臨興地區(qū)上古生界煤系烴源巖評價(jià)及排烴特征

劉 玲，王 烽，2，湯達(dá)禎，許 浩

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083；2.中國石化油田勘探開發(fā)事業(yè)部，北京 100728；3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083)

0 引 言

近年來，深部煤系非常規(guī)天然氣勘探開發(fā)已受到國內(nèi)外學(xué)者高度關(guān)注[1]。臨興地區(qū)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(yè)氣流，顯示出良好的勘探開發(fā)前景[3]。與鄂爾多斯盆地區(qū)域條件類似[4-7]，臨興地區(qū)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(zhì)基礎(chǔ)。目前，許多學(xué)者已對整個(gè)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(jìn)行了研究，并取得了一定成果[8-9]，但臨興地區(qū)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(chǎn)的形成、改造具有重要作用[10]，且該區(qū)勘探開發(fā)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(xiàn)研究集中于臨興中部致密砂巖氣資源潛力、儲(chǔ)層地質(zhì)條件、儲(chǔ)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(xué)特征、生排烴潛力及不同層組生排烴差異缺乏系統(tǒng)研究，在一定程度上制約了臨興地區(qū)煤系致密砂巖氣的高效勘探開發(fā)。在前人研究成果基礎(chǔ)上，利用鉆井及分析化驗(yàn)資料，分析了研究區(qū)煤系烴源巖的分布及有機(jī)地球化學(xué)特征，剖析了排烴規(guī)律，以期準(zhǔn)確評價(jià)及預(yù)測烴源巖，進(jìn)而指導(dǎo)勘探開發(fā)工作。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

臨興地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東緣河?xùn)|煤田中部、山西省西部臨縣和興縣境內(nèi)，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(qū)塊構(gòu)成，構(gòu)造上位于鄂爾多斯盆地晉西撓褶帶，為北東—南西向單斜，構(gòu)造活動(dòng)微弱，斷裂較不發(fā)育。研究區(qū)出露一個(gè)NW—SE向展布的環(huán)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(dòng)和熱力作用最強(qiáng)烈時(shí)期，對鄂爾多斯盆地東緣多種能源礦產(chǎn)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(zhì)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?guī)r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(zhì)泥巖、煤層及灰色的砂巖、粉砂質(zhì)泥巖為主[15-16]。

2 煤系烴源巖評價(jià)

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(zhì)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?guī)r發(fā)育，且主要分布于研究區(qū)西南兔坂區(qū)塊，烴源巖厚度自西向東逐漸增厚，西南兔坂區(qū)塊由于發(fā)育多套灰?guī)r，其烴源巖厚度小于北部楊家坡區(qū)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(zhì)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(qū)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(fā)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(qū)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(fā)育，但分流間灣泥巖發(fā)育。

2.2 煤系烴源巖地球化學(xué)特征

有機(jī)質(zhì)豐度代表巖石中有機(jī)質(zhì)的相對含量，是烴源巖生烴潛力評價(jià)的有效指標(biāo)[16]。臨興地區(qū)太原組—山西組煤巖有機(jī)碳含量較高，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(WTOC)平均為65.89%，有機(jī)質(zhì)豐度好；炭質(zhì)泥巖和暗色泥巖WTOC稍差，平均值分別為5.63%和4.14%，有機(jī)質(zhì)豐度為中等—好。有機(jī)質(zhì)類型控制著生烴數(shù)量、生烴類型、成油(氣)門限值及成烴形態(tài)(油、凝析油或氣)，不同類型有機(jī)質(zhì)生氣潛力不同[17]。臨興地區(qū)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(fā)育，是以生氣為主的腐泥腐殖型—腐殖型(圖2)。根據(jù)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(zhì)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(zhì)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(zhì)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(fā)育Ⅱ1型干酪根。太原組暗色泥巖和炭質(zhì)泥巖發(fā)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(rèn)為，這種差異主要是由沉積環(huán)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(zhì)以海水為主，但已受到陸源碎屑注入的影響，這種環(huán)境通常發(fā)育菌藻類為主的生烴母質(zhì)，即Ⅱ1型和Ⅱ2型干酪根，同時(shí)發(fā)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(jī)質(zhì)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(gè)海退、陸源高等植物增多的沉積過程，這與該區(qū)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(huán)境控制了有機(jī)質(zhì)類型及分布。

