烃源岩内干酪根研究与成熟度判识

Question

如题所述

Answer 1

作为沉积岩中主要的有机质和生油、生气的主要母质——干酪根，在近代生油学说提出以后，干酪根就成为石油地球化学工作者十分关注的对象。

1.干酪根的显微组成

用显微镜的透射光、反射光、荧光和高倍电子显微镜，可以直接观察干酪根的有机显微组成，进而了解其原始生物来源。

采用透射光和荧光法，对景谷盆地20个样品的干酪根，根据类型指数法进行了显微组分的鉴定和计算，划分了干酪根类型。各显微组分含量和组分描述见表4-5。

表4-5　景谷盆地大牛圈油田生油岩干酪根显微组分含量及镜下描述

大牛圈油藏为非煤系烃源岩的有机显微组分，以腐泥组和壳质组为主，其总量达70%～95%，且二者含量呈互为消长关系；贫惰性组，其含量仅为0～5%；镜质组含量变化较大，为5%～27%。生油岩的有机质类型，按类型指数法计算，为混合型干酪根，且以Ⅱ₁型者居多，占57%，显示出景谷盆地新近系生油岩较好的母质类型。壳质组以生物降解陆生植物为主，并含较多孢粉组合。在蓝光激发下的荧光颜色，降解物发褐色、褐黄色荧光，孢粉发黄色荧光，腐泥组发黄色、暗黄色荧光。

景谷盆地的煤系源岩，其显微组分以镜质组为主，含量为39%～81%。图4-3表示了煤系显微组分与泥质烃源岩显微组分的分布差异状况。镜下观察显示，即使有机质类型为Ⅲ型的煤层干酪根，其中也含有不少沥青和可溶烃渗出物，并形成油晕，这表明，在R_o为0.66%（下煤层）背景下的煤成油，在景谷盆地存在的可能性。

图4-3　景谷盆地烃源岩与煤层微组分TMC组成三角

V—镜质组；I—惰性组；S—腐泥组；E—壳质组

2.干酪根的镜质体反射率

景谷盆地作为残留盆地，其泥岩内有机质成熟度是评价盆地现今油气潜力重要前提之一。镜质体反射率是目前广泛应用的成熟度指标，是确定生油岩成熟度可靠的参数。由表4-5可知，景谷盆地泥质生油岩中，均含有一定数量的镜质组，在牛四、牛七断块中，R_o值为0.50%左右；而牛二断块（除煤层和碳质泥岩外），R_o值一般也都在0.50%左右。这表明，景谷原油是在镜质组反射率为0.5%成熟度背景下形成的，其成烃演化期显然处于低成熟阶段，这与第三章所述及的原油各项化学分析数据表征结果是相一致的。

图4-4为景谷大牛圈地区R_o值与T_max值随深度变化图。尽管在大牛圈地区钻井所揭示的三号沟组暗色泥质岩埋深多在650m以内，油层埋深在440m以内，但随埋深的不断增加显示有机质热演化进程的R_o值（由0.4%～0.81%）表现为随埋深的增大而增大的趋势。约在650m附近，有机质进入成熟阶段。

所采煤系地层的样品，其反射率值略高于泥质烃源岩的反射率值，为0.66%～0.70%。断块外的牛3井为一特殊情况，不论是煤层或泥质烃源岩的反射率值，都已达到0.81%，而埋深仅为207～226m，显然与地质情况不相吻合。究其原因，很可能是牛3井靠近断裂带（图2-7所示），由构造运动所产生的局部热力作用的影响，使反射率值升高，并且煤和泥质烃源岩应有的反射率差异也已消除，或者是由于构造抬升作用使原来较深的地层迁移至较浅的部位。

3.干酪根的元素组成

干酪根作为一种高分子缩聚合物，不同于一般纯的有机化合物，因此没有固定统一的元素组成。因为干酪根大部分是由C、H、O元素组成，所以用来解释元素分析结果的图主要是反映这些元素相互结合的变化情况。

