惠民凹陷煤巖生烴動(dòng)力學(xué)及勘探有利區(qū)預(yù)測(cè)

鄭 歡, 張銀聯(lián), 江 峰, 楊 蕓, 朱遂琿

(1.長(zhǎng)江大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，武漢 430100;2.中國(guó)石油塔里木油田公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000；3.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318; 4.中國(guó)石油青海油田測(cè)試公司，甘肅 敦煌 736202; 5. 中國(guó)石油西南油氣田分公司川西北氣礦，四川 綿陽(yáng)，621700)

目前，中國(guó)明顯加快了煤成氣作為非常規(guī)能源的勘探步伐，陸續(xù)在東北、西北、華北及華南等地找到了煤型氣藏。勘探實(shí)踐表明，煤成氣藏的發(fā)育位置和規(guī)模受煤系烴源巖性質(zhì)、演化史及保存條件的控制，因此，系統(tǒng)研究烴源巖，分析其成藏的控制因素，預(yù)測(cè)潛力區(qū)，對(duì)于后續(xù)煤成氣藏的勘探具有較大的現(xiàn)實(shí)意義[1-3]。

惠民凹陷作為中國(guó)典型的煤型氣藏，從20世紀(jì)80年代開(kāi)展勘探以來(lái)，已經(jīng)陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了多個(gè)煤成氣藏，展示了良好的潛力?；菝癜枷莅l(fā)育于華北中北部，隸屬濟(jì)陽(yáng)拗陷的一個(gè)Ⅱ級(jí)構(gòu)造帶。全區(qū)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)相對(duì)穩(wěn)定，主要發(fā)育北東東和北北東向斷層，可分為濟(jì)陽(yáng)地塹帶、西南緩坡帶、王判鎮(zhèn)潛山帶和曲堤潛山構(gòu)造帶4個(gè)構(gòu)造帶，勘探面積達(dá) 5 000 km2以上(圖1)。目前，惠民凹陷石炭-二疊系煤成氣地層處于相對(duì)較低的勘探階段，迫切需要對(duì)該區(qū)烴源巖進(jìn)行系統(tǒng)性研究[4-5]。

本文在分析烴源巖平面發(fā)育、豐度、類(lèi)型及成熟度基礎(chǔ)上，采用高壓釜模擬實(shí)驗(yàn)與動(dòng)力學(xué)模型融合的方法，擬合煤巖有機(jī)質(zhì)成氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)；結(jié)合研究區(qū)的構(gòu)造演化史，定量模擬煤巖生氣過(guò)程；最后，根據(jù)研究區(qū)儲(chǔ)蓋特征，預(yù)測(cè)未來(lái)有利勘探區(qū)。

圖1 研究區(qū)平面位置及構(gòu)造特征Fig.1 Structural features and location of the study area

1 烴源巖特征

惠民凹陷普遍發(fā)育石炭-二疊系煤巖地層，厚度為15～33 m，平均為25 m。東北部最厚，達(dá)28 m以上；濟(jì)陽(yáng)地塹周?chē)畋?，?gòu)造抬升作用致使其煤層剝蝕減薄，厚度基本小于15 m。烴源巖的大面積發(fā)育，顯示該地區(qū)具有良好的生烴基礎(chǔ)。

1．1 烴源巖類(lèi)型

表1為惠民凹陷煤巖樣品的地球化學(xué)參數(shù)分析結(jié)果，從有機(jī)顯微組分含量上看，呈鏡質(zhì)組>惰質(zhì)組>殼質(zhì)組>腐泥組的特征。其中鏡質(zhì)組的體積分?jǐn)?shù)高達(dá)85%以上，且樣品干酪根δ13C 值為-23.4‰～-27.6‰，說(shuō)明惠民凹陷煤具有腐植煤特征，屬于Ⅲ類(lèi)烴源巖[6]。

表1 惠民凹陷煤巖樣品基本地球化學(xué)參數(shù)Table 1 The basic geochemical parameters of coal and rock samples from Huimin Depression

