祁連山木里地區(qū)侏羅系窯街組烴源巖生烴潛力評(píng)價(jià)

徐久晟，文志剛，胡道功，張耀玲，戚幫申

(1.湖北省地震局，武漢430071;2.中國(guó)地震局地震研究所地震大地測(cè)量重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢430071;3.長(zhǎng)江大學(xué)地球環(huán)境與水資源學(xué)院，武漢430100;4.中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院地質(zhì)力學(xué)研究所，北京100081)

0 引言

祁連山木里地區(qū)是中國(guó)陸域凍土區(qū)天然氣水合物發(fā)現(xiàn)地，自2008年首次發(fā)現(xiàn)天然氣水合物以來，先后有多個(gè)鉆孔鉆獲天然氣水合物實(shí)物樣品或發(fā)現(xiàn)天然氣水合物異常顯示，并在鉆獲天然氣水合物實(shí)物樣品的木里地區(qū)開展了地質(zhì)、地球物理、地球化學(xué)、遙感和綜合測(cè)井等工作，系統(tǒng)分析了水合物的氣體來源［1～5］、形成水合物的溫壓條件［3］、氣體運(yùn)移和水合物的賦存狀況等［4］，為祁連山天然氣水合物的研究積累了寶貴的資料。

目前雖然對(duì)祁連山天然氣水合物的控礦因素開展了多學(xué)科的綜合研究，但對(duì)氣體來源尚未取得共識(shí)，主要觀點(diǎn)有:天然氣水合物的形成與煤或煤系有關(guān)，煤層氣是其主要來源［1～2］、或者認(rèn)為天然氣水合物的氣體與原油裂解氣和原油伴生氣有關(guān)，與煤型氣關(guān)系不大［5］、天然氣水合物氣體以煤層氣為主，不排除深部遷移上來的熱解氣［3～4］。筆者在祁連山凍土區(qū)天然氣水合物控礦因素研究過程中，對(duì)南祁連盆地發(fā)育的晚古生代—中生代烴源巖進(jìn)行了系統(tǒng)的野外調(diào)查和地球化學(xué)分析，對(duì)天然氣水合物氣體來源取得了新認(rèn)識(shí)。本文對(duì)已鉆獲天然氣水合物的木里地區(qū)侏羅系窯街組烴源巖地球化學(xué)特征進(jìn)行探討，為天然氣水合物氣體來源的認(rèn)識(shí)提供依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

祁連山地處青藏高原東北部，其大地構(gòu)造單元包括由中祁連北緣斷裂和疏勒南山—拉雞山斷裂所分隔的北祁連縫合帶、中祁連陸塊和南祁連陸塊［6］。該區(qū)志留紀(jì)晚期加里東運(yùn)動(dòng)使古洋盆封閉并開始隆升剝蝕，晚古生代下降接受沉積，形成南祁連晚古生代-中生代上疊盆地，先后形成了石炭系暗色泥 (灰)巖、下二疊統(tǒng)草地溝組暗色灰?guī)r、上三登統(tǒng)尕勒得寺組暗色泥巖、侏羅系暗色泥頁巖等4套套烴源巖系［7］。

侏羅系窯街組為青海省主要含煤建造，主要分布于中祁連陸塊木里坳陷，如聚乎更、江倉、冬庫和弧山等煤礦 (見圖1)。中—下侏羅統(tǒng)窯街組由暗色泥巖、灰—灰黑色頁巖夾油頁巖、煤層和底部石英質(zhì)礫巖等組成，厚692～856 m。地表窯街組剖面測(cè)量和煤炭鉆孔統(tǒng)計(jì)結(jié)果［8～9］表明，木里聚乎更礦區(qū)窯街組暗色泥巖和煤層厚約153 m，其中煤層厚度30 m，而暗色泥巖厚度為122 m左右;江倉礦區(qū)煤層厚度50～60 m，暗色泥巖厚度為80 m;冬庫煤礦窯街組缺失，中—下侏羅統(tǒng)大西溝組厚102 m，其中煤層厚度6 m，而暗色泥巖厚度為22 m。本次所采集的133個(gè)煤樣和暗色泥巖樣品分布于聚乎更礦區(qū)一露天、二露天、三露天、四井田及冬庫煤礦、弧山煤礦與江倉煤礦。

圖1 祁連山木里坳陷侏羅系窯街組烴源巖分布圖Fig.1 Distribution of source rocks of the Jurassic Yaojie formation in Muri depression of Qilian Mountain

