)巖中，分布廣泛，沒(méi)有氣水邊界的連續(xù)分布型氣藏［1－8］。頁(yè)巖油是以游離(含凝析態(tài))、吸附及溶解(可溶解于天然氣、干酪根和殘余水等)態(tài)等多種方式賦存于有效生烴泥頁(yè)巖地層層系中且具有勘探開(kāi)發(fā)意義的非氣態(tài)烴類［1－9］。頁(yè)巖油的形成和分布受頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)演化程度的限制，只有在生油窗范圍內(nèi)的頁(yè)巖才具備形成頁(yè)巖油的條件，演化程度過(guò)高則易轉(zhuǎn)化為頁(yè)巖氣［9］

2 泥頁(yè)巖生烴性的研究

2.1 泥頁(yè)巖類烴源巖的沉積環(huán)境

泥頁(yè)巖類烴源巖沉積于淺海、三角洲、湖泊等沉積環(huán)境，環(huán)境安靜乏氧、氣候溫暖、生物繁茂、穩(wěn)定沉降，浮游生物或陸源有機(jī)質(zhì)豐富并隨粘土礦物質(zhì)大量堆積、保存，其中的有機(jī)質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化。顯然這種環(huán)境并不是到處都有，它們受到區(qū)域大地構(gòu)造和巖相古地理等條件的嚴(yán)格控制［9－12］。

半深湖——深湖相沉積的泥巖類巖石大多有機(jī)質(zhì)豐度高;河流——沼澤相沉積的泥巖類巖石有機(jī)質(zhì)豐度較低(苗建宇等，2005)。

2.2 泥頁(yè)巖類烴源巖的地球化學(xué)特征

通過(guò)對(duì)烴源巖的地球化學(xué)研究，可以判斷哪些泥頁(yè)巖具備烴源巖的條件，其生烴能力如何、是不是好的烴源巖等。烴源巖的地球化學(xué)特征包括三個(gè)方面:有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型和有機(jī)質(zhì)演化程度［12］。隨著勘探技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)于烴源巖研究的方法較前幾年已經(jīng)發(fā)生了非常巨大的變化，各種測(cè)試方法和測(cè)試技術(shù)的改進(jìn)和提高使得烴源巖的定性研究更加可靠。而目前對(duì)于烴源巖的研究還主要集中在烴源巖評(píng)價(jià)方面的與油氣生成和產(chǎn)出有關(guān)的巖石特性指標(biāo)上。

2.2.1 烴源巖中有機(jī)質(zhì)的數(shù)量

巖石中有機(jī)質(zhì)的數(shù)量直接決定著烴類的生成量，因此，精確測(cè)定巖石中的有機(jī)質(zhì)數(shù)量是評(píng)價(jià)烴源巖的關(guān)鍵。國(guó)內(nèi)外一直流行的，并且目前仍沿用的測(cè)定有機(jī)質(zhì)的數(shù)量的方法就是直接測(cè)定烴源巖的總有機(jī)碳含量，可溶有機(jī)質(zhì)含量和總烴含量并結(jié)合烴源巖的其它特征建立了一系列適用于各種不同類型烴源巖的有機(jī)質(zhì)數(shù)量指標(biāo)評(píng)價(jià)體系。對(duì)于一套已生成和釋放出足夠形成工業(yè)性油氣聚集的烴源巖來(lái)說(shuō)，所測(cè)定出來(lái)的有機(jī)質(zhì)含量實(shí)際上只是其殘余有機(jī)質(zhì)含量，但考慮到轉(zhuǎn)化成烴類的有機(jī)質(zhì)與巖石中的原始有機(jī)質(zhì)相比只是很少的一部分，所以一般均用巖石中的殘余有機(jī)質(zhì)數(shù)量近似地代表烴源巖的有機(jī)質(zhì)數(shù)量。作為烴源巖，其有機(jī)碳含量的下限值是頗為重要的。中國(guó)石油天然氣總公司石油勘探開(kāi)發(fā)科學(xué)研究院將中國(guó)陸相泥質(zhì)生油巖的有機(jī)碳含量的下限值定為0.4%。國(guó)外各石油公司也都根據(jù)生油巖中的烴含量建立了自己的生油巖級(jí)別評(píng)價(jià)體系。目前，衡量巖石中有機(jī)質(zhì)的豐度所用的指標(biāo)主要有總有機(jī)碳(TOC)、氯仿瀝青“A”、總烴和生烴勢(shì)［12］。此外，對(duì)咸化環(huán)境形成的泥質(zhì)生油巖和泥灰?guī)r其有機(jī)碳含量標(biāo)準(zhǔn)也應(yīng)適當(dāng)降低至0.25%左右，為此，部分學(xué)者還提出了分別適用于泥質(zhì)巖和碳酸鹽巖生油巖的有機(jī)碳評(píng)價(jià)體系。但是目前所使用的有關(guān)烴源巖中的有機(jī)質(zhì)含量實(shí)際上都是殘余有機(jī)質(zhì)含量。因此，對(duì)于那些烴轉(zhuǎn)化率比較高、排烴效率比較好的烴源巖，用殘余有機(jī)質(zhì)含量代替其原始有機(jī)質(zhì)含量，必然會(huì)造成烴源巖評(píng)價(jià)中的失誤，所以在實(shí)際的地質(zhì)工作中，還應(yīng)針對(duì)具體情況，對(duì)有關(guān)的指標(biāo)作一些必要的調(diào)整，以使評(píng)價(jià)工作更接近地質(zhì)實(shí)際［13－15］。

