烃源岩

利用干酪根H_C比评价烃源岩热成熟度与生烃潜力

摘要在近几年来，人们倾向于利用Rock-Eval热力法的氢指数来评价烃源岩，而忽略了用

干酪根H／C比值评价烃源岩的优点。Rock-Eval热解法能快速、廉价、定量（mgHC／g岩

石）地给出岩石中干酪根的热解数据。由于在数据分布上的普遍分散性，一般人们认为

Rock-Eval热解法对径源岩评价是一种筛选评价。描述了在烃源岩评价中应用H／C比值的优

点，并确定了H／C比值与热成熟度、有机质转化率和排油量之间新的相关性。

热解干酪根的H／C比值与I型、II型干酪根的热转化率程度存在一定的相关性。定量

计算的氢和碳损失与加水热解实验中的损失具有很好的一致性，表明干酪根H／C比值可作

为干酪根端元热成熟度的一个好的指标。如果现在和原始H／C比值确定，那么这些数据同

时也为评价有机质转化率提供了一种新的方法。现在H／C比值可通过微相有机质分析测试。

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

在加热水解实验中，油的排出量与H／C比值之间的相关性可为勘探工作者提供一种快

速评价油的海带汤 排出量的方法。依据加水热解实验、测试的H/C比值和计算的原始TOC（总有机

碳）对WIlliston盆地（Bakken页岩）、LosAngeles盆地（Nodular页岩）和Illionis盆地（New

Albany页岩）的成熟烃源岩进行了初步体积估算，其结果于已发表的该盆地油的评价值非常

吻合。

关键词：H／C比值干酪根烃源岩成熟度生烃潜力

0前言

在过去幼儿园教育教学工作计划 的20～25年里，石油地球化学家成功地应用常规分析法对烃源岩进行了定量描

述，包括岩石中有机质的数量、类型以及成熟度。而近些年来，人们更强调对烃的生成与排

出的定量评价。现代勘探风险要求人们更全面地评估在成熟源岩中，有多少干酪根转化为石

油，又有多少石油排出，这些信息对勘探、盆地建模以及远景评价人生方向 都至关重要。

本文旨在使地球化学工作者重新认识利用干酪根H/C比评价烃源岩的好处，并给出与

Rock-Eval热解方法结合以更好地评价烃该岩热演化史的H／C比值范围。利用干酪根H／C

比方法评定有机质成熟度，并快速地评价有机质转化率。另外，利用H／C比与加水热解实

验的比较来评价液态烃的排出量。二者之间的关系能快速有效地给出从成熟温岩中排出的原

油的大致数量。当然，这不能代替精确的盆地模拟研究。

关于评价干酪根转化率的方法已有报道。Rock-Eval热解法通过与同一烃源岩成熟I

H

的

比较来估计其未熟I

H

。随着成熟度增加，I

H

的降低反映了有机质转化为石油的比例。英国石

油公司就是广泛应用I

H

指数评价烃源岩生径潜力的，但其是应用代数方法来计算已生成的

石油量。已生成石油与生成总量（Rock-Eval热解法S

2

）的比值是一种衡量转化本的方式。

两种方法都需要与成熟烃源岩的未熟岩样进行地球化学对比，而这样的样品通常无法获得。

进一步讲，利用未熟烃源岩的原始I

H

或S

2

来评价是非常不可靠的，因为对给走质量的有机

质会由于源岩性质不同，生烃量会变化很大。

当假定为一级反应时，干酪根转化率可用Arrhenius方程来建立动力学模型，而瑞利方

程需要活化能和影响因子来决定在一定温度下干酪根的转化率。这些参数往往还要通过对全

岩或分离出的干酪根进行多阶段等温热模拟实验才能获得。此外，源岩的时间--温度效应也

必须根据具体沉积盆地重新建立。这些需要具有适当的限制条件的热力学方程来实现。地热

流体、埋藏史以及古温度都会影响动力学转化率。

1讨论

1．1使目岩评价

为了评价源岩的生烃潜力和生烃史，必须首先知道有机质的负量、类型以及成熟度。随

