阜陽探區(qū)石炭系-二疊系烴源巖生烴特點分析

張健偉

(中石化江蘇油田分公司勘探開發(fā)研究院,江蘇 揚州 225009)

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阜陽探區(qū)石炭系-二疊系烴源巖生烴特點分析

張健偉

(中石化江蘇油田分公司勘探開發(fā)研究院,江蘇 揚州 225009)

為了明確阜陽探區(qū)石炭系-二疊系烴源巖生烴潛力，以石炭系-二疊系泥巖和煤巖生烴模擬試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，明確烴源巖熱演化過程中各個階段的生烴量和生烴演化特點，估算其資源量。結(jié)果表明:泥巖鏡質(zhì)體反射率(Ro)在1.0%～1.3%之間為生油高峰階段，Ro大于2.0%為大量生氣階段；煤巖Ro在1.0%～1.3%之間為生油高峰階段，Ro大于0.7%進入規(guī)模生氣階段，隨著Ro增高，生氣量逐漸增大。由于該區(qū)每個凹陷石炭系-二疊系烴源巖熱演化程度不同，其生烴類型存在差異；顏集凹陷以生成天然氣為主，倪丘集凹陷既可以生油又可以生氣，古城低凸起以生油為主。資源量估算證實天然氣資源潛力區(qū)在顏集凹陷和倪丘集凹陷，油資源潛力區(qū)在倪丘集凹陷和古城低凸起。

阜陽探區(qū);烴源巖;生烴模擬試驗;生烴演化史;資源量

阜陽探區(qū)位于南華北盆地周口坳陷東部，主要包括顏集凹陷、倪丘集凹陷、臨泉凹陷和古城低凸起四個二級構(gòu)造單元，是在印支、燕山、喜山構(gòu)造運動改造基礎(chǔ)上形成的疊加型盆地。在元古界基底之上沉積有下古生界、上古生界、中生界三疊系、白堊系、新生界古近系、新近系、第四系，其中上古生界石炭系-二疊系泥巖、煤巖是該區(qū)主要烴源巖，該套烴源巖分布在太和斷裂以北的顏集凹陷、倪丘集凹陷和古城低凸起。前人對該套生烴層開展過系統(tǒng)評價，取得了豐碩的成果。但也存在一些關(guān)鍵問題尚待解決：首先，石炭系-二疊系泥巖、煤巖有機質(zhì)豐度都屬于中等-差范疇，上古生界太原組(C2t)、山西組(P1s)、下石盒子組(P1x)評價略好于上石盒子組(P2s)。有機質(zhì)類型以Ⅲ型為主，少量Ⅱ型干酪根[1]。在有機質(zhì)豐度一致的前提下，泥巖和煤巖生烴熱演化特征是否存在差異，未能形成統(tǒng)一認識。其次，阜陽探區(qū)烴源巖成熟度具有北高南低的特點[2]，北部的顏集凹陷烴源巖鏡質(zhì)體反射率(Ro)在2.0%以上，南部的倪丘集凹陷和古城低凸起Ro在0.7%～1.4%之間，南北之間生烴類型、生烴量存在多大差異以及生烴潛力區(qū)的厘定，還缺少具有說服力的資料予以證實。筆者以阜陽探區(qū)古生界泥巖和濟寧地區(qū)古生界煤巖生烴模擬試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，統(tǒng)計試驗樣品在每個模擬溫度點的烴產(chǎn)量，反演烴源巖熱演化生烴過程，并結(jié)合區(qū)域烴源巖評價資料，重新認識該區(qū)烴源巖生烴潛力，劃分潛力區(qū)帶。

