对烃源岩评价的几个问题的深入探讨

石记鹏 赵长毅 刘海涛 李传明

1. 中国矿业大学（北京） 2. 中国石油勘探开发研究院

0 引言

自20世纪法国地球化学家蒂索B.P等提出“干酪根热降解晚期生油学说”以来[1-2]，围绕烃源岩的研究一直是地质工作者分析盆地和区带油气勘探前景的一项重要工作。油气是从烃源岩中生成并排出的，排出的油气经过运移聚集成藏，便能成为可供人类开发利用的宝贵资源，烃源岩作为一种“源”的问题，在寻找油气工作中的地位毋庸置疑，烃源岩评价的内容主要围绕烃源岩有机质丰度、有机质类型和成熟度三个方面展开，宏观上还要对烃源岩的分布与厚度进行评价和预测。目前关于烃源岩的评价方法从有机地球化学、有机岩石学、地震与测井资料以及层序地层学等方面均有涉及，各种方法交相辉映，但由于地质条件的复杂性，实际烃源岩评价中依然存在这样或那样的问题，给研究工作带来很大困扰。笔者根据大量文献调研，综述了近年来关于烃源岩评价的最新进展，提出几点值得思考的意见。

1 烃源岩标准与丰度下限问题

当前地质学家们对烃源岩的判别标准主要存在两种观点，Tissot等[3]（1978）、张厚福等[4]（1989）认为烃源岩主要是指能够生成或已经生成油气的沉积岩 ；而 Hunt等[5]（1979）、王启军等[6]（1988）认为烃源岩应是曾经产生并排出足以形成工业性油气聚集的细粒沉积岩。目前学者采用更广泛的是前者的观点，烃源岩即指那些可生成或已经生成油气的沉积岩。而后者的观点更加强调烃源岩生烃对油气藏的贡献，与有效烃源岩的概念相当。在对一个地区的油气分布进行研究时，有越来越多的学者主张考虑烃源岩的有效性因素[7-9]。事实上，只要是含有有机质的岩石，在达到一定成熟度后就能生烃，而作为有效烃源岩的关键，在于有机质丰度达到什么标准下生成的烃类才能排出[10]，目前研究者普遍采用有机碳含量达到0.5%作为泥质烃源岩有机质丰度的下限（碳酸盐岩烃源岩丰度下限标准尚有争议），但在一定成熟度下，有机碳含量达到0.5%能否有效排烃的问题还有待研究，烃源岩能否排烃受有机质丰度、有机质类型和成熟度以及烃源岩层系的岩性组合等诸多因素影响。实际工作中，为了便于研究和应用，一般以有机碳含量指标作为有效烃源岩的判别标准，烃源岩有机碳含量是根据岩石中与有机质相关的碳元素含量来表示的，由于烃源岩排烃作用的影响，实测值仅代表岩石中剩余有机碳含量，目前主要通过有机碳分析仪和岩石热解分析仪（Rock-EvalⅢ）进行测量，有机碳分析仪的测量值称为残余有机碳含量，岩石热解分析仪的测量值常称为总有机碳含量（TOC）。

高岗等（2012）提出了一种通过有机碳含量（TOC）与热解参数S1之间的关系确定烃源岩的有机质丰度下限的办法[11]，岩石中残留烃的含量可以用热解参数S1来表示，对于已生烃但烃类未排出的岩石，S1代表其生烃量，对于生烃且烃类有排出的岩石，岩石自身被烃类饱和，S1代表岩石残留烃类能力的极限值，此时S1随有机碳含量的增加保持在一个相对稳定的数值，这样就可以把岩石残留烃极限值S1对应的最小有机碳含量作为有效烃源岩的丰度下限，岩石的生烃量和残留烃类能力极限值的差即为排烃量。在实际应用中，对于未熟—成熟烃源岩，这种方法取得了较好的应用效果，但对于高演化阶段的烃源岩，由于岩石中残留烃类的裂解，导致烃类含量的降低，此法就不适用了。事实上，对一个地区烃源岩的有效性进行研究是非常必要的，通过确定其有机质丰度下限，划分有效烃源岩的判别标准，尤其是为油气藏或资源评价服务的研究更应该建立有效烃源岩的概念，从而使研究工作更具针对性。

