鄂爾多斯北部杭錦旗探區上古生界烴源巖評價

薛 會 張金川 徐 波 王 毅 毛小平

(1.中國石化石油勘探開發研究院,北京 100083;2.中國地質大學能源學院,北京 100083)

上古生界發育的煤系地層是鄂爾多斯盆地上古生界氣藏的主力烴源巖已經是不爭的事實。戴金星(2005)指出下古碳酸鹽巖中的天然氣也主要來自上古生界的煤系地層[1],進一步肯定了鄂爾多斯盆地上古生界烴源巖的作用。對于杭錦旗探區而言,上古生界烴源巖生烴能力及油氣來源研究一直比較薄弱,僅有張福禮(1985)[2]、費琪(2005)[3]等少數學者有針對性地對杭錦旗探區上古生界烴源巖展開過研究。可能受勘探程度、資料或其他因素影響,在開展鄂爾多斯盆地北部上古生界烴源巖研究時,大部分學者著重于杭錦旗南邊的烏審旗生烴中心[4～9],對于杭錦旗探區上古生界烴源巖涉及較少,認為杭錦旗探區上古生界油氣主要來自研究區南側烏審旗生烴中心。然而杭錦旗探區上古生界烴源巖生烴能力究竟如何,能否滿足該區油氣聚集,目前尚無定論。烴源巖問題的模糊不清已經嚴重影響了該區上古生界天然氣成藏類型與分布規律研究,阻礙了上古生界天然氣勘探的前進步伐。因此,開展烴源巖評價研究已經成為該區亟待解決的首要問題。

1 區域概況

杭錦旗探區(杭錦旗區塊和杭南區塊)位于鄂爾多斯盆地北部,橫跨伊盟隆起和伊陜斜坡兩大一級構造單元,總面積為9 825 km2。根據基底頂面起伏、蓋層發育情況以及構造形態特征,又可劃分為烏蘭格爾凸起、公卡漢凸起、杭錦旗斷階、伊陜斜坡及天環向斜一角共五個次一級構造單元(圖1)。在地形特征上,杭錦旗探區是鄂爾多斯盆地北部地區長期繼承性古隆起,一直被認為是油氣運移的有利指向區[7,8]。區內主要發育了三眼井、泊爾江海子兩條斷裂,分別位于研究區的西部、東部。前者為一條長約150 km的東西走向南傾正斷層,具有基底斷裂的特點;后者為一南凸弧形斷面北傾長約180 km的逆斷層,地震剖面顯示該斷層自北向南逆沖,具有兩期活動特征,早期在早海西或更早,晚期為燕山期,是研究區內一條重要的斷裂,控制著區內主要圈閉形成與地層沉積。

圖1 杭錦旗探區位置及構造單元劃分圖Fig.1 Structural unit division and location of the Hangjinqi block

晚古生代沉積前,杭錦旗探區一直處于長期隆起狀態,屬于基巖隆起區,基底主要由太古界至元古界混合變質巖系組成。至晚石炭世接受沉積以來,上古生界以不同層位由南向北超覆于太古-元古界基底之上,先后沉積了石炭系太原組、二疊系山西組、上石盒子組、下石盒子組及石千峰組,其中太原組和山西組主要發育煤層、泥巖及暗色泥巖,石盒子組和石千峰組以發育砂巖為主。

2 烴源巖展布

杭錦旗探區上古生界主要發育了兩套烴源巖,石炭系太原組和二疊系山西組煤系地層,巖性主要為煤層、暗色泥巖及炭質泥巖,已被鉆井和野外露頭所證實。根據多口探井及地震資料揭示,研究區上古生界烴源巖分布具有從南東向北西逐漸減薄趨勢,東南部上古生界煤層和暗色泥巖總厚30～60 m,西北部源巖厚度一般在20 m左右,其中浩繞召附近缺失山西組-太原組烴源巖。煤層展布與烴源巖厚度變化趨勢一致,煤層厚度約占整個烴源巖厚度的30%。太原組烴源巖主要分布在研究區的東南部,為一套海陸交互相的濱淺海和潮坪環境的沉積產物,巖性主要為煤層、暗色泥巖及炭質泥巖。具體范圍受太原組尖滅線控制,主要分布在盟1井-伊22井-伊8井一線以南,由南向北烴源巖厚度逐漸變薄,最大厚度約30 m。煤層最大厚度約10 m,在錦10井附近較薄,厚度一般小于5 m。山西組烴源巖主要為一套陸相的扇三角洲沉積,巖性與太原組一致,厚度相當,但山西組烴源巖分布范圍更廣,除了浩繞召、錦 3井、錦4井外,研究區內皆有分布。烴源巖厚度具有由南向北逐漸減薄的趨勢,厚度在10～40 m之間。煤層最大厚度約15 m,主要集中在杭南區塊內。

