趙謙平,高 潮,尹錦濤,張麗霞,曹 成,劉 剛,楊 瀟,徐 杰,陳奕奕
中國頁巖氣資源豐富,類型多樣,海相、海陸過度相、陸相頁巖均有廣泛分布[1];繼鄂爾多斯盆地下寺灣地區(qū)發(fā)現(xiàn)長7陸相頁巖氣[2-5],在上古生界山西組的頁巖層系中也取得重要發(fā)現(xiàn),延長石油集團(tuán)在該頁巖層完鉆多口出氣井,單井日產(chǎn)量最高可達(dá)2.5×104m3,天然氣井在山西組泥頁巖層段具有較好的氣測顯示,根據(jù)已有研究,上古生界山西組泥頁巖為海陸過渡相含煤沉積巖系,單層厚度大,在43.0 ~96.1 m 之間,平均為74.61 m,平面分布穩(wěn)定,有機(jī)質(zhì)以Ⅲ型干酪根為主,總有機(jī)碳含量(TOC)在0.04% ~5.15%,平均為1.01%,鏡質(zhì)體反射率(Ro)在1.76% ~3.72%,平均為2.63%,其生烴產(chǎn)物以烴類氣體為主,目前熱演化程度達(dá)到干氣形成階段,具有形成天然氣的物質(zhì)條件和熱演化條件,是頁巖氣聚集有利層系,也是目前勘探的重點(diǎn)層位。
國內(nèi)外學(xué)者對各類型的烴源巖進(jìn)行了生烴模擬實(shí)驗(yàn)[6-10],楊天宇等、王傳遠(yuǎn)等、Mi等開展了褐煤的模擬實(shí)驗(yàn)[8-10],Carr等對黏土組烴源巖開展了高壓釜模擬實(shí)驗(yàn)[11],林會喜等對準(zhǔn)噶爾盆地石炭系不同類型烴源巖開展了生烴模擬[12],吳遠(yuǎn)東等對遼河盆地的泥質(zhì)烴源巖開展了高壓生烴模擬實(shí)驗(yàn)[13],在頁巖氣方面,王勤、馬施民對南方海相頁巖的成因和生烴特征進(jìn)行研究[14-15],目前針對鄂爾多斯盆地的陸相頁巖生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)開展較少,王寧等選取鄂爾多斯盆地山2頁巖進(jìn)行了熱模擬實(shí)驗(yàn)[16],對二疊系山西組頁巖生烴潛力仍缺乏系統(tǒng)評價及認(rèn)識,文中利用研究區(qū)低成熟度頁巖開展生烴模擬實(shí)驗(yàn),借鑒前人研究方法[13,17-18],建立并標(biāo)定有機(jī)質(zhì)生烴動力學(xué)模型,開展生烴動力學(xué)研究,對頁巖生烴階段劃分,生氣過程及評價等方面進(jìn)行研究,分析對比山西組山1和山2泥頁巖的生烴潛力,為陸相頁巖氣形成及資源潛力方面的研究提供依據(jù)。
下寺灣地區(qū)位于鄂爾多斯盆地中南部,北抵延安,南至東溝,東達(dá)勞山,西至橋鎮(zhèn),面積為2 070 km2(圖1)。區(qū)內(nèi)山西組構(gòu)造平緩,褶皺和斷層不發(fā)育,僅局部發(fā)育低幅度鼻狀隆起(軸向近東西向)。晚古生代鄂爾多斯盆地經(jīng)歷了由陸表海向陸相湖泊沼澤相轉(zhuǎn)變,在經(jīng)歷本溪期和太原期陸表海沉積之后,山2期海水開始退出,逐漸向近海湖盆轉(zhuǎn)化,發(fā)育了三角洲相和濱淺海相沉積環(huán)境[18];山1期三角洲廣泛進(jìn)積,形成了以河流-三角洲為主的內(nèi)陸湖泊沉積(圖1)。在海陸過渡相環(huán)境下,山西組形成了一套以暗色泥頁巖為主的含煤碎屑巖系,也是陸相頁巖氣重點(diǎn)研究的領(lǐng)域和目標(biāo)。
圖1 鄂爾多斯盆地山2段沉積背景(左)及頂面構(gòu)造(右)Fig.1 Sedimentary background(left)and structure(right)of Shan 2 layer in Ordos Basin
本次研究盡量采集在研究區(qū)附近,與山西組泥頁巖同層的埋深較淺、成熟度較低的烴源巖樣品進(jìn)行生烴熱模擬實(shí)驗(yàn),圖2為扒樓溝山西組剖面綜合柱狀圖及熱模擬樣品層位圖,可以看出,該剖面沉積旋回清晰,山1和山2段炭質(zhì)頁巖發(fā)育,頁巖層多且厚度大,最大單層頁巖厚度為24.14 m.其中山2段頁巖裂隙發(fā)育,頁巖中含較多碳質(zhì),部分樣品污手。
