烏倫古地區(qū)石炭系烴源巖生烴潛力評(píng)價(jià)

曲彥勝，王圣柱，2，李艷麗，張奎華

(1.中國(guó)石化勝利油田分公司，山東 東營(yíng) 257000；2.中國(guó)石油大學(xué)，山東 青島 266555)

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烏倫古地區(qū)石炭系烴源巖生烴潛力評(píng)價(jià)

曲彥勝1，王圣柱1，2，李艷麗1，張奎華1

(1.中國(guó)石化勝利油田分公司，山東 東營(yíng) 257000；2.中國(guó)石油大學(xué)，山東 青島 266555)

準(zhǔn)噶爾北緣烏倫古地區(qū)下石炭統(tǒng)姜巴斯套組為一套有機(jī)質(zhì)豐度較高、干酪根類型以Ⅰ—Ⅱ型為主的火山巖系烴源巖，雖然評(píng)價(jià)為中等—好烴源巖，但其熱演化過程復(fù)雜，主生烴期不清楚，影響了對(duì)其生油氣潛力的認(rèn)識(shí)。在地層剝蝕厚度恢復(fù)的基礎(chǔ)上，開展了烴源巖沉積埋藏史及熱史研究，恢復(fù)了烴源巖熱演化生烴過程。為了評(píng)價(jià)石炭系火山巖系烴源巖生烴潛力，開展了不同巖石類型、不同成熟度烴源巖封閉體系生烴模擬實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，火山物質(zhì)含量較少的凝灰質(zhì)泥巖的生烴產(chǎn)率明顯高于沉凝灰?guī)r。當(dāng)初始成熟度Ro為1.34%時(shí)，凝灰質(zhì)泥巖仍具有一定的二次生烴能力。在烴源巖生烴潛力評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，結(jié)合油氣成藏期和圈閉形成期認(rèn)為，烏倫古地區(qū)應(yīng)該以尋找與石炭系晚期生烴(二次生烴)區(qū)域相匹配的火山巖或中生界圈閉作為下步勘探的方向。

烏倫古地區(qū)；石炭系烴源巖；剝蝕厚度；二次生烴；生烴潛力

1 地質(zhì)背景

烏倫古坳陷位于準(zhǔn)噶爾盆地東北緣，為一個(gè)大型一級(jí)負(fù)向構(gòu)造單元，面積近1.7×104km2，呈北西西向近菱形展布，東抵克拉美麗山前一側(cè)收縮變窄，西至德倫山烏蘭林格斷裂，北抵青格里底山山前，南以陸梁—三個(gè)泉斷裂為界，由紅巖斷階帶、索索泉凹陷、滴北斜坡帶等二級(jí)構(gòu)造單元組成，盆地內(nèi)自下而上發(fā)育石炭系、三疊系、侏羅系、白堊系及古近系。受到海西運(yùn)動(dòng)的影響，烏倫古坳陷隆升導(dǎo)致主體缺失二疊系—中下三疊統(tǒng)，由于缺少一套準(zhǔn)噶爾盆地重要的烴源巖層——二疊系，其油氣勘探前景一直不被看好。該地區(qū)油氣勘探近30 a，僅在坳陷北部L5井以及南部DB1、Q1和Q6井見到了可能來自石炭系的油氣[1]，未形成工業(yè)性的油氣田。因此，該地區(qū)對(duì)于石炭系烴源巖的研究關(guān)系到該地區(qū)油氣勘探潛力，顯得格外重要。

