在對烴源巖的研究中，通常要從有機質(zhì)數(shù)量、有機質(zhì)類型和有機質(zhì)成熟度等三個方面對其做出定性和定量評價。

( 一) 有機質(zhì)的數(shù)量

有機質(zhì)的數(shù)量包括有機質(zhì)的豐度和烴源巖的體積。有機質(zhì)豐度是烴源巖啟冊洞評價的第一位標志，其主要指標為有機碳、氯仿瀝青 A 和總烴的百分含量。但是這些指標都只反映烴源巖排烴后殘留的有機質(zhì)豐度，它是否能基本代表母巖原始的有機質(zhì)豐度尚不得而知。據(jù)研究，有機質(zhì)生烴轉(zhuǎn)化率最高可達 40% ，失重量可達 60% ～70% ，但是母巖在成熟階段轉(zhuǎn)化率一般為5% ～10% ，很少超過 20% ，排烴率大多小于 10% ，最高可達 50% 。按排烴率 50% 計算，排出的烴類僅占總有機質(zhì)的 2. 5% ～ 10% ，殘余在烴源巖中的有機質(zhì)仍高達 90% ～97. 5% 。在過成熟階段，有機質(zhì)可有 30% 以上轉(zhuǎn)化為氣態(tài)烴，按排烴率 70% 估算，母巖中殘留的有機質(zhì)仍有80% 左右。因此，殘余有機質(zhì)的豐度基本能相對反映原始有機質(zhì)的豐度。當然對于成熟度和排烴效率都較高的烴源巖最好能進行原始有機質(zhì)豐度的恢復。

在沉積巖中，碳以碳酸鹽碳 ( 或氧化碳) 和非碳酸鹽姿拍碳 ( 或還原碳，有機碳) 兩種形式存在。沉積巖中有機碳約占 18% ，而氧化碳占 82% 。有機碳與生物活動有關(guān)，在組成生物體的 C、H、O、N、S 五種主要元素成分中，碳的含量最高、最穩(wěn)定。因此有機碳的含量能夠代表有機質(zhì)的數(shù)量。

暗色泥巖的有機碳含量一般不超過 15% ，但作為烴源巖，確定其有機碳下限值尤為重要。討論烴源巖有機碳下限值，常引用的經(jīng)典實例是 Ронов ( 1958) 對俄羅斯地臺油氣分布與有機質(zhì)含量關(guān)系的研究。他通過上千塊海相上泥盆統(tǒng)頁巖的有機碳分析，證明油田集中于有機碳含量為 0. 5% ～5% 的古比雪夫和烏法地區(qū)，而在有機碳含量為 0. 5% 左右的薩拉托夫和基輔地區(qū)發(fā)現(xiàn)了一些氣田，在有機碳 ＜0. 25% 的其他地區(qū)，則沒有泥盆紀的油氣田 ( 圖 5 －36) 。Pонов 發(fā)現(xiàn)，在含油區(qū)細粒粘土巖的有機碳平均含量比非含油區(qū)幾悄枯乎高 3 倍，為 1. 37% ，其有機碳含量下限值為 0. 5% 。

原地質(zhì)礦產(chǎn)部無錫石油地質(zhì)中心實驗室 ( 1980) ，根據(jù)研究也將中國陸相泥質(zhì)油源巖的有機碳下限值定為 0. 5% ，中國石油勘探開發(fā)研究院的胡見義和黃第藩 ( 1991) 提出了中國陸相泥質(zhì)油源巖的評價標準，并把有機碳下限值定為 0. 4% ( 表 5 －6) 。對咸湖環(huán)境形成的泥質(zhì)油源巖，其有機碳含量下限應適當降低至 0. 3% 。

圖 5 －36 俄羅斯地臺上泥盆統(tǒng)有機碳含量( 據(jù) Ронов，1958)

Gehman ( 1962) 對碳酸鹽巖中的有機質(zhì)進行了綜合性研究，對世界各地約 1400個樣品的分析表明，碳酸鹽巖中的平均有機碳含量比頁巖低得多，前者為 0. 2% ，而后者為 0. 94% 。但它們的烴類平均含量卻相近，約 100mg/L。根據(jù) Gehman 的調(diào)查，Tissot 認為碳酸鹽巖的有機碳含量下限值可定為0. 3% ，甚至有學者認為可低至0. 1% 。

