臨興地區上古生界煤系烴源巖評價及排烴特征

劉 玲，王 烽，2，湯達禎，許 浩

(1.中國石化石油勘探開發研究院，北京 100083；2.中國石化油田勘探開發事業部，北京 100728；3.中國地質大學(北京)，北京 100083)

0 引 言

近年來，深部煤系非常規天然氣勘探開發已受到國內外學者高度關注[1]。臨興地區煤層氣總資源量為816×108m3[2]，已有多口井鉆遇致密砂巖氣層，太原組及下石盒子組致密砂巖氣層測試均見工業氣流，顯示出良好的勘探開發前景[3]。與鄂爾多斯盆地區域條件類似[4-7]，臨興地區上古生界烴源巖主要為石炭系太原組—二疊系山西組煤系地層，是天然氣聚集成藏的物質基礎。目前，許多學者已對整個鄂爾多斯盆地東部上古生界煤系烴源巖的分布及生排烴特征進行了研究，并取得了一定成果[8-9]，但臨興地區由于出露32.6 km2的紫金山堿性雜巖體，巖體對多種能源礦產的形成、改造具有重要作用[10]，且該區勘探開發歷程較短，于2013年底才完成1 359.52 km2二維地震勘探資料采集，現研究集中于臨興中部致密砂巖氣資源潛力、儲層地質條件、儲層主控因素及成藏條件分析[2-3，8，11-12]，對煤系烴源巖分布、地球化學特征、生排烴潛力及不同層組生排烴差異缺乏系統研究，在一定程度上制約了臨興地區煤系致密砂巖氣的高效勘探開發。在前人研究成果基礎上，利用鉆井及分析化驗資料，分析了研究區煤系烴源巖的分布及有機地球化學特征，剖析了排烴規律，以期準確評價及預測烴源巖，進而指導勘探開發工作。

1 研究區地質背景

臨興地區位于鄂爾多斯盆地東緣河東煤田中部、山西省西部臨縣和興縣境內，西靠黃河，東鄰呂梁山脈，由北部楊家坡、中部康寧及南部兔坂區塊構成，構造上位于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶，為北東—南西向單斜，構造活動微弱，斷裂較不發育。研究區出露一個NW—SE向展布的環狀侵入紫金山堿性雜巖體，面積為32.6 km2，具有多階段、多期次、多巖性特征。自中三疊世以來有3期熱力作用，晚侏羅世—早白堊世是巖漿活動和熱力作用最強烈時期，對鄂爾多斯盆地東緣多種能源礦產的形成及改造具有重要作用[10，13]。烴源巖主要為上古生界太原組(P1t)及山西組(P1s)的煤、暗色泥巖和炭質泥巖，其中，石炭系太原組(P1t)為陸表海沉積，海水自東南方向侵入[14]，巖性以砂泥巖為主，夾有泥灰巖和薄煤層；二疊系山西組(P1s)為淺水湖泊三角洲沉積，巖性以深灰色至灰黑色泥巖、炭質泥巖、煤層及灰色的砂巖、粉砂質泥巖為主[15-16]。

2 煤系烴源巖評價

2.1 煤系烴源巖分布

太原組烴源巖平均厚度為47.52 m，其中，煤層厚度為0.89～21.80 m，平均為10.12 m；暗色泥巖及炭質泥巖厚度為17.70～79.09 m，平均為37.40 m，受東南方向侵入的陸表海影響，太原組灰巖發育，且主要分布于研究區西南兔坂區塊，烴源巖厚度自西向東逐漸增厚，西南兔坂區塊由于發育多套灰巖，其烴源巖厚度小于北部楊家坡區塊。山西組烴源巖平均厚度為96.72 m，其中，煤層厚度為0.00～15.50 m，平均為6.00 m；暗色泥巖及炭質泥巖厚度為41.48～127.70 m，平均為96.53 m，平面上，烴源巖分布較廣，且大部分地區烴源巖厚度均大于100.00 m，厚度自西向東呈減薄趨勢(圖1)。相對于太原組，山西組煤系烴源巖較為發育，其平均厚度基本為太原組的2倍，但山西組煤層厚度明顯小于太原組，這是由于山西組是區域海退背景下的淺水湖泊三角洲平原亞相沉積，相對于太原組的陸表海沉積，泥炭沼澤較不發育，但分流間灣泥巖發育。

