木里盆地中侏羅統(tǒng)烴源巖生烴潛力評價

孟元林， 　宋麗環(huán)，　周新桂，　孟凡晉，　吳晨亮，　肖麗華

(1.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100029； 3.School of Geosciences, University of Houston， Houston TX 77204-2024)

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木里盆地中侏羅統(tǒng)烴源巖生烴潛力評價

孟元林1， 宋麗環(huán)1，周新桂2，孟凡晉3，吳晨亮3，肖麗華1

(1.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院， 黑龍江 大慶 163318； 2.中國地質(zhì)調(diào)查局油氣資源調(diào)查中心，北京 100029； 3.School of Geosciences, University of Houston， Houston TX 77204-2024)

為勘探木里盆地常規(guī)油氣和非常規(guī)油氣，在柴達爾剖面采集了泥巖、高碳泥巖和煤共65塊樣品，進行有機質(zhì)豐度、類型和成熟度測試。結(jié)果表明：煤系泥巖的有機質(zhì)豐度較低，屬于中等偏差的烴源巖；高碳泥巖的有機質(zhì)豐度達到了中等偏好的等級；煤的有機質(zhì)豐度較高，屬于好的煤成烴源巖。泥巖和高碳泥巖的有機質(zhì)類型主要為Ⅲ1型，煤為Ⅲ1-Ⅲ2型，有良好的生油氣能力。烴源巖的鏡質(zhì)組反射率介于0.63%～1.58%之間，處于低熟-高成熟的階段，可大量生烴。木里盆地中侏羅統(tǒng)烴源巖的生油強度為1 181.88 kg/m2，生氣強度為3 181.17 m3/m2，具有較高的生油氣潛力。

烴源巖； 生烴潛力； 中侏羅統(tǒng)； 木里盆地

0　引　言

天然氣水合物是一種非常規(guī)油氣資源，廣泛分布于永久凍土帶和陸緣外圍的海底沉積物中[1]，全球的天然氣水合物資源量在2.8×1015～8×1018m3之間。近年來，天然氣水合物勘探開發(fā)已成為國內(nèi)外非常規(guī)油氣勘探開發(fā)研究的熱點之一[2-7]。2008年，在青海省木里盆地聚乎更礦區(qū)DK-1井鉆探的過程中，發(fā)現(xiàn)了天然氣水合物。這一發(fā)現(xiàn)證明木里盆地具有適合天然氣水合物聚集的地質(zhì)條件[8-11]。2014年，國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局在木里盆地天然氣水合物的鉆探過程中，還意外發(fā)現(xiàn)了工業(yè)氣流。氣源對比的結(jié)果表明，木里盆地天然氣水合物氣源來自侏羅系煤系地層[10]。然而，木里盆地的常規(guī)油氣勘探和非常規(guī)油氣勘探剛剛拉開序幕，學(xué)者們對這一盆地中侏羅統(tǒng)烴源巖的生烴潛力和含油氣遠景均知之甚少。因此，筆者測量木里盆地的柴達爾剖面，系統(tǒng)地采集侏羅系的烴源巖樣品，進行有機地球化學(xué)測試，試圖為木里盆地常規(guī)油氣和非常規(guī)油氣的勘探提供科學(xué)依據(jù)。

1　區(qū)域地質(zhì)概況與烴源巖巖性特征

1.1區(qū)域地質(zhì)概況

木里盆地是位于青海省東部的一個中生代盆地，呈北西西—南東東走向，海拔高程在4 100～4 300 m之間，面積約2 100 km2。在木里盆地，自下而上依次發(fā)育上三疊統(tǒng)默勒群、中侏羅統(tǒng)木里組、上侏羅統(tǒng)享堂組、下白堊統(tǒng)河口群和新生界。中侏羅統(tǒng)是一套湖泊沼澤相的暗色煤系地層，烴源巖發(fā)育，是木里盆地油氣勘探的主要目的層段[12-13]。原地質(zhì)礦產(chǎn)部、中國石油與天然氣總公司、煤炭部、大慶石油學(xué)院和中國地質(zhì)調(diào)查局等部門對該盆地進行過野外石油地質(zhì)調(diào)查和重、磁、電勘探，但總體上勘探程度較低[14-19]。

