有机质生烃理论

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1、有机质生烃：反应物及产物的定义及定量方法一、油气形成的简易动力学模型有机质生烃1、反应物及产物的定义及定量方法1.1 沉积有机质的基本成分沉积有机质大部分是由C、H元素组成，同时还有各种杂原子，主要是N、S、0。由这些有机质生成的原油具有与沉积有机质相同的元素组成，主要是一些碳氢化合物及与NSO（C、H元素结合N、S、O元素形成的复杂分子）。原油也含有沥青质（asphaltine），它们可以看成是有机母质排出的有机碎片（Behar和Pelet,1985；Behar等，1985）和非烃气体如,H2S及理。1.2 石油与干酪根：经典定义石油（petroleum）从沉积物沉积开始就存在于所有的SOM

2、（固体有机质）中。这些最初的石油通常被称为“未熟油”或“沥青（bitumen）”，这是因为它们的主要成分是复杂的髙分子化合物和非烃化合物，它们在运移（过）石油中的含量是很低的（Stevens等，1956；Bray和Evans,1961），是在早期成岩过程中没有被聚合到干酪根中的那部分固体有机质（SOM）。过去，烃源岩中石油组成的测定是用非极性的有机溶剂如二氯甲烷对烃源岩进行抽提。Durand（1980）把干酪根定义为不能抽提的有机残留物以示区别，即固体有机质中的非石油部分（non-petroleum）。在动力学研究中，厘清石油（petroleum）与碳氢化合物（或烃类，hydrocarbon）

3、之间的关系非常重要。石油与碳氢化合物之间的差异往往被许多石油地质科学家忽略（地质工作者常说“烃类勘探”；富烃的石油毫无疑问具有商业吸引力，但是石油才是我们最初真正找到的原料！）动力学模型局限于常规地球化学测定（烃含量及潜力）方法的框架。作为石油工业测定生烃能力的标准方法，总流热解分析仪（Bulk-flowanalysis,一般为Espitalie等（1977）建立的Rock-eval分析系统的衍生产品，如Peters,1986）只能测定碳氢化合物的产量。NSO化合物及沥青质由于无法气化，所以氢火焰光度检测器不能检测这些化合物的含量，同样总流热解分析仪也不能检测非烃气体的含量，如CO,C02,N

4、2及H2S的浓度。尽管这些化合物理论上也可以检测出来而且设计相应的动力学模型（Daily和Peters,1982；Burnham等，1987；Serio等，1987），当前的动力学模型主要描述的还是碳氢化合物而不是石油。以下的讨论中我们将看到,如果只用实验推导出来的数据来标定动力学参数,上述的这种差异将变得非常明显。这种石油与碳氢化合物之间的差异同样也是造成由RockEval得出的动力学参数难以与其它替代的实验方案（Burnham等，1987）如含水热模拟实验（如Lewan，1985）得出的动力学参数或野外数据得出的动力学参数（抽提物/碳的值，如Tissot,1969；Tissot等，1971

5、）相互比较的原因。1.3 模型中反应物与产物的定义溶剂抽提仍然是详细测定有机质特征（如油源特征及与油源的关系）的先决条件，不过我们的研究是基于岩石热解分析的，因此我们需要对Durand（1980）的定义作一些修订以符合地球化学模型的要求。一般测定烃源岩生烃潜力的参数包括：总有机碳（TOC）及Rock-Eval热解分析参数（S1和S2或P1和P2）。S2流出物通过热解气相色谱（PYGC）可PE1THOLEUM171K.EROGBNJIWZsWCTitgyy”LJJ6l_一巴、LiEMUATIWt卜PrfroJrnurFigure1SchamaotpetrolsurngFcngraiiairi,c

6、rckinpndipulsioniiOilrSAS*GASisUudirilRH以分离出单组分和化合物组成。有限的生烃能力分析方法只能将未熟（成熟）固体有机质分成4（5）种（图1）。首先，我们要区分反应物和产物。我们模型中的产物是碳氢化合物。这些烃类化合物进一步分成不同碳数围：C1-C5的烃类，即天然气（gas）及C6+以上烃类，即石油（oil）（England等，1987）。这些石油天然气的化学定义不要与石油工业常用的描述地下原油相态的同一词汇混淆（oilvs.liquid,gasvs.vapour）。对未熟固体有机质，模型中定义Rock-Eval的可溶烃类（S1）为石油（C6+）。我们把不

