烃源岩有机质成熟度的实时判别方法探索

董黛莉

（大庆钻探工程公司地质录井一公司资料解释评价中心，黑龙江 大庆 163411）

烃源岩演化生烃是油气藏形成的最基本物质条件和前提，烃源岩成熟度是表示沉积有机质向油气转化的热演化程度，大量油气勘探实践证明，在成熟烃源岩分布区，才具有较高的油气勘探成功率，因此，烃源岩成熟度是决定油气勘探成败的关键。

在烃源岩热演化过程中，烃源岩中的有机质会发生一系列的物理变化及化学反应，导致烃源岩中有机质的物理性质和化学组成产生不可逆的变化，因此，可以根据有机质的物理性质及化学组成的变化特征来判断有机质热演化程度。为了判断烃源岩有机质热演化程度，分析有机质是否开始大量生成油气，国内外石油地质学家和地球化学家提出了多种衡量有机质成熟度的指标，其中，镜质体反射率Ro因具有稳定性、不可逆性及可量化性等特点，被认定为是判识有机质热演化和成熟度的最佳参数之一。

目前，镜质体反射率分析都是采用钻井现场取样送回实验室分析的模式，由于这种模式耗时周期长、样品数量受限、分析数据不连续，大大延误了有机质成熟度分析资料在油气勘探及解释评价中的应用。因此，需要找出烃源岩有机质成熟度实时判别方法，从而快速准确判别有机质成熟度，及时指导油气勘探的有序进行。

1 镜质体反射率Ro特点

镜质体是一组具镜煤特征的富氧显微组分，由同泥炭成因有关的腐殖质组成。镜质体反射率是镜质体(在绿光中)的反射光强度对垂直入射光强度的百分比[1]，镜质体反射率值是依据反射光强度与光电信号成正比的原理，在入射光一定的显微镜下，对比煤光片中的镜质体和标准样的反射率光电信号值而得出的。

干酪根的基本成分为来源于陆生高等植物碎片的镜质体碎片和非晶质有机物，因此，在成岩过程中干酪根与镜质体的热演化过程基本一致。镜质体的化学结构为芳香环带烷基支链，随着热演化程度逐渐加深，烷基支链热解析出，而芳环结构由于进一步的缩合、稠合等作用，产生微片状结构，使芳香片的间距逐渐缩小，导致反射率逐渐增高，该过程是十分稳定且不可逆的，因此，镜质体反射率的变化，可以认为是有机质热演化过程的积分，是温度与时间的函数，而地层温度又是利用地层深度与地温梯度获得的，所以，镜质体反射率与地层深度存在一定的关联性。

大量研究表明，有机质类型为Ⅱ型和Ⅲ型的烃源岩，其成熟度Ro的研究完全可以依托于对应的甲烷碳同位素资料[2-3]，根据图1甲烷同位素与镜质体反射率相关图所示，镜质体反射率Ro与甲烷碳同位素值有很好的正相关性[4]。国内外很多学者针对不同的区块提出有机质成熟度Ro与甲烷同位素的回归方程[5-11]，Stahl提出了西北欧和北美有机成因天然气的δ13C1≈141gRo-28（煤成气）、δ13C1≈171gRo-42（油型气）回归方程，沈平等提出了鄂尔多斯盆地、四川盆地和东濮凹陷有机成因天然气的δ13C1≈8.611gRo-32.8回归方程，刘文汇指出腐殖型有机质形成煤成气在Ro=0.9前后有2个回归方程，即δ13C1≈48.771gRo-34.1（Ro≤0.9%）、δ13C1≈22.421gRo-34.8（Ro＞0.9%），戴金星不仅提出了Ro与甲烷同位素回归方程，同时还提出了Ro与乙烷同位素和丙烷同位素的回归方程：δ13C1≈14.121gRo-34.39（煤成气）、δ13C1≈15.801gRo-42.20（油型气）、δ13C2≈8.161gRo-25.71（煤成气）、δ13C3≈7.121gRo-24.03（煤成气）。因此，根据不同的沉积环境生成的天然气Ro及烷烃碳同位素值，建立相应的δ13Cn－Ro回归方程，计算出天然气在生成时的成熟度，既可判断烃源岩成熟度。

图1 甲烷同位素与镜质体反射率相关图

2 镜质体反射率Ro的实时判别方法

基于镜质体反射率Ro与地层深度及天然气烷烃碳同位素值均存在一定关联性的特点，下面以S盆地G探区为例，应用此两项参数分别与镜质体反射率Ro建立相应回归方程，以实现对烃源岩成熟度Ro值的实时定量分析，并且依据有机质热演化四个阶段的Ro值范围（据张厚福等，1999），即Ro＜0.5%为未成熟阶段、0.5%＜Ro＜1.2%为成熟阶段、1.2%＜Ro＜2.0%为高成熟阶段、Ro＞2.0%为过成熟阶段，对烃源岩热演化阶段进行定性判别。

