中國海域煤型油氣成因理論

張功成，陳 瑩，李增學(xué)，李友川，蘭 蕾，劉世翔，孫 瑞

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司，北京 100029；2.山東科技大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院，山東青島 266590）

煤型烴源巖包括煤系及來自煤系的陸源分散有機質(zhì)，是重要的烴源巖類型之一。澳大利亞西北大陸架、吉普斯蘭盆地，俄羅斯西薩哈林盆地，印度尼西亞庫太盆地，尼羅河三角洲盆地等大型-巨型油氣區(qū)的烴源巖都是煤型烴源巖［1-2］。中國成煤時代多［3］，煤系分布廣泛，以賀蘭山—龍門山、大興安嶺—太行山—武夷山及東南海岸線為界，可以分成4個聚煤域（圖1），分別是包括準(zhǔn)噶爾盆地、吐哈盆地、塔里木盆地、柴達(dá)木盆地和羌塘盆地等在內(nèi)的中國西部聚煤域；包括鄂爾多斯盆地和四川盆地在內(nèi)的中國中部聚煤域；包括松遼盆地在內(nèi)的中國東部聚煤域［4］及中國海區(qū)聚煤域。前3個位于陸上，后者位于海域。陸上的3個聚煤域都已發(fā)現(xiàn)一大批與煤系有關(guān)的天然氣田和油田，其中鄂爾多斯盆地、塔里木盆地庫車坳陷天然氣探明儲量規(guī)模均已達(dá)數(shù)萬億立方米［5-10］。

圖1 中國大陸與海區(qū)及鄰域含煤區(qū)分布Fig.1 Map of coal-bearing areas in China’s mainland，seas and surroundings

處于歐亞大陸東南緣的中國海區(qū)及鄰域發(fā)育26個新生代沉積盆地，對其中湖相烴源巖的研究程度高，但對煤型烴源巖的研究程度總體偏低，往往局限于個別凹陷、盆地或某個海域，缺乏整體性研究。

中國陸上的煤型烴源巖主要發(fā)育在板塊內(nèi)部、時代為古生代和中生代，而海域盆地主要分布在板塊邊緣、成盆時代為新生代，構(gòu)造活動性強、時代新，不在有利的環(huán)境與成煤時代，沒有可借鑒的成煤模式。與陸上古生代和中生代含煤巖系相比，中國海區(qū)及鄰域盆地的含煤巖系時空分布不清、優(yōu)勢沉積相不明、油氣形成機制待深入、對其形成油氣的鑒定標(biāo)志研究甚少［10-14］。因此，亟需開展海上煤型烴源巖的發(fā)育與保存機理及其分布預(yù)測等研究，以指導(dǎo)生烴潛力的評價與勘探實踐。

1 中國海區(qū)及鄰域含煤盆地帶分布

中國海區(qū)及鄰域主要發(fā)育新生代盆地（圖2），位于歐亞大陸板塊內(nèi)緣和外緣兩種大地構(gòu)造環(huán)境內(nèi)［15-26］，至今已勘探60余年，鉆探井上千口，發(fā)現(xiàn)了數(shù)百億噸油當(dāng)量油氣。根據(jù)油氣源與烴源巖對比、錄井資料、測井資料分析，發(fā)現(xiàn)位于大陸板塊內(nèi)緣的盆地只發(fā)育半深湖、深湖相泥巖烴源巖，而位于大陸板塊外緣的盆地?zé)N源巖以煤系和陸源海相烴源巖為主。

圖2 中國海區(qū)及鄰域含煤盆地帶分布Fig.2 Map showing the distribution of coal-bearing basin belt in the China Sea and adjacent areas

