松辽盆地南部深层中-高演化阶段烃源岩品质评价标准探讨

黄文彪，程 杰，邵明礼，卢双舫*，薛海涛，屈卫华，白连德，王 颖，张 浩

(1.中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580；2.中国石油吉林油田分公司勘探开发研究院，吉林 松原 138001；3.中国石油吉林油田分公司红岗采油厂，吉林 松原 131301)

0 引言

有机质丰度评价是初步判识烃源岩品质优劣的有效手段，也是烃源岩评价工作中最为基础且较为重要的工作。目前，有机质丰度评价指标最常用的为有机碳含量(TOC)及生烃潜量S1+S2(Pg)，评价方案多基于中国石油行业标准《陆相烃源岩地球化学评价方法》(SY/T 5735—1995)和1997年由陈建平等提出的中国煤系地层烃源岩评价标准[1-6]。这些标准的建立均基于未熟-低熟样品，而含油气盆地内烃源岩多已经历了大量生排烃过程，实验检测的TOC和Pg均为现今残余量[7-8]。因此，基于上述标准对烃源岩残余TOC和Pg进行评价，就会造成烃源岩品质认识上的偏差。此外，由于不同地区热演化程度的差异，即使具有相同原始生烃潜量(Pg0)的烃源岩，现今所检测的残余量也存在差异。对于如何评价经历过大量生排烃的烃源岩的有机质丰度及其评价标准，是目前烃源岩品质精细评价亟待解决的关键问题。

由于有机质生源差异,学者们通常将烃源岩划分为湖相和煤系烃源岩[9-14]。当然,应该还存在处于二者之间的过渡相源岩,或者叫混相烃源岩。不同沉积环境下的烃源岩即使生烃潜量相同,TOC也会存在较大差异,从而造成烃源岩品质划分的TOC界限有所不同。如淡水-半咸水沉积环境下低熟-未熟湖相烃源岩TOC>1.0%为好烃源岩,而煤系泥岩TOC>3.0%为好烃源岩[1-2]。本质上,烃源岩品质的优劣关键在于单位质量烃源岩能够生多少烃,即烃源岩的生烃潜量。不难发现,无论是针对于湖相泥岩的行业标准,还是由陈建平提出的煤系泥岩评价标准,二者对生烃潜量的划分界限相同,均以0.5 mg/g，2.0 mg/g,6.0 mg/g和20.0 mg/g为界限将烃源岩划分为非、差、中、好和很好[1-2]。理论上,如若将现今检测的TOC和Pg恢复至原始状态,即可获知烃源岩的优劣,但此方法每次都需要对实测样品进行TOC和Pg恢复工作,而且还需要解决烃源岩的类别归属问题；尤其对于混相烃源岩,因难以找到相应的评价标准,给评价应用造成极大不便。如若按照干酪根类型差异，建立基于残余TOC和Pg的烃源岩评价标准，不仅有助于精确认知中-高演化阶段烃源岩的品质，也方便后续烃源岩的品质评价及勘探潜力分析。该文借助松辽盆地深层烃源岩样品，基于生烃热模拟实验以及实测岩芯样品的地化指标，建立中-高演化阶段烃源岩分级评价标准，为烃源岩精细分类评价和勘探潜力的重新认识提供依据和指导。

1 样品及其地化特征

该文采用松辽盆地深层290块泥岩岩芯样品开展TOC、热解、镜质组反射率Ro以及干酪根类型等的检测,用以建立中-高演化阶段烃源岩分级评价标准。岩芯样品TOC为0.2%～12.4%,均值为3.23%；S1为0.01～5.83 mg/g,均值为1.2 mg/g；S2为0.09～26.48 mg/g,均值为5.45 mg/g。样品从成熟阶段至过熟阶段均有分布,可划分为4个阶段：成熟阶段(Ro=0.70%～1.26%、均值0.98%)、高熟阶段早期(Ro=1.35%～1.59%、均值1.47%)、高熟阶段晚期(Ro=1.95%～2.10%、均值1.98%)、过熟阶段(Ro=2.35%～3.06%、均值2.62%),如图1所示。除了成熟阶段存在II2型干酪根样品外,其他样品均为III型有机质。考虑到该文所用样品干酪根类型,在该盆地各选取1块II2型和III型低熟样品开展生烃热模拟实验,建立成烃转化率图版,用以开展烃源岩原始生烃潜量(Pg0)和原始有机碳含量(TOC0)恢复，样品参数如表1所示。