1.2烴源巖巖性特征

木里盆地的中侏羅統(tǒng)木里組是一套煤系地層，發(fā)育泥巖、高碳泥巖(TOC質(zhì)量分數(shù)為6%～25%)和煤三種烴源巖。泥巖中含大量動植物化石，發(fā)育水平層理，屬于湖沼相沉積，一般厚度為6.00 m左右，最大可達51.50 m，累計總厚度為174.00 m。高碳泥巖最大厚度為16.34 m，一般厚4.00～5.00 m，總厚度為26.45 m。含煤段沉積以灰綠色泥巖和粉細砂巖為主。木里組的煤層厚度較大，一般厚度在15.00 m左右，最大厚度可達47.70 m，總厚度為60.51 m?？傊搮^(qū)的烴源巖較發(fā)育，具有很大的生烴潛力。

2　烴源巖有機地球化學(xué)特征

在木里盆地的侏羅系剖面，共采集65塊暗色泥巖、高碳泥巖(TOC質(zhì)量分數(shù)為6%～25%)和煤巖樣品，首先，進行這三種烴源巖的TOC、熱解測試；然后，挑選樣品，進一步完成干酪根分離，測試鏡質(zhì)組反射率、干酪根元素、干酪根碳同位素、干酪根顯微組分、干酪根紅外光譜；最后，在瀝青“A”抽提的基礎(chǔ)上，分析族組分、飽和烴GC及GC-MS等。

2.1有機質(zhì)豐度

2.1.1泥巖

有機質(zhì)豐度決定了烴源巖的生烴潛力和沉積盆地的含油氣遠景。木里盆地中侏羅統(tǒng)的烴源巖在柴達爾露天礦附近出露最好，風(fēng)化較輕，是該盆地的地化基干剖面，其中泥巖、高碳泥巖和煤的有機質(zhì)豐度參數(shù)測試結(jié)果見表1。依據(jù)陳建平等[19]提出的關(guān)于煤系地層中泥巖的有機質(zhì)豐度評價標準，對其進行評價。由表1可見，43塊泥巖有機碳的質(zhì)量分數(shù)w1平均值為1.46%，分布范圍是0.17%～5.72%，屬于中等烴源巖；氯仿瀝青“A”的質(zhì)量分數(shù)w2為0.013 7%～0.189 3%，平均值為0.057 0%，烴源巖有機質(zhì)豐度達到了中等豐度的標準；總烴質(zhì)量分數(shù)w2分布在0.002 6%～0.057 8%的范圍內(nèi)，平均為0.020 8%，總體上達到了中等有機質(zhì)豐度的標準；生烴潛量S1+S2平均為0.578 mg/g，分布范圍介于0.030～2.350 mg/g之間，其中，35%的樣品達到了烴源巖的標準。有機質(zhì)豐度具有高有機碳、低瀝青“A”、貧飽和烴和芳烴的特點。綜合上述結(jié)果，木里盆地柴達爾剖面中侏羅統(tǒng)泥巖屬于中等有機質(zhì)豐度的烴源巖。

2.1.2高碳泥巖

分析表1可知，九塊高碳泥巖的有機碳的質(zhì)量分數(shù)平均值為11.73%，分布范圍為6.66%～20.70%；生烴潛量分布在1.61 ～6.19 mg/g之間，平均為3.123 mg/g。其中,三塊高碳泥巖氯仿瀝青“A”的質(zhì)量分數(shù)分布在0.069 0%～0.490 6%之間，平均為0.212 0%；總烴分布范圍為0.013 1%～0.138 3%，平均為0.020 8%。綜合有機質(zhì)豐度指標的評價結(jié)果，中侏羅統(tǒng)高碳泥巖的有機質(zhì)豐度達到了中等偏好的標準。

