湖相碳酸鹽烴源巖熱解生烴特征

馬素萍 羅春樹 田春桃，3 楊 燕，3

（1.中國科學(xué)院 地質(zhì)與地球物理研究所 油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州730000；2.塔里木油田分公司 勘探開發(fā)研究院，庫爾勒841000；3.中國科學(xué)院 研究生院，北京100039）

湖相碳酸鹽巖廣泛分布于中國各類陸相含油氣盆地，常具有良好的生油和儲(chǔ)油能力，如渤海灣盆地古近系沙河街組、東營(yíng)組，柴達(dá)木盆地西部古近系，蘇北盆地古近系阜寧組，四川盆地侏羅系，松遼盆地白堊系，華北濟(jì)陽拗陷古近系沙河街組，江漢盆地古近系潛江組，南襄盆地泌陽凹陷古近系核桃園組，酒西盆地白堊系，塔里木盆地古近系等［1］。由于湖相碳酸鹽巖在地質(zhì)歷史中分布較少，人們對(duì)其重視和研究的程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如海相碳酸鹽巖；并且相對(duì)湖相碳酸鹽巖的儲(chǔ)油性能，針對(duì)其油氣生成、運(yùn)移、分布及油藏和資源量的研究更是少之又少［2，3］。

針對(duì)湖相碳酸鹽巖的生烴問題，前人已在泌陽凹陷、柴達(dá)木盆地、濟(jì)陽凹陷以及酒西盆地進(jìn)行了大量的研究工作，取得了重要的研究成果［4－12］；但相對(duì)于海相碳酸鹽巖烴源巖的研究，湖相碳酸鹽巖的生烴研究仍然顯得十分薄弱。湖相碳酸鹽巖常常與湖相泥質(zhì)烴源巖呈互層甚至是紋層狀的沉積，但由于沉積環(huán)境明顯不同，它們的成烴演化特征亦必然存在很大差異。本文通過生烴模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比分析了酒西盆地青西凹陷這2種陸相烴源巖的生烴過程，不僅為該區(qū)烴源巖評(píng)價(jià)提供科學(xué)依據(jù)，并為今后提出湖相碳酸鹽巖生烴模式提供科學(xué)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景及實(shí)驗(yàn)方法

1.1 地質(zhì)背景及實(shí)驗(yàn)樣品

青西凹陷為發(fā)育于酒西盆地西南部的次級(jí)斷陷湖盆，該凹陷于早白堊世依次經(jīng)歷了赤金堡期的強(qiáng)烈裂陷、下溝期的裂陷擴(kuò)張和中溝期的穩(wěn)定拗陷3個(gè)構(gòu)造－沉積演化階段，并相應(yīng)地發(fā)育了赤金堡組（K1c）、下溝組（K1g）和中溝組（K1z ）［13］，它是酒西盆地的沉降中心，也是盆地主要的生烴凹陷之一。

青西凹陷早白堊世斷陷湖泊整體上處于封閉—半封閉的強(qiáng)還原—還原環(huán)境［14］，赤金堡組和下溝組屬湖相碳酸鹽巖沉積，主要發(fā)育一套泥質(zhì)白云巖和白云質(zhì)泥巖［15］。以往的研究表明，下溝組和赤金堡組深湖、半深湖相的白云質(zhì)泥巖和泥質(zhì)白云巖是盆地的主力烴源巖［16，17］；而精細(xì)的油源研究也已證實(shí)，下溝組和赤金堡組湖相碳酸鹽巖中的藻紋層灰?guī)r是酒西盆地的主力烴源巖［10］。

本項(xiàng)研究樣品為酒西盆地青西凹陷中溝組泥巖（下文為L(zhǎng)1樣品）和泥質(zhì)白云巖（下文為L(zhǎng)2樣品）。樣品的有機(jī)地球化學(xué)特征詳見參考文獻(xiàn)［18］，2個(gè)樣品的干酪根類型均為Ⅲ型。

物相分析結(jié)果表明，青西油田湖相烴源巖樣品的礦物組成以斜長(zhǎng)石、方解石、白云石和黏土礦物為主。其中白云石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，平均達(dá)33.1%；其次為斜長(zhǎng)石，平均達(dá)30.6%；另外含少量硬石膏、菱鐵礦、黃鐵礦等（表1）。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

