有效源岩的精确厘定及其排烃量：以南堡凹陷为例

范柏江^{1, 2}，董月霞³，庞雄奇^{1, 2}

(1. 中国石油大学 油气资源与探测国家重点实验室，北京，102249；

2. 中国石油大学 盆地与油藏研究中心，北京，102249；

3. 中国石油冀东油田公司，河北 唐山，063200)

摘要：有效源岩是指已经进入排烃门限并且品质较好能够排出烃类的源岩。有效源岩的判别分为3步：第1步是对研究区的潜在源岩进行地质统计，确定其平面分布；第2步是利用排烃门限理论判别潜在源岩是否进入排烃门限，只有进入排烃门限后才可能排烃；第3步是对进入排烃门限的潜在源岩进行品质判别，剔除不能排烃的源岩。由此精确厘定有效源岩的分布。基于有效源岩的空间分布，采用生烃潜力法可以准确计算排烃量。对渤海湾盆地南堡凹陷的应用结果表明：对于沙三段、沙一段、东三段有效源岩而言，沙三段有效源岩的规模最大；三套有效源岩的排烃量分别为62.99×10⁸ t，30.65×10⁸ t和22.23×10⁸ t。

关键词：有效源岩；排烃量；判别与评价

中图分类号：TE122.3         文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2012)01-0229-09

Establishment of effective source rock and hydrocarbon expulsion quantity: Taking Nanpu sag for example

FAN Bo-jiang^{1, 2}, DONG Yue-xia³, PANG Xiong-qi^{1, 2}

 (1. Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting, China University of Petroleum,

Beijing 102249, China;

2. Research Center of Basin and Reservoir, China University of Petroleum, Beijing 102249, China;

3. Jidong Oil Company, Petrochina, Tangshan 063004, China)

Abstract: Effective source rock is the high quality sedimentary strata that have gone into the hydrocarbon expulsion threshold and have expelled hydrocarbon. The judging method for effective source rock can be classified into three steps. The first step is to statistic the potential source rock. The second step is to judge the source’s hydrocarbon expulsion threshold by using the hydrocarbon expulsion threshold theory. The third step is to judge the source’s hydrocarbon expulsion quality. Thus, the distribution of the effective source rock is obtained. Based on the distribution of effective source rock, the hydrocarbon expulsion quantity can be calculated by using the hydrocarbon generation method. The application to Nanpu Sag, Bohai Bay Basin shows that, Es₃ formation is the primary effective source rock, and the hydrocarbon expulsion quantity of Es₃, Es₁ and Ed₃ formations are 62.99×10⁸ t, 30.65×10⁸ t and 22.23×10⁸ t, respectively.

Key words: effective source rock; hydrocarbon expulsion quantity; judgment and assessment

关于烃源岩的判别标准以及排烃量的研究一直存在争议^[1-3]。Tissot等^[4]将一切生成过大量油气的岩石称为烃源岩；Hunt等^[5]将生成、排运过油气并形成具工业价值油气流的岩石称为烃源岩，亦有学者通过岩石的地球化学指标如有机碳含量、氯仿沥青“A”和总烃含量等来判别烃源岩^[4-7]。但是，利用上述方法确定烃源岩的局限性是忽略了对排烃条件以及各生烃指标(如有机母质的丰度、类型、转化程度)对源岩排烃的影响。例如，某些煤系地层虽然进入了生烃门限，但由于受到吸附作用，烃类一般难以大量排出；某些进入生烃门限的欠压实地层，尽管也生成了较多油气，但由于受到毛细管封闭作用，一般不能大量排烃。实践证明，烃源岩排出烃量的多少不仅取决于它的生烃量，还取决于其自身残留烃类的能力，生烃量大的源岩未必排出大量的烃，地化指标好的源岩未必能排出大量的烃。这些均说明，在研究源岩的排烃时，必须考虑源岩的排烃临界条件。在地质条件下，烃源岩生成的烃量只有满足了源岩的自身吸附、孔隙水溶、油溶和毛细管封闭等多种残留形式的需要后，才能从源岩中排出，概念模型参见文献[8]。

对于排烃条件的研究，Dickey等^[9-11]认为只有源岩达到其最低的临界饱和度后才可能有油气排出。Jones^[12]认为，随研究区地质条件的不同，源岩的排烃临界条件会发生变化。而Magara^[10]经过统计发现，现今的源岩生烃潜力剖面反映了源岩生、排烃作用的差异。根据现今的实测源岩剖面还可求解排烃量。对于排烃量的研究，前人主要是进行排烃物理模拟实    验^[12-17]，即加温加压实验。由于技术条件的限制，该实验无法还原地质条件下源岩本身的自身吸附、孔隙水溶、油溶和毛细管封闭等残留作用和残留条件，因而实验结果的可靠性不高。此外，我国陆相源岩非均质性较强，烃源岩的排烃条件变化较大，不同源岩样品的实验结果差异较大。为了更加有效地研究源岩排烃，庞雄奇等^{[8, 18]}提出了“有效源岩”的概念。有效源岩可定义为在地史演化过程中进入排烃门限并且品质较好能够排出烃类的源岩。本文作者论述了利用排烃门限理论判别有效源岩的方法，并计算了南堡凹陷有效源岩的排烃量。