着热演化史，差径锦岩、好烃核岩以及优质烃源岩的判识标准都发生变化。Peters等总结了

烃没岩的评价参数（表1）。

人们通过测定实验中总有机碳含量（TOC）来评价岩石中的有机质丰度，因为从岩石晶

格中对有机组分的分离和定量非常困难。例如，利用潮湿化学法从粉碎的岩石中分离干酪根

的重量由于残余物质（黄铁矿）的影响来月经可以吃药吗 而无法准确定量。依据源岩成熟度和质量，岩石中有

机质的量大约等于1.25TOC。能形成工业油藏的有机碳下限定为0.5％。但是，全球沉积

盆地而言，优质烃源岩的平均TOC都超过2.0％。有机质类型一般可通过Rock－Eval热解法

和有机质显微分析确定。Rock—Eval热解法作为有效测定源岩有机质的方法，可用于有机质

潜力评价。虽然Rock－Eval热解仪多种多样，但它均能给出岩石的有机挥发份量S1，干酪

很热解生烃总量S2和干酪根CO2生产量S3通过S2和S3能计算出岩石中氢，氧指数。通

过这些参数可绘制出VanKrevelen的H/C和O/C关系图。如果成熟度已知，可直接利用H／

C比对干酪根进行生烃评价。

有机质热成熟度一般通过Rock－Eval热解法的Tmax演变而来。Tmax是干酪根发生最大

转化的热解温度。Tmax资料应与有机质显微分析，例如，镜质体反射率（Ro）和孢子色变

指数一起解释。如果干酪根类型确定，那么H/C比也是一个好的成熟度指标。有机质类型通

常可单独通过有机质显微分析测得。除了有机质数量、类型和成熟度外，石油生成应还包括

源岩垂向、水平展布，有机质相变和已达到成熟度的供油面积。近期，人们着重强调源岩沉

积环境的化学特征，通过沉积时的相对氧化程度来建立有机质保存程度的标准。同时，生标

分析也至关重要。

1.2有机质转化率教师实习心得

在评价原油生成量之前，必须知道源岩原始生烃潜力与有机质转化率。在建立岩石原始

生烃潜力时，必须把初始TOC值和干酪根类型确定下来。在研究烃源岩时，初始TOC值和

原始干酪根类型须重新建立，而对已转化为原油的干酪根分馏特征也须确定下来。

1.2.1H/C比与I

H

指数

对于干酪根生烃潜力，最重要的因素是氢的丰度，理由很简单，富氢有机质普遍比贫氢

有机质更易生油，因为油是富含氢的。无论残余碳的数量如何，在干酪根用完氢后，生油就

会结束。因此，富含氢的有机质就是好的潜在烃源岩。两种主要评价干酪根中氢含量的方法

是H/C比和Rock－Eval热解的I

H

指数。

H/C比是干酪根类型评价最为有效的指标，也是与其它有机质类型指标进行对比的标准

（Jones，1987）。在煤岩化学研究的基础上，Tissot等（1974）主要依据H/C比将干酪根分

为三类。Jones和Edison（1978）指出TH／C比作为干酪根类型指数的可靠性。Jones和

Demaison（1982）认识到热解I

H

与H/C之间存在很大差异，并依据干酪根H/C比而不是热

解产率初步划分了有机质沉积相和源岩生烃潜力。Jones和Demaison认为有机相B（I型有

机质）是世界主要的生油烃源岩，在未成熟时，H/C比为1.2～1.4（表2）。

Jones和Demaison（198）给出了含II干酪根的页岩、碳酸盐岩、磷灰烃源岩的H/C比

（表3）。这些烃源岩为未熟，生油有机质含量超过90％，H/C比在1.2～1.4之间。对于这

些干酪根H/C比可以进行比较研究，因为原始有机物组成相似（藻类、细菌），并且沉积在

相似的沉积环境中（闭塞环境与还原环境）。不过，与Rock－Eval热解的IH相比，H/C应用

较少，因为测定H/C比不仅耗时而且费用昂贵。另外，在干酪根分离过程中，会沉淀含水硅

酸盐岩，其在燃烧时会释放氢导致H/C比值异常偏高。硅凝胶污染可通过显微镜识别出来并

