烃源岩生烃耗水机制与油气成藏

王永诗，张守春，朱日房

（中国石化胜利油田分公司地质科学研究院）

0 引言

地下沉积岩中广泛存在地层水，它既是流体势的载体，控制着油气运移的动力条件，也可以作为多种反应的介质，参与成岩作用。研究表明，成岩过程中矿物蚀变造成的“耗水作用”可使地层水大量减少，使储集层呈现低压状态[1]。对于烃源岩，有机质生烃是改变流体性质的重要因素，生烃不仅是有机质的反应，其对无机矿物、地层水均有一定程度影响。无机矿物对生烃过程的催化作用已取得了相当多的共识，相比而言，水对生烃的作用还没有引起足够重视。目前，有关认识可归纳为如下几个方面[2-3]：①水对有机质生烃有一定抑制作用，其主要原因是水本身具备增压因素，同时干酪根可以交换或结合水分子进入自身结构内而表现为富氢；②水与有机质的结合是阶段性的，主要集中在中成岩阶段，大致相当于 Ro值0.3%～0.7%；③水能够溶入烃源岩已生成的沥青质中，促进加氢反应的进行，即与已形成的有机质进行二次反应。总之，水的存在影响烃产物的组成和数量。本文对有机质生烃耗水机制进行深入研究，并对生烃耗水量进行计算，以研究生烃耗水与油气运移及成藏的关系。

1 样品与方法

本次研究以胜利油区东营凹陷烃源岩为对象（代表陆相断陷盆地古近系烃源岩），通过对其自然演化规律的解剖，结合人工模拟，分析生烃耗水的地球化学效应与机制，并以烃源岩的发育特征为基础，计算烃源岩的总体生烃耗水量。东营凹陷主要发育3套主力烃Es3

下在层序上居中，模拟样品即选自该段（滨 338-6井），其地球化学特征如表1所示，可见有机碳含量较高，利于清晰反映相关演化特征。考虑到矿物对生烃过程的影响，且便于对原岩生烃潜力进行分析，本次实验对样品实施全岩粉碎后进行模拟。所用模拟装置为油气生成运移物理模拟系统，该系统有两种高压釜以形成不同实验条件，二者均为圆柱形，且具有直通式内腔，两端可置入不锈钢垫块调整样品位置，端部加盖密封。不同之处在于其一可伸入加压柱施加垂向压力，而另一种不能使用加压柱，但可通过注入流体加压，两种装置施加压力方式均可控。

表1 模拟样品基本参数

样品粉碎至粒径0.18 mm以下，分加水液压（B1）和无水柱压（B2）两种情况开展实验。由于实验所需样品量较大，根据实验条件分两次取样，为尽可能保持样品一致性，两次取样位置基本相同。加水液压模拟设计 200 ℃、250 ℃、275 ℃、300 ℃、325 ℃、350 ℃6个温度点，样品置于高压釜中密封，通过恒压泵向釜内注入蒸馏水（水与样品可充分接触），当注满水后维持流体压力在30 MPa不变。无水柱压模拟作为对比实验，将温度点设计在主生烃阶段，为275 ℃、300 ℃、325 ℃、350 ℃，兼顾压力因素，通过加压柱塞施加30 MPa的垂向压力。实验的具体步骤为：先将压力加到目标设定值，然后增温，由恒压装置维持既定压力，到达目标温度后，恒温、恒压保持 48 h，实验主要过程即结束。将温度冷却至60 ℃左右，取出混合流体并分离，气体用排水法收集计量，排出油用二氯甲烷萃取并通过恒重法计量，高压釜中的残余岩样取出后晾干待测。

本次实验设定条件可反映烃源岩不同演化阶段地层水的影响。实验产物中的气体通过气相色谱仪进行组分测试，获取C1—C5烃类和CO2含量。残余岩样各取一定量进行如下测定：通过氯仿抽提8 h获取残留液态烃（氯仿沥青“A”）；通过 Rock-Eval热解分析获取生烃潜力（300 ℃获取挥发烃S1、300～600 ℃获取热解烃S2）；样品经稀盐酸除去无机碳后，利用燃烧法测定全岩的有机碳含量（TOC）；另有样品经酸碱处理和重液分选等步骤提取干酪根进行镜质体反射率（Ro）测定。

2 有机质生烃耗水的地球化学效应

2.1 有机质自然演化条件下的生烃潜力

加水液压和无水柱压生烃实验产物对比表明，加水生烃模拟实验产物与地质实际更为接近[4-6]，这显示了水介质对生烃的意义。生烃潜力指数是表示生烃能力大小的有效指标，其定量表达式如下：