對(duì)干酪根樣品進(jìn)行50MPa壓力條件下的熱解實(shí)驗(yàn)，起始溫度為200℃，分別以20℃／h和2℃／h的升溫速率將樣品干酪根加熱到所需的溫度，分析干酪根樣品熱解生烴的量。具體方法過程詳見文獻(xiàn)［19］。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱解產(chǎn)物產(chǎn)率

2.1.1 甲烷和C2～C5氣態(tài)烴組分

在整個(gè)熱演化過程中，隨著模擬溫度的升高（即熱演化程度的增高），2個(gè)樣品的甲烷產(chǎn)率呈現(xiàn)持續(xù)增大的趨勢(shì)。而C2～C5氣態(tài)烴的產(chǎn)率則隨著熱解溫度的升高先增加，待產(chǎn)率達(dá)到最大值后再降低。這是由于C2～C5氣態(tài)烴在高溫階段發(fā)生裂解所致。

不同巖性的干酪根樣品，生烴轉(zhuǎn)化率具有較明顯的差異（圖1）。在相同的溫度下，無論是C1還是C2～C5，泥質(zhì)白云巖干酪根轉(zhuǎn)化率均高于泥巖。對(duì)于同一樣品，2種升溫速率條件下的變化趨勢(shì)是相似的，但升溫速率慢（2℃／h）的產(chǎn)率較高，即快速升溫比慢速升溫的曲線相對(duì)滯后，這反映了化學(xué)反應(yīng)過程中溫度與時(shí)間的互補(bǔ)關(guān)系。

2.1.2 液態(tài)產(chǎn)物特征

圖2是各溫度段液態(tài)產(chǎn)物的累計(jì)產(chǎn)率。從圖中可以看出2個(gè)樣品全油累計(jì)產(chǎn)率變化趨勢(shì)是相似的，但累計(jì)產(chǎn)率大小卻存在差異。隨著實(shí)驗(yàn)溫度的升高，全油的累計(jì)產(chǎn)率在2個(gè)升溫速率下均顯示為先增加后降低的態(tài)勢(shì)，并且均是在400℃之前低升溫速率較高，而該溫度之后逆轉(zhuǎn)；相同溫度條件下，泥質(zhì)白云巖的全油累計(jì)產(chǎn)率均高于泥巖，表明泥質(zhì)白云巖具有較高的產(chǎn)液態(tài)烴的能力。參照以前的研究可知［18］，L1和L2樣品的 H／C原子比和氫指數(shù)（IH）分別是0.13、0.09及57、335，這可能亦從另一個(gè)方面表明泥質(zhì)白云巖樣品（L2）的生油能力較強(qiáng)。另外，在相同升溫速率下，泥質(zhì)白云巖的生油高峰的溫度范圍較泥巖寬，其主力生烴期對(duì)應(yīng)的溫度為350～425℃。

2.2 相對(duì)產(chǎn)率特征

甲烷的相對(duì)產(chǎn)率具有先增加后減少的規(guī)律，相對(duì)產(chǎn)率高峰受升溫速率影響，生溫速率慢的條件下，相對(duì)產(chǎn)率高峰會(huì)提前。泥質(zhì)白云巖整體的產(chǎn)量峰值較泥巖的后移。重?zé)N氣體的相對(duì)產(chǎn)率具有低溫階段為正值、有1個(gè)（或2個(gè)）生烴高峰；在高溫階段是負(fù)的，具有一個(gè)裂解高峰。全油的生烴高峰和裂解高峰受到巖性和升溫速率的影響，泥巖僅在低溫階段出現(xiàn)了一個(gè)小峰值，爾后（＞400℃）均為負(fù)值；但泥質(zhì)白云巖的生烴高峰卻出現(xiàn)在高溫演化階段。

表1 熱解模擬實(shí)驗(yàn)樣品礦物分析結(jié)果（w／%）Table 1 Mineral analysis of the samples for pyrolysis simulated experiments