可用热盐酸处理掉，但氟化硅不溶于酸。

Rock－Eval热解法仍是当前控源者评价的主要工具。它能快速、廉价地对全若进行生烃

评价，利用I

H

、I

o

指数确定干酪根类型，其类似于VanKrevolen的H/C与O/C比值。但是，

要综合H/C比与Rock－Eval热解的I。指数是比较困难的。例如：Katz等测定了西太平洋白

垩系到侏罗系黑色页岩的生烃潜力，样品的H/C比介于1.2～1.4之间（相差14％），而I

H

分布在150～650mgHC/gTOC之间（相差75％）。Grabowski绘出德克萨斯中南部白白垩系

AustinChalk不同样品的H/C比与IH指数图，其数据显示对未熟油干酪根I

H

值相差67％

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

Monterey组样品的H/C与I

H

关系图，I

H

指数相差大于50％（300～650mgHC/gTOC），而H/C

相差11％（l.25～1.4）。其它地区的样品也表明IH指数的变化要大于同一样品的H/C比。

已有许多学者对I

H

与H/C比测定之间的差异进行了论述，他们认为与H/C比相比，Rock

－Eval的I

H

指数评价干酪根类型偏差。这些差异主要是由于矿物晶格（特别是贫有机质岩石），

沥青污染以及分析方法（热解或燃烧）所引起的，另外，Rock－Eval热解分析实验误差一般

大约为10％，而H/C比分析测试误差为0.5％。对于生油干酪根H/C比在1.0～1.5之间，

分析误差大约为（3％～5％）。在Rock－Eval热解前将干酪根分离出来是否会提高测试值

精度还不清楚，例如，Orr（1981），Katz（198），Crosy等（1986）和Peters（1986）认为

分离出的干酪根Rock－Eval热解的I

H

比全岩的I

H

高一些，而Hunc等（1985）发现澳大利亚

白垩系Toolebuc组和Viking地堑中上侏罗系页岩有机质的干酪根与全岩的I

H

差别不大。地

球化学家认为保存完好的未熟生油有机质具有高的H/C比，但相应的烃源岩并不总是具有高

的生换产率。

准确评价原始干酪根类型计算生烃转化率的先决条件。对未熟II型生油有机质依据介

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

H/C比能更准确地重建成熟烃源岩的原始干酪根类型（表2）。另外，数学日记怎么写三年级 有机岩石学家能在显微

镜下准确地从有机质分布与类型中测得干酪根H/C比（JonesandEdison，1978）。计算过程

中，应用Vankrevelen分布图能确定任何成熟度下单个有机质组成的H/C比。例如，显微镜

下观察显示Ro为0.5％，有机质组成分别为无定形藻类20％、镜质组65％、惰质组15％，

有机质总的H/C比约为0.90，这样的实繁成语 例很多，在组成有机质显微组分确定以后，就比较

容易重建原始H/C比，而且，H/C比计算的分析误差通常在10％范围。这样，在评价烃源

岩时，应最好选择原始H/C比而不是I

H

指数。

1.2.2利用H/C评价经源岩的生烃转化率

在评价成熟烃源岩排油量时，都必须考虑干酪根转化率。转化率一般是指转化为烃类的

有机碳与总有机质的比值。如果无法准确地评估转化率，就会低估从成熟烃源岩的生油量。

在演化过程中，有机碳的损失部分依赖于干酪根类型，I型要比II或III干酪根更易生成和排

出油，许多报道一致认为在整个成熟期（干酪根生烃结束），I型干酪根损失80％～85％的

有机碳，II型损失45％～60％，而III损失10％～20％。

