西昌盆地昭覺凹陷白果灣組泥頁巖生烴動力學模擬及資源潛力

陳 楊 何 偉 曾繁如 龍 瀟 牟必鑫 李 軻 宋金輝 周瑞琦

1.四川省煤田地質工程勘察設計研究院 2.頁巖氣評價與開采四川省重點實驗室 3.四川水利職業技術學院測繪地理信息系

0 引言

昭覺凹陷是西昌盆地油氣勘探的主要凹陷之一，上三疊統白果灣組是昭覺凹陷重要的油氣勘探層系，但油氣勘探程度很低，僅過往實施了2口頁巖氣地質調查井（昭地1井和昭地2井）。鉆探結果顯示，昭地1井白果灣組厚427.7 m，泥頁巖厚198.2 m，泥地比達46.35%。昭地2井白果灣組厚435.18 m，泥頁巖厚146.11 m，泥地比達33.57%。白果灣組泥頁巖有機質豐度適中，TOC含量在0.53%～15.03%之間，平均含量為1.58%，有機質類型主要為Ⅱ2型，Ⅲ型次之。Ro值在0.35%～3.97%之間，平均值為2.18%，Tmax介于 355 ～ 511 ℃，平均值為 485 ℃，已進入成熟階段。昭地1井鉆探過程中發現9層較好的油氣顯示，氣測總烴峰值可達22.8%（峰基比為24）。其中，氣顯示6層，油顯示3層；昭地2井鉆探過程中發現7層較好的油氣顯示，氣測總烴峰值可達8.43%（峰基比為10.33）。其中，氣顯示5層，油顯示2層。昭覺凹陷白果灣組原油以輕質油為主，天然氣成分以甲烷為主，且主要為油型氣[1-3]，表明其可能具有勘探前景，值得進一步開展工作。

利用生烴動力學模擬低勘探程度地區油氣生成和裂解過程十分有效[4]。假定實驗條件下的生烴過程與實際地質條件下的生烴過程動力學參數相同，結合研究區的地質背景，利用生烴動力學參數就能夠反應地質條件下油氣生成和裂解過程的地球化學過程[5]。當前，生烴動力學研究最有效的方法是封閉體系下的黃金管熱模擬實驗[6]。本文從生烴動力學角度入手，挑選了昭地1井中具有代表性的白果灣組泥頁巖樣品，通過封閉系統的黃金管熱模擬實驗獲取昭覺凹陷白果灣組泥頁巖生烴動力學參數，據此建立了白果灣組泥頁巖的生烴模式，恢復了白果灣組泥頁巖的生烴演化過程，旨在揭示昭覺凹陷白果灣組泥頁巖生烴潛力，為西昌盆地昭覺凹陷陸相油氣勘探提供依據。

1 地質概況

西昌盆地位于揚子板塊與青藏高原東緣交接過渡的區域，大地構造位置屬于揚子板塊的西南邊緣，跨越了康滇地軸和上揚子臺坳兩個二級構造單元。盆地邊界受控于安寧河、峨邊和則木河等斷裂，由北部的甘洛凹陷、東北部的美姑凹陷、中西部的米市凹陷（最大）、中部的麻姑山凹陷和東南部的昭覺凹陷組成，在多期構造運動作用下產生較強的褶皺變形和隆升剝蝕，形成現今近南北向展布的狹長構造格局。

昭覺凹陷位于西昌盆地東南緣，大地構造屬于涼山臺坳的美姑凹褶束[7-9]。昭覺凹陷呈狹長狀南北向展布，北以竹核斷層為界、南以瓦都斷層為界、西以龍恩河斷層為界、東以漢源—昭覺斷裂帶南段于孟斷層為界；南北長約15 km，東西寬約10 km，面積約150 km2，凹陷主體構造為昭覺復向斜（包含昭覺向斜和龍恩河向斜），其構造形態表現為：向斜西翼地層相對較陡，地層傾角一般為30°～65°；東翼地層相對平緩，一般為15°～25°，為于孟斷層所破壞；核部平緩，地層傾角一般為5°～10°。上下構造層形態基本一致，為一構造斷陷，即底部寬緩，地層傾角小，斷層不發育，兩翼相對陡傾，斷層發育。凹陷核部出露侏羅系地層，向東西兩側依次出露三疊系地層和二疊系地層（圖1），其中上三疊統白果灣組為昭覺凹陷最主要的含油氣地層[10-11]。

