分散可溶有機質的氣源意義

薛海濤，田善思，盧雙舫，劉 敏，王偉明，王 民

1.中國石油大學(華東)非常規油氣與新能源研究院，山東 青島 2665802.湖南省地質研究所， 長沙 410007

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分散可溶有機質的氣源意義

薛海濤1，田善思1，盧雙舫1，劉 敏2，王偉明1，王 民1

1.中國石油大學(華東)非常規油氣與新能源研究院，山東 青島 266580
2.湖南省地質研究所， 長沙 410007

廣泛分布在烴源巖及輸導通道中的分散可溶有機質作為一種新的氣源逐漸受到重視。分散可溶有機質成氣不僅關系到原油的消耗，還關系到天然氣的資源評價結果，因而定量評價這一過程對油氣勘探有著重要意義。筆者總結對比了傳統成烴模式與考慮分散可溶有機質成氣模式的異同，建立了分散可溶有機質成氣的地質模型，初步計算了塔里木盆地分散可溶有機質的成氣量。指出分散可溶有機質這一氣源使得地層成氣區域突破了烴源巖的分布范圍，成氣中心向構造高部位偏移,成氣期推遲。計算得到塔里木盆地分散可溶有機質成氣模式中源內分散可溶有機質裂解成氣與源外的比例為1∶2.88，在成氣晚期白堊紀末至現今這一階段油裂解成氣量為799 千億m3，是傳統油成氣模式的4.23倍。

分散可溶有機質；源外成氣地質模型；油成氣；成氣期；塔里木盆地

天然氣作為一種優質能源和化工原料的意義正越來越引起人們的重視，隨著對天然氣生成及運移機理研究的逐步深入，對烴類天然氣氣源的研究取得了重要的進展。除生物化學成氣外，干酪根在地質條件下生油、生氣及原油進一步裂解成氣也是大家的共識[1-2]。但在干酪根演化過程中殘留在烴源巖中的有機質和從烴源巖中運移出來且未形成聚集油氣藏的可溶有機質——分散可溶有機質，在高演化階段轉化成為新氣源的研究沒有引起重視。有學者[3-4]研究認為分散可溶有機質可以成氣，并且可以成為重要氣源。

在地質歷史中，只要沉積有機質具有合適的生烴條件，就會有油氣的生成。生成的原油在地層中除了以油藏(古油藏)這些聚集形式存在外，還有一部分為分散可溶有機質。分散可溶有機質概念的提出，豐富了天然氣形成的地質理論，為天然氣的勘探開發、資源評價提供了新的思路。學者們[5-11]陸續開展了分散可溶有機質成氣作用的探索性研究工作，探討了不同地質環境下分散液態烴的成氣規律[12-13]，厘定了分散可溶有機質的有效生氣豐度下限[9]，找出了判別滯留液態烴成氣的鑒別標志物[14]。筆者應用化學動力學方法，對分散可溶有機質的成氣量與成氣期進行了定量評價。研究表明，與傳統方法相比，考慮分散可溶有機質可以使成氣中心向構造高部位偏移、成氣期推遲。

1 分散可溶有機質成氣模式

傳統天然氣資源評價方法在烴源巖內同時評價了干酪根直接裂解成氣量和干酪根成油后油二次裂解成氣量(圖1a)。這一方法是建立在干酪根成油后，油沒有運移出源巖(或即使離開源巖也沒有發生較大的位移)的理解上，即認為干酪根所形成的原油與源巖內的干酪根經歷了相同的沉積埋藏史和熱史。而實際上，有相當一部分原油從烴源巖中運移出來后，在運移的過程中于輸導層存留下來(圖1b)。在不同時期運移到不同位置的可溶有機質隨著所在地層的埋深裂解成氣，而其所經歷的沉積埋藏史和熱史會與烴源巖內殘留的分散可溶有機質存在較大差異。

