烃源岩

发布时间: 2022-03-27       分类:  油气成因 石油地质学

烃源岩也叫生油母岩或生油岩,是指富含有机质、在地质历史过程中生成并排出了或者正在生成和排出石油和天然气的岩石。只生成和排出油的岩石称为油源岩,只生成和排出气的岩石称为气源岩。烃源岩的概念中不仅强调了能够生成油气,并且还强调能够排出油气;不仅具有生成和排出油气的潜力,而且还要已经生成和排出油气或者正在生成和排出油气,只有这样的岩石才能算作烃源岩。

由烃源岩组成的地层则称为烃源岩或源岩层。在一个沉积盆地的发展过程中,在一定地质时期内,源岩层和非源岩层往往间互沉积,在一套地层内形成源岩层与非源岩层的互层。具相同岩性和岩相特征的若干源岩层与其间非源岩层的组合称为源岩层系。

源岩层是自然界生成石油和天然气的岩层,在沉积盆地中,油气是从源岩层中生成并运移到具有多孔介质的储集层中储集起来形成油气聚集的。因此,烃源岩研究既对探讨油气成因具有理论意义,同时也是指导油气勘探实践的主要根据之一。烃源岩评价的主要目的,就是根据大量地质和地球化学分析结果,在一个沉积盆地(或凹陷)中,从剖面上确定源岩层,在空间上确定出有利的烃源区,为油气勘探提供科学依据。

烃源岩的类型

烃源岩岩一般是粒细、包暗、富含有机质和微体生物化石的岩石,其中常含原生分散状黄铁矿和游离沥青质。

常见的炬源岩主要是粘土岩类烃源岩、碳酸盐岩类烃源岩和煤系烃源岩。

粘土岩类短源岩

这类烃源岩主要包括泥岩、页岩等。粘土岩类烃源岩沉积于浅海、三角洲、湖泊等沉积环境,环境安静乏氧,浮游生物或陆源有机物丰富并随粘土矿物质大量堆积、保存,在埋藏过程中,其中的有机质大量向油气转化。因而这些粒细的粘土岩类富含有机质及低价铁化合物,颜色多呈暗色。我国主要陆相盆地如松辽、渤海湾、准噶尔、柴达木等含油气盆地,主要烃源岩层多为灰黑、深灰、灰及灰绿色泥岩、页岩。国外的烃源岩层也以此类最多。

碳酸盐岩类烃源岩

这类烃源岩以低能环境下形成的富含有机质的石灰岩、生物灰岩和泥灰岩为主,如沥青质灰岩、隐晶灰岩、豹斑灰岩、生物灰岩、泥质灰岩等等,常含泥质成分; 多呈灰黑、深灰、褐灰及灰色;隐晶—粉晶结构,颗粒少,灰泥为主;多呈厚层块状,水平层理或波状层理发育;含黄铁矿及生物化石;偶见原生油苗,有时锤击可闻沥青臭味。我国四川盆地丰富的天然气资源部分与二叠系和三叠系的石灰岩有关;华南、塔里木地台广泛发育的古生界碳酸盐岩和华北地台中元古界、上元古界、下古生界的许多般酸盐岩都具备良好的生油条件。波斯湾盆地的上保罗统阿拉伯组和古近—新近系阿斯马利石灰岩都是重要的磺酸盐岩烃源岩。

煤烃源岩

煤系地层是指在成煤环境下形成的含煤地层。其中的煤层和含煤地层中的富含有机质的泥岩可以成为烃源岩。煤系地层主要形成于沼泽环境和海陆过渡环境。煤是一种富集型有机质,它是由不同数量的壳质组、镜质组和情质组构成的泪合体。晚古生代以后所形成的煤主要是以高等植物为主体的腐殖煤。我国广泛分布有含煤层系,石炭纪—二叠纪、侏罗纪和古近纪是个主要的聚煤期。煤系不仅可以作为气源岩,也可以作为油源岩。