1  研究区概况

南堡凹陷位于渤海湾盆地，其北部与燕山相连，南部和东部与渤海相接，西部与津冀边界的涧河为边。整个凹陷面积1 900 km²，其中滩海面积1 100 km²，自北向南分别为陆上的高尚堡－柳赞构造、老爷庙构造、北堡构造；滩海的南堡1号、南堡2号、南堡3号、南堡4号、南堡5号构造(图1)^[19]。2007底，南堡凹陷已探明三级储量达到10亿t。本区发育有东三段、沙一段和沙三段三套主力烃源岩，前人对其进行了详细的地化研究^[19-21]。但本区源岩在排烃方面的研究一直处于薄弱环节，由此导致历次资源评价的评价结果具有较大差异。如中石油三次资评(2000年)得出其地质资源量为4.28×10⁸ t，新一轮全国油气资源评价(2005年)得出其地质资源量为7.91×10⁸ t，冀东油田第4次资评(2006年)得出其地质资源量为11.79×10⁸ t^[22]。纵观历次的评价，所采用的方法均是成因法^[23]，即资源量的求取以排烃量乘以油气聚集系数，或者生烃量乘以运聚系数得到。因此，要提高资源量计算结果的可靠度，必须采用更为合理的方法来计算源岩的排烃量。

图1  南堡凹陷构造区划及生储盖组合示意图

Fig.1  Structural unit divisions and sedimentation formations in Nanpu sag

2  有效源岩的识别

在地质条件下，只有能排出油气的源岩才对油气成藏有贡献，如何准确地界定有效源岩并得出其空间分布特征，是保证烃源岩评价结果准确性的最基础性工作。利用排烃门限理论判别有效源岩的思路可分为3步：首先是对研究区的潜在源岩(如暗色泥岩)进行地质统计；其次是利用排烃门限理论判别潜在源岩是否进入排烃门限，只有进入排烃门限后才有可能排烃；最后是对进入排烃门限的潜在源岩进行品质判别，品质差而不能排烃的源岩，必须将其剔除。

2.1  地质统计潜在源岩

该阶段的研究任务主要是通过对研究区已钻探井进行岩性统计，统计出各层段潜在源岩(陆相源岩主要为暗色泥岩)的厚度，同时结合沉积相进行全区暗色泥岩厚度的标定。对于钻井较少的区域可以综合利用地震资料进行岩性反演，摸清暗色泥岩的空间展布。如果研究区地质资料贫乏，还可以根据成熟探区潜在源岩与地层厚度的比值计算其比值系数，依据地层厚度和比值系数来近似获得新区潜在源岩的厚度分布。由此得到目标区潜在源岩(暗色泥岩)的平面分布图(见 图2)。

2.2  判别进入排烃门限源岩

该阶段是在地质统计的基础上确定源岩层系的排烃门限，确定参数主要是生烃潜力指数((S₁+S₂)/w_TOC)，其中S₁为游离烃的含量，mg/g；S₂为热解烃的含量，mg/g；w_TOC为有机碳含量，%。排烃门限是源岩开始大量排烃的临界条件，即源岩生成的烃量开始满足源岩自身吸附、孔隙水溶、油溶和毛细管封闭等多种残留形式需要的临界条件。进入排烃门限的源岩才可能发生大量排烃过程，因而，未进入排烃门限的源岩必须进行剔出。

在地质条件下，源岩不可避免地存在非均质     性^[22-23]，该非均质性不但包括源岩本身的地化特征例如有机质丰度、有机质类型、有机质成熟度的非均质性，还包括源岩临界排烃条件如自身吸附、孔隙水溶、油溶、毛细管封闭的非均质性。为了消除源岩非均质性的影响，在生烃潜力指数剖面的建立中，需要对不同深度(如每隔100 m)源岩的生烃潜力指数进行加权平均，该加权平均后的生烃潜力指数能合理反映源岩整体上的排烃变化特征。通过本区549口探井的地化资料统计，建立南堡凹陷三套源岩的生烃潜力指数随埋深变化关系如图3所示。由图3可见：南堡凹陷东三段、沙一段、沙三段三套源岩排烃门限对应镜质体发射率R_o分别为0.85%，0.90%和0.86%。以沙一段而例，R_o小于0.90%的暗色泥岩均未进入排烃门限，无论其生烃与否、生烃量是大是小，该部分泥岩均需要剔除。