3 烴源巖地球化學特征

表1統計結果表明,早期研究以找油為目的,分析化驗樣品主要以泥巖為主,地球化學指數整體偏低。泥巖有機碳的質量分數主要分布0.5%～2%之間,個別泥巖有機碳的質量分數達3.09%;部分炭質泥巖有機碳的質量分數較高,達到8.58%,最高達30%～40%;樣品中可能夾有煤線。氯仿瀝青“A”的質量分數為 0.007%～0.141%,總烴的質量分數一般大于10×10-6;炭質泥巖的質量分數相對較高,一般達到 100×10-6以上。早期檢測的伊26井煤層地球化學指數較高,生油潛量為141.895‰,泥巖生烴潛量一般在1‰～4‰之間,殘留烴+裂解烴為0.08‰～7.2‰：顯示煤層較好的生烴潛力。

在充分認識研究區煤系地層特征基礎上,本次樣品主要以選取煤層為主,炭質泥巖和暗色泥巖為輔。化驗結果(表1)表明本區煤層有機碳的質量分數較高,最大值達77.27%,平均值為61.32%;炭質泥巖的質量分數次之,暗色泥巖的質量分數最低(0.35%～2.39%)。不同巖性的殘留烴+裂解烴變化與有機碳的質量分數變化一致,煤層的殘留烴+裂解烴的質量分數依次高于炭質泥巖、暗色泥巖。對比前人分析結果,本次測試結果更佳,達到中-好烴源巖標準。

表1 杭錦旗探區上古生界有機質地球化學指標Table 1 Statistics of organic geochemical indexes of Upper Paleozoic of the Hangjinqi block

山西組、太原組烴源巖飽和烴的質量分數一般小于10%,芳香烴的質量分數明顯高于飽和烴,飽和烴/芳香烴值一般小于0.5,非烴+瀝青質一般超過50%。干酪根H/C為0.54～0.59。這些特征都反映了有機質類型應該屬于腐殖型,干酪根類型為Ⅲ型,以生氣為主。

普遍認為鄂爾多斯盆地北部地區上古生界有機質成熟度分布范圍在0.6%～2.0%之間,杭錦旗探區上古生界有機質成熟分布范圍在0.6%～1.3%[5,6,9]。但是,最近也有觀點認為杭錦旗探區上古生界有機質成熟度分布在1.2%～2.0%[3]。針對目前存在的爭議,本次研究主要對最近探井進行跟蹤采樣分析。通過對研究區石炭-二疊系10塊樣品進行鏡質組反射率測定,Ro值的分布范圍在0.8%～1.3%,與前人觀點基本吻合。由南向北,研究區上古生界Ro值逐漸增高(圖2),杭錦旗斷階錦11井附近值最低,杭南地區錦8-錦10井一帶值最高,已經進入成熟階段。

4 烴源巖生烴能力及評價

衡量煤系烴源巖生烴能力好壞一直沒有一個統一的標準。劉德漢(1987)據鏡質組反射率、氯仿瀝青“A”、生烴潛量及H/C原子比四個指標將煤系烴源巖劃分為非常好、比較好和比較差三個等級[10,11],陳建平(1997)從氫指數、生烴潛量、氯仿瀝青“A”和總烴四個指標將煤系烴源巖生烴能力劃分為非烴源巖、差烴源巖、中等烴源巖以及好烴源巖四個等級[12]。從兩者的評價標準來看,后者的生烴下限標準略有提高,并且還明確提出有機碳的質量分數不宜作為評價煤和碳質泥巖的指標,用生烴潛量或氫指數來評價更為有效。由于他們的研究主要以生油為標準,而對于煤系生氣型源巖而言,指標標準可能更低。根據兩位學者的研究,本文主要采用生烴潛量這一指標作為杭錦旗探區上古生界煤系烴源巖生烴能力評價依據。

圖2 杭錦旗探區上古生界現今Ro等值線圖Fig.2 Contour diagram of present degree of organic metamorphism in Upper Paleozoic of the Hangjinqi block

4.1 生烴潛力

熱解實驗結果表明(表1),煤的生烴潛力遠大于泥巖,錦 8、錦9、錦 10井煤層生烴潛量普遍大于150‰,而泥巖樣品生烴潛量范圍在0.08‰～4.56‰,普遍小于1.0‰,炭質泥巖樣品生烴潛量稍大于泥巖。根據劉德漢(1987)提出的煤成烴源巖劃分標準(Ro處于0.6%～1.3%之間,生烴潛量大于150‰,屬于非常好生油巖[10])和陳克明(1994)提出的吐哈盆地煤系泥巖評價標準(生烴潛量在0.5‰～2.0‰之間,煤系泥巖屬于差生油巖[13,14]),杭錦旗探區上古生界煤層屬于非常好的烴源巖,泥巖則屬于差烴源巖。因此,煤層應為研究區最主要的氣源巖。