圖1 昭覺凹陷地質簡圖

2 樣品及實驗方法

2.1 實驗樣品

選取昭地1井白果灣組有機碳含量好、低成熟度的樣品1個，開展黃金管熱模擬實驗。有機地球化學分析結果（表1）顯示，昭地1井白果灣組泥頁巖樣品干酪根Ro為0.45%、最高熱解峰溫（Tmax）為452 ℃、TOC含量為14.83%、氫指數（HI）為203 mg/g。

表1 樣品有機地球化學參數表

2.2 實驗方法

利用生烴動力學熱模擬實驗裝置開展黃金管熱模擬實驗（圖2），參照中國石油及天然氣行業標準《黃金管生烴熱模擬實驗方法》（SY/T7035—2016）進行。

圖2 黃金管熱模擬實驗系統結構及工作原理圖

實驗流程：首先將樣品用研缽磨成粉末后進行200目篩選，將巖粉分成24份，然后在氬氣環境下放入金管并焊封后置于高壓釜中，分別以2 ℃/h和20 ℃/h的升溫速率，在50 MPa壓力下加熱至設定溫度。待熱解完成后，將金管中氣體釋放到GC7890型氣相色譜儀中，進行甲烷（C1）、乙烷（C2）、丙烷（C3）、丁烷（C4）和戊烷（C5）的定量分析。

液態烴（C6＋）的收集分析方法：當氣體分析結束后，利用液氮冷凍樣品瓶，來收集擴散到真空玻璃管中的輕烴（C6～C10），然后將樣品瓶取下迅速注入二氯甲烷溶劑，從高壓釜中取出金管同樣品一起剪開后放入樣品瓶，用超聲震動1分鐘，使金管中的油完全溶解到溶劑中。從4 mL樣品瓶中上層中取1 mL清液，放入到2 mL樣品瓶，利用自動進樣器開展色譜分析。用氘代的C24作為內標開展輕烴（C6～C14）定量分析，飽和烴和芳烴采用GC圖積分方法進行定量分析。

數據處理：利用KINETICS軟件獲得頻率因子和活化能等動力學參數。目前，EASY%Ro法被廣泛應用于烴源巖成熟的評價[12-15]，利用模型計算出實驗中各溫度點所對應的EASY%Ro值，再通過KINETICS軟件對數值進行處理。

3 實驗結果

3.1 烴產率

為了有效地評價昭覺凹陷白果灣組泥頁巖的生烴潛力，通過實驗得到了泥頁巖C1、C2、C3、C4、C5、重烴氣（C2～ C5）、總氣態烴（C1～ C5）、C6～ C14和 C14＋產率。

昭覺凹陷白果灣組泥頁巖在不同溫度條件下烴的產率差異較大（表2、圖3）。實驗條件下，昭覺凹陷泥頁巖生成的天然氣主要為C1，C2～C5次之。隨著溫度和EASY%Ro的升高C1和C1～C5的產率不斷增大，而C2～C5、C6～C14和C14＋的產率先增后減呈現典型的峰值分布，且不同的重烴氣因其含碳原子個數不同導致產率不盡相同。

表2 昭覺凹陷白果灣組泥頁巖在不同升溫速率下的烴產率表

圖3 昭覺凹陷白果灣組泥頁巖在不同升溫速率下烴產率隨溫度變化關系圖

以升溫速率為2 ℃/h條件下的氣態烴產率為例，白果灣組泥頁巖C1的產率在600 ℃（EASY%Ro為4.45%）時為 23.53 mL/g ；C2～ C5的產率在 431.7 ℃（EASY%Ro為4.45%）時達到最大值為1.37 mL/g，到 600 ℃（EASY%Ro為 4.45%）時降為0.08 mL/g；C1～C5的產率在 600 ℃（EASY%Ro為4.45%）時為 33.02 mL/g；C6～ C14的產率在 408.4 ℃（EASY%Ro為1.36%）時達到最大值為3.94 mL/g，到600 ℃（EASY%Ro為 4.45%）時降為 0.23 mL/g；C14+的產率在360.1 ℃（EASY%Ro為0.86%）時達到最大值為 4.99 mL/g，到 505.4 ℃（EASY%Ro為 2.09%）時降為0。