2 烴源巖評(píng)價(jià)

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)通常采用總有機(jī)碳 (TOC)、生烴潛量 (S1+S2)、氫指數(shù)(IH)、氯仿瀝青“A”和總烴等指標(biāo)。

木里坳陷窯街組12個(gè)煤系泥巖巖石熱解分析結(jié)果表明，煤系泥巖有機(jī)碳含量為1.28%～5.89%，平均值3.22%。生烴潛量分布范圍為 1.23～12.27 mg/g，平均值為 5.18 mg/g(見表1)，按照陳建平等［10］的煤系泥巖和煤的有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)判斷。窯街組煤系泥巖有機(jī)碳含量和生烴潛量基本達(dá)到好的烴源巖標(biāo)準(zhǔn)，少量樣品生烴潛力較低，整體評(píng)價(jià)為好烴源巖 (見圖2)。

121個(gè)煤樣分布于聚乎更礦區(qū)一露天、二露天、三露天、四井田、冬庫煤礦、弧山煤礦和江倉煤礦，樣品采集過程中對(duì)一些厚層煤層每隔1 m取一個(gè)煤樣。121件煤樣的熱解數(shù)據(jù)顯示，氫指數(shù)分布范圍為24～382 mg/g，平均值為191 mg/g;生烴潛量分布范圍為9.14～187.43 mg/g，平均值為94.93 mg/g(見表1)。按煤氫指數(shù)和生烴潛量判斷，屬于非—中等烴源巖，主要處于差等烴源巖范圍內(nèi) (見圖3)。

表1 窯街組烴源巖參數(shù)統(tǒng)計(jì)Table 1 Parametric statistics of source rocks in Jurassic Yaojie Formation

圖2 窯街組煤系泥巖有機(jī)碳含量與生烴潛量關(guān)系Fig.2 Relationship between organic carbon content and hydrocarbon-generating potential of the mudstone of the Jurassic Yaojie coal-bearing formation

圖3 窯街組煤氫指數(shù)與生烴潛量關(guān)系Fig.3 Relationship between hydrogen index and hydrocarbon-generating potential of the coal of the Jurassic Yaojie Formation

2.2 有機(jī)質(zhì)類型

2.2.1 巖石熱解

窯街組煤系泥巖巖石熱解峰溫 (Tmax)均介于447～462℃之間，氫指數(shù) (IH)為149 mg/g左右，降解率 (D)13.41%左右 (見表1)。在Tmax-IH關(guān)系圖 (見圖4)和Tmax-D關(guān)系圖 (見圖5)上，窯街組煤系泥巖樣品基本落在Ⅱ型區(qū)域內(nèi)，并以Ⅱ1型為主，說明有機(jī)質(zhì)類型較好，以生油為主，生氣為輔。

圖4 窯街組煤系泥巖T max-I H關(guān)系Fig.4 Relationship of T max-I H of coal-bearing mudstone in Yaojie Formation

圖5 窯街組煤系泥巖T max-D關(guān)系Fig.5 Relationship of T max-D of coal-bearing mudstone in Yaojie Formation

2.2.2 煤全巖顯微組分

顯微組分的組成直接反映了烴源巖有機(jī)質(zhì)的生源構(gòu)成，其相對(duì)組成基本反映了烴源巖有機(jī)質(zhì)類型［11］。大多數(shù)學(xué)者都以殼質(zhì)組分不低于15%或富氫組分不低于10%作為形成工業(yè)煤成油藏的下限［12～14］。研究結(jié)果［15］顯示，基質(zhì)鏡質(zhì)體是一種富氫組分，具有生液態(tài)烴的能力。根據(jù)野外樣品采集地點(diǎn)，從121件煤樣中挑選一部分屬于同一層位的相鄰煤樣混合均勻組成13件混合樣，另外挑選其它層位15件樣品共計(jì)28個(gè)進(jìn)行全巖顯微組分鑒定。窯街組煤的顯微組分主要以鏡質(zhì)體為主，達(dá)到了87.9%左右，且鏡質(zhì)體中基質(zhì)鏡質(zhì)體 (富氫組分)占絕大多數(shù)，分布于21.43% ～71.97%之間，平均值為51.51%(見表2)。

表2 侏羅系窯街組煤顯微組分組成Table 2 Coal macerals in the Jurassic Yaojie Formation

根據(jù)公式Ti=e+0.5f-0.75g-h(e，f，g，h分別為腐泥組、殼質(zhì)組、鏡質(zhì)組及惰質(zhì)組的相對(duì)百分含量)，計(jì)算得出類型指數(shù) (Ti)介于-79.21～-59.65之間，按照陳麗華［16］的干酪根鏡檢分類表判斷，窯街組煤為Ⅲ型干酪根。