2 烃源岩有机质丰度

油气有机成因理论认为，油气来源于烃源岩中的有机质，烃源岩中的有机质是油气形成的物质基础。因此，判断烃源岩好坏的一个基本依据就是烃源岩中所含有机质的多少。烃源岩有机质丰度通常采用总有机碳（TOC）、氯仿沥青“A”、总烃（HC）等参数表示。其中总有机碳（TOC）是衡量烃源岩有机质丰度的最常用指标。目前关于烃源岩丰度的评价标准基本上获得了较统一的认识，但仍有几点技术或认识上的问题值得深究。

2.1 烃源岩生烃潜力的判定

对于烃源岩丰度采用过于简单直接的惯性思维，单纯地以有机碳含量的高低来评价烃源岩的生烃潜力，忽略了有机质类型、成熟度Ro等其他指标对烃源岩评价的重要影响。有机碳含量是单位体积沉积岩中总有机质数量的指标，该值表示的是有机质的数量而不是质量，一般来说烃源岩中有机质的多少反映了烃源岩生烃潜力的大小，好的烃源岩具有较高的有机碳含量，但实际情况下，即使有机碳含量相同的烃源岩，生烃潜力可能会存在很大差异，由于组成有机质的成分不一，如石墨或丝质体的显微组分，其有机碳质量分数近100%，但没有生烃潜力，而藻类体有机质可生成的烃类80%～90%能够运移形成油气资源，因此，有机碳含量本身并不是衡量岩石生烃能力的绝对指标[12]．生烃的有机质的碳必须与氢相联系，与碳相关的氢越多，其生成的烃越多。另外，评价烃源岩好坏的另一个关键因素是有机质成熟度，据前人大量煤岩模拟实验的研究，Ro>2%时已不再新生烃气，基本已丧失生烃能力[13]。

2.2 烃源岩有机碳含量的恢复

对于高—过成熟的烃源岩是否有必要恢复初始有机碳含量众说纷纭。烃源岩热演化进程中，随着埋深和地温的不断增加，源岩中的有机母质逐渐向油气转化，起先转化量较小，此时烃源岩中生成的油气被自身所限，随着热演化的进行，油气大量生成并从烃源岩中排出，导致烃源岩中有机质总量的减小。鉴于此，不少学者认为由于生烃损耗，烃源岩有机碳含量必然随成熟度增加而减少。主张对高—过成熟阶段碳酸盐岩烃源岩的有机质丰度进行恢复。根据郝石生等[14]（1984,1996）、程克明等[15]（1996）提出的恢复方法和公式，认为高—过成熟的有机碳恢复系数介于2.0～3.0。夏新宇等[16]的研究认为即使液态烃的生排烃系数不低于50%，其有机碳的恢复系数也不应当高于2.0。王飞宇等[17]通过定量计算有机质成熟过程中芳碳和脂碳演化结果，认为对于类型好且成熟度较高烃源岩，理论上有机碳恢复系数最大也只接近1.8。

而梁狄刚等（2000）、钟宁宁等（2004）、张水昌等（2002，2004）、陈建平（2012）等认为一般不需要对烃源岩有机碳进行恢复[18-23]。钟宁宁等认为烃源岩有机碳含量的变化同时受源岩中有机物质和无机物质两方面因素的影响，应在烃源岩有机—无机物质的平衡关系中讨论有机碳含量值的变化，并根据有机碳损失率（DTOC）的变化来衡量烃源岩生排烃过程对有机质含量的影响。结果发现，烃源岩在生排烃效率很低时，有机碳损失率都为负值（图1），即烃源岩处于“增碳”进程中，有机碳含量不减反增。以煤为例，在成熟演化历程中，尽管发生了明显生排烃效应，但相对于庞大的有机质数量而言，它的生排烃效率很低下，有机碳含量增加。对于混合型干酪根类烃源岩，成熟度演化过程中“增碳”或“减碳”视其生排烃效率而定，但总体变化幅度不大。只有腐泥型有机质烃源岩，在生排烃效率良好情况下，有机碳损失率才会发生显著变化，此条件下，恢复其初始有机碳含量显得尤为必要[22]。陈建平等也认为有机碳含量反映的是烃源岩有机质的相对含量，虽然烃源岩生排烃过程中有机质总量在不断减小，但同时也会导致部分水和其他无机物质发生损耗，生烃过程不一定会导致有机碳含量的降低[23]。