表1為用于熱模擬實(shí)驗(yàn)的樣品通過分析測試得到的地球化學(xué)特征,可以看出山1段(P01)和山2段(P02)2個頁巖樣品的有機(jī)碳含量分別為7.29%和48.5%,表明二者有機(jī)質(zhì)豐度較高,其中山2段頁巖有機(jī)質(zhì)含量更高,這與其中含有較多的碳質(zhì)有關(guān)。山1段和山2段2個頁巖樣品的熱解指數(shù) S1分別為 0.388 和 1.55 mgHC/g,S2分別為15.19 和54.95 mgHC/g,氫指數(shù)HI分別為2.08 和1.13 mgHC/g TOC,Tmax值分別為436.3 和447.2 ℃,Ro值分別為0.539%和0.437%,這些數(shù)據(jù)表明樣品熱演化程度較低且生烴潛力較好,有機(jī)質(zhì)類型均為Ⅲ型。
參照前人成果[6-17],本次頁巖生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示,主要步驟包括熱模擬、氣體收集和定量分析、液體收集和定量分析、EASY%Ro計(jì)算、動力學(xué)參數(shù)推導(dǎo)、氣體及液體產(chǎn)率預(yù)測等。本次實(shí)驗(yàn)采用密封金管-高壓釜加水生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)裝置,將制備好的頁巖樣品(約20~50 mg)在氬氣保護(hù)下封裝在金管反應(yīng)器(長度40 mm,直徑4.5 mm)中,黃金管分別放置于不同的高壓釜內(nèi),通過高壓泵對高壓釜加水,并對樣品加壓。利用壓力傳感器調(diào)節(jié),使生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)壓力維持在50 MPa.在恒壓模式下分別以20和2℃/h的升溫速率進(jìn)行加熱,并加熱到事先設(shè)定的溫度點(diǎn)。
表1 用于生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)的頁巖樣品地球化學(xué)分析結(jié)果Tab.1 Results of geochemical analysis of shale samples used for hydrocarbon generation thermal simulation experiment
圖2 扒樓溝剖面山西組頁巖生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)樣品層位Fig.2 Location of samples for hydrocarbon generation of the shale formation in Palougou
圖3 泥頁巖生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)流程Fig.3 Flowchart of experimentation for shale hydrocarbon generation
2.2.1 氣態(tài)烴組分
