1、我國煤系烴源巖排烴史恢復研究進展 二一五年十二月 摘要：煤系烴源巖排烴作用的研究在20世紀80年代以后取得了很大進展，主要體現在對烴源巖的排烴機理及控制因素的分析、煤成油排驅的理論研究及勘探突破、幕式排液的探討及壓實壓裂雙端元排烴模型的建立等方面。在針對研究現狀分析的基礎上，提出了幾點研究方向及展望：加強對烴源巖剖面排烴特征的高分辨率研究，建立壓實欠壓實壓裂三端元排烴模型，深入探討排烴與油氣成藏的關系。關鍵詞：煤系烴源巖 排烴作用 幕式排液 排烴模型目 錄1引言12.現階段主要研究進展12.1烴類的排驅機理及控制因素12.2煤成油的排驅機理22.3影響煤排烴的內因和外因如下32.4地應力42.

2、5幕式排液52.6壓實排烴模型52.7仿真地層條件下生排烴模擬實驗技術62.8煤層吸附氣量的確定方法63研究方向及展望63.1烴源巖剖面排烴特征的高分辨率研究73.2建立三端元排烴模型73.3對烴源巖排烴進行分級評價83.4烴源巖排烴與油氣成藏的關系9參考文獻1011引言烴源巖作為石油、天然氣的母源，在油氣地質研究和油氣勘探中占有相當重要的位置。特別是自70年代以來，隨著石油工業的高速發展，石油地質理論研究日益活躍，以烴源巖為研究對象的有機巖石學脫穎而出，成為一門嶄新的分支學科。有機巖石學的誕生及其與有機地球化學的密切結合，極大地促進了油氣源巖的研究和評價，有力地推動了油氣資源勘探工作的大力發

3、展。以往烴源巖研究主要包括對陸相和海相泥質烴源巖和碳酸鹽巖烴源巖的研究。60年代末到70年代初，煤成烴（油、氣）理論的提出，極大地豐富了烴源巖的內涵，從而引起了人們對煤系地層烴源巖（稱之為煤源巖）評價的極大興趣。自80年代以來，煤成烴理論體系的形成和煤成油氣勘探實踐的成功，一方面沖擊了傳統的石油成因理論，開闊了人們的視野，另一方面豐富和發展了烴源巖研究內容，它不但研究有機質呈分散狀態存在的泥巖和碳酸鹽巖烴源巖，而且也研究有機質呈富集狀態存在的煤，從而拓寬了尋找油氣資源的領域。進入90年代以后，由于經濟全球化的高速發展，受國際石油市場復雜多變的影響，石油勘探研究更多地與經濟效益聯系起來。同樣，人

4、們在研究生烴作用的同時，將更多的注意力集中于對煤系烴源巖的排烴能力和煤成烴運移、聚集和成藏系統的綜合研究，因為這直接決定著煤系烴源巖能否形成油氣藏以及其有無商業價值或價值大小。這樣研究內容就涉及到煤源巖的物理性質（包括孔隙結構、吸附性質等）、油效率、油氣運移以及與之相配套的儲集層、蓋層、圈閉及與成藏有關的問題1。烴源巖的排烴作用在資源評價中更具有重要的研究意義，但其研究一直被認為是石油地質領域中的薄弱環節2。人們著重于對油氣排烴過程的分析始于20世紀80年代，前人提出了獨立油相排烴、孔隙中心網絡運移、干酪根網絡運移、異常高壓幕式排烴等多種模式對排烴機理進行分析3。2.現階段主要研究進展2.1烴

5、類的排驅機理及控制因素烴源巖的排烴機理決定了烴源巖的有效性與否。對于排烴機理問題，各學者仍持不同觀點。烴類的排出包括2個連續的過程，生成的烴類從干酪根中得到釋放以及釋放出來的烴類從源巖內經過初次運移向外排出4。一種觀點認為，烴類從干酪根中釋放是烴類排出的關鍵過程，而烴類從源巖內向外排出過程并不那么重要5。而另一觀點則認為，烴類排出很大程度取決于源巖內烴類運移的可能機制，它受幾方面因素的控制6，如有機質含量及有機質類型、排烴的臨界含油飽和度、源巖內有效的運移通道、烴源巖內壓力的分布及微裂縫的發育情況，對于氣溶相的液態烴的排出還受氣態烴是否來源充足影響7。2.2煤成油的排驅機理煤系烴源巖煤巖和泥巖