1 生烴模擬試驗

1.1 試驗樣品選擇

利用熱模擬試驗方法研究烴源巖的生烴動態(tài)過程是烴源巖評價中一種技術(shù)手段，在試驗過程中盡量選擇成熟度低的樣品，才能很好地表征烴源巖低熟至成熟乃至過成熟生排烴的全過程[3]。熱模擬試驗的泥巖樣品取自于阜陽探區(qū)古城低凸起的古城1井P1s，該樣品深度為1487.6m，總有機碳質(zhì)量分數(shù)(w(TOC))為3.3%，氯仿瀝青“A”質(zhì)量分數(shù)w(“A”)為0.142%，生烴潛量為4.21mg/g，氫指數(shù)為114mg/g，屬于中等烴源巖，有機質(zhì)類型為Ⅱ2型，Ro為0.75%，處于成熟階段。煤巖樣品來自于華北盆地濟寧地區(qū)石炭系煤巖，w(TOC)為58%，w(“A”)為3.212%，有機質(zhì)豐度評價為中等烴源巖，有機質(zhì)類型為Ⅲ型，Ro為0.5%，處于未成熟階段。

1.2 試驗條件和方法

試驗樣品500g，研磨成直徑2.5～10mm，這種粒徑的顆粒對排烴有利。將樣品和去離子水加入到反應(yīng)釜中，反應(yīng)釜密封后，充入4～6MPa的氮氣，放置試漏，待不漏后，放出氮氣抽成真空。然后加溫，達到設(shè)定溫度后恒溫24h，為了反演阜陽地區(qū)烴源巖從成熟→高成熟→過成熟整個生烴過程，選擇了325、350、375、400、450、500、550℃共7個溫度點，對應(yīng)的Ro為1.01%、1.14%、1.28%、1.45%、1.84%、2.33%、2.96%。待加溫反應(yīng)完畢，釜內(nèi)溫度降到200℃時放氣，熱解氣通過液氮冷卻的液體接收管，進入計量管收集并計量其體積，即為烴氣產(chǎn)量。高壓釜蓋、內(nèi)壁和巖石表面附著的油狀物用二氯甲烷沖洗，二氯甲烷揮發(fā)后，即得到排出的油；模擬后的殘留樣用氯仿抽提瀝青“A”或稱殘留油，排出油量和殘留油量累加為生油量；每噸有機碳產(chǎn)烴量即為烴產(chǎn)率[4]。

1.3 烴產(chǎn)率

據(jù)古城1井P1s泥巖的產(chǎn)氣率統(tǒng)計，隨著模擬溫度升高，產(chǎn)氣率呈現(xiàn)出逐漸升高趨勢，模擬溫度325～400℃為初始產(chǎn)氣階段，模擬溫度400～450℃為緩慢產(chǎn)氣階段，模擬溫度450～550℃為大量產(chǎn)氣階段。油與氣的產(chǎn)率存在一定差異，具有先增加后降低的趨勢；325～375℃為生油量增加階段，在375℃出現(xiàn)了生油高峰，總的有機碳產(chǎn)油率可以達到166.71kg/tTOC(tTOC表示有機碳)；大于375℃產(chǎn)油量逐漸降低(圖1)。

圖1 古城1井P1s泥巖油、氣產(chǎn)率曲線圖

煤巖從模擬結(jié)果來看，隨著模擬溫度逐漸升高，產(chǎn)氣率具有先升高，然后降低再升高的趨勢；模擬溫度350～375℃為初始產(chǎn)氣階段，模擬溫度375～400℃為產(chǎn)氣量緩慢下降階段，模擬溫度大于425℃為大量產(chǎn)氣階段。煤巖的產(chǎn)油率隨著模擬溫度逐漸增加，具有先升高再降低的趨勢；模擬溫度325～350℃之間為產(chǎn)油量升高階段，大于350℃產(chǎn)油量逐漸降低(圖2)。

圖2 濟寧地區(qū)煤巖油、氣產(chǎn)率曲線圖

對比泥巖、煤巖的油、氣產(chǎn)率，泥巖的烴產(chǎn)率大于煤巖。泥巖在模擬溫度325～550℃之間平均有機碳產(chǎn)氣率為76.81kg/tTOC，最高產(chǎn)氣率為219.83kg/tTOC，當(dāng)模擬溫度大于550℃，產(chǎn)氣率仍然持續(xù)升高；煤巖平均產(chǎn)氣率為20.61kg/tTOC，最高產(chǎn)氣率僅為40.21kg/tTOC。泥巖在模擬溫度325～550℃之間平均產(chǎn)油率為117.59kg/tTOC，當(dāng)模擬溫度為375℃時，產(chǎn)油率最高可達到166.71kg/tTOC；而煤巖平均產(chǎn)油率為12.41kg/tTOC，當(dāng)模擬溫度為350℃時，產(chǎn)油率最高為31.22kg/tTOC。

