關于碳酸鹽巖生油潛力的研究

2012-07-04 08:02:42耿進衛

河北工程大學學報(自然科學版) 2012年1期

謝青，江寬，耿進衛

(1.西安石油大學油氣資源學院，陜西西安710065;2.中國石油西部管道公司，新疆烏魯木齊830012)

曾經人們認為碳酸鹽巖沒有生油能力，但是近年來隨著大量碳酸巖油氣田的發現證明，碳酸鹽巖不但能夠生油，而且還有很強的生油能力。碳酸鹽巖不僅是一種重要的儲集巖，還是一種特別重要的生油巖[1－3]。全球碳酸鹽巖覆蓋面積為沉積總面的1/5。碳酸鹽巖中含有世界上50%或50%以上的油氣儲量。同時，更為可觀的是全球許多大油田中約有40%的石油產自碳酸巖內，其中有許多油藏都是由碳酸鹽巖所形成。尤其是近年來隨著石油需求量的增加和勘探步伐的加快，人們對碳酸鹽巖的研究更為關注。對碳酸鹽巖的研究也是未來油氣勘探發展的大趨勢。本文就碳酸鹽巖生油條件來談論碳酸鹽巖的生油潛力。

1 沉積環境及富存的有機質

一般而言，碳酸鹽巖主要形成在溫暖氣候條件下、清潔、淺海環境中。在這里化學、生物化學、機械等作用共存，有利于海洋生物的大量繁殖，尤其是在光合作用強的海域大量藻類生成。這些生物藻類死亡后會產生大量的骨骼、骨屑，這就為碳酸鹽巖的形成提供了豐富的物質來源[4]。若其盆地所處地帶氣候干燥，蒸發量大，為還原、蒸發盆地，還會形成大量的膏鹽、鹽巖等蒸發巖類，作為其有利的封蓋條件，因而在這種環境下生成碳酸鹽巖以及其生烴的條件也就相對充足。但其在半深海和深海環境中也有較廣泛分布，這里只談論淺海海洋環境(水深小于200 m，包括潮坪、潮溝、潮汐三角洲瀉湖等淺水海洋和淺海陸棚環境)的碳酸鹽巖生油。

1.1 碳酸鹽內沉積物有機質來源

碳酸鹽巖沉積物有機質類型豐富多樣，主要來自于海洋，如一些灰泥、灰砂、灰粉砂、鮞粒等陸棚堆積，礁、生物礁等碎屑沉積物，但大多數都是生物成因的，這也是泥質生油巖無法比擬的，尤其是其所含的大量生物和遺跡化石更是其獨特之處。目前研究結果表明，類脂化合物、氨基化合物、色素、碳水化合物等有機化合物是碳酸鹽巖生成石油的母質，而一切生物都包含這些組分[4]。尤其是碳酸巖中含有豐富的藻類物質是其良好的生油母。這也充分說明了如果沒有充足的、豐富、質量良好的、適于碳酸鹽巖生烴的有機物質，全球是不會形成如此之多大型碳酸鹽巖油氣田的。也即證明了碳酸鹽巖的生油潛力是不比泥質巖差或比其潛力更大。

1.2 碳酸鹽巖內有機質含量

據有關資料和實驗研究證明碳酸鹽巖中的有機質豐度相對較低，這是因為作為有機質豐度指標之一的有機碳含量(TOC)相對較低。通過大量實踐和資料可知，全球范疇內的碳酸鹽巖有機碳含量都相對較低，且碳酸鹽巖烴源巖的有機碳下限值比泥頁巖還要低[5]。目前國內外關于碳酸鹽巖中的有機碳含量的下限值爭論較多。但我國大多數學者認為其下限值為0.05% －0.12%。我國海相碳酸鹽巖多數屬于高－過成熟階段，我國學者(陳丕濟等)通過大量研究，認為高－過成熟碳酸鹽烴源巖的有機碳下限值應采用0.1% －0.2%[6]。國外許多學者曾經提出碳酸鹽巖有機碳含量下限要遠低于泥巖，例如J.M.亨特曾出某地區灰巖“即使只有0.19%的平均有機碳含量也比得上含有 1.5% 有機碳的頁巖”[7－8]，筆者認為碳酸鹽巖內的有機碳含量相對較低這是共識，但是對于此的定義不能一概而論，還要結合某地區的具體情況而定。雖然碳酸鹽巖中的有機碳含量相對較低，但是已有實驗研究證明其生烴潛力要比粘土、泥頁高，這是因為碳酸鹽巖內干酪根的催化生烴效率相對高，碳酸鹽巖吸附有機質的能力比泥巖低，而排烴效率比泥巖要高[5，9]。也就是說，在其它條件相同的情況下，碳酸鹽巖比其它生油鹽更有利于形成有經濟價值的油氣藏。尤其是隨著熱演化程度的升高，碳酸鹽巖油氣源巖在過成熟階段時，產烴率增加，烴類產物由油相液態烴向濕氣和干氣相氣態烴轉化，它的有機碳含量下限值一定低于其作為油源巖的，因而此時也更有利于形成大的氣藏。這也是碳酸鹽巖比泥頁巖等粘土巖生烴的優越之處。