6、生烴性能的模擬實驗表明，泥巖在350-400間有“突變”階段，能大量生烴，有利于烴的排出和運移2。相比之下，煤巖由于它的生烴組分的多樣性，呈接力交替式生烴，從而表現出它的生烴時間長，排油的時間早，油氣排出呈漸增的特點，在350-400階段，烴的含量沒有呈指數增加，研究不同演化階段煤巖的結構反映了它既具烴源巖，在一定條件下又具儲集巖（儲氣或儲水）的性能。由此說明，煤巖中的液態烴即使發生初次運移，也是比較困難或是需要一定條件的。液態烴在煤巖中運移是一個復雜的問題，需要專門研究8。煤成油的排驅與運移研究是石油地球化學中的一個薄弱環節。從宏觀而言，煤成油的排烴機理與一般泥質烴源巖的排烴機理是統一的，如

7、必須滿足烴源巖排烴的臨界條件，排烴過程的演化都遵循水溶、油溶到氣溶式運移等，但普遍規律中包含著特殊性，煤系源巖特殊的結構特征決定了其排烴門檻高、排烴動力弱，具有更高的排烴難度。因此對于煤系烴源巖的研究還有很多問題需要解決。Given（1984）認為鏡質體是由數量巨大的各種小的分子通過交聯而形成的網狀大分子聚合物為單位以物理方式混合而成的混合物，煤內部的結構是無比復雜的，這種復雜性還表現在同一顯微組分間化學組成不均勻性、微觀的不均勻性、不同層間某些顯微組分含量的差異、同一層內垂直和水平方向上顯微組分組成的變化，以及沉積環境和沉積后環境因素和地層連續性、煤系間砂巖頁巖互層等。即使在同一亞顯微組分之

8、間也還存在化學性質方面的差異，如鏡質體就包括富氫鏡質體和貧氫鏡質體。所有這些差異性都會或多或少對烴類在煤中的初次運移產生影響。2.3影響煤排烴的內因和外因如下（l）煤巖的孔隙結構和吸附性能煤層是一種非常規儲層，它以吸附的方式富集烴而區別于常規儲層。煤巖對烴類具有較強的吸附能力，這與煤巖的結構有關2。煤巖是一種多孔介質，有很大的內表面積。在煤巖的內表面上，分子的吸引力一部分指向內部，已飽和；另一部分指向外部，沒有飽和，具有自由基，從而在煤巖表面產生吸附場，吸附周圍分子9。這種吸附是通過范德華力的作用完成的，是一種物理吸附。吸附速度開始很快，隨時間推移而變，由于是表面作用，被吸附的烴類分子容易從煤

9、巖表面脫落下來，進入游離相，當吸附與脫落等速時，吸附就達到平衡。（2）煤巖的演變程度煤巖的吸附量與煤化程度呈較復雜的曲線關系。在Ro為0.50%1.20%階段，隨煤化程度增高，孔隙度降低，吸附量減少；當Ro=1.2%4.0%時，隨煤化程度增加，孔隙度升高，吸附量呈直線上升。當Ro>6.0（無煙煤一號）以后，由于煤巖的基本結構單元趨于緊密排列，孔隙度極度降低，吸附能力急劇下降。（3）煤巖顯微組分煤巖組分對吸附能力有明顯的影響。研究結果表明，對低中演變階段的煤巖（長焰煤瘦煤）而言，煤巖的不同顯微組分吸附能力的順序是胞腔未被充填的結構絲質體>鏡質組>無結構絲質體和胞腔被充填的結構絲

10、質體>樹皮體；對高演變階段的煤巖（貧煤以上各煤階）而言，鏡質組分的吸附能力大于惰質組。從以上分析可知，煤巖的吸附能力與煤化程度和組成有關。在Ro=1.20 %左右煤巖的吸附能力最弱，煤巖中鏡質組含量越高，煤巖的吸附能力越強，殼質組含量越高，吸附能力越弱。（4）煤層的滲透率和烴類運移通道煤系烴源層能否有效排驅烴類與烴源巖的生烴能力、煤層吸附能力和煤層中有無運移通道等因素有直接的關系。如果這些因素的配置恰當并形成烴類運移網絡將有助于烴類從煤系烴源層中運移出來，有利于初次運移。煤層的滲透率：在一定的條件下，流體可在煤層內流動。煤層的滲透性是表示烴類流體在不同煤巖結構中的滲透性能。滲透性好就是指