7、能生成热挥发烃类的沉积有机质定义为干酪根。我们所指的干酪根是沉积有机质中不能产生热挥发性烃类的那部分。本部分（第1部分）主要讨论干酪根中具有反应活性的那部分。所谓具有反应活性的干酪根（reactivekerogen），顾名思义，就是能够发生热裂解的干酪根，由岩石热解分析中的S定义。S归一化到TOC即S与TOC的比值，也即222氢指数（HI）。因此，氢指数HI是沉积有机质中活性干酪根与惰性干酪根（inertkerogen）相对比例的反映。惰性干酪根定义为沉积有机质中不能生成石油的部分。由于惰性干酪根既不在s1中也不在s2中（图1）,因此可以通过差值法来定量。惰性干酪根在生烃过程中不会发生变化，其

8、最终可能变成稳定的具有网状结构的石墨（Cooles等，1986；Quigley和Mackenzie，1988）。不过，以后的讨论我们将看到，惰性干酪根对石油的裂解（第2部分）及排烃（第3部分）将起到重要的反作用。这里我们要强调一点：化学上的惰性干酪根（inertkerogen）与惰质组（inertinite）是两个不同的概念，后者是有机岩石学中的不能生烃的一类显微组分（Erdman，1975；Stach等，1982）。在我们的模型中，所有的沉积有机质中都包含有机岩石学上无法辨别的惰性部分。由于所有的活性干酪根都是倾油与倾气的干酪根的混合物，因此我们需要对它做进一步的划分，分为倾油干酪根和倾气干

9、酪根。它们的相对比例用G表示。G是PGC分析中，气体组成相对于S2的质量分数（此前Mackenzie和Quigley（1988）提出气/油生成指数（GOGI）概念，即C:C的质量比。我们认为相对比值忽略了气成分的重要性，而质量分数更为有1-56+用。Espitalie等（1988）发表了进一步划分活性干酪根一种实验方案，这种实验方案可以检测四类化合物出峰（参见Forbes等，1991）。他们将气倾干酪根细分成C和C两种1-2-5组成，而将生油干酪根细分成C和C两种组成。6-14-15+1.4反应物和产物的定量确定模型中沉积有机质各部分的起始浓度比较简单。不过由于测量方法及所使用的单位不统一，处

10、理起来稍嫌复杂：TOC碳的质量百分数，而热解产物测定的是碳和氢，一般以mgg-i或kgt-i。解决的办法是，采用国际单位（SI）测量并以碳为单位。即，将TOC的HCHC单位写成gCg-i,而将S,S的单位写成gg-1，将生烃量乘以一个因子w烃含碳质量12HC分数，使其单位统一以碳为单位。根据Cooles等（1986），我们粗略的认为所有的W值为0.85。事实上，W值随着碳数的变化会有所不同的：甲烷到戊烷W值从0.75变到0.83；当碳数无穷大时，正烷烃的W值可达0.87。（1）（5）的简单等式定义了模型中四种组成以碳表示的起始（以上标0表示）浓度（图1）。起始浓度中没有气体。起始石油含童窃CJ

11、=W*S1G干酣根的起蜡舎童煤-=1-生抽干醋很的起始咅童煜生汽干篩根的起瞬*吼珞二矿心皿（4）惰性干酹狠的超皓含童戌之和）或一些质量分数在这些简单等式的基础上，通过运算可以得到其它一些物质的起始含量（根据图1，活（fractionalconcentrations）（见式11a-c）。值得注意的是这里定义活性干酪根与之前发表的一些定义不同（Cooles等，1986；Quigley和Makenzie，1988；Mackenzie和Quigley,1988）。后者是将活性干酪根划分成非稳定（labilekerogen）和稳定型（refractorykerogen）的两种。本文不再使用这种定义。用原

