湖相烃源岩原始有机质恢复与生排烃效率定量研究——以东营凹陷古近系沙河街组四段优质烃源岩为例

刘庆，张林晔，王茹，朱日房，李政

1)中国石化胜利油田分公司地质科学研究院，山东东营，257015； 2)胜利油田博士后科研工作站，山东东营，257015

内容提要: 在烃源岩沉积有机相精细划分的基础上，优选东营凹陷古近系沙河街组四段的优质烃源岩样品,建立了完整的自然演化地球化学剖面，并应用物质平衡法，开展了原始有机质恢复和生排烃效率定量计算。计算结果表明，沙河街组四段主力供烃区间内的优质烃源岩具有高生排烃效率和原始有机质丰度恢复系数, 其中深层高过成熟阶段排烃效率可达70%～80%，原始有机质丰度恢复系数可达1.5～2.0,较以往资源评价中采用的数值有较明显提高。据该结果推算,东营凹陷沙河街组四段的总排烃量总体上将有一定程度的提高,其中中浅层烃源岩的资源贡献有所降低,而深层烃源岩的资源贡献有较大幅度升高，主力烃源岩埋藏深度有下沉的趋势，这预示着深层具有丰富的资源基础和勘探前景。研究成果对于济阳坳陷乃至整个渤海湾盆地的油气资源潜力再认识和深层油气藏勘探具有重要的指导意义。

中国东部中新生代的许多富油凹陷已进入较高勘探程度阶段，对盆地油气资源潜力的重新评价成为指导勘探决策的关键。在各种资源评价方法中，成因法是相对可靠、在国内应用最为广泛的一种方法，但长期以来该评价方法的可靠性受到一些关键参数的限制，其中就包括烃源岩原始有机质恢复系数和生排烃效率。

对烃源岩中原始有机质恢复与生排烃效率计算存在多种方法，包括模拟实验法、化学动力学法、自然演化剖面法、物质平衡法等等，各有其优缺点。如物质平衡法是根据对不同成熟度和演化程度样品的对比分析，根据物质守衡原理进行计算，由于可以回避复杂的机理，计算结果相对较为可靠(Lewan，1997；Littke et al.，1988)。但该方法有一个重要前提，即需要具有原始地化特征相同或基本相同的从未成熟到成熟乃至高过成熟的样品对或完整样品系列。海相烃源岩由于分布稳定，有机相变化慢，容易实现，因而存在一些较好的研究实例(Bordenave，1993；Cools et al.，1986)。而对于湖相烃源岩，由于其有机相变化快，非均质性强，建立相同类型烃源岩的自然演化剖面比较困难，该方法在陆相盆地的应用受到很大限制。笔者认为对于较高勘探程度的地区，通过加强湖相烃源岩形成机制的研究，建立不受成熟度影响的烃源岩沉积地球化学分类，消除烃源岩非均质性带来的影响，可以有效地解决自然演化剖面建立和物质平衡法计算生排烃效率等参数过程中存在的一系列问题。

东营凹陷作为中国东部典型的富油凹陷，具有勘探程度和研究程度高、基础资料丰富的特点(图1)。尤其是近年来，在隐蔽油气藏勘探过程中，深层高成熟烃源岩样品取芯量有了大幅度增长，为建立完整的自然演化地球化学剖面奠定了基础。本文在张林晔等(2011)和刘庆等(2009，2011)对烃源岩沉积有机相精细划分和评价的基础上，建立和完善了古近系沙河街组四段(下文简称沙四段)烃源岩的自然演化地球化学剖面，分析了不同地化参数之间的相互关系，并借鉴国内外相关领域的研究进展，开展了原始有机质恢复和生排烃效率定量研究。

1 自然演化地球化学剖面的建立

对于深层烃源岩来说，由于热演化程度较高，常规地球化学方法，如镜鉴、热解分析和同位素分析等方法,对于烃源岩有机质类型和质量的判定均受到不同程度的限制，因而仅依赖常规地球化学指标对深层烃源岩进行精细划分和筛选出相同类型样品,存在一定难度。而烃源岩沉积有机相分析由于综合考虑了烃源岩的其它特性,可以从一定程度上加以弥补。本文所采用的有机相划分和样品优选是在综合考虑烃源岩微观构造、蒸发盐矿物组合、化石组合、有机质赋存方式等特征以及测井综合评价基础上开展的，可靠程度较高，详见(张林晔等，2011；刘庆等，2009，2011)研究成果。

图1 东营凹陷构造地质概况Fig. 1 Structural profile of Dongying depression 1—正断层；2—凸起或隆起；3—城市； 4—河流；5钻井 1—Normal fault; 2—uplift; 3—city; 4—river; 5—well