Dow等从理论上计算了干酪根有机碳损失的重量百分出。假设干酪根损失H与C的比

例与他们生成产物的比例是相等的，全世界典型原油的H/C比为1.8～1.85，在忽略早期生

成少量甲烷的情况下，这些数据表明在生烃高峰，每100个碳原子将消耗185个氢原子（H/C

为1.85）；在湿气阶段，每100个碳原子消耗300个氢原子（H/C为3.0）；在干气阶段，每

100个碳原子消耗400个氢原子（H/C为4.0）。化学计算结果如图1所示，显示了三种干酪

根H/C比与有机碳损失重量百分比。有机质损失途径可作为原始H/C的一种体现。

烃源岩转化率可用有机碳损失量除以最大有机碳损失量来粗略估算。切如：II干配根原

始H／C为1.26（有机碳损失0％），而现在H/C为1.0（有机碳损失大约33%），那么它已经

生成的烃类占总烃量的70％（33／46）（图1）。I型有机质具有较高的原始H／C比（1.59），

在H／C比为1.0时，大约已转化生成总烃类的90％。石油最终生成量与原始TOC和原始干

酪根氢含量成比例。

在成熟阶段，通过化学计量计算是否能得出H/C比的减少与有机碳重量损失百分比成比

例关系仍不清楚。但是，通过加水热解实验，可以得到H／C比与有机磷重量损失百分比关

系，这与利用费托定量分析端元干酪根和混合组分得到的结果是一致的。加水热解实验企图

通过源岩中加水封闭体系来模拟自然界石油的生成过程。与开放体系（如Rock－Eval热解法）

相比，加水热解实验生成的油在组分上更接近于原油。费托定量分析是一种将100g磨碎的

页岩置于500C温度下，加热lh，来计算物质质量平衡的方法。图2比较了原始H/C均为

1.7的理论计算的II型干酪根有机碳重量损失百分比和H／C比与Monterey组II型干酪根在

加水实验中的有机碳重量损失百分比和H／C比。类似地，图3绘制出了原始H／C比均为

1.59的理论计算的I型未熟干酪根H／C比和GreenRiver组页岩（I型干酪根）加水热解实

验后测得H／C比的有机碳重量损失百分比变化图。在这两个实例中，非常好的相关性表明，

H/C减少准确地反映了通过烃的生成造成干酪根有机碳的损失。另外，Dung（1989）指出费

托定量分析转化率与澳大利亚油页岩干酪根的H／C具有非常好的相关性（几乎为线形）。

图4为两个生油干酪根在加水热解实验中H/C比与生烃转化率关系图。这种非常好的相关性

表明干酪根转化率与原始H／C比具有直接关系。

这样，对于企图快速评价指定成熟度烃源岩生烃潜力的勘探家来说，可以通过比较测定

的H／C比和有机质显微分析获得的原始H／C比来得出有机碳重量损失百分比来估算。对

于原始H/C比合理估算，特别是保存完整的II型干酪根，原始H/C比几乎都为1.20～1.35。

2排烃的定量估算

估计成熟烃源岩的排油量一直是人们所向往的。常用Rock—Eval热解参数S

2

乘以22来

得出每英亩英尺的产油桶数。22是一个估计值，它是依据岩石的颗粒密度和原油比重确定

的。定的。在加水热解实验作为一种常规方法被应用之前，还无法取代Rock－Eval热解参数

S2作为烃源若定量评价的参数。但是，Rock－Eval热解参数仅能给出现在源岩的残余生烃潜

力，而不能直接给出排烃信息。在热解实验中，快速升温（25C／min）和利用载气带出

裂解产物会造成排烃率高于目然界的排烃率。有机地球化学家认识到仅依靠Rock－Eval热解

参数S2会过高评价生烃潜力。

加水热解实验是除了Rock－Eval热解法外又一种能对烃源岩进行生烃评价的方法。在对

烃源岩加水热模拟中，生成产物主要有沥青（抽提物）、吸附沥青（岩石表面吸附）和排出

的原油。不同学者对不同类型干酪根进行了加水热解实验。Huizinga等（198拳腿组合 8）模拟了绿河

