煤成油地球化学研究现状与展望

第卷增刊年月地学前缘中国地质大学,北京汤段印,玫巧眼煤成油地球化学研究现状与展望黄第藩卢双舫石油勘探开发科学研究院,北京,大庆石油学院,黑龙江安达,摘要重点评述与煤成油理论及勘探实践有密切关系、并在近几年取得重要进展的煤成烃演化模式、煤的生油能力及排油研究方面的问题。指出石油地质化学家已更深刻地认识到了煤成烃模式、阶段因地而异的复杂性建立判别煤系源岩生油能力的标准是煤成油研究中最为重要的进展之一,其中以依据总生烃潜量凡、氯仿沥青“’’和总烃含量与有机碳的相关关系建立的判别方案比较实用和有效比较系统地评述了与工业性煤成油气聚集有重要关系的煤成烃排出问题的种主要研究方法、进展、存在的问题和分歧。在此基础上,展望了对指导煤成油勘探有重要意义的煤系源岩的分布预测、倾油性的进一步判识及排出问题定量研究的发展趋势。关键词煤成油煤系源岩成烃模式排油机理定量评论,年,在“煤成油地球化学研究的最新进展”一文中「’〕,在广泛调研的基础上,笔者曾经从煤系源岩的生油、排油能力及其影响因素、煤成油的演化、地化特征等个方面比较系统地评述过有关研究成果。近年来,随着国内外学者从地质、地球化学、有机岩石学、模拟实验等多方面对过去业已发现的煤成油气田如印度尼西亚的库特盆地、澳大利亚的吉普斯兰盆地、佩思盆地和我国的吐哈盆地等及在煤成烃理论指导下,新近发现或有重大扩展的煤成油气田如准噶尔盆地东部、塔里木盆地库车坳陷、酒泉东部盆地、埃及西北沙漠的中侏罗世煤系等的深人研究,人们对煤成油研究中的许多理论和有关勘探的实际问题有了更为明晰的认识,取得了丰硕成果。表现在近年来,有大量有关煤成油研究的论文在国内外有影响的刊物上发表〔一〕,,,并有多部有关煤成油理论和实践的专著问世一,形成石油有机地球化学研究中的一个重要热点但同时在许多问题上仍存在分歧和争议,正是这些争论推动了有关问题的深人研究。因此,本文将在上文综述的基础上,进一步评述近几年来煤成油地球化学研究的成果,探讨存在问题,展望发展趋势。煤系源岩的热演化与成烃模式一些学者指出,不同的显微组分具有不同的成烃模式〔’,‘’,,,。如一般认为木栓质收稿日期一一作者简介黄第藩,男,年生,教授级高级工程师,国家自然科学基金委员会地学组委员。主要从事石油地质地球化学的研究工作。孙永革,盛国英吐鲁番盆地煤成油形成第届全国有机地球化学学术会议论文摘要,程克明,赵长毅吐哈盆地油源研究新认识第届全国有机地球化学学术会议论文摘要,地学前缘,增刊体、树脂体、基质镜质体、沥青质体的成油期较早,因此,虽然煤系有机质的热演化,从本质上看仍是热力作用下的降解、缩合反应,它们与海相、湖相有机质的演化应该没有实质性的不同但由于煤岩有机组成的复杂性和多变性,使它们在具体的表现形式如氯仿沥青“’,一深度关系上不仅与湖、海相有机质的演化存在差别,而且不同地区的煤也表现出差异性。基于这些差别,肖贤明等〔“〕曾经概括了我国聚煤盆地的种成烃模式。尽管所提出的种模式在依据和应用上还有待于探讨和完善,但至少已反映了煤系源岩的成烃演化和模式因地而异的复杂性。除了上述从地质实例观察和模拟实验结果所得到的定性认识之外,卢双舫,、等还从化学动力学理论的角度定量证明,由于不同的显微组分内在组成、结构、键型的差别,决定了其成烃的平均活化能及活化能分布范围的差别,从而导致不同的显微组分的成烃门限、油窗范围宽窄不一。正是这种煤岩显微组分成烃模式、阶段的差异性和不同地区煤岩组成的变化性,使得不同地区煤岩的成烃阶段、模式表现出明显的差别。煤系源岩的生油能力、影响因素及判别标准在煤成油研究中,核心和关键的问题仍然是煤的生油能力、排油能力及其影响因素。我们在上次的评述中,曾归纳了有关煤系源岩生、排油能力的种观点,即煤系有机质只能生气,基本不能生油煤能生成可观数量的液态烃类,但难以排出煤不但能生油,也能排油煤层不仅能排油,而且比泥、页岩更易、更早排出液态石油。