黔南坳陷下石炭統(tǒng)擺佐組暗色頁巖熱演化與生烴史研究

宋穎睿，侯宇光，劉宇坤，何 生，范志偉，梁雅琪，3

(1. 中國地質(zhì)大學(xué) 構(gòu)造與油氣資源教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430074；2.中國石化 勘探分公司，成都 610041； 3.湖北省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)測試中心，武漢 430034)

成熟度是評價(jià)頁巖有機(jī)質(zhì)生烴能力的重要參數(shù)，隨著頁巖氣研究的深入，研究者發(fā)現(xiàn)頁巖所經(jīng)受的熱演化歷史對頁巖儲(chǔ)層孔隙的發(fā)育、富集和破壞有著重要的影響。研究認(rèn)為，當(dāng)Ro達(dá)到0.6%～0.8%時(shí)有機(jī)質(zhì)孔隙開始發(fā)育[1-2]；有機(jī)質(zhì)孔隙的形成演化與生烴高峰期均隨著成熟度的增加發(fā)生協(xié)同變化，當(dāng)有機(jī)質(zhì)生烴能力枯竭、油氣二次裂解結(jié)束，有機(jī)質(zhì)孔隙度也隨之降低[3-4]；當(dāng)Ro超過3.5%之后，受有機(jī)質(zhì)碳化和后壓實(shí)作用影響，頁巖儲(chǔ)層遭受破壞，含氣性急劇降低[5]。頁巖氣勘探實(shí)踐表明，適當(dāng)?shù)臒嵫莼潭?Ro=1.3%～2.5%)是頁巖氣富集和保存的重要條件之一[6-7]。因此，恢復(fù)頁巖的埋藏—熱演化歷史對評價(jià)頁巖氣生烴歷史、儲(chǔ)集能力和含氣性有著重要的意義。

中國南方石炭系以海陸過渡相沉積為主，具有有機(jī)質(zhì)豐度中等、累計(jì)厚度大、單層厚度小、分布局限的特征，是潛在的頁巖氣勘探層系之一[6,8]。本文以黔南坳陷AS-1井為例，運(yùn)用盆地模擬技術(shù)，重建石炭系擺佐組頁巖埋藏—熱演化—生烴歷史，研究成果對明確石炭系擺佐組頁巖的頁巖氣勘探潛力、深入開展儲(chǔ)集能力和含氣性評價(jià)均具有實(shí)際意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

黔南坳陷的大地構(gòu)造位置處于揚(yáng)子古板塊的西南邊緣(圖1)，是以晚元古代晚期變質(zhì)巖系為基底，經(jīng)歷了多期成盆、海陸轉(zhuǎn)換形成的殘留洋盆地[9-10]。黔南坳陷的西北側(cè)以貴陽—鎮(zhèn)遠(yuǎn)斷裂為界與黔中隆起相接，東部與雪峰山隆起以銅仁—三都斷裂為界，西南以紫云—羅甸—南丹—都安斷裂為界并與羅甸斷坳為鄰，東南側(cè)與桂中坳陷以荔波斷裂為界[9-10]。黔南凹陷從下至上發(fā)育了下古生界、上古生界、中新生界3大構(gòu)造層,并可以劃分為“三凹一凸一斷階”5個(gè)次級構(gòu)造單元，它們是安順凹陷、長順凹陷、黃平淺凹、獨(dú)山鼻狀凸起和貴定斷階(圖1)。NNE-近SN、NW、NEE-近EW向3組規(guī)模不等的斷裂體系貫穿了整個(gè)黔南坳陷[9-12]。

圖1 黔南坳陷區(qū)域構(gòu)造單元?jiǎng)澐?/p>

黔南坳陷在元古代基底形成之后，經(jīng)歷了晚震旦—中奧陶世雪峰西緣被動(dòng)大陸邊緣裂陷盆地、晚奧陶世—志留紀(jì)前陸盆地、泥盆紀(jì)—中三疊世揚(yáng)子古陸西南陸緣裂陷盆地、晚三疊—早侏羅世前陸盆地和晚侏羅世—現(xiàn)今陸內(nèi)改造盆地等5個(gè)演化階段[9-10]。坳陷內(nèi)沉積巖厚度大于13 500 m，主要發(fā)育震旦系至三疊系海相地層。發(fā)生在二疊紀(jì)末期的東吳運(yùn)動(dòng)、中三疊世末期的印支造山運(yùn)動(dòng)和中侏羅世后的燕山—喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)，使得黔南坳陷遭受了強(qiáng)烈的變形、抬升和剝蝕。構(gòu)造變形強(qiáng)度由西向東逐漸加強(qiáng)，出露的地層逐漸變老，坳陷中東部主要為石炭—寒武系，西部出露二疊—三疊系。