1.4 烴源巖成熟度與生烴量分析

以生烴模擬試驗生烴數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，參照試驗溫度點與Ro之間的對應(yīng)關(guān)系，換算出石炭系-二疊系烴源巖在各個演化階段烴產(chǎn)率。從Ro與生烴量線性關(guān)系圖(圖3)可以看到，以Ⅱ型干酪根為主的泥巖，Ro在0.5%～0.7%之間的低成熟階段油氣生成量較少，Ro大于0.7%才開始規(guī)模生油，Ro在1.0%～1.3%之間進入生油高峰期，其后持續(xù)生油，并且在Ro大于2.0%的過成熟階段仍然可以生油；而大量生氣是在Ro大于1.0%之后，并且在Ro大于2.0%的過成熟階段逐漸步入生氣高峰期。以Ⅲ型干酪根為主的煤巖生烴過程與Ⅱ型干酪根的泥巖具有一定的差異，其Ro在1.0%～1.3%為生油高峰期，Ro大于2.0%之后，基本不生油；煤巖Ro在0.7%就進入規(guī)模生氣階段，隨著成熟度增高，生氣量逐漸增大(圖3)。

圖3 石炭系-二疊系烴源巖Ro-生烴量線性關(guān)系圖

2 生烴演化特征

圖4 顏集凹陷石炭系-二疊系烴源巖熱演化史圖

圖5 倪丘集凹陷石炭系-二疊系烴源巖熱演化史圖

圖6 古城低凸起石炭系-二疊系烴源巖熱演化史圖

阜陽地區(qū)石炭系-二疊系烴源巖受印支、燕山和喜山運動影響，經(jīng)歷了多期的沉降和抬升，達到現(xiàn)今的埋深和成熟度，其生烴演化史大致分為4個階段[5,6](圖4～6)。①第1個階段為區(qū)域沉降早期生烴。印支運動前晚石炭世至中三疊世呈整體沉降，石炭系-二疊系烴源巖熱演化程度較低，泥巖開始規(guī)模生油，初始產(chǎn)氣；煤巖和泥巖類似，剛剛進入早期生烴階段。②第2階段為區(qū)域抬升停止生烴。印支運動全區(qū)抬升遭受剝蝕。其中北部的顏集凹陷古生界保存完整，三疊系部分剝蝕，而南部的倪丘集凹陷和古城低凸起鉆井均未能揭示三疊系，臨泉凹陷甚至古生界被剝蝕殆盡，這一時期大部分地區(qū)停止生烴。③第3個階段為持續(xù)抬升停止生烴。經(jīng)歷了印支運動抬升剝蝕后，中生代有一定的沉積，但在燕山運動末期的抬升中，全區(qū)又被大面積剝蝕，其中顏集、倪丘集凹陷僅在深凹殘留白堊系，古城低凸起被剝蝕殆盡，臨泉凹陷白堊系保存相對完整。④第4個階段為差異沉降晚期生烴。喜山運動期間，新生代地層總體上持續(xù)沉降，部分地區(qū)地層沉積厚度大于印支、燕山運動的剝蝕厚度，發(fā)生晚期生烴。