為了獲取烏倫古坳陷深部烴源巖信息，2011年在烏倫古坳陷中部鉆探參數(shù)井WC1井，在4 700～6 200 m鉆遇近1 500 m下石炭統(tǒng)姜巴斯套組暗色巖石，結(jié)合烏倫古周緣石炭系山系出露滴水泉、恰庫(kù)爾特草原北和倫6井北烴源巖樣品地球化學(xué)分析(表1)，烏倫古坳陷石炭系發(fā)育一套潛在的海相以及海陸過渡相烴源巖——下石炭統(tǒng)姜巴斯套組(C1j)烴源巖，巖石組合包括泥巖、凝灰質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖和粉砂質(zhì)泥巖[2-3]，平均厚度為200～1 500 m，有機(jī)質(zhì)豐度高，展示出良好的生烴基礎(chǔ)。但石炭系烴源巖熱演化程度差異大，雖然露頭上及盆地內(nèi)部分鉆井顯示處于高—過成熟演化階段，如WC1井Ro值平均為1.80%；但有部分鉆井揭示的石炭系烴源巖仍處于較低的熱演化階段，如滴北斜坡帶Q1井Ro值為0.61%，紅巖斷階帶L2井Ro值為0.65%，反映了石炭系烴源巖生烴演化過程的復(fù)雜性。通過對(duì)烏倫古地區(qū)鉆至石炭系的10余口探井以及周緣山系出露烴源巖進(jìn)行分析，結(jié)合構(gòu)造演化以及生烴模擬實(shí)驗(yàn)著重研究石炭系烴源巖生烴演化過程及生烴潛力特征，以期對(duì)該地區(qū)的油氣資源潛力認(rèn)識(shí)有所突破。

表1 烏倫古坳陷石炭系烴源巖評(píng)價(jià)

2 烴源巖生烴演化模式

大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為準(zhǔn)噶爾盆地北部烏倫古地區(qū)石炭系經(jīng)歷過海西、印支以及燕山運(yùn)動(dòng)3次大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)[3-4]，且不同構(gòu)造單元演化差異較大，不同構(gòu)造單元經(jīng)歷的復(fù)雜演化過程是導(dǎo)致其目前烴源巖成熟程度差異較大的原因。恢復(fù)構(gòu)造抬升時(shí)期地層剝蝕量對(duì)于追溯烴源巖的演化過程非常重要，通過對(duì)構(gòu)造演化的研究認(rèn)為：由于晚石炭世—二疊紀(jì)末的海西運(yùn)動(dòng)十分強(qiáng)烈，為近SN向的強(qiáng)烈擠壓運(yùn)動(dòng)，使得整個(gè)烏倫古地區(qū)地層遭受抬升剝蝕，缺失上石炭統(tǒng)以及二疊系。同時(shí)石炭系埋深普遍大于4 000 m，埋深較大以及地震資料品位差導(dǎo)致下石炭統(tǒng)在地震上主要表現(xiàn)為雜亂反射，無法劃分地層界限，因此，聲波時(shí)差法與地層趨勢(shì)法并不適用于古生界的剝蝕量恢復(fù)。Dow提出利用鏡質(zhì)體反射率值[5-6]確定不整合面附近剝蝕厚度，YYNW方法僅需要古老地層以及較新地層的Ro值，不受地震資料品質(zhì)的限制，可以恢復(fù)晚海西期剝蝕量。而燕山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致中生界地層在地震剖面上地層削截現(xiàn)象明顯，應(yīng)用地層趨勢(shì)法可以恢復(fù)侏羅紀(jì)末以及白堊紀(jì)末的剝蝕量。采用上述2種方法對(duì)海西期以及燕山期的剝蝕量進(jìn)行了恢復(fù)，結(jié)果見表2。由表2可以看出，北部紅巖斷階帶在晚白堊世剝蝕量較大，L2井剝蝕厚度可達(dá)1 000 m左右，而索索泉凹陷在燕山期剝蝕量小于1 000 m。L6井區(qū)晚侏羅世剝蝕量較大，如L6井剝蝕量達(dá)778 m，DB1井剝蝕量為250 m，WC1井剝蝕量為132 m。海西期滴北斜坡帶剝蝕量大于2 000 m，洼陷內(nèi)剝蝕量小于1 000 m。

表2 烏倫古地區(qū)鉆井剝蝕量計(jì)算值統(tǒng)計(jì)