图1 岩芯样品成熟度分布特征Fig.1 Maturity distribution characteristics of core samples

表1 生烃热模拟实验样品地化参数Table 1 Geochemical parameters of samples for thermal simulation experiment of hydrocarbon generation

2 生烃热模拟实验及成烃转化率图版

生烃热模拟实验在Rock-Eval分析仪上开展,升温速率分别为10 ℃/min,20 ℃/min,30 ℃/min,40 ℃/min,50 ℃/min,并采用对应的升温速率对平行样品开展PY-GC实验,实现干酪根生烃过程中对油气的有效分离。从图2实验结果来看,III型干酪根(#2样品)热解起始温度低于II2型干酪根(#1样品),而终止温度则高于II2型(图2a、图2c所示)。采用相同指前因子和活化能离散分布平行一级反应动力学模型[15-19]对实验结果进行标定,获取II2型和III型有机质生油和生气的反应活化能和反应分数(图2b、图2d所示)。从标定结果来看，#1样品生油活化能分布相对集中，主要为200～220 kJ/mol,生气活化能主要为210～220 kJ/mol(图2b所示)；#2样品生油和生气的活化能范围明显宽于#1号样品,分别为200～240 kJ/mol和210～260 kJ/mol(图2d所示)。

图2 生烃热模拟实验及标定结果Fig.2 Hydrocarbon generation thermal simulation experiment and calibration results

基于不同类型有机质生烃动力学参数，结合地史和热演化史恢复，外推至地质条件下的生烃特征，建立了松辽盆地深层II2型和III型有机质成烃转化率与Ro图版，如图3所示。虽然III型有机质开始生烃的热演化阶段略早于II2型有机质(开始生烃时对应的Ro分别为0.4%和0.6%)，但经历大规模生烃的热演化阶段相当(均处于成熟阶段，Ro<1.3%)，且III型有机质在高演化阶段依然存在一定量干酪根生气的过程(图3)。不同类型有机质生烃过程的差异，在其活化能分布特征上已得到充分体现,如两种类型干酪根优势活化能分布区间相当,但III型有机质存在少量低活化能(<190 kJ/mol),而且在生气时活化能在高值段反应分数也比II2型有机质高。

图3 不同类型干酪根成烃转化率剖面Fig.3 Hydrocarbon conversion profile of different types of kerogen

3 中-高演化阶段烃源岩有机质丰度评价标准建立

烃源岩品质优劣的本质在于其原始生烃潜量的差异。以原始生烃潜量为基准，建立恢复后的原始生烃潜量与现今实测TOC以及Pg的关系，从而厘定基于现今丰度指标的中-高演化阶段烃源岩评价方案。

3.1 原始生烃潜量恢复方法

原始生烃潜量Pg0应为烃源岩内残余生烃潜量Pg与已排出烃源岩的烃量之和[20-21]，故此：

Pg0=Pg+(Pg0·Xo+B0-B)+Pg0·Xg

(1)

Pg0=(Pg+B0-B)/(1-Xo-Xg)

(2)

式中：Pg0为原始生烃潜量，mg/g rock；Pg为现今检测的生烃潜量，mg/g rock；B0为烃源岩中原生沥青的量(即非干酪根热降解成因)，可统计未熟样品获得，mg/g rock；B为烃源岩中残留油量，可通过热解数据S1代替，mg/g rock；Xo为干酪根成油转化率，%；Xg为干酪根成气转化率，%。

相应地，烃源岩的原始有机碳含量可表达为：

TOC0=TOC+(Pg0-Pg)·K/1 000

(3)

其中：TOC0为原始有机碳含量，%；TOC为现今检测有机碳含量，%；(Pg0-Pg)为烃源岩的排烃量，mg/g rock；K为将产物有机质转为有机碳的系数(即油气产物的含碳率，一般可取84%)。

