基于多方法对高熟烃源岩原始有机质丰度恢复——以松辽盆地西部外围古生界烃源岩为例

类兴璇，孙平昌*，牛大鸣

（1.吉林大学地球科学学院，吉林长春 130061；2.吉林省油页岩与共生能源矿产重点实验室，吉林长春 130061）

0 引言

随着中浅层油气勘探开发程度不断提高，油气资源发现难度日益加大，深层油气勘探开发越来越被广泛关注。中国深层油气资源丰富、勘探开发程度低，深层页岩气等资源潜力巨大，勘探开发前景广阔，是未来重点研究领域［1］。其中，烃源岩是生油气的物质基础和含油气系统的重要组成部分［2］，高-过熟烃源岩评价也是进行深层油气勘探开发的首要基础性工作。高-过熟烃源岩有机质含量随埋藏深度和热演化程度的增大而减少，实验测得有机碳含量仅为生排烃后的残余量［3-4］，而且当前普遍使用的烃源岩评价标准均是基于未熟-成熟烃源岩建立，此时评价结果就会有所偏差［2，5］，进行油气资源潜力评估也会失去准确性。所以对高-过熟烃源岩原始有机质丰度进行恢复，对明确深层高-过熟烃源岩生烃潜力和油气资源潜力评估具有重要的意义。

松辽盆地西部外围古生界沉积厚度巨大，未发生广泛的区域变质［6-7］，发育数套高-过熟烃源岩，已发现有良好的气体显示［8］，被认为具有油气前景［9-11］。上二叠统林西组沉积厚度大，有机质类型易于生油气，有机质成熟度高，在区域内出露广泛，可作为松辽盆地西部外围高-过熟烃源岩原始有机质丰度恢复的典型层位。选用适合的方法对林西组烃源岩原始有机质丰度进行恢复并评价，可为区域内优质烃源岩发育区的预测提供一定的成果支撑，为松辽盆地外围上古生界油气资源估算提供更可靠的依据。

1 地质概况

松辽盆地西部外围锡林浩特-乌兰浩特地区是兴蒙海槽中东端的重要组成部分，大地构造上位于中亚造山带东段，地处华北板块与西伯利亚板块缝合带的南端（图1a），是由多个微板块拼合而成的统一复合板块［12］，该地区记录了古亚洲洋向环太平洋构造域转换和叠加的重要过程［13-17］。石炭纪—早二叠世时期，该地区广泛处于海侵期，从东乌珠穆沁旗至林西地区逐渐过渡为海陆交互相，东、西乌珠穆沁旗之间为海相［18］；中二叠世，随着板块推移，沉积环境从广海逐渐变成较为狭窄的深水海槽，主要发育陆棚海沉积，沉积了巨厚层暗色泥岩［19-20］。晚二叠世该地区沉积环境存在陆相和海陆过渡相的争议［21-23］，晚二叠世沉积的林西组被认为是一套陆相湖盆类复理石碎屑岩沉积，表现为暗色泥岩和砂岩的不等厚互层沉积［18］，而近年来于索伦北山梁剖面发现的海相双壳类化石表明林西组更可能是海退背景下的近海湖盆-残余海沉积环境［12］，区域内广泛出露林西组高-过熟暗色泥质烃源岩（图1b）。

图1 研究区地质简图及地层综合柱状图（据参考文献24修改）（a.研究区大地位置，b.研究区地质图。MD：毛登剖面，BL：秘鲁特剖面，CBY：白音查干剖面，BDS：北大山剖面，BLS：半拉山剖面，LJYZ：刘家营子剖面，ST：神驼山庄剖面，CGBLG：查干布拉格剖面，GD：官地剖面，LX：林西剖面，ZP：毡铺剖面，TB：塔宾庙剖面，HW：罕乌拉剖面，HLH：霍林河剖面，TH：陶海营子剖面，ZL：扎鲁特剖面，SL：索伦剖面）Figure 1 Geological sketch and stratigraphic comprehensive histogram of the study area（modified after reference 24）

2 烃源岩发育特征

从野外露头分布来看，林西组巨厚层暗色泥页岩在区域内广泛出露，受控于晚古生代区域构造格局，在二连盆地和松辽盆地之间呈NE 向展布［24-25］。物探信息表明林西组在火山岩覆盖区下仍有广泛分布［26］，但受中生代火山岩的覆盖影响，野外露头多呈断块状不连续分布，主要集中在锡林浩特东部、巴林左旗西北部、扎鲁特西部、索伦镇以及林西等地（图1b）。区域内林西组半深湖-深湖相厚层暗色泥岩发育，单层最大厚度可达百余米，累计厚度超过千米，林西组剖面泥地比大多超过50%，岩性组合为粉砂岩、泥质粉砂岩和巨厚层暗色泥（页）岩［12，27-28］。