图1 生排烃效率对有机碳变化率的影响图（据钟宁宁改）[21]

2.3 烃源岩的非均质性

由于实际地质条件下烃源岩是非均质的，通过有限岩样地化分析结果表征某一烃源岩层系有机质丰度特征的方法存在一定的技术缺陷。据研究，沉积作用下烃源岩的有机质含量在垂向和侧向上变化较大，相比含腐泥型干酪根为主的淡水湖相烃源岩，含混合型或腐殖型干酪根的三角洲相烃源岩在垂向及侧向上的变化更加明显[24]。在几百mm的深度变化范围，烃源岩有机碳含量也可能发生超过一个数量级的变化（图2）[25]。这种变化也反映了烃源岩沉积环境的改变。

图2 美国东南部早阿尔必阶总有机碳变化图

Passey等通过分析Exxon/Esso公司测井评价有机碳含量的成果提出了测井资料评价法。测井资料评价法可以对烃源岩进行识别并计算其有机碳含量，根据测井响应曲线与地质特征之间的对应关系，将孔隙度测井响应曲线（声波、中子、密度）与电阻率测井响应曲线叠合，实际常采用声波时差与电阻率曲线叠合的方式，声波时差以算术坐标表示，电阻率以对数坐标表示，保持每两个电阻率对数坐标刻度对应声波时差100 μs/ft（注：1ft=0.304 8 m，下同）间隔的方式将两条曲线叠合，定义在细粒的非烃源岩层段两条曲线“轨迹”一致或恰好重叠时为基线，两条曲线的间距记为ΔlgR。低成熟烃源岩中，ΔlgR主要由声波测井曲线响应造成的，而成熟度较高烃源岩中，孔隙中烃类物质的存在导致电阻率增加，ΔlgR受声波测井曲线和电阻率曲线双因素的影响[26]。

根据ΔlgR计算有机碳含量的经验公式为：

式中wTOC表示泥质烃源岩总有机碳含量；ΔlgR表示分离曲线间隔在对数电阻率坐标上的读数；Lom表示成熟度标尺。

Passey等提出的测井资料评价法可以得到烃源岩有机碳含量纵向的连续变化曲线，可以解决烃源岩的非均质性问题。但测井资料评价法也存在一定的技术缺陷，在测井资料评价法模型中对基线的定义意味着基线段的细粒烃源岩是不含有机质的，但实际情况下，所有的碳酸盐岩和泥岩中均会含有一定量有机质，国内许多学者如王贵文等（2002）、朱振宇等（2003）、胡慧婷等（2011）、刘超等（2014）对测井资料评价法模型存在的一些问题进行过研究修正[27-30]。霍秋立等（2011）、郭泽清等（2012）应用改进的测井资料评价法对松辽盆地青山口组、柴达木盆地三湖地区烃源岩进行有机碳含量研究，结果表明通过改进的测井资料评价法计算有机碳含量与实测有机碳含量之间表现为较好的相关性（图3），基于测井方法计算有机碳含量的结果是可靠的[31-32]。

图3 三湖地区涩3-2-4井有机碳计算值与实测值对比图（据郭泽清等）[32]

综合认为，根据有机碳含量评价烃源岩丰度特征时，应考虑烃源岩沉积环境的影响，并与测井方法相结合，通过测井资料评价法获得有机碳含量的纵向连续变化曲线，并与实测值进行对比分析，从而弥补烃源岩非均质性问题对烃源岩丰度特征评价的影响。