表1　中侏羅統(tǒng)烴源巖有機質(zhì)豐度

注：(0.17～5.72)/1.46(43)=(最小值～最大值)/平均值(樣品數(shù)量)。

2.1.3煤

分析表1可以看出，13塊煤樣品的有機碳分布范圍為25.03%～82.40%，平均值為54.43%；生烴潛量分布在10.750～103.800 mg/g，平均值為39.936 mg/g；其中，四塊煤樣品的氯仿瀝青“A”分布范圍為0.311 8%～1.543 0%，總烴值在0.045 7%～0.185 8%之間。根據(jù)陳建平等[19]提出的煤巖有機質(zhì)豐度評價標準，木里盆地的煤達到了等級為好的煤成烴源巖豐度標準。

2.2有機質(zhì)類型

2.2.1泥巖

由木里盆地中侏羅統(tǒng)干酪根元素范氏圖可見(圖1)，烴源巖有機質(zhì)成熟度較高，柴達爾剖面中侏羅統(tǒng)泥巖H與C的原子比<0.65，O與C的原子比<0.09，七塊泥巖樣品中有三塊落入Ⅲ1型干酪根的區(qū)域，Ⅲ1型干酪根所占的比例為43%。另外四塊落入圖的左下角，難以用元素分類。中侏羅統(tǒng)泥巖干酪根三塊樣品的1 460 cm-1吸收峰很弱，含有較少的脂族基團，分別屬于Ⅱ、Ⅲ1、Ⅲ2型干酪根。兩塊樣品的干酪根紅外1 700 cm-1吸收峰很弱，含氧基團很少，落在三角圖的左邊標軸上，分別屬于Ⅱ型干酪根和Ⅲ1型干酪根(圖2)。該區(qū)木里組的巖石熱解氫指數(shù)較低，43塊泥巖樣品的平均值為28.60 mg/g。柴達爾剖面位于露天礦區(qū)內(nèi)，風(fēng)化較輕，如此低的氫指數(shù)主要是由于其成熟度過高造成的。為此，采用鄔立言等[20]提出的方法，恢復(fù)柴達爾剖面中侏羅統(tǒng)泥巖的原始氫指數(shù)，恢復(fù)后其平均值為154.50 mg/g，有95%的樣品達到了Ⅲ1型干酪根的有機質(zhì)豐度標準。

圖1　木里盆地干酪根元素H與C原子比-O與C原子比關(guān)系

圖2　木里盆地干酪根紅外光譜

圖3　木里盆地?zé)N源巖三類規(guī)則甾烷分布

實際上， 木里盆地中侏羅統(tǒng)柴達爾剖面泥巖含有較多的水生生物， ααα-20R-C27甾烷的相對含量較高， 一般大于28%(圖3)， ααα-20R甾烷C27與C29質(zhì)量比值在0.387～0.800之間， 平均為0.679， 屬于Ⅲ1型干酪根。七塊泥巖樣品飽和烴Pr與Ph峰高比值的分布范圍是1.16～2.35，平均為1.38，泥巖的Pr與Ph峰高比值較低，表明泥巖沉積時，其還原性較強。柴達爾剖面中侏羅統(tǒng)七塊泥巖的碳同位素平均為-2.43%，分布范圍為-2.75%～-2.23%，主要為Ⅲ1型干酪根，含有一定數(shù)量的Ⅱ型干酪根。泥巖干酪根中鏡質(zhì)組的質(zhì)量分數(shù)在70%～100%之間(圖4)，具有Ⅲ型干酪根的特征。