东营凹陷沙四段优质烃源岩有两套，分别为沙四段上亚段咸化湖相和沙四段下亚段顶部的盐湖相烃源岩。前者埋藏深度和取芯深度范围跨度较大，涵盖未成熟、成熟及高成熟等演化阶段，后者埋藏深度大且深度范围较为局限，埋藏深度一般大于3500m，主要处于高过成熟阶段，缺少低成熟样品。考虑到二者在沉积环境、有机质来源、有机质生烃模式等方面的相似性，故合并成一条自然演化剖面进行计算。如图2为筛选优质烃源岩建立的自然演化地球化学剖面，样品埋藏深度主要介于1000m至4300m之间，涵盖了未成熟、低成熟、成熟至高成熟各个演化阶段的样品，不同成熟系列样品完整。从图2还可以看出，氢指数(IH指数)和热解S1+S2在成熟—高成熟阶段有较大幅度的降低，预示着烃源岩中的有机质具有很高的生烃转化率和排烃效率。

图3和图4为自然演化剖面中不同埋藏深度(或不同成熟度)样品热解S2与总有机碳的关系，表现出以下特点：① 对于相同或相近成熟度(埋藏深度相同或相近)的样品，热解S2与有机碳总体呈现较好的线性关系，尤其是未成熟和低成熟样品表现的更加明显。这种特点表明依据沉积有机相精细评价对样品的筛选是可靠的。据此即获得了原始地化特征基本相同的从未成熟至高成熟的沙四段优质烃源岩样品系列，为原始有机质丰度恢复和生排烃效率计算奠定了基础。② 对于不同成熟度的样品系列，热解S2与总有机碳具有不同的斜率，随成熟度的提高斜率值逐渐降低，并且绝对值总体上逐渐降低。表明随着成熟度的提高，烃源岩生烃潜力因生烃作用逐渐降低。尤其是埋藏深度大于3500m的样品，生烃潜力发生大幅度降低，部分样品的生烃潜力已基本耗尽，同时烃源岩的有机碳含量整体也呈现出降低的趋势。显然烃源岩有机质丰度和生烃潜力的上述差异与生排烃作用密切相关。可见，在烃源岩地球化学评价和油气资源潜力评价中，对于深层高过成熟的优质烃源岩来说，开展原始有机质丰度恢复是非常必要的。

图2 东营凹陷古近系沙河街组四段优质烃源岩自然演化地球化学剖面Fig. 2 The natural evolution geochemical section of the excellent source rocks for the Palaeocene E2-3s4, Dongying Sag

图3 东营凹陷古近系沙河街组四段优质 烃源岩有机碳与热解S2的关系Fig. 3 The relevance between the organic carbon and Rock—Eval S2 for the excellent source rocks of the E2-3s4, Dongying Sag

图4 东营凹陷沙四段优质烃源岩 有机碳与热解S2/有机碳的关系Fig. 4 The relevance between the organic carbon and Rock—Eval S2/TOC for the excellent source rocks of the E2-3s4, Dongying Sag

2 计算原理和计算方法

有机质原始丰度恢复以及精确的生排烃效率定量估算在油气资源评价中具有重要的意义。现在石油界比较通用的方法是物质平衡法，主要利用HI指数、元素组成等随成熟度的变化进行计算(Baskin, 1997；Bordenave，1993；Daly and Edman, 1987；Larter,1988)。Bordenave(1993)介绍了利用干酪根原始元素组成计算最大石油生成量的方法。国外另外一些学者认为HI指数随成熟度的变化反映了有机质转化为石油的比例(Mackenzie and Quigley, 1988；Schmoker, 1994)，因此利用热解方法比较成熟烃源岩与其未成熟的对应物HI指数差异，即可以进行生排烃效率计算。其后，英国石油(BP公司)根据干酪根化学特性的差异，进一步完善了HI指数方法，利用复杂的代数运算来进行计算(Cooles et al., 1986)。国内学者在这方面也开展过一系列的研究，如卢双舫等(1995)从有机质成烃的化学动力学模型计算的烃转化率出发，通过逐步递推来恢复有机质原始生烃潜力和原始有机质丰度。本文主要参照Cooles等(1986)的成果，其基本原理和计算方法如下。

图5 基于干酪根化学结构和生烃行为的分类方法(据Cooles et al.,1986；图中所有代码均表示其所含净碳元素的含量)Fig. 5 Diagram showing the classification of kerogen based on the chemical structure and hydrocarbon generation behaviors(All the codes in the diagram are expressed with the pure carbon content, after Cools et al., 1986)