3 烃源岩类型

烃源岩有机质丰度体现的是单位烃源岩中有机质的数量多少，而有机质类型则是烃源岩评价中另一个重要参数质量的体现。大量研究表明，相同有机质丰度和成熟度的烃源岩的生烃潜力也可能会有显著不同。蒂索B.P等（1978）提出将干酪根划分为Ⅰ腐泥型、Ⅱ混合型、Ⅲ腐殖型三类，腐泥型干酪根富氢贫氧，腐殖型干酪根富氧贫氢，混合型干酪根氢氧含量介于两者之间[33]。我国一般采用的干酪根类型划分标准是依据杨万里等（1981）提出的三类四分法[34]以及黄第潘等（1984）提出的三类五分法[35]。用于判别干酪根类型的方法众多，目前，常用的方法有干酪根显微组分、元素分析、干酪根热解参数三种，碳同位素、饱和烃气相色谱等实验方法使用相对较少，在此不做赘述。

3.1 干酪根显微组分法

干酪根显微组分法是根据干酪根中各显微组分（腐泥组、壳质组、镜质组及惰质组）的相对百分含量为依据，通过计算干酪根类型指数（IT）来判别干酪根类型。

式中IT表示干酪根类型指数；wS表示腐泥组组分占总组分的相对百分含量；wE表示壳质组组分占总组分的相对百分含量；wV表示镜质组组分占总组分的相对百分含量；wI表示惰质组组分占总组分的相对百分含量。

事实上，正是干酪根的显微组分特征决定了干酪根的类型，而显微组分法就是对干酪根的显微组分进行的直接观测，理论上是一种直接有效的方法。具有受热演化程度影响小，易于进行的优点。但显微组分与生烃量之间并不具备严格的对应关系，如干酪根中具有不同成因的无定形体，其生烃能力有好有坏，实际情况下会干扰对干酪根类型的界定[36]。而且在制备干酪根的过程中也会破坏原始有机质的产状和结构，在镜下进行描述和鉴定时受人为因素的影响，结果也会产生偏差。此外，显微组分的鉴定和描述主要适用于Ro<1.4的烃源岩，对于更高成熟度的烃源岩并不适用。

3.2 元素分析法

干酪根主要是由C、H、O以及少量的N和S等元素组成的，干酪根中的不同有机质的C、H、O比例不同，因此可以根据干酪根的元素组成特征来划分干酪根的类型，元素分析法也称范式图法，是根据干酪根中H/C和O/C在范式图中的分布位置确定干酪根类型的一种方法，该法可以较为直观地反映干酪根的类型，也在一定程度上反映了干酪根的热演化程度，是目前应用较多的一种确定干酪根类型的方法。但应当注意的是，在干酪根的制备纯化过程中可能会造成不同显微组分的选择性富集，提取出的干酪根样品与原始干酪根样品之间存在一定的差异，导致分析的结果也存在一定误差。同时干酪根中黄铁矿、重金属氧化物与难溶硅酸盐的存在，也会影响对于氧和硫元素的准确测定[32]。另外当演化程度较高时，烃类物质的生成排出会消耗干酪根中的氢元素和氧元素，在范式图上表现为不同类型干酪根的演化曲线逐渐向原点收缩，演化路径趋于一致。李春鹏等（2016）针对这个问题提出了一种成熟—过成熟阶段干酪根类型的识别方法[37]，该法推导出烃源岩有机质热演化过程的数学表征，将未成熟—低成熟阶段的有机质样本转换到成熟—过成熟阶段，建立了不同类型有机质的氢指数与氧指数的分布函数，并通过线性组合方法计算成熟—过成熟阶段不同类型有机质所占比重，据此识别成熟—过成熟烃源岩有机质类型，在实际应用中也具有较好的可行性，但此法是基于范式图干酪根类型曲线函数的数学分析推导，实际情况下可能会出现偏差。此外，申家年等提出一种根据干酪根有机元素H/C、O/C直接计算干酪根类型指数的计算公式[38]，与以往有机元素法不同的是，该法的计算结果为一数值，拟合的目标也不是范式图，而是干酪根类型指数（IT），可根据拟合结果判断干酪根类型，虽然采用的是有机元素数据，但与干酪根类型指数法的评价结果更相近，因此可以作为干酪根类型指数法的补充。不过，受限于数据来源问题，该法提出的计算公式尚需检验。