（1）式表明，如果没有外来烃的加入和内部生成烃类的排出，仅是本身不同赋存状态烃的转化，烃源岩生烃潜力指数应保持不变。当有烃类排出时，生烃潜力指数下降。故在达排烃门限之前，GI代表了原始样品的生烃能力，在进入排烃门限之后，GI代表的是样品的残余生烃能力。

东营凹陷3套烃源岩中，Es4上和Es3下均为典型的Ⅰ型有机质，Es3中有机质类型及来源较为复杂，但以Ⅱ型居多[7]。生烃潜力指数、有机质类型指数（将有机质各显微组分百分含量进行加权计算再求和取得[8]，一般情况下类型指数越大，生烃能力越强）随深度的变化如图1所示，3套烃源岩生烃潜力指数总体趋势均为由小变大再变小的过程。Es4上烃源岩在1 500 m深度处GI值约为600 mg/g，在2 500 m处达到最大值，约为800 mg/g；Es3下烃源岩在1 500 m左右深度处平均GI值约为500 mg/g，2 800～3 000 m达到最大值，约为600 mg/g；Es3中有机质类型差异较大，GI变化趋势相对不明显，但也可看出在3 000 m左右出现高峰，之后保持Ⅰ型不变，Es3中烃源岩变化范围较大。可见，生烃潜力指数的变化并不是有机质类型差异造成的。

图1 东营凹陷主力烃源岩生烃潜力指数、有机质类型指数与埋深关系

资料显示，研究区3套烃源岩由于沉积环境不同，生排烃门限也存在明显差异[9]。Es4上烃源岩生烃门限在2 500 m（Ro＜0.4%）以浅，排烃门限则出现在约2 500 m；Es3下、Es3中生烃门限分别出现在2 800 m、2 900 m（Ro＞0.5%）以深，二者的排烃门限约出现在3 000 m。自然演化剖面具有一个明显的现象：在达生烃门限之后，生烃潜力指数上升，在达排烃门限之后，由于一部分烃被排出，（残余）生烃潜力指数降低。

2.2 模拟演化条件下生烃潜力的变化

滨338-6井样品模拟结果如表2、图2所示。加水液压实验在温度升高到 275 ℃之后 Ro值有明显增加（大于0.4%），并逐渐进入成熟阶段。与此相对应，残留液态产物（氯仿沥青“A”）在275 ℃之后明显增加，并伴有油排出，325 ℃时液态产物总量达到最大，350 ℃时已有下降趋势。无水柱压实验在275 ℃时Ro值也已大于0.4%，残留液态产物随温度升高而增加，在350 ℃时液态产物总量达到最大，随生烃也有较少液态油排出。产出气体中均有一定量烃气和 CO2，损耗一定量碳元素。多数情况下加水液压实验液态烃产率高于无水柱压实验，唯有高峰期相反，这一方面有样品性质差异的影响，同时还有不同实验条件的影响。与加水液压实验相比较，无水柱压实验Ro值增加迟缓，有机质降解慢，生气量较少，排烃率低，反应了同等压力值下柱压条件生烃能力小于水压条件。

表2 模拟实验分析结果

图2 模拟生烃产率与温度的关系

与原始样品相比，加水液压实验中生烃潜力指数首先经历了一个增加阶段（见图3），从275 ℃开始，至 300～325 ℃演化阶段生烃潜力指数均有增加，在350 ℃时呈下降。生烃潜力指数的上升阶段为烃源岩生烃期，而其下降则是在生烃高峰之后且为大量排烃时期，与自然条件下的演化规律一致。总有机碳含量因降解和排烃逐渐下降，而其中无效碳含量[TOC- 0.083（S1+S2）]的变化与总生烃潜力恰好是消长关系，在325 ℃时出现低谷。无水柱压实验随有机质降解和排烃的进行，总有机碳含量也逐渐下降，其中无效碳含量有下降趋势但变化甚微，生烃潜力并没有明显的改变。两类实验的生烃潜力和碳转化率对比表明，随着生烃的进行，水的加入使部分无效碳活化而转为有效碳；同时，模拟实验中有机质与水作用需要一定的温度范围，已有的研究结果也显示，200～350 ℃是有机质与高压水易于反应的区间[9]，与本次实验结果相吻合。总体演化规律表明，加水液压实验、自然生烃过程中普遍存在使生烃潜力增加的因素，即加氢因素。目前在进行原始生烃潜力恢复时，一般认为该指标是不变的，从本次研究来看与实际情况并不相符。

