南黃海盆地南五凹油氣資源潛力再評價*
——基于生烴動力學(xué)數(shù)值模擬方法

仝志剛 席小應(yīng) 王 鵬 朱 雷

(1.中海油研究總院 北京 100028；2.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院 北京 102249)

南黃海盆地南五凹油氣資源潛力再評價*
——基于生烴動力學(xué)數(shù)值模擬方法

仝志剛1席小應(yīng)1王 鵬1朱 雷2

(1.中海油研究總院 北京 100028；2.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院 北京 102249)

南黃海盆地南部坳陷南五凹至今無商業(yè)油氣發(fā)現(xiàn)，前人對其油氣資源前景的評價也較差，而鄰區(qū)與其地質(zhì)背景相似的蘇北盆地高郵凹陷截至2011年底已發(fā)現(xiàn)探明石油地質(zhì)儲量2億t。為了進(jìn)一步闡明南五凹的油氣資源潛力，采用目前國際上通用的生烴動力學(xué)方法模擬烴源巖的生排烴史。通過烴源巖巖屑和原油瀝青質(zhì)樣品的熱模擬實驗數(shù)據(jù)計算生烴動力學(xué)參數(shù)，并以原油儲量的成熟度分布數(shù)據(jù)進(jìn)行驗證。研究結(jié)果表明，南五凹阜寧組烴源巖的生烴活化能僅為209 kJ/mol，低于典型湖相烴源巖的生烴活化能，烴源巖在低熟階段就可以大量生烴，具有早生、早排的特點；南五凹的排烴量可達(dá)29.5億m3，石油地質(zhì)資源量約為2.7億～4.1億m3，資源潛力可與蘇北盆地高郵凹陷媲美，下一步應(yīng)選擇匯油面積大、圈閉條件好的構(gòu)造實施鉆探。

南黃海盆地；南五凹；阜寧組；烴源巖；生烴動力學(xué)；活化能；成熟度；資源潛力

南五凹位于南黃海盆地南部坳陷，面積約1 800 km2，至今無商業(yè)油氣發(fā)現(xiàn)。以往的研究對該凹陷油氣資源前景評價較差，預(yù)測石油地質(zhì)資源量僅為0.5億～1.6億t[1-3]，而且其生烴量計算采用氯仿瀝青A法或者產(chǎn)烴率圖版法，這些方法屬于早期油氣資源評價中使用的方法。氯仿瀝青A法又稱“殘烴法”，其中生烴量計算的一個重要參數(shù)是排烴系數(shù)，而排烴系數(shù)的取值又有很大的不確定性[4-5]，故以此方法計算的生烴量存在很大的不確定性；產(chǎn)烴率圖版法盡管考慮了烴源巖的熱演化過程，但將實驗室高溫短時的數(shù)據(jù)直接應(yīng)用到地質(zhì)歷史過程中，生烴量的計算結(jié)果會產(chǎn)生很大的誤差[6-7]。本次研究從烴源巖的生烴動力學(xué)參數(shù)研究出發(fā)，在南黃海盆地南五凹首次采用目前國際上通用的生烴動力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)計算烴源巖的生烴量、排烴量，從而對南五凹的油氣資源潛力有了新的認(rèn)識。

1 生烴動力學(xué)參數(shù)選取

南五凹阜寧組阜二段和阜四段是主力烴源巖，均為咸水中深湖相沉積[8]，干酪根類型為Ⅰ—Ⅱ1型，以生油為主，所以采用開放體系的熱解實驗可以更為合理地分析烴源巖的生烴動力學(xué)參數(shù)[9-11]。巖心或巖屑是研究烴源巖的最直接樣品，但受到樣品代表性的影響，有時不能很好地代表主力烴源巖的特征。而原油瀝青質(zhì)的受熱產(chǎn)物和受熱過程中表現(xiàn)的特征均類似于干酪根[12-13]，從某種意義上說更能說明主力烴源巖的特性。如果是單一油源或油源相似，從原油瀝青質(zhì)分析得到的烴源巖生烴動力學(xué)參數(shù)更有代表性[14]。

1.1 熱模擬實驗分析

研究采用OGEⅡ(即油氣評價工作站)進(jìn)行恒速升溫、開放體系的熱模擬生烴實驗，分別將樣品在10、20、30、50 ℃/min的升溫速率條件下從300 ℃加熱到600 ℃，實時記錄烴產(chǎn)量與加熱時間，得到產(chǎn)烴率與溫度的關(guān)系。該測試方法具有樣品總量小(巖樣>1 g、瀝青質(zhì)>100 mg即可)、實驗周期短和數(shù)據(jù)連續(xù)性好等特點，特別適合海上低勘探程度的盆地缺乏大量的、高質(zhì)量的烴源巖巖心或巖屑樣品的情況。