3.2 泥岩与碳质泥岩识别

相比于封闭静水环境下的烃源岩,煤系地层中烃源岩往往含有丰富的陆源高等植物生源,当碳质含量达到一定数量,即可称之为碳质泥岩。陈建平基于中国西北部诸多盆地2 300个煤系地层样品,将TOC0=6.0%作为泥岩和碳质泥岩的界限[2]。诚然,碳质泥岩类脂组含量低,相对富碳贫氢,致使随有机碳含量的增多,碳质泥岩的原始氢指数(IH0=Pg0/TOC0)增量要低于泥岩。从恢复后的TOC0和IH0关系来看，当TOC0>6.0%时，III型干酪根样品原始氢指数增长速率明显变缓,如图4所示。故此,TOC0=6.0%也可作为松辽盆地泥岩和碳质泥岩的划分界限。II2型有机质原始有机碳含量普遍低于6.0%,原始氢指数也普遍高于相同TOC0时的III型有机质,主要为陆生和水生混相产物,生产力高于以陆生植物为主体的III型干酪根。

图4 烃源岩TOC0与IH0关系Fig.4 Relationship between TOC0 and IH0 of source rocks

根据恢复前后TOC关系，可厘定不同演化阶段碳质泥岩的TOC下限，在成熟阶段、高熟阶段晚期和过熟阶段分别为4.0%，2.7%和2.0%(图5a～图5c所示)。由于高熟阶段早期样品TOC恢复后普遍低于6.0%，无法直接厘定碳质泥岩TOC下限。因此，通过建立各演化阶段样品平均Ro与碳质泥岩TOC下限关系，厘定高熟阶段早期碳质泥岩TOC下限为3.3%(图5d所示)。

图5 不同演化阶段碳质泥岩TOC下限厘定Fig.5 TOC lower limit of carbonaceous mudstone in different evolution stages

3.3 不同演化阶段烃源岩评价标准

3.3.1 成熟阶段

无论是湖相烃源岩还是煤系烃源岩，在未熟-低熟阶段不同品质烃源岩Pg的划分界限是一致的，可以近似认为是Pg0的界限。根据Pg0与样品检测的丰度指标关系可知，II2型干酪根泥岩处于成熟阶段时，TOC>1.0%，Pg>2.3 mg/g即为好烃源岩；TOC>2.8%，Pg>8.3 mg/g即为很好烃源岩(图6a、图6b所示)。而同处于成熟阶段的III型泥岩TOC需达到2.0%以上、Pg超过2.7 mg/g才能成为好烃源岩；同样很好烃源岩的界限也比II2型高，TOC和Pg的界限分别为3.7%和9.5 mg/g(图6c、图6d所示)。

图6 成熟阶段泥岩原始生烃潜量与现今检测地化指标关系Fig.6 Relationship between original hydrocarbon generation potential and present geochemical indexes of mudstone in mature stage

依据陈建平等[2]对低熟-未熟碳质泥岩品质划分方案,分别以Pg0为35 mg/g,70 mg/g,120 mg/g为界限,将碳质泥岩划分为差、中等、好及很好源岩(Reference)。据此,碳质泥岩在成熟阶段TOC=4.0%～6.0%，Pg<16 mg/g为差烃源岩；TOC=6.0%～12.0%,Pg=16～32 mg/g为中等烃源岩；TOC=12.0%～20.0%，Pg=32～53 mg/g为好烃源岩；根据趋势线推断TOC>20.0%,Pg>53 mg/g为很好烃源岩。如图7所示。

图7 成熟阶段碳质泥岩原始生烃潜量与现今检测地化指标关系Fig.7 Relationship between original hydrocarbon generation potential and present geochemical indexes of carbonaceous mudstone in mature stage

3.3.2 高熟阶段

高熟阶段岩芯样品Ro一部分为1.3%～1.6%,属于高熟阶段早期；另一部分为1.95%～2.04%,属于高熟阶段晚期(见图1)。整体来看，具有相同原始生烃潜量的烃源岩，处于晚期阶段烃源岩现今检测的有机质丰度明显低于早期阶段。由于高熟阶段早期碳质泥岩的TOC下限为3.3%，低于Pg0=20 mg/g对应的TOC界限(4.5%)，故厘定好和很好烃源岩的TOC范围相同，TOC均为1.5%～3.3%，但很好烃源岩Pg需超过3.8 mg/g，而好烃源岩Pg=1.2～3.8 mg/g(图8a、图8b所示)。同样，在高熟阶段晚期，很好级别烃源岩对应的TOC下限与碳质泥岩下限相当，也厘定该阶段好和很好烃源岩的TOC范围均为0.9%～2.7%，当Pg>3.6 mg/g时可认定为很好烃源岩，Pg=0.7～3.6 mg/g时为好烃源岩(图8c、图8d所示)。

