鄂爾多斯北部杭錦旗探區(qū)上古生界烴源巖評價

薛 會 張金川 徐 波 王 毅 毛小平

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;2.中國地質(zhì)大學(xué)能源學(xué)院,北京 100083)

上古生界發(fā)育的煤系地層是鄂爾多斯盆地上古生界氣藏的主力烴源巖已經(jīng)是不爭的事實。戴金星(2005)指出下古碳酸鹽巖中的天然氣也主要來自上古生界的煤系地層[1],進一步肯定了鄂爾多斯盆地上古生界烴源巖的作用。對于杭錦旗探區(qū)而言,上古生界烴源巖生烴能力及油氣來源研究一直比較薄弱,僅有張福禮(1985)[2]、費琪(2005)[3]等少數(shù)學(xué)者有針對性地對杭錦旗探區(qū)上古生界烴源巖展開過研究?？赡苁芸碧匠潭?、資料或其他因素影響,在開展鄂爾多斯盆地北部上古生界烴源巖研究時,大部分學(xué)者著重于杭錦旗南邊的烏審旗生烴中心[4～9],對于杭錦旗探區(qū)上古生界烴源巖涉及較少,認為杭錦旗探區(qū)上古生界油氣主要來自研究區(qū)南側(cè)烏審旗生烴中心。然而杭錦旗探區(qū)上古生界烴源巖生烴能力究竟如何,能否滿足該區(qū)油氣聚集,目前尚無定論。烴源巖問題的模糊不清已經(jīng)嚴重影響了該區(qū)上古生界天然氣成藏類型與分布規(guī)律研究,阻礙了上古生界天然氣勘探的前進步伐。因此,開展烴源巖評價研究已經(jīng)成為該區(qū)亟待解決的首要問題。

1 區(qū)域概況

杭錦旗探區(qū)(杭錦旗區(qū)塊和杭南區(qū)塊)位于鄂爾多斯盆地北部,橫跨伊盟隆起和伊陜斜坡兩大一級構(gòu)造單元,總面積為9 825 km2。根據(jù)基底頂面起伏、蓋層發(fā)育情況以及構(gòu)造形態(tài)特征,又可劃分為烏蘭格爾凸起、公卡漢凸起、杭錦旗斷階、伊陜斜坡及天環(huán)向斜一角共五個次一級構(gòu)造單元(圖1)。在地形特征上,杭錦旗探區(qū)是鄂爾多斯盆地北部地區(qū)長期繼承性古隆起,一直被認為是油氣運移的有利指向區(qū)[7,8]。區(qū)內(nèi)主要發(fā)育了三眼井、泊爾江海子兩條斷裂,分別位于研究區(qū)的西部、東部。前者為一條長約150 km的東西走向南傾正斷層,具有基底斷裂的特點;后者為一南凸弧形斷面北傾長約180 km的逆斷層,地震剖面顯示該斷層自北向南逆沖,具有兩期活動特征,早期在早海西或更早,晚期為燕山期,是研究區(qū)內(nèi)一條重要的斷裂,控制著區(qū)內(nèi)主要圈閉形成與地層沉積。

圖1 杭錦旗探區(qū)位置及構(gòu)造單元劃分圖Fig.1 Structural unit division and location of the Hangjinqi block

晚古生代沉積前,杭錦旗探區(qū)一直處于長期隆起狀態(tài),屬于基巖隆起區(qū),基底主要由太古界至元古界混合變質(zhì)巖系組成。至晚石炭世接受沉積以來,上古生界以不同層位由南向北超覆于太古-元古界基底之上,先后沉積了石炭系太原組、二疊系山西組、上石盒子組、下石盒子組及石千峰組,其中太原組和山西組主要發(fā)育煤層、泥巖及暗色泥巖,石盒子組和石千峰組以發(fā)育砂巖為主。