從區(qū)域上來看，顏集凹陷上古生界和三疊系剝蝕厚度薄，中生代末期雖然也受到抬升的影響，但總體上以沉降為主，現(xiàn)今石炭系-二疊系烴源巖Ro仍然在2.0%以上，烴源巖熱演化和生排烴持續(xù)發(fā)生，烴源巖以生氣為主，雖然現(xiàn)今的熱演化程度泥巖也可以生油，但在持續(xù)升高的古地溫作用下，原油也基本變成裂解氣；據(jù)顏集凹陷鳳凰1井鉆探揭示，上古錄井氣顯示活躍，未見油顯示。與顏集凹陷不同，倪丘集凹陷三疊系被剝蝕殆盡，古生界也遭受了部分剝蝕，因此其早期生烴停止后，直到新近系沉積末期才開始再次生烴，現(xiàn)今深凹帶Ro可以達到1.4%以上，處于生油高峰期和生氣初始階段(圖7)。古城低凸起印支運動三疊系被剝蝕殆盡，并且上古生界也被不同程度的剝蝕，印支運動抬升后，雖然中生代和新生代有所沉降，但沉降幅度小，現(xiàn)今Ro仍然在0.8%左右；印支運動前烴源巖以生油為主含少量氣，現(xiàn)今停止生烴(圖7)。

圖7 阜陽探區(qū)石炭系-二疊系烴源巖Ro等值線圖

3 資源潛力分析

以生烴模式試驗為基礎(chǔ)，根據(jù)烴源巖成熟度與生烴量線性關(guān)系，以及阜陽地區(qū)生烴演化特點，應(yīng)用盆地模擬技術(shù)，對阜陽地區(qū)石炭系-二疊系烴源巖的資源量進行估算；排聚系數(shù)參照劉志武等[6]的研究成果，油的排聚系數(shù)取值10%，氣的排聚系數(shù)取值10‰。據(jù)計算結(jié)果，阜陽探區(qū)的天然氣資源量為5245×108m3，油資源量1.709×108t；其中顏集凹陷生氣量最大，氣資源量為3759.20×108m3；倪丘集凹陷生油量最大，油資源量為1.077×108t，同時也有少量氣，氣資源量為1275.21×108m3；古城低凸起油資源量為0.632×108t，氣資源量為210.66×108m3(表1)。對比各個區(qū)帶的資源量，認為阜陽地區(qū)天然氣勘探的潛力區(qū)在顏集、倪丘集凹陷，油勘探的潛力區(qū)在倪丘集凹陷和古城低凸起，只有倪丘集凹陷可以油、氣兼探。

表1 阜陽地區(qū)油氣資源量統(tǒng)計表

4 結(jié)論

1)通過生烴模擬試驗對比阜陽地區(qū)上古生界泥巖和濟陽地區(qū)煤巖的油氣產(chǎn)率表明，華北盆地上古生界泥巖的烴產(chǎn)率遠大于煤巖。

2)以Ⅱ型干酪根為主的泥巖，Ro在1.0%～1.3%之間為生油高峰階段，Ro大于2.0%為大量生氣階段。以Ⅲ型干酪根為主的煤巖Ro在1.0%～1.3%之間為生油高峰階段，Ro在0.7%就進入規(guī)模生氣階段，隨著成熟度增高，生氣量逐漸增大。

3)石炭系-二疊系烴源巖生烴演化存在整體沉降早期生烴、區(qū)域抬升停止生烴、持續(xù)抬升停止生烴、差異沉降晚期生烴四個演化階段，每個地區(qū)演化程度不同，生烴類型就存在一定差異；其中顏集凹陷石炭系-二疊系烴源巖以生成天然氣為主，倪丘集凹陷石炭系-二疊系烴源巖既可以生油又可以生氣，古城低凸起石炭系-二疊系烴源巖以生油為主。

4)資源量估算證實天然氣資源潛力區(qū)在顏集凹陷和倪丘集凹陷，油資源潛力區(qū)在倪丘集凹陷和古城低凸起。

本文屬中國石油化工股份有限公司油田事業(yè)部基金項目(G5800-14-ZS-YTB011)產(chǎn)出論文。

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[編輯] 宋換新

2016-05-10

張健偉(1982-),男,高級工程師,現(xiàn)主要從事油氣地質(zhì)勘探工作,zhangjw.jsyt@sinopec.com。

TE122.1

A

1673-1409(2016)35-0018-06

[引著格式]張健偉.阜陽探區(qū)石炭系-二疊系烴源巖生烴特點分析[J].長江大學(xué)學(xué)報(自科版),2016,13(35):18～23.