川西坳陷上三疊統烴源巖排烴特征與排烴史

陳冬霞黃小惠李林濤鄧克張建華邱紅

1.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室 2.川慶鉆探工程公司地球物理勘探公司物探研究中心

川西坳陷上三疊統烴源巖排烴特征與排烴史

陳冬霞1黃小惠2李林濤1鄧克1張建華1邱紅1

1.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室 2.川慶鉆探工程公司地球物理勘探公司物探研究中心

陳冬霞等.川西坳陷上三疊統烴源巖排烴特征與排烴史.天然氣工業,2010,30(5):41-45.

四川盆地西部(簡稱川西)前陸盆地構造具有多期性,導致油氣生成和聚集過程的復雜性,其中烴源巖排烴特征和排烴史的研究,對于明確油氣成藏期,理清油氣藏成因類型具有重要的意義。為此,應用排烴門限理論,利用生烴潛力法研究了川西坳陷上三疊統烴源巖的排烴特征和排烴史。結果表明:①川西坳陷上三疊統烴源巖在早侏羅世(J1)末期即開始進入排烴門限,晚侏羅世(J3)早期—中期開始進入排烴高峰期;②馬鞍塘組—小塘子組烴源巖的排烴高峰期處于J3p—K,T3x3烴源巖排烴高峰期處于J3sn—J3p,T3x5烴源巖排烴高峰期處于 K1—K2;③川西地區不同層段不同地區進入排烴門限和排烴高峰期的時間存在差異:馬鞍塘組—小塘子組和須家河組三段烴源巖,鴨子河地區排烴時間相對較早,馬井、孝泉—新場—合興場地區次之,大邑和豐谷地區較晚,須五段烴源巖在洛帶排烴時間較早,馬井、孝泉—新場—合興場和豐谷地區次之,大邑地區和鴨子河地區最晚。

川西坳陷 晚三疊世 烴源巖 排烴門限 生烴潛力 排烴史 古地溫特征 排烴高峰

川西坳陷位于四川盆地西部,西以龍門山前大斷裂為界,東以龍泉山斷裂為界,面積約為5×104km2。川西坳陷是典型的中生代以來發育的疊合盆地,構造運動的多期性不僅直接決定儲層、圈閉的復雜性,也決定了烴源巖演化的復雜性,同時影響油氣藏的成藏時期和油氣的分布。前人關于川西坳陷深層上三疊統致密氣藏的成藏期和成因類型進行過一系列研究,主要有3種觀點,包括:“早成藏,后改造”,指印支期(三疊紀末期和侏羅紀末期)成藏,后期喜山運動天然氣藏強烈改造[1-4],該觀點強調部署中需同時兼顧古、今構造特征;“早期成藏,后期保存”,指燕山期(早白堊世—晚白堊世中期)為氣藏形成的重要時期,這一觀點強調成藏的早期性,提出部署中要找古圈閉[5-6];“先致密,后成藏”的深盆氣藏成藏模式,指儲層致密化發生在喜山運動的早中期,油氣在儲層致密后成藏,這一觀點強調尋找儲層的甜點[7-8]。毫無疑問,在成藏期和油氣成因類型研究中的關鍵是烴源巖生排烴史的問題,關于川西生排烴史研究中,也存在“早期生排烴說”[9-11]和晚期生排烴說[1,6]兩種分歧,且前人有關排烴期和排烴量的研究主要是基于利用生烴特征的研究結果,籠統地將生烴期視為排烴期。筆者應用排烴門限理論[12-13],專門研究烴源巖的排烴門限和排烴特征,目的是確定烴源巖的主要排烴期,為川西坳陷深層致密氣藏成藏機理研究和勘探部署提供理論依據和實踐指導。

1 研究方法及原理

1.1 排烴門限理論

龐雄奇[12-13]提出排烴門限理論,指出巖石在地史演化過程中生成的烴量滿足了自身吸附、孔隙水溶、油溶和毛細管封閉等多種形式的存留需要,并開始以游離相大量向外排運時的地質條件稱之為烴源巖排烴臨界條件或排烴門限。排烴門限是排烴臨界飽和度等排烴臨界地質條件概念的完善和發展[12],其隨烴源巖所在的區域地質條件(地史、熱史)、生烴條件(母質豐度、類型和轉化程度)、殘留油氣能力(吸附作用、毛細管封閉作用、水溶烴作用、油溶氣作用)的不同而改變。烴源巖在未達到排烴門限之前,所生成的烴量未達到源巖殘留烴臨界飽和量,只能以水溶相和擴散相排烴;進入排烴門限以后,才能以游離相等多種形式排烴。排烴門限理論目前已被用來判別油氣源巖、綜合定量評價烴源巖、研究油氣運聚機理與成藏模式。