從天然氣的有機來源來說，可以分為干酪根直接成氣和干酪根間接成氣兩種來源。對于干酪根直接成氣這部分天然氣的評價，現有的評價方法已比較完善;但對于間接成因的天然氣，即干酪根的非天然氣產物再次裂解成氣，評價較為困難，主要原因是大部分間接成因氣的“母質”是流體，在地質條件下是可運移的，由于“母質”的可流動性，改變了“母質”的溫壓史，直接影響“母質”裂解成氣。所以對于間接成因氣的評價存在著較大的困難，而問題的關鍵是如何預測“母質”的動態分布。

假設源巖生成原油自源巖頂分別上升1、2、3、4、5和6 km并保存下來(圖2a)，以滿參1井沉積埋藏史和熱史為例，應用化學動力學方法[15-16]計算得到相應各層位油裂解成氣轉化率曲線(圖2b)。可以看出，不同情況下油裂解成氣史存在明顯差異。如：上升4 km時，最大油成氣轉化率為65%，上升0 m(即傳統方法干酪根生成的油都在烴源巖內裂解)時最大油成氣轉化率為95%以上；上升4 km時，主力生氣期為230 Ma——現今，上升0 m時，主力生氣期為460～440 Ma。顯然，原油從烴源巖中運移出來向上運移至某一層位存留下來是符合地質實際的，即圖2a中所做的假設是有合理性的。從相同源巖同時運移至不同深度的油裂解成氣轉化率來看，油氣向上運移至不同深度能夠大大地推后油成氣期并影響油成氣量。如油氣向上運移了5 km后，油成氣轉化率在50 Ma以來迅速增大到40%～50%，屬于晚期成氣，對天然氣成藏極為有利。

a.傳統模式；b.應用分散可溶有機質成氣機理模式。圖1 有機質成烴模式對比圖Fig.1 Contrast diagram of hydrocarbon-generating model for organic matter

圖2 同一層位生成的油氣運移不同高度后油裂解成氣模式(a)及其成油史(b)Fig.2 Model for oil cracking (a) and the history of oil generation (b) from different height steming from the same horizon

2 分散可溶有機質成氣定量評價方法

分散可溶有機質(瀝青“A”)通常有2種賦存形式：一種是與不溶有機質共存，從沉積初始到有機質演化的終結，均未離開不溶有機質(干酪根)的賦存地質體(烴源巖)，包括原生瀝青和演化過程中形成但未脫離母體的可溶有機質[9]。演化過程中形成但未脫離母體的可溶有機質則是傳統油成氣的主要來源，可用傳統方法進行評價，此部分有機質在“接力生氣”模式[3]中稱為源內分散可溶有機質。另一種是隨著演化程度的增加，由不溶有機質或原生瀝青形成的可溶有機質，經過排烴、運移等過程脫離源巖后，部分聚集成藏以聚集型可溶有機質油藏形式存在，而大部分則分散在運移途中(輸導通道中)，或通過各種過程散失[9]。李明誠[17]研究表明有90%以上的烴類在運移過程中滯留或者散失。

烴源巖生成的油會發生初次運移進入到輸導層中，進而向上或側向發生二次運移。總會有一部分沿著地層上傾方向側向運移至淺處，以分散可溶有機質形式賦存，在地質條件下這是一種常見現象。隨著埋藏深度的繼續加深，這部分油也會裂解成氣。生氣的層位并不局限在烴源巖層系，平面上的成氣范圍也可能超出烴源巖的分布范圍。上述情況就導致了成氣中心向構造高部位偏移的現象。這在傳統天然氣資源評價研究中并未體現。也就是說人們一直在忽視分散可溶有機質對成氣中心的影響。

分散可溶有機質成氣研究在天然氣資源評價中具有重要的地質意義。但如何評價地層中分散可溶有機質量、其在成氣特征上與干酪根成氣和油成氣有什么區別，以及其在天然氣藏中的貢獻率等問題一直是制約該研究領域發展的瓶頸。

