阜陽探區石炭系-二疊系烴源巖生烴特點分析

張健偉

(中石化江蘇油田分公司勘探開發研究院,江蘇 揚州 225009)

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阜陽探區石炭系-二疊系烴源巖生烴特點分析

張健偉

(中石化江蘇油田分公司勘探開發研究院,江蘇 揚州 225009)

為了明確阜陽探區石炭系-二疊系烴源巖生烴潛力，以石炭系-二疊系泥巖和煤巖生烴模擬試驗數據為基礎，明確烴源巖熱演化過程中各個階段的生烴量和生烴演化特點，估算其資源量。結果表明:泥巖鏡質體反射率(Ro)在1.0%～1.3%之間為生油高峰階段，Ro大于2.0%為大量生氣階段；煤巖Ro在1.0%～1.3%之間為生油高峰階段，Ro大于0.7%進入規模生氣階段，隨著Ro增高，生氣量逐漸增大。由于該區每個凹陷石炭系-二疊系烴源巖熱演化程度不同，其生烴類型存在差異；顏集凹陷以生成天然氣為主，倪丘集凹陷既可以生油又可以生氣，古城低凸起以生油為主。資源量估算證實天然氣資源潛力區在顏集凹陷和倪丘集凹陷，油資源潛力區在倪丘集凹陷和古城低凸起。

阜陽探區;烴源巖;生烴模擬試驗;生烴演化史;資源量

阜陽探區位于南華北盆地周口坳陷東部，主要包括顏集凹陷、倪丘集凹陷、臨泉凹陷和古城低凸起四個二級構造單元，是在印支、燕山、喜山構造運動改造基礎上形成的疊加型盆地。在元古界基底之上沉積有下古生界、上古生界、中生界三疊系、白堊系、新生界古近系、新近系、第四系，其中上古生界石炭系-二疊系泥巖、煤巖是該區主要烴源巖，該套烴源巖分布在太和斷裂以北的顏集凹陷、倪丘集凹陷和古城低凸起。前人對該套生烴層開展過系統評價，取得了豐碩的成果。但也存在一些關鍵問題尚待解決：首先，石炭系-二疊系泥巖、煤巖有機質豐度都屬于中等-差范疇，上古生界太原組(C2t)、山西組(P1s)、下石盒子組(P1x)評價略好于上石盒子組(P2s)。有機質類型以Ⅲ型為主，少量Ⅱ型干酪根[1]。在有機質豐度一致的前提下，泥巖和煤巖生烴熱演化特征是否存在差異，未能形成統一認識。其次，阜陽探區烴源巖成熟度具有北高南低的特點[2]，北部的顏集凹陷烴源巖鏡質體反射率(Ro)在2.0%以上，南部的倪丘集凹陷和古城低凸起Ro在0.7%～1.4%之間，南北之間生烴類型、生烴量存在多大差異以及生烴潛力區的厘定，還缺少具有說服力的資料予以證實。筆者以阜陽探區古生界泥巖和濟寧地區古生界煤巖生烴模擬試驗數據為基礎，統計試驗樣品在每個模擬溫度點的烴產量，反演烴源巖熱演化生烴過程，并結合區域烴源巖評價資料，重新認識該區烴源巖生烴潛力，劃分潛力區帶。

1 生烴模擬試驗

1.1 試驗樣品選擇

利用熱模擬試驗方法研究烴源巖的生烴動態過程是烴源巖評價中一種技術手段，在試驗過程中盡量選擇成熟度低的樣品，才能很好地表征烴源巖低熟至成熟乃至過成熟生排烴的全過程[3]。熱模擬試驗的泥巖樣品取自于阜陽探區古城低凸起的古城1井P1s，該樣品深度為1487.6m，總有機碳質量分數(w(TOC))為3.3%，氯仿瀝青“A”質量分數w(“A”)為0.142%，生烴潛量為4.21mg/g，氫指數為114mg/g，屬于中等烴源巖，有機質類型為Ⅱ2型，Ro為0.75%，處于成熟階段。煤巖樣品來自于華北盆地濟寧地區石炭系煤巖，w(TOC)為58%，w(“A”)為3.212%，有機質豐度評價為中等烴源巖，有機質類型為Ⅲ型，Ro為0.5%，處于未成熟階段。

1.2 試驗條件和方法

試驗樣品500g，研磨成直徑2.5～10mm，這種粒徑的顆粒對排烴有利。將樣品和去離子水加入到反應釜中，反應釜密封后，充入4～6MPa的氮氣，放置試漏，待不漏后，放出氮氣抽成真空。然后加溫，達到設定溫度后恒溫24h，為了反演阜陽地區烴源巖從成熟→高成熟→過成熟整個生烴過程，選擇了325、350、375、400、450、500、550℃共7個溫度點，對應的Ro為1.01%、1.14%、1.28%、1.45%、1.84%、2.33%、2.96%。待加溫反應完畢，釜內溫度降到200℃時放氣，熱解氣通過液氮冷卻的液體接收管，進入計量管收集并計量其體積，即為烴氣產量。高壓釜蓋、內壁和巖石表面附著的油狀物用二氯甲烷沖洗，二氯甲烷揮發后，即得到排出的油；模擬后的殘留樣用氯仿抽提瀝青“A”或稱殘留油，排出油量和殘留油量累加為生油量；每噸有機碳產烴量即為烴產率[4]。

