低丰度碳酸盐岩有效烃源岩存在的证据及其TOC下限

霍志鹏，庞雄奇，张宝收，陈践发，范柏江，李素梅

1) 中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京，102249；2) 中国石油大学(北京)盆地与油藏研究中心，北京，102249；3) 中国石油塔里木油田勘探开发研究院，新疆库尔勒，841000；4) 陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院，西安，710075

内容提要：中国碳酸盐岩分布面积广、热演化程度高、有机质丰度普遍较低，研究低丰度碳酸盐岩能否成为有效烃源岩对评价碳酸盐岩油气潜力和勘探前景具有重要意义。多方面研究表明，随着深度增大或热演化程度的提高，碳酸盐岩烃源岩TOC降低、生烃潜力和残留烃量均表现出先增大后减小的趋势，生烃热模拟实验结果等都表明低丰度碳酸盐岩烃源岩可以发生生排烃作用，国外勘探实践亦发现低丰度碳酸盐岩作为烃源岩的油气田，这都表明低丰度碳酸盐岩可以成为有效烃源岩。确定碳酸盐岩烃源岩TOC下限需要考虑多个因素，研究认为碳酸盐岩烃源岩的TOC下限应该比泥页岩的0.5%低一些。根据排烃门限，利用生烃潜力法和物质平衡数值模拟计算法确定了不同成熟阶段有效烃源岩TOC下限，结合前人研究成果和勘探实践，综合确定低成熟阶段、成熟阶段和高过成熟阶段碳酸盐岩有效烃源岩的TOC下限分别为TOC≥1.4%、TOC=0.1%～1.4%和TOC<0.1%。

中国的海相碳酸盐岩分布面积为344×104km2，占陆地沉积岩总面积的40%，具有巨大的油气勘探潜力(马永生，2000)。中国碳酸盐具有时代老(以古生界主)、有机质丰度低(TOC一般小于0.2%)、热演化程度高、埋藏深和受多旋回构造运动影响强烈等特点(李晋超等，1998；秦建中，2005)。关于有机质丰度普遍偏低、处于高—过成熟阶段的碳酸盐岩能否成为有效烃源岩一直是许多石油地质学者争论的焦点。早期中国学者认为碳酸盐岩烃源岩有机质丰度(TOC)下限比泥页岩低，一般为0.1%～0.2%(周中毅和贾蓉芬，1974；傅家谟和史继杨，1977；陈丕济，1985；刘德汉和史继扬，1994)，国外学者确定的有机碳下限一般为0.3%(Tissot and Welte，1978；Hunt，1979)。而近些年来中国一些学者研究认为碳酸盐岩烃源岩的TOC下限和泥页岩没有根本的差别，也应该是0.5%(邱中建等，1998；梁狄刚等，2000；夏新宇，2000；张水昌等，2002、2004)，并认为如果碳酸盐岩烃源岩有机碳下限很低，会导致烃源岩无处不在，不应成为勘探过程中的主要限定因素，但是我国碳酸盐岩的油气勘探效果却并不理想(张水昌等，2004)。TOC=0.5%作为碳酸盐岩烃源岩有机碳下限的观点提出后影响较大，得到一些学者的倡导。但是近年来碳酸盐岩油气勘探获得重大突破，油气储量大幅增加。例如，塔里木盆地截止2011年底，塔中和塔北两个地区已发现油气三级储量超40×108t油当量，已超过塔中和塔北地区三次资源评价38×108t油当量的结果。资源评价和实际勘探储量的巨大反差，说明根据有机质丰度较大的优质烃源岩而开展的资源评价可能面临着巨大挑战，而2004年以前我国碳酸盐岩的油气勘探效果并不理想的传统认识也成为历史。因此，低丰度碳酸盐岩能否成为有效烃源岩值得重新深入思考和研究，这将对深入认识碳酸盐岩的生烃机制、重新评价碳酸盐岩油气潜力和勘探前景具有重要的战略意义。本文将系统论述低丰度烃源岩的有关概念、低丰度碳酸盐岩烃源岩有效的证据，并确定有效的TOC下限。文中所有图件，尤其是散点图，如果没有特殊说明，均只利用的是TOC≤0.5%的低丰度碳酸盐岩烃源岩数据，而不包括TOC>0.5%的数据。