關(guān)于準(zhǔn)噶爾盆地古地溫變化的論述前人已多有研究[7]。邱楠生等根據(jù)鏡質(zhì)體反射率動(dòng)力學(xué)模型，結(jié)合磷灰石裂變徑跡參數(shù)對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地進(jìn)行熱演化模擬，認(rèn)為隨著盆地的演化，地溫梯度呈現(xiàn)逐漸減小的趨勢(shì)[8]，準(zhǔn)噶爾北緣烏倫古地區(qū)古生界古地溫梯度較高，可以達(dá)到40.0 ℃/km以上，而在中生界古地溫梯度下降，地溫梯度在23.5～26.0 ℃/km，第三紀(jì)地溫梯度則維持在20.0 ℃/km左右[7]。通過前述構(gòu)造變革期剝蝕量的恢復(fù)，結(jié)合古地溫史，可以重現(xiàn)地質(zhì)時(shí)期內(nèi)不同構(gòu)造單元熱演化程度(圖1)，通過烴源巖生烴演化史研究，將石炭系烴源巖分為2種熱演化類型：早期生烴—晚期停滯型和多次生烴型。早期生烴—晚期停滯型以滴北斜坡帶DB1井為代表，受到古生代第1次深成以WC1井姜巴斯套組烴源巖為例，早石炭世晚期已經(jīng)成熟，其上部烴源巖進(jìn)入早期生油階段，下部烴源巖則進(jìn)入高演化生氣階段，Ro達(dá)1.1%以上。隨后，海西運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致地層抬升剝蝕，烴源巖生烴過程停滯，生烴過程短暫。中生代侏羅紀(jì)至白堊紀(jì)，在東北緣擠壓應(yīng)力下，烏倫古坳陷南北沉降分異，坳陷北部形成由北向南的沖斷，即紅巖斷階帶。斷階帶南側(cè)大幅度沉降，由于沉降不均衡，形成北深南淺的索索泉箕狀斷陷，凹陷北部中生界地層厚度可達(dá)2 000 m以上，在部分地區(qū)，由于受到中晚侏羅世到白堊紀(jì)大幅沉降的影響，使地層溫度超過了碳系烴源巖在古生帶所達(dá)到的最高溫度，烴源巖受熱作用再次生烴，上部烴源巖在中晚侏羅世進(jìn)入生油高峰，晚白堊世開始大量生氣。L6井區(qū)相對(duì)于索索泉凹陷，沉積了一定厚度的上石炭統(tǒng)和二疊系，石炭系烴源巖第一次生烴在晚二疊世，烴源巖上部Ro達(dá)到1.0%左右，在中晚侏羅世—白堊世發(fā)生二次生烴，石炭系上部烴源巖Ro可達(dá)1.5%左右，進(jìn)入高演化生油氣階段。

圖1 烏倫古地區(qū)不同構(gòu)造單元C1烴源巖頂面埋藏史熱變質(zhì)作用的影響，下石炭統(tǒng)烴源巖Ro在二疊紀(jì)末達(dá)到0.55%以上，烴源巖處于低熟階段，上部進(jìn)入生油窗，下部烴源巖則由于埋藏較深而進(jìn)入生烴高峰。海西運(yùn)動(dòng)形成大規(guī)模造山運(yùn)動(dòng)使得生烴過程停滯，雖然中生代震蕩沉降，但中生界沉積厚度小(DB1井中生界地層厚度為1 931 m)，且地溫梯度低，難以補(bǔ)償石炭紀(jì)古地溫所達(dá)到的熱演化程度，姜巴斯套組烴源巖生烴過程停止。因此，DB1井石炭系烴源巖現(xiàn)今仍處于低熟階段。索索泉凹陷則經(jīng)歷了多次生烴過程，多次生烴是指烴源巖在受熱溫度降低導(dǎo)致一次生烴歷程被中止之后，當(dāng)受熱溫度再次增高并達(dá)到有機(jī)質(zhì)再次活化所需的臨界熱動(dòng)力學(xué)條件時(shí)，烴源巖發(fā)生的再次生烴演化[9-11]。