图2  南堡凹陷潜在源岩厚度图

Fig.2  Cumulative depths of potential effective source rocks in Nanpu sag

图3  生烃潜力法判别源岩排烃门限

Fig.3  Hydrocarbon expulsion threshold of source rocks in Nanpu sag

2.3  判别源岩品质

对于进入排烃门限的潜在源岩，由于有机质类型和有机碳含量的差异，部分源岩生烃能力很差，根本上没有发生排甲烷气、排重烃气及排液态烃的过程。为此，需要对进入排烃门限的源岩样品进行品质判别。因而本阶段要建立重点井位目标层段的标准地化剖面，对进入排烃门限的暗色泥岩进行有效性综合分析。具体方法是把源岩样品的有机碳含量和有机质类型在排烃判别图版上投点(图4)，若该样品的实测R_o大于理论图版，则该源岩样品发生有排烃过程，属于有效源岩；反之，若实测R_o小于理论图版，则不属于有效源岩。根据各源岩样品是否为有效源岩的判别结果，即可建立单井的有效源岩判别结果剖面(图5)。在实际应用中，由于样品有限，并非每个小层的源岩都具有地资料，此时需要对其上下源岩的地化指标(有机碳含量(w_TOC)、干酪根类型指数(I_KT)、镜质体发射率(R_o)等)或者结合有机相进行对比分析，从而确定其能否排烃。通过对全区重点井的单井源岩品质评价与统计，便可获得南堡凹陷各有效源岩层系的厚度。对于缺少样品数据的层位或地区，可参考已分析井有效源岩厚度与潜在源岩厚度的比值，结合研究区潜在源岩的厚度计算有效源岩厚度。南堡凹陷有效源岩的累积厚度、不同热演化程度有效源岩的厚度分别见图6~7和表1。

若研究区研究程度高，积累了大量的地化数据，则可利用有机碳含量(w_TOC)、干酪根类型指数(I_KT)、镜质体发射率(R_o)分别建立有效源岩排甲烷气/重烃气/液态烃的判别图版。根据图板，可以判别任意样品点是否进入排烃门限以及进入何种烃类的排烃门限(排甲烷气/重烃气/液态烃)。其中，I_KT可采用以下2种方法计算：

       (1)

      (2)

式中：R_H/C为有机母质氢、碳元素的摩尔比；R_O/C为有机母质氧、碳元素的摩尔比；R_o为镜质体反射率(%)；I_H为氢指数；I_O为氧指数；I_p为转化率；T_m为最大热解温度；I_KT1和I_KT2分别表示依据烃源岩元素组成和热解参数资料获得的干酪根类型指数。对同一样品点，以上2个公式计算的结果相同。

图4  BS28井沙三段有效源岩的判别

Fig.4  Judging plate of Es3 effective source rock in BS28 well

图5  南堡凹陷LPN1井有效源岩判别结果图

Fig.5  Judgment of effective source rock in LPN 1 well

图6  南堡凹陷各有效源岩累积厚度图

Fig.6  Cumulative depths of effective source rocks in Nanpu sag

图7  南堡各有效源岩层系排烃模式图

Fig.7  Hydrocarbon expulsion models of effective source rocks in Nanpu sag

表1  南堡各有效源岩层系的R_o

Table 1  R_o of effective source rocks in Nanpu sag

3  有效源岩排烃量研究

3.1  排烃理论模型

一般来说，同一套烃源岩是在特定的沉积环境下形成的，环境条件相似，有机质的组分和含量相近，据此可以将同一烃源岩层现今在不同地点不同埋深下的样品特征看成是同一地点样品在不同时期的转化产物，这样就可以通过不同地点的样品建立烃源岩在不同埋深、不同演化程度下的完整剖面。因此，根据不同地点不同埋深下烃源岩样品的生烃潜力变化关系，可以综合研究烃源岩层的排烃历史，其理论模型^[8]如图8所示，图8中：q_e为排烃率；I_HCP为剩余生烃潜力/现今生烃潜力；I_HCO为原始生烃潜力。

基于上述假设，排烃强度的计算方法采用生烃潜力法。生烃潜力法利用生烃潜力指数((S₁+S₂)/w_TOC)来表征烃源岩的生烃潜力。在地质条件下，随烃源岩演化程度的增强，干酪根不断富集，有机母质逐渐生烃，生烃潜力指数增大，但由于源岩残留烃量未达饱和，此时不能排烃。当烃源岩演化到一定程度时，烃类大量生成，烃类满足了源岩残留地质作用(图8五星处)，源岩此时的埋深即为源岩的排烃门限。随着烃源岩演化程度继续增加，烃类大量生成，烃类逐渐排出；随着烃类逐渐排出，烃源岩生烃潜力将逐渐减小，此时的生烃潜力为剩余生烃潜力。烃源岩原始生烃潜力指数(I_HCO)与剩余生烃潜力指数(I_HCP)的差为排烃率(q_e)，排烃率即烃源岩达到排烃门限后单位有机碳排出的烃 量^[24]。利用排烃率，结合有机碳含量，泥岩厚度、泥岩密度等数据即可求得研究区源岩的排烃强度(见式(3))。