1 低丰度烃源岩的有关概念

有机质丰度一般用有机碳含量(TOC)、氯仿沥青“A”、总烃(HC)和生烃潜力(S1+S2)来表示。其中TOC是被利用最广泛、也最方便的一个，本文也用TOC来表征烃源岩有机质丰度。大量学者已对碳酸盐岩烃源岩评价标准进行了研究(表1)，其中TOC=0.5%作为碳酸盐岩烃源岩下限的观点近年来影响较大，根据研究目的，笔者等把TOC≤0.5%的烃源岩称为低丰度烃源岩。

有效烃源岩是指细粒的沉积岩，在其自然条件下已产生并释放出烃类，这些烃类足以形成商业油气聚集(Hunt，1979)。根据有效烃源岩的定义，结合排烃门限概念(庞雄奇，1995)，笔者等把生烃量满足了烃源岩各种形式的残留烃量，开始以游离相态向外大量排烃的低丰度烃源岩称为低丰度有效烃源岩。由于以游离相态排出的烃占低丰度烃源岩排出烃量的76%以上、对油气成藏有实质贡献，因此笔者等的定义和前人并没有本质区别，但文中定义给笔者等另一研究的角度。

表 1 不同单位及学者提出的碳酸盐岩烃源岩TOC下限Table 1 Lower limit of TOC of carbonate source rocks from different units and scholars

2 低丰度有效烃源岩存在的地质地化证据

2.1 热演化过程中TOC的变化特征表明低丰度有效烃源岩的存在

烃源岩中的有机质在地质历史演化过程中会遭受破坏而大量损失(Gehman，1962；Tissot and Welte，1978；Hunt，1979；傅家谟和史继杨，1977；傅家谟和刘德汉，1982；曾凡刚和程克明，1998)。影响有机质损失的因素主要有成岩作用、水洗作用、生排烃作用、对碳酸盐岩还有晶析作用(傅家谟和刘德汉，1982)。其中水洗作用和晶析作用对有机质损失影响较小，且和成岩作用都有一定的关系(Tissot and Welte，1978)，而成岩作用会造成有机质的大量损失。据统计，成岩作用可使泥岩原始有机质损失15%～50%(Bordovsiky，1965；Hartmann et al.,1973)，碳酸盐岩原始有机质损失80%～90%以上(Gehman，1962)。有机质的成岩作用和生物甲烷气阶段相对应，即主要发生于Ro<0.5%阶段(Tissot and Welte，1978)，此时还没有进入生烃门限，烃源岩还没有开始大量生烃。只有进入生烃门限(Ro=0.5%)时烃源岩剩余的有机质才对油气藏有贡献，而成岩作用、水动力作用、晶析作用损失的有机质对油气藏的形成贡献很小。这就意味着有机质成熟后，有机质的损失主要是由烃源岩大量生烃和排烃造成的，表现为随着生排烃或热演化，烃源岩的TOC一般呈下降趋势。一般把Ro=0.5%时烃源岩TOC称为原始TOC或初始TOC。

