下古生界生烃理论研究进展及面临的挑战

摘 要：长期以来的勘探实践和大量研究证实，塔里木、南方和华北下古生界具有丰富的油气资源和广阔的勘探前景，是实现我国常规和非常规油气勘探战略接替的现实领域，并在下古生界多元生烃与示踪指标体系等方面已取得显著进展。我国下古生界海相层系地质条件极为复杂，仍存在诸多理论技术难题，如早古生代生烃物质特殊性与长期生烃演化过程认识有待深化，其中早古生代有机质多元成烃机理与油气示踪标志是亟待解决的关键科学问题之一。

关键词：下古生界 生烃理论 进展与挑战

中图分类号：P53 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2013）05（b）-0120-02

我国油气勘探很长一段时间集中在陆相盆地，其现有油气资源探明率已达30%～50%。而对于海相油气勘探，据国家新一轮资评结果，资源总量约为385亿吨油当量，现已发现13个大油气田，主要分布在塔里木、鄂尔多斯及南方古生界，表现出巨大的勘探潜力，但资源探明率仅10%左右[1]，远低于我国陆相（39%）和全球海相油气探明率（69%）。其中，早在20世纪60年代初发现四川盆地威远气田以后，早古生代海相碳酸盐岩层系（以下简称海相层系）是长期备受关注，特别是发现塔里木盆地塔河-轮南油田、塔中油田以及鄂尔多斯盆地靖边气田以来，已成为我国重要的海相油气勘探开发领域之一，但勘探程度更低的领域，天然气探明程度仅7%。近年来，沙雅隆起上的塔深1井寒武系深层优质储层的发现、哈7井、桥古1井以及麦盖提斜坡上玉北1井奥陶系油气勘探的重要突破等进一步揭示了台盆区下古生界具有广阔的勘探领域[2]。四川盆地海相领域继普光气田发现后，针对下古生界的建深1井在志留系获得了工业气流，同时正在成为南方页岩气重要勘探开发领域。在华北地区，鄂尔多斯盆地下古生界现今天然气探明储量5712亿方（靖边气田）；而华北南缘等其它地区尚未开展系统工作，但该区下寒武统烃源岩普遍发育，具有勘探深层气、裂解气的现实意义[3]，甚至在燕山北部坳陷带更为古老的中-新元古界中仍有原生油气资源的勘探前景[4]。因此，我国塔里木、南方和华北早古生代海相层系具有丰富的油气资源和广阔的勘探前景，是实现我国常规和非常规油气勘探战略接替的现实领域。然而，长期以来的勘探实践和大量研究工作表明，我国下古生界海相层系地质条件极为复杂，仍存在诸多理论技术难题，勘探研究程度也很低。因此，针对我国下古生界海相层系大型油气田形成机理与分布规律，深入调研下古生界油气勘探基础理论和评价方法方面的研究现状、发展趋势以及面临的挑战，凝练亟待解决的关键科学问题，这对实现海相油气勘探重大突破和理论技术进步具有重要意义。因篇幅所限，本文仅涉及成烃部分。

1 下古生界生烃理论及其评价方法研究进展和发展趋势

早古生代是重要的生物演化期，实现了生物从单细胞到多细胞的演化，使生物种群开始大量涌现[5]，这为早古生代烃源岩发育提供了充足有机质来源。从寒武纪开始，海洋低等水生生物日趋繁盛，主要以海生藻类和无脊椎动物群落为主，早志留世时还出现隐孢子及其它菌藻类。它们是早古生代海相烃源岩中主要成烃物质，加之陆生植物的缺乏，由此决定了源岩干酪根主要为腐泥型[6～8]。我国早古生代海相烃源岩既有黑色页岩，又有碳酸盐岩，二者矿物类型和有机质赋存与保存状态存在较大差异[9，10]。

下古生界不仅存在高熟干酪根，还存在古油藏与分散可溶有机质等再生烃源。再生烃源在适宜条件下发生热裂解，形成凝析油气藏或天然气藏。不同类型的烃源在成烃过程中相互叠加，形成了我国特有的多元生烃、接力成气、多期充注和多期成藏机制[11～13]。由沉积有机质及干酪根生成的有机酸在碳酸盐的碱性环境下与矿物反应形成有机酸盐，并广泛存在于海相碳酸盐岩层[14]。实验证实有机酸盐在高温条件下可以裂解成气，可能成为另一类重要烃源，使下古生界生烃过程更具多元化[13]。

不同形式的烃源在成烃过程中通常具有一定的母质继承性、热力学分馏和同位素累积效应，这为运用元素、分子和同位素示踪和定年理论，进行油气形成与成藏过程的示踪提供了重要线索和手段。其中，分子化石为油气成因与评价提供了大量行之有效的信息与指标[4，17]。天然气地质理论及指标体系为我国天然气成因分析、气源对比和资源潜力预测提供了重要的理论依据和技术支持。