Cooles 等(1986)根据生烃过程中发生的作用及其化学行为差异，将烃源岩中的干酪根分为活性干酪根和惰性干酪根两大类(图5)，前者在烃源岩热演化过程中逐渐转化为油气，后者最终成烃石墨。其中活性干酪根又可分为易降解(生油)和耐降解(生气)的干酪根，前者较容易转化生成烃类，而后者的降解条件则相对苛刻。典型烃源岩中所含的干酪根是3种类型干酪根的混合物。另外，烃源岩中还存在一定量的可溶有机质。对于相同沉积有机相的烃源岩，其原始状态下(未成熟)不同类型干酪根和可溶有机质之间具有固定的比例。

根据图中的代码之间的关系，则烃源岩中干酪根不同组分之间存在以下代数式：

CK=CKL+CKR+CKI

(1)

对于现今未成熟的烃源岩，其现今状态可表示为：

CK0=CKL0+CKR0+CKI0

(2)

对于与上述未成熟烃源岩类型或有机相相同的成熟烃源岩，其现今状态可表示为：

CK=CKL+CKR+CKI

(1)

而现今成熟烃源岩的原始状态及未成熟时的参数关系(未发生明显的生排烃过程)，可表示为：

CK0′=CKL0′+CKR0′+CKI0′

(3)

相应的不同成熟度烃源岩中存在的可溶有机质可分别表示为CO0(未成熟烃源岩)、CO(成熟烃源岩)，CO0′，不同成熟度烃源岩中存在的天然气可分别表示为CG0(未成熟烃源岩)、CG(成熟烃源岩)，CG0′(成熟烃源岩的原始状态值)。由于烃源岩中初始气浓度很低，可以忽略，CG0、CG0′赋值为零。

假定惰性干酪根在油气生成过程中量不变，视为常数，则有以下关系：

CO0：CKL0：CKR0：CKI0≡CO0′：CKL0′：CKR0′：CKI0′

(4)

上述不同类型的有机质与地化参数之间存在以下关系：

TOC=CKL+CKR+CKI+CO

(5)

(6)

TSE(总可溶有机质),

(7)

其中WK为活性干酪根中的有机碳比例，WO为石油中的有机碳含量比例，均取值0.85。Z值为利用热解S1分析烃源岩的自由烃过程中未挥发的属于自由烃的高分子量部分比例，或用TSE分析总可溶有机质过程中的轻烃损失比例，均赋值0.35。这样依据上述一系列公式，通过复杂代数计算，即可计算烃源岩的原始生烃潜力、石油生成指数、排烃效率等参数：

成熟烃源岩的原始生烃潜力(热解S20′)：

(8)

石油生成指数(PGI)=(生成的石油 + 初始石油)/总石油潜力，即

(9)

排烃效率(PEE)=排出的石油/(生成的石油 + 初始石油)，即

PEE=

(10)

3 烃源岩原始有机质恢复及生排烃效率定量计算

在图2所建立的自然演化剖面基础上，利用Cools等(1986)的方法，开展了原始有机质恢复和排烃效率计算。具体计算中沙四段烃源岩排烃门限取2500m(张林晔等，2005)，即埋藏深度<2500m的烃源岩作为未成熟烃源岩。东营凹陷沙四段烃源岩生烃门限较浅(2200m左右)。对于埋藏深度小于2500m的样品，虽已经开始生烃并且生烃潜力发生小部分转化，但排烃量仍很低，热解S1+S2可简单认为未发生变化。考虑到湖相烃源岩的非均质性较强，在具体计算时对埋藏深度>2500m的烃源岩进行了分段平均处理，以保证计算结果更加可靠。生排烃效率和原始有机质恢复系数计算结果见图6，其中沙四段优质烃源岩在4000m的左右的排烃效率可达70%～80%，原始有机质恢复系数为1.5～2.0。

图6东营凹陷沙四段优质烃源岩排烃效率与原始有机质丰度(有机碳)恢复系数随深度的变化Fig. 6 The vertical changes of the expulsion efficiencies and the original organic matter content recovery factors for the excellent hydrocarbon source rocks of the E2-3s4, Dongying Sag M1：利用热解S1代入公式7计算的排烃效率值；M2：利用TSE代入公式7计算的排烃效率值； M3：利用热解S1和TSE的平均值代入公式7计算的排烃效率值 M1：The expulsion efficiency gotten when using pyrolysis S1 to formula 7; M2：The expulsion efficiency gotten when using TSE to formula 7; M3：The expulsion efficiency gotten when using the average value of pyrolysis S1 and TSE to formula 7