页岩（I型）的生烃量；Lewan（1985）对二叠系Phosporia页岩和志留系Woodford页岩（II

型）的加水热解实验进行了报道；Peters等也对MioceneMontery组磷酸盐与硅质页岩进行

了加水热模拟实验；Teerman等（1991）对NorthDakota褐煤（III型）干酪根加水热模拟。

通过加水热模拟实验能快速评价成熟烃该岩的排油量。不必根据模拟温度来确定排出原油量，

仅需根据H／C比来确定。排出原油量（吸附+排出）换算成岩石TOC含量与H／C比关系如

图5所示。从图中可得出有价值的信息，例如：换算成TOC的原油生成量与干酪根原始H

／C比成一定比例关系。这是非常容易理解的，因为转化率也与干酪根原始H／C比有关。

绿河页岩（H／C＝1.59），排出的液态物几乎是典型II干酪根（H/C=1.25）的2倍。在热成

熟期间，NorthDakota褐煤（III型）具有较低的H／C比，单位TOC排出烃也低。具有高的

TOC含量的煤应显示出可生成大量液态物，但是镜质组与惰质组是煤的主体组成部分，这些

显微组分具有很强的吸附能力，几乎阻止所生成液态物的大量排出。

图5也表明II型干酪根的加水实验也具有类似的排烃特征，明显具有独特的岩石学特征。

一般而言，II型干酪根在原始H／C比为1.25时，在成熟阶段（H/C=0.50）时每英亩一英尺

有机碳可排出60～65桶油。但是，这个值对加水热解实验并不是唯一的。Harwood（1977）

报道了不同干酪根在封闭容器中的热解实验，并测试了实验前后元素的组成。通过比较干酿

根H／C比与生成沥青量，发现在成熟阶段，Ecuador的Napo组页岩每英亩一英尺有机碳可

生成大约65桶油，其原始H／C比为1.28。这一证据支持了生油源岩的排烃能力受原始H

／C比、原始TOC以及源岩成熟度影响。一般而言，在成熟阶段（H/C=0.5）时，II型干酪根

在加水封闭热解和密闭热解实验每英亩一英尺有机碳都能生成60～65桶油。图5同样表明

干酪根转化率与液态物排出之间H／C具有一个滞后效应。在H／C为1.0时，II型干酪根应

将75％～80％的有效碳转化为原油（图1），但是，图5表明，许多在此阶段生成的原油仍

在源岩中，这样就造成H／C比减少与排出原油在初期阶段并不是线形关系。在II型干酪根

排出液态物与H／C比快速降低表明生成的沥青在排出前已充满岩石空隙。

如果已知干酪根类型、TOC和H／C比，通过干酪根H／C比与排出原油量之间的关系

可初步粗略估计总的排烃能力、吸附力和已排出原油量。表4列出了3个实例。对于未熟烃

源岩，这种方法更简单，因为总排烃力与吸附力是相同的。在样品已达成熟时，鉴别干酪根

原始类型可很好地确定原始H／C比。利用这些信息，通过H／C比和有机碳损失可重建原

始TOC（图2，3），原油排出量和吸附量也可通过图5计算出。

3结论

H／C比作为源岩评价参数一直未受到人们的重视，主要只因为Rock－Eval热儿童学游泳 解法的IH

指数容易获得。但是，与IH指数相比，H／C比更能反映原始有机质类型以及可作为端元干

酪根类型的热成熟度指标。与Rock－Eval热解法结合后干酪根H／C比对源岩评价有很大帮

助，并能使地质工作者快速评价源岩成熟度、转化率和生烃量。

可通过成熟期间干酪根的H和C损失来确定有机质转化率。从加水热解实验中可知，I、

II型干酪根的热解有机质的H／C比与有机碳重量损失百分比具相关性。根据这种关系，通

过H/C比和干酪根原始类型可确定有机质损失量。而干酪根原始类型可通过镜下分析获得。

通过加水热解实验能快速对烃源岩生烃能力、转化率和排烃能力做出定量预测。加水热解实

验和H／C比评价排烃能力优于Rock－Eval热解法，因为在加水热解实验中可直接测量从成

熟源岩中排出的原油量。