高过成熟阶段天然气源自干酪根还是原油裂解国外学者提出了一些判识指标，我国学者广泛用其识别原油与干酪根裂解气。稀有气体由于其特殊的化学性质常用于气源对比，近年来进一步结合天然气形成过程中稳定同位素和轻烃演化特征，提出了以稳定同位素、稀有气体和轻烃为有效组合的天然气三元地球化学示踪体系[13]。随着流体包裹体分析技术的快速发展，不仅可从分子级水平研究包裹体中烃类组分特征，还可通过原位微区、微束分析方法定量测定包裹体形成时古温度和古压力，加之地层有机质热史的有效恢复，为判识油气充注期次和油气源精细对比提供了重要依据。最近实验表明，加氢催化裂解技术可以有效地提取高演化油气源岩的原生有机质，丰富发展了下古生界高过成熟区的油气源对比研究。

针对早古生代生烃物质性质及烃源长期演化过程中的空间和相态转化、多期成烃等特征，全面认识多元生烃机制并建立有效的油气成藏示踪技术体系是该领域研究的必然发展趋势，主要为：（1）发展烃源综合评价、精细分子地球化学、成藏定年分析和混源油气识别等地球化学勘探技术，认识早古生代生烃生物发育特征及其对后期成烃的控制。（2）全面认识包括干酪根、古油藏、分散可溶有机质和有机酸盐在内不同赋存状态的烃源，揭示不同类型烃源的生烃演化特征及其对现今油气资源的贡献。（3）集成地质学、地球化学和流体包裹体技术，示踪长时间、多期次油气成藏过程，确定关键时期。（4）利用地质学与元素、同位素地球化学以及分子地球化学等多学科交叉融合的综合分析技术，进行油气源对比和油气来源及其成藏过程示踪。

2 下古生界油气勘探面临着诸多理论问题和技术挑战

我国海相层系具有盆地类型、岩相古地理背景多样、多期构造活动、热演化程度高低不一、成盆-成烃-成藏过程复杂等特点，尤以下古生界显著。在多旋回构造运动背景下，塔里木盆地和南方扬子区的下古生界普遍经历了多期抬升剥蚀和沉降过程[29，30]，导致成烃成藏过程更加复杂，对长期以来指导油气勘探的一些经典理论和传统认识也提出了新的挑战。其中，早古生代生烃物质特殊性与长期生烃演化过程认识有待深化。

早古生代生物种群和沉积有机质的特殊性，以及它们在漫长地史时期经历的多期构造叠加与演化，决定了早古生代海相烃源形成与生排烃过程的复杂性。首先，在生物演化史上，早古生代以海生藻类为主，主要决定了早古生代烃源岩的有机质丰度和质量，干酪根为腐泥型，加之良好的保存环境，在南方和塔里木盆地形成了多套海相优质烃源岩。其次，在多期构造运动和不同温压条件下，下古生界普遍存在多种形式烃源共存且动态转化接替供烃的特点：（1）除了干酪根之外，以分散和富集状态赋存的可溶有机质，以及以有机酸盐形式存在的不溶有机质，在高温条件下可裂解生成天然气，表现出成烃物质的多元性。（2）在差异构造运动下，不同地区下古生界烃源（岩）可能经历一次或多期次生排烃过程，造成有些地区原油聚集成藏保存至今，如塔里木盆地下古生界中油气并存；有些地区深埋裂解成气，如川东北长兴组-飞仙关组储层沥青的大量发育，印证了原油裂解成气的过程；有些地区则经过构造抬升发生次生变化，如南方大量分布的古油藏，导致生烃中心的变迁以及多元生烃的有效性、贡献程度的不同。（3）通过国家“九五”以来攻关研究，对海相碳酸盐岩烃源岩评价标准形成了基本共识。但现今下古生界烃源岩及衍生物都处于高过成熟阶段，尤其在南方，早期由干酪根形成的原油均已裂解成气和固体沥青，其分子和同位素组成发生了显著变化，使得大量的地球化学参数失去了原始指示意义。加之，分散可溶有机质和古油藏等再生烃源已成为下古生界深层油气成藏的重要来源，其油气源对比、成藏示踪及其潜力分析尚无合适的指标体系。因此，厘清早古生代烃源原始特征，揭示多元生烃机制，建立相应的油气示踪标志体系，是查明下古生界油气地质特征的重要基础。