图8 高熟阶段泥岩原始生烃潜量与现今检测地化指标关系Fig.8 Relationship between original hydrocarbon generation potential and present geochemical indexes of mudstone in high maturity stage

高熟阶段晚期，碳质泥岩TOC=2.7%～4.8%，Pg<7.0 mg/g属于差烃源岩；TOC=4.8%～9.5%，Pg= 7.0～27.0 mg/g为中等源岩。基于趋势线递推可知，当TOC=9.5%～16.0%，Pg=27.0～46.0 mg/g为好烃源岩；TOC>16.0%，Pg>46.0 mg/g为很好源岩，如图9所示。

图9 高熟阶段晚期碳质泥岩原始生烃潜量与现今检测地化指标关系Fig.9 Relationship between original hydrocarbon generation potential and present geochemical indexes of carbonaceous mudstone in late high maturity stage

3.3.3 过熟阶段

经历高演化之后，烃源岩检测的生烃潜量普遍较低。在过熟阶段，泥岩TOC>0.7%，Pg>0.26 mg/g即可达到好烃源岩标准；当Pg超过0.52 mg/g时即为很好烃源岩(图10a、图10b所示)。对于碳质泥岩，当TOC=2.0%～4.3%，Pg<0.8 mg/g为差烃源岩；TOC=4.3%～8.4%，Pg=0.8～1.4 mg/g为中等源岩；TOC=8.4%～14.0%，Pg=1.4～2.3 mg/g为好烃源岩；TOC>14.0%且Pg>2.3 mg/g为很好烃源岩(图10c、图10d所示)。

图10 过熟阶段烃源岩原始生烃潜量与现今检测地化指标关系Fig.10 Relationship between original hydrocarbon generation potential and current geochemical indexes of source rocks in over mature stage

本次样品中缺乏高熟阶段早期碳质泥岩样品，无法直接获取此阶段碳质泥岩品质划分方案。根据评价指标界限随样品平均Ro演变特征，厘定了高熟阶段早期碳质泥岩TOC和Pg划分界限，如图11所示。由此，建立了一套相对完整的松辽盆地深层中-高演化阶段泥岩和碳质泥岩有机质丰度评价标准(见表2)。从各项指标划分的界限来看，在干酪根类型相同的情况下，相同品质烃源岩的划分界限随成熟度增高而逐渐降低；在相同演化阶段情况下，III型干酪根源岩划分界限高于II2型。

图11 碳质泥岩不同品质划分界限随样品平均Ro演变特征Fig.11 Evolution characteristics of different quality boundaries of carbonaceous mudstone with average Ro of samples

表2 不同演化阶段泥岩及碳质泥岩品质评价标准Table 2 Quality evaluation criteria of mudstone and carbonaceous mudstone in different evolution stages

4 分析及讨论

受样品限制，文中的烃源岩样品多为偏腐殖型有机质，基于同样方法即可建立不同热演化阶段I型和II1型有机质丰度评价方案。值得注意的是，陈建平等建立的低熟-未熟碳质泥岩评价标准是将其视为生油岩而定，而碳质泥岩中含有丰富的陆源植物碎屑，有机质中类脂组含量低，富碳贫氢，其生油能力较为有限[2,22]，故而出现差品质碳质泥岩的生烃潜量可能高于好品质泥岩的现象。故此，在判识烃源岩品质时，不能简单地根据TOC和Pg的高低而下结论，岩性、热演化程度以及干酪根类型差异对烃源岩品质评价均有影响。