地下油氣總是處于不斷供給和散失的過程中，源巖生成的油氣不斷地向儲層充注，儲層中的油氣不斷散失。但大量的油氣充注是幕式的，即大量的油氣充注主要發生在油氣大量生成和大的構造運動時期。圖3給出了油氣充注及其裂解的模式，并通過該模型建立了計算源外分散可溶有機質的數學模型：

式中：xj為第j個時期生油百分比；KOj為第i個時期干酪根生油量；KO為干酪根總生油量；Tri,j為第j個時期充注的油到第i個時期的油成氣轉化率；S1充總為到現今累計充注油量；S1充i為到第i個時期累計充注油量；S1殘總為現今殘留油量；S1殘i為第i個時期的殘留油量；OXGi為第i個時期油成氣量；n為總時期數。

在建立該數學模型過程中，對地質情況進行了簡化：

1)各時期生油量與總生油的比例，同各時期向各層源外充注油量與該層累計充注油量的比例相一致，并沒有考慮到油氣散失的過程。

2)各時期充注的油的性質穩定一致。

圖3 油氣不同時期油氣凈充注及原油裂解模式Fig.3 Oil refrigerant charge and the model for oil cracking in different periods

3 塔里木盆地分散可溶有機質成氣量評價

塔里木海相地層時代老，演化程度偏高，現今多處于高、過成熟演化階段，其間經歷多期構造運動，埋藏史、生烴史、成藏史復雜。海相烴源巖中的干酪根在高、過成熟演化階段生氣潛力較低，油裂解成氣逐漸成為深部優質儲集層的主要氣源。但在塔里木盆地歷次資源評價中，分散可溶有機質成氣的貢獻并沒有體現。本次研究以塔里木盆地下寒武統烴源巖、中寒武統烴源巖、中奧陶統黑土凹組烴源巖、中奧陶統卻爾卻克——薩爾干組烴源巖及上奧陶統良里塔格組——印干組烴源巖這5套海相地層烴源巖為例進行分散可溶有機質成氣研究，烴源巖展布及地化特征見文獻[18-19]。塔里木盆地源巖與儲存內S1殘總與深度的關系如圖4所示。

N為樣品數。圖4 塔里木盆地源巖與儲存內S1殘總與深度的關系圖Fig.4 Relationship between S1殘總 and depth of source rocks and reservoir in Tarim basin

3.1 源內分散可溶有機質成氣計算

源內分散可溶有機質研究主要依據殘留液態烴量來求取各源巖層內實際殘留油量。所謂實際殘留油量是指烴源巖在目前地質條件下實際殘留的油量。它除受巖石殘留液態烴能力的影響外，還受自身生烴量大小的制約。在殘留液態烴的含量低于巖石的飽和殘留烴量之前，源巖層處于“饑餓”狀態，即生烴量基本沒有滿足源巖自身吸附的需要。只有當生烴量大于或等于殘余油臨界飽和量時才開始大量向外排烴，隨深度繼續增加殘留在源巖內的液態烴類開始大量裂解成氣并向源外排出。源內的殘留烴量可以通過最大殘留烴作為原始殘留烴量(圖4a)，然后依據源巖層所經歷的時溫變化，將油成氣過程依據化學動力學原理進行裂解量計算，樣品、化學動力學標定及油成氣計算原理見文獻[20]。該方法能夠得到各時期源內分散可溶有機質裂解成氣量以及裂解強度。計算得到的源內分散可溶有機質累計生氣量為994 千億m3，各時期生氣量見圖5。

圖5 塔里木盆地分散可溶有機質源內源外得到各時期成氣量對比Fig.5 Comparison of different period quantities of gas from dissipated soluble organic matter in or out of source rocks in Tarim basin