2.2 煤系烴源巖地球化學特征

有機質豐度代表巖石中有機質的相對含量，是烴源巖生烴潛力評價的有效指標[16]。臨興地區太原組—山西組煤巖有機碳含量較高，有機碳質量分數(WTOC)平均為65.89%，有機質豐度好；炭質泥巖和暗色泥巖WTOC稍差，平均值分別為5.63%和4.14%，有機質豐度為中等—好。有機質類型控制著生烴數量、生烴類型、成油(氣)門限值及成烴形態(油、凝析油或氣)，不同類型有機質生氣潛力不同[17]。臨興地區太原組—山西組絕大部分樣品為Ⅱ2—Ⅲ型干酪根，少量樣品為Ⅱ1型干酪根，Ⅰ型干酪根不發育，是以生氣為主的腐泥腐殖型—腐殖型(圖2)。根據干酪根組成分析，太原組—山西組煤巖均為Ⅲ型干酪根，分別占20.00%和22.22%。暗色泥巖和炭質泥巖干酪根類型較多，包括Ⅱ型和Ⅲ型，且不同層組暗色泥巖和炭質泥巖的干酪根類型及含量差異較大，山西組暗色泥巖和炭質泥巖主要為Ⅲ型干酪根，占66.67%；Ⅱ2型干酪根較少，僅占11.11%；不發育Ⅱ1型干酪根。太原組暗色泥巖和炭質泥巖發育Ⅱ1型干酪根，為26.67%，Ⅱ2型干酪根占20.00%；對于山西組，Ⅲ型干酪根含量較少，為33.33%。從太原組到山西組，Ⅲ型干酪根所占比例逐漸增大，Ⅱ2和Ⅱ1型干酪根所占比例逐漸減小。分析認為，這種差異主要是由沉積環境造成的，太原組Sr、Ba含量的比值(ωSr/ωBa)平均為0.85，小于正常海水中ωSr/ωBa比值，說明其水體介質以海水為主，但已受到陸源碎屑注入的影響，這種環境通常發育菌藻類為主的生烴母質，即Ⅱ1型和Ⅱ2型干酪根，同時發育部分陸源高等植物，即Ⅲ型干酪根；山西組為淺水湖泊三角洲沉積，ωSr/ωBa平均值為0.59，為半咸水—淡水，烴源巖有機質主要為陸源高等植物，為Ⅲ型干酪根。從太原組至山西組，ωSr/ωBa逐漸減小，是一個海退、陸源高等植物增多的沉積過程，這與該區干酪根類型從下至上，Ⅲ型干酪根所占比例逐漸增大，Ⅱ2和Ⅱ1型干酪根所占比例逐漸減小的變化趨勢相吻合，說明沉積環境控制了有機質類型及分布。

圖1 臨興地區煤系烴源巖厚度等值線

圖2 熱解氫指數與最高熱解峰溫關系

有機質成熟度決定烴源巖成烴轉化率。根據Tmax-Ro交會圖，太原組—山西組有機質主要為高成熟，部分為過成熟(圖3a)。Ro變化較大，最小為0.960%，最大為4.886%，隨深度變化規律不明顯，F井在2 100.00 m附近出現了Ro高于2.000%的樣品點，J井在1 850.00 m附近也出現了Ro值大于3.000%的樣品點，這與該深度點實際的Ro值不相符。分析認為，異常高的Ro是由巖漿活動造成的。巖石薄片鑒定資料顯示，J井在1 846.96 m處發育凝灰巖經變質結晶作用形成的變閃長玢巖；H井太原組地層發育蝕變晶屑凝灰巖，可見后期石英巖脈穿插或充填裂隙中，這些均是研究區曾發生火山噴發活動的重要證據。

以太原組為例，Ro圍繞紫金山巖體呈環帶狀分布，研究區中部及西南鄰近紫金山巖體，Ro值大于1.000，呈高值區；研究區北部離紫金山巖體較遠，Ro值小于1.000，為0.680～0.880，呈低值區，說明紫金山堿性雜巖體在很大程度上影響著臨興地區有機質成熟度，越靠近紫金山堿性巖體，有機質成熟度越高(圖3b)。