对于东营凹陷沙四段烃源岩的生、排烃效率研究，前人也开展过一定量的研究工作。其中，周杰和庞雄奇(2002)提出了一种根据原始和现今生烃潜力指数计算排烃量的方法，并计算了不同层段烃源岩的生排烃效率。从其计算结果来看，沙四段烃源岩的排烃效率略低于本次研究。对比分析认为，尽管其所采用的也是物质平衡法和自然演化剖面法相结合的方法，但其计算中未充分考虑沉积有机相对有机质丰度的影响，未划分优质烃源岩和普通烃源岩，而是采用相对统一或平均的原始生烃潜力指数。实际上，由于深层烃源岩多对应着强还原环境形成的优质烃源岩，其所采用的原始生烃潜力指数应低于实际值，故计算结果应低于实际值。另外，受当时深层烃源岩取芯较少的限制，其计算过程中的数据代表性也受到一定影响。综合以上分析认为，本次计算得到的高排烃效率是合理的。于仲坤等(2011)对东营凹陷沙四段烃源岩也开展过生烃动力学评价。其评价结果中未给出生排烃效率随深度的变化曲线，但从其计算的总生油量和总排油量分析，沙四段上亚段平均排烃效率也非常高，达49.4%，与本次计算结果是一致的。

东营凹陷所在的胜利探区曾进行过多次资源评价(王捷等❶，1984；隋风贵等❷，2005)。其中第一轮资源评价济阳坳陷各层段所采用的排烃效率均为0.31，其求取方法是通过对比厚层泥岩段中滞油带(近中心位置)与上、下排油带(边缘近储层)的生油指标差异求取的。由于所选烃源岩段质量较差、埋深较浅(现已证明为无效烃源岩)，求取方法并不科学。第二轮资源评价主要采用数值模拟的方法，未给出直接的排烃效率，但总体平均下来排烃效率较低。第三轮资源评价采用的排烃效率是综合数值模拟、生烃物理模拟实验等多种方法得到的，但因样品代表性、热史研究的复杂性等限制，不同方法得到的结果差异很大，最终采用的是平均值，即同一凹陷不论深度大小每套烃源岩取相同的数值,该值与前两轮给出的结果差异不大。依据第三轮资源评价的资源量数值(第三轮>第二轮>第一轮)和目前的探明储量(46×108t)推算, 胜利油田已经到了油气勘探的晚期，这明显与胜利油田在可预测的较长时期内仍可年探明1亿吨油气储量的勘探发展趋势不符。因此，可以结论性地认为，济阳坳陷的油气资源认识仍然存在不足之处，其中一个重要的原因可能即是烃源岩生排烃效率取值较低和未进行原始有机质丰度恢复造成的。

本次计算结果与以往资源评价所采用的排烃效率(0.2～0.5)相比，中、浅层烃源岩排烃效率有所降低，而深层烃源岩排烃效率有了大幅度提高。据此对东营凹陷沙四段烃源岩的排烃量进行计算，则总排烃量会有一定程度的提高，其中中浅层烃源岩的排烃量相对下降，而深层烃源岩的排烃量则大幅度提高。也就是说，东营凹陷深部层系具有相对雄厚的油气资源基础和广阔的勘探空间。

4 结论及意义

本文在烃源岩沉积有机相研究成果的基础上，优选东营凹陷沙四段优质烃源岩，建立了自然演化地球化学剖面，利用物质平衡法，定量计算了原始有机质丰度恢复系数和排烃效率。计算结果表明，深层优质烃源岩具有很高的排烃效率和原始有机质恢复系数。据此推算，深层烃源岩的排烃量将有显著提高。

研究成果对济阳成熟探区资源潜力再认识乃至深层隐蔽油气藏勘探部署，具有重要的指导作用：① 成因法资源评价的两个关键参数研究取得了重要进展，为盆地油气资源潜力再认识奠定了基础；② 东营凹陷中浅层和深层烃源岩的成藏贡献构成比例发生了较大变化，深层烃源岩的贡献比例大幅度提高；③ 证实了东营凹陷深部层系具有雄厚的油气资源基础，对深部层系的成藏预期提升，有利于加快深层隐蔽油气藏的成藏机制研究和勘探步伐；④ 由于渤海湾盆地的不同凹陷构造演化、烃源岩发育及烃源岩成熟演化存在较多的相似性，研究成果可为其它地区提供借鉴。

注 释 / Notes

❶ 王捷，周光甲. 1984. 济阳坳陷陆相生油地球化学及地质资源远景评价. 山东东营： 胜利油田地质科学研究院内部资料.

❷ 隋风贵，王学軍，项希勇，等. 2005. 济阳坳陷及其外围地区油气资源评价. 山东东营：中国石化胜利油田有限公司内部资料.