3.2 生烴動力參數

生烴過程是復雜化學變化的過程，不僅受時間、溫度和壓力三個因素作用，還受到其他多種地質因素共同影響[16]。利用KINETICS軟件對實驗數據進行分析處理，得到了C1、C2～C5、C1～C5、C6～C14和C6+的有關參數（表3）。動力學參數主要為頻率因子（A）和活化能，其中，頻率因子表示與碰撞頻率相關的物理量，活化能則表示化學反應過程中所需的最小能量。活化能越高，反應所需能量越大、溫度越高，粒子運動也越快[17]。筆者將占比最多和次之的活化能均視為主頻活化能，用以更加準確地反應活化能相關特征。從曲線形態分析可知（圖4、5），白果灣組泥頁巖生成氣態烴所需的活化能高于液態烴，生產C1所需活化能最高，轉化所需的能量最大。實驗條件下模擬的氣態烴產率與熱解生烴實驗測定的氣態烴產率具有很高的擬合度，能夠有效地反映地質條件下的生烴情況。

表3 白果灣組泥頁巖生烴動力學參數特征表

圖4 昭覺凹陷白果灣組泥頁巖生成氣態烴的動力學參數圖

圖5 昭覺凹陷白果灣組泥頁巖生成液態烴的動力學參數圖

3.3 碳同位素特征

實驗結果顯示，樣品熱解產生的甲烷、乙烷和丙烷氣體各自δ13C值（PDB）總體隨著溫度和成熟度的增大而增加，三者變化趨勢基本一致且具有正序列特征，即δ13C1＜δ13C2＜δ13C3[18-22]。隨著溫度和EASY%Ro的增加，干酪根甲烷、乙烷和丙烷碳同位素組成逐漸增重（圖6）。

圖6 不同升溫速率下氣體碳同位素組成圖

在有機母質熱演化過程中，溫度的變化，對干酪根生烴有著不同的影響。溫度越高，甲烷產率也越大[23-25]。隨著溫度升高，分子的運動速率逐漸提升，破壞了原子間的結合力，導致碳同位素的分餾程度逐漸減小。由于12C—12C鍵能比13C—13C小，則優先釋放出具有12C—12C鍵的甲烷，當溫度較低和EASY%Ro＜1.3%時，干酪根脫烷基優先生成甲烷，然后由油裂解生成部分甲烷。

隨著溫度逐漸增加和EASY%Ro＞1.3%時，由油裂解釋放產生的甲烷和干酪根釋放產生的甲烷，二者碳同位素組成（δ13C1）基本趨于一致，并隨溫度增加而逐漸增重。

當EASY%Ro＜2.0%時，乙烷（δ13C2）和丙烷碳同位素組成（δ13C3）緩慢增重。然而，當EASY%Ro＞2.0%時，乙烷和丙烷碳同位素組成快速增重。在EASY%Ro＜2.0%的階段，由干酪根裂化生成的乙烷和丙烷的量大于油裂解生成的量，碳同位素隨著溫度的增加而逐漸增重。在EASY%Ro＞2.0%的階段，乙烷和丙烷油裂解生成量大于干酪根裂化生成量，碳同位素值隨著溫度的增加而快速增重。快速增重主要有兩大原因：一是生成的乙烷和丙烷碳同位素組成受溫度和成熟度影響較大，其隨著溫度和成熟度的不斷增大而逐漸增重；二是具有較輕碳同位素組成的乙烷和丙烷優先裂解產生了甲烷，將碳同位素組成偏重的乙烷和丙烷剩下。二氧化碳碳同位素組成（δ13Cco2）在整個生烴過程中變化較小，表明二氧化碳的碳同位素組成基本上受溫度和成熟度的影響很小。