在生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)中,液態(tài)烴和氣態(tài)烴產(chǎn)率是有機(jī)質(zhì)產(chǎn)烴潛力的重要指標(biāo)[18-20]。山西組泥頁巖已經(jīng)達(dá)到了高成熟-過成熟階段,因此,生烴熱模擬樣品實(shí)驗(yàn)溫度設(shè)定較高,實(shí)驗(yàn)結(jié)束溫度設(shè)定到600℃(對應(yīng)的鏡質(zhì)體反射率Ro為4.45%),并分別進(jìn)行氣態(tài)和液態(tài)產(chǎn)物定量和組分測定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,當(dāng)溫度超過300℃(對應(yīng)的鏡質(zhì)體反射率Ro為0.57%)時,烴類產(chǎn)物開始大量形成,在生烴熱模擬最高溫度599.6℃(對應(yīng)的鏡質(zhì)體反射率Ro為3.87%)時,山1段和山2段2個頁巖樣品總熱解氣量分別為444.94和343.66 mg/g TOC,總熱解氣產(chǎn)率中,烴類氣體(C1-5)產(chǎn)率分別為98.69 和 126.44 mg/g TOC,非烴類氣體(H2,CO2和 H2S)產(chǎn)率分別為 346.25 和 175.79 mg/g TOC.對應(yīng)于低溫?zé)峤鈿猱a(chǎn)率,烴類氣體(C1-5)量占總熱解氣量分別升到22.18%和36.79%,非烴類氣體量占總熱解氣量降到87.92%和73.21%.在熱解烴類氣體(C1-5)中,甲烷(C1)含量最高。山1和山2段2個頁巖樣品的C1/C1-5(即天然氣的干燥系數(shù))從低溫到高溫呈“S”型變化(圖4),即C1/C1-5比值呈先減小后增大的趨勢。在升溫速率為20℃/h條件下,在實(shí)驗(yàn)最低溫度335.9℃(對應(yīng)的鏡質(zhì)體反射率Ro為0.57%)時,山2段(P02)和山1段(P01)2個頁巖樣的C1/C1-5比值分別為0.74 和 0.68,在實(shí)驗(yàn)最高溫度 599.6 ℃(對應(yīng)的鏡質(zhì)體反射率Ro為3.87%)時,二者的C1/C1-5比值分別上升為 0.98 和 0.97,即此時形成的天然氣為干氣,這與烴源巖生烴過程中甲烷氣形成過程一樣,在低溫未成熟-低成熟階段,形成的烴類氣體主要是生物甲烷氣和CO2氣體等,也是干氣,而C2-5幾乎沒有,在過成熟階段,形成的甲烷氣全為熱解干氣,因此C1/C1-5比值呈現(xiàn)出“S”型變化特征。本區(qū)山西組泥頁巖熱解形成的甲烷既包括由干酪根直接裂解生成的,也包括液態(tài)烴及重?zé)N氣態(tài)烴類二次裂解形成的甲烷。
圖4 頁巖樣品熱模擬氣態(tài)產(chǎn)物產(chǎn)率隨實(shí)驗(yàn)溫度變化特征Fig.4 Generation rate of gaseous varies with experimental temperature in hydrocarbon generation thermal simulation experiment
2.2.2 碳同位素組成
根據(jù)頁巖熱解氣的碳同位素分析結(jié)果(圖5),山西組頁巖樣品(P01和P02)生烴熱解氣體產(chǎn)物中,δ13C1值隨溫度升高先變輕后變重,而 δ13C2和δ13C3總體上隨溫度升高而變重,δ13CCO2隨溫度變化不明顯(圖 4)。不同升溫速率下,δ13C1,δ13C2,δ13C3和δ13CCO2變化趨勢基本一樣,同一溫度下δ13C值相近。山2段頁巖(P02)樣品在熱解溫度低于384.5 ℃(Ro<0.8%)時,氣態(tài)烴的 δ13C 呈現(xiàn)局部倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象,即 δ13C1< δ13C2> δ13C3(圖 5)。造成烴氣中碳同位素倒轉(zhuǎn)現(xiàn)象可能由于有機(jī)成因和無機(jī)成因氣混合、煤成氣和油型氣混合、同型不同源或同源不同期氣體的混合、細(xì)菌的氧化作用等幾種原因[21-24]。分析認(rèn)為,在熱解初期碳同位素較輕是由2個原因造成的:①12C—12C鍵能相對較弱,易斷裂,因而同位素動力學(xué)分餾使初次裂解產(chǎn)物對于有機(jī)母質(zhì)更富集12C,這使得后期生成的氣態(tài)烴及其二次裂解產(chǎn)物同位素值變重;②隨著濕度的增加,12C更易富集,致使烴氣碳同位素變輕。