3.2 源外分散可溶有機質成氣量計算

通過對油氣二次運移的研究，油氣在輸導層的運移只是發生在局部范圍，即油氣一般通過優勢運移通道進行油氣運移。由于油氣運移過程中的復雜性，在勘探程度低的地區(如塔里木盆地)要準確地刻畫出油氣的優勢運移路徑是比較困難的。但實驗及勘探成果表明，油氣運移的有效空間是有一定比例的，油氣的優勢運移路徑占輸導層的1%～10%[17, 21-23]。本次研究采用簡化模型，依據塔里木盆地運載層系的有效空間系數，估算了塔里木盆地各運載層系的有效運移空間，又統計了6 946塊儲層樣品中殘留烴量隨深度變化的關系(圖4b——d)。統計數據表明，儲集層的最大殘留烴量普遍大于源巖層，另外，不同儲集層的殘留烴最大值的深度表現為下部地層的最大殘留烴量大于上覆地層：寒武——奧陶系殘留烴量最大值對應的深度大約為4 800 m，而志留系最大殘留烴量出現的埋深為4 600～4 700 m，相比之下石炭系最大殘留烴的埋深不足4 000 m，三疊系甚至更淺。各儲集層的殘留烴的高值基本位于一定的深度區間內，即油藏深度范圍，油藏附近是殘留烴的富集區。通過對儲層中殘留烴的包絡線的勾繪，得到各深度最大殘留烴量，以此作為運移通道初始殘留烴量，再依據優勢運移通道的比例(本次取的比例為有效運移通道空間比例的最大值，10%)確定出不同地區殘留烴量。依據該模型，得到現今主要儲層的殘留烴的分布。

由于凹陷區井資料較少，所統計的分散可溶有機質數據基本來自于塔中和塔北地區的油氣井資料，其代表性還存在一定的問題。另外，其他層位對成油也存在一定的貢獻，所以最后給出的分散可溶有機質成氣量為一范圍，即用有效運移通道空間比例范圍算出的成氣量為分散可溶有機質成氣量變化區間。

3.3 分散可溶有機質模式計算海相烴源巖生氣量與常規計算的生烴量對比

通過分散可溶有機質成氣基本原理及分散可溶有機質的分布，計算了分散可溶有機質的強度和成氣的分布。源外分散可溶有機質成氣主要呈現出晚期大量生氣的特點，其中有兩個生氣高峰：①主要為石炭紀——二疊紀末期，其分散可溶有機質生氣量達到1 309 千億m3，油成氣分布較為集中，主要分布在巴楚隆起帶和滿加爾凹陷區及其周邊地區；②白堊紀末——現今階段，由于喜山運動造成的兩大前陸盆地的形成，巨厚的第三系和第四系沉積使得古生界原油大量裂解，提供充足的天然氣成藏物質基礎，該階段分散可溶有機質成氣量達到799 千億m3，其中源外分散可溶有機質成氣量達到759 千億m3。從成藏貢獻來看，塔西南前陸盆地喜山期生氣量大，對成藏貢獻巨大，有利于在該區形成大中型氣田。

對比分析傳統油成氣和分散可溶有機質成氣各時期成氣量發現，源外的分散可溶有機質成氣量較大(有效運移通道空間比例的取值為10%)，為2 864 千億m3，而源內分散可溶有機質累計成氣量為994 千億m3，見圖5。分散可溶有機質累計生氣量為3 857 千億m3，而未考慮油氣運移的傳統油成氣算法得到的油成氣量為5 891 千億m3，但分散可溶有機質各時期成氣量主要的特點是生氣期大大推后，晚期成氣潛力巨大(圖6)。

圖6 塔里木盆地海相原油不同算法得到各時期成氣量對比Fig.6 Comparison of different period quantities of oil cracked gas by defferent algorithms in Tarim basin

從累計源外分散可溶有機質成氣來看，其油裂解成氣主要發生在滿加爾凹陷區和巴楚隆起帶，以及塔西南凹陷區。其中:滿加爾凹陷區最大生氣強度超過20 億萬m3/km2;巴楚隆起帶的生氣強度達到15 億萬m3/ km2，生氣強度也較大，大中型氣田成藏幾率較大。源內油裂解成氣的規律基本與傳統油成氣的演化規律一致，其最大生氣強度達到12 億萬m3/ km2。