干酪根的元素组成，是表征烃源岩有机质类型的重要参数，其相对百分含量与干酪根的性质密切相关。表4-6是景谷盆地干酪根元素分析结果。大牛圈油田主要产油区的牛四、牛二、牛七断块，除煤层外，其H/C原子比都大于1,O/C原子比在0.11左右。若将干酪根类型划分为标准腐殖型（Ⅲ₂）、含腐泥的腐殖型（Ⅲ₁）、混合型（Ⅱ）、含腐殖的腐泥型（Ⅰ₂）、标准腐泥型（Ⅰ₁）5类，其干酪根元素组成的H/C原子比相应标准分别为：＜0.8、0.8～1.0、1.0～1.3、1.3～1.5、＞1.5。根据表4-6的干酪根H/C原子比数据，大牛圈油田牛四断块除牛4井134～138m样为Ⅲ₁型干酪根外，其余样均为混合型（Ⅱ）和含腐殖的腐泥型（Ⅰ₂）干酪根；牛二断块除煤矿的碳质泥岩为含腐泥的腐殖型（Ⅲ₁）外，其余样品全为混合型干酪根；牛七断块仅有的一个样为混合型干酪根；牛3井和煤层样品H/C原子比在0.75～0.84范围内，全为Ⅲ型干酪根。这与显微组分的类型指数法所划分的结果相一致。将区内干酪根元素分析数据点在范氏分类图中，如图4-5所示，则上述结果更加清晰。同时，从图上还可以看出，煤岩样品偏向R_o为1.0%的成熟度分区线，而其他样品却大多靠近R_o为0.5%这条线，这与实测反射率的结果基本吻合。

图4-4　大牛圈地区岩样R_o值与T_max值随深度变化

景谷盆地烃源岩中干酪根元素组成特征如表4-6所示。

4.稳定碳同位素组成特征

景谷盆地所分析的20块样品的干酪根稳定碳同位素数据已列入表4-6中。泥质烃源岩的δ¹³C值为-28.1‰～-29.7‰，而煤层样品的干酪根其值在-27.3‰～-28.1‰，略重于泥质烃源岩。与国内其他盆地相同地质时代的干酪根碳同位素组成特征相比，景谷盆地这套地层中干酪根的δ¹³C值偏负。由于陆相沉积有机质中碳同位素组成与沉积环境和有机质类型密切相关，成烃演化作用对干酪根碳同位素组成的影响不大，干酪根仍继承着原始有机质δ¹³C值特征，所以，景谷盆地大牛圈地区三号沟组地层中的干酪根碳同位素值较轻可能反映了当时云贵高原淡水湖泊中生物输入的特殊组合特征，也与景谷盆地所产出的低熟石油具有明显较低负值特征是一致的。

图4-5　干酪根元素组成的范氏分类图解

表4-6　景谷盆地干酪根元素、同位素组成及红外光谱分析参数表

关于干酪根的碳同位素组成与按干酪根O/C和H/C原子比划分干酪根类型略有出入（前者的划分类型略高于后者）的原因，很可能是该地区沉积有机质正处在低成熟度阶段，其特征与按成熟阶段干酪根类型的划分标准有所差异所致。

5.干酪根的红外光谱特征

（1）谱图特征

不同类型和成熟度的干酪根，在红外光谱图上有着明显的差异，其吸收峰的位置及相对强度，是干酪根中原子组成及其振动性质、相对丰度的键合性质的反映，表征着缩合在干酪根中的化学基团的组成。Ⅰ型和Ⅱ型干酪根，其谱带2920cm^-1、2850cm^-1、1460cm^-1、1380cm^-1和720cm^-1吸收峰较强，而Ⅲ型干酪根和成熟度较高的样品，3030cm^-1、1600cm^-1、860cm^-1、810cm^-1和740cm^-1吸收峰较强，含氧原子结构较多的样品，3400cm^-1、1700～1720cm^-1、1280～1050cm^-1吸收峰较强。