11、阻力小，烴類流體易在煤層中流動。烴在煤層中的運動與它本身的粘度成反比，即粘度越大，流動越難。顯然，煤巖中的輕質油因其粘度小，易于流動。煤層中裂隙類型：煤巖中天然裂隙孔隙度很低。裂隙孔隙度對煤巖的貯氣能力的作用小，但對煤巖滲透能力的作用卻很大。它是煤巖中流體滲濾的主要通道。因此在煤成油氣研究和勘探中必須重視煤層中裂隙的性質和類型的研究，了解裂隙發育期與油氣生成期的關系，只有這樣才能準確判斷煤成烴能否有效運移。（5）煤成油的運移動力煤系烴源層中的烴類能否大規模排驅和運移除了需要有微裂隙這個通道外，還需要一定的排驅動力，如果缺乏這種動力，煤中的烴類網絡就像充滿了水的海綿，不能有效排出。2.4地應力地

12、應力是指巖層在靜止狀態下產生的自重壓力（上覆壓力）及動態狀態下產生的構造作用力。當然，通常石油界所指的過壓實作用所產生的力也屬于地應力范疇。煤層中構造作用斷層和褶皺劈理，甚至產生微裂縫，這些過程和作用增加了有效孔隙和滲透性。褶皺和斷層產生的形變，較大的影響煤系烴源巖之間的層間距，造成煤層的壓縮或位移，進而產生烴的初次或二次運移。（1）煤層壓力煤層及層內蘊含的烴的自重是很小的，一般不予考慮，由于烴類是流體，各種壓力相等，當地層發生差異運動時，由流體曲線位能差異導致的壓力差可成為流體運動的動力，有機質在從固相轉變為液相或氣相時產生的“膨脹力”是烴壓力的重要組成。（2）諸動力關系在上述可引起煤成油運

13、移的諸動力中，根據甲烷突出的“煤成烴初次運移現場”研究推測，地應力（含構造力等）是煤成油運移的誘導或引發作用力，并在大多情況下起控制作用，即構造作用力猛烈，運移速度就快，所需時間也短；構造作用力緩慢，運移速度就慢，所需時間也長。由于煤層在低、中演變階段較松軟，其孔隙系統受內外壓力變化而閉合或啟開，所以只有在煤層中有較大的烴流量才能使“支撐”油氣運移的裂隙暢通。眾所周知，造成烴流動主要取決于烴的壓力差和含量，但在壓力差不變的情況下，卻取決于煤層中可運移烴的含量。從宏觀而言，煤成油的排烴機理與一般泥質烴源巖的排烴機理是統一的，如必須滿足烴源巖排烴的臨界條件，排烴過程的演化都遵循水溶、油溶到氣溶式運

14、移等，但普遍規律中包含著特殊性，煤系源巖特殊的結構特征決定了其排烴門檻高、排烴動力弱，具有更高的排烴難度。因此對于煤系烴源巖的勘探，首先需要對煤系地層的排烴門檻進行研究，原因在于不同的煤系地層也具有質的差別，其排烴能力本身具有強弱的不同10。排烴門檻有多高？“量”（生烴量）的積累能否彌補“質”的因素？是否具有良好的外部條件，如外在動力（構造應力等）、運移通道（斷層溝通、裂隙發育等）？這些問題的答案是需要首先解決的。2.5幕式排液超壓系統的幕式排液現象在80年代逐漸成為大家關注的熱點問題。Peter與Magara等認為超壓體系可構成各種級別的封存箱，其邊界由封隔層形成，控制著系統內的油氣運移與聚

15、集。在超壓體系內，由于孔隙排液不暢，流體壓力增大，導致壓力封存箱中泥巖內孔隙水通過粒間孔隙滲流極少，更多的是通過流體壓裂面排液，這樣隨著流體壓裂面的幕式開啟和封閉，導致超壓體系內流體的幕式釋放，相應地出現幕式壓實過程11。Hunt與Roberts也認為超壓體系中的流體在盆地演化期間都是間歇性地向上覆地層排液，這種排液作用的主要通道是水力破裂面或流體壓裂面，而這種流體壓裂形成的微裂縫多為高的孔隙壓力所致12。在我國多個沉積盆地的超壓體系中也都發現了流體壓裂形成的裂縫，并發現在有些裂縫中仍然存在油氣運移時留下的瀝青，這些都表明幕式排液是沉積盆地中一種重要的排烴現象。但學者對這種幕式排放的周期持不同