對巖石進行氯仿抽提可得到氯仿瀝青A 含量，然后將抽提物進行色層分離可得到總烴含量，它們也能反映巖石中有機質(zhì)的豐度，其評價標準參考表 5 －6。

表 5 －6 中國陸相油源巖評價標準

并非烴源巖的有機碳含量愈高，生烴愈大，這是因為它還取決于有機質(zhì)的類型和成熟度。氯仿瀝青 A 和總烴含量也明顯受有機質(zhì)類型和成熟度的影響。因此，評價烴源巖還需研究有機質(zhì)的類型及其演化。

( 二) 有機質(zhì)的類型

烴源巖中有機質(zhì)的類型不同，其生烴潛力、產(chǎn)物的類型及性質(zhì)也不同，生油門限值和生烴過程也有一定差別。

有機質(zhì)的類型常從不溶有機質(zhì) ( 干酪根) 和可溶有機質(zhì) ( 瀝青) 的性質(zhì)和組成來加以區(qū)分。干酪根類型的確定是有機質(zhì)類型研究的主體，常用的研究方法有元素分析、光學分析、紅外光譜分析以及巖石熱解分析等。另外可溶瀝青的研究也普遍受到重視。

圖5－37 黃驊坳陷烴源巖元素分析圖(據(jù)盧松年，1989)

1.元素分析

干酪根元素分析是從化學性質(zhì)和本質(zhì)上來把握其類型的。Tissot和Durand等(1974)根據(jù)干酪根的元素組成分析，利用范氏(VanKrevelen)圖上H/C和O/C原子比的演化路線將干酪根分為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型。Ⅰ型為細菌改造的藻質(zhì)型，Ⅱ型為腐泥型，Ⅲ型為腐殖型。另外，還分出Ⅳ型為殘余型，它們的主要特征在干酪根中已述。另外，Hunt(1991)根據(jù)干酪根中的硫含量，將Ⅱ型干酪根進一步劃分為4種類型。

從全球來看，石油主要源于腐泥型或腐泥型與腐殖型過渡的有機質(zhì)，而腐殖型有機質(zhì)則主要生成天然氣。腐殖煤屬腐殖型有機質(zhì)，個別來自腐殖煤的輕質(zhì)油，往往與煤中的殼質(zhì)組和富氫鏡質(zhì)組有關(guān)。

圖5－38 巖樣熱解分析記錄和應用(據(jù)Espitalié等，1974)

我國陸相烴源巖中干酪根類型的劃分方案較多，比較通用的方案是:Ⅰ型為腐泥型(包括Tissot的Ⅰ型和Ⅱ型，陸相湖盆藻質(zhì)型少)，Ⅲ型為腐殖型，Ⅱ型為混合型中的中間型，Ⅱ1型為腐殖腐泥型，Ⅱ2型為腐泥腐殖型(圖5－37)。另外，還有Ⅳ型為煤質(zhì)型，相當于Tissot的殘余型。

2.光學分析

在顯微鏡下對干酪根進行光學分析是從光學性質(zhì)上和形貌上把握其類型。光學分析方法包括孢粉學法和煤巖學法。

孢粉學法是按干酪根在透射光下的微觀結(jié)構(gòu)，將其分成藻質(zhì)、絮質(zhì)(無定形)、草質(zhì)、本質(zhì)和煤質(zhì)，其中前3種為腐泥型有機質(zhì)，后2種為腐殖型和殘余型有機質(zhì)。煤巖學法是將干酪根的顯微組成分為殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，其中殼質(zhì)組為腐泥型有機質(zhì)，多數(shù)鏡質(zhì)組為腐殖型有機質(zhì)，惰質(zhì)組為煤質(zhì)型有機質(zhì)。認識上述各種微觀組分，有利于理解過渡類型干酪根的組成。

3.巖石熱解分析

Espitalié等(1977)發(fā)展了一種快速評價烴源巖特征的熱解方法，即烴源巖評價儀(Rock—Eval)，它是用巖石熱解分析儀直接從巖樣中測出所含的吸附烴(S1)、干酪根熱解烴(S2)和二氧化碳(S3)與水等含氧揮發(fā)物以及相應的溫度，溫度可逐步加熱到550℃(圖5－38)。