从原理上讲,具工业价值的大规模的煤成油气田的发现,应该可以结束煤能否成油,以及煤成油能否从煤系地层排出这一长期争论的问题〔川但实际上,由于不同学者所选取的研究实例不同,研究方法、手段有别,研究中所作的某些假设不一,因而,研究所得基本结论仍存在重要分歧【‘,,,,。前述种观点中,除第种,即煤系基本不能生油的观点已被否定之外,其余种观点都有具体的实例和有说服力的证据。我们认为,虽然倾油的,易于生油的煤系源岩能够生成、排出液态石油,并可导致相当规模的煤成油气聚集,但并非所有的煤系地层都是倾油的。咙对世界范围内有一定规模的煤成油聚集盆地中煤的统计表明,倾油的煤相对来说较少,因此,煤主要是气源岩,对世界油储量的贡献较少。除澳大利亚库拍盆地二叠系的煤成油之外,现今世界上大多数倾油的煤,一是与低纬度以内的第三系盆地被子植物有关如印尼马哈坎姆三角洲的煤,并认为低纬度地区的温暖潮湿气候有利于成煤被子植物群的繁盛及倾油组分的优先富集和保存随着纬度的升高,煤倾气的可能性增大。二是与澳大利亚和新西兰板块上古南纬一的晚侏罗一始新世煤系有关如盆地,并认为这与澳大利亚与冈瓦纳大陆在晚侏罗世分离之后广泛发育的裸子植物有关。植物的差异可以解释为什么南半球高纬度地区的煤仍倾油而北半球不是如此。在此范围之外,与倾油的煤有关的石油储量很少。如中国和埃及的部分中侏罗世煤系,这些煤沉积在边缘湖相,可能含有高含量的藻干酪根,其互层的泥岩才是所产油的油源。看来,的统计没有考虑我国西北地区具有相当规模的煤成油气聚集,因为至少从现在研究成果来看,我国现今纬度在士的西北地区倾油的煤在侏罗纪沉积时期的古纬度也应在以上川。’倾油的煤应是富氢的,但煤富氢与否,往往不能由干酪根的原子个数比明一一,增刊地学前蛛显体现出来。这一方面与多数腐殖煤总体上含贫氢的镜质体、惰质体较多,因而富氢组分含量的一定变化对整体比值的变化影响较小另一方面原子个数比分析时,已去掉相对富氢的可溶组分有关,而黄第藩等人的研究表明,腐殖煤中的可溶有机质对成烃有重要贡献〔川。虽然富氢的壳质组含量高的煤往往生油能力较高,但已有越来越多的证据表明,由于普通光学显微镜对超微类脂体〔’,,】及达到一定演化程度的显微组分如木栓质体辨识能力的限制和亚显微组分如基质镜质体与均质镜质体【、角质体与抱子体生烃能力的明显差别,类脂组含量的多少不是衡量煤系源岩生油能力的权威指标。尽管目前已有一些学者提出用,类脂组巧作为识别倾油煤的一般标准〔‘,〕,但更多的学者倾向于认为更值得重视的方法是用一热解分析指标来评价〕煤的生烃能力。这是由于煤的热蒸发和热解产物量是一个连续的数值比指标,更便于直接应用于定量评价,同时它也综合反映了各种煤岩显微组分、亚显微组分及显微镜难以识别的超微类脂体对煤岩整体生油能力的共同贡献。并且相对来说,这种分析较显微组分组成分析、元素分析更快速、更经济,我们认为它是目前比较实用、有效的判别煤系地层倾油性的指标。应该说,关于煤系地层生油气能力的判别标准的研究,是近几年来有关煤成油地球化学汤奢盆地。巴参井一一一一一一一一一一一蚤中凡丁’卜一于石未二派琴钊…笋。工币的沂非。差中黑有机含煤地层总生烃潜量与有机碳含量关系图·!飞认图研究最重要和实用的进展之一。尽管一般认为富氢的类脂组含量较高的煤是倾油的,并有一些学者以壳质组含量的高低作为评价煤系源岩生油气能力的主要指标,如!刘认为倾油的煤,其类脂组的质量分数大于,肖贤明等川以壳质组的质量分数,巧,或为界,参照基质镜质体质量分数、、氢指数等,将煤系源岩的生油气能力分为种类型。但考虑到前述原因,黄第藩等基于对我国西北地区含煤地层总生烃潜量几、氯仿沥青“’,和总烃含量与有机碳关系相关性研究,提出了一个将煤味机与煤系泥岩卯比。红一悦塔肠味机、高碳泥岩味机一的评价标准统一起来判别其生油气能力的比较实用的评价方案原文图,,,表,。由于煤系原岩的生烃潜量与有机碳之间存在较好的线性正比关系,煤系地层的生烃量,主要取决于有机质丰度。据此,该方案将煤系源岩分为“非、差、中、好、很好”5级(图1)。