3 亟待解决的关键科学问题和主要对策

从我国下古生界海相层系油气勘探现状和资源潜力来看，注重早古生代生物演化初期阶段成烃有机质的生源特征，亟待解决“早古生代有机质多元成烃机理与油气示踪标志”关键科学问题。

早古生代海相碳酸盐岩层系生物种群和沉积有机质的特殊性，以及它们在漫长地质历史时期经历的多期构造叠加与演化，决定了烃源形成与生排烃过程的复杂性。除了干酪根之外，从古源岩、输导体系到古圈闭，以分散和富集状态赋存的可溶有机质、以有机酸盐形式存在的不溶有机质，在高温高压条件下均可裂解生成天然气，表现出成烃物质的多元性。在差异构造活动背景下，不同地区早古生代层系烃源（岩）可能经历一次或多期次生排烃过程，造成部分地区原油聚集成藏保存至今，部分地区继续深埋裂解成气，部分地区经过抬升发生次生变化，从而导致生烃中心的变迁、储层流体相态的转化和有效圈闭的位移。因此，厘清早古生代烃源的原始特征，研究多期构造演化过程中多元油气的生成机理，建立油气示踪的标志体系，是揭示下古生界油气地质特征的重要基础。

总之，烃源岩的有效性是中国海相碳酸盐岩层系油气勘探所必须解决的重大基础问题之一，这对我国古老的海相碳酸盐岩层系油气规模聚集、保存及分布预测开展进一步的深化研究，从理论上、技术方法上形成系列的评价体系，以期揭示大中型油气田分布规律具有重要意义，可为下古生界更多的油气发现提供基础理论和技术方法支持。

参考文献

[1]康玉柱.中国古生代海相油气成藏特征[J].中国工程学，2010，12（5）：11-17.

[2]金之钧，云金表，周波.塔里木斜坡带类型、特征及其与油气聚集的关系[J].石油与天然气地质，2009，30（2）：127-135.

[3]戴金星，刘德良，曹高社，等.华北盆地南缘寒武系烃源岩[M].北京：石油工业出版社，2005.

[4]王铁冠，韩克猷.论中-新元古界的原生油气资源[J].石油学报，2011，35（1）：1-7.

[5]戎嘉余，方宗杰，周忠和，等.生物的起源、辐射与多样性演变-华夏化石记录的启示[M].北京：科学出版社，2006.

[6]梁狄刚，张水昌，张宝民，等.从塔里木盆地看中国海相生油问题[J].地学前缘，2000，7（4）：534-547.

[7]梁狄刚，郭彤楼，边立曾，等.中国南方海相生烃成藏研究的若干新进展（三）南方四套区域性海相烃源岩的沉积相及发育的控制因素[J].海相油气地质，2009，14（2）：1-19.

[8]Tenger， Liu Wenhui， Xu Yongchang，et al. Comprehensive geo- chemical identification of highly evolved marine carbonate rocks as hydrocarbon-source rocks as exemplified by the Ordos Basin[J]. Science in China Series D：Earth Sciences， 2006， 49（4）：384-396.

[9]Zhong Ningning， Lu Shuangfang， Huang zhilong，et al. TOC changes in the process of thermal evolution of source rock and its controls[J]. Science in China Series D：Earth Sciences，2004，z2：141-149.

[10]傅家谟，贾蓉芳.碳酸岩分散有机质的基本存在形式、演化特征与碳酸岩地层油气评价[J].地球化学，1984，13（3）：1-9.

[11]Zhao Wenzhi，Wang Zhaoyun，He Haiqing，et al.Gas formation mechanism of marine carbonate source rocks in China[J].Science in China Series D： Earth Sciences，2005，35（7）：638-648.

[12]刘文汇，陈孟晋，关平，等.天然气成烃、成藏三元地球化学示踪体系及实践[M].北京：科学出版社，2009.

[13]腾格尔，刘文汇，秦建中，等.川东北地区海相深层多源生烃动态转化机制——以普光气田为例[J].岩石学报，2012， 28（3）：895-903.

[14]Pittman E D，Lewan M D.Organic Acids in Geological Processes [M]. Berlin：Springer-Verlag，1994.

[15]Larter S R，Bowler B F J，Li M，et al.Molecular indicators of secondary oil migration distances[J].Nature，1996，383（17）：593-597.

[16]王铁冠，张枝焕.油藏地球化学的理论与实践[J].科学通报，1997，42（19）：2019-2025.

[17]Li M，Xiong Y，et al.Compound-specific stable carbon and hydrogen isotope ratios as a diagnostic oil-source correlation tool in the Canadian Beaufort-Mackenzie basin[C]//Organic Geochemistry： Challenges for the 21st Century，Seville， Spain，2005.

推荐访问:研究进展 面临 挑战 理论 下古生界生烃