氫指數(shù)(S2/有機碳，IH)和氧指數(shù)(S3/有機碳，IO)與干酪根元素組成分析能進行很好的對比。因此，可利用這兩個指數(shù)繪制范氏圖確定烴源巖中有機質(zhì)的類型(圖5－39)。

各種干酪根的分類和特征綜合在表5－7中。

需要指出，確定干酪根的類型應選擇未成熟或低成熟的樣品進行分析，尤其是采用有關(guān)化學分析的方法。這是因為有機質(zhì)的成熟度過高會模糊不同類型干酪根之間的差異。

表5－7 烴源巖中的干酪根分類

圖5－39 氫指數(shù)和氧指數(shù)確定烴源巖類型(據(jù)Espitalié等，1974)

4.可溶瀝青分析

可溶瀝青的研究也能反映烴源巖中有機質(zhì)的類型，較常用的參數(shù)如下:

1)烴源巖氯仿抽提物中組分組成特征，如飽和烴/芳烴。

2)飽和烴氣相色譜特征，包括主峰碳位置和峰型等。如正烷烴主峰碳在C25—C33的后峰型，反映原始有機質(zhì)為陸源高等植物輸入;主峰碳在C15—C19的前峰型，反映母質(zhì)來源于水生低等生物;雙峰型反映母質(zhì)具有低等生物和高等植物的混合來源。還有姥鮫烷/植烷可反映有機質(zhì)的形成環(huán)境。但這種方法基本不適用具有較高成熟度的母巖。

3)色譜－質(zhì)譜分析可鑒定甾類和萜類等生物標志化合物的種類和數(shù)量，這對判斷母質(zhì)的來源也有重要意義。如C27甾烷主要來自浮游生物，而C22甾烷主要來自陸源高等植物，萜烷中的伽馬蠟烷源于細菌，奧利烷和羽扇烷系列反映高等植物輸入等。

(三) 有機質(zhì)的成熟度

有機質(zhì)的成熟度是表征其成烴有效性和產(chǎn)物性質(zhì)的重要參數(shù)。它是指在有機質(zhì)所經(jīng)歷的埋藏時間內(nèi)，由于增溫作用所引起的各種變化。當有機質(zhì)達到或超過溫度和時間相互作用的門限值時，干酪根才進入成熟并開始在熱力作用下大量生成烴類。而未成熟的有機質(zhì)主要生成生物成因氣，有時可生成少量液態(tài)烴。評價有機質(zhì)成熟度的方法有多種，其中常用且較有效的方法有:鏡質(zhì)體反射率(Ro)法、孢粉和干酪根的顏色法、巖石熱解法、可溶有機質(zhì)的化學法。另外，還可應用多種成熟度標尺和TTI等預測方法來估算烴源巖中有機質(zhì)的成熟度。

1.鏡質(zhì)體反射率法

鏡質(zhì)體反射率也稱鏡煤反射率(Ro)，它是溫度和有效加熱時間的函數(shù)且具不可逆性，所以它是確定煤化作用階段的最佳參數(shù)之一。1969年以來鏡質(zhì)體反射率被廣泛應用于頁巖和其他巖石中分散有機質(zhì)的測定中，它亦成為確定干酪根成熟度的一種最有效的指標。

鏡質(zhì)體反射率可定義為光線垂直入射時，反射光強度與入射光強度的百分比。鏡質(zhì)體反射率的主要類型有最大(Rmax)、最小(Rmin)和隨機(Re)3種，前兩種是在垂直和平行層面的定向切片樣品上測定的。鏡質(zhì)體反射率可在空氣中和油浸條件下測定，分別表示為Ra和Ro，每個樣品需測定20～50個點計算出平均值。油氣地質(zhì)研究中常用油浸隨機的鏡質(zhì)體反射率，用Ro表示。有時也用油浸最大和最小的鏡質(zhì)體反射率，分別用Romax和Romin表示。

圖5－40 盧森堡中里阿斯統(tǒng)頁巖有機質(zhì)不同組分反射率分布直方圖(據(jù)Hagermann，1978)

圖5－41 鏡質(zhì)體反射率確定油氣近似界限(據(jù)Tissot，1978)