分析樣品來自與南五凹相鄰的南四凹A井，該井在戴南組、阜四段和阜三段砂巖層段見到很好的油氣顯示，并且鉆遇了阜四段優(yōu)質(zhì)咸水湖相烴源巖，干酪根類型主要為Ⅰ—Ⅱ1型，成熟度較低，可以用來做熱模擬實驗(表1)。其中，1～3號樣品為阜四段巖屑中選出的塊狀泥巖，4～5號樣品為阜四段上覆地層戴南組砂巖巖心中的原油瀝青質(zhì)(抽提物)，6～10號樣品是阜四段深灰色泥巖巖屑可溶有機質(zhì)中分離出來的瀝青質(zhì)。

盡管離散模型可以更好地與實測數(shù)據(jù)保持一致，但為了便于對比，本次研究采用高斯模型表示活化能分布。應(yīng)用Zetaware公司的Trinity軟件包，固定頻率因子A為典型湖相烴源巖的頻率因子，為2.44×1014/s，以不同升溫速率下實測產(chǎn)烴率和溫度數(shù)據(jù)為約束條件，模擬計算活化能E和Sigma值。高斯分布的活化能E值代表了烴源巖烴轉(zhuǎn)化率為50%時的活化能，也就是生烴高峰期的活化能。Sigma值的大小決定了活化能分布范圍的寬窄：Sigma值大，活化能分布范圍寬，代表生烴開始早、結(jié)束晚，生烴持續(xù)時間較長；相反，Sigma值小，活化能分布范圍窄，說明生烴開始晚、結(jié)束也早，生烴持續(xù)時間較短。

表1 南黃海盆地南四凹A井烴源巖樣品信息Table 1 Source rock sample information of Well A， Nansi sag in South Yellow Sea basin

分析結(jié)果(表2)表明，南黃海盆地南部坳陷阜四段烴源巖的生烴活化能與原油瀝青質(zhì)的生烴活化能非常相近，二者平均活化能為209 kJ/mol，Sigma值為18,說明南黃海盆地南部坳陷阜寧組烴源巖的活化能低于典型湖相烴源巖(為221 kJ/mol)[15]，具有低熟生烴，早生、早排的特點(圖1)。顯然,在較低的熱演化條件下，阜寧組烴源巖的生烴能力要高于典型的湖相烴源巖,其Sigma值大于典型湖相烴源巖(為3.9)[15]，活化能分布較寬，生烴持續(xù)時間相對較長。

表2 南黃海盆地南部坳陷阜四段烴源巖生烴動力學(xué)參數(shù)計算結(jié)果Table 2 Source rock kinetic parameters of Fusi Member of the southern depression in South Yellow Sea basin

圖1 南五凹阜四段烴源巖和典型湖相烴源巖排烴曲線與有機質(zhì)成熟度關(guān)系圖Fig.1 Expulsion and maturity relationship map of the source rock of Fusi Member in Nanwu sag and the typical lacustrine source rock

1.2 分析結(jié)果檢驗

南黃海盆地南部坳陷南五凹與蘇北盆地高郵凹陷石油地質(zhì)條件非常相似[8,16],雖然南五凹至今尚無商業(yè)發(fā)現(xiàn)，但鄰區(qū)高郵凹陷截至2011年底已發(fā)現(xiàn)探明石油地質(zhì)儲量2億t。根據(jù)高郵凹陷原油成熟度進(jìn)行的探明地質(zhì)儲量數(shù)據(jù)統(tǒng)計表明[16]，源自阜四段的原油儲量中，成熟度為0.5%0.6%的原油無法區(qū)分(表3)。顯然，高郵凹陷主力烴源巖阜二段和阜四段在低熟階段(0.5%

表3 蘇北盆地高郵凹陷不同成熟度原油探明地質(zhì)儲量統(tǒng)計Table 3 Reserves in place of the different maturity of Gaoyou sag in Subei basin

注：儲量數(shù)據(jù)截至到2011年底，個別油田沒有成熟度資料。

高郵凹陷的石油探明程度較高，有研究預(yù)測石油地質(zhì)資源量近3億t[17]，探明率約為67%,因此，可以把目前已發(fā)現(xiàn)的原油看成是高郵凹陷石油總資源量的一個隨機子樣集，探明原油的成熟度分布可以近似地代表整個凹陷原油的成熟度分布特征。高郵凹陷原油探明儲量的成熟度分布特點說明阜寧組烴源巖確實在低熟階段可以大量生烴，進(jìn)一步驗證了南五凹巖屑和原油瀝青質(zhì)熱模擬實驗的分析結(jié)果。