16、意見，從小于100年、100200年到近百萬年。2.6壓實排烴模型在對幕式排烴取得統一認識后，國內外石油地質學家及盆地模擬專家們對排烴模型進行了重新考慮，從原來的單一的壓實排烴模型向雙階段的壓實排烴微裂縫排烴模型轉變。郝石生等提出一種新的烴源巖排烴史模擬方法，把排烴過程劃分為壓實排烴和微裂縫排烴2個階段，并分別建立了壓實排烴模型、微裂縫排烴模型和擴散排烴模型。在壓實排烴模型中，壓實作用是油氣初次運移的主要動力，除考慮烴源巖孔隙體積的壓縮外，還考慮了烴源巖內由于黏土脫水、油氣生成以及流體熱膨脹造成的孔隙流體體積增大對壓實排烴量的影響；在微裂縫排烴模型中，烴源巖內的異常高壓是排烴的主要動力。2.7

17、仿真地層條件下生排烴模擬實驗技術熱壓生排烴模擬實驗是生排烴機理和油氣資源評價的重要技術。近年來更加重視不同溫壓和介質條件下油氣生成及排出過程的研究，以便能夠定量、動態地評價有機質在不同地質歷史時期的生烴轉化和排烴效應等，是研究有機質演化過程、生排烴機理和資源潛力預測的重要手段之一。過去由于實驗技術和裝置限制，各種常規熱壓生烴模擬實驗主要是在含水、低流體壓力、相對較大的空間和高溫條件下進行的，相當于把烴源巖放在一個很大的容器中進行熱降解化學反應，強調的是熱降解過程，而忽視了生烴空間、孔隙流體壓力、高溫高壓液態水及初次排烴等影響因素的共同作用。近年來，中國石化無錫石油地質研究所自行研制出一種地層孔

18、隙熱壓模擬實驗儀，動態、綜合考慮影響烴源巖生排烴過程的多種因素，建立了地層孔隙熱壓生排烴模擬實驗技術。由于地質條件下油氣的生成演化、排烴運移、聚集成藏和散失改造都是在相對封閉或半封閉條件下進行，因此，在施加壓力、限制生烴空間、維持高溫高壓液態水、盡量保持樣品的原始孔隙與礦物組成等限定體系中進行烴源巖熱解生排烴模擬，從而能夠相對真實地再現地質條件下有機質熱解生烴演化過程13。2.8煤層吸附氣量的確定方法近幾十年來，國內外許多學者提出了不同的測定和估算煤層吸附氣量的方法，最準確、最有效的方法是通過解吸試驗獲取煤層的吸附氣量，但在不具備使用該方法的地區，其關鍵是預測煤層的吸附氣量。Kim，Eddy，

19、張新民等對于煤層的吸附氣量與埋深和變質程度的關系做了大量的研究工作，并建立了關系圖版，但這些研究成果都沒有考慮煤層厚度及頂、底板巖性。國外也有人提出采用煤層埋藏深度和煤質化驗資料計算煤層甲烷含量，并建立了相應的計算公式，其前提是掌握樣品的鏡質體反射率和揮發分產率資料。研究過程中，可以根據研究區的資料情況，選擇不同的方法進行煤層吸附氣量的計算14。3研究方向及展望3.1烴源巖剖面排烴特征的高分辨率研究目前對排烴的研究工作多是局限于對烴源巖有限的取樣點進行地球化學測試、分析，而現實是取樣成本的昂貴，對烴源巖剖面進行高分辨率的密集采樣不太切合實際，而另一方面烴源巖的排烴作用是非常復雜的地質現象，受到

20、烴源巖巖性、有機質性質、砂泥配置關系等各方面因素的影響，因此較為有限的取樣測試點不能有效地反映復雜的地質情況。切實的做法是密集的采樣分析與大量的地質資料統計、有效的分析方法相結合，在大量地質資料統計分析的基礎上，通過對巖芯的密集采樣，分析不同樣品點的烴類含量及能夠反映烴類運移的地球化學參數，從而確定厚層烴源巖排烴厚度、排烴效率及排烴過程，從中總結出較為接近實際地質情況的排烴規律。因此，建立有效的烴源巖生排烴計算模型顯得非常有必要。由于測井曲線具有垂向高分辨率的特點，結合地球化學信息，能夠建立有效的烴源巖計算模型，利用該模型能對烴源巖剖面各個測井數據點的單位生烴量、排烴量及排烴效率等進行計算，從

