烃源岩有机碳含量、有机质类型及其分布规律

有机质丰度~

一个沉积盆地能否生成油气，有机质丰度至关重要，它是油气生成的物质基础，是衡量与评价烃源岩生烃潜力的重要基础。目前常用的有机质丰度指标包括有机碳含量(TOC)、烃源岩热解参数中的可溶烃(S1)、热解烃(S2)、产油潜量(Pg)、氯仿沥青A和总烃含量(HC)。此外，烃源岩显微组分含量TMCS3与有机碳、产油潜量、氯仿沥青A和总烃含量之间存在明显的正相关关系，表明它也可作为有机质丰度指标。
一、盐湖盆地低熟烃源岩有机碳含量
有机碳含量是最常用的有机质丰度指标。江汉盆地盐湖盆地低熟烃源岩有机碳含量范围为0.24%～6.19%，平均值为1.70%，其中有机碳含量大于1%的占样品总数的60%以上，含量在1%～2%的占样品总数的21.6%，2%～4%的占样品总数的21.6%，大于4%占样品总数8%(表4-1)。这表明：江汉盆地古近系低成熟烃源岩(主要是潜江组)大多达到了我国“较好—好”泥质烃源岩的标准。因而其生烃的物质基础较为雄厚。

表4-1 江汉盆地低成熟烃源岩有机碳含量


续表


图4-1 江汉盆地古近系各层段烃源岩有机碳含量频率分布直方图

由于沉积盆地的构造及沉积特征较为复杂，盐湖盆地烃源岩有机质非均质性较为明显，如图4-1所示，江汉盆地潜江组各层段烃源岩有机碳含量分布范围较宽，总体来讲，新沟嘴组烃源岩有机碳含量最高，但其样品数量较少，因而代表性较差；潜江组烃源岩以潜四段有机碳含量最高，TOC介于0.42%～6.19%之间，算术平均值为1.78%，加权平均值为1.69%，大多数样品在0.6%～2.0%之间；其次为潜二段烃源岩，TOC 介于0.62%～4.4%，算术平均值为1.77%，加权平均值为1.94%，主频分布范围为0.6%～1.0%；再次为潜三段，TOC为0.77%～4.3%，算术平均值为1.64%；潜一段烃源岩有机碳含量相对较低，其有机碳算术平均值为1.60%。这表明：江汉盆地古近系烃源岩有机碳含量普遍较高，其生烃潜力不可低估。
二、盐湖盆地低熟烃源岩热解参数S1、S2、Pg
Rock-eval热解分析是一项能迅速获得烃源岩有机质丰度、类型、成熟度等信息的方法，获得的有机质丰度指标有：可溶烃含量(S1)、热解烃含量(S2)、和产油潜量(Pg)。表4-2是江汉盆地烃源岩热解分析结果。

表4-2 江汉盆地烃源岩热解参数

江汉盆地盐湖烃源岩中，可溶烃含量以潜二段烃源岩最高，平均为1.36mg/g，其次依次为潜四段、潜一段、潜三段和新沟嘴组，平均值分别为 1.18mg/g、1.02mg/g、0.69mg/g、0.23mg/g；热解烃含量以潜一段烃源岩最高，平均为15.45mg/g，其次依次为潜二段、潜三段、潜四段和新沟嘴组，平均值分别为14.25mg/g、12.49mg/g、7.27mg/g和2.54mg/g。
图4-2为江汉盆地各层段烃源岩产油潜量分布直方图。从图中可以看出，烃源岩的产油潜量分布范围是相当宽的。总体来说，潜一段烃源岩产油潜量最高，11个样品的产油潜量分布范围为0.44～64.03mg/g，算术平均值为16.47mg/g，加权平均值为17.27mg/g，主频分布范围为10～60mg/g，大于6mg/g的烃源岩占样品总数的66.7%；其次为潜二段烃源岩，11个样品的产油潜量分布范围为1.74～73.04mg/g，算术平均值为15.61mg/g，加权平均值17.84mg/g，大于6mg/g的烃源岩占样品总数的46.2%；再次为潜三段烃源岩，7个样品的生油潜量分布范围为0.51～53.40mg/g，算术平均值为13.19mg/g，加权平均值为14.43mg/g，大于6mg/g的烃源岩占样品总数的33.3%；潜四段和新沟嘴组烃源岩产油潜量相对较低，其分布范围分别为0.61～28.36mg/g 和0.99～4.55mg/g，算术平均值为8.45mg/g和2.77mg/g，加权平均值为8.77mg/g和2.63mg/g。