2 烴源巖展布

杭錦旗探區(qū)上古生界主要發(fā)育了兩套烴源巖,石炭系太原組和二疊系山西組煤系地層,巖性主要為煤層、暗色泥巖及炭質(zhì)泥巖,已被鉆井和野外露頭所證實。根據(jù)多口探井及地震資料揭示,研究區(qū)上古生界烴源巖分布具有從南東向北西逐漸減薄趨勢,東南部上古生界煤層和暗色泥巖總厚30～60 m,西北部源巖厚度一般在20 m左右,其中浩繞召附近缺失山西組-太原組烴源巖。煤層展布與烴源巖厚度變化趨勢一致,煤層厚度約占整個烴源巖厚度的30%。太原組烴源巖主要分布在研究區(qū)的東南部,為一套海陸交互相的濱淺海和潮坪環(huán)境的沉積產(chǎn)物,巖性主要為煤層、暗色泥巖及炭質(zhì)泥巖。具體范圍受太原組尖滅線控制,主要分布在盟1井-伊22井-伊8井一線以南,由南向北烴源巖厚度逐漸變薄,最大厚度約30 m。煤層最大厚度約10 m,在錦10井附近較薄,厚度一般小于5 m。山西組烴源巖主要為一套陸相的扇三角洲沉積,巖性與太原組一致,厚度相當,但山西組烴源巖分布范圍更廣,除了浩繞召、錦 3井、錦4井外,研究區(qū)內(nèi)皆有分布。烴源巖厚度具有由南向北逐漸減薄的趨勢,厚度在10～40 m之間。煤層最大厚度約15 m,主要集中在杭南區(qū)塊內(nèi)。

3 烴源巖地球化學(xué)特征

表1統(tǒng)計結(jié)果表明,早期研究以找油為目的,分析化驗樣品主要以泥巖為主,地球化學(xué)指數(shù)整體偏低。泥巖有機碳的質(zhì)量分數(shù)主要分布0.5%～2%之間,個別泥巖有機碳的質(zhì)量分數(shù)達3.09%;部分炭質(zhì)泥巖有機碳的質(zhì)量分數(shù)較高,達到8.58%,最高達30%～40%;樣品中可能夾有煤線。氯仿瀝青“A”的質(zhì)量分數(shù)為 0.007%～0.141%,總烴的質(zhì)量分數(shù)一般大于10×10-6;炭質(zhì)泥巖的質(zhì)量分數(shù)相對較高,一般達到 100×10-6以上。早期檢測的伊26井煤層地球化學(xué)指數(shù)較高,生油潛量為141.895‰,泥巖生烴潛量一般在1‰～4‰之間,殘留烴+裂解烴為0.08‰～7.2‰：顯示煤層較好的生烴潛力。

在充分認識研究區(qū)煤系地層特征基礎(chǔ)上,本次樣品主要以選取煤層為主,炭質(zhì)泥巖和暗色泥巖為輔?；灲Y(jié)果(表1)表明本區(qū)煤層有機碳的質(zhì)量分數(shù)較高,最大值達77.27%,平均值為61.32%;炭質(zhì)泥巖的質(zhì)量分數(shù)次之,暗色泥巖的質(zhì)量分數(shù)最低(0.35%～2.39%)。不同巖性的殘留烴+裂解烴變化與有機碳的質(zhì)量分數(shù)變化一致,煤層的殘留烴+裂解烴的質(zhì)量分數(shù)依次高于炭質(zhì)泥巖、暗色泥巖。對比前人分析結(jié)果,本次測試結(jié)果更佳,達到中-好烴源巖標準。

表1 杭錦旗探區(qū)上古生界有機質(zhì)地球化學(xué)指標Table 1 Statistics of organic geochemical indexes of Upper Paleozoic of the Hangjinqi block

山西組、太原組烴源巖飽和烴的質(zhì)量分數(shù)一般小于10%,芳香烴的質(zhì)量分數(shù)明顯高于飽和烴,飽和烴/芳香烴值一般小于0.5,非烴+瀝青質(zhì)一般超過50%。干酪根H/C為0.54～0.59。這些特征都反映了有機質(zhì)類型應(yīng)該屬于腐殖型,干酪根類型為Ⅲ型,以生氣為主。

普遍認為鄂爾多斯盆地北部地區(qū)上古生界有機質(zhì)成熟度分布范圍在0.6%～2.0%之間,杭錦旗探區(qū)上古生界有機質(zhì)成熟分布范圍在0.6%～1.3%[5,6,9]。但是,最近也有觀點認為杭錦旗探區(qū)上古生界有機質(zhì)成熟度分布在1.2%～2.0%[3]。針對目前存在的爭議,本次研究主要對最近探井進行跟蹤采樣分析。通過對研究區(qū)石炭-二疊系10塊樣品進行鏡質(zhì)組反射率測定,Ro值的分布范圍在0.8%～1.3%,與前人觀點基本吻合。由南向北,研究區(qū)上古生界Ro值逐漸增高(圖2),杭錦旗斷階錦11井附近值最低,杭南地區(qū)錦8-錦10井一帶值最高,已經(jīng)進入成熟階段。