本次收集区域内二十余条林西组剖面及四口井的林西组暗色烃源岩特征信息［4，12，18，23-24，28-39］（图1b），各个地区林西组的岩性组合、泥页岩厚度及地球化学特征有所不同，根据露头剖面位置及烃源岩特征，笔者将研究区域划分为西部锡林浩特-林西区域，中部霍林郭勒-扎鲁特区域和东部索伦-突泉区域（表1）。

表1 研究区上古生界林西组部分剖面及钻井有机地球化学参数Table 1 Organic geochemical parameters of some sections and drilling wells in the Upper Paleozoic Linxi Formation in the study area

2.1 有机质丰度

总有机碳（TOC）含量是烃源岩有机质丰度评价的常用指标之一。区域内林西组平均TOC 值为0.72%，东部区域略高于西部（表1）。西部锡林-林西地区林西组泥页岩TOC 含量为0.16%～1.44%，平均0.60%；中部霍林-扎鲁特地区TOC 含量为0.07%～4.47%，平均值0.67%；东部索伦-突泉地区TOC 为0.4%～2.61%，平均为0.92%。根据陆相泥质烃源岩评价标准（SY/T 3735—1995），林西组泥岩大部分烃源岩达到下限槛值（TOC=0.5%），部分达到较好—好烃源岩标准。林西组泥岩氯仿沥青“A”含量0.000 1%～0.076 3%，平均0.004 8%；生烃潜量（S1+S2）在0.001～0.29 mg/g，平均0.07 mg/g，远低于下限阈值（0.015%，0.5 mg/g），可见两者对于受长期风化的高-过熟烃源岩丰度评价准确性不高。

2.2 有机质类型

有机质类型直接影响着烃源岩生排烃效率和生成油气类型，是评价烃源岩生烃潜量的重要地球化学参数之一［40-41］，常用的判别方法包括干酪根显微组分、有机元素、岩石热解参数（Rock-eval）、碳同位素、氯仿沥青“A”、生物标志化合物参数等［42-44］。

对于高-过熟烃源岩，生物标志化合物参数、干酪根碳同位素（δ13C）、干酪根显微组分特征等对有机质类型有较好的指示作用［40，45］。区域内林西组烃源岩以含腐泥无定形组为主，饱和烃主碳峰主要位于C20～C25，干酪根δ13C 值平均为-24.2‰，基本表明林西组烃源岩有机质类型为II1、II2型为主，含部分Ⅲ型和I型干酪根［12，18，29，39，46］。

2.3 有机质成熟度

有机质成熟度是衡量烃源岩中有机质向油气转化程度的指标。镜质体反射率（Ro）作为指示有机质热演化程度的最有效指标。研究区西部林西组Ro值为0.72%～4.43%，其中半拉山、北大山和秘鲁特剖面Ro平均值分别为1.9%、1.79%和1.67%，大部分处于高成熟阶段；毡铺、官地和林西剖面林西组Ro平均值均超过2%，达到过成熟阶段。中部及东部林西组Ro值则明显高于西部，介于1.38%～2.969%，陶海营子、霍林河剖面Ro均值分别为2.029%和2.448%。东部林西组有机质成熟度最高，索伦剖面Ro值为1.72%～4.45%，平均值达到3%，大部分处于过成熟阶段；中部鲁D1井、鲁D2井和东部突D2井林西组Ro最小值为2.15%，最大值5.66%，平均值可达4.38%，所有样品均处于过成熟阶段（表1）。

区域内林西组泥页岩整体成熟度较高，处于高熟-过熟阶段（生气阶段），并且具有自西向东热演化程度增高的特点，且探井内的林西组页岩由于埋深较大而具有更高的热演化程度，但钻井样品的TOC 数据并没有比地表露头样品高，这可能与样品所处层段、构造位置和沉积相不同有关，但也表明地表风化作用对高-过熟烃源岩的有机质丰度影响较少。

3 典型剖面烃源岩原始有机质丰度恢复

研究区林西组泥页岩有机质均处于高熟-过熟阶段，经历了大量生烃-排烃过程，目前实验测出的有机质均为残余有机质含量，用于评价烃源岩有机质丰度缺失准确性。一些学者对高-过熟烃源岩原始有机质的恢复方法进行了研究［47-51］，主要包括自然演化剖面法、热解模拟实验法、物质平衡法、理论推导法和谱学类型模型法等，但上述方法均具有优点和不同的局限性，需要根据剖面烃源岩不同的特征和数据丰富程度优选适合本区域的恢复方法进行评价。现对3种适合本次典型剖面的主要方法进行简要介绍。