液態(tài)烴二次裂解時的濕度比生成液態(tài)烴的濕度大,更易形成較低δ13C值的現(xiàn)象。熱模擬過程中生油和油裂解階段,由于濕度的不斷增加,δ13C值逐漸減小,與殘余有機(jī)質(zhì)熱解形成的重δ13C烴氣混合,形成碳同位素倒轉(zhuǎn)系列。綜合認(rèn)為,該樣品碳同位素局部倒轉(zhuǎn)的現(xiàn)象是由δ13C3變輕引起的,即熱模擬實(shí)驗(yàn)中,來自有機(jī)質(zhì)早期熱演化階段的丙烷和液態(tài)烴二次裂解的丙烷相互混合,導(dǎo)致碳同位素變輕。
圖5 山2段頁巖(P02)氣態(tài)產(chǎn)物不同含烴物質(zhì)中δ13 C變化特征Fig.5 Change ofδ13C hydrocarbon substances in the gaseous product of Shan 2 shale(P02)
非常規(guī)儲層泥頁巖具有很低的孔隙度和很低的滲透率,形成自生自儲頁巖氣的有機(jī)質(zhì)熱演化條件接近于密封體系,因而特定壓力及金管封閉條件下的生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)可以近似地模擬頁巖氣形成的實(shí)際地質(zhì)條件和過程[25-29]。根據(jù)生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)的氣態(tài)烴產(chǎn)率、液態(tài)烴產(chǎn)率、總烴產(chǎn)率、氣態(tài)烴/液態(tài)烴比值等隨熱成熟度Ro的變化趨勢,山西組山1段泥頁巖有機(jī)質(zhì)生烴熱演化過程劃分為3個階段(圖6)。熱催化生油氣階段(以液態(tài)烴為主,少量氣,Ro<1.19%):溫度低于440℃,隨熱演化程度增大,氣態(tài)烴產(chǎn)率、液態(tài)烴產(chǎn)率、總烴產(chǎn)率和氣態(tài)烴/液態(tài)烴比值均相應(yīng)地增大,當(dāng)Ro=1.19%時達(dá)到生液態(tài)烴高峰。此后,液態(tài)烴產(chǎn)率逐漸降低,而氣態(tài)烴、總烴產(chǎn)率和氣態(tài)烴/液態(tài)烴比值均繼續(xù)增大(圖6(a))。熱裂解生濕氣階段(以濕氣為主,少量輕質(zhì)油,1.19% <Ro<3.50%):生烴熱模擬溫度在432~570℃,氣態(tài)烴產(chǎn)率明顯增大。以20℃/h速率升溫,當(dāng)熱解溫度達(dá)到570℃時,氣態(tài)烴產(chǎn)率達(dá)到89.15 mg/g TOC,而液態(tài)烴產(chǎn)率降為10 mg/g TOC,氣態(tài)烴/液態(tài)烴比值為8.72.以2℃/h速率升溫,當(dāng)熱解溫度達(dá)到528.6 ℃時,氣態(tài)烴產(chǎn)率達(dá)到 90.23 mg/g TOC,液態(tài)烴產(chǎn)率降為7.69 mg/g TOC,氣態(tài)烴/液態(tài)烴比值為11.73(圖6)。在該階段,有機(jī)質(zhì)熱裂解生氣、液態(tài)烴裂解生氣以及重?zé)N氣的二次裂解等同時存在。此階段產(chǎn)物以濕氣為主,液態(tài)烴因裂解成氣態(tài)烴產(chǎn)率逐漸降低。熱裂解生干氣階段(以干氣為主,Ro>3.50%):當(dāng)生烴熱模擬溫度大于570℃時,氣態(tài)烴產(chǎn)率仍繼續(xù)增大,液態(tài)烴產(chǎn)率已經(jīng)很低,液態(tài)烴產(chǎn)物接近完全裂解,而且從氣態(tài)烴產(chǎn)物成分看,主要為甲烷氣體,說明此后以重?zé)N氣的二次裂解為主,氣體主要為干氣。