在煤巖顯微組成中，鏡質(zhì)組最豐富，反射率居中，而殼質(zhì)組反射率低，惰質(zhì)組最高(圖5－40)。鏡質(zhì)體反射率隨成熟度而增加，這是因為，從化學結(jié)構(gòu)看鏡質(zhì)組由縮合芳環(huán)束組成，隨著成熟度的增加，芳環(huán)束逐漸結(jié)合成更大和更規(guī)則的縮合芳香頁片，定向有序排列，故引起其反射率升高。Dow(1977)提出鏡質(zhì)體反射率的對數(shù)值(lgRo)與埋深呈線性關(guān)系。干酪根的類型不同，其各成熟階段Ro值也有一定差別，如圖5－41所示。Ro＜0.5%～0.7%為成巖作用階段，生的烴未成熟;0.5%～0.7%＜Ro＜1.1%～1.3%為深成作用階段的成油主帶;1.1%～1.3%＜Ro＜2%為深成作用階段的高成熟凝析油和濕氣帶;Ro＞2%為準變質(zhì)作用階段，為只產(chǎn)甲烷的干氣帶。

鏡煤反射率法的缺點是腐泥型干酪根中缺乏鏡質(zhì)組。另外還需注意富氫鏡質(zhì)組、再沉積的鏡煤和構(gòu)造運動以及火成巖的影響。用Ro表征成熟度方法，主要限于晚古生代以來碎屑巖系。

2.孢粉和干酪根顏色法

在顯微鏡透射光下，孢子、花粉和其他微體化石隨成熟度作用的增強而顯不同顏色。未成熟階段為淺黃至黃色，成熟階段為褐黃至棕色，過成熟階段為深棕至黑色。Staplin(1969)和Correia(1971)提出了熱變指數(shù)(TAI);Barnard(1977)提出了色變指數(shù)(CAI)。

干酪根顏色的應用實例如圖5－42所示，加拿大不列顛哥倫比亞省和鄰近的西北中泥盆統(tǒng)碳酸鹽巖，只產(chǎn)干氣，而石油和濕氣則產(chǎn)自東部的西北阿爾伯特。干酪根顏色的變化反映了因埋藏歷史不同而引起的成熟度差異。

圖5－42 成熟度與干酪根顏色的關(guān)系(據(jù)Staplin，1969)

3.巖石熱解法

利用巖石熱解分析資料中S1/(S1+S2)和熱解峰溫Tmax(℃)兩個參數(shù)可確定烴源巖的未成熟帶、成油帶和成氣帶(圖5－43)。采用巖石熱解法確定的界限，也會因干酪根的類型不同而異，需配合氫指數(shù)(IH)和氧指數(shù)(IO)以及其他方法給出的類型參數(shù)分析。

4.可溶有機質(zhì)的化學法

(1)演化曲線

根據(jù)氯仿瀝青A、總烴含量和氯仿瀝青A/有機碳、總烴/有機碳等轉(zhuǎn)化率繪制隨深度的演化曲線，這些曲線可反映有機質(zhì)的成熟度隨深度的變化。

(2) C2—C6輕烴

C2—C8輕烴數(shù)量和組成能很好地判斷烴源巖中有機質(zhì)的成熟度。因為，C2—C8不是生物合成的，而是干酪根熱降解的產(chǎn)物。C2—C8中的烷烴、環(huán)烷烴和芳烴的相對含量隨成熟度的增加而發(fā)生有規(guī)律的變化，如庚烷值=正庚烷/(80.7～100.9℃之間C7—C8的鏈烷烴和環(huán)烷烴的餾分)×100%與溫度作圖則有正相關(guān)關(guān)系(圖5－44)。而異庚烷值=(2－甲基己烷+3－甲基己烷)/二甲基戊烷，也與溫度有正相關(guān)性。

圖5－43 利用巖石熱解分析資料中S1/(S1+S2)和熱解峰溫Tmax(℃)確定烴源巖的成熟度(據(jù)Espitalié等，1977)

圖5－44 墨西哥五口非生產(chǎn)井的庚烷值與最大溫度的關(guān)系(據(jù)Thompson，1979)

圖5－45 沉積物和原油的碳優(yōu)勢指數(shù)的分布(據(jù)Bray＆Evens，1965)