3.1 常用原始有机质丰度恢复方法

3.1.1 化学动力学法

原始生烃潜量应为烃源岩内残余生烃潜量与已排出烃源岩的烃量之和，前人据此提出原始生烃潜力恢复公式［52-53］：

式中：和IH分别为原始生烃潜力和现今实测生烃潜力，mg/g rock；Bo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，根据前人实验资料选取Bo值为0.3，mg/g rock；B为烃源岩中残留油量，mg/g rock，可由热解数据S1代替或由氯仿“A”或烃指数（IHC）经轻烃或重烃补偿校正求得；Xo、Xg分别为干酪根成油和成气转化率，%，可通过化学动力学模型求得［51，53-54］。

用此公式计算出的代表生油气量的-IH值较小时值可近似为原始生烃潜量。若不然，将替代上式中右边后两项的IH进行递推运算，直至满足精度（例如(-IH)/＜0.02）要求为止。相应地，烃源岩的原始有机碳含量可表达为

式中：TOCo为原始有机碳含量，%；TOC为现今检测有机碳含量，%；mr为一定体积的源岩的现今质量，g；mc为相应有机碳的质量，g；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%）；ΔIH=IoH-(IH+IHC)为原始生烃潜力的恢复量，mg/g rock。

此方法从有机质演化和生排烃规律出发，推导出有机碳恢复系数的数学计算公式，但所需参数较多，计算过程繁琐且结果受参数取值和热模拟实验条件等因素的影响。

3.1.2 降解率法

根据物质平衡原理和干酪根热降解生油理论，推导残余有机碳和残余生烃潜量恢复系数间的相关性，基于上述两个参数的基本定义，得到如下公式［55-56］：

式中：Kc为有机碳恢复系数；Ks为生烃潜量恢复系数；Cp为有效碳，%；Dr为残余降解率，%，由任一烃源岩样品Rock-eval 分析测得；Do为原始降解率，%，通过Do与母质类型关系图版得出［57-58］，本次以原始降解率分布范围的平均值计算Do，I 型为60%，II型为30%，Ⅲ型为10%［55，59］。

3.1.3 恢复经验图版法

有机母质的生烃过程可以概略地认为是一个物质平衡过程，源岩演化过程中某一阶段的排水量和排有机碳量可分别依据压实过程中的孔隙度变化和烃源岩排出的烃类产物量计算求出。同时结合骨架不变原理，前人得出原始有机碳含量变化表达式［2］：

式中：Φo和Φ 分别为初始和某阶段孔隙度，%；ρro和ρr为初始和某阶段密度，g/cm3；Rp为有机母质的油气发生率（当前单位重量有机碳在其已发生的演化过程中累积生成的烃量）；Ke表示烃源岩的排烃效率（排出烃量占生成烃量的比率），%；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%）。

前人据上述公式计算出含不同类型生烃母质和处于不同热演化阶段的泥质及碳酸盐岩烃源岩TOC 恢复系数，并做出了不同岩性含不同类型干酪根的烃源岩原始有机碳恢复系数图版［2］。此方法假定有机母质在转化过程中的损失量全部形成CH4、C2H6、C3H8、C4H10等10 种产物，有机碳恢复系数计算结果较实际偏大。

3.2 毡铺剖面烃源岩原始有机碳恢复

毡铺剖面（ZP）位于林西县北部（图2），主要发育灰黑色、黑色泥岩，出露较为完整，地层厚度大，烃源岩有机地球化学参数丰富，各参数范围处在区域内各剖面参数范围中值，在本次研究中作为区域内原始有机质丰度恢复方法优选的典型剖面。

图2 毡铺剖面林西组烃源岩品质TOC-（S1+S2）判别图Figure 2 TOC-（S1+S2）discriminant diagram of the source rock quality of Linxi Formation in Zhanpu section

研究表明，烃源岩中的残留液态烃会受温度、压力等因素部分散失，致使实测残留烃S1数值偏低［60-61］。此外，有学者认为地表露头烃源岩TOC 受风化作用影响会低于钻采样品［62］。因此对林西组烃源岩原始有机质丰度恢复前需要进行S1和TOC数据的矫正处理。研究区数据显示区内林西组地表露头烃源岩TOC 与钻采样品TOC 值相近（表1），原因可能为：对于高-过熟烃源岩，有机碳在热演化过程中随生-排烃作用进行，其含量明显减少，且经过高熟-过熟过程改造后的干酪根十分稳定，抗风化能力强。因此可以忽略风化作用对TOC 含量的影响，仅需运用前人建立的S1补偿公式对游离烃含量进行矫正恢复［63-64］，恢复公式如下：