3 石炭系烴源巖生烴模擬

通過前述構(gòu)造演化以及生烴史研究認(rèn)為，烏倫古地區(qū)石炭系烴源巖存在多期生烴，但烴源巖能否發(fā)生二次生烴，以及二次生烴量能否足夠形成商業(yè)性的油氣聚集，不僅取決于構(gòu)造以及熱演化史，二次生烴初始成熟度等多種因素也對(duì)二次生烴以及生烴量起到控制作用。邱楠生等認(rèn)為二次生烴起始成熟度處于過成熟的海相頁(yè)巖基本不具備二次生烴潛力[12]。劉洛夫、宮色等人通過對(duì)干酪根以及煤二次生烴實(shí)驗(yàn)研究認(rèn)為二次生烴與一次生烴是一個(gè)連續(xù)的過程[13-14]。冉啟貴、曾凡剛等人通過對(duì)華北地區(qū)上古生界煤巖以及下古生界海相碳酸鹽巖二次生烴作用研究認(rèn)為，二次生烴相對(duì)于一次生烴有明顯的滯后效應(yīng)，2次生烴并不連續(xù)[15-16]。

為了研究石炭系烴源巖生烴潛力，選取了不同巖石類型、不同初始成熟度樣品開展封閉體系生烴模擬實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中樣品被焊封在金管中，將金管放入高壓釜，釜內(nèi)和金管之間填充水作為傳壓介質(zhì)。分別在2、20 ℃/h的升溫速率下開始升溫至600 ℃，對(duì)熱解烴氣體產(chǎn)物、C6-14和C14+進(jìn)行定量分析。選取的4塊樣品巖性以灰黑色泥巖以及凝灰質(zhì)泥巖為主，有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)屬于中等—好烴源巖，Tmax以及Ro數(shù)據(jù)反映成熟度屬于低熟—過熟階段(表3)。生烴模擬結(jié)果顯示，4塊樣品生烴模擬產(chǎn)物以CH4為主，另外有少量CO2以及一定量的液態(tài)烴C6-14和C14+。

由于模擬產(chǎn)物以CH4為主，因此，不同溫度點(diǎn)CH4產(chǎn)率可以反映烴源巖生烴能力。不同升溫速率下樣品CH4產(chǎn)率與溫度的關(guān)系見圖2。圖2為通過動(dòng)力學(xué)參數(shù)對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合情況，可見，動(dòng)力學(xué)參數(shù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合得非常好，說明動(dòng)力學(xué)參數(shù)可以用于地質(zhì)條件下的生烴過程模擬。4塊樣品活化能分布較分散，為2.3×105～2.9×105J/mol，選取的4塊樣品中DB1和滴水泉樣品熱演化程度較低，處于未熟—成熟階段，而WC1-1、WC1-2兩塊樣品則具有較高的熱演化程度，目前已經(jīng)進(jìn)入高演化階段，即經(jīng)歷過生烴高峰。同時(shí)，從活化能上也可以看出，這2塊樣品明顯缺少較低的活化能部分，活化能向高值區(qū)域遷移，動(dòng)力學(xué)參數(shù)也顯示出較高的成熟度烴源巖的特征。

表3 生烴模擬樣品地球化學(xué)參數(shù)

