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烴源巖內幹酪根研究與成熟度判識

作為沈積巖中主要的有機質和生油、生氣的主要母質——幹酪根,在近代生油學說提出以後,幹酪根就成為石油地球化學工作者十分關註的對象。

1.幹酪根的顯微組成

用顯微鏡的透射光、反射光、熒光和高倍電子顯微鏡,可以直接觀察幹酪根的有機顯微組成,進而了解其原始生物來源。

采用透射光和熒光法,對景谷盆地20個樣品的幹酪根,根據類型指數法進行了顯微組分的鑒定和計算,劃分了幹酪根類型。各顯微組分含量和組分描述見表4-5。

表4-5 景谷盆地大牛圈油田生油巖幹酪根顯微組分含量及鏡下描述

大牛圈油藏為非煤系烴源巖的有機顯微組分,以腐泥組和殼質組為主,其總量達70%~95%,且二者含量呈互為消長關系;貧惰性組,其含量僅為0~5%;鏡質組含量變化較大,為5%~27%。生油巖的有機質類型,按類型指數法計算,為混合型幹酪根,且以Ⅱ1型者居多,占57%,顯示出景谷盆地新近系生油巖較好的母質類型。殼質組以生物降解陸生植物為主,並含較多孢粉組合。在藍光激發下的熒光顏色,降解物發褐色、褐黃色熒光,孢粉發黃色熒光,腐泥組發黃色、暗黃色熒光。

景谷盆地的煤系源巖,其顯微組分以鏡質組為主,含量為39%~81%。圖4-3表示了煤系顯微組分與泥質烴源巖顯微組分的分布差異狀況。鏡下觀察顯示,即使有機質類型為Ⅲ型的煤層幹酪根,其中也含有不少瀝青和可溶烴滲出物,並形成油暈,這表明,在Ro為0.66%(下煤層)背景下的煤成油,在景谷盆地存在的可能性。

圖4-3 景谷盆地烴源巖與煤層微組分TMC組成三角

V—鏡質組;I—惰性組;S—腐泥組;E—殼質組

2.幹酪根的鏡質體反射率

景谷盆地作為殘留盆地,其泥巖內有機質成熟度是評價盆地現今油氣潛力重要前提之壹。鏡質體反射率是目前廣泛應用的成熟度指標,是確定生油巖成熟度可靠的參數。由表4-5可知,景谷盆地泥質生油巖中,均含有壹定數量的鏡質組,在牛四、牛七斷塊中,Ro值為0.50%左右;而牛二斷塊(除煤層和碳質泥巖外),Ro值壹般也都在0.50%左右。這表明,景谷原油是在鏡質組反射率為0.5%成熟度背景下形成的,其成烴演化期顯然處於低成熟階段,這與第三章所述及的原油各項化學分析數據表征結果是相壹致的。

圖4-4為景谷大牛圈地區Ro值與Tmax值隨深度變化圖。盡管在大牛圈地區鉆井所揭示的三號溝組暗色泥質巖埋深多在650m以內,油層埋深在440m以內,但隨埋深的不斷增加顯示有機質熱演化進程的Ro值(由0.4%~0.81%)表現為隨埋深的增大而增大的趨勢。約在650m附近,有機質進入成熟階段。

所采煤系地層的樣品,其反射率值略高於泥質烴源巖的反射率值,為0.66%~0.70%。斷塊外的牛3井為壹特殊情況,不論是煤層或泥質烴源巖的反射率值,都已達到0.81%,而埋深僅為207~226m,顯然與地質情況不相吻合。究其原因,很可能是牛3井靠近斷裂帶(圖2-7所示),由構造運動所產生的局部熱力作用的影響,使反射率值升高,並且煤和泥質烴源巖應有的反射率差異也已消除,或者是由於構造擡升作用使原來較深的地層遷移至較淺的部位。

3.幹酪根的元素組成

幹酪根作為壹種高分子縮聚合物,不同於壹般純的有機化合物,因此沒有固定統壹的元素組成。因為幹酪根大部分是由C、H、O元素組成,所以用來解釋元素分析結果的圖主要是反映這些元素相互結合的變化情況。