众多学者利用了不同方法对烃源岩有机质丰度的演化规律做了研究。Tissot and Welte(1978)在他们的著作《Petroleum Formation and Occurrence》中曾有如下重要论述：“作为生油岩标准的最小有机碳值不能再应用到较高变质阶段的岩石中，在较高变质阶段的岩石中，0.3或0.5的有机碳值只能反映有机质的残余数量，而原始数量可能曾是它的两倍以上”。自然演化剖面、热模拟实验(郝石生，1984；秦建中等，2005)和数值模拟计算(陈丕济，1985；卢双舫等，2003；钟宁宁等，2004)都表明碳酸盐岩烃源岩TOC随着热演化或者生排烃而下降，对低丰度烃源岩也是如此(图1)。一般有机质丰度越大、有机质类型越好、有机质成熟度越高、排烃效率越大，TOC下降的幅度也越大。虽然不同学者由于研究方法不同、采取样品的差异或其他原因研究的TOC下降幅度有所不同，甚至在成熟早期，TOC还可能出现短暂的升高后再降低，但是毫无疑问，碳酸盐岩低丰度烃源岩TOC随着生排烃作用而下降的特征是存在的。对于中国一般处于高—过成熟、当前有机质丰度较低、有机质类型多为I型和II1型的碳酸盐岩烃源岩，TOC降低意味着已发生大量生排烃作用，可以认为是有效的烃源岩。

图 1 碳酸盐岩烃源岩TOC随着生排烃作用而降低 (a)塔中12井O2+3泥灰岩自然演化剖面；(b)羌塘盆地侏罗系泥灰岩热模拟实验结果(秦建中等，2005)；(c)数值模拟计算结果(钟宁宁等，2004)Fig. 1 TOC reducing of carbonate source rocks with hydrocarbon generation and expulsion (a) natural development of O2+3 marlite in well TZ12； (b) thermal simulation experiment of Jurassic marlite in Qiangtang Basin(Qin Jianzhong, 2005)； (c) simulative calculation(Zhong Ningning et al., 2004)

2.2 生烃潜力变化表明低丰度有效烃源岩的存在

生烃潜力法是一种有效的计算生排烃量的方法，可以确定排烃门限和排烃量(周杰和庞雄奇，2002；马中振等，2009)。在热解参数中，S1和S2分别代表游离烃、热解烃，S1+S2反映烃源岩内部残留的生烃潜力，包含残存于烃源岩中的烃以及尚未生成的烃。(S1+S2)/TOC为生烃潜力指数，反应单位质量有机碳的生烃潜力。理论上，对有效烃源岩来说，(S1+S2)/TOC表现出随埋深增大或Ro增大先增加，达到某一极大值后再降低的趋势，呈近似抛物线的“大肚子”曲线(周杰和庞雄奇，2002；庞雄奇等，2004)。早期增大的原因是有机质在成岩作用阶段主要经历脱氧过程，生成CO2，使烃源岩的总有机碳相对减少，而减小的原因就是烃源岩向外排出油气。虽然对不同岩性有效烃源岩该曲线的形状可能存在一些差异，但随埋深增加先增加后减小的趋势是不变的。(S1+S2)/TOC由大变小的转折点对应的深度或Ro为排烃门限。排烃门限之后生烃潜力的降低表明油气的大量生成和排出，这说明早期的生烃岩已转变为有效烃源岩。

图 2 塔里木盆地不同地区O2+3低丰度碳酸盐岩烃源岩生烃潜力变化: (a)塔中地区；(b)轮南地区；(c)巴楚地区Fig. 2 Variation of hydrocarbon generation potential of O2+3 carbonate source rocks of low organic matter abundance in different areas, Tarim Basin: (a) Tazhong area; (b) Lunnan area; (c) Bachu area

图 3 塔中12井O2+3低丰度碳酸盐岩烃源岩生烃潜力的变化Fig. 3 Variation of hydrocarbon generation potential of O2+3 carbonate source rocks of low organic matter abundance in well TZ12

为了提高研究的针对性和可靠性，我们尽力选择同一层位、岩性和沉积相类似、成熟—高成熟的烃源岩进行研究。图2是塔里木盆地不同地区中上奥陶统低丰度碳酸盐岩烃源岩生烃潜力变化特征(数据来自油田收集)，虽然不同地区的(S1+S2)/TOC曲线变化形状有差异，但均呈现出先增大后减小的趋势(图2c中间数据较少，但从浅部和深部的数值都相对较小推断，仍然符合先增大后减小的变化规律)。此外，S1+S2、氢指数HI也能表示生烃潜力，在烃源岩成熟阶段以后，它们的减少也和排烃有很大关系。图3是塔中12井O2+3低丰度碳酸盐岩烃源岩S1+S2和HI变化图(数据来自项目实验)。其中岩性主要为含泥灰岩和泥质灰岩、Ro=0.90%～1.08%，并删除了含油斑、荧光等含油样品的数据。由于Ro已达0.90%以上，除了下部的个别点，S1+S2和HI一直都呈减小趋势，说明烃源岩正在进行生烃和排烃过程，为有效烃源岩。

