基于岩石热解资料的烃源岩有机碳构成计算方法及应用

李永会，刘 刚，高 亮，向 娟，宋海强，胡元伟，王 青

(1.中国石油新疆油田分公司，新疆 克拉玛依 834000；(2.陕西延长石油国际能源化工有限公司，陕西 西安 710061)

0 引 言

烃源岩中的碳包括有机碳和无机碳，有机碳为沉积岩中与有机质有关的碳元素，是烃源岩生成油气的物质基础[1-2]。陈子恩[3]认为烃源岩中的有机碳由羧基碳、C15以上可溶有机碳、热降解碳和固定碳组成。为了研究各类有机碳在烃源岩总有机碳中的占比，提出“有机碳构成”的概念，有机碳包括有效碳和无效碳。有效碳是指在足够的温度和时间作用下热解，可转化为油气排出烃源岩的碳[4]。无效碳也叫“死碳”，在烃源岩热演化过程中不参与生烃反应，不能转化为烃类[5]。现今所测的有机碳含量实为残余有机碳含量，且相对于原始有机碳含量[6-8]，残余有机碳构成发生了很大的变化[9-10]。将热演化过程中有机碳构成的这种变化进行量化，对于研究烃源岩生烃过程、分析原始生烃潜力等具有重要意义，而前人对于这方面的研究未有涉及。为此，基于岩石热解资料，建立了一种定量计算烃源岩有机碳构成的方法，即利用岩石热解参数建立计算烃源岩残余有效碳相对含量、残余无效碳相对含量、原始有效碳相对含量和原始无效碳相对含量的公式。同时，运用该方法对银额盆地低成熟和过成熟烃源岩的有机碳构成进行研究，分析烃源岩在这2种情况下的有机碳构成特征。

1 岩石热解基本原理

Tissot等[11]提出的“干酪根热降解成烃”学说认为烃源岩生烃反应为化学反应过程，该过程应遵循时间-温度互补原则，岩石热解分析正是基于这一原理在实验室模拟烃源岩埋藏于地下的生烃过程[12-14]。其方法为将烃源岩岩石样品粉碎后置于热解炉中，以一定的升温速率加热至一定的温度，使得岩石中的烃类、沥青质、干酪根在不同温度下挥发、裂解，通过检测器检测，得到S0、S1、S2、S4(单位为mg/g)等参数[14-16](图1)。S0代表烃源岩中吸附的C7以下气态烃，即生成的气态烃在烃源岩中的残留量；S1代表烃源岩已生成未运移的C8—C33的液态烃残留量，即生成的油在烃源岩中的残留量；S2代表烃源岩中干酪根裂解烃的总量；S4代表烃源岩热解后残余烃的总量，即不可裂解烃的量。

图1 烃源岩岩石热解分析图谱Fig.1 The analysis spectrum of rock pyrolysis of source rocks

2 方法介绍

2.1 残余有机碳构成计算方法

参照GB/T 18602—2012《岩石热解分析》[13]，在对样品开展岩石热解分析后，可获取S0、S1、S2、S4等参数。参数S0、S1、S2和S4之和为烃源岩中总烃含量，将其乘以系数0.083转化为有机碳的百分含量[1]。因此，烃源岩残余总有机碳含量为：

Cot=0.083(S0+S1+S2+S4)

(1)

式中：Cot为残余总有机碳含量，%。

S0和S1之和为烃源岩已生成的烃，S2为热解过程中生成的烃，因此，可获得残余有效碳含量和残余无效碳含量为：

PC=0.083(S0+S1+S2)

(2)

STOC=0.083S4

(3)

式中：PC为残余有效碳含量，%；STOC为残余无有效碳含量，%。

进而，可推导出残余有效碳相对含量：

(4)

式中：PC/Cot为残余有效碳相对含量，%。

残余无效碳相对含量为：

(5)

式中：STOC/Cot为残余无效碳相对含量，%。

2.2 原始有机碳恢复

前人对原始有机碳恢复的研究较多[17-20]，主要方法有自然演化剖面法、热解模拟法、物质平衡法、理论推导法、谱学类型模型法等[21]。原始总有机碳含量为：

Cot原始=fCot

(6)

式中：Cot原始为原始总有机碳含量，%；f为原始有机碳恢复系数。

对于Ro为0.50%～2.50%的烃源岩，原始有机碳恢复系数的取值可参照金强等[22-23]的研究成果(表1)；对于Ro>2.50%的过成熟烃源岩样品，原始有机碳恢复系数的取值可参照庞雄奇等[8]的研究成果，含Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型母质的泥质烃源岩的原始有机碳恢复系数分别为3.000 0、2.000 0、1.400 0。

表1 不同类型烃源岩在不同成熟度下的原始有机碳恢复系数Table 1 The original organic carbon recovery coefficients of different types of source rocks at different maturities

2.3 原始有机碳构成计算方法

由于有机碳中的无效碳在烃源岩的热演化过程中不参与生烃反应，也没有损失，其绝对含量保持不变[5,24]，原始无效碳含量等于STOC。因此，原始有效碳含量为：

PC原始=Cot原始-STOC

(7)

式中：PC原始为原始有效碳含量，%。

原始有效碳相对含量为：

(8)

原始无效碳相对含量为：

(9)