1.3 烴產率

據古城1井P1s泥巖的產氣率統計，隨著模擬溫度升高，產氣率呈現出逐漸升高趨勢，模擬溫度325～400℃為初始產氣階段，模擬溫度400～450℃為緩慢產氣階段，模擬溫度450～550℃為大量產氣階段。油與氣的產率存在一定差異，具有先增加后降低的趨勢；325～375℃為生油量增加階段，在375℃出現了生油高峰，總的有機碳產油率可以達到166.71kg/tTOC(tTOC表示有機碳)；大于375℃產油量逐漸降低(圖1)。

圖1 古城1井P1s泥巖油、氣產率曲線圖

煤巖從模擬結果來看，隨著模擬溫度逐漸升高，產氣率具有先升高，然后降低再升高的趨勢；模擬溫度350～375℃為初始產氣階段，模擬溫度375～400℃為產氣量緩慢下降階段，模擬溫度大于425℃為大量產氣階段。煤巖的產油率隨著模擬溫度逐漸增加，具有先升高再降低的趨勢；模擬溫度325～350℃之間為產油量升高階段，大于350℃產油量逐漸降低(圖2)。

圖2 濟寧地區煤巖油、氣產率曲線圖

對比泥巖、煤巖的油、氣產率，泥巖的烴產率大于煤巖。泥巖在模擬溫度325～550℃之間平均有機碳產氣率為76.81kg/tTOC，最高產氣率為219.83kg/tTOC，當模擬溫度大于550℃，產氣率仍然持續升高；煤巖平均產氣率為20.61kg/tTOC，最高產氣率僅為40.21kg/tTOC。泥巖在模擬溫度325～550℃之間平均產油率為117.59kg/tTOC，當模擬溫度為375℃時，產油率最高可達到166.71kg/tTOC；而煤巖平均產油率為12.41kg/tTOC，當模擬溫度為350℃時，產油率最高為31.22kg/tTOC。

1.4 烴源巖成熟度與生烴量分析

以生烴模擬試驗生烴數據為基礎，參照試驗溫度點與Ro之間的對應關系，換算出石炭系-二疊系烴源巖在各個演化階段烴產率。從Ro與生烴量線性關系圖(圖3)可以看到，以Ⅱ型干酪根為主的泥巖，Ro在0.5%～0.7%之間的低成熟階段油氣生成量較少，Ro大于0.7%才開始規模生油，Ro在1.0%～1.3%之間進入生油高峰期，其后持續生油，并且在Ro大于2.0%的過成熟階段仍然可以生油；而大量生氣是在Ro大于1.0%之后，并且在Ro大于2.0%的過成熟階段逐漸步入生氣高峰期。以Ⅲ型干酪根為主的煤巖生烴過程與Ⅱ型干酪根的泥巖具有一定的差異，其Ro在1.0%～1.3%為生油高峰期，Ro大于2.0%之后，基本不生油；煤巖Ro在0.7%就進入規模生氣階段，隨著成熟度增高，生氣量逐漸增大(圖3)。

圖3 石炭系-二疊系烴源巖Ro-生烴量線性關系圖

2 生烴演化特征

圖4 顏集凹陷石炭系-二疊系烴源巖熱演化史圖

圖5 倪丘集凹陷石炭系-二疊系烴源巖熱演化史圖

圖6 古城低凸起石炭系-二疊系烴源巖熱演化史圖

阜陽地區石炭系-二疊系烴源巖受印支、燕山和喜山運動影響，經歷了多期的沉降和抬升，達到現今的埋深和成熟度，其生烴演化史大致分為4個階段[5,6](圖4～6)。①第1個階段為區域沉降早期生烴。印支運動前晚石炭世至中三疊世呈整體沉降，石炭系-二疊系烴源巖熱演化程度較低，泥巖開始規模生油，初始產氣；煤巖和泥巖類似，剛剛進入早期生烴階段。②第2階段為區域抬升停止生烴。印支運動全區抬升遭受剝蝕。其中北部的顏集凹陷古生界保存完整，三疊系部分剝蝕，而南部的倪丘集凹陷和古城低凸起鉆井均未能揭示三疊系，臨泉凹陷甚至古生界被剝蝕殆盡，這一時期大部分地區停止生烴。③第3個階段為持續抬升停止生烴。經歷了印支運動抬升剝蝕后，中生代有一定的沉積，但在燕山運動末期的抬升中，全區又被大面積剝蝕，其中顏集、倪丘集凹陷僅在深凹殘留白堊系，古城低凸起被剝蝕殆盡，臨泉凹陷白堊系保存相對完整。④第4個階段為差異沉降晚期生烴。喜山運動期間，新生代地層總體上持續沉降，部分地區地層沉積厚度大于印支、燕山運動的剝蝕厚度，發生晚期生烴。