幹酪根的元素組成,是表征烴源巖有機質類型的重要參數,其相對百分含量與幹酪根的性質密切相關。表4-6是景谷盆地幹酪根元素分析結果。大牛圈油田主要產油區的牛四、牛二、牛七斷塊,除煤層外,其H/C原子比都大於1,O/C原子比在0.11左右。若將幹酪根類型劃分為標準腐殖型(Ⅲ2)、含腐泥的腐殖型(Ⅲ1)、混合型(Ⅱ)、含腐殖的腐泥型(Ⅰ2)、標準腐泥型(Ⅰ1)5類,其幹酪根元素組成的H/C原子比相應標準分別為:<0.8、0.8~1.0、1.0~1.3、1.3~1.5、>1.5。根據表4-6的幹酪根H/C原子比數據,大牛圈油田牛四斷塊除牛4井134~138m樣為Ⅲ1型幹酪根外,其余樣均為混合型(Ⅱ)和含腐殖的腐泥型(Ⅰ2)幹酪根;牛二斷塊除煤礦的碳質泥巖為含腐泥的腐殖型(Ⅲ1)外,其余樣品全為混合型幹酪根;牛七斷塊僅有的壹個樣為混合型幹酪根;牛3井和煤層樣品H/C原子比在0.75~0.84範圍內,全為Ⅲ型幹酪根。這與顯微組分的類型指數法所劃分的結果相壹致。將區內幹酪根元素分析數據點在範氏分類圖中,如圖4-5所示,則上述結果更加清晰。同時,從圖上還可以看出,煤巖樣品偏向Ro為1.0%的成熟度分區線,而其他樣品卻大多靠近Ro為0.5%這條線,這與實測反射率的結果基本吻合。

圖4-4 大牛圈地區巖樣Ro值與Tmax值隨深度變化

景谷盆地烴源巖中幹酪根元素組成特征如表4-6所示。

4.穩定碳同位素組成特征

景谷盆地所分析的20塊樣品的幹酪根穩定碳同位素數據已列入表4-6中。泥質烴源巖的δ13C值為-28.1‰~-29.7‰,而煤層樣品的幹酪根其值在-27.3‰~-28.1‰,略重於泥質烴源巖。與國內其他盆地相同地質時代的幹酪根碳同位素組成特征相比,景谷盆地這套地層中幹酪根的δ13C值偏負。由於陸相沈積有機質中碳同位素組成與沈積環境和有機質類型密切相關,成烴演化作用對幹酪根碳同位素組成的影響不大,幹酪根仍繼承著原始有機質δ13C值特征,所以,景谷盆地大牛圈地區三號溝組地層中的幹酪根碳同位素值較輕可能反映了當時雲貴高原淡水湖泊中生物輸入的特殊組合特征,也與景谷盆地所產出的低熟石油具有明顯較低負值特征是壹致的。

圖4-5 幹酪根元素組成的範氏分類圖解

表4-6 景谷盆地幹酪根元素、同位素組成及紅外光譜分析參數表

關於幹酪根的碳同位素組成與按幹酪根O/C和H/C原子比劃分幹酪根類型略有出入(前者的劃分類型略高於後者)的原因,很可能是該地區沈積有機質正處在低成熟度階段,其特征與按成熟階段幹酪根類型的劃分標準有所差異所致。

5.幹酪根的紅外光譜特征

(1)譜圖特征

不同類型和成熟度的幹酪根,在紅外光譜圖上有著明顯的差異,其吸收峰的位置及相對強度,是幹酪根中原子組成及其振動性質、相對豐度的鍵合性質的反映,表征著縮合在幹酪根中的化學基團的組成。Ⅰ型和Ⅱ型幹酪根,其譜帶2920cm-1、2850cm-1、1460cm-1、1380cm-1和720cm-1吸收峰較強,而Ⅲ型幹酪根和成熟度較高的樣品,3030cm-1、1600cm-1、860cm-1、810cm-1和740cm-1吸收峰較強,含氧原子結構較多的樣品,3400cm-1、1700~1720cm-1、1280~1050cm-1吸收峰較強。

景谷盆地烴源巖有代表性樣品的幹酪根紅外光譜見圖4-6。

圖4-6 景谷盆地新近系巖石幹酪根有代表性的紅外光譜圖

景谷盆地新近系烴源巖中幹酪根紅外光譜特征為:

1)以牛4井250m樣品為代表。第壹峰組2923cm-1、2852cm-1強吸收,二者分離度較好;第二峰組1703cm-1、1604cm-1、1460cm-1和1379cm-1為中等強度吸收;第三峰組880cm-1、750cm-1和720cm-1極弱吸收,甚至無法辨認。在第二峰組中1460cm-1、>1600cm-1、1460cm-1>>1380cm-1,含氧基因的1710cm-1吸收峰在圖譜上呈肩峰形式出現在1460cm-1峰旁。此類圖譜具Ⅰ型幹酪根特征。

2)牛2井304~310m樣品。以第壹峰組2923cm-1和2852cm-1為強吸收,二者分離度也較好;第二峰組1600cm-1、1460cm-1和1379cm-1為中等強度吸收;第三峰組為弱吸收。但在第二峰組中,1600cm-1>1460cm-1>1380cm-1,且1710cm-1峰很弱。此類圖譜代表了混合型幹酪根的特征。

3)牛4井134~138m樣品,其譜圖特征為:第二峰組為強吸收,第壹峰組為中等強度吸收,第三峰組仍為弱吸收。在第二峰組中,1600cm-1>>1460cm-1、1460cm-1與1380cm-1吸收強度相近,1710cm-1峰不明顯。此類譜圖代表了區內泥質巖Ⅲ型幹酪根特征。

4)煤巖特征譜圖特征:第二峰組吸收強度大大超過第壹峰組吸收強度,第三峰組明顯,代表Ar-CHr的880cm-1、810cm-1、750cm-1峰有壹定強度。在第二峰組中,1600cm-1>>1460cm-1>>1380cm-1,1710cm-1不明顯。

(2)紅外光譜參數

李晉超(1987)根據不同類型和成熟度幹酪根的紅外光譜資料,用1460cm-1(甲基、次甲基)、1600cm-1(芳核)和1710cm-1(羰基)譜帶吸收強度構成三角圖,用以確定幹酪根類型和演化趨勢。將區內幹酪根紅外光譜測定資料(表4-6)繪制在上述三角圖中(圖4-7),可清楚看出景谷盆地泥質烴源巖以混合型幹酪根為主以及煤系地層為Ⅲ型幹酪根的特征。

圖4-7 幹酪根I1460cm-1、I1600cm-1和I1700cm-1三角分布圖

黃第藩(1987)根據H/C原子比與紅外1460cm-1/1600cm-1關系圖,把原子比大於1、而對應的1460cm-1/1600cm-1值為0.45來確定Ⅰ、Ⅱ型幹酪根與Ⅲ型幹酪根的分界線。我們也將景谷盆地幹酪根H/C原子比數據和1460cm-1/1600cm-1數據點在上述關系圖中(圖4-8),從圖中可看出,絕大部分點都分布在Ⅰ、Ⅱ型範圍內,而煤層樣品位於Ⅲ1型範圍內,與範氏圖所表示的結果非常壹致;但與鏡檢結果略有差異,主要表現在鏡檢劃分的少數Ⅱ2型幹酪根按上述類型劃分法都歸入了Ⅲ1型之內。這很可能是在幹酪根的鏡下觀察時,對Ⅲ和Ⅱ2型分界線附近的樣品組分估計上的偏差所致。

圖4-8 景谷盆地幹酪根H/C與Ⅰ1460cm-1/Ⅰ1600cm-1關系圖

另外,利用紅外光譜2920cm-1/1600cm-1參數對景谷盆地烴源巖進行了類型劃分,其結果見表4-6。若將其結果與鏡檢所劃分的類型比較,Ⅲ型幹酪根的兩種結果很吻合,而鏡檢劃分的Ⅱ型幹酪根與之差異較大,幾乎全部為Ⅰ2(少數為Ⅰ1)型幹酪根。由於景谷盆地烴源巖處於低熟階段,幹酪根的紅外光譜2920cm-1和2850cm-1在Ⅱ型幹酪根也為最強吸收,所以2920cm-1/1600cm-1值高,顯得類型趨好。看來,上述參數受成熟度影響較大。