3.3 干酪根热解

元素分析法需要大的岩石样品，并需要从岩样中抽提出干酪根样品，费时且昂贵，相比之下另一种评价方法——热解参数法，能对干酪根类型做出更加快速定量的评价。基于温度可以弥补时间对烃源岩生烃的地质效应理论，通过控制温度，在短时间内即可模拟烃源岩地质条件下百万年的热演化历程，通过分析岩石热解图谱即可获得一系列重要的热解参数，再根据热解参数判断干酪根类型。常用来评价干酪根类型的热解参数有氢指数（IH）、热解峰温（Tmax）和类型指数（S2/S3）。需要注意的是，干酪根热演化程度较高时，热解参数也会发生变化，因此对成熟度较高的干酪根类型，该法并不适用。在热解过程中，岩石样品中无机矿物基质的存在会干扰热解参数的测定。另外，当烃源岩中有机质丰度较低时，黏土类矿物对热解气态烃的吸附作用也会对热解参数产生较大影响[35]。

应该看到的是，各种评价烃源岩类型的研究方法都有一定的局限性，采用不同的研究方法可能会得到不一致的评价结果，尤其是当有机质演化程度较高时，烃源岩类型的判断就显得更加困难，仅凭一种方法往往难以做出准确判断。因此笔者认为在对烃源岩类型进行评价时，较恰当的做法应是辅以烃源岩的沉积环境，尽量选择新鲜、未熟—低熟的烃源岩样品为研究对象，对于界限模糊的干酪根类型，最好采用不同研究方法进行相互印证。

其实，换一种角度来思考，卢双舫等认为自然界中干酪根的类型常常是难以准确辨识的[39]，对腐泥型、混合型、腐殖型干酪根的划分纯属人为，带有许多主观因素，因此提出用一种方法将干酪根类型数值化，干酪根类型数值化就是根据干酪根生烃潜力的大小赋予其不同的数值，对于标准的腐泥型、混合型、腐殖型干酪根分别设置100、50、0三个数值，在干酪根类型划分的基础上，通过0～100之间的数值来对应其生烃潜力。但该方法目前还处于一种尝试阶段，在实际应用中需要依托大量资料的统计分析来实现，其效果和意义犹待研究实践。

4 成熟度

烃源岩有机质丰度和类型的评价是针对烃源岩中有机质数量和质量参数的研究，而对烃源岩有机质热演化进程的研究则需要另一个参数成熟度来表示，以烃源岩百万年时间的演化为进度，成熟度代表了在其演化进度上的某一节点。用以表示烃源岩成熟度的参数有很多，如镜质体反射率（Ro）、岩石热解最高峰温（Tmax）、孢粉颜色指数（SCI）、牙形石色变指数（CAI）等，还可以根据生物标志物特征对烃源岩成熟度做定性推断。镜质体反射率（Ro）表征烃源岩的成熟度是目前研究中应用最广泛的一种方法。镜质体是植物细胞壁上的纤维素和木质素通过热蚀变形成的煤岩组分，在许多干酪根中都有发现。随温度的增加，干酪根发生了一系列复杂、不可逆的芳构化反应，致使反射率增高。最初镜质体反射率（Ro）在煤岩学中被应用于确定煤阶，Teichmuller（1950）将其推广到确定沉积岩中分散有机质的成熟度，由于镜质体反射率（Ro）值变化具有不可逆性，可以量化表示有机质成熟度，也可以进行很好的横向对比，这种方法逐渐在烃源岩成熟度评价中被广泛应用，并成为国际上烃源岩成熟度评价中的一个重要指标。但该方法也存在一些技术上的不足，其中两个主要问题：准确鉴定分散有机质中镜质体的难度以及镜质体反射率的抑制作用，都会导致镜质体反射率结果出现失真现象。有研究表明，有机质类型越好的烃源岩，镜质体反射率所受到的抑制作用越强[40-41]。而针对镜质体反射率存在的抑制作用问题，目前较好的解决方法是通过有机质多组分显微荧光探针分析技术（FAMM）对Ro进行校正，FAMM技术抛开了烃源岩对镜质体的依赖，通过样品中各种显微组分的荧光强度I400（使用激光照射400 s后的荧光强度）与I0（初始荧光强度）的比值得出R（I400/I0），即为荧光变化比。将测出的值落在标准图版上，通过分析实测点与“J”字形曲线的差异来判断Io的异常情况（图4），并对其做出校正。等效镜质组反射率代表了样品的真实成熟度，应为实测R值与校正值之和，可以根据镜质组反射率和荧光参数进行互相检验。因此，对于烃源岩镜质体反射率Ro被抑制或增强，以及镜质体含量低或难以辨识引起的异常情况，采用FAMM技术校正的方法可以使实验结果更可靠。