2 陸緣含煤盆地成煤模式

2.1 盆地成煤期

煤系烴源巖形成受古緯度、古氣候、古地理和古環(huán)境影響。一般來說，低緯度區(qū)氣候濕熱，植被茂盛，最有利于成煤。低緯度區(qū)的河流-三角洲體系，尤其是進(jìn)積三角洲的三角洲平原最容易成煤。在這些控制因素的配置之下，中國海域共發(fā)育古新世—中、上新世以來的5個成煤期，分別是：①古新世成煤期，發(fā)育在東海臺北坳陷的麗水凹陷，發(fā)育上古新統(tǒng)靈峰組、明月峰組陸源海相烴源巖，以前三角洲、濱淺湖環(huán)境中的含煤沼澤沉積為重要有機相；②始新世成煤期，發(fā)育在古南海南北兩側(cè)、南沙地塊上始新世斷坳和東海盆地的平湖期斷陷，西湖凹陷平湖組煤型烴源巖是東海盆地主力烴源巖，煤系主要發(fā)育在海岸平原和潮坪，已發(fā)現(xiàn)30多個商業(yè)性氣田；③早漸新世成煤期，主要發(fā)育在珠江口盆地北部坳陷帶恩平期斷陷和瓊東南盆地，彼時熱帶低地氣候高等植物和藻類繁盛，水量充沛，三角洲煤系烴源巖和淺海相泥巖烴源巖是主要烴源巖；④晚漸新世成煤期，主要發(fā)育在南海中南部的萬安盆地和曾母盆地，發(fā)育多個大型煤系三角洲，提供了優(yōu)質(zhì)烴源巖；⑤中、上新世成煤期，主要在鶯歌海、曾母和文萊-沙巴盆地發(fā)育系列大型煤系三角洲。這些盆地中形成了16個大中型煤型烴源巖發(fā)育區(qū)，聚煤區(qū)隨時代變新由北向南遷移。

2.2 成煤環(huán)境

中國海區(qū)及鄰域成煤環(huán)境主要有三角洲、扇三角洲和潮坪-潟湖等（圖3，圖4）。

圖3 中國海區(qū)及鄰域盆地含煤三角洲、扇三角洲和潮坪-潟湖分布Fig.3 Map showing the distribution of coal-bearing deltas，fan deltas and tidal flat-lagoons in basins of the China Sea and its surroundings

圖4 中國海區(qū)及鄰域新生代成煤模式及其特征Fig.4 The Cenozoic coal-forming patterns and their characteristics in the China Sea and its surroundings

2.2.1 三角洲

三角洲是中國海區(qū)及鄰域盆地最重要的成煤環(huán)境。三角洲平原是成煤的最有利地帶，上、下三角洲平原的過渡帶部位成煤最好，煤層數(shù)多、累積厚度比較大。

如早漸新世，華南大陸山系發(fā)育，物源供給充足，而盆地地勢平緩，水體較淺，導(dǎo)致大型三角洲持續(xù)發(fā)育，三角洲平原及河流相發(fā)育范圍廣泛；而珠江口盆地白云凹陷，在恩平組沉積晚期強大的物源供給使得三角洲向凹陷中心遷移，成煤環(huán)境也隨著遷移，其范圍擴大（圖5），恩平組沉積晚期凹陷被逐漸淤積填平時期是該區(qū)成煤關(guān)鍵期，三角洲平原發(fā)育的分流間灣、沼澤環(huán)境是聚煤作用發(fā)生的主要場所［27-28］。

圖5 珠江口盆地白云凹陷恩平組上段三角洲沉積相分布Fig.5 Map showing the distribution of delta facies in the upper Enping Formation in the Baiyun Sag，Pearl River Mouth Basin

萬安盆地西斜坡漸新統(tǒng)三角洲［29-30］、曾母盆地西南斜坡和東南斜坡漸新統(tǒng)［31-36］、文萊-沙巴盆地中新世冠軍、梅里干和沙巴三角洲［37-40］都含煤系，發(fā)育于緩坡部位，規(guī)模大。

2.2.2 扇三角洲

扇三角洲成煤模式主要形成于瓊東南盆地漸新統(tǒng)下部崖城組（圖6），在古凸起與淺海過渡地區(qū)，如河道間和扇間洼地，以及扇前及海岸平原沼澤地區(qū)等較平坦地區(qū)植被繁盛，有利于泥炭堆積和成煤作用的發(fā)生。扇三角洲規(guī)模雖小、但成帶成群出現(xiàn)［41］，主要發(fā)育于瓊東南盆地漸新世早期斷陷期。