6.烴源巖的熱解分析與成熟度判識

用熱解分析法可以研究烴源巖的性質與成熟度。景谷盆地10口鉆井的巖屑與地表煤樣的熱解分析結果如表4-7所示。

(1)有機質類型判識

前面已經對景谷原油的生烴母質進行了判識,烴源巖的熱解分析可以進壹步證實、深化這種認識。

應用巖石熱解分析的結果劃分有機質類型,通常采用的是S2/S3、氫指數(IH)、生烴潛量和降解率等。按表4-8的巖石熱解分類計算,盡管因按不同參數計算結果有些差異,但主要仍顯示混合型。其中 s段Ⅱ1優於Ⅱ2型,而N s段所反映有機質性質稍差。在縱向上可以看出,Ⅱ1型有機質主要發育於 中上部(牛4井167.73~321.27m井段)即三號溝組沈積中晚期,這時,隨景谷盆地湖水水域擴大,低等水生生物增加,其原始有機質輸入相應變好。而在三號溝組早中期,有更多陸源碎片輸入是和其邊緣沈積環境壹致的。

表4-7 景谷盆地生油巖熱解數據表

表4-8 景谷盆地烴源巖巖石熱解參數的類型劃分

圖4-9為景谷盆地巖石熱解的氫指數和氧指數劃分有機質類型圖,從圖中可以看出,除牛二斷塊的壹個,牛四斷塊兩個樣品及牛3井樣品屬Ⅲ型幹酪根外,其余樣品都位於Ⅱ型和Ⅰ型幹酪根範圍內,這與表3-8所劃分的類型結果是壹致的。

圖4-9 氫指數(IH)與氧指數(IO)對景谷盆地生油巖類型劃分圖

圖4-10 景谷盆地巖石熱解氫指數與最高熱解溫度(Tmax)關系圖

此外,幹酪根的顯微鏡下觀察,也是有機質類型判識的直觀方法。在景谷盆地所研究的100多塊孢粉片子和數十塊幹酪根片子的透射光觀察中,可以分辨出幹酪根的組分特征為:

1)腐泥組:包括藻質體和無定形,藻質體內具有壹定的結構,顏色多為淡黃色、綠黃色或棕黃色。無定形主要是藻類生物或浮遊等生物遺體經腐泥化作用而形成的產物,無明顯的外形輪廓和結構,是絮狀或雲霧狀,顏色淺,多為黃色—褐色,透明至不透明,有的標本中間色深,但邊緣是透明狀,是Ⅱ型幹酪根的主要成分。

2)殼質組:包括植物的孢子、花粉、葉、表皮、樹脂等,顏色較淺,透明度好,無規則邊緣,彎曲狀,有的可見到細胞結構,也有較好的生烴能力。

3)惰質組和鏡質組:惰質組為單純的黑色,鏡質組大多為橙紅色、棕色。二者外形輪廓清晰,邊緣平直或呈圓狀、網狀,生油能力差,但具生氣能力。

(2)成熟度判識

1)孢粉顏色指標

根據幹酪根中所含孢粉顏色來判斷烴源巖的成熟度,已成為烴源巖評價的基本項目之壹。通過景谷盆地1口井的系統分析結果(表4-9)可以看出,景谷盆地新近系自上而下孢粉化石顏色逐漸變深:黃→深黃→桔黃→淺棕→棕色,孢粉顏色指數(SCI)亦逐漸增加,相應地,有機質鏡質體反射率(Ro%)值也逐漸增大,但還處於低成熟階段。

表4-9 景谷盆地某井中孢粉色變與Ro的對比

2)熱解分析指標

從表4-7所列景谷盆地29個巖石熱解的Tmax值來看,83.5%的樣品小於435℃,若按混合型幹酪根計算成熟度,這部分樣品均屬於未成熟生油巖;其余樣品的Tmax值在436~441℃。仍位於低成熟階段;煤層樣品Tmax值小於425℃。從圖4-10上就清楚地反映了這壹特征,圖中大部分樣品都位於Ro為0.5%的未成熟區之內。

從圖4-4可以看出,Tmax值隨深度的變化與Ro值隨深度的變化趨勢相同,埋深加大,Tmax值也隨之增高,但大約在650m以上層位,仍處於低熟階段。