圖1 臨興地區(qū)煤系烴源巖厚度等值線

圖2 熱解氫指數(shù)與最高熱解峰溫關(guān)系

有機(jī)質(zhì)成熟度決定烴源巖成烴轉(zhuǎn)化率。根據(jù)Tmax-Ro交會(huì)圖，太原組—山西組有機(jī)質(zhì)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(guī)律不明顯，F(xiàn)井在2 100.00 m附近出現(xiàn)了Ro高于2.000%的樣品點(diǎn)，J井在1 850.00 m附近也出現(xiàn)了Ro值大于3.000%的樣品點(diǎn)，這與該深度點(diǎn)實(shí)際的Ro值不相符。分析認(rèn)為，異常高的Ro是由巖漿活動(dòng)造成的。巖石薄片鑒定資料顯示，J井在1 846.96 m處發(fā)育凝灰?guī)r經(jīng)變質(zhì)結(jié)晶作用形成的變閃長玢巖；H井太原組地層發(fā)育蝕變晶屑凝灰?guī)r，可見后期石英巖脈穿插或充填裂隙中，這些均是研究區(qū)曾發(fā)生火山噴發(fā)活動(dòng)的重要證據(jù)。

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

圖3 有機(jī)質(zhì)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(shí)驗(yàn)法、化學(xué)動(dòng)力學(xué)法、物質(zhì)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(jià)烴源巖，在熱解數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)上，根據(jù)排烴門限理論[23]，采用生烴潛力法建立了臨興地區(qū)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(shí)達(dá)排烴速率高峰，為0.28 mg/(g·m)，埋深為2 100 m時(shí)排烴效率為60%；山西組烴源巖埋深為1 770 m時(shí)達(dá)到排烴速率高峰，為0.48 mg/(g·m)，埋深為1 950 m時(shí)排烴效率為48%。從排烴效率模擬結(jié)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(yōu)于山西組。

3.2 排烴強(qiáng)度及控藏作用

根據(jù)各目的層有機(jī)質(zhì)烴源巖的排烴模式，結(jié)合烴源巖的空間展布及烴源巖參數(shù)，可計(jì)算出各目的層的排烴強(qiáng)度，對排烴強(qiáng)度進(jìn)行面積積分便可計(jì)算出排烴量。以山西組為例，臨興地區(qū)晚侏羅世到早白堊世，受構(gòu)造熱事件的影響，烴源巖有機(jī)質(zhì)熱演化已進(jìn)入成熟—高成熟階段，處于生烴高峰期，區(qū)內(nèi)生氣強(qiáng)度普遍大于20×108m3/km2，具有“大面積廣覆式生烴”特點(diǎn)，總體呈現(xiàn)出西高東低、北高南低的特點(diǎn)，且臨興地區(qū)西南兔坂區(qū)塊的生氣強(qiáng)度優(yōu)于中部自營區(qū)塊(圖5a)。排烴強(qiáng)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—?dú)鈱雍穸茸晕飨驏|、從北向南減薄(圖5b)，生烴強(qiáng)度大的區(qū)域差氣層—?dú)鈱雍穸纫泊?，如研究區(qū)北部B井發(fā)育一套10 m以上的差氣層—?dú)鈱樱搮^(qū)也處于強(qiáng)生氣區(qū)，生氣強(qiáng)度大于40×108m3/km2；在西南兔坂區(qū)塊，差氣層及氣層總厚度大于8 m以上，其生氣強(qiáng)度為26×108m3/km2。對生烴強(qiáng)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(qū)上古生界致密砂巖氣藏的形成貢獻(xiàn)較大。

圖4 臨興地區(qū)太原組—山西組排烴模式

圖5 臨興地區(qū)山西組生烴強(qiáng)度及差氣層—?dú)鈱臃植?/p>

4 結(jié) 論

(1) 臨興地區(qū)上古生界煤系烴源巖主要為上石炭統(tǒng)太原組及下二疊統(tǒng)山西組煤巖、煤系暗色泥巖及炭質(zhì)泥巖，太原組為陸表海沉積，灰?guī)r發(fā)育，受灰?guī)r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(yuǎn)大于太原組，烴源巖總厚度由西向東逐漸減薄，。

(2) 研究區(qū)煤系烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度中等—好；有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅲ型，其次為Ⅱ2型，少量Ⅱ1型，Ⅱ1型僅發(fā)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??；受紫金山堿性雜巖體影響，有機(jī)質(zhì)成熟度較高，處于高成熟—過成熟生氣階段，Ro圍繞巖體呈環(huán)帶狀分布，離巖體越近，Ro值越大。

(3) 臨興地區(qū)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(yōu)于山西組，區(qū)內(nèi)生氣強(qiáng)度普遍大于20×108m3/km2，呈現(xiàn)西高東低、北高南低、“大面積廣覆式生烴”特點(diǎn)，排烴強(qiáng)度控制氣藏范圍，排烴強(qiáng)度大的區(qū)域氣層發(fā)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(xiàn)較大。

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