從區域上來看，顏集凹陷上古生界和三疊系剝蝕厚度薄，中生代末期雖然也受到抬升的影響，但總體上以沉降為主，現今石炭系-二疊系烴源巖Ro仍然在2.0%以上，烴源巖熱演化和生排烴持續發生，烴源巖以生氣為主，雖然現今的熱演化程度泥巖也可以生油，但在持續升高的古地溫作用下，原油也基本變成裂解氣；據顏集凹陷鳳凰1井鉆探揭示，上古錄井氣顯示活躍，未見油顯示。與顏集凹陷不同，倪丘集凹陷三疊系被剝蝕殆盡，古生界也遭受了部分剝蝕，因此其早期生烴停止后，直到新近系沉積末期才開始再次生烴，現今深凹帶Ro可以達到1.4%以上，處于生油高峰期和生氣初始階段(圖7)。古城低凸起印支運動三疊系被剝蝕殆盡，并且上古生界也被不同程度的剝蝕，印支運動抬升后，雖然中生代和新生代有所沉降，但沉降幅度小，現今Ro仍然在0.8%左右；印支運動前烴源巖以生油為主含少量氣，現今停止生烴(圖7)。

圖7 阜陽探區石炭系-二疊系烴源巖Ro等值線圖

3 資源潛力分析

以生烴模式試驗為基礎，根據烴源巖成熟度與生烴量線性關系，以及阜陽地區生烴演化特點，應用盆地模擬技術，對阜陽地區石炭系-二疊系烴源巖的資源量進行估算；排聚系數參照劉志武等[6]的研究成果，油的排聚系數取值10%，氣的排聚系數取值10‰。據計算結果，阜陽探區的天然氣資源量為5245×108m3，油資源量1.709×108t；其中顏集凹陷生氣量最大，氣資源量為3759.20×108m3；倪丘集凹陷生油量最大，油資源量為1.077×108t，同時也有少量氣，氣資源量為1275.21×108m3；古城低凸起油資源量為0.632×108t，氣資源量為210.66×108m3(表1)。對比各個區帶的資源量，認為阜陽地區天然氣勘探的潛力區在顏集、倪丘集凹陷，油勘探的潛力區在倪丘集凹陷和古城低凸起，只有倪丘集凹陷可以油、氣兼探。

表1 阜陽地區油氣資源量統計表

4 結論

1)通過生烴模擬試驗對比阜陽地區上古生界泥巖和濟陽地區煤巖的油氣產率表明，華北盆地上古生界泥巖的烴產率遠大于煤巖。

2)以Ⅱ型干酪根為主的泥巖，Ro在1.0%～1.3%之間為生油高峰階段，Ro大于2.0%為大量生氣階段。以Ⅲ型干酪根為主的煤巖Ro在1.0%～1.3%之間為生油高峰階段，Ro在0.7%就進入規模生氣階段，隨著成熟度增高，生氣量逐漸增大。

3)石炭系-二疊系烴源巖生烴演化存在整體沉降早期生烴、區域抬升停止生烴、持續抬升停止生烴、差異沉降晚期生烴四個演化階段，每個地區演化程度不同，生烴類型就存在一定差異；其中顏集凹陷石炭系-二疊系烴源巖以生成天然氣為主，倪丘集凹陷石炭系-二疊系烴源巖既可以生油又可以生氣，古城低凸起石炭系-二疊系烴源巖以生油為主。

4)資源量估算證實天然氣資源潛力區在顏集凹陷和倪丘集凹陷，油資源潛力區在倪丘集凹陷和古城低凸起。

本文屬中國石油化工股份有限公司油田事業部基金項目(G5800-14-ZS-YTB011)產出論文。

[1]王榮新,趙剛,鄧世英.南華北上古生界烴源巖有機地球化學特征[J].石油實驗地質,2008,30(5):485～488.

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[4]邱楠生，胡圣標，何麗娟.沉積盆地熱體制研究的理論與應用[M].北京：石油工業出版社,2004：384～388.

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[6]劉志武,周立發,何明喜.周口拗陷石炭-二疊系油氣資源及其成藏條件[J].地球科學與環境學報,2008,30(3):271～276.

[編輯] 宋換新

2016-05-10

張健偉(1982-),男,高級工程師,現主要從事油氣地質勘探工作,zhangjw.jsyt@sinopec.com。

TE122.1

A

1673-1409(2016)35-0018-06

[引著格式]張健偉.阜陽探區石炭系-二疊系烴源巖生烴特點分析[J].長江大學學報(自科版),2016,13(35):18～23.