4 生烴潛力分析

4.1 生烴特征

熱模擬實驗數據顯示，升溫速率不同，生烴產率也會受到不同的影響[26-27]。當溫度相同時，泥頁巖樣品在2 ℃/h升溫速率下的烴產率高于在20 ℃/h升溫速率下的烴產率（圖3）。相反，當產率相同時，在20 ℃/h升溫速率下所需的生烴溫度要高2 ℃/h升溫速率下的生烴溫度，這樣就反應出泥頁巖生烴過程中溫度和時間是一個互相補充的關系。從獲取的動力學參數（表3）分析可知，C1和C2～C5相比，具有較寬的活化能分布且值較大，生成C1的頻率因子比生成C2～C5的頻率因子要大，生成C1所需的活化能比生成C2～C5要高，生成C1轉化所需能量比生成C2～C5要高。因此隨著烴類碳數增加，其活化能越小，所需能量也越低。

4.2 生氣強度

戴金星[28]將生氣強度20×108m3/km2作為劃分高、低生氣強度區的界限，張福東[29]根據對鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖綜合實驗結果及地質條件分析研究，在低生氣強度區油氣仍然能夠注入致密砂巖儲層中，但生氣強度要保證一定的下限。在不同地質條件下油氣的運移阻力不同，因此，生氣強度下限也不固定。總的來說，當地層埋藏深度小于3 000 m 時，生氣強度不低于（7 ～ 10）×108m3/km2就能夠實現有效的油氣充注[29-32]。

筆者對昭覺凹陷兩口鉆井和典型剖面白果灣組烴源巖進行生氣強度計算并編制了西昌盆地昭覺凹陷白果灣組泥頁巖生氣強度等值線圖（圖7），綜合分析來看，昭覺凹陷白果灣組龍恩鄉—俄爾古曲地區生氣強度為（7.28～12.32）×108m3/km2，整體埋深小于2 500 m，屬于低生氣強度區，但均達到（7～10）×108m3/km2下限值，仍然可以實現有效充注。

圖7 昭覺凹陷白果灣組泥頁巖生氣強度等值線圖

4.3 生烴量

地質歷史過程中，油氣的生成遵循時溫補償原理，即地質歷史中的低溫長時過程可以用實驗室中的高溫短時過程來代替，也就是說，可以通過實驗室再現地質歷史中的油氣生成過程，這為通過熱模擬實驗再現油氣生成過程提供了依據[33-35]。

在2 ℃/h升溫速率條件下的封閉熱解實驗中，白果灣組泥頁巖最大生油量為127.24 mg/g·TOC，最大生氣量為353.99 mL/g·TOC。由于實驗是在封閉體系中進行，因此是在生成的烴又發生一定程度裂解的情況下得到的最大生烴量，假設測得的最大生烴量為實際最大生烴量的95%[36]，白果灣組泥頁巖的最大生油率為8.15 mg/g，最大生油量為120.88 mg/g·TOC；最大產氣率為22.68 mL/g，最大生氣量為 336.29 mL/g·TOC。

由于昭覺凹陷整體勘探程度較低，綜合考慮，利用有機碳—氫指數法估算總生烴量，采用計算公式如下：

式中Q生表示總生烴量，104t；H表示有效烴源巖厚度，km；S表示烴源巖面積，km2；ρ表示烴源巖密度，g/cm3；TOC表示殘余有機碳含量；Kc表示有機碳恢復系數；HIO表示原始氫指數，mg/g；HIP表示殘余氫指數，mg/g。

根據鉆井和剖面資料，昭覺凹陷白果灣組有效烴源巖厚度為60 m，烴源巖面積為150 km2，泥頁巖實測密度為2.65 g/cm3，殘余有機碳平均含量為1.11%，有機質主要為Ⅱ2型，其有機碳恢復系數一般為1.3[37-39]。根據昭覺凹陷白果灣組巖石熱解分析，原始氫指數平均為250 mg/g，殘余氫指數平均為11.35 mg/g，根據公式計算得到泥頁巖的生烴量為 8 213.27×104t。根據生烴量計算出泥頁巖的生烴強度為54.8×104t/km2，顯示昭覺凹陷具有較好的生烴潛力，具備形成中小型油氣田的資源生成基礎。