图4-2 江汉盆地各层段烃源岩产油潜量分布直方图

烃源岩的可溶烃(S1)和热解烃(S2)均是由其中的分散有机质生成的，它们与有机碳含量之间存在较好的相关性(图4-3)，烃源岩的可溶烃与热解烃均随有机碳含量的增加而升高，两者之间呈对数关系，从图4-3中也可以看出，S2与有机碳的相关性比S1与有机碳的关系要好。造成这一情况并非偶然，就S2而言，它是烃源岩中分散有机质热降解的产物，一般成熟的油气聚集就与此有关。而可溶烃S1的来源比较复杂，对成熟烃源岩而言，这部分烃应为干酪根已生成的烃，经运聚后仍残留于烃源岩中。就江汉盆地而言，所有的样品的镜质体反射率Ro均介于0.30%～0.60%之间，尚处于未成熟—低成熟阶段，此时干酪根尚未发生明显的热降解，即这部分烃不可能来自干酪根热降解，也非一般意义上的成熟烃类物质。因此，低演化阶段烃源岩中较高含量的可溶性烃是早期成烃的重要标志。

图4-3 江汉盆地烃源岩热解参数S1、S2与有机碳含量的关系

三、盐湖盆地烃源岩可溶有机质含量
氯仿沥青A和总烃含量是衡量有机质丰度最常用的指标之一。总体而言，盐湖盆地烃源岩具有较高含量的氯仿沥青A和总烃含量，几乎所有的样品氯仿沥青A含量均大于0.01%的下限值，总烃含量大于100×10-6，达到了泥质烃源岩的下限标准(表4-3)。

表4-3 江汉盆地烃源岩可溶有机质参数

江汉盆地烃源岩氯仿沥青A含量以潜二段最高，其分布范围为0.1372%～2.3460%，平均为0.7361%，其次为潜四段，平均值为0.5394%，潜一段、潜三段也具有较高的氯仿沥青A含量，平均值分别为0.4985%和0.4151%。相比之下，新沟嘴组氯仿沥青A含量较低，为0.2560%，但也达到了“好”泥质烃源岩的标准。总烃含量以潜四段烃源岩最高，其分布范围为(431～6215)×10-6，平均值为2419×10-6，其次依次为Eq2＞Eq3＞Eq1＞Ex。氯仿沥青A和总烃分布直方图见图4-4、图4-5。

图4-4 江汉盆地各层段烃源岩氯仿沥青A分布直方图


图4-5 江汉盆地各层段烃源岩总烃含量频率分布直方图

有机质向烃类的转化程度也是衡量烃源岩生烃潜力的重要指标，常用的转化率参数有氯仿沥青A/TOC和HC/TOC。盐湖盆地烃源岩具有较高的转化率早已是一个不争的事实。尽管江汉盆地烃源岩的演化程度相当低，仍处于未成熟—低成熟阶段，但其氯仿沥青A/TOC和HC/TOC均相当高，表明其生烃潜力巨大。
如第二章所述，江汉盆地烃源岩中显微组分含量TMCS3与有机碳含量、氯仿沥青A、总烃和生油潜量Pg之间存在较好的相关性，因此，显微组分含量TMCS3也可标志有机质丰度。总体而言，潜二段和潜一段烃源岩显微组分含量TMCS3较高，表明其有机质丰度较高，上述特征与其他有机质丰度指标是基本吻合的。