图4 FAMM方法校正镜质体反射率抑制图

另外，镜质体反射率也不适用于石炭纪之前沉积地层的烃源岩成熟度评价，镜质体一般存在于石炭纪之后经历了高等植物腐质化作用的沉积物[42]，这就限制了Ro的适用范围。对于海相烃源岩，尤其是我国境内广泛发育的早古生代海相碳酸盐岩烃源岩，由于其沉积时期缺乏陆源高等植物的输入，无法通过测定镜质体反射率的方式来衡量烃源岩的成熟度。目前一般采用沥青反射率（Rb）、镜状体反射率、动物（笔石、几丁虫、虫牙等）有机碎屑反射率以及最高热解峰温（Tmax）等指标建立与镜质体反射率的对应关系，据此判断烃源岩成熟度情况[43]。此外，有研究者发现，镜质体反射率也存在各向异性，当Ro<2.0%时，各向异性不明显，当Ro>2.0%时，各向异性显著增加，有可能会引起较大误差。

不难看出，关于烃源岩的成熟度评价仍有许多值得注意的问题，尤其是对于有机质类型较好、热演化程度较高的烃源岩更应该谨慎对待，对于Ro被抑制或增强的异常情况，采用FAMM技术对Ro值进行校正是很有必要的，对于高演化阶段的烃源岩，因各向异性对Ro值的影响，选用Ro平均值是不恰当的，最好选择一个较大值代表烃源岩成熟度。另外也要注意烃源岩的形成年代，过老烃源岩的成熟度评价应选用它法。

5 结论

1）不能简单以有机质丰度高低作为判断烃源岩好坏的指标，是否有必要恢复初始有机碳含量应根据烃源岩的类型和生排烃情况而定，烃源岩类型较好，排烃效率较高时，可以进行适当恢复。在地质条件下，烃源岩的空间分布具有非均质性，根据有限岩样的地化分析结果忽略了烃源岩分布的非均质性，结合烃源岩的沉积环境和测井资料分析可以更真实地反映烃源岩的地下情况。

2）各种评价烃源岩类型的研究方法不可避免都有一定的局限性，尤其是当有机质演化程度较高时，仅凭一种方法往往难以做出准确判断。研究时应参考烃源岩的沉积环境，尽量选择新鲜、低熟—未熟的烃源岩样品为研究对象，对于界限模糊的干酪根类型，最好采用不同研究方法进行相互印证。另外，将烃源岩类型数值化也是个很好的思路。

3）镜质体反射率在某些情况下有可能被抑制或增强出现失真现象，可以采用FAMM技术对Ro值进行校正。高演化阶段镜质体的各向异性会对Ro值的结果造成影响，理论上应选用一个较大值才能更好地反映烃源岩成熟度情况。对于早古生代海相碳酸盐岩烃源岩，由于缺乏镜质体，可以采用沥青反射率（Rb）、镜状体反射率、动物（笔石、几丁虫、虫牙等）有机碎屑反射率以及最高热解峰温（Tmax）等指标来衡量烃源岩成熟度情况。

总之，当前有机地球化学分析方法用来评价烃源岩难免有些美中不足，而利用测井资料对烃源岩进行快速识别与评价的技术逐渐趋于成熟。可以预见，综合地化资料的岩样分析与地震测井资料的宏观预测必然是将来烃源岩评价的一大趋势。