氯仿瀝青“A”含量也是其有機質含量衡量指標之一，J.M.亨特分析了大量的數據，碳酸巖內的氯仿瀝青“A”含量400 PPm，而頁巖平均瀝青含量為600 PPm，我國西南地區較好的碳酸巖生油層“A”含量在50－500 PPm，考慮到地表樣品比地下樣品含量一般要低，因此湖北石油地質研究大隊提出碳酸巖的“A”含量達到10－100 PPm時，即認為有一定的生油潛力，周天駒、黃醒漢等學者分析華北碳酸巖可能有利的生油層的樣品其“A”含量均在20 PPm以上(如表1)。

表1 碳酸巖與泥質巖有機質含量對比表(據周天駒，黃醒漢)Tab.1 The contrast table of the organic matter content between carbonate rock and shale rock(according to ZhouTian－ju，Huang Xing－han)

2 有機質生烴作用及轉化條件

碳酸鹽巖相對于其它巖類固結成巖早，這難免很多人認為在其早期，碳酸鹽巖內的有機質(尤其是蛋白質)在結晶時發生水解，有機質大部分被散失…如果是這樣的話世界上也就不會有碳酸鹽巖大油氣田了。其實大多數有機質烴類是可以產生在碳酸鹽中，并由早期的成巖作用保存封閉起來[10]。這是因為碳酸鹽巖早期成巖作用主要包括膠結和重結晶作用，其成巖作用相對較快，如沉積水由石灰巖沉積物運移時間應相對早，深度間距也較小，這就使得水流攜帶部分烴類有機質到圈閉中去，加之早期的成巖作用就使得大部分的烴類就被封存在碳酸鹽巖內(Holl－mann，1962)。尤其在干旱氣候條件下，會有大量的蒸發巖產生，形成一種“巖帽”覆蓋其上，其保存條件就可想而知了。碳酸鹽巖沉積物的另一個優勢是沉積速度相對較慢，這主要是因為淺海碳酸鹽巖多數形成于高能環境中，水體受到動蕩，沉積物沉積速度較慢。例如沉積在廣闊陸棚淺海地區的碳酸鹽巖，由于沉積速度較慢，海洋生物有機質的肉質部分受到長時間的破壞，后來在其殼體內留下的有機質多數是蛋白質。在不太普遍的蒸發盆地內，多數的有機質保存下來。

同時，碳酸鹽巖沉積物多數是在原地沉積的，或很少被短距離搬運，不像粘土碎屑沉積物被長距離搬運后再固結成巖，這就降低了其由于長距離的搬運而造成沉積物有機質的損失。沉積物在原地產生在原地沉積，也即是說碳酸鹽巖中烴類是在原地生成的，這也是許多大型碳酸鹽巖油氣田得已形成的有利證據，這也是眾多學者所說的碳酸鹽巖的“自生性”多數油氣田勘探實踐也已經表明，歐文(Owen，1964)提出根據許多碳酸鹽巖油氣田的地層、構造特征證明其內的烴類確實是原地生成的。例如，中東地區伊朗、沙特阿拉伯國家、美國的威利斯頓、中國的塔里木盆地、四川盆地等碳酸鹽巖油氣田等。

碳酸鹽巖中含有很少或不含有粘土物質，因而催化作用對碳酸鹽巖烴類的產生沒有影響或影響很弱，這就很明顯地降低了其內有機質的轉化成烴類的強度。然而通過眾多學者的研究可知，溫度在碳酸鹽巖有機質轉化中擔當了非常重要的角色。要使溫度發揮作用，其沉積物就需要適當的埋藏深度和相對較長的地質時間。但是溫度很高也不行，因為當溫度升高超過油氣保存溫度上限時，油氣生成作用就會停止，且已經形成的油氣也將遭到破壞[11]。根據世界多數學者通過對大量油田的研究認為，即碳酸鹽巖中油氣生成需要的溫度在60℃ －150℃之間，這也是其烴類產生晚的重要原因[12](如圖 1)。

碳酸鹽巖的有機質分布呈分散狀態，其狀態分為均一和不均一兩類。這里只說不均一的分散有機質。此種不均一性在成巖過程中表現的尤其明顯，碳酸鹽巖成巖過程中，由于其特有的晶析作用，可使 80% 以上的有機質在原產地損失[3，13]。這些析出的有機質，富集于鄰近的裂縫、孔洞帶，或富含泥質的隱晶、微晶質泥灰巖及泥質灰巖中。這種晶析作用使碳酸鹽巖中的一部分有機質轉化成非源巖，同時使碳酸鹽源巖內的有機質不均一地富集。碳酸鹽巖源巖有機質這種特殊富集過程和賦存狀態是其高效成烴、排烴的基本有利條件[5]。

雖然壓實作用對碳酸鹽巖產生的作用影響不大，但壓溶作用對其產生的影響卻是非常重要的，壓溶作用可以使碳酸鹽巖產生縫合線[14]。縫合線縫可能被碳酸鹽巖碎屑物所充填，這就使得本來有機碳含量很低的碳酸鹽有機質在縫合線內集中起來，形成了相對高的有機質豐度的填隙物。其中有機質和泥質含量要明顯高于純碳酸鹽巖，因而縫合線縫隙物具有很強的排烴動力和較高排烴效率，使其生成的烴類大部分被排出。這也是碳酸鹽巖生油潛力高的重要條件之一。