烃源岩的有机质类型是有机质的质量指标，它对烃源岩的生烃潜力起着重要作用。通常，烃源岩的有机质类型的经典划分为三分法，即采用煤化学中藻类体、孢子体和镜质体三种显微组分在范氏图上的演化轨迹，将有机质类型划分为Ⅰ型(腐泥型)、Ⅱ型(过渡型)和Ⅲ型(腐殖型)有机质。鉴于我国陆相地层生油岩的特殊性，我国普遍采用有机质三类五分的划分方案(表4-4)。

表4-4 有机质类型划分标准

(据黄第藩、李晋超，1984)
一、干酪根元素组成
干酪根是烃源岩中提纯浓缩的有机物质，其主要组成元素有C、H、O、N、S，其相对组成与干酪根的性质密切相关，因此利用H/C原子比和O/C原子比确定干酪根的类型是当前广泛使用的方法之一。Tissot等(1984)的研究表明，在所有类型的干酪根中，对1000个碳原子，相应存在500～800个氢原子，其次为氧原子，为25～300个，氮和硫是相对较少的原子，每1000个碳原子只伴有5～30个硫原子和10～35氮原子。

图4-6 江汉盆地低熟烃源岩干酪根元素图

由图4-6可以看出，江汉盆地低熟烃源岩H/C比多为1.2～1.6，O/C 比为0.05～0.30，多为Ⅰ型、Ⅱ型有机质。总体上讲，有20%样品属Ⅰ1有机质，30%的样品属Ⅰ2型有机质，45%样品属Ⅱ型有机质。进一步分析表明，江汉盆地各层段低熟烃源岩有机质类型有一定的差异(表4-5)。潜一段烃源岩有50%样品落入了Ⅰ1型有机质的范围内，16%的样品落入Ⅰ2型有机质范围内；而潜四段烃源岩有66%样品为Ⅱ型有机质，33%样品为Ⅰ2型有机质，从总体上看，潜一段、潜二段烃源岩好于潜三段、潜四段烃源岩。

表4-5 江汉盆地低熟烃源岩元素分析结果

对于盐湖环境烃源岩来说，由于干酪根中S—S键、S—C键的离解能较C—C键的离解能低，因而干酪根中有机硫的含量对其低熟油的生成具有重要的意义。Orr(1986)依据美国加利福尼亚Monterey页岩的干酪根元素的分析结果，提出了高硫干酪根的概念，他将干酪根中有机硫含量在8%～14%或S/C比大于0.4 的干酪根定为高硫干酪根(表4-6)，并认为Santa Maria盆地和Santa Barbara沿岸的高硫干酪根是加利福尼亚地区高硫重质原油的烃源岩。

表4-6 依据干酪根中有机硫含量划分干酪根类型

(据Orr，1986)
江汉盆地潜江组烃源岩干酪根中，有机硫含量介于 3.974%～11.654% 之间，S/C比介于0.02～0.08(图4-7)，这表明潜江组烃源岩干酪根既有高硫干酪根，也有中等—低硫干酪根。潜江组富硫的重质原油与其干酪根中高的有机硫含量有着成因联系。

图4-7 江汉盆地潜江组烃源岩干酪根S/C原子比、O/C原子比组成图

二、岩石热解资料
岩石热解资料也可有效地区分有机质类型。邬立言等(1986)绘制了一系列的图版来划分有机质类型。黄第藩等(1991)也曾用IH、IO与S2/S3之间的X型图版来划分有机质类型。图4-8是江汉盆地烃源岩氢指数与Tmax关系图，从图中可以看出，江汉盆地烃源岩多属Ⅰ型、Ⅱ型有机质。图4-9是江汉盆地古近系烃源岩热解氢指数分布直方图，由图可见，潜一段烃源岩主要是Ⅱ1型，其次为Ⅲ1型有机质，15个样品平均氢指数为753mg烃/g有机碳，明显好于其他各层段；潜二段烃源岩，Ⅰ1型和Ⅱ型有机质各占36%，其次为Ⅰ2型，13个样品的平均氢指数为666mg烃/g有机碳；潜三段烃源岩Ⅱ型有机质占44.4%，其次为Ⅰ2型，为33.3%，9个样品的平均氢指数为500mg烃/g有机碳；潜四段烃源岩Ⅲ1型为33.3%，其次为Ⅰ2型，为25%，12个样品平均氢指数为402mg烃/g有机碳。新沟嘴组烃源岩样品少(仅有2个)，尚嫌代表性，为Ⅲ型有机质。这与岩石热解X型图版对江汉盆地烃源岩有机质类型的划分基本是一致的(图4-10)。