表 2 不同学者低丰度碳酸盐岩烃源岩生排烃热模拟实验产油气率Table 2 Oil and gas production rate of thermal simulation experiment of carbonate source rocks of low organic matter abundance from different scholars

注：①胡国艺. 2005. 塔里木盆地烃源岩产烃率求取与分析. 塔里木油田分公司，中国石油勘探开发研究院廊坊分院，37～44.

2.3 残留烃量变化特征表明低丰度有效烃源岩的存在

氯仿沥青“A”和热解值S1反映烃源岩中的实际残留烃量，这里用单位质量有机碳残留的烃量表示烃源岩残留烃能力，即“A”/TOC、S1/TOC。理论上，在烃源岩类型和TOC相近的条件下，随深度或Ro的增加，烃源岩残留烃量也呈现先增大后减小趋势(郝石生等，1996；庞雄奇，1995；庞雄奇等，2004)。这是由于烃源岩可以通过吸附作用、溶解作用和游离相态滞留一部分油气，生成油气只有满足烃源岩滞留需要才能排出，即存在一个残留烃临界饱和量(Dickey，1975；Durand，1988；庞雄奇，1995)，到达烃源岩残留烃临界饱和量之前，生成的烃绝大部分都残留在烃源岩中，残留烃量随生烃量的增加而增大；而满足残留烃临界饱和量之后，生成烃绝大部分都排出，且残留烃临界饱和量由于受TOC、孔隙度、温压的影响，随深度增加而减小，因而早期的残留烃量也在减小。图4是塔里木盆地低丰度碳酸盐岩烃源岩残留烃量S1/TOC和“A”/TOC变化图，塔中12单井和塔里木台盆区的残留烃量也都呈现先增大后减小的趋势。因此，它们已开始大量生排烃，为有效的烃源岩。

2.4 生排烃热模拟实验结果表明低丰度有效烃源岩的存在

图 4 塔里木盆地低丰度碳酸盐岩烃源岩残留烃量变化:(a)塔中12井O2+3；(b)塔里木盆地O—∈；(c)塔里木盆地O—∈Fig. 4 Variation of residual amount of hydrocarbons of carbonate source rocks of low organic matter abundance, Tarim Basin: (a) O2+3 in well TZ12; (b) O—∈ in Tarim Basin; (c) O—∈ in Tarim Basin

许多学者对碳酸盐岩烃源岩的生排烃特征、产油气率进行了大量的热模拟实验研究，其中包括很多低丰度碳酸盐岩烃源岩(秦建中，2005；郝石生等，1993；程克明等，1995；范善发等，1997；谢增业等，2002；胡国艺，2005；刘全有等，2010)，见表2。尽管各个学者实验的样品产地、岩性、TOC、有机质类型、Ro有所差异，实验条件也有所不同，烃源岩都生排出了大量的油气，最大产油率为40.45～482.6kg/tTOC，最大产气率115～4226m3/tTOC。按此产油气率计算，厚度为100m、面积为1km2的碳酸盐岩最大产油量为5.27×104～51.34×104t，最大产气量为3.06×104～528.33×104m3。低丰度碳酸盐岩面积很广，厚度更大，因此生成的油气量是非常巨大的。虽然热模拟实验的结果与实际地质条件有所差异，但依然能反映出低丰度碳酸盐岩能够生排出油气。生排烃热模拟实验分为无水和加水两种，其中加水热模拟实验结果更接近自然演化的结果(Lewan et al.，1979；Lewan，1983)。实验装置系统可分为开放系统、半封闭系统和封闭系统，而全岩热模拟新方法类似半封闭系统，比较符合实际地质条件下有机质生油气过程(谢增业等，2002)，因为生烃时受岩石中矿物质的催化作用；烃类在排出时，受孔隙、裂隙及岩石矿物表面的吸附等作用，相当于地层中油气初次运移的作用。如表2所示，谢增业等(2002)利用全岩热模拟新方法模拟了泥质云岩生排烃特征，虽然样品的有机质丰度很低(TOC=0.1%)、成熟度高(Ro=2.43%)，但是其最大产气率仍可达到115m3/tTOC，意味着对于TOC更大、成熟度更低的低丰度碳酸盐岩烃源岩，产气量可能更大，能够对油气成藏具有一定的贡献，可以成为有效的烃源岩。