黔南坳陷油氣顯示豐富，油氣苗和瀝青點(diǎn)合計(jì)160余處，主要分布于構(gòu)造活動(dòng)較強(qiáng)的東北部凱里一隅，以及坳陷北部邊緣一線[13]。受地層出露控制，研究區(qū)主要油氣苗和瀝青主要產(chǎn)出于奧陶和志留系及三疊系地層。經(jīng)前人研究，該地區(qū)已發(fā)現(xiàn)特大麻江古油藏、凱里殘余油氣藏等[12,14]。出露的二疊—石炭系的油氣顯示較少，但據(jù)李梅等[15]統(tǒng)計(jì)表明：二疊系貴定聞江寺剖面、石炭系平塘甘塞卡洛剖面均有油氣顯示的痕跡。多年的勘探實(shí)踐表明，油氣苗顯示活躍的地區(qū)，往往構(gòu)造活動(dòng)強(qiáng)烈，油氣保存條件差[16]。位于坳陷西部的安順凹陷，構(gòu)造變形強(qiáng)度弱，地表油氣顯示少，沉積蓋層厚度大，具有相對較好的保存條件，且有機(jī)質(zhì)生烴強(qiáng)度大，是油氣勘探的有利區(qū)[17-19]。

2 頁巖地球化學(xué)特征

AS-1井位于安順凹陷的普定復(fù)向斜帶，其中下石炭統(tǒng)擺佐組和二疊系龍?zhí)督M是主要的暗色有機(jī)質(zhì)頁巖發(fā)育層。擺佐組分布于4 017～4 705.5 m之間，厚約為688.5 m；上部主要為灰黑色鈣質(zhì)頁巖、鈣質(zhì)泥巖和泥質(zhì)灰?guī)r，中部主要由灰色灰?guī)r、泥質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r和深灰色灰質(zhì)泥巖組成，下部主要為深灰色、灰色灰?guī)r、含泥灰?guī)r和泥質(zhì)灰?guī)r。擺佐組單層泥頁巖厚度在1～11 m之間，平均厚度為3.83 m，總厚度為84.3 m。上覆巖層為石炭系中統(tǒng)黃龍組，下伏巖層為石炭系大塘組。

通過對AS-1井?dāng)[佐組17個(gè)頁巖樣品有機(jī)地球化學(xué)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析顯示(表1)：有機(jī)碳含量分布在0.28%～2.26%之間，平均0.874%，大于0.5%的樣品占64.71%，大于2.0%的占5.88%；生烴潛量(S1+S2)為0.09～1.57 mg/g，平均為0.508 mg/g；氯仿瀝青“A”為0.0053% ～0.1490%。據(jù)胡見義等[20]、秦建中等[21]提出的烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，如AS-1井?dāng)[佐組的有機(jī)碳含量和生烴潛量交會(huì)圖(圖2)所示，擺佐組頁巖絕大部分屬于差—中烴源巖。整體上，擺佐組泥頁巖具有相對較高的有機(jī)質(zhì)豐度和較低的生烴潛力。

表1 黔南坳陷AS-1井?dāng)[佐組暗色頁巖基本地球化學(xué)特征參數(shù)

AS-1井?dāng)[佐組7個(gè)樣品，鏡質(zhì)體反射率值(Ro)分布在1.77%～2.02%之間；H/C原子比值極低，分布在0.07～0.03之間；Tmax為381～510 ℃。說明該組已經(jīng)經(jīng)歷過深成階段后期到準(zhǔn)變質(zhì)階段。因此，利用AS-1井?dāng)[佐組巖石熱解和干酪根元素分析已無法有效地判斷有機(jī)質(zhì)類型及其成熟度信息(圖3)，同樣佐證了擺佐組頁巖已經(jīng)到達(dá)了高—過成熟階段。從干酪根的顯微組分分析顯示(表1)，擺佐組頁巖的有機(jī)質(zhì)類型是以Ⅱ1和Ⅱ2混合型為主。

