烴源巖

利用干酪根H_C比評價烴源巖熱成熟度與生烴潛力

摘要在近幾年來，人們傾向于利用Rock-Eval熱力法的氫指數來評價烴源巖，而忽略了用

干酪根H／C比值評價烴源巖的優點。Rock-Eval熱解法能快速、廉價、定量（mgHC／g巖

石）地給出巖石中干酪根的熱解數據。由于在數據分布上的普遍分散性，一般人們認為

Rock-Eval熱解法對徑源巖評價是一種篩選評價。描述了在烴源巖評價中應用H／C比值的優

點，并確定了H／C比值與熱成熟度、有機質轉化率和排油量之間新的相關性。

熱解干酪根的H／C比值與I型、II型干酪根的熱轉化率程度存在一定的相關性。定量

計算的氫和碳損失與加水熱解實驗中的損失具有很好的一致性，表明干酪根H／C比值可作

為干酪根端元熱成熟度的一個好的指標。如果現在和原始H／C比值確定，那么這些數據同

時也為評價有機質轉化率提供了一種新的方法。現在H／C比值可通過微相有機質分析測試。

對于生油源巖，I型未熟干酪根的H／C比值為1．35～1．50，II型H/C比值為1．20～1．35。

在加熱水解實驗中，油的排出量與H／C比值之間的相關性可為勘探工作者提供一種快

速評價油的海帶湯 排出量的方法。依據加水熱解實驗、測試的H/C比值和計算的原始TOC（總有機

碳）對WIlliston盆地（Bakken頁巖）、LosAngeles盆地（Nodular頁巖）和Illionis盆地（New

Albany頁巖）的成熟烴源巖進行了初步體積估算，其結果于已發表的該盆地油的評價值非常

吻合。

關鍵詞：H／C比值干酪根烴源巖成熟度生烴潛力

0前言

在過去幼兒園教育教學工作計劃 的20～25年里，石油地球化學家成功地應用常規分析法對烴源巖進行了定量描

述，包括巖石中有機質的數量、類型以及成熟度。而近些年來，人們更強調對烴的生成與排

出的定量評價。現代勘探風險要求人們更全面地評估在成熟源巖中，有多少干酪根轉化為石

油，又有多少石油排出，這些信息對勘探、盆地建模以及遠景評價人生方向 都至關重要。

本文旨在使地球化學工作者重新認識利用干酪根H/C比評價烴源巖的好處，并給出與

Rock-Eval熱解方法結合以更好地評價烴該巖熱演化史的H／C比值范圍。利用干酪根H／C

比方法評定有機質成熟度，并快速地評價有機質轉化率。另外，利用H／C比與加水熱解實

驗的比較來評價液態烴的排出量。二者之間的關系能快速有效地給出從成熟溫巖中排出的原

油的大致數量。當然，這不能代替精確的盆地模擬研究。

關于評價干酪根轉化率的方法已有報道。Rock-Eval熱解法通過與同一烴源巖成熟I

H

的

比較來估計其未熟I

H

。隨著成熟度增加，I

H

的降低反映了有機質轉化為石油的比例。英國石

油公司就是廣泛應用I

H

指數評價烴源巖生徑潛力的，但其是應用代數方法來計算已生成的

石油量。已生成石油與生成總量（Rock-Eval熱解法S

2

）的比值是一種衡量轉化本的方式。

兩種方法都需要與成熟烴源巖的未熟巖樣進行地球化學對比，而這樣的樣品通常無法獲得。

進一步講，利用未熟烴源巖的原始I

H

或S

2

來評價是非常不可靠的，因為對給走質量的有機

質會由于源巖性質不同，生烴量會變化很大。

當假定為一級反應時，干酪根轉化率可用Arrhenius方程來建立動力學模型，而瑞利方

程需要活化能和影響因子來決定在一定溫度下干酪根的轉化率。這些參數往往還要通過對全

巖或分離出的干酪根進行多階段等溫熱模擬實驗才能獲得。此外，源巖的時間--溫度效應也

必須根據具體沉積盆地重新建立。這些需要具有適當的限制條件的熱力學方程來實現。地熱

流體、埋藏史以及古溫度都會影響動力學轉化率。

1討論

1．1使目巖評價

為了評價源巖的生烴潛力和生烴史，必須首先知道有機質的負量、類型以及成熟度。隨