阜寧組烴源巖生烴活化能低的特點可能與阜寧組沉積期海水入侵、沉積環(huán)境“咸化”、含硫量增大有關(guān)。分析表明，鄰區(qū)高郵凹陷三垛組、戴南組油藏原油含硫量0.7%～0.9%；阜寧組油藏的含硫量最高可達(dá)1.42%[18]，屬于中等含硫原油(0.5%～2.0%)級別，有別于典型湖相原油的低含硫特征(<0.5%),這種中等含硫特征與海相泥巖相似。含硫量的增大有利于干酪根裂解生烴，使烴源巖的生烴活化能降低[15]。

2 油氣資源潛力分析

受資源評價方法的局限，特別是自20世紀(jì)80年代至今在南黃海盆地南部坳陷南五凹沒有鉆井，一直認(rèn)為南五凹的油氣資源潛力有限。本次研究采用最新的、國際上流行的盆地模擬軟件——Trinity軟件包，在熱演化的基礎(chǔ)上利用生烴動力學(xué)模型，模擬烴源巖的生排烴史，從而獲得了對南五凹油氣資源潛力的新認(rèn)識。

2.1 烴源巖熱演化

盆地地?zé)釄鲈跁r空展布上是不同的，地溫梯度的變化在平面上受控于沉積基底的埋深和軟流圈頂界深度的變化，在時間上受控于構(gòu)造演化。烴源巖熱演化研究方法參見文獻(xiàn)[19]。

南五凹3口鉆井具有實測Ro和井底溫度資料[20]。根據(jù)文獻(xiàn)[21-22],利用校正后的地溫和Ro數(shù)據(jù)做標(biāo)定，模擬了這3口井的一維熱演化史,進(jìn)而分析了南五凹地溫梯度的空間變化。南五凹現(xiàn)今地溫梯度介于2.5～3.2℃/100 m,總體上凹陷沉積中心地溫梯度低，凹陷周緣或凸起地溫梯度高(圖2)。南五凹地溫梯度及其在平面上的變化規(guī)律與高郵凹陷相似[23]。

在此基礎(chǔ)上模擬了主力烴源巖阜二段和阜四段的有機質(zhì)成熟度，結(jié)果顯示烴源巖的成熟度總體較低，具體表現(xiàn)為：阜二段底界烴源巖大部分面積處于低熟階段(0.5%

圖2 南五凹地溫梯度展布圖Fig.2 Geothermal gradient map of Nanwu sag

圖3 南五凹阜二段底界烴源巖成熟度圖Fig.3 Maturity map at the bottom of the Fuer Member in Nanwu sag

圖4 南五凹阜四段底界烴源巖成熟度圖Fig.4 Maturity map at the bottom of the Fusi Member in Nanwu sag

2.2 排烴史與油氣資源潛力

南五凹阜寧組中深湖相“咸水”腐泥質(zhì)烴源巖在盆地內(nèi)分布廣泛，在凹陷中心和緩坡帶均有分布[8]。主力烴源巖阜四段平均有機碳為1.91%，氫指數(shù)為514 mg/g；阜二段烴源巖平均有機碳約為1.49%，推測其氫指數(shù)與阜四段相似[16]。排烴史模擬顯示，阜寧組烴源巖以排油為主，阜二段烴源巖排油量為16.3億m3，阜四段烴源巖排油量為13.2億m3，合計排油量為29.5億m3；阜二段和阜四段烴源巖均有2個排烴期，分別為古近紀(jì)和新近紀(jì)至現(xiàn)今(圖5)，其中第2個排烴期均為主要排烴期，其排油量分別占各層段總排油量的71%和85%?？梢?，南五凹新近紀(jì)之前形成的構(gòu)造更有利于烴類的聚集成藏。

資源量的預(yù)測采用排烴量乘以聚集系數(shù)的方法獲得。由于南五凹與高郵凹陷在地質(zhì)結(jié)構(gòu)和石油地質(zhì)條件上非常相似，所以聚集系數(shù)取自高郵凹陷的研究結(jié)果。高郵凹陷排油量為24億t[24]，如果取原油密度為0.85 g/cm3，則折算成體積為28億m3。南五凹的排油量為29.5億m3，略大于高郵凹陷，如果以高郵凹陷石油聚集系數(shù)9%～14%[25]估算，南五凹石油地質(zhì)資源量大約有2.7億～4.1億m3?？梢?，南五凹的油氣資源潛力可與高郵凹陷媲美，至少可以發(fā)現(xiàn)2億t石油,下一步應(yīng)選擇匯油面積大、圈閉條件好的構(gòu)造實施鉆探，爭取早日獲得突破。