表 3 国外含油气区碳酸盐岩有机质丰度Table 3 Organic matter abundance of carbonate rocks in oil and gas fields abroad

2.5 国外勘探实例表明低丰度有效烃源岩的存在

中东、北美、欧洲等国外油气勘探发现了众多大型、超大型碳酸盐岩油气田，其中很多油气田的油气源为碳酸盐岩烃源岩(Owen，1964；Hunt，1967；Palacas，1984；George,1989；邱中建等，1998)。一般国外的碳酸盐岩烃源岩年代较新、成熟度较低和有机质丰度较高，而国外学者通常确定碳酸盐岩烃源岩有机质丰度下限也较大，一般TOC大于0.3%或0.5%，甚至TOC>1.0%。而已发现的许多油气藏的碳酸盐岩烃源岩的TOC在0.5%以上，但也不乏TOC<0.5%的实例(表3)。一个典型实例是美国密执安盆地尼亚加拉礁体志留系白云岩(Gardner and Bray，1984)，地质分析、油源对比都表明，志留系撒利那群A-1组碳酸盐岩为主要的烃源岩，TOC最大值才为0.6%，平均值为0.28%；撒利那群A-1组“褐色尼亚加拉相”为次要烃源岩，TOC平均值为0.27%。密执安盆地中志留统塔礁油气田藏储量巨大，而这规模巨大的油气均来自低丰度的碳酸盐岩，这说明低丰度碳酸盐岩是能够生成并且排出大量油气的，能成为有效的烃源岩。毫无疑问，有机质丰度高的碳酸盐岩是有效和优质的烃源岩，也许正是由于国外的碳酸盐岩有机质丰度较高，国外石油地质学者们认为只有高TOC的碳酸盐岩才能作为有效烃源岩，把关注的重点放在了高TOC的碳酸盐岩上，而忽略了低TOC的碳酸盐岩研究的重要性，但这并不意味着低TOC的碳酸盐岩就不能成为有效的烃源岩。

3 低丰度碳酸盐岩有效烃源岩TOC下限的确定

3.1 确定碳酸盐岩烃源岩TOC下限需考虑的几点因素

关于烃源岩TOC下限众多学者已做过大量的研究，其中泥页岩烃源岩的下限认识比较一致，大都采用TOC=0.4%～0.5%作为下限值；而碳酸盐岩烃源岩TOC下限值很不统一，从0.05%～0.5%不等(表1)。这主要是研究地区、研究方法、烃源岩岩性、类型、地质时代和成熟度不同造成的，对有效烃源岩下限理解的差异也是一个重要因素。此外要确定碳酸盐岩烃源岩的TOC下限，还应该深入分析和认识碳酸盐岩和泥页岩烃源岩的差异。