4.2 生烴模擬

4.2.1 生烴強度

TSM盆地模擬結果顯示,上古生界生烴強度從南向北呈半環狀減弱。研究區正南側地區最大生烴強度達2.5×106t/km2;至太原組烴源巖尖滅線附近,烴源巖總生烴強度減至(0.6～1.0)×106t/km2(圖3)。從數值上看,杭錦旗探區烴源巖以生氣為主導,生氣強度為(0.1～1.3)×109m3/km2,總生氣強度和生油強度等值線在形態上與總生烴強度十分相似,但后者明顯小于前者(圖4、圖5)。根據戴金星(1992)提出的工業油氣流盆地的最大生烴強度(1.0×106t/km2)下限標準[15],具備為研究區天然氣成藏提供物質基礎條件。

4.2.2 生烴量模擬

本次研究運用TSM軟件模擬計算了杭錦旗探區不同時期的生烴量、生氣量、生油量。杭錦旗探區生烴量合計3.4054×109t油當量。其中太原組1.187×109t,占總生烴量的34.86%;山西組2.216×109t,占總生烴量的 65.07%;下石盒子組源巖生烴量為0.0017×109t,僅占杭錦旗探區總生烴量的0.05%：明顯不具備生烴能力。

從生烴過程上看,早二疊世末累積生烴量為0.038×109t,中侏羅世末 1.182×109t,侏羅紀末1.484×109t,早白堊世末2.868×109t。整個研究區內源巖從侏羅紀末進入大規模生烴,生烴高峰為早白堊世。

對比山西組、太原組不同時期生氣量和生油量,杭錦旗探區總生氣量為2.608×1012m3,占總生烴量的76.58%;總生油量為0.797 3×109t,占總生烴量的23.41%。山西組和太原組總生氣量分別為1.705 88×1012m3和0.901 38×1012m3,分別占總生氣量的65.4%和34.6%;山西組和太原組總生油量分別為 0.501 53×109t和0.286 3×109t,分別占總生油量的 64.02%和35.87%。

圖3 杭錦旗探區總生烴強度等值線圖Fig.3 Contour diagram of the total hydrocarbon-generating intensity of the Hangjinqi block

圖4 杭錦旗探區總生氣強度等值線圖Fig.4 Contour diagram of the total gas-generating intensity of the Hangjinqi block

圖5 杭錦旗探區總生油強度等值線圖Fig.5 Contour diagram of the total oil-generating intensity of the Hangjinqi block

不同層位生油、生氣量模擬結果揭示,山西組烴源巖的生油氣量大于太原組。盡管太原組烴源巖生烴強度普遍大于山西組;但由于山西組源巖在空間展布上優于太原組源巖,具有厚度大、面積廣的優勢,總生烴量大于太原組,是研究區主力烴源巖層系。

4.2.3 熱演化史

研究區地處鄂爾多斯盆地北部伊盟隆起,并長期處于隆起狀態,烴源巖演化與盆地內部也有所區別(圖6)。

圖6 杭錦旗探區上古生界烴源巖演化史圖Fig.6 Map showing the evolution hydrocarbon source rocks of Upper Paleozoic in the Hangjinqi block

晚古生代至三疊紀晚期,研究區基本為一持續、穩定的沉降過程。在此期間,該區整體上以統一的廣覆型面貌出現,前期的隆凹型格局差異逐漸消失,但仍保持前期構造格局,北部隆起區也整體下沉接受沉積,上古生界烴源巖熱演化程度穩步增加。此時,太原組Ro普遍小于0.4%,有機質尚未成熟。此后的印支運動對杭錦旗探區地層有一定程度的抬升作用,但持續時間較短,抬升幅度不大,對烴源巖演化進程影響不大。

受早燕山運動的影響,鄂爾多斯盆地北部地區在中侏羅世末結束了整體升降的構造演化,開始了不均衡的發育,區域構造形態開始發生改變,但整體上繼承著南高北低的特征。此時,上古生界烴源巖開始成熟,Ro普遍達到0.6%～0.7%。

早白堊世,研究區經歷了強度最大的晚燕山構造運動,地層發生倒轉,形成現今東高西低、由南西向北東方向延伸的單斜構造,烴源巖處于最大埋深,有機質完全成熟,Ro普遍在1.0%左右,烴源巖達到生氣高峰。早白堊世末以來,研究區又經歷了構造抬升事件,但幅度不大,對有機質演化無較大影響。

