浅谈孢粉化石在油气勘探中的应用

薛雅倩 杨振京 宁凯 杨庆华 毕志伟

摘 要：孢粉是石油形成的原始物质，二者联系紧密。孢粉学在油气的勘探、开发过程中应用越来越广泛。主要阐述了孢粉与油气的有机成因，根据原油孢粉集合特征，判断油源岩的孢粉时代和层位、生烃方向;根据孢粉化石的颜色，判断生油母质的成熟度等，以期为油气勘探与开发提供一些基础资料。

关键词：孢粉化石;油气勘探;油源岩;生烃方向

随着科学技术的进步，风能、太阳能和核能等新能源不断被开发和利用，但是世界能源消费和化工原料的支柱仍然是石油和天然气。孢粉（包括藻类、细菌）是石油形成的原始物质，由于孢子花粉的外壁坚固，在经历了热解作用即有机质转化为油气以及漫长的油气运移过程后，仍能保持原有的结构和纹饰，所以能够较为准确地鉴定属种，判断油源岩时代及其形成环境[1]。原油中，孢粉的研究始于20世纪30年代，在20世纪50年代后引起普遍关注。桑德斯最先在罗马尼亚和墨西哥等油田的原油中分离出了藻菌类植物的孢子。之后，美国、俄罗斯、印度、澳大利亚等国的孢粉学家们，都从本国油田的原油中先后分离出了硅藻和各种藻类孢子以及高等植物的花粉，以确凿的证据支持了石油有机起源说。我国的原油孢粉学家们也从许多油田原油中分离出大量的孢粉，如杨惠秋等[2]在1973年从辽河油田原油中分离出23属29种孢粉，探讨了油源岩的问题。现在，随着孢粉分析水平的提高，其在油气勘探中的应用越来越广泛。本研究将探索孢粉与油气的有机成因，根据原油孢粉集合特征，判断油源岩的孢粉时代和层位;根据孢粉化石的颜色，判断生油母质的成熟度等，以期为油气勘探与开发提供一些基础资料。

1    孢粉与油气的有机成因

现在具有一定规模的油气田存在的首要条件是在地质历史时期，该地有大量生物有机体（动植物和浮游生物遗体）的堆积与埋藏。这些生物遗体由于含有丰富的类脂或脂质，当它们处于无氧环境时会被细菌分解，并且在地热、温度和压力以及各种物理、生物和化学因素的共同作用下，逐渐凝结成石油或挥发成天然气。另外，众多研究得出，植物孢子和花粉的孢粉素是由类胡萝卜素和类胡萝卜素酯组成的[3]，其氧化聚合物的基本化学结构是由异戊二烯组成的，而石油中恰恰存在高浓度的异戊二烯[4]，这一研究成果更有力地说明了动植物和浮游生物的遗体是石油的原料。BIRKS H J B等[5]曾指出，石油中除含有异戊二烯外，还含有高浓度的固醇类和五环三萜烯，进一步说明了地层中的类脂是由植物类酯类、固醇类和五环三萜类与氢离子互换而来的。

王开发等[6]通过对向日葵（Helianthus Annuus）、松属（Pinus）、玉蜀黍（Zea Mays）、白皮松（Pinus Bungeana）和嵩明省沽油（Staphylea Forrestii）等现代孢粉进行了热模拟实验，结果证明孢粉可以生成石油，且生油阶段主要分为早期生成石油和晚期生成石油两个阶段。早期生成石油的温度约为300 ℃，主要通过原生质和纤维素的热降解可以生成石油。但是在地层深层埋藏过程中，原生质和纤维素容易被氧化破坏或被细菌分解和腐蚀，所以不能直接热解生成烃类。但是被细菌分解后的纤维素可以形成腐殖酸，然后进一步聚合形成干酪根，干酪根热降解后仍能生成石油。晚期生成石油的温度在400～420 ℃，是由孢粉外壁的孢粉素经过裂解生成的，所以孢粉的外壁越厚，生油量越大，现代孢粉热模拟实验的结果也进一步证明了在石油形成过程中有化石孢粉的参与。

2    孢粉学在石油地质中的应用

2.1  判断油源岩时代和层位

油源岩，即石油形成的来源。孢子和花粉是植物体的重要组成部分，而石油的形成是一些动植物遗体在热压条件下长时间演变而来的。一些孢粉在热变过程中可以不被破坏而在原油中保存下来，或从油源岩中被流动的油气携带到储油岩中，但是其形态结构可以保持不变[6]。由于油源岩和途经岩系中的孢粉可以随着油气的运移过程被带进油藏，所以实质上，原油孢粉集合是来自油源岩、途经岩系和储油岩中孢粉的聚焦。因此，从原油中分离出来的孢粉可以反映油源岩、途经岩系和储油岩的地质时代和层位。

在将研究区内各个时代的地层剖面组合进行系统研究的基础上，可以根据原油孢粉集合的特征判断油气的运移途径，探索油源岩所处的孢粉时代和层位。在一般的层状油藏中，原油孢粉集合中时代最新的孢子花粉指示储油岩，时代最老的孢子花粉指示油源岩，时代在两者之间的指示运移途径的岩系和可能的油源岩。例如，中国科学院兰州地质所通过对甘肃玉门油田第三纪白扬河组等地层原油中孢粉组合的研究发现，原油中的孢粉类型属于早白垩世下新民堡群，如莎草蕨（Schizaea Digitata）和金毛狗（Cibotium Barometz）孢子和本内苏铁花粉等。同时，在志留纪变质岩储油层的原油中，也发现了下新民堡群的孢粉，说明该地區各时代储油层的石油都应来自早白垩世下新民堡群[6]。