何为有效烃源岩？除了前文的定义，中国学者夏新宇(2000)和张水昌等(2002)把有效烃源岩强调为生排烃量足以保证经过运移、散失后仍能聚集成商业性油气藏的“商业性烃源岩”。实际上，Hunt(1995)在第二版《石油地球化学与地质学》中对第一版的有效烃源岩的定义做了修正，不再强调“商业性”的聚集。而且，烃源岩非均质性很强，高丰度和低丰度烃源岩常常交替混合，两者生成的油气有可能一起沿运移通道向外运移，高丰度烃源岩对商业性油气藏有较大的贡献，低丰度烃源岩对商业性油气藏贡献应该较小，而不能说没有(当然TOC低到某一数值时，不能排出油气，就对油气藏没有贡献)。一个工业性油气藏的烃源岩通常不是一种岩性或一个层位，而是多套烃源岩构成的一个烃源岩体系，假如一套低丰度烃源岩对油气藏贡献较小，那多套烃源岩对油气藏就可能具有较大的贡献。在高丰度和低丰度烃源岩混合的地区，它们各自贡献的大小视它们的排出烃量在研究区总排烃量中所占比例的大小而定。虽然有些低丰度烃源岩早期排出的烃量较少，甚至在运移途中全部损耗了，但它们为后期烃源岩排出烃量的运移和聚集起到了铺路的作用，在油气成藏中具有不可或缺的作用。因此，在原理上低丰度碳酸盐岩是可以成为有效烃源岩的。

其次，不能“一刀切”地把TOC≤0.5%的碳酸盐岩排除在有效烃源岩之外，因为烃源岩下限不是一个定值，而是一个变化范围，它随着有机质成熟度变高、有机类型变好、烃源岩厚度变大而逐渐降低(庞雄奇等，1993；庞雄奇，1995)。因此，TOC=0.5%作为有效烃源岩的唯一下限是有失科学的。我国碳酸盐岩一般处于高—过成熟阶段，当前低TOC可能是它们在地史过程中大量排出烃后的表现结果，因此比国外学者确定的成熟度更低的烃源岩TOC下限低一些也是合理的。

碳酸盐岩烃源岩的TOC下限和泥页岩TOC下限应该不同的根本原因是它们的生排烃机制存在差异。与泥页岩相比，碳酸盐岩具有一些特性：①碳酸盐岩对烃的吸附作用比泥页岩小很多(邬立言，1986；秦建中，2005)，因此碳酸盐更容易排烃；②碳酸盐岩既可以作烃源岩，又可以作为储层，是生储共生的，这意味着油气运移的距离可以更短，油气在运移的过程中散失量也可能更低，尤其对低丰度的碳酸盐岩出现这种情况的概率更大(秦建中，2005)；③碳酸盐岩层多与膏盐层接触，膏盐层是比泥页岩更好的盖层，碳酸盐岩油气藏被破坏逸散的油气可能更少，更容易形成油气藏(Hunt，1967；Hunt and Mcnichol，1984)；④碳酸盐岩生烃效率比泥页岩高，虽然可能不像Gehman(1962)统计的那样高出4倍，但生烃模拟实验证明碳酸盐岩生烃效率的确比泥页岩高，且TOC越大，高的越多(秦建中，2005)。碳酸盐岩这些特性说明碳酸盐岩更容易发生排烃作用，对油气藏更容易形成贡献，因此碳酸盐岩烃源岩的TOC下限应该比泥页岩的0.5%低一些，而不是没有差别。

图 5 塔里木盆地不同范围TOC低丰度碳酸盐岩烃源岩生烃潜力变化Fig. 5 Variation of hydrocarbon generation potential of carbonate source rocks of low organic matter abundance with different range TOC, Tarim Basin