总的来说,有机质丰度越高级别越好,所以高炭泥岩和煤一般都属于好的和很好的生油岩。由于含煤地层有机质类型差、单位生烃潜力低,各项丰度指标的界限值都高于一般湖相生油岩。同时,考虑到煤成油一般是轻质油和凝析油,其饱和烃含量很高,这表明煤层和高炭泥岩的吸附性较强,排驱效率较低,可溶重质组成(非径和沥青质)很难运移出来,主要运移组分是烃类,特别是饱和烃和轻的芳烃。因此,煤层的分级评价标准提高了一个档次,这应该是合理的。185地学前球1999,6(增刊)3煤系源岩排油问题研究的方法、现状及进展虽然有一些学者相信,演化到一定程度的煤均能排油[l],但目前大多数学者认为,至少从工业性的煤成油聚集的意义上来讲,并非所有的煤系源岩都能排油。换句话说,排油条件应该是决定煤系地层石油潜力(倾油程度)的关键因素[361。比如,一些学者认为源岩成熟后的构造挤压是油气有效排出的主要动力。我国西北地区目前业已发现的侏罗系原生油气藏,无一例外地都分布在有一定构造挤压的地区。如吐哈盆地都善弧形构造带上煤成油的富集就与它所经历的构造挤压密切有关,相反地,在相对稳定的斜坡和坳陷区,尚未发现侏罗系油藏[’o]。目前,研究煤系地层排油(烃)问题的思路和方法可以概括为4种:¹地质实例剖析、比较研究法;º模拟实验法;»从微观上解剖排烃(油)机理的方法;¼由生油量减残油量来评价排油的方法。3.1地质实例分析法这是目前研究较多、也较易为人们所接受的方法,其基本出发点是选取1一n个含煤地层,系统取样,从有机岩石学、有机地球化学或两者的综合分析上来认识排油现象、过程、排油气量。在用地质实例样品剖析运移问题方面,1974年,块ythaeuser等曾有过出色的工作[38〕。之后,1993年Littke和Leythaeuser〔32]所作的工作也是很有意义的。他们对德国Ruhr地区某一处位于成熟阶段(埋深1529一1530m,R。=0.92%)的煤层进行了详细研究,该煤层上覆为孔、渗性良好的砂岩,因而可成为煤中烃类排出的有效通道,显微镜下观察也证实它已为沥青所浸染;其下伏则为致密的粉砂岩,并无被沥青浸染的迹象,表明煤中所生成的油没有向下运移。对此处lm厚煤层的系统的煤岩学分析表明,其显微组分组成随深度的变化是随机的,没有规律可循(原文图10)。但对该煤层所进行的系统的地化定量分析显示,从底到顶有机碳中疏正构烷烃的绝对质量分数逐渐从9.2x10’4减少到5.0xl0’4(原文图11)。这种系统的变化被解释为邻近砂岩的煤中眯以上正构烷烃的优先排出,而不是煤的沉积环境逐渐从厌氧过渡到氧化环境的结果(因惰性组含量变化无规律)。顶部相对于底部的排烃效率约为46%,若底部煤中也有向上的排烃作用发生,则实际排烃效率更高。对单个正构烷烃分子和姥鱿烷的定量分析也观察到同样的结果。对正构烷烃分子排出效率的定量计算显示,越邻近砂岩,排出效率越高,但对同一样品,所分析的C15一q6范围内不同分子量的正构烷烃的排出效率非常相近(原文图13),即这一分子量范围内没有组分分异现象发生,这被认为是独立油相运移的证据〔38]。19%年,黄第藩[3]在研究了吐哈盆地煤的成烃演化和自然排烃剖面特征后,根据煤的孔隙、微裂隙的分布特征和内在水份含量的变化,结合煤的吸附性对成烃产物排驱的影响和不同演化阶段烃类相态变化,设计了煤成油初次运移模式,将其划分为压实排驱、连续整体油相运移和气溶方式运移3个阶段(图2)。并指出,煤源岩中饱和烃含量几乎始终低于芳烃含量并不是它们源于腐殖型母质的结果,因为几乎任何类型的成烃母质中的有效成烃组分都主要是类脂组,产物自然是以饱和烃为主的。因此,烃源煤中芳烃含量高于饱和烃的现象只能是一种运移效应的反映。由于饱和烃的极性弱,大部分已由煤中排出了。一186一,6(增刊)地学前球正是由于烃源煤初次运移和排驱的上述特点,导致聚集成藏的煤成油总是以轻质油为主的,饱和烃质量分数达80%以上,其次为三环以下的轻芳烃。而非烃、沥青质和四环以上重芳烃则很少作出实际的贡献。成成成煤煤烃像煤的成烃演化化主