排烴門限理論在逐步完善和發展中,逐漸形成了利用生烴潛力來研究排烴門限計算排烴強度及排烴量的方法。生烴潛力法是根據烴源巖中的有機質在生排烴前后質量不變的原理,依照烴源巖的生烴潛力在沉積剖面上的變化規律來研究烴源巖排烴特征的一種方法。利用烴源巖熱解資料采用一個綜合熱解參數——生烴潛力指數[(S1+S2)/TOC]來表征烴源巖的生烴潛力。沒有油氣排出時烴源巖的生烴潛力稱為原始生烴潛力;油氣排出后,生烴潛力逐漸減小,稱此時的生烴潛力為剩余生烴潛力。烴源巖的生烴潛力指數在演化過程中開始減小,表明有烴類大量排出,而開始減小時的埋深條件代表了烴源巖的排烴門限,此時的生烴潛力指數為烴源巖的最大生烴潛力指數。烴源巖最大生烴潛力指數與剩余生烴潛力指數的差值為排烴率(qe),即烴源巖達到排烴門限后單位有機碳排出的烴量(mg/g);Qe代表了烴源巖在地質熱演化史過程中累積排出的烴量(圖1)。

圖1 生烴潛力法研究排烴特征概念模型圖

1.2 計算排烴強度和排烴量的步驟

首先,大量收集研究區烴源巖的熱解資料 S1、S2及對應的有機碳含量資料,作生烴潛力指數隨深度變化的關系圖,確定出烴源巖的排烴門限。其次,確定烴源巖在排烴門限之下不同深度的生烴潛力指數,并與最大生烴潛力指數值進行比較,確定出排烴率。在此基礎上,通過對不同深度下排烴率與深度值進行回歸

式中:Ekc為排烴強度,104t/km2;Z為埋深,m;Z0為排烴門限,m;qe(z)為單位質量有機碳的排烴率,mg/g; ρ(z)為烴源巖密度,g/cm3;TOC為有機碳百分含量,%;H為烴源巖厚度,m。處理,可求得烴源巖在不同演化階段的排烴率。最后,在烴源巖排烴率這一關鍵參數已確定的條件下,結合烴源巖的厚度、有機質豐度及密度等資料,根據如下公式求出烴源巖的排烴強度和排烴量。將排烴強度進行面積積分,即可得到排烴量。

2 川西坳陷烴源巖排烴模型與排烴特征

川西坳陷碎屑巖領域烴源巖十分發育,以烴源巖為主的馬鞍塘組、小塘子組、須三段和須五段的暗色泥巖厚度達幾百米,須二段和須四段儲層段內部也發育有有機質豐度較高烴源巖的夾層。前人已對川西地區的烴源巖地球化學特征進行了詳細的研究[2,5,14]。

根據生烴潛力法確定排烴門限的方法原理,筆者在對川西坳陷系統的烴源巖系統取樣的基礎上,對金深1、洛深1、馬深1、川鴨126、川鴨92、川鴨189、大邑1、大邑101、大邑2、大邑3、川孝565、川孝94、川綿39、川江566、川豐563等15口井345個樣品進行了熱解分析和有機碳含量分析,同時在中國石化西南油氣公司研究院和中國石油西南油氣田公司研究院收集了40口井1205個樣點的熱解數據,在數據分析的基礎上,建立了川西坳陷須家河組主力烴源巖層的排烴模式圖(圖2～4)。在確定排烴門限的同時繪制了各套烴源巖的排烴特征圖,包括各烴源巖層的排烴率、排烴速率和排烴效率圖。

從圖2～4可以看出:

1)川西坳陷上三疊統烴源巖分布廣泛,各組段烴源巖排烴門限深度3200～3650m:馬鞍塘組—小塘子組烴源巖為3650m;須三亞段烴源巖為3150m;須五亞段約為3200m。上三組段門限鏡質體反射率對應分別為0.99%、0.95%、1.06%。由于各個地質構造單元的地溫梯度不盡相同,因此各個地區排烴門限深度并非一個定值。

2)烴源巖在達到排烴門限后,隨著埋深的增加排烴率呈現不斷增大的規律性變化:由快速增大漸變為緩慢增大,最終逼近一定值。馬鞍塘組—小塘子組烴源巖的排烴率為150mg/g;須三段為200mg/g;須五段為120mg/g。

3)排烴速率指單位體積烴源巖埋深增大100m期間排出烴量,10g/100m,反映地史過程中烴源巖的供烴強度,最大值對應著排烴高峰期。從特征圖可以看出,川西坳陷總的烴源巖排烴高峰對應為埋深為4250m的時期:馬鞍塘組—小塘子組為4800m的時期;須三段為3600m的時期;須五段為3700m的時期。

3 川西坳陷烴源巖排烴史

烴源巖生烴潛力曲線反映了在不同埋深條件下源巖的排烴特征,是各種地質因素作用結果的綜合反映。在烴源巖的埋藏歷史研究的前提下,結合研究區地溫特征,可以根據生烴潛力曲線研究在各個埋藏時期烴源巖的排烴特征,圈定各個埋藏時期有效排烴的烴源巖范圍,計算各個時期的排烴強度和排烴量(圖5和圖6),從而確定主要排烴期次以及不同時期的供烴中心。

圖5 川西坳陷馬鞍塘組—小塘子組烴源巖地質歷史時期排烴強度等值線圖

川西坳陷古、今地溫場變化較大,今地溫梯度平均為2.05℃/100m,古地溫梯度平均為3.5℃/100m,較高的古地溫梯度導致生、排烴作用時間較早,也是儲層普遍致密化的重要原因?？偟恼f來,川西坳陷烴源巖J1末期即開始進入排烴門限,J3早期—中期開始進入排烴高峰期,但不同層段不同地區進入排烴門限和排烴高峰期的時間不盡相同。馬鞍塘組—小塘子組烴源巖的排烴高峰期處于J3p—K,T3x3烴源巖排烴高峰期處于J3sn—J3p,T3x5烴源巖排烴高峰期處于K1—K2。比較而言,鴨子河地區的馬鞍塘組—小塘子組烴源巖排烴門限時間最早(J1末期),馬井地區和孝泉—新場—合興場地區進入排烴門限時間也較早(J1末期),大邑地區次之(約為J3早期),豐谷地區進入排烴門限時間較晚(J3中期)。須三段進入排烴門限的時間順序與馬鞍塘組—小塘子組具有相似的規律,即鴨子河地區的須三段進入排烴門限時間相對較早(J2末期—J3早期),馬井、孝泉—新場—合興場、大邑、洛帶等地區排烴門限時間相近(J3早期),豐谷地區進入排烴門限時間較晚(J3中期)。但須五段進入排烴的時間順序與馬鞍塘組—小塘子組和須三段規律卻不一致,表現為洛帶地區進入排烴門限時間較早(J3末期),其次是馬井地區(J3末期—K1早期),孝泉—新場—合興場地區和豐谷地區時間較晚(K1早期),大邑地區和鴨子河地區最晚(K1早—中期)。

圖6 川西坳陷上三疊統主力烴源巖地質歷史時期排烴量圖

前人研究的結果表明[14],馬鞍塘組—小塘子組烴源巖在 T3x3末期開始生烴,大量生烴時間為J1—J2末期;須三段烴源巖 T3x5末期開始生烴,大量生烴時間為 K末期;須五段烴源巖J1—J2末期開始生烴,大量生烴時間為 K末期。對比前人對川西坳陷烴源巖生烴特征的研究,本次對排烴特征的研究結果表明,須家河組的排烴門限對應的深度和時間具有更深、更晚的特點。排烴特征研究的結果表明,對于川西深部須家河致密儲層氣藏而言,下部成藏組合(以馬鞍塘組—小塘子組烴源巖為源,須二段為儲集層)的主要成藏期應在晚侏羅世遂寧組之后,上部成藏組合(以須三段為源,須四段為儲集層)的主要成藏期應在中侏羅世之后。