從物質平衡的角度來分析，分散可溶有機質成氣模式計算的油成氣量為3.86 百萬億m3(以有效運移通道空間比例的取值為10%計算)，凈油量達到3 028 億t。而傳統油成氣模式計算的油成氣量為5.89 百萬億m3，凈油量為1.74 百萬億t，見圖7。

為便于在圖中對比油氣量，將1 t油換算為1 255 m3氣。圖7 塔里木盆地海相烴源巖不同算法得到生烴量對比圖Fig.7 Comparison of different period hydrocarbon generating from marine source rock by defferent algorithms in Tarim basin

4 結論

1)傳統油成氣模式認為油裂解成氣的埋藏史、熱史與烴源巖一致，而分散可溶有機質成氣模式中油裂解成氣的埋藏史、熱史與烴源巖不同，其生氣總量小于傳統模式，地層生氣區域突破烴源巖分布范圍，生氣中心向構造高部位偏移，主力生氣期隨著油向上運移距離的增加而延后，有利于天然氣晚期成藏。

2)用所建立的地質模型初步計算了塔里木盆地中下寒武統及中上奧陶統5套海相烴源巖生油及油裂解氣量。分散可溶有機質成氣模式中,源內分散可溶有機質裂解成氣與源外的比例為1∶2.88，油裂解成氣總量為3 857 千億m3，是傳統油成氣模式的65.53%;但在成氣晚期白堊紀——現今這個階段，油裂解成氣量為799 千億m3，是傳統油成氣模式的4.23倍。

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Significance of Dissipated Soluble Organic Matter as Gas Source

Xue Haitao1, Tian Shansi1, Lu Shuangfang1, Liu Min2, Wang Weiming1, Wang Min1

1.ResearchInstituteofUnconventionalPetroleumandNewEnergyResources,ChinaUniversityofPetroleum,
Qingdao266580,Shandong,China
2.HunanInstituteofGeology,Changsha410007,China

With the gradual deepening of the natural gas generation and migration mechanism, the dissipated soluble organic matter, which was residual in the source rock and migrated outside the source rocks and didn’t form the gathered oil and gas reservoirs in the evolutionary process of kerogen, is gradually getting more attention as a new gas source. The dispersed soluble organic matter into gas is not only related to the consumption of crude oil, but also related to the results of the natural gas resource evaluation, and thus the quantitative evaluation is of great significance to the oil and gas exploration. We summarized and compared the differences between traditional mode of hydrocarbon generation and the dissipated soluble organic matter into gas mode, and established a geological model of the dissipated soluble organic matter into gas, then gave a preliminary calculation of the dissipated soluble organic matter into gas in Tarim basin. And just because of the existence of this gas source, gas generation area is beyond the distribution range of hydrocarbon source rocks. Besides, for this reason, gas generation center migrates to high positions of structures and the period of gas generation is also been put off. By the calculation, the proportion of the dispersed soluble organic matter into gas in the Tarim basin between the source and outside source is 1 to 2.88. The volume of the oil-cracked gas, which is generated on the period between the Late Cretaceous and now days, is 799 hundred billion stere, which is 4.23 times of the traditional oil into gas mode.

dissipated soluble organic matter; geological model of gas generation outside source; oil-cracked gas; period of gas generation; Tarim basin

10.13278/j.cnki.jjuese.201501105.

2014-05-05

國家科技重大專項項目(2011ZX05004-001); 國家“973”計劃項目(2014CB239005); 中央高校基本科研業務費專項項目(14CX05012A)

薛海濤(1975——)，男，教授，主要從事油氣地球化學教學與科研工作，E-mail:sea1999101@sina.com。

10.13278/j.cnki.jjuese.201501105

P618.13

A

薛海濤，田善思，盧雙舫，等. 分散可溶有機質的氣源意義.吉林大學學報:地球科學版,2015,45(1):52-60.

Xue Haitao, Tian Shansi, Lu Shuangfang, et al. Significance of Dissipated Soluble Organic Matter as Gas Source.Journal of Jilin University:Earth Science Edition,2015,45(1):52-60.doi:10.13278/j.cnki.jjuese.201501105.