4 烴源巖生烴能力及評價

衡量煤系烴源巖生烴能力好壞一直沒有一個統(tǒng)一的標準。劉德漢(1987)據(jù)鏡質(zhì)組反射率、氯仿瀝青“A”、生烴潛量及H/C原子比四個指標將煤系烴源巖劃分為非常好、比較好和比較差三個等級[10,11],陳建平(1997)從氫指數(shù)、生烴潛量、氯仿瀝青“A”和總烴四個指標將煤系烴源巖生烴能力劃分為非烴源巖、差烴源巖、中等烴源巖以及好烴源巖四個等級[12]。從兩者的評價標準來看,后者的生烴下限標準略有提高,并且還明確提出有機碳的質(zhì)量分數(shù)不宜作為評價煤和碳質(zhì)泥巖的指標,用生烴潛量或氫指數(shù)來評價更為有效。由于他們的研究主要以生油為標準,而對于煤系生氣型源巖而言,指標標準可能更低。根據(jù)兩位學(xué)者的研究,本文主要采用生烴潛量這一指標作為杭錦旗探區(qū)上古生界煤系烴源巖生烴能力評價依據(jù)。

圖2 杭錦旗探區(qū)上古生界現(xiàn)今Ro等值線圖Fig.2 Contour diagram of present degree of organic metamorphism in Upper Paleozoic of the Hangjinqi block

4.1 生烴潛力

熱解實驗結(jié)果表明(表1),煤的生烴潛力遠大于泥巖,錦 8、錦9、錦 10井煤層生烴潛量普遍大于150‰,而泥巖樣品生烴潛量范圍在0.08‰～4.56‰,普遍小于1.0‰,炭質(zhì)泥巖樣品生烴潛量稍大于泥巖。根據(jù)劉德漢(1987)提出的煤成烴源巖劃分標準(Ro處于0.6%～1.3%之間,生烴潛量大于150‰,屬于非常好生油巖[10])和陳克明(1994)提出的吐哈盆地煤系泥巖評價標準(生烴潛量在0.5‰～2.0‰之間,煤系泥巖屬于差生油巖[13,14]),杭錦旗探區(qū)上古生界煤層屬于非常好的烴源巖,泥巖則屬于差烴源巖。因此,煤層應(yīng)為研究區(qū)最主要的氣源巖。

4.2 生烴模擬

4.2.1 生烴強度

TSM盆地模擬結(jié)果顯示,上古生界生烴強度從南向北呈半環(huán)狀減弱。研究區(qū)正南側(cè)地區(qū)最大生烴強度達2.5×106t/km2;至太原組烴源巖尖滅線附近,烴源巖總生烴強度減至(0.6～1.0)×106t/km2(圖3)。從數(shù)值上看,杭錦旗探區(qū)烴源巖以生氣為主導(dǎo),生氣強度為(0.1～1.3)×109m3/km2,總生氣強度和生油強度等值線在形態(tài)上與總生烴強度十分相似,但后者明顯小于前者(圖4、圖5)。根據(jù)戴金星(1992)提出的工業(yè)油氣流盆地的最大生烴強度(1.0×106t/km2)下限標準[15],具備為研究區(qū)天然氣成藏提供物質(zhì)基礎(chǔ)條件。

4.2.2 生烴量模擬

本次研究運用TSM軟件模擬計算了杭錦旗探區(qū)不同時期的生烴量、生氣量、生油量。杭錦旗探區(qū)生烴量合計3.4054×109t油當量。其中太原組1.187×109t,占總生烴量的34.86%;山西組2.216×109t,占總生烴量的 65.07%;下石盒子組源巖生烴量為0.0017×109t,僅占杭錦旗探區(qū)總生烴量的0.05%：明顯不具備生烴能力。

從生烴過程上看,早二疊世末累積生烴量為0.038×109t,中侏羅世末 1.182×109t,侏羅紀末1.484×109t,早白堊世末2.868×109t。整個研究區(qū)內(nèi)源巖從侏羅紀末進入大規(guī)模生烴,生烴高峰為早白堊世。

對比山西組、太原組不同時期生氣量和生油量,杭錦旗探區(qū)總生氣量為2.608×1012m3,占總生烴量的76.58%;總生油量為0.797 3×109t,占總生烴量的23.41%。山西組和太原組總生氣量分別為1.705 88×1012m3和0.901 38×1012m3,分別占總生氣量的65.4%和34.6%;山西組和太原組總生油量分別為 0.501 53×109t和0.286 3×109t,分別占總生油量的 64.02%和35.87%。