3.2 依据不同TOC生烃潜力变化与排烃门限确定有效烃源岩TOC下限

根据前文论述，有效烃源岩的生烃潜力随深度呈先增大后减小的“大肚子”特征。生烃潜力减小的原因是烃源岩开始向外排烃，由大变小的转折点对应的深度或Ro即为排烃门限。开始向外大量排烃就意味着该烃源岩开始成为了有效烃源岩，而非有效烃源岩由于没有向外发生过大量排烃作用，生烃潜力随深度是一直增大的，没有排烃门限。理论上，在Ro相同或同等深度下，随着TOC的逐渐增大，烃源岩生成的烃量也会逐渐增加，生烃量从原来的不能满足烃源岩最大残留烃量需要而滞留其中到满足了最大残留烃量需要而开始向外排烃，即随TOC的增大，排烃门限会有一个从无到有的过程，开始出现排烃门限时对应的TOC值或范围即为有效烃源岩的TOC下限值。为了确定低丰度碳酸盐岩有效烃源岩的TOC下限，我们以0.05%相同间隔，把TOC=0～0.5%分为10个区间，分别绘制不同范围TOC烃源岩生烃潜力随深度或Ro的演化剖面。图5为塔里木盆地不同范围TOC低丰度碳酸盐岩烃源岩生烃潜力变化图。可以看出，在TOC较小时，(S1+S2)/TOC随深度一直增大，而在0.11%≤TOC≤0.15%区间首次减小，出现明显的排烃门限。结合0.06%≤TOC≤0.10%时，(S1+S2)/TOC在最深处有开始变小的趋势，因此把低丰度碳酸盐岩有效烃源岩的TOC下限确定为0.11%是相对准确的。需要说明的TOC≤0.05%、0.06%≤TOC≤0.1%区间的热解数据最深只有6400m，缺少更深的数据，而其他TOC区间的热解数据最深均达到7000m以上。根据统计观察，TOC≤0.05%的烃源岩在大于6400m的更深处也可能出现排烃门限，也可能不出现；0.06%≤TOC≤0.10%的在更深处可能出现排烃门限，此时烃源岩热演化程度更高。但不管数据有无，随着TOC的增大，排烃门限总体上呈现从无到有、由深变浅的规律，符合上述生烃潜力随TOC变化原理。另外，低丰度碳酸盐岩由于生烃较少，排烃也较晚，这时烃源岩可能已达到成熟后期，甚至高成熟阶段；并且图5中所用数据反映的塔里木盆地低丰度碳酸盐岩多处于高成熟阶段，因此这里确定的TOC下限是对成熟—高成熟阶段烃源岩而言的。

3.3 依据排烃门限的数值模拟计算确定有效烃源岩TOC下限

根据物质平衡原理，可以数值模拟计算烃源岩层埋深过程中的生烃量、残留烃临界饱和量、排烃量，依据生烃量与残留烃量大至相等确定烃源岩层排烃门限(庞雄奇等，1993；庞雄奇，1995)。烃源岩的生烃、残留烃以及排烃过程是一个物质平衡过程，研究烃源岩的排烃必须把生烃研究与残留烃研究相结合。气态烃的残留作用比液态烃相对复杂，包括油溶、水溶、吸附3种相态，气态烃的的排出相态包括油溶、水溶、扩散以及游离4种。通过分别模拟计算烃源岩生烃量、不同相态烃的残留量，依据生烃量和残留烃量相减即可得到烃源岩的排烃量，结合不同相态的排出烃量，从而获得游离相态的有效排烃量(庞雄奇，1995)。在排烃门限处，有效排烃量大于或等于0，此时对应的TOC值即为有效烃源岩的TOC下限(图6)。

图 6 数值模拟计算确定有效烃源岩TOC下限原理Fig. 6 Principle of determining lower limit of TOC of effective source rocks by simulative calculation

图 7 塔里木盆地碳酸盐岩有效烃源岩TOC下限: (a)塔里木盆地碳酸盐岩生烃优化模拟结果；(b)有效烃源岩TOC下限随Ro的变化Fig. 7 lower limit of TOC of the effective carbonate source rocks , Tarim Basin:(a) Result of hydrocarbon generation optimizing simulation of carbonate rocks,Tarim Basin;(b) Variation of lower limit of TOC of the effective source rocks with Ro