圖4　木里盆地干酪根顯微組成三角

綜上所述，泥巖的有機質(zhì)主要表現(xiàn)為Ⅲ1型干酪根的特征，含有少量的Ⅱ型和Ⅲ2型干酪根。

2.2.2高碳泥巖

在木里盆地，除泥巖外，還有高碳泥巖和可采煤層發(fā)育。由于中侏羅統(tǒng)烴源巖有機質(zhì)成熟度較高，所以三塊高碳泥巖落在范氏圖的左下角，難以用元素將干酪根分類，其H與C原子比小于0.65，O與C原子比小于0.08(圖1)。而且，木里盆地中侏羅統(tǒng)高碳泥巖的熱演化程度較高，氫指數(shù)絕大多數(shù)小于65.00 mg/g，具有Ⅲ2型干酪根氫指數(shù)特征。高碳泥巖的鏡質(zhì)組質(zhì)量分數(shù)在90%～95%之間(圖4)，具有Ⅲ2型干酪根的地化特征。但三塊高碳泥巖中含有較多的水生生物(圖3)，ααα-20R甾烷C27與C29峰高比值在0.682～1.075之間，具有Ⅲ1型干酪根的特征。三塊高碳泥巖的Pr與Ph峰高比的分布范圍是1.36～1.96，平均為1.55，反映弱還原-弱氧化的沉積環(huán)境。柴達爾剖面中侏羅統(tǒng)的高碳泥巖樣品落入紅外三角圖左下角Ⅲ1型干酪根的區(qū)域(圖2)，表明其具有一定的煤成油生成能力，而且成熟演化程度較高，為本區(qū)液態(tài)烴的生成作出過積極的貢獻。由上可見，木里盆地中侏羅統(tǒng)高碳泥巖的生烴潛力較強，屬于Ⅲ1型干酪根。

2.2.3煤

在木里盆地中發(fā)育可采煤層。中侏羅統(tǒng)四塊煤樣落在范氏圖的左下角(圖1)，難以用元素將干酪根分類，其H與C原子比值小于0.65，O與C原子比值小于0.08。中侏羅統(tǒng)煤中C27甾烷和C29甾烷的相對質(zhì)量分數(shù)變化較大(圖3)，前者在18%～45%之間，后者在40%～62%之間。四塊煤Pr與Ph峰高比的分布范圍是1.67～2.35，平均為1.90，成煤環(huán)境的氧化性相對較強。煤的碳同位素較輕，小于-2.29%，屬于Ⅲ1型干酪根。由圖2可見，柴達爾的煤具有較強的1 460 cm-1吸收峰，含有較多的脂族基團，具有較大的生烴潛力，在紅外三角圖中落入Ⅰ2型、Ⅱ型和Ⅲ1型干酪根區(qū)域的比例分別為25%、50%、25%。煤中類脂組質(zhì)量分數(shù)較低，一般小于10%，惰質(zhì)組質(zhì)量分數(shù)較高(圖4)，在50%～90%之間，具有Ⅲ型干酪根的特征?？傊旱纳鸁N潛力相對較小，干酪根類型屬于Ⅲ1型-Ⅲ2型。

2.3有機質(zhì)成熟度

有機質(zhì)成熟度是烴源巖生烴的關(guān)鍵。鏡質(zhì)組反射率Ro主要受溫度和時間的影響，是目前國際上評價烴源巖有機質(zhì)成熟度和劃分成巖階段的重要指標[21-24]。

圖5是柴達爾剖面有機質(zhì)熱演化綜合地球化學(xué)剖面。由圖5可見，中侏羅統(tǒng)在該區(qū)發(fā)育六個巖性段，煤一段及其下伏地層與煤二段及其上覆地層之間的有機質(zhì)熱演化規(guī)律有所不同，出現(xiàn)了反希爾特定律的現(xiàn)象，即煤的熱變質(zhì)程度隨埋深增加而減弱。以煤一段和煤二段之間的泥礫巖段為界，根據(jù)有機質(zhì)熱演化特征，將其分為上部地層和下部地層。上部地層烴源巖的鏡質(zhì)組反射率變化范圍是0.63%～1.58%，平均為1.20%，處于低熟-高成熟階段；下部地層烴源巖鏡質(zhì)組反射率隨深度增加而增加，其變化范圍為0.79%～1.18%，平均為0.86%，處于大量生油的成熟階段。

上部地層的tmax較高，下部地層的tmax較低。上部和下部地層的演化規(guī)律明顯不同，上部地層的tmax從上到下逐漸增大，九塊大樣的變化范圍為471～548 ℃，平均為513 ℃，處于過成熟階段。其研究結(jié)果比鏡質(zhì)組反射率所得出的有機質(zhì)成熟度高一個級別。下部地層烴源巖的tmax變化范圍是464～539 ℃，五塊樣品的平均值為485 ℃，屬于高成熟階段。柴達爾剖面中侏羅統(tǒng)上部和下部烴源巖由于有機質(zhì)成熟度的不同，烴指數(shù)S1/w(TOC)明顯不同，上部的烴指數(shù)高于下部(圖5)。上部烴指數(shù)的主要變化范圍為0.42～15.64 mg/g，下部地層烴指數(shù)的主要變化范圍為0.28～5.49 mg/g。