圖3 有機質成熟度分析

3 煤系烴源巖排烴特征及控藏作用

3.1 排烴特征

烴源巖排烴研究方法包括模擬實驗法、化學動力學法、物質平衡法等[18-21]，由于上述方法存在一定不足[22]，為更合理地評價烴源巖，在熱解數據分析基礎上，根據排烴門限理論[23]，采用生烴潛力法建立了臨興地區上古生界太原組—山西組排烴模式圖(圖4)。由圖4可知，太原組和山西組的排烴門限分別為1 810 m和1 650 m，最大排烴率分別為150 mg/g和72 mg/g。太原組煤系烴源巖埋深1 890 m時達排烴速率高峰，為0.28 mg/(g·m)，埋深為2 100 m時排烴效率為60%；山西組烴源巖埋深為1 770 m時達到排烴速率高峰，為0.48 mg/(g·m)，埋深為1 950 m時排烴效率為48%。從排烴效率模擬結果看，烴源巖埋深越大，其排烴效率也越高，太原組的排烴效率優于山西組。

3.2 排烴強度及控藏作用

根據各目的層有機質烴源巖的排烴模式，結合烴源巖的空間展布及烴源巖參數，可計算出各目的層的排烴強度，對排烴強度進行面積積分便可計算出排烴量。以山西組為例，臨興地區晚侏羅世到早白堊世，受構造熱事件的影響，烴源巖有機質熱演化已進入成熟—高成熟階段，處于生烴高峰期，區內生氣強度普遍大于20×108m3/km2，具有“大面積廣覆式生烴”特點，總體呈現出西高東低、北高南低的特點，且臨興地區西南兔坂區塊的生氣強度優于中部自營區塊(圖5a)。排烴強度控制著煤系致密砂巖氣的氣藏范圍，平面上，山西組差氣層—氣層厚度自西向東、從北向南減薄(圖5b)，生烴強度大的區域差氣層—氣層厚度也大，如研究區北部B井發育一套10 m以上的差氣層—氣層，該區也處于強生氣區，生氣強度大于40×108m3/km2；在西南兔坂區塊，差氣層及氣層總厚度大于8 m以上，其生氣強度為26×108m3/km2。對生烴強度采用面積積分，獲得了太原組和山西組煤系烴源巖的總排烴量分別為224.90×1012、208.78×1012m3，太原組的總排烴量略大于山西組，對臨興地區上古生界致密砂巖氣藏的形成貢獻較大。

圖4 臨興地區太原組—山西組排烴模式

圖5 臨興地區山西組生烴強度及差氣層—氣層分布

4 結 論

(1) 臨興地區上古生界煤系烴源巖主要為上石炭統太原組及下二疊統山西組煤巖、煤系暗色泥巖及炭質泥巖，太原組為陸表海沉積，灰巖發育，受灰巖影響，烴源巖總厚度由西向東逐漸增厚；山西組為淺水湖泊三角洲沉積，相比于太原組，煤系烴源巖厚度大，尤其是泥巖厚度，遠大于太原組，烴源巖總厚度由西向東逐漸減薄，。

(2) 研究區煤系烴源巖有機質豐度中等—好；有機質類型主要為Ⅲ型，其次為Ⅱ2型，少量Ⅱ1型，Ⅱ1型僅發育于太原組，從太原組到山西組Ⅲ型干酪根所占比例逐漸增大，Ⅱ2和Ⅱ1型干酪根所占比例逐漸減小；受紫金山堿性雜巖體影響，有機質成熟度較高，處于高成熟—過成熟生氣階段，Ro圍繞巖體呈環帶狀分布，離巖體越近，Ro值越大。

(3) 臨興地區上古生界太原組和山西組排烴門限分別為1 810、1 650 m，太原組排烴效率優于山西組，區內生氣強度普遍大于20×108m3/km2，呈現西高東低、北高南低、“大面積廣覆式生烴”特點，排烴強度控制氣藏范圍，排烴強度大的區域氣層發育；山西組總排烴量為208.78×1012m3；相比于山西組，太原組的總排烴量略大，為224.90×1012m3，對上古生界氣藏形成貢獻較大。

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