川西北古生界烴源巖特征及生烴潛力評(píng)價(jià)

李琪琪,李 斌,劉羿伶,郝悅琪,鄭見(jiàn)超

(1.西南石油大學(xué)，四川 成都 610500；2.油氣藏地質(zhì)及開(kāi)發(fā)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610500)

0 引 言

川西北部地區(qū)隸屬于上揚(yáng)子地臺(tái)北緣的龍門(mén)山、米倉(cāng)山山前斷褶帶，揚(yáng)子陸塊北緣與秦嶺造山帶接合部。川西北及鄰區(qū)鉆井、野外露頭剖面等資料表明，區(qū)內(nèi)缺失石炭系，同時(shí)不同程度缺失泥盆系、中—上寒武統(tǒng)、下奧陶統(tǒng)和中—上志留統(tǒng)，其余地層層序正常[1-2]。

川西北地區(qū)是四川盆地近幾年勘探的熱門(mén)地區(qū)，但對(duì)于該區(qū)古生界烴源巖的研究工作相對(duì)較少，缺乏相對(duì)客觀的評(píng)價(jià)，且以往研究多局限于對(duì)其烴源巖特征的定性和半定量評(píng)價(jià)，對(duì)生烴潛力的研究比較少。因此，研究上古生界烴源巖生氣潛力對(duì)勘探有利區(qū)的選擇和油氣儲(chǔ)備評(píng)價(jià)具有重要意義[3]。對(duì)此，依據(jù)野外露頭和重點(diǎn)鉆井烴源巖發(fā)育特征與有機(jī)地球化學(xué)測(cè)試分析資料，力圖厘清古生界烴源巖的主要生烴層位和展布特征，確定烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度、類型及成熟度，并據(jù)此對(duì)川西北古生界各層位烴源巖的生烴強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算。另外，大量研究表明，世界多數(shù)盆地的油氣藏都主要分布在烴源灶范圍內(nèi)及其周圍，換言之，就是油氣田的分布受烴源巖控制，因此，根據(jù)有利烴源巖的分布對(duì)有利勘探區(qū)域進(jìn)行了預(yù)測(cè)，以期為油氣勘探提供科學(xué)依據(jù)。

1 烴源巖的展布特征

據(jù)前人研究，川西北地區(qū)古生界共發(fā)育6套烴源巖[4-6]，利用野外剖面細(xì)測(cè)和鉆井資料分析等手段，確定了該區(qū)烴源巖的分布特征為：下寒武統(tǒng)筇竹寺組烴源巖在廣元—?jiǎng)﹂w—綿陽(yáng)一帶厚度最大，達(dá)200 m以上，向蒼溪和江油地區(qū)逐漸減??；下志留統(tǒng)龍馬溪組烴源巖在研究區(qū)南部志留系已被剝蝕殆盡，僅在北部殘留部分地層[7-8]，其在廣元—旺蒼地區(qū)最厚，然后向西南部逐漸減薄，到蒼溪—?jiǎng)﹂w一帶尖滅；中二疊統(tǒng)棲霞組烴源巖在米倉(cāng)山南緣和江油—?jiǎng)﹂w地區(qū)厚度較大，蒼溪—梓潼地區(qū)烴源巖不發(fā)育；中二疊統(tǒng)茅口組烴源巖的厚度較大，其中在米倉(cāng)山南緣以及廣元—?jiǎng)﹂w地區(qū)厚度最大；上二疊統(tǒng)吳家坪組與龍?zhí)督M屬于同期異相沉積，在劍閣地區(qū)以及廣元—旺蒼一帶的厚度最大，在50 m以上，并向研究區(qū)南部逐漸減?。簧隙B統(tǒng)大隆組與長(zhǎng)興組也屬于同期異相沉積，大隆組烴源巖主要分布在長(zhǎng)江溝、廣元—旺蒼地區(qū)。而江油—梓潼一帶大隆組由盆地相變?yōu)殚_(kāi)闊臺(tái)地相的長(zhǎng)興組，烴源巖不發(fā)育(表1)。

綜上所述，該6套烴源巖中，筇竹寺組的厚度最大，一般為100～200 m，分布最廣，能為油氣的形成提供充足的物質(zhì)基礎(chǔ)，其次為茅口組；龍馬溪組和大隆組分布范圍有限，在廣旺地區(qū)對(duì)油氣的生成有一定的貢獻(xiàn)；棲霞組和吳家坪組，烴源巖厚度基本大于30 m，具備生成一定數(shù)量油氣的物質(zhì)條件。

表1 川西北二疊系古生界各層位烴源巖厚度統(tǒng)計(jì)