2.2  判断生烃方向

近年来，对孢粉在热演化过程中成烃（气）及排烃（气）机理的认识逐步加深，认为可以根据孢粉的有机质组成判断成烃的方向，一般分为油倾（倾向生成液态烃）或气倾（倾向生成气态烃）[7]。在温度和压力的共同作用下，有机质可以分解和生成各种气态或液态的烃。但是由于有机质的类型不同，生成烃的产量和化学物质也并不相同，所以有机质存在不同的生烃能力和方向。一般情况下，无定形有机质如果是藻类来源，则具有很强的生油潜力和倾向。如果是由各种原始有机物质降解产生，油倾特性也不尽然。如果来源是陆生维管植物，则气倾的可能性更高。因此，无定形类的生烃潜力并不确定，根据来源判断可以是油倾也可以是气倾。

2.3  判断有机质成熟度

石油是由干酪根经过热降解后形成的[8]。干酪根是指沉积物中不溶于有机溶剂的有机质，包括孢子花粉、植物角质层、木质碎片、浮游微植物、树脂和某些底栖微生物化石。干酪根对温度变化十分敏感，主要表现为颜色的变化。我国相关孢粉学者通过对现代孢粉的温度实验发现，孢粉颜色的变化主要是由温度升高引发的，生油母质的成熟度可以通过孢粉的不同颜色反映出来。一般情况下，当温度低于         150 ℃时，孢粉外壁的颜色深度不超过棕黄色;当温度为  200 ℃时，孢粉颜色呈现出棕黑和黑色;当温度超过300 ℃时，孢粉形状趋向无定形团块，外壁内层开始暴露。此外，还有一种判别方式，当样品中浅黄-黄色孢粉粒超过50%时，说明油气还未形成，处于未成熟阶段;当棕黄-棕色孢粉粒超过50%时，说明油气生成，处于成熟阶段;当棕黑-黑色孢粉粒大于50%时，说明油气转化为干气，处于过熟阶段。

3    结语

孢粉与油气的联系相当紧密。目前，孢粉学对于判断油源岩时代和层位、生烃方向和有机质成熟度等方面的作用较大。尤其是随着现代生物学技术的不断提高，孢粉学在石油工业中的发展潜力也是无限的。分析油气勘探开发过程中存在的问题，许多新的领域还需要进一步开拓。总之，随着测试手段的更新和先进设备的开发与引进，孢粉化石在石油地质中的应用具有十分广阔的发展前景，相信在孢粉学者与石油工作者的共同努力下，石油行业的孢粉学应用将为我国的能源发展提供更多的基础理论。

[参考文献]

[1]刘文汇.孢粉化石在油气地质理论与勘探开发中的价值[J].地学前缘，2017，24（2）：53.

[2]杨惠秋，江德昕.辽河油田原油中的孢子花粉及其意义[J].植物学报，1981（1）：52-57.

[3]杨振京，杨庆华.孢粉分析原理与方法[M].北京：地质出版社，2013.

[4]王开发.孢粉学在石油地质研究中的应用[J].地质地球化学，1979（9）：1-10.

[5]BIRKS H J B，GORDON A D.Numerical methods in Quaternary pollen analysis[M].London：Academic Press，1985.

[6]王开发，王宪曾.孢粉学概论[M].北京：北京大学出版社，1983.

[7]吴勘，宋倩倩，陈建华.孢粉化石在石油勘探中的应用[J].石油天然气学报，2009，31（4）：210-212.

[8]杨振京，杨庆华，王宪曾，等.神奇的孢子与花粉[M].北京：地质出版社，2014.

Application of sporopollen fossils in oil and gas exploration

Xue Yaqian1，2，3， Yang Zhenjing2，3， Ning Kai2，3， Yang Qinghua2，3， Bi Zhiwei2，3

（1. Hebei GEO University， Shijiazhuang 050031， China; 2. Institute of Hydrogeology and Environmental Geology， Chinese Academy of Geosciences Sciences， Shijiazhuang 050061， China; 3. Key Laboratory of Quaternary Chronology and

Hydroenvironmental Evolution， China Geological Survey， Shijiazhuang 050061， China）

Abstract：Sporopollen is the original substance of petroleum formation， and the two are closely related. Palynology is more and more widely used in the exploration and development of oil and gas. In order to provide some basic data for oil and gas exploration and development， the organic origin of sporopollen and oil and gas is expounded， and according to the characteristics of sporopollen assemblage of crude oil， the sporopollen age and horizon of oil source rocks， the direction of hydrocarbon generation and the color of sporopollen fossils reflect the maturity of oil-producing parent materials， etc.

Key words：sporopollen fossil; oil and gas exploration; oil source rock; hydrocarbon generation direction

基金項目：中国地质科学院水文地质环境地质研究所基本科研业务费（SK202012）

作者简介：薛雅倩（1996— ），女，山西吕梁人，硕士;研究方向：第四纪孢粉。

通信作者：宁凯（1989— ），男，山西翼城人，助理研究员;研究方向：环境演变与现代过程。