山2段泥頁巖有機(jī)質(zhì)生烴熱演化過程亦具3階段特征(圖6(b))。熱催化生油氣階段(以液態(tài)烴為主,少量氣,Ro<0.96%):溫度低于408.4 ℃,當(dāng)Ro=0.96%時達(dá)到生液態(tài)烴高峰。此后,液態(tài)烴產(chǎn)率逐漸降低,而氣態(tài)烴產(chǎn)率、總烴產(chǎn)率和氣態(tài)烴/液態(tài)烴比值均繼續(xù)增大(圖6(b))。熱裂解生濕氣階段(以濕氣為主,少量輕質(zhì)油,0.96% <Ro<3.06%):生烴熱模擬溫度在408.4~552.4℃,氣態(tài)烴產(chǎn)率明顯增大。以20℃/h速率升溫,當(dāng)熱解溫度達(dá)到552.4℃時,氣態(tài)烴產(chǎn)率達(dá)到96.06 mg/g TOC,而液態(tài)烴產(chǎn)率降為 15.46 mg/g TOC,氣態(tài)烴/液態(tài)烴比值為6.21.以2℃/h速率升溫,當(dāng)熱解溫度達(dá)到 552.8℃時,氣態(tài)烴產(chǎn)率達(dá)到124.94 mg/g TOC,液態(tài)烴產(chǎn)率降為 5.55 mg/g TOC,氣態(tài)烴/液態(tài)烴比值為22.50(圖6(b))。該階段,有機(jī)質(zhì)熱裂解生氣、液態(tài)烴、裂解生氣以及重?zé)N氣的二次裂解同時存在。此階段產(chǎn)物以濕氣為主,液態(tài)烴因裂解成氣態(tài)烴產(chǎn)率逐漸降低。熱裂解生干氣階段(以干氣為主,Ro>3.06%):當(dāng)生烴熱模擬溫度大于552.4℃時,氣態(tài)烴產(chǎn)率仍繼續(xù)增大,液態(tài)烴產(chǎn)率已經(jīng)很低,液態(tài)烴產(chǎn)物接近完全裂解,此后主要為甲烷氣體,此后以氣態(tài)烴的二次裂解為主,氣體主要為干氣。
圖6 泥頁巖生烴模式Fig.6 Model of shale hydrocarbon generation
結(jié)合埋藏史和熱史研究成果,對研究區(qū)山西組山1段和山2段泥頁巖的生烴動力學(xué)研究。根據(jù)地質(zhì)溫度及EASY%Ro,甲烷產(chǎn)率的變化曲線可以看出(圖7):在246 Ma(早三疊世末)以前,地層溫度低于50℃,Ro<0.32%,有機(jī)質(zhì)處于未成熟演化階段,幾乎沒有甲烷的生成。在246 Ma(早三疊世末)之后,隨埋深緩慢增加,地層緩慢升溫,Ro逐漸增大,有機(jī)質(zhì)逐漸進(jìn)入低成熟熱演化階段,開始生成甲烷[16],甲烷生成的瞬時速率和累積產(chǎn)率均比較低,至146 Ma(晚侏羅世末),地層溫度達(dá)到118.64℃,Ro達(dá)到0.78%,山 1和山2地層中甲烷的累積產(chǎn)率僅達(dá)到 7.28、7.41 mL/g TOC.自 146 Ma(晚侏羅世末)之后,山西組地層快速埋深,地層溫度由118.64℃快速升溫,Ro迅速增大,甲烷瞬時產(chǎn)率和累積產(chǎn)率大幅度升高,至距今96 Ma(早白堊世末)地層溫度達(dá)到最大值201.82℃,Ro達(dá)到2.15%,山1地層甲烷瞬時產(chǎn)率達(dá)到最大值3.21 mL/g TOC·Ma,山2地層甲烷瞬時產(chǎn)率達(dá)到最大值3.80 mL/g TOC·Ma,甲烷產(chǎn)率達(dá)到高峰。隨后,從晚白堊世開始,研究區(qū)抬升隆起,上覆地層開始遭受剝蝕,山西組地層溫度迅速降低,Ro緩慢增大至2.31%,甲烷的瞬時產(chǎn)率急劇降低,甲烷累積產(chǎn)率緩慢升高。至55 Ma(始新世早期),地層溫度降低至145.91℃,Ro保持在2.31%,甲烷瞬時產(chǎn)率降低為零,生氣停止,甲烷累積產(chǎn)率趨于平穩(wěn),山1段地層保持在103.8 mL/g TOC,山2段地層保持在113.6 mL/g TOC,從開始生氣至停止生氣。經(jīng)計(jì)算可得出鄂爾多斯盆地延長頁巖氣區(qū)山2段泥頁巖生烴率為0.37~4.76 mL/g,山1段泥頁巖生烴率為0.44~3.8 mL/g.山2段生烴總量要高于山1段。