2.2.2 烴源巖中的有機(jī)質(zhì)類型

雖然國(guó)內(nèi)外目前用來(lái)進(jìn)行烴源巖有機(jī)質(zhì)類型劃分的方法很多，但都是通過(guò)分析巖石中可溶有機(jī)質(zhì)的組成和不溶有機(jī)質(zhì)(干酪根)的結(jié)構(gòu)和組成來(lái)實(shí)現(xiàn)的，常見(jiàn)的分析方法及其特點(diǎn)如下［13－15］:

(1)用Rock－Eval熱解分析方法直接測(cè)定出巖石中的吸附烴、干酪根熱解烴和二氧化碳等含氧揮發(fā)組分的含量以及相應(yīng)的溫度，并根據(jù)有機(jī)碳含量算出其氫指數(shù)和氧指數(shù)，從而確定其有機(jī)質(zhì)類型，該方法快速、簡(jiǎn)單、成本較低，但準(zhǔn)確率比較低。

(2)用元素分析測(cè)定干酪根的元素組成，計(jì)算出干酪根的H/C原子比和O/C原子比，將相應(yīng)的數(shù)據(jù)投在標(biāo)準(zhǔn)的范一克羅維倫坐標(biāo)圖上，即可確定其有機(jī)質(zhì)的類型，該方法的準(zhǔn)確率較高，但對(duì)高成熟生油巖有機(jī)質(zhì)類型的確定比較困難。

(3)用有機(jī)巖石學(xué)方法在顯微鏡下直觀地鑒別源巖中有機(jī)質(zhì)的顯微組成特征，劃分源巖類型。(4)根據(jù)巖石中可溶有機(jī)質(zhì)的組成特征來(lái)劃分有機(jī)質(zhì)類型。(5)根據(jù)特征的具有成因標(biāo)志的生物標(biāo)志化合物的相對(duì)含量來(lái)確定烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型。

上述方法都是在近幾十年以來(lái)精確的有機(jī)地球化學(xué)分析測(cè)試技術(shù)發(fā)展起來(lái)以后才逐漸建立起來(lái)的。但上述各種方法在確定烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型時(shí)都有各自的優(yōu)點(diǎn)和不足之處。而近年來(lái)由于油氣勘探工作日趨復(fù)雜化，用某一單一的方法來(lái)確定有機(jī)質(zhì)的類型已不大可能，因此，通常是將上述各種方法綜合起來(lái)，相互取長(zhǎng)補(bǔ)短，來(lái)確定烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型。另外在確定烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型時(shí)，干酪根的X光衍射、紅外光譜特征及碳同位素組成特征等都可以作為定型的輔助手段。

2.2.3 烴源巖中有機(jī)質(zhì)的成熟度

烴源巖中有機(jī)質(zhì)的成熟度研究是現(xiàn)代烴源巖研究的三大要素之一，盡管近幾年來(lái)未熟油理論和低熟油理論的興起和發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)的“石油深成說(shuō)”提出了挑戰(zhàn)。但許多研究表明，在影響烴類生成的諸因素中，有機(jī)質(zhì)的成熟作用仍然是最重要的因素之一。從近幾年來(lái)國(guó)外勘探成功率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果來(lái)看，在有機(jī)質(zhì)成熟帶找油的成功率可達(dá)25% ～50%，在不成熟帶則為2.5% ～5%，而在過(guò)成熟帶找到的主要是氣。在石油勘探中，用以研究有機(jī)質(zhì)成熟度的方法及其使用的參數(shù)和指標(biāo)很多。除此之外，還可根據(jù)干酪根鏡質(zhì)體反射率(Ro)、抱粉顏色、結(jié)構(gòu)和熒光特性、干酪根ESR“自由基”濃度、流體包裹體以及裂變徑跡等手段來(lái)確定烴源巖有機(jī)質(zhì)的成熟度［13－15］。

3 泥頁(yè)巖含烴性的研究

3.1 泥頁(yè)巖含烴性分析

泥頁(yè)巖的含烴性是評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖油氣藏是否具有開(kāi)采價(jià)值的一個(gè)重要標(biāo)準(zhǔn)。含烴性分析主要包括泥頁(yè)巖的含烴量測(cè)試、等溫吸附試驗(yàn)、烴類組分及同位素分析，其中含烴量測(cè)試是含烴性分析的重點(diǎn)。由于泥頁(yè)巖中所含的溶解態(tài)烴量極少，故泥頁(yè)巖總資源量可近似分解為吸附總量與游離總量之和。