21、而實現烴源巖生排烴研究的高分辨率工作。3.2建立三端元排烴模型在盆地模擬進行資源評價時，傳統上多采用“壓實排液”模型。即烴源巖在埋藏過程中隨著上覆沉積層的加厚，沉積物的體積、巖層的厚度隨孔隙度的降低而減小或變薄，液相石油在孔隙中是均勻分布并均勻排出的。這種沉積壓實排液過程毋庸置疑，但問題在于液相石油均勻排出這一假設條件并不符合實際地質情況。壓實壓裂雙階段排烴模型考慮的是烴源巖的壓實和壓裂2個階段，然而烴源巖從壓實到壓裂是一個跳躍式的過程，忽略了事物發展的中間狀態欠壓實過程。由于烴源巖的壓實作用存在不均衡性，烴源巖界面上的壓實作用能夠正常進行，但向烴源巖內部壓實作用受到阻礙，只要烴源巖內部流體孔

22、隙壓力沒有增大到超過巖石的機械阻抗時，烴源巖內部較高的孔隙度就能得到維持，烴類就難以排出，出現相對滯排特征，很多反映烴類運移的地球化學參數在烴源巖內的非線性變化都證實了這一點。烴源巖結構特征的差別及壓實的不均衡性造成了烴源巖排烴存在較強的非均質性。而從時間序列上看，伴隨著厚層泥巖內部“剩余壓力”的積累和釋放，發生幕式排液作用的烴源巖也是經歷著從壓實欠壓實壓裂的循環演化過程(圖一)。圖一三端元排烴概念模3.3對烴源巖排烴進行分級評價斷陷盆地烴源巖排烴存在嚴重的非均一性，有機質分布的非均一性為其提供了物質基礎，而壓實的不均衡性為其創造了動力條件。朱光有等研究認為東營凹陷中分布廣泛的沙三段烴源巖在有

23、機質和巖性等方面存在多種尺度的非均質性，牛38井中有機碳含量在剖面上呈現波峰波谷變化的波動特點，如在沙三段下部有機碳含量為0.35%12.8%，高低相差2個數量級，顯示出強烈的非均質性，孔凡仙等認為即使在有機碳含量高的層段，有機碳的分布也會有較大的離散。因此對于存在嚴重非均質性的烴源巖，需要對烴源巖進行分級評價，確定有效烴源巖有機碳含量下限，并找出對油氣成藏有著突出貢獻的優質烴源巖標準15。3.4烴源巖排烴與油氣成藏的關系烴源巖排烴作用在多大程度上控制著油氣成藏，排烴作用與成藏的關系如何，這些問題現在還很少有人研究。但對于斷陷盆地而言，烴源巖排烴作用與油氣成藏關系顯得非常密切。如東營凹陷的油藏

24、具有近源性特征，尤其對于沙三段大套泥巖中所包裹的砂體，油氣可以發生相對簡單的初次運移即可成藏。幕式排液作用與油氣成藏關系更為突出，原因在于幕式成藏具有異常高的成藏速率，根據傳統的緩慢滲流聚集模式難以形成商業性油氣聚集的年輕圈閉在幕式成藏情況下可形成大中型油氣藏，從而成為有效的勘探目標。幕式排液具有較穩態下排液時更高的能量，這些能量能夠促使油氣發生遠距離運移，或者進入穩態條件下無法進入的隱蔽圈閉內。隨著油氣勘探的不斷深入，對隱蔽油氣藏形成機理的研究受到了更多的關注，尋找隱蔽油氣藏已成為某些高勘探程度油區的戰略思想，深入討論排烴與油氣成藏的關系具有一定的現實意義。參考文獻1李榮西. 九十年代煤系烴

25、源巖研究新進展J. 地質科技情報,2000,04:55-59.2田靜. 煤及海相頁巖的生排烴動力學實驗及初步應用D.中國科學院研究生院（廣州地球化學研究所）,2007.3陳中紅,查明,金強.牛38井烴源巖排烴門限的確定J. 天然氣工業,2005,11:7-9+144.4Inan S, Yalcin M N, Mann U. Expulsion of oil from petroleum source rocks Inferences from pyrolysis of samples of unconventional grain sizeJ.Organic Geochemistry, 1998, 29(1-3): 45-61.5Pepper A S, Corvi P J. Simple kinetic models of petroleum formationJ.Marine and Petroleum Geology, 1995, 12: 417-452.6Thomas M M, C