图3 模拟演化中有机碳含量与总生烃潜力的变化关系

3 生烃耗水机制及耗水量计算

3.1 有机质生烃耗水机制

生烃潜力指数的变化是生烃耗水的综合反映，可以作为生烃耗水的证据。前人研究得到的一些化学组分分析参数更直接地证实水参与了生烃过程[3,10-16]，但是难以进行定量分析。水参与生烃过程在氢同位素上有明显反映[13-16]，如 Hoering将 D2O加入经抽提的Messel页岩样品进行实验[13]，并利用分子探针进行分析，结果表明存在氘元素的取代作用，含氢的基团与D2O发生了交换反应，且各基团中的氘元素是不均质的。Lewan采用 Woodford页岩在 300 ℃、330 ℃和360 ℃条件下进行72 h含水/无水对比生烃模拟[3]，在样品密封时注入He增压，分析表明，含水实验与无水实验产物存在明显差异，含水实验生烃潜力更大，降解率更高，干酪根更富氢，甚至出现Ro值降低现象。本文实验除了加水与不加水的区别外，还有不同加压方式的影响。

烃类组分非常复杂，但其分子主要以 C—H键、C==C键和C==O键3种方式结合。根据现有研究成果，水参与生烃可以包括几种过程，即水可与羰基、烷基碳、自由基反应，直接形成烃类或中间产物，另外还可以使烯烃加氢形成饱和烃类[3]：①近临界水和醛类、酯类、酮类中的羰基相互作用，以酯类为例，其化学反应式如下，

②水可直接与烷基碳相互作用[17]，如C9或C9－烷烃在地层条件下（100～150 ℃，40 MPa）能与水反应生成CO2和少一个碳的烷烃：

③烃类产物中多含自由基，自由基也可与水分子发生作用，如水分子和烷基中的自由基直接反应，可以生成醛和醇等，并提供氢源，以生成醛为例：

④烯烃转换为烷烃的反应也已获证实，在325 ℃、35 MPa的水溶液中乙烯可转变为乙烷[18]。

石油形成期间烷基、自由基与水的反应在热力学上是有利的。尽管有些反应机理还有待证实，但其有助于认识烃源岩中有机质各种复杂的化学反应。上述反应中有些过程能够脱氢，可以作为氢源加入到有机质中，地下和实验室加水模拟形成的产物中少见游离氢这一事实也证明了这一点，而其中含氧的负离子通过一系列中间反应最后可以生成新的基团或与有机质中脱出的碳元素结合形成 CO2。由于有机质的不断降解使其化学键不饱和程度加大，外来氢元素可以作为补充，故耗水过程多发生在主生烃期，与干酪根、可溶有机质中的碳元素降解和转化密切相关。水的存在既有利于干酪根降解，也有利于沥青质和烃类的进一步转化。

由于不同类型烃源岩各演化阶段生烃机制存在差异[19]，耗水特征也会有明显不同。生烃过程是多级连续的变化序列，早期以形成重质油为主，进一步降解逐渐生成较为轻质的油乃至气态烃，产物越来越富氢。根据水对生烃的作用及东营凹陷烃源岩的演化规律，将生烃耗水过程相应分为低成熟生烃耗水、成熟生烃耗水和高成熟生烃耗水 3个阶段。低成熟生烃耗水阶段（Ro＜0.5%），烃源岩降解可以形成一部分低熟油，其形成与可溶有机质降解的关系较为密切，以脱杂原子基团为主，水的加入可以使化学键变得饱和，生成的气体也以CO2为主。成熟生烃耗水阶段（Ro为0.5%～1.2%），该阶段是烃源岩生烃的主要阶段，以脱烷基作用为主，其主要特点是干酪根快速损失碳元素，而且形成的产物可进一步转化。虽然这一阶段干酪根也损失了大量氢元素，但是仍有一部分来自水的补充，因而是耗水的主要阶段。高成熟生烃耗水阶段（Ro＞1.2%），干酪根自身降解的能力已近枯竭，绝大部分可降解的有效碳消耗殆尽，但仍有部分烃类生成，主要是一些凝析油、湿气或者干气。这一阶段降解能力有限，耗水量并不大。在一些模拟实验中，高温、高演化阶段的单质碳元素与水反应生成甲烷[20]，但地下温度远低于实验室条件，况且高演化的烃源岩大多已处于紧密压实阶段，也很难提供充足的氢源。

3.2 生烃耗水量及主要区间

地下烃类组成异常复杂，难以准确测定各种微观组分，对一些化学反应的认识还处于定性程度，通过化学方程式也难以对反应物和生成物进行定量测定，故物质变化量可作为估算耗水量的重要依据。根据有机质和水之间氢元素的交换关系，耗水量可以通过如下关系式估算：