圖7 甲烷產(chǎn)率隨地質(zhì)時間變化特征Fig.7 Variation of methane yield with geological time
統(tǒng)計(jì)鄂爾多斯盆地下寺灣地區(qū)7口頁巖氣井的有機(jī)地化數(shù)據(jù),其中山1樣品34個,有機(jī)質(zhì)成熟度Ro值介于1.96% ~3.2%之間,平均為2.56%;山2樣品36個,有機(jī)質(zhì)成熟度Ro值介于2.13%~3.08%之間,平均為2.50%;鄂爾多斯盆地東南部地區(qū)山西組山1和山2泥頁巖都處于高成熟-過成熟階段,以過成熟階段為主,已經(jīng)進(jìn)入過成熟生干氣階段。
生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合頁巖氣井地化數(shù)據(jù),表明鄂爾多斯盆地東南部地區(qū)山西組山2泥頁巖的氣態(tài)烴和液態(tài)烴產(chǎn)率均遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于山1泥頁巖,且山1泥頁巖烴類氣體含量始終低于40%,綜合證明山2比山1具有更大的生氣能力。
1)生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明甲烷和非烴類氣體具有相似產(chǎn)出特征,兩者產(chǎn)率隨著成熟度升高而增加,且低升溫速率下產(chǎn)率更高;重?zé)N氣C2-5和液態(tài)烴具有相似產(chǎn)出特征,兩者產(chǎn)率隨著成熟度升高都表現(xiàn)出“先升后降”型拋物線特征,且高升溫速率下的產(chǎn)率滯后于低升溫速率;生烴動力學(xué)擬合證明實(shí)驗(yàn)結(jié)果真實(shí)可靠;
2)山1段和山2段2個頁巖樣品總熱解氣量分別為444.94和343.66 mg/g TOC,總熱解氣產(chǎn)率中,烴類氣體(C1-5)產(chǎn)率分別為 98.69 和 126.44 mg/g TOC,非烴類氣體(H2,CO2和 H2S)產(chǎn)率分別為 346.25 和175.79 mg/g TOC;
3)山1和山2泥頁巖至146 Ma(晚侏羅世末),Ro達(dá)到 0.78%,甲烷累積產(chǎn)率僅達(dá)到 7.28、7.41 mL/g TOC.至距今96 Ma(早白堊世末)地層溫度達(dá)到最大值201.82℃,Ro達(dá)到2.15%,山1和山2泥頁巖甲烷瞬時產(chǎn)率達(dá)到最大值3.21,3.80 mL/g TOC·Ma,達(dá)到高峰。從晚白堊世開始,Ro緩慢增大至2.31%,甲烷的瞬時產(chǎn)率急劇降低,累積產(chǎn)率緩慢升高。至55 Ma(始新世早期),Ro保持在2.31%,生氣停止,山1泥頁巖甲烷累積產(chǎn)率保持在103.8 mL/g TOC,山2泥頁巖甲烷累積產(chǎn)率保持在113.6 mL/g TOC;
4)甲烷、重?zé)N氣、液態(tài)烴等烴類產(chǎn)物的熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明山2屬于更好的烴源巖,擁有相對山1更高的生烴潛力,結(jié)合頁巖氣井地化數(shù)據(jù),進(jìn)一步證明下寺灣地區(qū)山西組山2生烴潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過山1,證實(shí)下寺灣地區(qū)山西組泥頁巖具有較好的生氣潛力,其中山2生氣能力較大。
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