圖5　木里盆地柴達爾剖面有機質(zhì)熱演化參數(shù)及深度關(guān)系

柴達爾剖面中侏羅統(tǒng)碳優(yōu)勢指數(shù)CPI隨深度增加仍有減小的趨勢(圖5)，上部烴源巖CPI的變化范圍在0.87～1.08之間，下部地層CPI的變化范圍是0.99～1.13。二者有著不同的演化規(guī)律，下部地層的有機質(zhì)熱演化程度低于上部地層。隨深度的增加，柴達爾剖面中侏羅統(tǒng)烴源巖飽和烴中生物標志化合物發(fā)生了一系列的異構(gòu)化反應(yīng)：

(1)C29甾烷S/(S+R)隨深度的增加而增大(圖5)，上部烴源巖和下部烴源巖的C29甾烷異構(gòu)化規(guī)律明顯不同，上部的變化范圍為0.287～0.443，下部的變化范圍是0.385～0.465。

(2)C29甾烷ββ/(ββ+αα)的值隨埋深的增加而增加，上部烴源巖的變化范圍是0.340～0.484，下部烴源巖的變化范圍為0.467～0.601。異構(gòu)化反應(yīng)所反映的有機質(zhì)成熟度特征與前面Ro等所反映的有機質(zhì)特征有所不同，即下部地層烴源巖C29甾烷的異構(gòu)化程度略高于上部地層烴源巖。其原因是C29甾烷S/(R+S)和C29甾烷ββ/(ββ+αα)僅適用于未熟-低熟階段有機質(zhì)成熟度的研究[21]，而柴達爾剖面中侏羅統(tǒng)的有機質(zhì)成熟度較高，超出了這兩個地化指標的應(yīng)用范圍。

(3)曾憲章等[25]的研究表明，C32藿烷S/R可用于高成熟階段有機質(zhì)熱演化程度的研究，在生油門限附近為0.55～0.62，在成熟階段為1.0～1.5。由圖5可見，C32藿烷S/R隨深度的增加而增加，上部烴源巖的變化范圍為1.203～1.473，下部烴源巖的變化范圍為0.891～1.438。上部地層的有機質(zhì)成熟度高于下部。

由上述分析可知，中侏羅統(tǒng)有機質(zhì)的熱演化存在明顯的異常現(xiàn)象，其原因是，高溫?zé)崃黧w活動所引起的熱異常[13]，即低溫的大氣降水滲流到地下，在深部與地層中溫度相對較高的孔隙水混合，同時被深部熱源進一步加熱，形成高溫?zé)崃黧w；然后，高溫?zé)崃黧w沿著位于礦區(qū)南部的深大斷裂 (一級流體運移通道)從下向上運移，通過與其相交的斷層(二級流體運移通道)和煤二段之上的砂巖輸導(dǎo)層(三級流體運移通道)進入煤二段中，在傳導(dǎo)傳熱的基礎(chǔ)上，又疊加了對流傳熱，加速了其中有機質(zhì)的熱演化，導(dǎo)致有機質(zhì)具有較高的成熟度。煤二段下伏的泥礫巖段滲透率很低，高溫?zé)崃黧w難以向下運移，烴源巖的有機質(zhì)熱演化沒有受到熱流體的影響，維持正常的有機質(zhì)熱演化規(guī)律。

2.4木里盆地中侏羅統(tǒng)生烴潛力

在烴源巖地化特征研究的基礎(chǔ)上，計算單位面積烴源巖的生油氣強度，從更深層次評價烴源巖的生油氣潛力。

(1)

(2)