著熱演化史，差徑錦巖、好烴核巖以及優質烴源巖的判識標準都發生變化。Peters等總結了

烴沒巖的評價參數（表1）。

人們通過測定實驗中總有機碳含量（TOC）來評價巖石中的有機質豐度，因為從巖石晶

格中對有機組分的分離和定量非常困難。例如，利用潮濕化學法從粉碎的巖石中分離干酪根

的重量由于殘余物質（黃鐵礦）的影響來月經可以吃藥嗎 而無法準確定量。依據源巖成熟度和質量，巖石中有

機質的量大約等于1.25TOC。能形成工業油藏的有機碳下限定為0.5％。但是，全球沉積

盆地而言，優質烴源巖的平均TOC都超過2.0％。有機質類型一般可通過Rock－Eval熱解法

和有機質顯微分析確定。Rock—Eval熱解法作為有效測定源巖有機質的方法，可用于有機質

潛力評價。雖然Rock－Eval熱解儀多種多樣，但它均能給出巖石的有機揮發份量S1，干酪

很熱解生烴總量S2和干酪根CO2生產量S3通過S2和S3能計算出巖石中氫，氧指數。通

過這些參數可繪制出VanKrevelen的H/C和O/C關系圖。如果成熟度已知，可直接利用H／

C比對干酪根進行生烴評價。

有機質熱成熟度一般通過Rock－Eval熱解法的Tmax演變而來。Tmax是干酪根發生最大

轉化的熱解溫度。Tmax資料應與有機質顯微分析，例如，鏡質體反射率（Ro）和孢子色變

指數一起解釋。如果干酪根類型確定，那么H/C比也是一個好的成熟度指標。有機質類型通

常可單獨通過有機質顯微分析測得。除了有機質數量、類型和成熟度外，石油生成應還包括

源巖垂向、水平展布，有機質相變和已達到成熟度的供油面積。近期，人們著重強調源巖沉

積環境的化學特征，通過沉積時的相對氧化程度來建立有機質保存程度的標準。同時，生標

分析也至關重要。

1.2有機質轉化率教師實習心得

在評價原油生成量之前，必須知道源巖原始生烴潛力與有機質轉化率。在建立巖石原始

生烴潛力時，必須把初始TOC值和干酪根類型確定下來。在研究烴源巖時，初始TOC值和

原始干酪根類型須重新建立，而對已轉化為原油的干酪根分餾特征也須確定下來。

1.2.1H/C比與I

H

指數

對于干酪根生烴潛力，最重要的因素是氫的豐度，理由很簡單，富氫有機質普遍比貧氫

有機質更易生油，因為油是富含氫的。無論殘余碳的數量如何，在干酪根用完氫后，生油就

會結束。因此，富含氫的有機質就是好的潛在烴源巖。兩種主要評價干酪根中氫含量的方法

是H/C比和Rock－Eval熱解的I

H

指數。

H/C比是干酪根類型評價最為有效的指標，也是與其它有機質類型指標進行對比的標準

（Jones，1987）。在煤巖化學研究的基礎上，Tissot等（1974）主要依據H/C比將干酪根分

為三類。Jones和Edison（1978）指出TH／C比作為干酪根類型指數的可靠性。Jones和

Demaison（1982）認識到熱解I

H

與H/C之間存在很大差異，并依據干酪根H/C比而不是熱

解產率初步劃分了有機質沉積相和源巖生烴潛力。Jones和Demaison認為有機相B（I型有

機質）是世界主要的生油烴源巖，在未成熟時，H/C比為1.2～1.4（表2）。

Jones和Demaison（198）給出了含II干酪根的頁巖、碳酸鹽巖、磷灰烴源巖的H/C比

（表3）。這些烴源巖為未熟，生油有機質含量超過90％，H/C比在1.2～1.4之間。對于這

些干酪根H/C比可以進行比較研究，因為原始有機物組成相似（藻類、細菌），并且沉積在

相似的沉積環境中（閉塞環境與還原環境）。不過，與Rock－Eval熱解的IH相比，H/C應用

較少，因為測定H/C比不僅耗時而且費用昂貴。另外，在干酪根分離過程中，會沉淀含水硅

酸鹽巖，其在燃燒時會釋放氫導致H/C比值異常偏高。硅凝膠污染可通過顯微鏡識別出來并