2.2.3 干酪根碳同位素

有機(jī)質(zhì)的穩(wěn)定碳同位素組成對(duì)母源有較強(qiáng)的繼承性，因此干酪根的碳同位素可以反映烴源巖有機(jī)質(zhì)類型。有機(jī)質(zhì)類型好，其碳同位素輕;反之則碳同位素值重。根據(jù)巖樣在區(qū)域上的分布特征，從樣品中選取10個(gè)煤樣進(jìn)行干酪根碳同位素測(cè)定 (見表3)。陳麗華［16］根據(jù)干酪根δ13C劃分有機(jī)質(zhì)類型:δ13C值小于-28‰為Ⅰ型，介于-28‰～-26.5‰之間為Ⅱ1型，介于-26.5‰～-25‰為Ⅱ2型，大于-25‰為Ⅲ型。從表3可以看出，10件煤樣中僅有1個(gè)樣品的干酪根δ13C值介于-26.5‰與-25‰之間，為Ⅱ2型，其余9個(gè)樣品的δ13C值均大于-25‰，為Ⅲ型，故整體評(píng)價(jià)為Ⅲ型，與全巖顯微組分鑒定得出的結(jié)果一致。

表3 窯街組煤干酪根碳同位素Table 3 Theδ13 C analysis of kerogen in the coal of Yaojie Formation

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

從所采集烴源巖樣品中選取1件煤系泥巖樣品和28件巖樣進(jìn)行鏡質(zhì)體反射率 (Ro)的測(cè)定，結(jié)果表明，窯街組煤系泥巖鏡質(zhì)體反射率為0.83%，煤的鏡質(zhì)體反射率介于0.48%～2.51%之間，平均值為1.06%(見表1)。根據(jù)陳麗華［16］鏡質(zhì)體反射率劃分標(biāo)準(zhǔn)，窯街組泥巖和煤均達(dá)到成熟階段 (見圖6)。

133件烴源巖樣品巖石熱解分析數(shù)據(jù) (見表1)顯示，12件煤系泥巖的Tmax值分布于447～462℃之間，平均值453℃，121件煤的Tmax值分布于424～531℃，平均值455℃。按照陳麗華［16］的生油巖Tmax劃分成熟度標(biāo)準(zhǔn)分析，窯街組12件煤系泥巖均達(dá)到成熟階段，82件煤處于成熟階段。整體評(píng)價(jià)窯街組煤系泥巖和煤均處于成熟階段 (見圖7)，與鏡質(zhì)體反射率分析結(jié)果基本一致。

圖6 窯街組烴源巖R o分布Fig.6 Distribution of R o of source rocks in Yaojie Formation

圖7 窯街組烴源巖T max分布Fig.7 Distribution of T max of source rocks in Yaojie Formation

3 討論與結(jié)論

祁連山木里坳陷侏羅系窯街組煤系泥巖和煤有機(jī)質(zhì)豐度、類型和成熟度分析結(jié)果表明，窯街組煤系泥巖有機(jī)質(zhì)豐度達(dá)到好的烴源巖級(jí)別，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1型為主，已達(dá)到成熟階段，具有較強(qiáng)的生油和生氣潛力，為祁連山天然氣水合物的重要?dú)庠磶r;窯街組煤有機(jī)質(zhì)豐度為差等，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型，但富含基質(zhì)鏡質(zhì)體，達(dá)到成熟階段，生油氣潛力有限。

祁連山凍土區(qū)烴源巖生烴潛力評(píng)價(jià)結(jié)果［17］表明，廣泛分布于中祁連和南祁連北部的晚三疊世尕勒得寺組泥質(zhì)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ-Ⅲ型腐殖型有機(jī)質(zhì)為主，熱演化階段達(dá)到成熟—高成熟，具有很強(qiáng)的生烴潛力，為區(qū)域上天然氣水合物的主要?dú)庠磶r。地質(zhì)調(diào)查顯示，尕勒得寺組暗色泥 (頁)巖和煤在木里地區(qū)平均厚度約201 m［8］，因此可以認(rèn)為，上三疊統(tǒng)尕勒得寺組湖相泥巖和窯街組煤系泥巖為祁連山天然氣水合物的主要?dú)庠磶r。

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