烃源岩形成的地质环境

烃源岩是富含有机质的细粒岩石。因此,形成烃源岩的地质环境一般水体安静、气候温暖、生物繁茂、稳定沉降。这样的环境有利于大量有机质的形成、堆积和保存,也有利于有机质的演化。显然,这种环境并不是到处都有,它们受到区域大地构造和岩相古地理等条件的严格控制。

大地构造条件

长期稳定继承性沉降的大地构造背景是烃源岩发育的基础。烃源岩是沉积岩,只有沉积盆地才会有沉积岩,才会有烃源岩。因此,在地质历史上能够形成沉积盆地的构造背景才是有利的构造条件。

根据板块构造的观点,在板块相互作用带上,板块的离散运动和聚敛运动都包含有垂直构造运动,但是,纯粹的转换运动则不带垂直运动性质,可见,只有前两种板块运动才与沉积盆地的形成密切相关;在离散板块分离处,伴随着洋壳形成,地壳变薄引起下沉、弯曲,出现张性环境中的各种沉积盆地;在聚敛板块接合处,伴随着洋壳消亡、陆壳增厚和碰撞造山带上升,沿着造山带的翼部出现许多沉积盆地。在时间顺序上,某一盆地在不同时期可以发生在不同类型的环境中,也可以逐渐过渡。

板块的边缘活动带,板块内部的裂谷、凹陷,以及造山带的前陆盆地、山间盆地等大地构造单位,是在地质历史上曾经发生长期持续下沉的区域,是地壳上油气资源分布的主要沉积盆地类型。在这些沉积盆地中,沉降幅度迅速被沉积物的沉积所补偿,因而在沉积盆地的各个沉降时期中,研究沉降速度归与沉积速度之间的关系至为重要。若沉降速度远远超过沉积速度,水体急剧变深,生物死亡后,在下玩过程中易遭巨厚水体所含氧气的氧化破坏;反之,若沉降速度显著低于沉积速度,水体迅速变浅,乃至盆地上升为陆地,沉积物暴露地表,有机质易受空气中的氧所氧化,也不利于有机质的堆积和保存,只有在长期持续下沉过程中伴随适当的升降,沉降速度与沉积速度相近或前者稍大时,才能持久保持还原环境。在这种条件下,不仅可以长期保持适于生物大量繁殖和有机质免遭氧化的有利水体深度,保证丰富的原始有机质沉积下来;而且可以形成沉积厚度大,埋藏深度大,地温梯度高,源岩层和储集层频繁相间广泛接触,有助于原始有机质迅速向油气转化并广泛排烃的优越环境。

此外,在一个大型沉积盆地内,由于断裂分割或沉降速度的差异造成盆底起伏不平,出现许多次级凸起与凹陷,使有机质不必经过长距离搬运便可就近沉积下来,避免途中氧化。所以这种沉积盆地的分割性对有机质的堆积与保存都有利。华北地区从中生代以来的块断升降作用造成了渤海湾盆地古近纪多断陷、多生泊中心的显著特点。

岩相古地理条件

国内外油气勘探实践证明:无论海相、陆相还是海陆过度相,都可能具备适合于油气生成的岩相古地理条件。在海相环境中,浅海区是最有利于油气生成的古地理区域。在浅海大陆架范围内,水深一般不超过200m ,水体较宁静,阳光、温度适宜,生物繁盛,各种浮游生物异常发育,死亡后不需经过太厚的水体即可堆积下来。海湾及泻湖因有半岛、群岛、沙堤或生物礁带与大海相隔,携带大量氧气的汹涌波涛难以侵入,新的氧气不易补给,在这种半闭塞无底流的环境中,也对保存有机质有利。波斯湾盆地的中、新生界,西西伯利亚的侏罗系、白垩系,墨西哥湾的中、新生界,以及我国四川盆地的志留系、二叠系、三叠系都属于浅海环境的产物。而在滨海区和深海区,不利于有机保存和油气的生城。在滨海区,海水进退频繁,浪潮作用强烈,不利于生物繁殖和有机质的堆积保存,深海区生物本来就少,死后下沉至海底需经过巨厚水体,易遭氧化破坏,加上离岸又远,陆源有机质需经长途搬运,早被淘汰氧化,都不有利于有机质的堆积和保存。值得注意的是,随着世界油气工业的发展,人们已开始注意到大陆架以外的深海区域找油气的远景,包括深海平原、大陆坡和小洋盆地区,已经开始进行海上勘探工作。