式中：PC原始/Cot原始为原始有效碳相对含量，%；STOC原始/Cot原始为原始无效碳相对含量，%。

3 实例应用

3.1 实验样品

为了验证该方法的合理性和准确性，以银额盆地为例，分别研究低成熟和过成熟2种情况下烃源岩的有机碳构成。银额盆地是中、古生代的叠合盆地，构造演化主要经历了石炭纪—二叠纪海陆演化阶段、中生代陆内盆山演化阶段[25-26]。低成熟烃源岩样品来自于盆地中部哈日凹陷的H1、H2、H3、H4井(图2)，样品发育层位为中生界下白垩统，岩性主要为半深湖相白云质泥岩，样品数为24个，样品的Ro为0.52%～0.66%，平均为0.62%，有机质类型主要为Ⅱ1型。过成熟烃源岩样品来自于哈日凹陷、巴北凹陷和乌兰凹陷，取样井为H6、B1、W1井(图2)，样品发育的层位为古生界石炭—二叠系，岩性主要为海陆过渡相深灰色—灰黑色泥岩[26-27]，样品数为18个，样品的Ro为2.55%～4.52%，平均为3.94%。对所有样品开展岩石热解分析，由中国石油大学(北京)地球科学学院石油地质实验室完成。

3.2 中生界低成熟烃源岩有机碳构成

银额盆地中生界低成熟烃源岩样品的热解参数见表2：24个样品的S0+S1为0.07～8.61 mg/g，平均为2.12 mg/g，较低的S0+S1值表明已经生成并吸附在烃源岩中的烃类较少；样品的S2为0.59～71.06 mg/g，平均为22.88 mg/g，较高的S2表明烃源岩可热解的有机碳含量较高，烃源岩具有较好的生烃潜力；Cot平均为2.75%，PC平均为2.07%，STOC平均为0.68%；残余有效碳相对含量为36.27%～93.71%，平均为67.36%；残余无效碳相对含量为6.29%～63.73%，平均为32.65%。由于烃源岩样品的有机质类型主要为Ⅱ1型，Ro平均为0.62%，参照表1利用内插法确定f为1.070 0。Cot原始为0.14%～7.38%，平均为2.95%。通过计算，24个低成熟烃源岩的PC原始/Cot原始为40.44%～94.12%，平均为69.49%，STOC原始/Cot原始为5.88%～59.56%，平均为30.51%(表2)。

表2 银额盆地中生界低成熟烃源岩的残余和原始有机碳构成Table 2 The residual and original organic carbon composition of low-mature Mesozoic source rocks in Yin'gen-Ejinaqi Basin

通过对比可知，烃源岩在低成熟阶段的有机碳构成与原始有机碳构成变化不大，有效碳的占比仅有小幅度的减少，而无效碳的占比也只有小幅度的增加(图3)，表明低成熟烃源岩仅有少量有效碳转化为烃类，烃转化率较小。

图2 银额盆地构造区划与取样井位置Fig.2 The tectonic division and sampling well locations in Yin′gen-Ejinaqi Basin

3.3 古生界过成熟烃源岩有机碳构成

银额盆地古生界过成熟烃源岩样品的热解参数见表3，基于该方法计算出的有机碳构成结果显示：18个样品的S0+S1仅为0.00～0.20 mg/g，平均为0.02 mg/g；S2仅为0.01～0.28 mg/g，平均为0.07 mg/g；S4为0.94～16.52 mg/g，平均为7.56 mg/g；Cot平均为0.63%，残余有效碳相对含量平均仅为1.84%，残余无效碳相对含量平均为98.16%(表3)。极低的有效碳含量和极高的无效碳含量表明过成熟烃源岩的残余有机碳几乎都为不可热解的“死碳”，而有效碳仅占极小的一部分(图3)。

图3 银额盆地中生界低成熟和古生界过成熟烃源岩的残余和原始有机碳构成Fig.3 The residual and original organic carbon composition of low-mature Mesozoic and post-mature Paleozoic source rocks in Yin′gen-Ejinaqi Basin

过成熟烃源岩整体有机碳含量低、有效碳占比低，但不代表烃源岩品质差，而是烃源岩在经历较高的热演化阶段后，绝大多数有效碳已经过生烃反应排出母岩而损失殆尽。由于该文研究的样品为Ro大于2.50%的泥岩类烃源岩，参照庞雄奇等[8]的研究成果，在开展原始有机碳恢复研究中取f值为2.000 0，由式(6)～(9)计算得到：样品Cot原始为0.16%～2.75%，PC原始/Cot原始为50.09%～53.70%，平均为50.92%，STOC原始/Cot原始为46.30%～49.91%，平均为49.08%(表3)，可见银额盆地古生界过成熟烃源岩的原始有机碳含量并不低。

表3 银额盆地古生界过成熟烃源岩的残余和原始有机碳构成Table 3 The residual and original organic carbon composition of post-mature Paleozoic source rocks in Yin′gen-Ejinaqi Basin

综上所述，过成熟烃源岩经过了极高的热演化阶段，有效碳的生烃转化率极高，在对过成熟烃源岩进行评价时，开展原始有机碳恢复的研究是不可缺少的环节。

4 结 论

(1)提出了烃源岩“有机碳构成”的概念，并建立了基于岩石热解参数S0、S1、S2和S4计算烃源岩残余有效碳相对含量、残余无效碳相对含量、原始有效碳相对含量和原始无效碳相对含量的方法。基于低成本的岩石热解分析，该方法能够快速计算出各类烃源岩的有机碳构成，表明该方法具有很强的可操作性、很好的适用性，值得推广。

(2)对于低成熟烃源岩，残余有机碳构成与原始有机碳构成相比变化不大，有效碳的占比仅有小幅度的减小，而无效碳的占比也只有小幅度的增加，表明有效碳成烃转化率较小；而对于过成熟烃源岩，有效碳的生烃转化率极高，残余有机碳绝大部分为不可热解的“死碳”，而有效碳仅占极小的一部分，表明有效碳成烃转化率极高。