12、始总碳含量c（=cs+cl）归一化处理，上述各变量的计算式如下:;Cfl=l-W-Sf/TOC)w=eJn已弓磧妙呻-艸TOtfw血-Cfctics-WSJC0/TOC4=cc5=1-(wsr+&r)toc5U0)1.5干酪根成分的变化如果用式（6）（10）表示许多烃源岩中干酪根原始组成，过去对III型干酪根与天然气藏之间关系的认识（参看Tissot等,rEagll.ArSMVE:1974）就有问题。如一般认为原始氢指数（HIo）髙Fisum2GtotalcgtwjIrtiohImhwccr(T.GOGF祸encElla应fInpon门阖耿価磷nh讯;严此0.55b!1itamp-sB办6Pa

13、ge供hso.5；GOGIo1）。应用上述等式将图2变换到图3。图3展示原始干酪根组成变化与HIo之间的关系，也进一步表明总有机碳的具有生气能力的有机碳的含量从来都不是主要部分。事实上，那些HIo低的所谓气源岩，其具有生气能力的有机碳所占的比例比那些HIo髙的油源岩还要低！因向qBFQHImuial#旳池nn丄fiprrfliaricfH代.ealctiliiddhornih?陽1站向戸価Ugg工切咄力豹Equlmarinebasins,;lacLjE-innsminoranooiitil由1吕iPhanaioMi)rHigherplanscuticlsLowSome(Ml魯soldicund

14、TvpeIIIfresin,lignin;y-auniiBrlever-wetT右Jbacteriacoastal创別农T1nan-nnisrine.辭斫HifihtrplantJlignin;JFTerrigerwu?.LigninLowCdeisIuIplairaT护II5Vron-mariniB,.FhlhBM&dWSK-pQ&rendngsr相还是F相很难预测；这时用概率统计的方法来评价这种不确定性可能是比较适当的。5.2 有机相的沉积、环境及地层背景有机相比较吸引人的地方在于它使我们有可能在一个大的沉积相背景下建立统一的动力学参数。给定一个区域的地震勘查结果，通常可以构建出一个简单的

15、古地理环境（如图5的示意图），并初步掌握整体沉积环境或体系域的位置（Vail,1987；VanWagnoer等，1988）。这当中，我们可以预测潜在的烃源岩的有机相类型（AF）。A碳酸盐岩台地海侵到最大海泛面体系域（如果足够厚的话，由于其具有异常低的声波阻抗，可以直接识别出来）；潟湖和陆架凹陷（intra-shelftopographicdepressions）oB碎屑岩沉积边缘的海侵到最大海泛面体系域。和有机相A一样，有机相B也可以（在地震上）直接识别。它们可能是盆地中最明显的地震反射带，如盆地的“白垩系底部”反射带。在地震上，很难将上覆髙位进积体系域的远趾沉积层（distaltoesets

16、）与下伏的海泛体系域区分开，导致经常误解为前三角洲烃源岩。C主要湖相沉积体系相对髙位体系域，其特征与有机相B基本相同（包括可以直接在地震剖面上识别。如印尼的门答腊中部的Pematang褐色页岩；Longley等，1990）。湖相烃源岩发育的控制因素比海相体系复杂（Powell,1986；Katz,1990）。图5向我们传达这样一种观点，即大多数的大型湖泊体系，亦即湖相烃源岩，主要受构造控制（Katz,1990）。尽管如此，与Powell（1986）所见略同，我们也认识到，滨岸平原相的沼泽环境也可以发育相对较薄的湖相烃源岩，如印尼的Natuna盆地。D/E发育于海侵体系域的滨岸线后侧或高位体系的顶积层的加积期间；沉积层序中较小比例的低传播速度、低密度的煤，可以根据低的声波阻抗（在地震中）直接识别（如东爪哇海的始新统的煤层；Barley等，1992）。F与有机相D/E所处的体系域基本相同，区别在于地层年代（比如是古生代），古气候/古纬度或与地震解释的滨岸线的相对位置。与地质年代无关，远离滨岸线越靠近陆地方向，（沉积环境）越过上三角洲进入相对高位和？氧化环境的冲积平原的可能性越大（定义参见Galloway和Hobday，1983；Fielding，1985）。地震识别的方法和D/E有机相相同（如北部的Westphalian煤层;Evan等，1992）。