圖1 泥巖和泥質(zhì)白云巖熱解氣產(chǎn)率Fig.1 Yield of gaseous hydrocarbon for the mudstone and argillaceous dolomite

圖2 泥巖和泥質(zhì)白云巖全油產(chǎn)率特征Fig.2 Yield of the whole oil from the mudstone and argillaceous dolomite

2.3 熱解氣（油）組成特征與演化

2個(gè)升溫速率下熱解產(chǎn)物的組成特征與演化規(guī)律基本一致。熱解氣組成主要由烴類和非烴類組成，烴類以C1為主，含少量重?zé)N氣體；非烴氣體主要為CO2、H2、H2S。

由圖3可知，不同升溫速率下2種巖性干酪根樣品在Ro＜2.7%時(shí)的甲烷生成量基本相同；但隨演化程度繼續(xù)增大時(shí)，泥質(zhì)白云巖的甲烷生成量均大于相同Ro值泥巖的生成量。重?zé)N氣體均有一個(gè)先增加后減少的趨勢(shì)，但泥質(zhì)白云巖的生成量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于泥巖，且其生成重?zé)N氣體的高峰出現(xiàn)在Ro≈2.5%的過成熟演化階段，較泥巖有所滯后。

非烴氣體的演化特征也呈現(xiàn)出差異性的面貌：整個(gè)演化階段，泥巖的CO2生成量均高于相同Ro值下的泥質(zhì)白云巖；H2的演化趨勢(shì)大體相同，但高演化階段，高升溫速率下的生成量均大于低升溫速率的；H2S的生成量亦是在高演化階段2種巖性干酪根樣品出現(xiàn)差異。

全油的生成和演化特征在2種巖性干酪根樣品之間也出現(xiàn)了明顯的差異：①泥質(zhì)白云巖在整個(gè)演化過程中均具有較高的生成液態(tài)烴的能力；②泥質(zhì)白云巖生成液態(tài)烴的階段較泥巖樣品長(zhǎng)（Ro≈0.7%～3.0%）；③2種巖性干酪根樣品在Ro≈0.7%的低成熟演化階段開始生油，而全油生成高峰均出現(xiàn)在Ro≈1.3%，但泥質(zhì)白云巖略有滯后。

2.4 湖相烴源巖的生烴模式

模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，泥巖與泥質(zhì)白云巖干酪根樣品均在350℃開始有氣態(tài)烴和液態(tài)烴生成，只是泥巖樣品在406℃（或374℃）左右達(dá)到生油高峰，而泥質(zhì)白云巖在422℃（或391℃）左右才達(dá)到生油高峰。在整個(gè)熱演化過程中，泥質(zhì)白云巖與泥巖的甲烷生成量持續(xù)增加；重?zé)N氣體生氣高峰分別出現(xiàn)在Ro≈2.5%和Ro≈2.0%，而液態(tài)烴的生烴高峰出現(xiàn)在Ro≈1.3%，其生油階段較長(zhǎng)。

圖3 熱解產(chǎn)物組成特征隨演化程度變化曲線Fig.3 Composition characteristics of the pyrolysis products from the mudstone vs.the easyRo

3 結(jié)論

對(duì)低熟湖相泥巖和碳酸鹽巖干酪根進(jìn)行生烴動(dòng)力學(xué)熱模擬實(shí)驗(yàn)表明，2種巖性樣品的氣態(tài)和液態(tài)產(chǎn)物具有相似的動(dòng)力學(xué)特征，但它們之間亦存在著明顯的不同：較之泥巖，湖相泥質(zhì)白云巖具有較好的生氣與生油能力，這可能與泥質(zhì)白云巖樣品（L1）TOC的質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高（0.95%）有關(guān)。泥質(zhì)白云巖生烴高峰明顯晚于泥巖，其甲烷產(chǎn)量峰值較泥巖后移，液態(tài)烴的生烴高峰出現(xiàn)在高溫演化階段，具有晚期生烴的特點(diǎn)。由此可以認(rèn)為，湖相碳酸鹽巖生油盆地，門限深度不能一概而論，2套湖相烴源巖的生烴模式不同，生烴高峰期亦不同。

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