臨興地區(qū)本溪組泥頁巖生烴潛力及生烴量研究

吳 翔 吳建光 高向東

(1.中聯(lián)煤層氣有限責(zé)任公司，北京 100016；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，北京 100083)

鄂爾多斯盆地東緣非常規(guī)天然氣資源豐富，以致密氣、頁巖氣、煤層氣為代表的非常規(guī)天然氣成為近年來勘探開發(fā)的焦點(diǎn)。臨興地區(qū)發(fā)現(xiàn)了致密氣工業(yè)氣流，前期勘探成果表明，該地區(qū)頁巖氣同樣具有資源潛力。生烴潛力是頁巖氣勘探開發(fā)的前提，生烴量的恢復(fù)為頁巖氣的資源量評價奠定了基礎(chǔ)，因此該研究為研究區(qū)的頁巖氣的勘探開發(fā)提供理論指導(dǎo)。

圖1 鄂爾多斯盆地構(gòu)造單元

1 區(qū)域地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地為一大型多旋回克拉通盆地，根據(jù)基底性質(zhì)、構(gòu)造發(fā)展演化史及構(gòu)造特征，盆地可劃分為西緣逆沖帶、天環(huán)坳陷、伊陜斜坡、渭北撓褶帶、晉西撓褶帶和伊盟隆起等6個一級構(gòu)造單元(圖1)。臨興區(qū)塊屬于晉西撓褶帶，研究區(qū)本溪組—石盒子組構(gòu)造繼承性較好，構(gòu)造形態(tài)基本一致，總體構(gòu)造相對簡單，地層傾角不大。石炭系-二疊系早期是一套以潮坪-瀉湖-障壁島-碳酸鹽臺地沉積為主的障壁海岸沉積，沉積環(huán)境縱向演化由海相-海陸過渡相。區(qū)域石炭-二疊系地層發(fā)育相對完整。自下而上有本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組。其中，本溪組屬于石炭系底部，沉積環(huán)境屬于濱海淺水沉積。

2 泥頁巖厚度

圖2 本溪組泥頁巖厚度等值線

臨興地區(qū)本溪組平均厚度為64m，為一套潮坪相沉積。頂部為一套煤層，其下為灰色泥巖、碳質(zhì)泥巖和灰白色中砂巖。底部為一套灰色灰?guī)r，泥晶結(jié)構(gòu)且較為致密。本溪組發(fā)育多套泥巖，泥巖以灰色、深灰色、灰黑色為主，深色泥巖含碳質(zhì)，與砂巖、煤頻繁互層發(fā)育。層內(nèi)泥頁巖累計厚度總體較薄，累積厚度為0～50m，區(qū)塊北部及中部泥頁巖較其他地區(qū)發(fā)育，累計厚度在30m之上，其他地區(qū)均小于30m，單層最大厚度普遍在15m以下，厚度區(qū)域變化較大(圖2)。泥巖厚度受控于泥巖發(fā)育時的沉積環(huán)境，一般而言，泥巖厚度較大的地方，常為區(qū)域沉降中心，較快的沉降速度導(dǎo)致可容空間的增長速度大于沉積物的供給速度，因此，沉積物的粒度較細(xì)，厚度較大。

3 泥頁巖生烴潛力

3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

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)，是決定巖石生烴能力的主要因素，通常用有機(jī)質(zhì)豐度表示。有機(jī)質(zhì)豐度的指標(biāo)很多，其中TOC是國內(nèi)外普遍采用的有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)。

本溪組32個樣品的總有機(jī)碳含量分析結(jié)果表明，本溪組泥頁巖TOC在0.11%～9.1%范圍內(nèi)，平均為2.99%，根據(jù)TOC分布頻率圖顯示，TOC主要集中在1%～4%范圍內(nèi)，可見研究區(qū)本溪組泥頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度較高(圖3)。從TOC平面分布特征來看，本溪組泥頁巖TOC主要分布在區(qū)塊的東北部及西南部，TOC含量均在3%以上，北部受潮汐水道影響的地區(qū)有機(jī)質(zhì)含量普遍低(圖4)。