式中：S'1为补偿矫正后的残留烃量，mg/g rock；S1为实测残留烃量，mg/g rock；Ro为镜质体反射率，%。

矫正后的S1参数及本次恢复所用其它参数具体数值见表2。依据这些恢复参数，分别使用上文中的3种恢复方法，对毡铺剖面林西组高-过熟烃源岩进行原始有机质丰度恢复，恢复结果在表3 中列出。

表2 毡铺剖面原始有机质丰度恢复所需参数Table 2 Parameters required for the restoration of the original organic matter abundance in Zhanpu section

表3 毡铺剖面林西组烃源岩有机质丰度评价参数恢复结果Table 3 Recovery results of organic matter abundance evaluation parameters of Linxi Formation source rocks in Zhanpu section

结果表明，基于不同方法恢复后，烃源岩的评价等级均有不同程度的提高，恢复前林西组样品主要落在非-中烃源岩区域，恢复后品质明显提高，样品点主要集中在中等—好烃源岩区域（图2）。使用降解率法恢复后的TOC 平均值最高，达到1.06%，可评价为好烃源岩，其它两种方法恢复后也可达到好—中等级别。原始氢指数的恢复系数平均达到32.3，使用恢复后的原始氢指数判别样品的有机质类型，均指示出以II 型为主，含少部分I 型和Ⅲ型的有机质类型特征，将恢复结果与前人评价结果对比分析，其中热解模拟经验图版法恢复结果显示的有机质类型吻合程度最高（恢复后II 型干酪根占比为82%），其他两种方法吻合率也在79%左右。认为上述三种恢复方法均具有一定的可靠性，是适合研究区林西组高-过熟烃源岩原始有机质丰度恢复的有效方法。下文将基于各剖面及钻井地质资料的丰富程度，分别选用或兼用上述三种方法进行原始有机质丰度恢复，考虑到地质情况的复杂性，每条剖面均进行原始有机质类型对比法优选出最佳的恢复结果，提高恢复的准确性。

4 区域性原始有机质丰度恢复及评价

恢复结果表明，区域内林西组恢复前有机碳含量整体较低，西部和中部地区平均有机碳含量较为接近（分别为0.6%和0.67%），东部林西组有机碳含量相对较高（平均达到0.92%），按照前人的评价方法，将林西组暗色泥质烃源岩评价为中等—差烃源岩，东部部分剖面达到中等—好烃源岩。经过恢复后，林西组有机质丰度评价等级明显升高，基本达到“好”的丰度评价级别（TOCo平均值为1.19%），西部和中部大部分剖面林西组可评价为好—中等烃源岩，东部林西组达到好烃源岩（图3），甚至少部分剖面丰度评价等级能够到达“极好”（TOC＞2%）。有机碳恢复系数的特点是“东西低，中间高”，区域整体平均有机碳恢复系数可达1.65，中部地区恢复系数平均高至2.05，且东部区域恢复系数略高于西部，究其原因可能是由于中部地区和东部地区包含的林西组钻采样品有机质成熟度更高，相对较高的历史生排烃量使得其恢复系数呈现高值。

图3 研究区林西组原始有机碳含量频率分布直方图Figure 3 Frequency distribution histogram of original organic carbon content in Linxi Formation in the study area

综合分析认为，松辽盆地西部外围林西组整体原始有机碳含量高，为好烃源岩，同时具有良好的生油气潜力和页岩气勘探资源前景，是松辽盆地外围地区有利的页岩气勘探新层系之一。

5 结论

1）依据前人大量测试分析结果表明，林西组暗色泥质烃源岩残余有机质丰度中等，有机质类型以II1-II2型为主，具有良好的生排烃物质基础，热演化程度高，有机质成熟度为高-过熟，且井内钻采样品和地表样品残留有机质丰度相似，风化对高熟-过熟烃源岩有机质丰度影响较小。

2）通过典型剖面原始有机质丰度恢复，结合原始有机质类型对比矫正，认为化学动力学法、降解率法和热解经验图版法是本区域林西组有机质丰度恢复最优方法。

3）恢复后林西组有机质丰度评价等级由“中等-差”上升到“好”，表明进行原始有机质丰度恢复对于深层高熟-过熟烃源岩的评价工作具有必要性，对深层生油气资源新层系的勘探具有重要的指导意义。