為了分析含烴性，在取芯時(shí)，應(yīng)用了常規(guī)取芯和密封取芯兩種方法，對(duì)剛出筒的泥頁(yè)巖巖心進(jìn)行細(xì)致觀察的同時(shí)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，以觀察泥頁(yè)巖的含烴性并收集頁(yè)巖氣樣品，并用解吸儀器在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試了泥頁(yè)巖的含烴量，還有就是通過(guò)對(duì)巖心的氯仿瀝青“A”、總烴、殘留烴地球化學(xué)測(cè)試來(lái)分析泥頁(yè)巖的含烴性。

在頁(yè)巖氣資源評(píng)價(jià)過(guò)程中，如何快速評(píng)價(jià)泥頁(yè)巖的含氣性，尤其是在沒(méi)有針對(duì)泥頁(yè)巖取心，無(wú)法開(kāi)展現(xiàn)場(chǎng)氣體解吸的情況下，作者認(rèn)為不能僅靠等溫吸附來(lái)決定地下泥頁(yè)巖的含氣性，因?yàn)槿魏我粔K泥頁(yè)巖石在一定的溫度和壓力條件下都能吸附一定量的氣體，并不能說(shuō)明地下泥頁(yè)巖的含氣性和商業(yè)價(jià)值，可采取兩種方法來(lái)確定:一是通過(guò)老井或新井的氣測(cè)，有氣測(cè)顯示證明泥頁(yè)巖具有含氣性，氣測(cè)顯示越高的層越具有商業(yè)勘探價(jià)值，是有利的頁(yè)巖氣儲(chǔ)層，也是下一步勘探的重點(diǎn)層位;二是通過(guò)野外露頭挖淺探槽的方式取樣進(jìn)行直接解吸或熱模擬，然后對(duì)熱模擬結(jié)果進(jìn)行解吸，如果有氣體被解吸出來(lái)，盡管量很少，但意義重大，證明該層位泥頁(yè)巖具有含氣性，縱向系統(tǒng)的解吸可發(fā)現(xiàn)解吸氣量越高所對(duì)應(yīng)的層位是進(jìn)一步研究的重點(diǎn)層位［13－18］。

3.2 泥頁(yè)巖含烴性的主要影響因素

泥頁(yè)巖含氣性除了受有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、成熟度、裂縫、孔隙度、厚度、礦物組成等內(nèi)部因素控制，同時(shí)也受深度、壓力、溫度、等外部因素影響［18］。吸附氣和游離氣組成了頁(yè)巖氣的主要成分，而吸附氣量主要與有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)、成熟度、泥頁(yè)巖厚度有關(guān)，游離氣量主要與裂縫發(fā)育程度和孔隙度有關(guān)。

頁(yè)巖厚度和分布面積是保證頁(yè)巖氣藏有足夠的有機(jī)質(zhì)及充足的儲(chǔ)集空間的重要條件。頁(yè)巖厚度愈大，所含有機(jī)質(zhì)就愈多，天然氣生成量與滯留量也就愈大，頁(yè)巖氣藏的含氣豐度愈

高［19，20］。

通過(guò)美國(guó)頁(yè)巖氣藏和國(guó)內(nèi)可能存在的頁(yè)巖氣藏的構(gòu)造演化特征對(duì)比分析認(rèn)為，穩(wěn)定構(gòu)造條件下的持續(xù)沉降是頁(yè)巖氣成藏的關(guān)鍵(龔建明等，2012)。

穩(wěn)定的區(qū)域構(gòu)造環(huán)境為泥頁(yè)巖的持續(xù)沉降提供了可容空間，奠定了油氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ);持續(xù)的沉降作用為泥頁(yè)巖的不間斷受熱和生烴提供了熱力學(xué)條件;構(gòu)造隆升幅度小為頁(yè)巖氣的保存提供了的保障，因此，區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定可能是頁(yè)巖氣成藏的關(guān)鍵［20－23］。

4 結(jié)語(yǔ)

現(xiàn)在對(duì)泥頁(yè)巖含烴性的研究較少，同時(shí)主要是關(guān)注各種因素對(duì)含烴性的影響，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)泥頁(yè)巖含烴性主控因素的研究;泥頁(yè)巖生烴性、含烴性研究目前局限于單因素分析，應(yīng)制作暗色泥頁(yè)巖等厚圖、TOC等值線圖、Ro等值線圖、暗色泥巖埋深圖等地質(zhì)圖件，對(duì)其進(jìn)行疊加綜合分析。

隨著泥頁(yè)巖油氣藏研究的深入，首先須落實(shí)泥頁(yè)巖的生烴性，掌握其沉積特征，明確不同泥頁(yè)巖的地球化學(xué)特征及油氣轉(zhuǎn)化特征;其次研究泥頁(yè)巖的含烴性，掌握其受控因素，含烴豐度。

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