可用熱鹽酸處理掉，但氟化硅不溶于酸。

Rock－Eval熱解法仍是當前控源者評價的主要工具。它能快速、廉價地對全若進行生烴

評價，利用I

H

、I

o

指數確定干酪根類型，其類似于VanKrevolen的H/C與O/C比值。但是，

要綜合H/C比與Rock－Eval熱解的I。指數是比較困難的。例如：Katz等測定了西太平洋白

堊系到侏羅系黑色頁巖的生烴潛力，樣品的H/C比介于1.2～1.4之間（相差14％），而I

H

分布在150～650mgHC/gTOC之間（相差75％）。Grabowski繪出德克薩斯中南部白白堊系

AustinChalk不同樣品的H/C比與IH指數圖，其數據顯示對未熟油干酪根I

H

值相差67％

（180～540mgHC/gTOC），而H/C介于1.2～1.4之間。Tatz和Elrod（1983）繪出了Miocene

Monterey組樣品的H/C與I

H

關系圖，I

H

指數相差大于50％（300～650mgHC/gTOC），而H/C

相差11％（l.25～1.4）。其它地區的樣品也表明IH指數的變化要大于同一樣品的H/C比。

已有許多學者對I

H

與H/C比測定之間的差異進行了論述，他們認為與H/C比相比，Rock

－Eval的I

H

指數評價干酪根類型偏差。這些差異主要是由于礦物晶格（特別是貧有機質巖石），

瀝青污染以及分析方法（熱解或燃燒）所引起的，另外，Rock－Eval熱解分析實驗誤差一般

大約為10％，而H/C比分析測試誤差為0.5％。對于生油干酪根H/C比在1.0～1.5之間，

分析誤差大約為（3％～5％）。在Rock－Eval熱解前將干酪根分離出來是否會提高測試值

精度還不清楚，例如，Orr（1981），Katz（198），Crosy等（1986）和Peters（1986）認為

分離出的干酪根Rock－Eval熱解的I

H

比全巖的I

H

高一些，而Hunc等（1985）發現澳大利亞

白堊系Toolebuc組和Viking地塹中上侏羅系頁巖有機質的干酪根與全巖的I

H

差別不大。地

球化學家認為保存完好的未熟生油有機質具有高的H/C比，但相應的烴源巖并不總是具有高

的生換產率。

準確評價原始干酪根類型計算生烴轉化率的先決條件。對未熟II型生油有機質依據介

于350～700mgHC/gTOC（相差50％）的IH和介于1.2～1.4（相差14％）的H/C比相比較，

H/C比能更準確地重建成熟烴源巖的原始干酪根類型（表2）。另外，數學日記怎么寫三年級 有機巖石學家能在顯微

鏡下準確地從有機質分布與類型中測得干酪根H/C比（JonesandEdison，1978）。計算過程

中，應用Vankrevelen分布圖能確定任何成熟度下單個有機質組成的H/C比。例如，顯微鏡

下觀察顯示Ro為0.5％，有機質組成分別為無定形藻類20％、鏡質組65％、惰質組15％，

有機質總的H/C比約為0.90，這樣的實繁成語 例很多，在組成有機質顯微組分確定以后，就比較

容易重建原始H/C比，而且，H/C比計算的分析誤差通常在10％范圍。這樣，在評價烴源

巖時，應最好選擇原始H/C比而不是I

H

指數。

1.2.2利用H/C評價經源巖的生烴轉化率

在評價成熟烴源巖排油量時，都必須考慮干酪根轉化率。轉化率一般是指轉化為烴類的

有機碳與總有機質的比值。如果無法準確地評估轉化率，就會低估從成熟烴源巖的生油量。

在演化過程中，有機碳的損失部分依賴于干酪根類型，I型要比II或III干酪根更易生成和排

出油，許多報道一致認為在整個成熟期（干酪根生烴結束），I型干酪根損失80％～85％的

有機碳，II型損失45％～60％，而III損失10％～20％。