景谷盆地烃源岩有代表性样品的干酪根红外光谱见图4-6。

图4-6　景谷盆地新近系岩石干酪根有代表性的红外光谱图

景谷盆地新近系烃源岩中干酪根红外光谱特征为：

1）以牛4井250m样品为代表。第一峰组2923cm^-1、2852cm^-1强吸收，二者分离度较好；第二峰组1703cm^-1、1604cm^-1、1460cm^-1和1379cm^-1为中等强度吸收；第三峰组880cm^-1、750cm^-1和720cm^-1极弱吸收，甚至无法辨认。在第二峰组中1460cm^-1、＞1600cm^-1、1460cm^-1＞＞1380cm^-1，含氧基因的1710cm^-1吸收峰在图谱上呈肩峰形式出现在1460cm^-1峰旁。此类图谱具Ⅰ型干酪根特征。

2）牛2井304～310m样品。以第一峰组2923cm^-1和2852cm^-1为强吸收，二者分离度也较好；第二峰组1600cm^-1、1460cm^-1和1379cm^-1为中等强度吸收；第三峰组为弱吸收。但在第二峰组中，1600cm^-1＞1460cm^-1＞1380cm^-1，且1710cm^-1峰很弱。此类图谱代表了混合型干酪根的特征。

3）牛4井134～138m样品，其谱图特征为：第二峰组为强吸收，第一峰组为中等强度吸收，第三峰组仍为弱吸收。在第二峰组中，1600cm^-1＞＞1460cm^-1、1460cm^-1与1380cm^-1吸收强度相近，1710cm^-1峰不明显。此类谱图代表了区内泥质岩Ⅲ型干酪根特征。

4）煤岩特征谱图特征：第二峰组吸收强度大大超过第一峰组吸收强度，第三峰组明显，代表Ar-CHr的880cm^-1、810cm^-1、750cm^-1峰有一定强度。在第二峰组中，1600cm^-1＞＞1460cm^-1＞＞1380cm^-1,1710cm^-1不明显。

（2）红外光谱参数

李晋超（1987）根据不同类型和成熟度干酪根的红外光谱资料，用1460cm^-1（甲基、次甲基）、1600cm^-1（芳核）和1710cm^-1（羰基）谱带吸收强度构成三角图，用以确定干酪根类型和演化趋势。将区内干酪根红外光谱测定资料（表4-6）绘制在上述三角图中（图4-7），可清楚看出景谷盆地泥质烃源岩以混合型干酪根为主以及煤系地层为Ⅲ型干酪根的特征。

图4-7　干酪根I1460cm^-1、I1600cm^-1和I1700cm^-1三角分布图

黄第藩（1987）根据H/C原子比与红外1460cm^-1/1600cm^-1关系图，把原子比大于1、而对应的1460cm^-1/1600cm^-1值为0.45来确定Ⅰ、Ⅱ型干酪根与Ⅲ型干酪根的分界线。我们也将景谷盆地干酪根H/C原子比数据和1460cm^-1/1600cm^-1数据点在上述关系图中（图4-8），从图中可看出，绝大部分点都分布在Ⅰ、Ⅱ型范围内，而煤层样品位于Ⅲ₁型范围内，与范氏图所表示的结果非常一致；但与镜检结果略有差异，主要表现在镜检划分的少数Ⅱ₂型干酪根按上述类型划分法都归入了Ⅲ₁型之内。这很可能是在干酪根的镜下观察时，对Ⅲ和Ⅱ₂型分界线附近的样品组分估计上的偏差所致。

图4-8　景谷盆地干酪根H/C与Ⅰ1460cm^-1/Ⅰ1600cm^-1关系图

另外，利用红外光谱2920cm^-1/1600cm^-1参数对景谷盆地烃源岩进行了类型划分，其结果见表4-6。若将其结果与镜检所划分的类型比较，Ⅲ型干酪根的两种结果很吻合，而镜检划分的Ⅱ型干酪根与之差异较大，几乎全部为Ⅰ₂（少数为Ⅰ₁）型干酪根。由于景谷盆地烃源岩处于低熟阶段，干酪根的红外光谱2920cm^-1和2850cm^-1在Ⅱ型干酪根也为最强吸收，所以2920cm^-1/1600cm^-1值高，显得类型趋好。看来，上述参数受成熟度影响较大。