圖3 杭錦旗探區(qū)總生烴強度等值線圖Fig.3 Contour diagram of the total hydrocarbon-generating intensity of the Hangjinqi block

圖4 杭錦旗探區(qū)總生氣強度等值線圖Fig.4 Contour diagram of the total gas-generating intensity of the Hangjinqi block

圖5 杭錦旗探區(qū)總生油強度等值線圖Fig.5 Contour diagram of the total oil-generating intensity of the Hangjinqi block

不同層位生油、生氣量模擬結(jié)果揭示,山西組烴源巖的生油氣量大于太原組。盡管太原組烴源巖生烴強度普遍大于山西組;但由于山西組源巖在空間展布上優(yōu)于太原組源巖,具有厚度大、面積廣的優(yōu)勢,總生烴量大于太原組,是研究區(qū)主力烴源巖層系。

4.2.3 熱演化史

研究區(qū)地處鄂爾多斯盆地北部伊盟隆起,并長期處于隆起狀態(tài),烴源巖演化與盆地內(nèi)部也有所區(qū)別(圖6)。

圖6 杭錦旗探區(qū)上古生界烴源巖演化史圖Fig.6 Map showing the evolution hydrocarbon source rocks of Upper Paleozoic in the Hangjinqi block

晚古生代至三疊紀晚期,研究區(qū)基本為一持續(xù)、穩(wěn)定的沉降過程。在此期間,該區(qū)整體上以統(tǒng)一的廣覆型面貌出現(xiàn),前期的隆凹型格局差異逐漸消失,但仍保持前期構(gòu)造格局,北部隆起區(qū)也整體下沉接受沉積,上古生界烴源巖熱演化程度穩(wěn)步增加。此時,太原組Ro普遍小于0.4%,有機質(zhì)尚未成熟。此后的印支運動對杭錦旗探區(qū)地層有一定程度的抬升作用,但持續(xù)時間較短,抬升幅度不大,對烴源巖演化進程影響不大。

受早燕山運動的影響,鄂爾多斯盆地北部地區(qū)在中侏羅世末結(jié)束了整體升降的構(gòu)造演化,開始了不均衡的發(fā)育,區(qū)域構(gòu)造形態(tài)開始發(fā)生改變,但整體上繼承著南高北低的特征。此時,上古生界烴源巖開始成熟,Ro普遍達到0.6%～0.7%。

早白堊世,研究區(qū)經(jīng)歷了強度最大的晚燕山構(gòu)造運動,地層發(fā)生倒轉(zhuǎn),形成現(xiàn)今東高西低、由南西向北東方向延伸的單斜構(gòu)造,烴源巖處于最大埋深,有機質(zhì)完全成熟,Ro普遍在1.0%左右,烴源巖達到生氣高峰。早白堊世末以來,研究區(qū)又經(jīng)歷了構(gòu)造抬升事件,但幅度不大,對有機質(zhì)演化無較大影響。

4.3 烴源巖有效性分析

4.3.1 天然氣組分中甲烷的質(zhì)量分數(shù)變化

根據(jù)天然氣“色層效應(yīng)”運移理論,天然氣運移距離越遠,其氣體組分中甲烷所占的比例應(yīng)越大。如果研究區(qū)上古生界天然氣主要來自南側(cè)烏審旗生氣中心,由于距離的關(guān)系,上古生界天然氣甲烷含量應(yīng)高于烏審旗地區(qū)。根據(jù)對研究區(qū)及烏審旗附近上古生界天然氣甲烷的質(zhì)量分數(shù)統(tǒng)計(表2),杭錦旗探區(qū)上古生界天然氣的甲烷的質(zhì)量分數(shù)并沒有發(fā)生相應(yīng)的變化,尤其是烴源巖層系(山西組)甲烷的質(zhì)量分數(shù)反而降低,明顯低于烏審旗地區(qū)及附近。因此,研究區(qū)上古生界天然氣可能并不是來自烏審旗生氣中心,而是以自身為主。

表2 鄂爾多斯盆地北部不同地區(qū)甲烷的質(zhì)量分數(shù)與甲烷化系數(shù)統(tǒng)計Table 2 Statistics of mass fraction of methane and methane coefficient in different regions of the northern Ordos Basin

甲烷化系數(shù)是一項常用的地球化學(xué)參數(shù),不僅能夠反映天然氣烴類組分的組成特征,還能作為判別天然氣運移方向的有效指標[4]。根據(jù)統(tǒng)計結(jié)果,甲烷化系數(shù)與甲烷的質(zhì)量分數(shù)變化比較一致;同層比較,杭錦旗探區(qū)一般要小于南部諸地區(qū)：進一步明確了杭錦旗探區(qū)上古生界天然氣主要來自自身烴源巖這一事實。