（2）式表明，生烃量对耗水量有重要影响。生成物除大分子的液态产物、C1—C5烃气、非烃气（N2、CO2等）外，还有C6—C14挥发烃。挥发烃在取样过程中不易保存，难以定量实测。有机质降解过程的实质是上述元素在各产物中进行再分配，水的加入可改变氢、氧元素的量。尽管 CO2气体可由无机成因碳酸盐生成，但在模拟温度较低的条件下生成无机成因 CO2的规模并不大[20-22]。故可选取碳元素作为参照对轻质挥发烃的产率进行补偿计算，如下式：

挥发油的碳量乘以转换系数（取 1.22）即得到挥发油总量。将残余样品中的剩余生烃潜力（S1+S2）与损耗的烃（排出液态油+挥发油+烃气）之和作为总的生烃潜力。滨338-6井样品加水实验各阶段总的生烃潜力的变化为：在275 ℃时增加了4.22%，300 ℃时增加了12.34%，至325 ℃时增加了27.69%，至350 ℃时又有所下降。随生烃量的变化，碳降解率也逐渐发生变化，生烃潜力增率与碳降解率呈明显正相关（见图4）。碳降解率与有机质类型及其成熟度有一定关系，同一类型的有机质，成熟度越高，碳降解率就越高；成熟度相同，类型越好的有机质，碳降解率就越大[23]。碳降解率D计算方法为：5）。其中 Es4上烃源岩生烃耗水早于Es3下和Es3中，与其能够形成一定规模低熟油有关，Es4上和Es3下优质烃源岩的耗水率高于Es3中，与前二者具有较高的生烃率有关。Es上烃源岩高耗水率出现在2 500 m以深，而Es下43高耗水率出现在3 000 m以深，Es3中则出现在3 300 m以深。

根据（4）式可计算碳降解率，根据图4可获取生烃潜力增率，则可以进一步确定因耗水造成生烃潜力的增加量，再利用（2）式计算耗水量，最终计算出烃源岩在不同演化阶段单位有机碳的耗水率（见图

图4 干酪根碳降解率-生烃潜力增量关系图

图5 烃源岩生烃耗水率随深度变化图

根据东营凹陷 3套主力烃源岩的沉积埋藏史、分布规律、有机地球化学特征，利用耗水率演化曲线，分析各套烃源岩总生烃耗水量及实际耗水区间。其中烃源岩分布从埋深1 000 m开始，以200 m深度间隔作为计算单元，在统计出单元内现发育各套烃源岩的体积和有机碳量后，得出如下关系：计算单元内耗水量等于烃源岩体积、烃源岩密度、有机碳含量、该深度段烃源岩耗水率的乘积。通过计算，可以看出耗水结果及分布情况（见图 6）。Es4上烃源岩生烃总耗水量为40.77×108t，由于 Es4上烃源岩进入生烃门限较早，其生烃耗水的起始深度较浅（1 500 m）。在4 000 m以深该套烃源岩仍具有较大生烃耗水量，耗水高峰在深度3 300～3 700 m。Es3下总生烃耗水量为34.63×108t，其主要分布在1 900～4 100 m深度段，高峰在3 100～3 500 m。Es3中总耗水量为29.27×108t，其主要分布在1 900～3 700 m深度段，集中在3 000 m左右。相比而言，Es4上生烃耗水深度区间大，耗水量也大。耗水强度最大区域出现在烃源岩埋藏较深的利津洼陷和民丰洼陷。各套烃源岩的耗水区间和高峰期存在明显差异，除由于降解率的差异造成耗水率不同外，埋深也影响明显，耗水期出现的顺序与烃源岩的埋深顺序一致。

图6 东营凹陷主要烃源岩耗水量随深度分布关系

4 生烃耗水作用的地质意义

4.1 生烃耗水对烃源岩孔隙流体的影响

生烃过程中既吸收水分子，也释放 CO2，最终导致生烃潜力增加。消耗水的体积如下式：

耗水造成烃的体积增加量如下式：

生烃早期以生油为主，按水密度为1 g/cm3、油平均氢元素含量为12%、油密度为0.85 g/cm3计算，则有：

由（7）式可知ΔVp＞Vw，显然生烃耗水总体为一流体体积增加过程，即便只形成液态油，与损耗水量相比总体积也可增加约 10%，对流体增压有利，因而更利于排烃，利于油气运移。

由以上分析可见，耗水作用可直接提高烃产率，根据生烃潜量增加率，在主生烃阶段可以提高含油饱和度约 10%～20%。相应地，烃源岩含油饱和度的增加也可使其更早进入排烃门限、增加排烃效率[24]。