(3) C+15烴類

Bray和Evens(1965)研究了近代沉積、古代沉積和原油中C+15奇數(shù)碳和偶數(shù)碳正烷烴的分布，發(fā)現(xiàn)有明顯的差別(圖5－45)。在近代沉積物中，C+15正烷烴主要來源于高等植物的蠟，具有明顯的奇數(shù)碳優(yōu)勢。在古代成熟烴源巖和石油中，干酪根熱降解的烷烴不具此優(yōu)勢，因而奇碳優(yōu)勢逐漸消失，一般認為，生油高峰期，已不再有奇碳優(yōu)勢。

Bray和Evens(1965)提出了碳優(yōu)勢指數(shù)(CPI):

石油與天然氣地質(zhì)學

Philippi(1965)提出了C29正構(gòu)烷烴優(yōu)勢指數(shù):

石油與天然氣地質(zhì)學

Scalan和Smith(1970)提出了5個碳數(shù)區(qū)間的奇偶優(yōu)勢指數(shù)(OEP):

石油與天然氣地質(zhì)學

隨著有機質(zhì)成熟度的增加，上述CPI、R29和OEP值愈來愈接近1，并趨于穩(wěn)定。

(4)環(huán)烷烴

隨埋深的增加，環(huán)烷烴的環(huán)數(shù)從以三－四環(huán)為主變?yōu)橐詥危p環(huán)為主。

(5)生物標志化合物

隨埋深和溫度的增加，干酪根熱降解的新生烴類使來自生物的烴類受到稀釋，與其相鄰的正烷烴比較，其含量都隨成熟度的增加而減少，如姥鮫烷/正十七烷、植烷/正十八烷。

甾烷和藿烷的立體異構(gòu)化，能十分有效地反映成熟度。甾烷指標如(5α－20S－C29)/(5α－20R－C29)，隨埋深的增加從0.3左右上升到1.0且穩(wěn)定;重排甾烷/(5α(C27+C28+C29))，隨埋深的增加從0.1左右增加到1.0且趨于穩(wěn)定。藿烷指標如18α(H)三降新藿烷/17α(H)三降藿烷(Tm/Ts)隨成熟度的增加從2.0左右降到1.0且趨于穩(wěn)定;(βα－C30藿烷)/((αβ+βα)－C30藿烷)隨埋深從0.2左右增加到約0.7。

上述各種確定烴源巖有機質(zhì)成熟度的方法綜合使用最有效，而且還需考慮有機質(zhì)類型的影響。在實際工作中應隨深度系統(tǒng)取樣，進行測試分析，將數(shù)據(jù)和結(jié)果作出與埋深的關(guān)系圖表。圖5－46和圖5－47是各種成熟度指標綜合應用時的對應情況。

(四) 成熟度標尺和TTI

在烴源巖的熱演化成烴過程中，有機質(zhì)的許多物理性質(zhì)和化學性質(zhì)被改變，并可作為成熟度標志如Ro、孢粉顏色和煤階等。為估算和評價有機質(zhì)的成熟度，許多學者根據(jù)這些性質(zhì)與烴源巖的埋藏時間和溫度史，用數(shù)學模型建立了各種數(shù)字化的熱成熟度標尺和計算圖表，如Karwell(1955)、Teichmüller(1971)、Bostick(1971)、Cooper(1977)等提出了鏡質(zhì)體反射率與溫度和時間的關(guān)系圖。Hood(1975)提出了有機質(zhì)變質(zhì)水平(LOM)的成熟度標尺。Royden(1980)提出C標尺等等。

為定量預測烴源巖中有機質(zhì)的成熟度，Lopatin(1971)和Waples(1980)根據(jù)溫度每增加10℃，干酪根熱降解成烴的反應速率增加1倍并與時間呈線性關(guān)系，而且有機質(zhì)成熟度效應是累加的、不可逆的等原理，提出并改進了時間－溫度指數(shù)(TTI)的有機質(zhì)成熟度預測方法，從而得到了極為廣泛的應用。Wood(1988)根據(jù)有機質(zhì)化學反應的動力學原理提出了ArrheniusTTI法。應用Lopatin和Arrhenius法TTI(TTIARR)的關(guān)鍵問題是要忠實地重建沉積盆地的埋藏歷史和受熱溫度史。關(guān)于TTI的計算和對烴源巖的評價將在實習中仔細講解。

圖5－46 干酪根分析所得各成熟指標的對應情況據(jù)Tissot等，1978)

圖5－47 據(jù)瀝青的組成和豐度所得各成熟指標的對應情況(Tissot據(jù)Durand改編，1978)

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