4.4 生烴模式

乙烷、丙烷與甲烷的碳同位素差值能夠有效地判斷天然氣的主生成期，根據計算結果，當Ro為1.3%～1.85%時是昭覺凹陷白果灣組天然氣的主生成期。甲烷穩定碳同位素與成熟度的關系能夠有效地劃分天然氣的成熟階段[40]，根據計算結果，當Ro為0.81%～1.24%時主要為成熟天然氣，當Ro為1.24%～2.0%時主要為高成熟天然氣。

生烴模式對低油氣勘探區的油氣地質研究具有較好的指導作用[41-44]。為了有效地揭示昭覺凹陷白果灣組泥頁巖生烴潛力，本文采用2 ℃/h的升溫速率條件下所獲取的各類參數建立了高溫高壓封閉體系條件下昭覺凹陷上三疊統白果灣組泥頁巖的生烴模式并恢復了白果灣組泥頁巖的生烴演化過程（圖8）。

圖8 高溫高壓封閉體系條件下白果灣組泥頁巖生烴模式圖

根據頁巖生烴模式，昭覺凹陷頁巖在0.5%≤Ro＜1.24%階段生成C1和C1～C5的產率增長速度最大，為頁巖生烴的成熟階段；在1.24%≤Ro＜2.0%階段生成C1和C1～C5的產率增長速度較大，為頁巖生烴的高成熟階段，同時也是重烴氣的主要生成階段，C5和C4的產量極少，主要為C2和C3。C2和C3的產率分別在Ro為1.70%和1.38%達到最大1.59 mL/g 和 0.50 mL/g。

基于高溫高壓封閉體系實驗條件下，王東良等[45]分析認為，烴源巖在其Ro為2.5%之后的過成熟階段仍然具有較大的生氣潛力，生氣量可以占到總生氣量的20%以上，生氣下限能延伸到Ro為5.0%的階段，Mahlsted等[46]認為，Ro值為5.0%之后依然有大量的天然氣生成。昭覺凹陷白果灣組頁巖在Ro＞2.0%，C1和C1～C5的產率增長速度仍然較高，在Ro=2.8%時產率又開始急劇增高，Ro為4.45%時，C1和C1～C5的產率有所下降，但實驗條件下依然在增長，重烴氣的產率越來越小，C2和C3的產率分別在Ro為3.6%和2.4%時完全裂解，為生烴的過成熟階段，即干氣階段，以甲烷為主。

5 結論

1）通過高溫高壓封閉體系條件下生烴動力學實驗，確定了昭覺凹陷泥頁巖的生烴產率和生成C1、C1～ C5、C2～ C5、C6～ C14和 C6+的平均活化能、主頻活化能與頻率因子等參數。結果表明，泥頁巖在不同溫度條件下烴的產率差異較大，生成氣態烴所需的活化能高于液態烴，生產C1所需活化能最高，轉化所需的能量最大。

2）西昌盆地昭覺凹陷白果灣組泥頁巖的生烴量為 8 213.27×104t，生烴強度為 54.8×104t/km2，具備形成中小型油氣田的資源生成基礎，是四川盆地周緣可供勘探的目標之一。

3）熱演化成熟度是影響泥頁巖生烴的主要因素之一，在開展黃金管熱模擬實驗時要充分考慮到所選樣品的成熟度，由于Ro＞0.5%樣品已有烴排出使得產烴率偏低，因此盡可能選取Ro＜0.5%的低成熟樣品，更好的保證產烴率的真實性。

4）在實驗室高溫高壓封閉體系條件下，當前的泥頁巖生烴模式表明，昭覺凹陷白果灣組泥巖在Ro值大于2.8%之后的仍然具有較大的生氣潛力，C1和C1～C5的產率仍保持增長趨勢。