3 頁巖埋藏—熱演化—生烴史模擬

3.1 模型選擇及參數(shù)選取

圖2 黔南坳陷AS-1井?dāng)[佐組生烴潛量(S1+S2)與TOC關(guān)系

黔南坳陷在泥盆紀(jì)—中三疊世屬于揚(yáng)子古陸西南陸緣裂陷盆地,故選用穩(wěn)態(tài)熱流模型進(jìn)行區(qū)域熱流史恢復(fù)。有機(jī)質(zhì)成熟度計(jì)算采用目前較為流行的EASY%Ro模型[22-23]。模擬過程所需的資料有：(1)地層巖性信息，來源于研究區(qū)鉆井的巖性錄井資料；(2)地層分層及厚度，來源于鉆井分層資料；(3)地層剝蝕厚度，根據(jù)鏡質(zhì)體反射率差值法和追溯對比前人資料所得；(4)地溫梯度及大地?zé)崃髦?，追溯前人資料所得；(5)擺佐組的烴源巖地球化學(xué)參數(shù)。

安順地區(qū)所在地區(qū)處于北緯26.14°東經(jīng)105.55°。根據(jù)前人對大地?zé)崃髦档臏y定，參考袁玉松等中國南方大陸地溫梯度圖、中國南方大陸大地?zé)崃鲌D[24]，以及汪洋等編制的中國大陸大地?zé)崃鲌D[25]，可得黔南坳陷現(xiàn)今地溫梯度大致為25 ℃/km較為合理，大地?zé)崃髦档淖兓秶s為40～45 mW/m2。

圖3 黔南坳陷AS-1井?dāng)[佐組泥頁巖有機(jī)質(zhì)類型劃分

3.2 重要?jiǎng)兾g期及剝蝕厚度的恢復(fù)

黔南坳陷主要經(jīng)過了東吳運(yùn)動(dòng)和印支運(yùn)動(dòng)以來的2個(gè)重要的剝蝕期。

3.2.1 東吳運(yùn)動(dòng)

在AS-1井可見到二疊系茅口組與龍?zhí)督M之間發(fā)育明顯的玄武巖，是沉積間斷和發(fā)生構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的重要標(biāo)志。何斌等[26]在對東吳運(yùn)動(dòng)性質(zhì)的厘定及其時(shí)空演變規(guī)律中指出，黔南坳陷上揚(yáng)子茅口組不僅存在差異剝蝕，且在貴州和廣西地區(qū)發(fā)育有古風(fēng)化殼帶，這再次證明了東吳運(yùn)動(dòng)確為一次實(shí)際存在的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。翻閱前人文獻(xiàn)，并未有文獻(xiàn)確切指出東吳運(yùn)動(dòng)在AS-1井位的剝蝕厚度，故參考朱傳慶等[27]對四川盆地及其周邊東吳運(yùn)動(dòng)時(shí)期剝蝕量的研究成果，并結(jié)合東吳運(yùn)動(dòng)在黔南坳陷西北部的剝蝕量大致為500～700 m，本文于此處取值500 m進(jìn)行一維盆地模擬的恢復(fù)。

3.2.2 印支期—燕山—喜馬拉雅期

通過對AS-1井?dāng)[佐組進(jìn)行鏡質(zhì)體反射率差值法恢復(fù)，可得到該期運(yùn)動(dòng)的地層剝蝕厚度約為4 750 m(圖4)。李梅等[14]對黔南桂中坳陷及周緣燕山—喜馬拉雅期剝蝕厚度研究成果也表明，研究區(qū)的剝蝕厚度約為4 500～5 000 m。李雙建等[28]對黔南坳陷東部獨(dú)山鼻狀凸起的北部凱里地區(qū)洛棉(LM)剖面進(jìn)行磷灰石裂變徑跡年代學(xué)分析結(jié)果也顯示，該期的剝蝕厚度大于4 360 m。并且，基于磷灰石封閉徑跡長度及磷灰石表現(xiàn)年齡來確定的剝蝕次數(shù)及剝蝕時(shí)間的關(guān)系表明，凱里地區(qū)至少經(jīng)歷了1次以上的剝蝕降溫—埋藏增溫的歷史，且至少在過程中受到了1～2次熱事件的干擾。