瓊東南盆地崖城組沉積時期盆地斷陷結(jié)構(gòu)受3大斷裂帶的控制，分別發(fā)育5號斷裂下降盤的北部坳陷北緣含煤（扇）三角洲帶、3號和2號斷層下降盤的中央坳陷北緣（扇）三角洲帶、南部隆起帶北斜坡下的中央坳陷南緣（扇）三角洲帶，發(fā)育3個中小型煤系（扇）三角洲帶（圖6）。在白云凹陷漸新統(tǒng)恩平組沉積時期于西南斷階帶下降盤也發(fā)育了煤系地層。

2.2.3 潮坪-潟湖

潮坪-潟湖成煤環(huán)境主要發(fā)育于障壁島或古凸起到障壁作用的凹陷中（圖7），潮坪的潮上帶和潮間帶發(fā)育的沼澤環(huán)境是發(fā)生成煤作用的主要場所。潮坪環(huán)境形成的煤層厚度較薄，煤層間距大；而在潮道不發(fā)育區(qū)，含煤層數(shù)則較少、厚度較大、層間距較小，煤層結(jié)構(gòu)復(fù)雜，如果在廢棄的潮道中發(fā)生成煤作用，則可形成厚煤帶沿潮道分布的類型［26］。

3 煤型烴源巖發(fā)育特征

3.1 烴源巖特征

根據(jù)天然氣組成和碳同位素建立的天然氣成因類型判別圖版，通過對68個天然氣樣品的分析，中國海區(qū)及鄰域含煤盆地天然氣以煤型氣為主［5，42］。通過對760個烴源巖樣品的有機碳和熱解分析，中國海區(qū)及鄰域盆地煤系烴源巖具有高的有機質(zhì)豐度，煤的平均有機碳（TOC）含量大于50%，炭質(zhì)泥巖的平均有機碳含量大于10%；有機質(zhì)類型主要為Ⅱ2-Ⅲ型。根據(jù)烴源巖生物標(biāo)志化合物分析，其含有豐富的雙杜松烷和奧利烷，指示有機質(zhì)主要來源于陸生高等植物，從煤系向陸源海相烴源巖方向，雙杜松烷含量降低，奧利烷含量增高。通過原油的生物標(biāo)志化合物組成和碳同位素分析，中國海區(qū)及鄰域含煤盆地原油中的雙杜松烷和奧利烷含量豐富，普遍具有較高的姥鮫烷∕植烷比值，伴生的凝析油和原油與陸生高等植物來源的有機質(zhì)密切相關(guān)?；?3個烴源巖樣品的全巖有機顯微組組分分析，中國海區(qū)及鄰域古近系和新近系的煤系烴源巖富氫殼質(zhì)組含量豐富，明顯高于陸地區(qū)古生界和中生界煤系烴源巖，南海南部盆地殼質(zhì)組含量平均高達(dá)31%，表現(xiàn)出很強的生油能力。

3.2 烴源巖“二元結(jié)構(gòu)”發(fā)育模式

通過地震、地球化學(xué)和古生物分析，基于瓊東南盆地崖城組、西湖凹陷平湖組和珠江口盆地白云凹陷恩平組沉積相及沉積環(huán)境研究，明確了以上3組地層為為海-陸過渡相沉積環(huán)境。在此基礎(chǔ)上分析了烴源巖分布特征，認(rèn)為這3組烴源巖的分布呈“二元結(jié)構(gòu)”型［43］（圖8），即原地煤（泥炭形成及堆積與成煤同地）和異地煤（泥炭形成與堆積最終成煤不同地）煤系煤層為一類，陸源分散有機質(zhì)沉積于盆地海相沉積地層中為另一類。其中，（扇）三角洲相煤系是主力烴源巖，陸源海相烴源巖是重要烴源巖。以往陸上煤系一般只研究煤層的發(fā)育與分布；然而在海域區(qū)，除了煤層，陸源海相烴源巖也是重要的烴源巖類型。煤層往往發(fā)育在構(gòu)造高部位，分布范圍有限且熱演化程度較低，對油氣的貢獻(xiàn)有限；而陸源海相烴源巖分布范圍廣，熱演化程度，生烴潛力巨大，是重要的烴源巖類型。