海陆过渡环境的三角洲环境既有陆源有机质源源搬运而来,又有原地繁殖的海相生物,致使沉积物中的有机质含量特别高; 三角洲环境沉积物堆积速率高、埋藏快,地温梯度高,有利于有机质的保存和演化,是极为有利的生油区域。

大陆深水—半深水湖泊是陆相烃源岩发育的区域,一方面湖泊能够汇聚周围河流带来的大量陆源有机质,增加了湖泊营养和有机质数量;另一方面湖泊有一定深度的稳定水体,提供水生生物的繁殖发育条件。尤其在近海地带的深水湖盆更有利于有机质的堆积,因为近海区域地势低洼、沉降较快,是陆表水的汇集地带,容易长期积水而形成深水湖泊,保持安静的还原环境。这种地区气候温暖湿润,浮游生物及藻类繁盛,而且往往又是河流三角洲的发育地带,河水带来大量陆源有机质注人近海湖盆,有机质异常丰富。油气勘探开发实践表明,我国许多陆相沉积盆地,如晚二叠世的准噶尔盆地、晚三叠世的鄂尔多斯盆地、早白垩世的松辽盆地、古近纪的渤海湾盆地,甚至古近纪的柴达木盆地都可能属于当时的近海湖盆,成为湖相生油的最有利区域。

在浅水湖泊和沼泽区,高等植物繁盛,是有利的成煤环境,有机质多属腐殖型。这种环境中的有机质生油潜能较差,更适合形成煤和天然气。但是在一些流水沼泽和分流间湾沼泽,形成的有机质中富含富氢显微组分,具有较强的生油潜力,也可以形成石油,如澳大利亚的吉普斯兰盆地、加拿大的斯科舍盆地、我国的吐哈盆地都在煤系地层找到了石油。

古气候条件

古气候条件也直接影响生物的发育,年平均温度高、日照时间长、空气温度大,都能显著增强生物的繁殖能力。所以,温暖湿润的气候有利于生物的繁殖和发育,是油气生成的有利外界条件之一。

上述各项条件都对形成适于有机质繁殖、堆积、保存的环境产生综合性的影响,相互之间有密切联系。其中大地构造条件是根本的,它控制着岩相古地理及古气候的特征。所以,在研究任何区域的油气生成条件时,必须从区域大地构造特征入手。

烃源岩的地球化学特征

在一个沉积盆地中只有有效的烃源岩才能提供商业油气聚集。作为有效的烃源岩首先必须具备足够数量的有机质、良好的有机质类型,并具有机质向油气演化的过程。

通过对烃源岩的地球化学研究,可以判断哪些岩石具备烃源岩的条件,何种烃源岩才是有效的烃源岩,其生烃能力如何等。

烃源岩的地球化学特征包括三个方面:有机质丰度、有机质类型和有机质演化程度。随着石油地球化学的进展,鉴别和分析烃源岩的方法和技术手段不断发展。以下分别介绍表征烃源岩特征的主要地球化学指标和方法。

有机质丰度

岩石中有足够数量的有机质是形成油气的物质基础,是决定岩石生短能力的主要因素。通常采用有机质丰度来代表岩石中有机质的相对含量,衡量和评价岩石的生烃潜力。日前常用的有机质丰度指标主要包括总有机碳含量(TOC)、氯仿沥青“A”和总烃(HC) 含量和岩石热解生烃潜量等。