黔南坳陷的主要構(gòu)造格局在燕山期初步形成，在喜馬拉雅早期受到東西方向的擠壓應(yīng)力場強(qiáng)烈改造并定形[12]。這說明雖然黔南坳陷在不同構(gòu)造運(yùn)動(dòng)中均受抬升剝蝕作用，但因其受到的擠壓應(yīng)力的不同，故黔南坳陷的抬升速率和剝蝕速率都有所變化，再結(jié)合李雙建等[28]凱里洛棉剖面志留系磷灰石裂變徑跡的熱史模擬結(jié)果，對黔南坳陷AS-1井的地層缺失剝蝕速率及快慢進(jìn)行綜合分析?，F(xiàn)將AS-1井印支期—燕山—喜馬拉雅期以來的抬升剝蝕過程劃分為“慢—快—慢—快”4個(gè)階段，即：200～115 Ma之間，剝蝕速率較小，剝蝕厚度約1 040 m；115～78 Ma之間，剝蝕速率較大，剝蝕厚度約1 120 m；78～45 Ma時(shí)，剝蝕速率較小、且持續(xù)時(shí)間短，剝蝕厚度僅為390 m；在45 Ma以來，擺佐組經(jīng)歷了較為快速的抬升和剝蝕，剝蝕厚度約為2 200 m。

3.3 埋藏—熱演化史特征

如圖5b所示，單井模擬的地層溫度和成熟度曲線與實(shí)測地溫和鏡質(zhì)體反射率較為吻合，說明選用的模型和參數(shù)具備可行性，模擬結(jié)果較為合理。

單井一維埋藏史模擬結(jié)果表明(圖5)，研究區(qū)經(jīng)歷了2次抬升剝蝕的過程，在約269 Ma時(shí)經(jīng)歷了第一次短暫的抬升剝蝕，隨即在約261～196 Ma 時(shí)存在的快速沉降之后，經(jīng)歷了印支—燕山—喜馬拉雅期的長期抬升剝蝕。擺佐組的最大埋深可達(dá)9 000 m，對應(yīng)的最高溫度約為200 ℃，從其熱演化—成熟史可知，擺佐組從中石炭世(約312 Ma)開始進(jìn)入生烴門限，門限深度約為2 300 m，門限溫度約為90 ℃；在早—中二疊世(約278 Ma)時(shí)候達(dá)到中等成熟階段，對應(yīng)深度約為3 300 m，溫度約為117 ℃；在晚二疊世時(shí)達(dá)到晚期生油階段，此時(shí)深度約為4 400 m，溫度約為145 ℃；在早三疊世(約238 Ma)進(jìn)入過成熟階段，埋深約為4 950 m，溫度約為162 ℃[29]。

3.4 生烴史特征

圖5 黔南坳陷AS-1井?dāng)[佐組埋藏史—熱演化史模擬結(jié)果

圖6 黔南坳陷AS-1井?dāng)[佐組底部頁巖生烴速率和生烴史模擬

基于AS-1井的埋藏?zé)嵫莼纺M，采用生烴速率和生烴率來反映AS-1井?dāng)[佐組底界的生烴演化過程。如圖6所示，擺佐組泥頁巖早期以生油為主，中—晚期則以生氣為主，這與有機(jī)質(zhì)類型多為Ⅱ型，以及中晚期進(jìn)入過成熟階段相關(guān)。