诚然，具有较高的TOC和Pg并不代表其一定具有较高的生油能力，亦有可能属于碳质泥岩范畴。如图12所示，LN_2井样品的TOC和Pg均值高达5.8%和16.4 mg/g、且处于成熟阶段，从表象来看，这些烃源岩的生油能力要优于DS_50井烃源岩(平均TOC=2.17%、平均Pg=6.29 mg/g)。但事实上LN_2井样品TOC基本都大于4.0%，按照该文标准，属于生油能力较差的碳质泥岩范畴。烃源岩内单位质量有机质平均含油量(S1/TOC)也揭示LN_2井烃源岩生油能力低于DS_50井(分别为50 mg/gTOC和79 mg/gTOC)。需要指出的是，虽然碳质泥岩具有富碳贫氢的特征，但地层水中的H在一定程度上可以弥补这一短板[22]。高金亮等通过模拟实验揭示，在高-过成熟阶段，水对烃类气产量的促进达13%以上[23]。因此，作为高演化阶段的气源岩，碳质泥岩应属于较好的烃源岩。

图12 LN_2和DS_50井地化指标Fig.12 Geochemical index of wells LN_2 and DS_50

不难发现，文中处于高演化阶段泥岩的TOC和Pg都普遍比较低。依照行业标准，这些烃源岩绝大部分都属于差烃源岩(图13a所示)，这明显与松辽盆地深层油气勘探现状不符。依据该文建立的标准，这些样品大部分已达到好烃源岩的级别(图13b所示)，具有良好的生烃潜力。董泽亮等[24]评价沁水盆地山西组煤系烃源岩时也认为现有标准对中-高成熟烃源岩评价的适用性受到局限，并分别给出了Ro=1.2%～2.5%以及Ro>2.5%两个阶段的评价标准。虽然董泽亮等提出的标准没有给出直接的依据，且对热演化程度划分不细致，但均突出了有机质热演化对烃源岩生烃潜力的重要影响。从表2标准来看，随着热演化程度的增加，各项丰度评价指标逐渐降低，尤其在过成熟阶段，不同品质烃源岩的生烃潜量已经相差不大。

图13 基于不同标准的烃源岩品质评价结果Fig.13 Evaluation results of source rock quality based on different standards

有机质类型的差异同样也会造成相同品质烃源岩地化指标划分界限有所不同。如处于成熟阶段的II2型和III型泥岩样品，前者的生烃潜力指数IPg(Pg/TOC)要高于后者，尤其对于中等及以上品质烃源岩(TOC>0.7%)表现的更为明显(图14a所示)。这充分说明了单位质量岩石生成相同质量的烃，III型样品需要更高的有机碳含量，即相同品质烃源岩，III型泥岩TOC划分界限要高于II2型泥岩(表2)。对比II2型和III型样品TOC0和Pg0关系也可证实这一观点，即达到好级别烃源岩(Pg0>6 mg/g)，II2型泥岩TOC0必须达到1.7%,而III型则需达到2.3% (图14b所示)。此外还可以发现，II2型和III型好烃源岩的TOC下限均介于典型湖相(TOC0>1%)和典型煤系泥岩(TOC0>3.0%)的界限之间，从而间接说明松辽盆地深层烃源岩具有湖相和煤系混相生源的特征。

图14 成熟阶段II2型和III型干酪根泥岩TOC-IPg及TOC0-Pg0关系Fig.14 TOC-IPg and TOC0-Pg0 relationships of type II2 and type III kerogen mudstones at maturity stage

5 结论与建议

受烃源岩岩性、热演化程度以及有机质类型影响，有机质丰度评价指标划分界限差异明显。表现为碳质泥岩的丰度标准远高于泥岩，高热演化烃源岩标准低于中低热演化烃源岩，有机质类型差的烃源岩标准高于类型好的烃源岩。不同含油气盆地烃源岩丰度评价标准可能难以统一，但可依照该文介绍的方法建立相应地区的烃源岩有机质丰度评价方案。整体而言，该文方法具有三方面优点：其一，丰度指标界限是基于现今实测数据，方便后续的评价应用；其二，指标界限的拟定是基于原始生烃潜力，无需区分是湖相还是煤系烃源岩，尤其对于混相烃源岩，即使针对低熟-未熟状态目前也缺乏相应标准；其三，按岩性、干酪根类型和热演化阶段细化评价标准，有助于烃源岩的精细分类评价，为有利区带的精准优选提供依据。