4.2 生烃耗水与成岩耗水的关系

一般的成岩作用可划分为早成岩和晚成岩两个阶段：早成岩阶段包括 A、B两个成岩期；晚成岩阶段有A、B、C 3个成岩期，每个成岩期次都会发生不同的演化过程，并由此构成不同的成岩演化序列[1]。其中主要发生在晚成岩阶段A期的矿物蚀变作用需要水的参与，蚀变过程主要为矿物的高岭石化和绿泥石化。济阳坳陷古近系晚成岩阶段 A期一般发生在埋深2 200～3 300 m，考虑到蒙脱石脱水及压实作用与生烃耗水相抵消，有效成岩耗水区间在2 500～3 500 m。相比较而言，泥岩生烃耗水区间在1 500～4 000 m，跨度大于砂岩耗水区间。研究区烃源岩多发育于盆地中部，耗水高峰在2 500～4 000 m。砂、泥岩在2 500～3 500 m段均处于耗水阶段，该深度段也是大多数烃源岩进入排烃门限的主要阶段。

4.3 生烃耗水与油气成藏

东营凹陷油气藏集中发育于2 500～3 500 m，尤其是低渗透浊积砂体油气藏，与成岩耗水作用的有效区间范围一致，且深部储集层（2 800～3 500 m）以含油为主，中深部储集层（2 000～2 800 m）以含水为主。结合盆地埋藏史分析，油藏形成时期均处于耗水阶段，特别是明化镇组沉积时期，为东营凹陷乃至整个济阳坳陷大多油气藏最终成藏时期，正处于砂岩有效耗水的高峰期。该阶段泥岩处于异常压力期，地层水基本处于封闭系统环境中，岩石压实量小，地层没有大量水排出，黏土矿物蚀变脱水较少，生烃耗水在该深度段十分明显，是为有效耗水区间。与泥岩不同，砂岩耗水造成流体体积减小、孔隙压力降低，有利于改善压差和储集层物性，利于油气从烃源岩向砂岩充注。从匹配关系看，生烃耗水出现在主生烃期，砂岩成岩的主要耗水区间浅于泥岩生烃耗水，原有的垂向压力梯度得到了进一步增强。生烃过程中水的加入提高了生烃潜力，有效地提高了生排烃效率，应在今后的烃源岩评价中加以重视。东营凹陷生烃耗水作用既有利于生油窗内自生自储油气藏的形成，也有利于增加深层和浅层的压力梯度，形成下生上储的油气藏。

5 结论

将实验模拟与地质分析相结合，研究了烃源岩演化过程中耗水的地球化学效应。有机质在生烃演化过程中能够吸收水分，补充氢元素，增大总生烃潜力。耗水作用主要发生在主生烃期，伴随着有机质的降解而进行，其对干酪根的影响主要表现为使其中的无效碳活化降解，对已降解产物加氢生成更为富氢烃类或过渡产物。

生烃耗水过程有明显的阶段性。结合耗水机制提出了生烃耗水量的计算方法，对东营凹陷主力烃源岩的计算结果表明，Es4上烃源岩耗水区间大，耗水量也较大。Es3烃源岩生烃耗水区间小，耗水量也较小，其中Es3

下烃源岩耗水量高于Es3中烃源岩。

生烃耗水对油气运移和成藏有重要影响，生烃虽然损耗了部分孔隙水，但可使生烃量增加，耗水生烃总体为一流体体积增加过程，不但可以增加孔隙流体的压力，还可以提高含油饱和度。与砂岩耗水区间相匹配，可以有效地增加储集层和烃源岩层之间的压力差，有利于形成自生自储和下生上储油气藏。

符号注释：

GI——生烃潜力指数，mg/g；S1——挥发烃含量，mg/g；S2——热解烃含量，mg/g；TOC——总有机碳含量，%；Mw——生烃耗水量，g；ΔMp——生烃潜力的增加量，g；H——烃类中氢元素百分含量，%；Cv——演化到某一阶段形成的挥发烃的碳量，g；Co——原始样品的碳量，g；Cr——演化到某一阶段残余样品的碳量，g；Ce——演化到某一阶段排出油的碳量，g；Cg——演化到某一阶段生成气体的碳量（包括烃类和CO2），g；Cd——降解生烃所占的碳量，g；Md——总生烃量，g；Vw——耗水的体积，mL；ρw——水的密度，g/cm3；ΔVp——耗水造成烃体积的增量，mL；ρp——烃类的密度，g/cm3。

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