2 有機(jī)質(zhì)豐度與生烴潛力

巖石中有足夠數(shù)量的有機(jī)質(zhì)是形成油氣的物質(zhì)基礎(chǔ)，也是決定巖石生烴能力的主要因素[9]。通常采用有機(jī)質(zhì)豐度來(lái)代表巖石中有機(jī)質(zhì)的相對(duì)含量，衡量和評(píng)價(jià)烴源巖的生烴潛力[10]。研究區(qū)內(nèi)6套烴源巖的有機(jī)碳與氯仿瀝青“A”含量的分布特征相似，并且均顯示該6套烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，總體上為較好—好烴源巖(表2)。

另外，烴源巖元素組成、熱解氫指數(shù)和干酪跟碳同位素組成分析表明，中國(guó)南方海相烴源巖的成熟度很高[11-12]。川西北地區(qū)烴源巖實(shí)測(cè)Ro值多大于1.7%，說(shuō)明該地區(qū)烴源巖多數(shù)已經(jīng)達(dá)到成熟—高成熟階段，而實(shí)測(cè)巖石熱解參數(shù)(S1+S2)基本小于1.00 mg/g(表3)，大部分小于0.50 mg/g，若按照中國(guó)南方烴源巖的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，基本屬于非烴源巖或差烴源巖，這與實(shí)際并不相符。因此，如何評(píng)價(jià)高—過(guò)成熟階段碳酸鹽巖層系的生烴潛力成為人們一直關(guān)注的問(wèn)題。Peters和Cassa指出總有機(jī)碳并不是一個(gè)生油潛力的明確指標(biāo)，烴源巖是否有效必須根據(jù)其有機(jī)質(zhì)含量、有機(jī)質(zhì)類型和有機(jī)質(zhì)熱演化程度進(jìn)行判斷，并認(rèn)為有效烴源巖的生烴潛力(S1+S2)必須大于2.00 mg/g[11]。

表2 川西北古生界各層位烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)

根據(jù)梁狄剛等[11-12]建立的南方古生界海相泥巖和碳酸鹽巖的生烴潛力與有機(jī)碳的關(guān)系，對(duì)川西北二疊系烴源巖的泥巖和碳酸鹽巖進(jìn)行熱解生烴恢復(fù)(表3)。由恢復(fù)結(jié)果可看出，除金真村吳家坪組頁(yè)巖恢復(fù)后S1+S2呈現(xiàn)降低外，WJ1井茅口組炭質(zhì)泥巖以及通口棲霞組泥巖恢復(fù)后S1+S2值均大幅增加，特別是高演化泥巖，由恢復(fù)前的非烴源巖轉(zhuǎn)變?yōu)椴睢械葻N源巖。灰?guī)r與泥巖類似，中二疊統(tǒng)茅口組、棲霞組和上二疊統(tǒng)大隆組、龍?zhí)督M(吳家坪組)灰?guī)r恢復(fù)后S1+S2值大多為2.00～6.00 mg/g，平均值為3.07 mg/g，為較好的烴源巖，同時(shí)也有個(gè)別樣品恢復(fù)后S1+S2值降低，其原因可能與其熱演化程度本身處于成熟或低成熟階段有關(guān)，也有可能是由于測(cè)試和恢復(fù)過(guò)程中的誤差造成的。因此，海相烴源巖生烴潛力恢復(fù)只適用于高演化階段的泥巖和灰?guī)r，且只能反映烴源巖曾經(jīng)的生烴能力，成熟和低成熟泥巖和灰?guī)r不適合生烴潛力恢復(fù)[11]。由于中國(guó)南方海相烴源巖多數(shù)已處于高—過(guò)成熟階段，生烴潛力恢復(fù)有利于正確認(rèn)識(shí)海相油氣勘探。

表3 川西北地區(qū)二疊系烴源巖實(shí)測(cè)熱解生烴潛量與恢復(fù)生烴潛力

3 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型是決定烴源巖產(chǎn)烴量和烴類產(chǎn)物組成的重要因素之一[13-14]。根據(jù)研究區(qū)烴源巖的有關(guān)分析化驗(yàn)資料，運(yùn)用干酪根顯微組分法和干酪根碳同位素法，對(duì)研究區(qū)烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示，干酪根類型總體呈現(xiàn)出隨著地層年代的變新有機(jī)質(zhì)類型變差的趨勢(shì)。總的來(lái)說(shuō)，6套烴源巖有機(jī)質(zhì)類型都較好，其中龍?zhí)督M為煤系沉積，因此，其有機(jī)質(zhì)類型為典型的Ⅲ型。另外，就各層位相比較而言，筇竹寺組烴源巖有機(jī)質(zhì)類型最好，其次為龍馬溪組、茅口組和棲霞組(表4)。