总有机碳含量是国内外普遍采用的有机质丰度指标。有机碳是指岩石中除去碳酸盐、石墨等中的无机碳以外的碳。这部分碳包含了岩石中不溶有机质—干酪根中的碳,也包含了岩石中可溶有机质中的碳,故称为总有机碳。因为在烃源岩有机质生成的油气中,有一部分已经排出烃源岩,实验室所测定的是岩石中残留下来的有机质中的碳的数量,故又称为剩余有机碳含量。总有机碳含量以单位质量岩石中有机碳的质量百分数表示。

氯仿沥青“A”是用氯仿从岩石中抽提出来的有机质,也就是能够溶于氯仿的可溶有机质。总烃是指氯仿沥青“A”中的饱和怪和芳香烃组分,氯仿沥青“A”含量和总烃含量也是最常用的有机质丰度指标之一。氯仿沥青“A”含量用其占岩石质量的百分数表示,总烃含量用其占岩石质量的百万分数(10-6 )表示。

岩石热解是一种快速评价是源岩的方法,该方法由法国石油研究院(FPI)提出,研制的相应仪器称为热解仪或岩石评价仪(Rock – Eval) 。
该方法的基本原理是将烃源岩样品放在仪器中加热,对其进行热解,然后根据其生成产温度物的类型和数量来对蜂拥岩进行评价。热解的结果用热解谱图表示。

有机质类型

有机质(干酪根)一般划分为三种类型,即Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型。基本的类型划分是以干酪根元素分析法为基础的,除元素分析方法外,干酪根类型的划分方法还有显微组分分析法和烃源岩热解分析法。

有机质成熟度

沉积岩中有机质的丰度和类型是生成油气的物质基础,但是有机质只有达到一定的热演化程度才能开始大量生烃。勘探实践证明,只有在成熟烃源岩分布区在有较高的油气勘探成功率。所以,烃源岩的成熟度也是决定油气勘探成败攸关的问题。

成熟度是表示沉积有机质向油气转化的热演化程度。由于在烃源岩的演化过程中,烃源岩中的有机质的许多物理性质、化学性质都发生相应的变化,并且这一过程是不可逆的,因而可以应用有机质的某些物理性质和化学组成的变化特点来判断有机质热演化程度,划分有机质演化阶段。为了判断有机质是否达到成熟,是否开始大量生成石油,各国石油地质学家和地球化学家提出了许多衡量有机质成熟作用的指标,例如:镜质体反射率、孢粉碳化程度、热变指数、岩石热解参数、可溶抽提物的化学组成特征(饱和烃成分、碳优势指数CPI、环烷烃指标、生物标志物)、干酪根自由基含量、干酪根的颜色及H/C – O/C 原子比关系,以及时间温度指数(TTL)等。

烃源岩评价

评价烃源岩要从其地质特征和地球化学特征两方面入手。具体步骤如下:

1、根据测、录井及取心资料,并结合基础地质资料在纵向上识别、划分烃源岩;统计各个层位烃源岩的厚度,做出厚度等值线图,指出主要的烃源岩发育区。

2、根据油田上已有的资料以及我们取样、分析化验的资料,分层位做各套烃源岩有机质丰度指标(有机碳(TOC)、总烃(HC)、氯仿沥青“A”和生烃潜量(S1+S2))的等值线图。如要确定生油门限,还要选择典型井做某些指标在剖面上的演化图。

3、根据收集的H/C、O/C资料或热解资料(IH和IO)做范式图,也可以收集类型指数资料,通过做散点图分析各套烃源岩的干酪根类型。

4、收集Ro资料,做平面等值线图,并分析平面上的烃源岩成熟区和生烃中心;选择典型井,做Ro剖面演化图,并指出生烃门限。

5、选择一种方法,计算资源量。

6、综合以上信息在纵向上指出主要的生烃层位,在平面上指出主要的生烃区。

参考资料和贡献者

1.柳广弟主编.石油地质学. 石油工业出版社,2009.P1-3