图4-8 江汉盆地烃源岩氢指数与Tmax分类图版


图4-9 江汉盆地烃源岩岩石热解氢指数分布直方图


图4-10 江汉盆地烃源岩岩石热解分类X型图版

三、甾烷相对组成
甾烷类生物标志物在成岩及深成作用初期结构不易变化，能较好地反映生物先驱物组成的本来面貌，因而也是确定有机质类型的定性参数。目前，人们广泛采用ααα-20 R构型的C27、C28和C29三个碳数甾烷的相对组成的变化来划分母质类型。一般而言，低等水生生物以富含C27甾烷为特征，而高等陆生植物以C29甾烷为主，其次是C28甾烷。图4-11是江汉盆地古近系甾烷相对组成图。由图中可以看出，潜一段、潜二段烃源岩多属Ⅰ型、Ⅱ型有机质，潜三段、潜四段多属Ⅱ型有机质。

图4-11 江汉盆地烃源岩甾烷相对组成三角图

四、利用全岩显微组分组成判断有机质类型
全岩分析所得的烃源岩显微组分相对组成乃是有机质类型的客观反映。如前所述，江汉盆地烃源岩显微组分组成中具有“惰性组分贫乏”的特点，镜质组、壳质组、腐泥组三者之间不同比例的配比关系反映了其生源的特点。如图4-12所示，约有40%的样品腐泥组含量大于50%，另约有60%的样品腐泥组含量在0～50%之间，表明江汉盆地烃源岩以Ⅱ、Ⅰ型有机质为主。

图4-12“壳质组+腐泥组”、腐泥组、矿物沥青基质含量与有机质类型关系图

需要指出的是，全岩分析中矿物沥青基质这一显微组分相当于干酪根组分中的无定形组分。然而，由于隐含在矿物沥青基质中的有机质的“量”和“质”无法直接检测，因而会影响到对矿物沥青基质的评价。研究表明，矿物沥青基质含量往往与干酪根制备过程中回收的无定形物质的量呈明显的正相关关系，且与可溶有机质中微生物生源的输入量变化趋势一致(王铁冠等，1995)。因而，矿物沥青基质含量也应该作为与低等生源有机质有关的因素纳入类型评价。
图4-12 是江汉盆地古近系烃源岩腐泥组含量、“壳质组+腐泥组”含量与矿物沥青基质含量之间的关系，从图中，可以看出，潜二段、潜一段烃源岩中Ⅰ型有机质所占比例较高，而潜三段、潜四段和新沟嘴组烃源岩则以Ⅱ型有机质为主。

1.古近系孔店组

孔店组烃源岩的有机碳含量在苏北盆地和昌潍坳陷最高,其次是黄骅坳陷、济阳坳陷(附图59)。黄骅坳陷孔二段泥岩有机碳含量平均3.10%,最高可到9.15%。冀中坳陷沙四段和孔店组未分开,其岩石样品有机碳含量主要分布于0.4%~3.0%之间,其中在廊固凹陷有机质丰度相对最高,有机碳含量平均为0.70%;晋县次之,有机碳平均含量为0.58%,饶阳、霸县、深县、徐水、保定凹陷有机质丰度依次降低。昌潍坳陷孔二段暗色泥岩的有机碳含量多在0.4%~8.0%之间,有机质丰度高的地区主要是在昌67、昌64、央5、央6等凹陷的较深部位,有机碳含量多在2.0%以上。临清坳陷的东部孔二段有机碳含量低于0.5%。苏北盆地阜二段烃源岩有机碳含量一般大于1.0%,在各凹陷中的平均值为1.23%~1.89%;阜四段烃源岩,有机碳在各凹陷中的平均值在0.88%~1.39%之间。在渤中坳陷和辽河盆地已证实有孔店组存在,但缺乏分析数据,本次未能成图。济阳坳陷由于钻达孔二段的井较少,仅从几个井点的分析资料看,有机质含量差别较大。