4.3 烴源巖有效性分析

4.3.1 天然氣組分中甲烷的質量分數變化

根據天然氣“色層效應”運移理論,天然氣運移距離越遠,其氣體組分中甲烷所占的比例應越大。如果研究區上古生界天然氣主要來自南側烏審旗生氣中心,由于距離的關系,上古生界天然氣甲烷含量應高于烏審旗地區。根據對研究區及烏審旗附近上古生界天然氣甲烷的質量分數統計(表2),杭錦旗探區上古生界天然氣的甲烷的質量分數并沒有發生相應的變化,尤其是烴源巖層系(山西組)甲烷的質量分數反而降低,明顯低于烏審旗地區及附近。因此,研究區上古生界天然氣可能并不是來自烏審旗生氣中心,而是以自身為主。

表2 鄂爾多斯盆地北部不同地區甲烷的質量分數與甲烷化系數統計Table 2 Statistics of mass fraction of methane and methane coefficient in different regions of the northern Ordos Basin

甲烷化系數是一項常用的地球化學參數,不僅能夠反映天然氣烴類組分的組成特征,還能作為判別天然氣運移方向的有效指標[4]。根據統計結果,甲烷化系數與甲烷的質量分數變化比較一致;同層比較,杭錦旗探區一般要小于南部諸地區：進一步明確了杭錦旗探區上古生界天然氣主要來自自身烴源巖這一事實。

4.3.2 天然氣側向運移距離

若研究區內的天然氣成藏是來自南側烏審旗生氣中心,則天然氣要在整個鄂爾多斯北部地區地層傾角小、儲層低孔低滲、構造活動不發育的地質背景下,經過數十千米的運移,進入北部地區聚集成藏。能否發生這樣的長距離運移,筆者持懷疑態度。

鄂爾多斯盆地內地層傾角小(僅為5°～7°),斷裂不發育,因而盆地內油氣運移主要以砂體為輸導層;而事實上砂體對天然氣的運移能力相當有限。統計表明,在所有大中型氣田中鄂爾多斯盆地的源圈距是最小的,不足百米,其他地區最大也不足千米[16]。需要特別指出的是,統計的鄂爾多斯盆地內的氣田均處于生氣中心范圍內,源巖厚度大,生烴能力強,在生烴膨脹力的作用下,天然氣運移初始動力強。在此強動力的條件下,天然氣運移尚且不足百米,那么天然氣運移至距生氣中心邊緣數十千米外的杭錦旗探區聚集成藏的可能性更小。

4.3.3 其他證據

除上述兩種方法表明研究區烴源巖原地性特征外,前人還利用熱解模擬氣組分與本區上古生界天然氣組分進行氣-氣對比研究,結果表明研究區上古生界煤系地層是天然氣的主要氣源巖[17]。馬新華等(2005)指出鄂爾多斯上古生界烴源巖從單一的烏審旗生氣中心生氣模式發展為全區大面積生烴模式[18],表明了人們對于鄂爾多斯盆地上古生界烴源巖認識的提高,進一步反映了研究區上古生界烴源巖的原地性特征。

綜上所述,研究區自身上古生界煤系烴源巖是天然氣成藏的主要來源。研究結論與前人研究有所區別,尤其是研究區自身烴源巖原地性特征,可能帶來對本區上古生界天然氣成藏類型、成藏模式及分布規律的不同認識。

5 結論與認識

a.杭錦旗探區上古生界發育石炭系、二疊系兩套煤系烴源巖,巖性以煤層、暗色泥巖及炭質泥巖為主,烴源巖厚度由南至北逐漸減薄,最厚達到60 m,其中煤層厚度最大約25 m。煤層有機碳的質量分數高,有機質類型好,以Ⅲ型干酪根為主,屬于生氣型源巖,有機質成熟度較高,已經進入生氣高峰階段。

b.熱解實驗分析和生烴模擬結果表明,煤層生烴潛量最大,遠大于泥巖和炭質泥巖。根據煤系烴源巖評價標準,煤層是研究區最好的氣源巖,泥巖為差烴源巖。烴源巖生烴強度為(0.1～1.3)×109m3/km2,具備為研究區天然氣藏提供物質基礎的條件。

c.研究區總生氣量為2.608×1012m3;山西組和太原組總生氣量分別為1.705 88×1012m3和0.901 38×1012m3,分別占總生氣量的65.4%和34.6%。山西組總生烴量大于太原組,是研究區主要的烴源巖層系。從生烴演化來看,烴源巖從侏羅紀末進入大規模生烴,生烴高峰為早白堊世。

d.烴源巖地球化學特征、熱解實驗分析和生烴模擬結果研究表明,杭錦旗探區石炭二疊系煤層是該區上古生界天然氣聚集成藏的主要氣源巖,天然氣組分中甲烷的質量分數變化、天然氣側向運移距離等證據進一步佐證了上述觀點,突出了杭錦旗探區上古生界烴源巖的原地性特征。

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