Dow等從理論上計算了干酪根有機碳損失的重量百分出。假設干酪根損失H與C的比

例與他們生成產物的比例是相等的，全世界典型原油的H/C比為1.8～1.85，在忽略早期生

成少量甲烷的情況下，這些數據表明在生烴高峰，每100個碳原子將消耗185個氫原子（H/C

為1.85）；在濕氣階段，每100個碳原子消耗300個氫原子（H/C為3.0）；在干氣階段，每

100個碳原子消耗400個氫原子（H/C為4.0）。化學計算結果如圖1所示，顯示了三種干酪

根H/C比與有機碳損失重量百分比。有機質損失途徑可作為原始H/C的一種體現。

烴源巖轉化率可用有機碳損失量除以最大有機碳損失量來粗略估算。切如：II干配根原

始H／C為1.26（有機碳損失0％），而現在H/C為1.0（有機碳損失大約33%），那么它已經

生成的烴類占總烴量的70％（33／46）（圖1）。I型有機質具有較高的原始H／C比（1.59），

在H／C比為1.0時，大約已轉化生成總烴類的90％。石油最終生成量與原始TOC和原始干

酪根氫含量成比例。

在成熟階段，通過化學計量計算是否能得出H/C比的減少與有機碳重量損失百分比成比

例關系仍不清楚。但是，通過加水熱解實驗，可以得到H／C比與有機磷重量損失百分比關

系，這與利用費托定量分析端元干酪根和混合組分得到的結果是一致的。加水熱解實驗企圖

通過源巖中加水封閉體系來模擬自然界石油的生成過程。與開放體系（如Rock－Eval熱解法）

相比，加水熱解實驗生成的油在組分上更接近于原油。費托定量分析是一種將100g磨碎的

頁巖置于500C溫度下，加熱lh，來計算物質質量平衡的方法。圖2比較了原始H/C均為

1.7的理論計算的II型干酪根有機碳重量損失百分比和H／C比與Monterey組II型干酪根在

加水實驗中的有機碳重量損失百分比和H／C比。類似地，圖3繪制出了原始H／C比均為

1.59的理論計算的I型未熟干酪根H／C比和GreenRiver組頁巖（I型干酪根）加水熱解實

驗后測得H／C比的有機碳重量損失百分比變化圖。在這兩個實例中，非常好的相關性表明，

H/C減少準確地反映了通過烴的生成造成干酪根有機碳的損失。另外，Dung（1989）指出費

托定量分析轉化率與澳大利亞油頁巖干酪根的H／C具有非常好的相關性（幾乎為線形）。

圖4為兩個生油干酪根在加水熱解實驗中H/C比與生烴轉化率關系圖。這種非常好的相關性

表明干酪根轉化率與原始H／C比具有直接關系。

這樣，對于企圖快速評價指定成熟度烴源巖生烴潛力的勘探家來說，可以通過比較測定

的H／C比和有機質顯微分析獲得的原始H／C比來得出有機碳重量損失百分比來估算。對

于原始H/C比合理估算，特別是保存完整的II型干酪根，原始H/C比幾乎都為1.20～1.35。

2排烴的定量估算

估計成熟烴源巖的排油量一直是人們所向往的。常用Rock—Eval熱解參數S

2

乘以22來

得出每英畝英尺的產油桶數。22是一個估計值，它是依據巖石的顆粒密度和原油比重確定

的。定的。在加水熱解實驗作為一種常規方法被應用之前，還無法取代Rock－Eval熱解參數

S2作為烴源若定量評價的參數。但是，Rock－Eval熱解參數僅能給出現在源巖的殘余生烴潛

力，而不能直接給出排烴信息。在熱解實驗中，快速升溫（25C／min）和利用載氣帶出

裂解產物會造成排烴率高于目然界的排烴率。有機地球化學家認識到僅依靠Rock－Eval熱解

參數S2會過高評價生烴潛力。

加水熱解實驗是除了Rock－Eval熱解法外又一種能對烴源巖進行生烴評價的方法。在對

烴源巖加水熱模擬中，生成產物主要有瀝青（抽提物）、吸附瀝青（巖石表面吸附）和排出

的原油。不同學者對不同類型干酪根進行了加水熱解實驗。Huizinga等（198拳腿組合 8）模擬了綠河