圖5 南五凹阜二段和阜四段烴源巖瞬時排油史圖Fig.5 Oil expulsion rate map of the Fuer Member and Fusi Member in Nanwu sag

3 結(jié)論及建議

1) 在南黃海盆地南部坳陷南五凹首次采用目前國際上通用的生烴動力學(xué)數(shù)值模擬技術(shù)計算烴源巖的生、排烴量，獲得了油氣資源潛力的新認(rèn)識。南五凹阜寧組烴源巖的生烴活化能約為209 kJ/mol，小于典型湖相烴源巖的生烴活化能221 kJ/mol，所以南五凹烴源巖具有低熟生烴，早生、早排的特點。南五凹的石油地質(zhì)資源量最大可達(dá)4.1億m3，可與蘇北盆地的高郵凹陷媲美。由于烴源巖主要排烴期即新近紀(jì)以來排烴量大，因此該地區(qū)新近紀(jì)之前形成的構(gòu)造更有利于烴類的聚集成藏，下一步應(yīng)選擇匯油面積大、圈閉條件好的構(gòu)造實施鉆探。

2) 為了客觀地表征烴源巖的生烴過程，建議采用生烴動力學(xué)方法模擬恢復(fù)烴源巖的生烴史，其中生烴動力學(xué)參數(shù)的研究應(yīng)盡可能采用烴源巖、原油瀝青質(zhì)樣品進(jìn)行熱模擬實驗分析，有條件的情況下利用原油儲量的成熟度分布數(shù)據(jù)做檢驗，以減小研究結(jié)果的不確定性。

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(編輯：周雯雯)

Reevaluation of hydrocarbon resource potential in Nanwu sag of the South Yellow Sea basin: based on the numerical modeling method of hydrocarbon generation kinetics

TONG Zhigang1XI Xiaoying1WANG Peng1ZHU Lei2

(1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China; 2.GeosciencesCollege,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

No commercial hydrocarbon is discovered till now in Nanwu sag of the southern depression in the South Yellow Sea basin, and the hydrocarbon resources potential evaluation is poorer by previous research.However, about 200 million tons oil reserves in place were discovered by the end of 2011 in Gaoyou sag of Subei basin, which is nearby the South Yellow Sea basin and both have the similar geological features.To further evaluate the resource potential in Nanwu sag more clearly, the generation kinetics model widely used internationally is adopted to simulate the generation and expulsion history of source rock, in which the parameters of the generation kinetics model are from Rock-Eval analysis of samples of the source rock and the asphaltenes, and are confirmed by the maturity distribution of reserves in place.Results show that the activation energy of the Funing source rock is 209 kJ/mol which is lower than typical lacustrine source rock, and hydrocarbon can be generated in lower maturity.The Funing source rock has the characteristics of early generating and expelling.The oil expulsion amount is up to 2 950 million m3, and the resources of oil in place is about 270 million～410 million m3, which is comparable with that of Gaoyou sag.Next step wells should be drilled in the prospects with larger hydrocarbon accumulation area and better trap conditions to get commercial discovery much early.

South Yellow Sea basin; Nanwu sag; Funing Formation; source rock; hydrocarbon generation kinetics; activation energy; maturity; resource potential

仝志剛：男，高級工程師，畢業(yè)于中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，獲博士學(xué)位，主要從事盆地分析與模擬工作。地址：北京市朝陽區(qū)太陽宮南街6號院(郵編：100028)。E-mail:tongzhg@cnooc.com.cn。

1673-1506(2017)01-0023-06

10.11935/j.issn.1673-1506.2017.01.003

仝志剛,席小應(yīng),王鵬，等.南黃海盆地南五凹油氣資源潛力再評價——基于生烴動力學(xué)數(shù)值模擬方法[J].中國海上油氣，2017,29(1)：23-28.

TONG Zhigang,XI Xiaoying,WANG Peng,et al.Reevaluation of hydrocarbon resource potential in Nanwu sag of the South Yellow Sea basin: based on the numerical modeling method of hydrocarbon generation kinetics[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(1):23-28.

TE121.1+5

A

2016-07-01 改回日期：2016-09-07

*“十二五”國家科技重大專項“近海富烴凹陷資源潛力再評價和新區(qū)、新領(lǐng)域勘探方向(編號：2011ZX05023-001)”部分研究成果。