表4 川西北古生界各層位烴源巖有機(jī)質(zhì)類型劃分

4 有機(jī)質(zhì)成熟度

在古生界地層中一般很難找到標(biāo)準(zhǔn)的鏡質(zhì)體，這給烴源巖成熟度的研究和定量評(píng)價(jià)帶來(lái)了一定的難度[15-16]。但由于烴源巖成熟度高，且有機(jī)質(zhì)類型好，在樣品中往往有固態(tài)瀝青賦存。采用豐國(guó)秀等[17]在四川盆地測(cè)定大量瀝青質(zhì)反射率的基礎(chǔ)上建立的鏡質(zhì)體反射率與瀝青質(zhì)反射率之間的關(guān)系，將川西北地區(qū)各井位以及野外剖面樣品的瀝青質(zhì)反射率(Rob)轉(zhuǎn)化成等效鏡質(zhì)體反射率(Ro)來(lái)判斷有機(jī)質(zhì)的成熟度，定量研究烴源巖的熱演化程度。結(jié)果表明，研究區(qū)的6套烴源巖鏡質(zhì)體反射率較大，總體處于高—過(guò)成熟階段(表5)。

巖石熱解峰溫(Tmax)也是評(píng)價(jià)烴源巖熱成熟度的重要參數(shù)。通過(guò)對(duì)5個(gè)層位的21個(gè)樣品進(jìn)行Tmax測(cè)定，可以看出，研究區(qū)烴源巖Tmax值較高，基本屬于高成熟—過(guò)成熟階段，且隨埋深的增加有增大的趨勢(shì)。這與利用鏡質(zhì)體反射率評(píng)價(jià)的結(jié)果基本一致(表5)。但也有少數(shù)樣品Tmax值偏小，其原因主要有以下2方面：①所采的樣品大部分是野外樣品或處于龍門(mén)山前斷裂帶上的探井巖心樣品，熱演化史相對(duì)復(fù)雜；②碳酸鹽巖烴源巖相對(duì)生烴滯后。另外，在相同成熟度條件下，干酪根的顯微組分不同可以使得Tmax異常。同時(shí)，可溶有機(jī)質(zhì)可以進(jìn)入S2峰也會(huì)使得Tmax降低。除此之外，巖石熱解實(shí)驗(yàn)時(shí)稱樣量等也可以對(duì)Tmax產(chǎn)生影響[18]。

表5 川西北古生界各層位烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度

5 生烴強(qiáng)度

生烴強(qiáng)度是烴源層厚度、有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型和成熟度的綜合反映，是衡量沉積盆地含油氣性的綜合指標(biāo)，沉積盆地生烴強(qiáng)度越高，油氣資源越豐富，含油氣性越好，因此，生烴強(qiáng)度的高低可以直接用來(lái)評(píng)價(jià)該區(qū)的生油氣能力和勘探前景。生烴強(qiáng)度最大值分布區(qū)即為生烴中心，其往往控制著油氣的富集部位，形成油氣勘探的有利區(qū)[12]。其與各參數(shù)相關(guān)定量關(guān)系如下[19-20]：

Q氣=HρTOCCkK氣

(1)

式中：Q氣為生氣強(qiáng)度，108m3/km2；H為烴源巖厚度，km；ρ為烴源巖密度，108t/km3，ρ泥為2.6×108t/km3，ρ灰為2.73×108t/km3；TOC為殘余有機(jī)碳含量，%；Ck為有機(jī)碳恢復(fù)系數(shù)；K氣為生烴率。

5.1 參數(shù)取值

(1) 有機(jī)碳恢復(fù)系數(shù)(Ck)。根據(jù)原四川石油管理局研究院地質(zhì)實(shí)驗(yàn)室的熱模擬實(shí)驗(yàn)資料建立起Ck-Ro關(guān)系[21](表6)。

表6 各類烴源巖有機(jī)碳恢復(fù)系數(shù)

(2)生烴率(K氣)。由于四川盆地?zé)N源巖的熱演化程度較高，難以獲取未成熟烴源巖。因此，采用在川西廣元上寺采集的二疊系烴源巖的熱模擬結(jié)果作為計(jì)算參數(shù)[21]。

5.2 計(jì)算結(jié)果

計(jì)算結(jié)果表明，平面上各層系烴源巖的生烴強(qiáng)度存在差異。由于龍馬溪組和大隆組分布范圍有限，對(duì)于研究區(qū)內(nèi)油氣生成的貢獻(xiàn)受到很大限制，因此，僅對(duì)在研究區(qū)內(nèi)分布較普遍的其余4套烴源巖的具體展布特征進(jìn)行研究(圖1、2)。

(1) 大隆組烴源巖生烴強(qiáng)度變化范圍為3.00×108～27.00×108m3/km2，生烴強(qiáng)度總體由東南向西北逐漸增大，平均生烴強(qiáng)度為7.35×108m3/km2，最大生烴強(qiáng)度分布在長(zhǎng)江溝—金真村一帶，朝天地區(qū)次之。