從碳?xì)浠衔锂a(chǎn)率演化過程可以看出，擺佐組泥頁巖主要存在2個(gè)油氣生成階段。(1)生油過程：第一個(gè)階段發(fā)生在大約距今291～270 Ma，是擺佐組主要生油期，生油率從大約0.5 mg/(g·Ma)增加到21.3 mg/(g·Ma)，之后又迅速降低；第二個(gè)階段發(fā)生在東吳運(yùn)動(dòng)之后，距今260～246 Ma，其生油率大約從0.5 mg/(g·Ma)升高到9 mg/(g·Ma)，最高的生油量可達(dá)約350 mg/g，總生油量相對較低，生油速率亦遠(yuǎn)不及第一階段。在此之后，進(jìn)入高溫裂解生氣階段。(2)生氣演化：早期生氣階段大約發(fā)生在308～270 Ma，生氣率從大約0增加到4 mg/(g·Ma)，主要產(chǎn)物為生物氣—濕氣；在東吳運(yùn)動(dòng)之后，擺佐組進(jìn)入重要的高溫裂解生氣階段，距今262～208 Ma之間，其生氣率從大約0.1 mg/(g·Ma)迅速升高到13 mg/(g·Ma)，總生氣量約為240 mg/g。在發(fā)生于196 Ma以來的印支—燕山—喜馬拉雅運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的區(qū)域構(gòu)造抬升之前，擺佐組泥頁巖已經(jīng)結(jié)束了生烴過程[29]。

3.5 油氣地質(zhì)意義

從AS-1井?dāng)[佐組頁巖的烴源條件來看，17個(gè)頁巖樣品整體上具有較高的有機(jī)質(zhì)豐度和較低的生烴潛力，其有機(jī)質(zhì)類型是以Ⅱ1和Ⅱ2混合型為主。前人研究表明，黔南坳陷及周緣白虎坡剖面及平塘甘寨的擺佐組頁巖有機(jī)碳含量為1.12%～10.90%(平均為2.79%)，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ型為主，Ro為1.71%～2.22%[30]；黔北臺(tái)隆六盤水?dāng)嘞萸珥?井下石炭統(tǒng)舊司組頁巖TOC含量為0.60%～5.76%(平均為1.79%)，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ型為主，成熟度高達(dá)4.43%[31]。結(jié)合前人對鄰近地區(qū)石炭系頁巖綜合分析可知，黔南坳陷下石炭統(tǒng)泥頁巖具備較好的烴源條件，但不同地區(qū)具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性。

從AS-1井反映的黔南下石炭統(tǒng)泥頁巖的生烴過程及生烴強(qiáng)度來看，擺佐組泥頁巖主要存在2個(gè)油氣生成階段。擺佐組的主要生油期開始于中石炭世，主要生油期為中二疊世，持續(xù)到早三疊世結(jié)束；主要的生氣期開始于中二疊世，主要生氣期為中三疊世，持續(xù)到中侏羅世結(jié)束。但擺佐組的碳?xì)浠衔锷闪肯鄬^低，總生油量可達(dá)約350 mg/g，總生氣量約為240 mg/g。從非常規(guī)油氣角度而言，較高的熱演化程度使得其經(jīng)歷了完整的先生油再裂解生氣的過程，可為頁巖儲(chǔ)層提供充足的天然氣，而且在干酪根和油裂解生氣的過程中會(huì)產(chǎn)生大量的有機(jī)質(zhì)孔隙，為天然氣提供必要的存儲(chǔ)空間[32]。

從黔南下石炭統(tǒng)擺佐組的油氣儲(chǔ)存和破壞來看，上石炭統(tǒng)及二疊系、三疊系為烴源巖蓋層，為烴源巖的儲(chǔ)存提供了必要的條件。但除了二疊系發(fā)育一定厚度的碳質(zhì)頁巖之外，其他蓋層巖性主要是以碳酸鹽巖為主，封閉條件相對較差。且自早侏羅世以來的長期構(gòu)造抬升剝蝕，對儲(chǔ)層中油氣起到了一定的破壞作用。

4 結(jié)論

(1)黔南坳陷AS-1井石炭系擺佐組頁巖已經(jīng)達(dá)到高—過成熟階段，雖具有較高的有機(jī)質(zhì)豐度，但生烴潛量低，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ型。

(2)從碳?xì)浠衔锂a(chǎn)率演化過程可知，擺佐組頁巖的生油氣過程經(jīng)歷了2個(gè)階段，分別在二疊紀(jì)中期和三疊紀(jì)后期達(dá)到生油和生氣高峰。

(3)擺佐組頁巖經(jīng)歷了完整的先生油再裂解生氣的過程，可為頁巖氣的富集提供充足的甲烷氣和存儲(chǔ)空間，然而保存條件將是頁巖氣富集最重要的因素。

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