4 結論

1)利用生烴潛力法研究認為,川西坳陷上三疊統馬鞍塘組—小塘子組烴源巖的排烴門限和排烴高峰分別對應于3650m和4800m;須三段烴源巖排烴門限和排烴高峰分別對應于3150m和3600m;須五段烴源巖的排烴門限和排烴高峰分別對應于3200m和3700m。

2)川西坳陷烴源巖J1末期即開始進入排烴門限, J3早期—中期開始進入排烴高峰期。馬鞍塘組—小塘子組烴源巖的排烴高峰期處于J3p—K,T3x3烴源巖排烴高峰期處于J3sn—J3p,T3x5烴源巖排烴高峰期處于K1—K2。

3)川西地區不同層段不同地區進入排烴門限和排烴高峰期的時間存在差異,針對馬鞍塘組—小塘子組和須三段烴源巖,鴨子河地區排烴時間相對較早,馬井、孝泉—新場—合興場地區次之,大邑和豐谷地區較晚;須五段烴源巖在洛帶排烴時間較早,馬井、孝泉—新場—合興場和豐谷地區次之,大邑地區和鴨子河地區最晚。

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(修改回稿日期 2010-03-25 編輯 羅冬梅)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.05.010

Chen Dongxia,associate professor,was born in1974.She holds a Ph.D degree,being engaged in research of hydrocarbon pooling mechanism and distribution.

Add:No.18,Fuxue Rd.,Changping District,Beijing102249,P.R.China

Tel:+86-10-89734321 E-mail:lindachen@cup.edu.cn

Characteristics and history of hydrocarbon expulsion of the Upper Tertiary source rocks in the western Sichuan Depression

Chen Dongxia1,Huang Xiaohui2,Li Lintao1,Deng Ke1,Zhang Jianhua1,Qiu Hong1
(1.State Key L aboratory ofPetroleum Resource and Prospecting,China University ofPetroleum,Beijing102249,China;2.Sichuan Petroleum Geophysical Prospecting Company,Chuanqing Drilling Engineering Co.,L td.,CN PC,Chengdu,Sichuan610213,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE5,pp.41-45,5/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

The foreland basin in the western Sichuan Basin has experienced multiple-stage tectonic movements,resulting in a complex process of hydrocarbon generation and accumulation.A study on the features and history of hydrocarbon expulsion is of great significance to defining hydrocarbon pooling stages and their genetic types.The hydrocarbon expulsion threshold theory and the hydrocarbon generation potential method are used to study the features and history of hydrocarbon expulsion of the Upper Tertiary source rocks.The following conclusions are obtained.①The source rocks in the western Sichuan Depression entered hydrocarbon expulsion threshold at the end of the Early Jurassic(J1),and reached peak hydrocarbon expulsion at the early-middle Late Jurassic(J3).②The source rocks in the Ma’antang-Xiaotangzi formations reached peak expulsion at J3p-K,while that of T3x3was at J3sn-J3p, and that of T3x5at K1-K2.③The source rocks in different intervals and different areas reached peak hydrocarbon expulsion at different times.The source rocks in the Ma’antang-Xiaotangzi formations and the third member of Xujiahe Formation in the Yazihe area reached peak expulsion relatively early,while those in the Majing,Xiaoquan-Xinchang-Hexingchang areas were relatively late, and those in Dayi and Fenggu areas were the latest.In contrast,the source rocks in the fifth member of the Xujiahe Formation reached peak hydrocarbon expulsion early in the Luodai area,later in the Majing,Xiaoquan-Xinchang-Hexingchang and Fenggu areas,and the latest in Dayi and Yazihe areas.

western Sichuan Depression,Late Permian,source rock,hydrocarbon expulsion threshold,hydrocarbon generation potential,hydrocarbon expulsion history,palaeogeothermal feature,peak hydrocarbon expulsion

book=41,ebook=552

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.05.010

國家重點基礎研究發展計劃(973計劃)(編號:2006CB202308)和國家自然科學基金項目(編號:40802029)。

陳冬霞,女,1974年生,副教授,博士;長期從事油氣成藏機理和分布規律的研究工作。地址;(102249)北京市昌平區府學路18號中國石油大學資源與信息學院。電話:(010)897334321,13581885298。E-mail:lindachen@cup.edu.cn