頁巖（I型）的生烴量；Lewan（1985）對二疊系Phosporia頁巖和志留系Woodford頁巖（II

型）的加水熱解實驗進行了報道；Peters等也對MioceneMontery組磷酸鹽與硅質頁巖進行

了加水熱模擬實驗；Teerman等（1991）對NorthDakota褐煤（III型）干酪根加水熱模擬。

通過加水熱模擬實驗能快速評價成熟烴該巖的排油量。不必根據模擬溫度來確定排出原油量，

僅需根據H／C比來確定。排出原油量（吸附+排出）換算成巖石TOC含量與H／C比關系如

圖5所示。從圖中可得出有價值的信息，例如：換算成TOC的原油生成量與干酪根原始H

／C比成一定比例關系。這是非常容易理解的，因為轉化率也與干酪根原始H／C比有關。

綠河頁巖（H／C＝1.59），排出的液態物幾乎是典型II干酪根（H/C=1.25）的2倍。在熱成

熟期間，NorthDakota褐煤（III型）具有較低的H／C比，單位TOC排出烴也低。具有高的

TOC含量的煤應顯示出可生成大量液態物，但是鏡質組與惰質組是煤的主體組成部分，這些

顯微組分具有很強的吸附能力，幾乎阻止所生成液態物的大量排出。

圖5也表明II型干酪根的加水實驗也具有類似的排烴特征，明顯具有獨特的巖石學特征。

一般而言，II型干酪根在原始H／C比為1.25時，在成熟階段（H/C=0.50）時每英畝一英尺

有機碳可排出60～65桶油。但是，這個值對加水熱解實驗并不是唯一的。Harwood（1977）

報道了不同干酪根在封閉容器中的熱解實驗，并測試了實驗前后元素的組成。通過比較干釀

根H／C比與生成瀝青量，發現在成熟階段，Ecuador的Napo組頁巖每英畝一英尺有機碳可

生成大約65桶油，其原始H／C比為1.28。這一證據支持了生油源巖的排烴能力受原始H

／C比、原始TOC以及源巖成熟度影響。一般而言，在成熟階段（H/C=0.5）時，II型干酪根

在加水封閉熱解和密閉熱解實驗每英畝一英尺有機碳都能生成60～65桶油。圖5同樣表明

干酪根轉化率與液態物排出之間H／C具有一個滯后效應。在H／C為1.0時，II型干酪根應

將75％～80％的有效碳轉化為原油（圖1），但是，圖5表明，許多在此階段生成的原油仍

在源巖中，這樣就造成H／C比減少與排出原油在初期階段并不是線形關系。在II型干酪根

排出液態物與H／C比快速降低表明生成的瀝青在排出前已充滿巖石空隙。

如果已知干酪根類型、TOC和H／C比，通過干酪根H／C比與排出原油量之間的關系

可初步粗略估計總的排烴能力、吸附力和已排出原油量。表4列出了3個實例。對于未熟烴

源巖，這種方法更簡單，因為總排烴力與吸附力是相同的。在樣品已達成熟時，鑒別干酪根

原始類型可很好地確定原始H／C比。利用這些信息，通過H／C比和有機碳損失可重建原

始TOC（圖2，3），原油排出量和吸附量也可通過圖5計算出。

3結論

H／C比作為源巖評價參數一直未受到人們的重視，主要只因為Rock－Eval熱兒童學游泳 解法的IH

指數容易獲得。但是，與IH指數相比，H／C比更能反映原始有機質類型以及可作為端元干

酪根類型的熱成熟度指標。與Rock－Eval熱解法結合后干酪根H／C比對源巖評價有很大幫

助，并能使地質工作者快速評價源巖成熟度、轉化率和生烴量。

可通過成熟期間干酪根的H和C損失來確定有機質轉化率。從加水熱解實驗中可知，I、

II型干酪根的熱解有機質的H／C比與有機碳重量損失百分比具相關性。根據這種關系，通

過H/C比和干酪根原始類型可確定有機質損失量。而干酪根原始類型可通過鏡下分析獲得。

通過加水熱解實驗能快速對烴源巖生烴能力、轉化率和排烴能力做出定量預測。加水熱解實

驗和H／C比評價排烴能力優于Rock－Eval熱解法，因為在加水熱解實驗中可直接測量從成

熟源巖中排出的原油量。