从有机质类型分布看,靠近郯庐断裂带附近或位于断裂带内的地区(昌潍坳陷、苏北盆地)有机质类型较好,主要以Ⅰ、Ⅱ1型为主;除了黄骅坳陷的沧州-皮南凹陷外,其余地区的有机质类型以Ⅱ2-Ⅲ性为主(附图54)。结合构造沉降曲线可以看出,黄骅坳陷和昌潍坳陷在孔二段沉积时期的构造沉降量是研究区中最大的,而且其沉积速率也是较大的。这也说明了坳陷的构造沉降和沉积对有机质品质的控制作用。

2.古近系沙四段

沙四段有机碳含量最高的地区是济阳坳陷的东营凹陷和辽河盆地的西部凹陷(附图60),其有机碳含量大部分在2%以上,往西至冀中坳陷和往南至临清坳陷(东濮凹陷),尽管暗色泥岩的厚度巨大,但有机碳的含量远比不上东营凹陷,这些地区沙四段的有机碳含量为1.0%~1.5%。有机质类型的分布也与坳陷在郯庐断裂带的位置有关。在济阳坳陷、临清坳陷和辽河盆地,主要是以Ⅰ型或Ⅰ-Ⅱ型有机质为主,往西到冀中坳陷有机质类型变差,以Ⅲ型为主(附图55)。

3.古近系沙三段

沙三段暗色泥岩的有机碳含量平面分布的格局与沙四段相似,除东营凹陷外,其余地区的有机碳含量比沙四段高(附图61)。特别是济阳坳陷的大部分地区,其有机碳含量在2.0%~5.0%之间,南堡凹陷的有机碳含量在1.0%~2.0%之间。渤中坳陷根据有限的实测点结合沉积相分布,也显示了较高含量的有机碳值。有机质类型的分布(附图56),除济阳和临清坳陷保持优良外,冀中坳陷也有变好的趋势(从沙四段的Ⅲ型为主变为Ⅱ₂-Ⅱ₁型为主)。沙三段的有机质类型与有机碳含量的分布与该段暗色泥岩的厚度分布基本是对应的,既暗色泥岩厚度大的地方,有机质类型好、有机碳含量高。沙三段暗色泥岩的有机碳含量和有机质类型均比沙四段好。

4.古近系沙一段

沙一段暗色泥岩有机碳含量的分布和有机质类型的分布与其厚度分布基本是对应的。相对于沙三段济阳坳陷整体的有机碳含量较高而言,沙一段有机碳含量高值区往北迁移到沾化凹陷,但在黄骅坳陷有机碳含量也是较高的,大部分地区达到2%以上(附图62)。有机质类型在济阳坳陷和临清坳陷以Ⅰ型为主,在黄骅坳陷则是Ⅰ-Ⅱ₁型为主,往西到冀中坳陷变差(附图57)。

5.古近系东营组

东营组的有机碳含量在济阳坳陷北部的沾化和车镇凹陷仍可达到2%以上。此外在辽河盆地南部、南堡凹陷和歧口凹陷等地区的有机碳含量达到1%以上。在渤中坳陷区,根据有限的实测点结合沉积相分布,有机碳含量平均值到达2.8%(附图63)。有机质类型以Ⅲ型为主,在有机碳含量低的地区,有机质类型为Ⅲ型,而在沾化凹陷也有达到Ⅰ型的。渤中坳陷为Ⅱ₁型有机质(附图58)。

综合上述古近、新近系主要层系烃源岩的发育分布和地球化学特征,可以得出以下的认识:

1)不同地区自湖盆边缘向湖盆中心,有机质丰度变高,有机质类型变好。陆相断陷盆地沉积有机质的生物组合具有从陆生及水生生物相混合逐渐过渡到以水生生物组合为主的特征,向湖盆中心,陆源有机质的影响减弱,湖相有机质的影响增强。渤海湾盆地属封闭、半封闭自成体系的湖盆,沉积有机质的类型与含量明显受沉积相带控制,由于湖盆的沉积相带多呈环带状分布,因而,有机质类型与丰度的平面分布往往也呈环带状,较好有机质类型及较高有机质丰度区一般在半深湖-深湖沉积相带。受盆地基底断裂模式的影响,盆地在某一时期的具体构造特征决定了盆地沉积相带的平面分布,在盆地的不同部位,其沉积相带展布及变化是不一样的。单断式“箕状”断陷是我国许多陆相断陷盆地的特征,它一边为深断裂,一边为平缓的斜坡,在深断裂一侧,同一沉积相带往往要比斜坡一侧窄,同时相变也较快。因而其有机质类型与丰度平面分布特征也相应地表现为向断裂一侧偏移。

2)从平面上看,盆地构造沉降的差异,造成同一时期不同盆地,甚至同一盆地的不同部位可存在不同的类型湖泊,产生不同类型的烃源岩。孔店组烃源岩的有机质丰度及类型与其暗色泥岩的分布具有良好的相关性,不仅厚度厚于北部,并且烃源岩的有机质丰度及类型皆优于北部。而沙四上亚段,在东营凹陷富有机质的湖相页岩和油页岩较为发育,有机质类型好,有机质丰度高,而同属济阳盆地的车镇凹陷,则相变为一套夹有劣质的滨浅湖相沉积至渤海海域沙四段则暗色泥岩厚度及质量均较低,在陆域不发育的东营组,在渤海海域却形成了具有巨大生烃潜力的烃源岩层系。在郯庐断裂西侧由东向西,沙三、四段烃源岩皆有机质丰度变低、类型变差的特点,如济阳坳陷沙四段主要以Ⅰ型为主,至临清坳陷则变为以Ⅱ型为主,而到了冀中坳陷则变为Ⅱ₂-Ⅲ型,有机质碳含量由4.0%~5.0%降至1.0%~2.0%,至冀中坳陷则降为1.0%。

3)纵观研究区内,不同地区烃源岩的发育,在时间上和规模上虽存在一定的差异,但有一定的规律性。如济阳坳陷,最早的沙四上亚段,以南部的东营凹陷最为发育,存在富有机质的页岩和油页岩沉积,有机质丰度高,有机质类型好,向北到沾化凹陷和车镇凹陷,烃源岩的厚度、有机质丰度及类型均变差。沙三段烃源岩在东营和沾化凹陷均较为发育,但北部的沾化凹陷,质量和厚度已优于东营凹陷。沙一段烃源岩,由于埋深等因素的影响,在东营凹陷为非有效烃源岩,但在沾化地区已经能够形成一定的储量。特别需要指出的就是东营组这套在陆域没有多大潜力的层系,向东北成为渤海海域的一套极好烃源岩。不同凹陷、不同烃源层的差异性,显示出随地层时代的变新,烃源岩层由南向北逐渐变好的特点。而对于同一盆地,不同的演化阶段,也会出现不同的湖泊类型,形成不同类型的烃源岩。陆相断陷盆地烃源岩发育的上述特点,造成烃源岩不仅在平面上富于变化,而且在垂向上相互叠置,这是造成研究区内油源情况存在差异的主要原因。

总之,郯庐断裂两侧盆地烃源岩具有丰富的有机质,研究烃源岩的有效性,确认发育有机质富集层的优质烃源岩的空间展布规律,为人们深入揭示油气生成、运移、聚集及富集规律,确定进一步的勘探方向,特别是对今后隐蔽油气藏的勘探,具有十分重要的意义。

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