(2) 龍?zhí)督M(吳家坪組)烴源巖生烴強(qiáng)度變化范圍為1.00×108～23.00×108m3/km2，生烴強(qiáng)度總體由工區(qū)南北部向中部逐漸增大，平均生烴強(qiáng)度為6.62×108m3/km2，最大生烴強(qiáng)度分布在劍閣一帶，廣元礦山梁和米倉(cāng)山南緣地區(qū)次之。

(3) 茅口組烴源巖生烴強(qiáng)度變化范圍為1.00×108～30.00×108m3/km2，生烴強(qiáng)度總體在工區(qū)的中部和北部邊緣地區(qū)較大，平均生烴強(qiáng)度為9.00×108m3/km2，最大生烴強(qiáng)度分布在劍閣、廣元礦山梁一帶。

(4) 棲霞組烴源巖生烴強(qiáng)度變化范圍為2.00×108～19.00×108m3/km2，總體來(lái)說(shuō)，工區(qū)的西部和北部生烴強(qiáng)度較大，并向中部逐漸降低，平均生烴強(qiáng)度為3.42×108m3/km2，最大生烴強(qiáng)度分布在廣元車家壩、旺蒼以及田壩一帶。

(5) 志留系龍馬溪組烴源巖生烴強(qiáng)度變化范圍為3.00×108～32.00×108m3/km2，生烴強(qiáng)度較大，總體上由工區(qū)南部到北部逐漸增大。平均生烴強(qiáng)度為17.48×108m3/km2，研究區(qū)內(nèi)志留系烴源巖有2個(gè)生烴中心，分別在廣元和旺蒼一帶。

圖1川西北龍?zhí)督M(左)和茅口組(右)烴源巖生烴強(qiáng)度

(6) 下寒武統(tǒng)筇竹寺組烴源巖生烴強(qiáng)度變化范圍為30.00×108～110.00×108m3/km2，生烴強(qiáng)度總體由工區(qū)東部向西北和西南部逐漸增大，平均生烴強(qiáng)度為67.05×108m3/km2，最大生烴強(qiáng)度分布在廣元礦山梁和江油一帶。

圖2 川西北棲霞組(左)和筇竹寺組(右)烴源巖生烴強(qiáng)度

從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，下寒武統(tǒng)筇竹寺組平均生烴強(qiáng)度最大，為67.05×108m3/km2，且最大生烴強(qiáng)度達(dá)110.00×108m3/km2。其次為下志留龍馬溪組烴源巖和茅口組烴源巖，平均生烴強(qiáng)度分別為17.48×108m3/km2和9.00×108m3/km2，最大生烴強(qiáng)度分別為32.00×108m3/km2和30.00×108m3/km2。

研究區(qū)內(nèi)廣元朝天、旺蒼地區(qū)以及劍閣地區(qū)烴源巖層系發(fā)育，厚度大，分布面積廣，有機(jī)質(zhì)豐度較高，生烴強(qiáng)度大，氣源充足，具備形成大中型氣田的物質(zhì)基礎(chǔ)，是有利的勘探地區(qū)。

6 結(jié) 論

(1) 縱向上，研究區(qū)內(nèi)烴源巖分布層系多，其中下寒武統(tǒng)筇竹寺組的厚度最大，為20～300 m，其次為下志留統(tǒng)龍馬溪組和中二疊茅口組，分別為0～250 m和25～250 m；平面上，筇竹寺組、棲霞組和茅口組、吳家坪組(龍?zhí)督M)在研究區(qū)內(nèi)普遍發(fā)育，龍馬溪組和大隆組分布范圍有限，在研究區(qū)南部不發(fā)育。

(2) 研究區(qū)內(nèi)該6套烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高；有機(jī)質(zhì)類型好，主要為Ⅰ型、Ⅰ—Ⅱ1型以及Ⅱ1—Ⅱ2；成熟度較高，現(xiàn)今處于高成熟—過(guò)成熟階段，以生氣為主。

(3) 生烴強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果表明，筇竹寺組烴源巖平均生烴強(qiáng)度為67.05×108m3/km2，是區(qū)內(nèi)的主力烴源巖；龍馬溪組和茅口組平均生烴強(qiáng)度次之，分別為17.48×108m3/km2和9.00×108m3/km2，是區(qū)內(nèi)的次主力烴源巖。

(4) 研究區(qū)內(nèi)廣元朝天、旺蒼以西以及劍閣地區(qū)烴源巖厚度大，分布面積廣，有機(jī)質(zhì)豐度高，氣源充足，為該區(qū)的生烴中心，具備形成大中型氣田的物質(zhì)基礎(chǔ)，是下一步勘探的重點(diǎn)方向。

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