式中：Qso——單位面積(1 m2)烴源巖的生油量，kg/m2；

Qsg——單位面積(1 m2)烴源巖的生氣量，m3/m2；

d——厚度，m；

ρ——烴源巖密度，煤取1.42×103kg/m3，泥巖取2.3×103kg/m3；

i——單層烴源巖序號，1，2，…，N；

r——原始有機碳恢復(fù)系數(shù)；

Koi——液態(tài)烴產(chǎn)率；

Kgi——氣態(tài)烴產(chǎn)率，m3/t。

式(1)和式(2)中原始有機碳恢復(fù)系數(shù)r、液態(tài)烴產(chǎn)率Koi和氣態(tài)烴產(chǎn)率Kgi取自熱壓模擬實驗的結(jié)果[16]。計算結(jié)果表明，木里盆地柴達爾剖面中侏羅統(tǒng)單位面積烴源巖(泥巖、高碳泥巖、煤)的生油強度和總生氣強度分別為1 181.88 kg/m2、3 181.17 m3/m2，相當于生烴強度為4.427 97 Mt/km2。根據(jù)我國應(yīng)用生烴強度評價盆地生烴潛力的標準[26]，木里盆地具有良好的生烴能力，屬于II類含油氣盆地，既可以生成液態(tài)烴，也可以生成氣態(tài)烴，并形成天然氣水合物，但液態(tài)烴的生成量大于氣態(tài)烴的生成量。

3　結(jié)　論

(1)木里盆地中侏羅統(tǒng)木里組泥巖達到了中等有機質(zhì)豐度的標準；高碳泥巖有機質(zhì)的豐度較高，具有一定生烴潛力；中侏羅統(tǒng)的煤屬于比較好的煤成烴源巖。

(2)木里盆地中侏羅統(tǒng)為一套湖沼相沉積，其中泥巖和高碳泥巖的有機質(zhì)類型主要為Ⅲ1型，煤為Ⅲ1-Ⅲ2型, 既可以形成液態(tài)烴，也可以生成氣態(tài)烴，并形成天然氣水合物。

(3)木里盆地柴達爾剖面中侏羅統(tǒng)有機質(zhì)熱演化規(guī)律比較復(fù)雜，下部地層處于成熟階段，但上部地層進入高成熟階段。

(4)木里盆地中侏羅統(tǒng)烴源巖的生油強度是1 181.88 kg/m2，生氣強度為3 181.17 m3/m2，生氣潛力大于生油潛力。

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(編輯荀海鑫)

Hydrocarbon potential evaluation of Mid-Jurassic source rocks, Muli Basin

MENGYuanlin1，SONGLihuan1，ZHOUXingui2，MENGFanjin3，WUChenliang3，XIAOLihua1

(1.School of Geosciences， Northeast Petroleum University， Daqing 163318， China；2.Oil & Gas Resources Survey of China Geological Survey， Beijing 100029， China；3.School of Geosciences, University of Houston, Houston TX 77204-2024， USA)

This paper is concerned with investigating the source rock potential of the Mid-Jurassic coal-bearing strata in the Muli Basin. The investigation works towards testing TOC, organic-matter type, and maturity using a total of 65 samples of mudstone, high carbonaceous mudstone, and coal collected from Chaidaer outcrop. The study suggests that the mudstones with a lower TOC are classified as low-to medium-quality source rock; high-carbonaceous mudstones are classified as medium-to good-quality source rock and the coal is ranked as good-quality source rock with high TOC; mudstone and high-carbonaceous mudstones consist mainly of type Ⅲ1kerogen and the coal are blessed with Ⅲ1-Ⅲ2type kerogens with a higher hydrocarbon-generating potential; the value of vitrinite reflectance(Ro) of the studied source rocks varies from 0.63% to 1.58%, suggesting that the source rocks occurring within low to high maturity stages are more likely to develop into the main hydrocarbon-generating phase; and the oil and gas resource densities of Mid-Jurassic source rocks of Muli Basin range between 1.181 88 Mt/km2and 3.181 17 km3/km2, demonstrating a higher gas-generating potential.

source rocks； hydrocarbon potential； Middle Jurassic； Muli Basin

2016-01-25

國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金項目(U1262106)；國土資源部中國地質(zhì)調(diào)查局項目(12120115001701)

孟元林(1960-)，男，山西省繁峙人，教授，博士，博士生導(dǎo)師，研究方向：有機地球化學(xué)與非常規(guī)油氣，E-mail：qhdmyl@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2016.02.010

P618.13

2095-7262(2016)02-0157-06

A