據(jù)H/C與O/C關(guān)系(圖2)，樣品大多處于Ⅲ型區(qū)，少量分散于Ⅱ型區(qū)，顯示惠民凹陷煤巖樣品大多屬于腐殖型干酪根母質(zhì)，含少量混合型母質(zhì)。

圖2 H/C與O/C關(guān)系及母質(zhì)類(lèi)型分析Fig.2 Relationship between H/C and O/C and the analysis of the parent material types

1．2 有機(jī)質(zhì)豐度和成熟度

有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wTOC)和鏡質(zhì)體反射率(Ro)為常用的豐度指標(biāo)和成熟度指標(biāo)?；菝癜枷菝簬rwTOC為40%～90%，豐度大、生氣潛力高；Ro值為0.7%～1.3%，tmax為424～456℃，說(shuō)明該區(qū)烴源巖進(jìn)入成熟-高成熟階段[7]。

惠民凹陷煤巖的有機(jī)質(zhì)豐度和成熟度指標(biāo)分析表明，該區(qū)具有煤成氣成藏的物質(zhì)和成熟條件。

1．3 生物標(biāo)志化合物

惠民凹陷煤樣生物標(biāo)志化合物分析表明(圖3)，該區(qū)具有低含量的C27甾烷和高含量的C29甾烷，Tm>Ts，孕甾烷/ααα-20R-C29甾烷、ααα-20R-C27/C29甾烷比值分別為0.06和0.12，顯示惠民凹陷烴源巖來(lái)源于原生陸地高等植物。

2 生烴動(dòng)力學(xué)方法

自從B.P.Tissot等[8]提出生烴動(dòng)力學(xué)理論及方法以來(lái)，經(jīng)歷了近20年的發(fā)展，已經(jīng)成為定量研究源巖生烴過(guò)程的有效方法。生烴動(dòng)力學(xué)方法以模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以化學(xué)動(dòng)力學(xué)理論和算法為核心，結(jié)合研究區(qū)的沉積演化特征參數(shù)，評(píng)估烴源巖在不同地質(zhì)時(shí)代的生烴能力。

2.1 煤巖樣品模擬實(shí)驗(yàn)

用于生氣模擬實(shí)驗(yàn)的樣品應(yīng)滿足2個(gè)條件，一是樣品成熟度不能過(guò)高，以便觀察天然氣的生成過(guò)程；二是有機(jī)質(zhì)豐度能代表研究區(qū)的烴源巖。擇取曲古1井煤巖巖心作為模擬實(shí)驗(yàn)樣品，其地球化學(xué)指標(biāo)如表2。

表2 曲古1井志留系煤巖樣品的地球化學(xué)指標(biāo)Table 2 Geochemistry of Silurian coal rock samples from Well QG-1

模擬實(shí)驗(yàn)裝置為高壓釜，其優(yōu)點(diǎn)是封閉性好，計(jì)量精度高。實(shí)驗(yàn)過(guò)程：首先以250℃溫度為起點(diǎn)，分別以10℃/min、30℃/min的速率升至600℃；然后恒溫2 min，以30℃為間隔、利用PY-GC計(jì)量天然氣的產(chǎn)量；最后將每個(gè)溫度間隔生成的天然氣量與天然氣總量相除，計(jì)算得到天然氣產(chǎn)率與溫度的關(guān)系曲線(圖4)。從圖上能得到如下認(rèn)識(shí)：①實(shí)驗(yàn)點(diǎn)與計(jì)算曲線擬合關(guān)系好；②不同速率的天然氣產(chǎn)率曲線特征一致，呈指數(shù)型，天然氣產(chǎn)率隨溫度的升高而增大；③400～450℃為生氣高峰段，體現(xiàn)出煤巖樣品具有生氣高峰期特征。

圖3 煤巖樣品生物標(biāo)志化合物分析Fig.3 Analysis of biomarker compound of coal samples

圖4 天然氣產(chǎn)率與溫度的關(guān)系曲線Fig.4 Relation curve of natural gas yield and temperature

2.2 求取煤生氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)

生氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)包括活化能(Ei)、指前因子(Ai)和原始潛量(Gio)，其中指前因子采用固定值不變，其優(yōu)勢(shì)在于保證模型運(yùn)算的穩(wěn)定性和可對(duì)比性。選取有限個(gè)(N)、并列一級(jí)反應(yīng)模型作為參數(shù)運(yùn)算模型，其公式為[9]

其中：Gi為生氣量；i為反應(yīng)序號(hào)(i=1,2,3,…,N)；T為反應(yīng)的熱力學(xué)溫度；D為溫度變化速率；R是氣體常量,R=8.31 kJ/(mol·K)?；趯?shí)驗(yàn)分析得到的煤巖樣品生氣率曲線，采用該動(dòng)力學(xué)算法，分別計(jì)算出活化能、指前因子、原始潛量參數(shù)。

圖5為煤巖樣品生氣的活化能、指前因子、原始潛量參數(shù)分布圖，活化能為230～270 kJ/mol，指前因子為7.0×1012。

圖5 煤巖樣品生氣的動(dòng)力學(xué)參數(shù)分布Fig.5 Distribution of dynamic parameters of gas formation of the coal and rock samples

2.3 生氣演化史

惠民凹陷經(jīng)歷了3次較為強(qiáng)烈的構(gòu)造活動(dòng)，分別為三疊紀(jì)的印支活動(dòng)期(以構(gòu)造沉降為主)、侏羅-白堊紀(jì)的燕山活動(dòng)期(以構(gòu)造抬升為主)和新生代的喜馬拉雅活動(dòng)期(調(diào)整、再沉降)，平均地下熱流值分別是1.5 HFU、3.0 HFU、1.65 HFU。熱流值越大，表明古地溫越高，侏羅-白堊紀(jì)的燕山活動(dòng)期，目的層經(jīng)歷了較高的溫度，有利于烴源巖成熟演化。

基于惠民凹陷源巖各地質(zhì)時(shí)期實(shí)際經(jīng)歷的溫度及演化時(shí)間，結(jié)合模擬實(shí)驗(yàn)得到的生氣動(dòng)力學(xué)參數(shù)，利用一級(jí)反應(yīng)運(yùn)算模型，模擬惠民凹陷石炭-二疊系源巖生氣演化史。圖6即為惠民凹陷石炭-二疊系源巖生氣演化史曲線，可以看到其具有2次生氣特征：第一次生氣發(fā)生于260～200 Ma B.P.，為源巖初步進(jìn)入成熟階段，Ro為0.7%～0.8%，累計(jì)生氣率達(dá)40%；第二次生氣發(fā)生于80～55 Ma B.P.，該地質(zhì)時(shí)期熱流值和溫度高，導(dǎo)致石炭-二疊系源巖發(fā)生第二次生氣，累計(jì)生氣率達(dá)75%，Ro為0.8%～1.2%[10]。

圖6 石炭-二疊系源巖生氣演化史曲線Fig.6 Curve of gas evolution history of Carboniferous-Permian source rocks

3 勘探有利區(qū)預(yù)測(cè)

惠民凹陷大面積發(fā)育石炭-二疊系煤巖地層，具有良好的煤成氣成藏的物質(zhì)和成熟條件。而且在惠民凹陷發(fā)育優(yōu)質(zhì)的古生代砂巖儲(chǔ)層及沙三段-沙四段的大套泥巖蓋層，具有良好的生儲(chǔ)蓋組合。根據(jù)研究區(qū)埋藏史及構(gòu)造史的研究，參考包裹體分析數(shù)據(jù)，顯示研究區(qū)具有2期天然氣成藏，對(duì)應(yīng)時(shí)間為三疊世(260～200 Ma B.P.)和白堊紀(jì)-第三紀(jì)末(80～55 Ma B.P.)，與研究區(qū)煤系源巖的2次生氣期具有對(duì)應(yīng)關(guān)系[11]。由于火山活動(dòng)，第一期形成的天然氣藏散失掉了，因此惠民凹陷應(yīng)以第二次生氣及運(yùn)聚成藏作為重要的勘探目標(biāo)。惠民凹陷主要包含濟(jì)陽(yáng)地塹帶、西南緩坡帶、王判鎮(zhèn)潛山帶和曲堤潛山構(gòu)造帶4個(gè)構(gòu)造帶(圖7)。烴源巖的分布、運(yùn)移線路及斷層發(fā)育位置是天然氣成藏潛力區(qū)的決定因素[12]。