3.2  研究区排烃量

排烃量的计算模型^[24]如下：

 (3)

式中：Q_e为排烃量，t/km²；Z为实际埋深，m；Z₀为排烃门限，m；q_e(z)为单位质量有机碳的排烃率，mg/g；为埋深为Z的有效源岩密度，g/cm³；H为有效源岩厚度，m；S(n)为有效源岩面积，m²；n为网格    数目。

上述模型中，有效源岩厚度(H)、源岩密度()和有机碳含量(w_TOC)均可利用研究区资料确定，均属于已知参数，但排烃率(q_e)是未知参数。而通过对原始生烃潜力进行恢复，即可确定排烃率。恢复原理基于有机物质在排烃过程中的不断损耗量。具体的计算模型^[24]如下：

           (5)

      (6)

式中：为进入排烃门限源岩的剩余生烃潜力，mg/g；为排烃门限对应的生烃潜力，mg/g；为生烃潜力恢复系数；为进入排烃门限源岩的原始生烃潜力，mg/g；为进入排烃门限源岩的剩余生烃潜力，mg/g。

由图7和表1可见：三套源岩的排烃门限临界点处，排烃率均为0，随埋深的增加，热演化程度增大，排烃率逐渐增大，东三段、沙一段和沙三段3套有效源岩最大排烃率分别达到了350 mg/g(R_o约为1.20%)，360 mg/g(R_o约为1.42%)和480 mg/g(R_o约为1.90%)。利用排烃强度计算模型，结合南堡凹陷有效烃源的空间展布特征及各项烃源岩参数，即可得到三套有效源岩的累积排烃量(图9)。结合有效源岩层系的埋藏历史，可计算出各有效源岩层系在不同热演化程度(不同地质时期)下的排烃量(图9)。

由图9可见：东营期以来，南堡凹陷开始发生大规模的排烃过程，排烃高峰期在馆陶期。凹陷累积排烃量达到115.87×10⁸ t。其中，沙三段有效源岩的排烃量为62.99×10⁸ t，占凹陷有效源岩排烃总量的54.36%，排烃高峰期在东营末期—馆陶期；沙一段有效源岩的排烃量为30.65×10⁸ t，占凹陷有效源岩排烃总量的26.45%，排烃高峰期在馆陶期—明化镇时期；东三段有效源岩的排烃量为22.23×10⁸ t，占凹陷有效源岩排烃总量的19.19%，排烃高峰期在明化镇—第四纪时期。按照全国油气资源评价对本区油气聚集系数的研究，采用27%的油气聚集系数^[23]，南堡凹陷的油气资源量可达到31.28×10⁸ t。

图8  生烃潜力法确定源岩排烃门限的取样示意图

Fig.8  Sampling sketch map of study hydrocarbon generating method

图9  南堡凹陷烃源岩排油气历史综合评价图

Fig.9  Hydrocarbon expulsion history of effective source rocks in Nanpu sag

4  结论

(1) 在实际应用过程中，本文采用的方法所需参数较少。但是，对于烃源岩非均质性强的地区，样品的生烃潜力变化极大，因此，需要尽可能多地收集生烃潜力指数数据点，并对其进行加权平均，该加权平均值才能反映源岩的整体生烃潜力变化。此外，本方法不适用于埋深差异不大的同一烃源岩，但对于南堡凹陷而言，烃源岩由构造高部位至深凹部位均有分布，适用性较好。

(2) 南堡凹陷东三段、沙一段、沙三段三套有效源岩的排烃门限对应的R_o分别为0.85%，0.90%和0.86%；3套源岩的累积排烃量分别为22.23×10⁸ t，30.65×10⁸ t和62.99×10⁸ t；排烃高峰期分别在明化镇—第四纪、馆陶期—明化镇时期和东营末期—馆陶时期。结合新一轮全国油气资源评价对本区油气聚集系数的研究，可知本区油气资源量可达到31.28×  10⁸ t，显示了巨大的油气资源勘探潜力。

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(编辑 杨幼平)

收稿日期：2010-12-05；修回日期：2011-02-27

基金项目：国家科技重大专项项目(2011ZX05006)；国家重点基础研究发展计划(“973”计划)项目(2006CB202300)

通信作者：庞雄奇(1961-)，男，湖北崇阳人，教授，博士生导师，从事含油气盆地分析工作；电话：010-89733346；E-mail: pangxq@cup.edu.cn