S盆地G凹陷是盆地的一个负向二级构造单元，是在基底构造形态基础上发育的继承性凹陷，呈南深北浅、东高西低的构造形态。G凹陷Qn组沉积时期正处于大湖泛时期，沉积了厚度大、泥质较纯、有机质丰富的泥页岩层，是S盆地的主要生排烃中心。Qn组主要发育5大类岩性，为页岩、泥岩、粉砂岩、白云岩、介壳灰岩，烃源岩Ro主要介于0.8%～1.8%之间。

2.1 G探区镜质体反射率Ro与井深的关系

通过对G探区4口井的87块泥页岩岩芯样品进行了镜质体反射率的分析测定，根据测得数据建立烃源岩地层井深与镜质体反射率的关系（图2），从图2可以看出，烃源岩层地层的深度与镜质体反射率值具有较好的正相关性，得出镜质体反射率计算方程如下：

图2 G探区烃源岩Ro与深度关系图

Ro=（Depth−1083.5）/924.75

式中：Ro——镜质体反射率，%；

Depth——井深，TVD。

2.2 G探区镜质体反射率Ro与碳同位素的关系

国内外学者根据研究区的具体情况提出了相应的δ13Cn－Ro回归方程，但是这些方程在G探区并不完全适用，因此，笔者以G探区A井天然气烷烃实时碳同位素数据与所对应深度Ro建立δ13Cn－Ro回归方程（图3），可以看到乙烷及丙烷实时碳同位素数据与Ro的相关性均较低，回归方程关联性不理想，但甲烷碳同位素与Ro具有一定相关性，其回归方程为δ13C1=26.64ln Ro-55.53，可以尝试应用于G探区井Ro的实时判别。

图3 G探区A井天然气δ13Cn－Ro回归方程

3 G探区Ro实时判别方法在B井的初步应用

G探区B井位于G凹陷北部构造低部位，Qn组二段发育厚层黑灰、灰黑色泥岩，Qn组一段岩性以黑灰色泥岩、页岩为主，夹薄层介壳灰岩，对Qn组二段、一段15块泥页岩岩芯样品进行了Ro分析，其数值在1.25%～1.53%之间（表1），反映本井Qn组二段、一段泥页岩均处于高成熟阶段，并且随着深度的加深，Ro值存在逐渐增大的趋势。

根据前文所建立的Ro=（Depth−1083.5）/924.75及δ13C1=26.64lnRo-55.53方程，分别应用深度、甲烷碳同位素数值计算出对应井深点的Ro值，所得数据如表1。将计算Ro值与该井深点的岩芯分析Ro值进行比较，如图4所示，利用深度计算所得Ro与岩芯分析Ro数据趋势的一致性较好，且随着井深的增加，数值误差逐渐减小，Qn组一段数值误差明显小于Qn组二段，深度计算所得Ro的数值范围反映本井Qn组二段、一段泥页岩均处于高成熟阶段，与岩芯分析Ro结论吻合；甲烷碳同位素计算所得的Qn组二段Ro数值与岩芯分析Ro趋势及数值差异均较大，而Qn组一段Ro趋势及数值数值与岩芯分析Ro吻合性较好，甲烷碳同位素计算Ro的数值范围反映本井Qn组二段、一段泥页岩均处于高成熟阶段，与岩芯分析Ro结论吻合。

图4 B井岩芯分析与方程预测Ro对比图

表1 B井岩芯分析与方程预测Ro

由深度、甲烷碳同位素回归方程在B井的初步应 用可以看出，深度、甲烷碳同位素回归方程计算所得的Ro数据，在烃源岩成熟度的定性分析中应用效果均较好；在Ro定量分析中，深度回归方程应用效果相对较好，但也存在一定误差，甲烷碳同位素回归方程计算Ro值与岩芯分析Ro误差较大，应用效果差。

4 结论

（1）应用G探区Qn组泥页岩数据，对烃源岩有机质成熟度的实时判别方法进行探索，实际应用效果较好，能够完成对烃源岩热演化阶段的定性评价，由于G探区目前勘探井资料较少，Ro值的定量评价方法还不够完善，后期更多数据补充进来后逐步优化回归方程，应当能够达到更好效果。

（2）在实际烃源岩层评价中，不同区域、不同生储盖组合的计算公式会存在一定的差异，应用分区块建立回归方程的方法，即可根据井深、甲烷碳同位素值计算出成熟度Ro值，实时对烃源岩成熟度进行有效的定性及定量分析。烃源岩有机质成熟度的实时判别具有数据连续性好、反馈及时、成本低廉等特点，能为随钻研究烃源岩成熟度提供重要的参考依据，未来随着各个区块研究工作的逐步开展，烃源岩成熟度的实时判别将具有更广阔的应用前景。