圖2 不同升溫速率下樣品CH4產(chǎn)率與溫度的關(guān)系

分析實(shí)驗(yàn)樣品的CH4產(chǎn)率，發(fā)現(xiàn)4塊樣品CH4產(chǎn)率差別較大，DB1與滴水泉樣品成熟度較低，烴源巖還未進(jìn)入生油高峰大量生烴，模擬甲烷產(chǎn)率均較高，最高產(chǎn)率可達(dá)120～200 mg/g。而WC1-1、WC1-2樣品熱演化程度較高，烴源巖已經(jīng)進(jìn)入高演化階段，甲烷產(chǎn)率差別較大， WC1-1樣品甲烷產(chǎn)率低，最高產(chǎn)率僅有20 mg/g，而WC1-2樣品最高產(chǎn)率可達(dá)200 mg/g以上。分析烴源巖巖性以及TOC含量，由于WC1-1為沉凝灰?guī)r，火山物質(zhì)含量達(dá)到75%以上，同時(shí)TOC值相對(duì)較低，生烴潛力較低。而WC1-2樣品雖然初始成熟度已達(dá)1.34%，但加熱模擬仍具有較高的CH4產(chǎn)率，主要發(fā)生二次生烴，雖然有機(jī)質(zhì)豐度低于滴水泉以及DB1井樣品，但在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，模擬生氣量甚至高于滴水泉樣品初次生烴量。通過對(duì)石炭系不同成熟度巖石樣品開展封閉體系生烴模擬實(shí)驗(yàn)，模擬產(chǎn)物以甲烷為主，以凝灰質(zhì)泥巖和灰黑色泥巖為代表的石炭系火山巖系烴源巖如WC1-2具有較大的生烴潛力，初始成熟度達(dá)到1.34%的樣品仍具有一定的二次生烴能力，而在相似的有機(jī)質(zhì)豐度范圍內(nèi)(TOC為0.6%～1.1%)，相似的熱演化程度(高成熟階段Ro為1.25%～1.34%)火山物質(zhì)含量較高的沉凝灰?guī)rWC1-1生烴量明顯小于火山物質(zhì)含量中等的凝灰質(zhì)泥巖WC1-2樣品的生烴量。

由于烏倫古地區(qū)晚古生界剝蝕量大，存在多期的地質(zhì)抬升—沉降過程，烴源巖包括早期生烴和晚期生烴2種類型。目前，烏倫古周緣發(fā)現(xiàn)的油氣成藏期多以晚期侏羅—白堊紀(jì)晚期成藏為主，早期石炭—二疊油氣藏受到破壞往往形成古油藏。因此，尋找石炭系晚期生烴，即與烴源巖二次生烴區(qū)域相匹配的石炭系火山巖巖性圈閉以及中生界構(gòu)造圈閉應(yīng)是該地區(qū)下步勘探的有利目標(biāo)。通過埋藏史和生烴史研究認(rèn)為烏倫古地區(qū)索索泉凹陷WC1井區(qū)域以及紅巖斷階帶LUN2井區(qū)域均處于二次生烴有效區(qū)，但索索泉凹陷石炭系埋藏較深，石炭系以火山碎屑巖包括凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)泥巖為主，儲(chǔ)層孔滲性差，同時(shí)淺層斷裂少，構(gòu)造圈閉不發(fā)育；而紅巖斷階帶石炭系以火山巖侵入體和火山角礫巖為主，孔滲性好于壽山碎屑巖，同時(shí)淺層斷裂發(fā)育，油氣可以向上運(yùn)移至淺層圈閉成藏，可以形成石炭系自生自儲(chǔ)和以石炭系為源、中生界作為儲(chǔ)層的古生新儲(chǔ)型油氣藏，可以作為下一步重點(diǎn)的勘探方向。

4 結(jié) 論

(1) 準(zhǔn)噶爾盆地北部烏倫古坳陷下石炭統(tǒng)烴源巖熱演化過程復(fù)雜，包括2種類型：凹陷區(qū)和紅巖斷階帶姜巴斯套組烴源巖不僅在晚海西期發(fā)生過一次生烴，中生代經(jīng)歷了二次演化過程。而滴北斜坡帶僅在古生代發(fā)生過一次生烴，目前仍處于低熟階段。

(2) 石炭系烴源巖封閉體系模擬實(shí)驗(yàn)顯示，相似的有機(jī)質(zhì)豐度、相近的熱演化程度條件下，火山物質(zhì)含量不同的凝灰質(zhì)泥巖與沉凝灰?guī)r的甲烷產(chǎn)率差異顯著，凝灰質(zhì)泥巖甲烷產(chǎn)率明顯高于沉凝灰?guī)r，同時(shí)當(dāng)初始成熟度達(dá)到Ro為1.34%時(shí)，烴源巖仍具有一定的生烴潛力。

(3) 古生界石炭系這種古老類型的烴源巖，生烴過程復(fù)雜，受到火山活動(dòng)的影響，潛力差異大，通過對(duì)其埋藏史、生烴史的研究可以明確其關(guān)鍵生烴期，結(jié)合生烴模擬的研究可以認(rèn)清其生烴潛力，模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)合演化史的恢復(fù)是研究多旋回疊合盆地古老烴源巖的重要方法。

[1] 何登發(fā)，陳新發(fā)，況軍，等.準(zhǔn)噶爾盆地石炭系烴源巖分布與含油氣系統(tǒng)[J] .石油勘探與開發(fā)，2010，37(4)：397-408.