对于塔里木盆地而言，寒武系和奥陶系海相碳酸盐岩主要为I型和II1型有机质，以生排液态烃为主，因此笔者等以烃源岩排油门限的TOC值作为有效烃源岩TOC下限。图7a是利用生烃物质平衡优化模拟方法(庞雄奇和周永炳，1995)计算的单位有机碳生成的液态烃量，即产油率，图7b是塔里木盆地碳酸盐岩有效烃源岩TOC下限随Ro的变化。可以看出，碳酸盐岩烃源岩处于不同成熟阶段的TOC下限判别标准不同：Ro<0.5%的未成熟阶段，TOC≥1.85%；Ro=0.5%～0.75%的低成熟阶段，TOC=1.41%～1.85%；Ro=0.75%～1.3%的成熟阶段，TOC=0.015%～1.41%；Ro≥1.3%的高过成熟阶段，TOC≤0.015%。这说明成熟度较低时，有效烃源岩TOC下限较大，而成熟度较高时，TOC下限迅速减低。同样，薛海涛(2010)利用数值模拟计算法系统评价了碳酸盐岩烃源岩TOC下限，确定塔里木盆地和渤海湾盆地碳酸盐岩有效烃源岩TOC下限分别为0.15%和0.12%。上述研究说明碳酸盐岩烃源岩TOC下限是随着Ro的增大而逐渐降低的。根据前面生烃潜力法确定的塔里木盆地寒武系—奥陶系有效烃源岩TOC下限、物质平衡模拟计算法确定的碳酸盐岩排油门限的TOC下限以及前人关于有效烃源岩TOC下限的研究成果，本文综合给出的I—II1型碳酸盐岩有效烃源岩TOC下限为：低成熟阶段，TOC≥1.4%；成熟阶段，TOC=0.1%～1.4%；高过成熟阶段，TOC<0.1%。这说明，处于高过成熟阶段和部分成熟阶段的低丰度碳酸盐岩可以成为有效烃源岩。

4 结语

4.1 结论

(1)低丰度烃源岩指TOC≤0.5%的烃源岩，而把生烃量满足了烃源岩各种形式的残留烃量，开始以游离相态向外大量排烃的低丰度烃源岩称为低丰度有效烃源岩。低丰度碳酸盐岩烃源岩到底能否成为有效烃源岩争议较大，研究低丰度碳酸盐岩烃源岩的有效性仍具有重要的理论意义和实际意义。

(2)自然条件下烃源岩随埋深或Ro增大，TOC降低生烃潜力和残留烃量先增大后减小，再加上生烃热模拟实验结果和国外勘探实例等多方面综合研究都表明低丰度碳酸盐岩能够进入排烃门限并发生大量排油气作用，构成有效烃源岩。

(3)确定碳酸盐岩烃源岩TOC下限需要考虑多个因素，碳酸盐岩的特性表明碳酸盐岩烃源岩的TOC下限应该与泥页岩的0.5%低一些。本文依据排烃门限TOC临界条件变化特征模拟结果，结合自然条件下的烃源岩排烃特征、前人研究结果和勘探实践，综合确定低成熟阶段、成熟阶段和高过成熟阶段碳酸盐岩有效烃源岩的TOC下限分别为TOC≥1.4%、TOC=0.1%～1.4%和TOC<0.1%。

4.2 相关问题讨论

其实烃源岩的生排烃作用不仅取决于TOC的大小，还取决于烃源岩中氢(H)含量的多少(热解参数S2在一定程度上能反映H含量)，即烃源岩TOC相同或相近时，H含量多的生排烃也越大。文中前面求取的碳酸盐岩烃源岩TOC下限只考虑了有机碳，而没有反映H含量对TOC下限以及生排烃的影响。而对于TOC下限以上的低丰度烃源岩，它们的H含量也有大有小(S2有大有小)，这意味着并非所有的当前TOC下限以上的低丰度烃源岩都发生过大量生排油气作用，可能存在以下三种类型：一是烃源岩发生过大量排烃作用，原始TOC大于0.5%；二是发生过较大量的生排烃作用，原始TOC小于0.5%；三是仅发生生烃作用，而排烃很少或没有发生排烃作用，原始TOC也小于0.5%。如何识别这三种低TOC烃源岩及其评价各自对油气藏的相对贡献有待下一步深入研究。