4.3.2 天然氣側(cè)向運移距離

若研究區(qū)內(nèi)的天然氣成藏是來自南側(cè)烏審旗生氣中心,則天然氣要在整個鄂爾多斯北部地區(qū)地層傾角小、儲層低孔低滲、構(gòu)造活動不發(fā)育的地質(zhì)背景下,經(jīng)過數(shù)十千米的運移,進入北部地區(qū)聚集成藏。能否發(fā)生這樣的長距離運移,筆者持懷疑態(tài)度。

鄂爾多斯盆地內(nèi)地層傾角小(僅為5°～7°),斷裂不發(fā)育,因而盆地內(nèi)油氣運移主要以砂體為輸導(dǎo)層;而事實上砂體對天然氣的運移能力相當有限。統(tǒng)計表明,在所有大中型氣田中鄂爾多斯盆地的源圈距是最小的,不足百米,其他地區(qū)最大也不足千米[16]。需要特別指出的是,統(tǒng)計的鄂爾多斯盆地內(nèi)的氣田均處于生氣中心范圍內(nèi),源巖厚度大,生烴能力強,在生烴膨脹力的作用下,天然氣運移初始動力強。在此強動力的條件下,天然氣運移尚且不足百米,那么天然氣運移至距生氣中心邊緣數(shù)十千米外的杭錦旗探區(qū)聚集成藏的可能性更小。

4.3.3 其他證據(jù)

除上述兩種方法表明研究區(qū)烴源巖原地性特征外,前人還利用熱解模擬氣組分與本區(qū)上古生界天然氣組分進行氣-氣對比研究,結(jié)果表明研究區(qū)上古生界煤系地層是天然氣的主要氣源巖[17]。馬新華等(2005)指出鄂爾多斯上古生界烴源巖從單一的烏審旗生氣中心生氣模式發(fā)展為全區(qū)大面積生烴模式[18],表明了人們對于鄂爾多斯盆地上古生界烴源巖認識的提高,進一步反映了研究區(qū)上古生界烴源巖的原地性特征。

綜上所述,研究區(qū)自身上古生界煤系烴源巖是天然氣成藏的主要來源。研究結(jié)論與前人研究有所區(qū)別,尤其是研究區(qū)自身烴源巖原地性特征,可能帶來對本區(qū)上古生界天然氣成藏類型、成藏模式及分布規(guī)律的不同認識。

5 結(jié)論與認識

a.杭錦旗探區(qū)上古生界發(fā)育石炭系、二疊系兩套煤系烴源巖,巖性以煤層、暗色泥巖及炭質(zhì)泥巖為主,烴源巖厚度由南至北逐漸減薄,最厚達到60 m,其中煤層厚度最大約25 m。煤層有機碳的質(zhì)量分數(shù)高,有機質(zhì)類型好,以Ⅲ型干酪根為主,屬于生氣型源巖,有機質(zhì)成熟度較高,已經(jīng)進入生氣高峰階段。

b.熱解實驗分析和生烴模擬結(jié)果表明,煤層生烴潛量最大,遠大于泥巖和炭質(zhì)泥巖。根據(jù)煤系烴源巖評價標準,煤層是研究區(qū)最好的氣源巖,泥巖為差烴源巖。烴源巖生烴強度為(0.1～1.3)×109m3/km2,具備為研究區(qū)天然氣藏提供物質(zhì)基礎(chǔ)的條件。

c.研究區(qū)總生氣量為2.608×1012m3;山西組和太原組總生氣量分別為1.705 88×1012m3和0.901 38×1012m3,分別占總生氣量的65.4%和34.6%。山西組總生烴量大于太原組,是研究區(qū)主要的烴源巖層系。從生烴演化來看,烴源巖從侏羅紀末進入大規(guī)模生烴,生烴高峰為早白堊世。

d.烴源巖地球化學(xué)特征、熱解實驗分析和生烴模擬結(jié)果研究表明,杭錦旗探區(qū)石炭二疊系煤層是該區(qū)上古生界天然氣聚集成藏的主要氣源巖,天然氣組分中甲烷的質(zhì)量分數(shù)變化、天然氣側(cè)向運移距離等證據(jù)進一步佐證了上述觀點,突出了杭錦旗探區(qū)上古生界烴源巖的原地性特征。

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