[2] 陳學(xué)國(guó). 準(zhǔn)噶爾盆地石炭系烴源巖地球化學(xué)特征研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，27(6)：13-18.

[3] 匡立春，張?jiān)竭w，查明，等.新疆北部石炭紀(jì)構(gòu)造背景及演化[J] .地質(zhì)學(xué)報(bào)，2013，87(3)：312-320.

[4] 余騰孝，曹自成，徐勤琪，等.準(zhǔn)噶爾盆地北部古生代構(gòu)造演化與石炭系烴源巖[J].石油與天然氣質(zhì)，2010，31(1)：92-97.

[5] WALLACE G Dow. Kerogen studies and geological interpretation[J]. Journal of Geochemical Exploration，1977：79-99.

[6] 佟彥明，等.利用鏡質(zhì)體反射率恢復(fù)地層剝蝕量的幾個(gè)重要問題[J].石油天然氣學(xué)報(bào)(江漢石油學(xué)院報(bào))，2006，28(3)：197-199.

[7] 邱楠生，楊海波，王緒龍.準(zhǔn)噶爾盆地構(gòu)造—熱演化特征[J] .地質(zhì)科學(xué)，2002，37(4)：423-429.

[8] 王社教，胡圣標(biāo)，等.準(zhǔn)噶爾盆地?zé)崃骷暗販貓?chǎng)特征[J].地球物理學(xué)報(bào)，2000，43(6)：772-778.

[9] 鄭禮全，李賢慶，鐘寧寧.華北地區(qū)上古生代煤系有機(jī)質(zhì)熱演化與二次生烴探討[J].煤田地質(zhì)與勘探，2002，30(3)：21-25.

[10] 金強(qiáng)，馬國(guó)政，萬從禮，等.火成巖對(duì)石炭—二疊系煤巖二次生烴作用影響的研究[J]. 巖石學(xué)報(bào)，2012，28(3)：750-757.

[11] 張有生，秦勇，劉煥杰，等.沉積有機(jī)質(zhì)二次生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)研究[J]. 地球化學(xué)，2002，31(3)：274-282.

[12] 辛艷朋，邱楠生，李慧莉.塔里木盆地下古生界烴源巖二次生烴范圍研究[J].地球物理學(xué)報(bào)，2011，54(7)：1864-1872.

[13] 劉洛夫，王偉華，李術(shù)元.干酪根二次生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)研究[J].沉積學(xué)報(bào)，1995，13(增刊)：147-150.

[14] 宮色，李劍，張英，等.煤的二次生烴機(jī)理探討[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2002，24(6)：541-555.

[15] 冉啟貴.華北地區(qū)上古生界煤巖成烴及二次成烴研究[J].天然氣地球科學(xué)，1995，29(6)：13-17.

[16] 曾凡剛.華北地區(qū)下古生界海相碳酸鹽巖二次生烴作用機(jī)理研究[J].地質(zhì)地球化學(xué)，1998，26(3)：40-46.

編輯 劉兆芝

20151110；改回日期：20151225

國(guó)家重大科技專項(xiàng)“準(zhǔn)噶爾盆地碎屑巖層系大中型油氣田形成規(guī)律與勘探方向”(2011ZX05002-002)；中國(guó)石油化工股份有限公司重大科技攻關(guān)課題“新疆北部石炭系成烴成藏與勘探方向”(P12035)

曲彥勝(1986-)，男，工程師，2008年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)地質(zhì)學(xué)專業(yè)，2011年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球化學(xué)專業(yè)，獲碩士學(xué)位，現(xiàn)主要從事烴源巖評(píng)價(jià)與油氣成藏研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.008

TE122.2

A

1006-6535(2016)02-0031-05