圖3 本溪組泥頁巖總有機(jī)碳含量

圖4 本溪組泥頁巖TOC平面分布

3.2 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型在決定了烴源巖生油氣的類型，一般劃分Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型三大類，我國學(xué)者將Ⅱ型細(xì)化為Ⅱ1和Ⅱ2兩類。研究區(qū)本溪組泥頁巖有機(jī)質(zhì)干酪根類型分析表明，研究區(qū)本溪組泥頁巖干酪根類型均以Ⅱ、Ⅲ型干酪根為主，即有機(jī)質(zhì)類型以混合型-腐植型為主，偏生氣型(圖5)。這主要是因?yàn)檠芯繀^(qū)在石炭-二疊系主要為海陸過渡相沉積環(huán)境，有機(jī)質(zhì)主要來源于高等陸生植物，所以有機(jī)質(zhì)類型主要以Ⅲ型干酪根為主。有機(jī)質(zhì)類型在平面分布差異并不是很大，這主要是研究區(qū)在當(dāng)時屬于類似的沉積環(huán)境所致。

圖5 本溪組泥頁巖有機(jī)質(zhì)類型

3.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

泥頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度和類型是油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，但是有機(jī)質(zhì)只有達(dá)到一定的成熟度才能開始大量生烴，因此，有機(jī)質(zhì)成熟度的評價對于泥頁巖生烴潛力而言非常重要。成熟度的研究方法很多，本次采用鏡質(zhì)體反射率(RO)和巖石熱解溫度來表征。RO被認(rèn)為是目前干酪根熱演化和成熟度的最佳參數(shù)之一。根據(jù)RO測試數(shù)據(jù)，研究區(qū)有機(jī)質(zhì)RO基本在1.3左右，靠近紫金山火山隆起區(qū)附近的RO可達(dá)3.8左右，但是一般而言，巖漿的影響范圍有限，紫金山外圍區(qū)域?qū)儆谡５姆瓷渎?圖6)。由RO可知，研究區(qū)泥頁巖屬于高成熟烴源巖，這對油氣生成來說至關(guān)重要，生烴量具有理論保障。

圖6 本溪組有機(jī)質(zhì)反射率分布

一般情況，成熟度越高，巖石的最高熱解溫度越大，但不同的有機(jī)質(zhì)的界限有所不同。熱解實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研究區(qū)本溪組泥頁巖最高熱解溫度Tmax在312～578℃之間，平均為491℃，最高熱解溫度很高，也就是說本溪組泥頁巖進(jìn)入生氣窗。從平面分布來看，自北向南隨著埋深的增加，成熟度逐漸變大，中部地區(qū)紫金山對成熟度局部影響明顯，如LX-23井本溪組泥頁巖Tmax溫度達(dá)到541℃，主要是由于紫金山火山巖漿熱液順層侵入的影響導(dǎo)致局部成熟度異常(圖7)。

圖7 本溪組泥頁巖Tmax等值線

圖8 生烴量計算過程

4 泥頁巖生烴量

生烴量計算對于了解烴源巖的歷史最大生烴量以及產(chǎn)層的開發(fā)潛力意義重大。目前國內(nèi)外用于動態(tài)評價不同時期的生烴量有兩種方法，一是模擬實(shí)驗(yàn)法，二是化學(xué)動力學(xué)方法。其中排烴效率的方法主要有6種，即殘留烴量法、多相滲流理論法、生烴勢法、含烴飽和度法、熱模擬實(shí)驗(yàn)法和物質(zhì)平衡法。由于目前工區(qū)掌握的資料有限，此次生排烴量計算方法參考了前人的研究成果，具體流程如下(圖8)。根據(jù)該方法計算的生烴量見表1。計算結(jié)果顯示，臨興地區(qū)本溪組泥頁巖生烴量為0.33～10.69mg/g，平均為5.42mg/g，排烴量為0.31～9.82mg/g，平均為4.14mg/g，排烴效率為41%～97%，平均為75%，排烴效率很高。

表1 本溪組泥頁巖生排烴相關(guān)參數(shù)表