6.烃源岩的热解分析与成熟度判识

用热解分析法可以研究烃源岩的性质与成熟度。景谷盆地10口钻井的岩屑与地表煤样的热解分析结果如表4-7所示。

（1）有机质类型判识

前面已经对景谷原油的生烃母质进行了判识，烃源岩的热解分析可以进一步证实、深化这种认识。

应用岩石热解分析的结果划分有机质类型，通常采用的是S₂/S₃、氢指数（IH）、生烃潜量和降解率等。按表4-8的岩石热解分类计算，尽管因按不同参数计算结果有些差异，但主要仍显示混合型。其中

s段Ⅱ₁优于Ⅱ₂型，而N

s段所反映有机质性质稍差。在纵向上可以看出，Ⅱ₁型有机质主要发育于

中上部（牛4井167.73～321.27m井段）即三号沟组沉积中晚期，这时，随景谷盆地湖水水域扩大，低等水生生物增加，其原始有机质输入相应变好。而在三号沟组早中期，有更多陆源碎片输入是和其边缘沉积环境一致的。

表4-7　景谷盆地生油岩热解数据表

表4-8　景谷盆地烃源岩岩石热解参数的类型划分

图4-9为景谷盆地岩石热解的氢指数和氧指数划分有机质类型图，从图中可以看出，除牛二断块的一个，牛四断块两个样品及牛3井样品属Ⅲ型干酪根外，其余样品都位于Ⅱ型和Ⅰ型干酪根范围内，这与表3-8所划分的类型结果是一致的。

图4-9　氢指数（IH）与氧指数（IO）对景谷盆地生油岩类型划分图

图4-10　景谷盆地岩石热解氢指数与最高热解温度（T_max）关系图

此外，干酪根的显微镜下观察，也是有机质类型判识的直观方法。在景谷盆地所研究的100多块孢粉片子和数十块干酪根片子的透射光观察中，可以分辨出干酪根的组分特征为：

1）腐泥组：包括藻质体和无定形，藻质体内具有一定的结构，颜色多为淡黄色、绿黄色或棕黄色。无定形主要是藻类生物或浮游等生物遗体经腐泥化作用而形成的产物，无明显的外形轮廓和结构，是絮状或云雾状，颜色浅，多为黄色—褐色，透明至不透明，有的标本中间色深，但边缘是透明状，是Ⅱ型干酪根的主要成分。

2）壳质组：包括植物的孢子、花粉、叶、表皮、树脂等，颜色较浅，透明度好，无规则边缘，弯曲状，有的可见到细胞结构，也有较好的生烃能力。

3）惰质组和镜质组：惰质组为单纯的黑色，镜质组大多为橙红色、棕色。二者外形轮廓清晰，边缘平直或呈圆状、网状，生油能力差，但具生气能力。

（2）成熟度判识

1）孢粉颜色指标

根据干酪根中所含孢粉颜色来判断烃源岩的成熟度，已成为烃源岩评价的基本项目之一。通过景谷盆地1口井的系统分析结果（表4-9）可以看出，景谷盆地新近系自上而下孢粉化石颜色逐渐变深：黄→深黄→桔黄→浅棕→棕色，孢粉颜色指数（SCI）亦逐渐增加，相应地，有机质镜质体反射率（R_o%）值也逐渐增大，但还处于低成熟阶段。

表4-9　景谷盆地某井中孢粉色变与R_o的对比

2）热解分析指标

从表4-7所列景谷盆地29个岩石热解的T_max值来看，83.5%的样品小于435℃，若按混合型干酪根计算成熟度，这部分样品均属于未成熟生油岩；其余样品的T_max值在436～441℃。仍位于低成熟阶段；煤层样品T_max值小于425℃。从图4-10上就清楚地反映了这一特征，图中大部分样品都位于R_o为0.5%的未成熟区之内。

从图4-4可以看出，T_max值随深度的变化与R_o值随深度的变化趋势相同，埋深加大，T_max值也随之增高，但大约在650m以上层位，仍处于低熟阶段。