圖7 惠民凹陷勘探潛力區(qū)預(yù)測(cè)Fig.7 Prediction of exploration potential area in Huimin sag

濟(jì)陽(yáng)地塹帶面積較大，區(qū)域內(nèi)發(fā)育斷層，構(gòu)成了石炭-二疊系煤成氣向上運(yùn)移至沙二段砂巖儲(chǔ)層的優(yōu)勢(shì)通道，儲(chǔ)蓋條件良好，利于煤成氣的保存。目前已經(jīng)在濟(jì)陽(yáng)地塹帶獲得工業(yè)氣流，該區(qū)域東側(cè)的白橋斷層附近圈閉為未來(lái)勘探的重點(diǎn)目標(biāo)。

曲堤潛山構(gòu)造帶緊鄰源巖發(fā)育中心，氣流供給充足；天然氣儲(chǔ)集類(lèi)型多樣，包括砂巖、碳酸鹽巖及火山巖，蓋層封閉性好。該區(qū)域發(fā)育鼻狀構(gòu)造，有效面積超過(guò)100 km2，下一步應(yīng)針對(duì)東北部構(gòu)造高點(diǎn)進(jìn)行重點(diǎn)部署。

西南緩坡帶位于整個(gè)惠民凹陷的西南部，該區(qū)域發(fā)育夏口斷層，具有溝通烴源巖的上下通道；但是與烴源巖中心路途相對(duì)遙遠(yuǎn)，油氣得不到有效充注，未來(lái)以尋找靠近氣源區(qū)的小型氣藏為主。

王判鎮(zhèn)潛山帶位于惠民凹陷的最東部，發(fā)育于烴源巖中心部位，且具有溝通烴源巖的白橋斷層，斷層的活動(dòng)期次與生氣高峰期的匹配關(guān)系，直接決定著天然氣成藏的位置和規(guī)模。研究認(rèn)為，惠民凹陷煤系源巖大量生氣、排氣時(shí)期，白橋斷層呈相對(duì)關(guān)閉狀態(tài)，導(dǎo)致大部分圈閉得不到有效充注，局部圈閉由于封堵不充分而發(fā)生聚集成藏。因此，該區(qū)域的勘探重點(diǎn)在于規(guī)模小、豐度高的“甜點(diǎn)”型氣藏。

4 結(jié) 論

a.惠民凹陷普遍發(fā)育石炭-二疊系煤巖地層，有機(jī)質(zhì)以Ⅲ型為主、Ⅱ型為次，屬于高豐度、生氣為主的烴源巖，并進(jìn)入成熟-高成熟階段，顯示該地區(qū)具有良好的生氣基礎(chǔ)。

b.惠民凹陷石炭-二疊系煤巖具有2次生氣特征：第一次生氣發(fā)生于260～200 Ma B.P.，為源巖初步進(jìn)入成熟階段；第二次生氣發(fā)生于80～55 Ma B.P.，該地質(zhì)時(shí)期地層熱流值和溫度高，導(dǎo)致石炭-二疊系煤巖發(fā)生第二次生氣，累計(jì)生氣率達(dá)75%，與包裹體測(cè)溫結(jié)果顯示的成藏期一致。

c.烴源巖的分布、運(yùn)移線路及斷層發(fā)育位置是天然氣成藏的決定因素。濟(jì)陽(yáng)地塹帶東側(cè)的白橋斷層附近、曲堤潛山構(gòu)造帶的東北部構(gòu)造高點(diǎn)和局部高點(diǎn)部位、西南緩坡帶靠近氣源區(qū)的小型氣藏及王判鎮(zhèn)潛山帶的規(guī)模小、豐度高的“甜點(diǎn)”型氣藏為下一步勘探的重點(diǎn)目標(biāo)。