4 煤型烴源巖生烴模式

4.1 煤型烴源巖“四階段”生烴模式

基于西湖凹陷、珠江口盆地和瓊東南盆地5個烴源巖樣品的黃金管生烴動力學(xué)模擬實驗，揭示中國海區(qū)及鄰域煤型烴源巖具有生烴持續(xù)時間長、生烴高峰晚、多階段生烴特征（圖9）。

煤生烴的活化能分布非常分散，生烴高峰集中在63～65 kcal∕mol，活化能達(dá)到70 kcal∕mol時仍然有較多的烴類生成，如果實驗?zāi)M的溫度進(jìn)一步增高仍然有烴類生成，說明煤的生烴過程持續(xù)時間長，生烴期不集中，并且生烴高峰出現(xiàn)的時間晚。

4.1.1 低成熟階段（Ro＜0.7%）

煤系烴源巖生成的烴類較少，主要是樹脂體等生烴比較早的富氫顯微組分生成一定數(shù)量的原油。

4.1.2 油氣兼生以油為主階段（0.7%＜Ro＜1.3%）

這一階段煤系烴源巖雖然生成部分天然氣，但以生油為主，煤系烴源巖生油高峰的Ro介于0.9%～1.1%。當(dāng)殼質(zhì)組含量很高時，可以大規(guī)模地生成石油。如前所述，中國海區(qū)及鄰域煤型烴源巖富氫的殼質(zhì)組分含量豐富，具有較強的生油能力，西湖凹陷和珠江口盆地已發(fā)現(xiàn)大量煤系烴源巖生成的原油，特別是文萊-沙巴盆地，烴源巖殼質(zhì)體含量很高，已發(fā)現(xiàn)數(shù)十億噸石油儲量。

4.1.3 干酪根裂解氣為主階段（1.3%＜Ro＜2.0%）

這一階段除少量早期生成的原油裂解外，以生成干酪根裂解氣為主。煤型烴源巖生氣高峰的Ro值介于1.5%～1.6%。由于煤系烴源巖的生油量僅占其總生烴量的小部分，因此，煤型烴源巖的生氣高峰代表了煤系烴源巖整個生烴過程的高峰，因此煤型烴源巖的生烴高峰較晚。

4.1.4 過成熟生氣階段（Ro＞2.0%）

煤系烴源巖在過成熟階段仍具有較強的生氣能力。西湖凹陷平湖組煤的模擬實驗結(jié)果表明，西湖凹陷平湖5井煤的總生氣量為188 mg∕g，Ro大于2%階段的生氣量大約占總生氣量的40%，Ro大于3%階段的生氣量大約占總生氣量的20%以上，同樣說明煤的生氣持續(xù)時間長，高-過成熟階段仍有生氣能力。煤系烴源巖的這種生烴特征，對于南海北部，如瓊東南盆地等現(xiàn)今烴源巖熱演化程度很高的盆地的油氣勘探是非常重要的。

4.2 煤型烴源巖及其油氣鑒別特征

基于典型油樣碳同位素與生物標(biāo)志化合物分析，建立了兩項陸源海相烴源巖鑒別指標(biāo)：全油碳同位素值和雙杜松烷指數(shù)（T∕∑C29ST）（圖10）。基于對崖城13-1等大氣田解析發(fā)現(xiàn)，煤系烴源巖及其所生成油氣與陸源海相烴源巖及其所生成油氣的全油碳同位素值和雙杜松烷指數(shù)有明顯區(qū)別。

4.3 煤型烴源巖生氣極限

為確定有機質(zhì)生氣死亡線，選取了與瓊東南盆地崖城組相近的烴源巖開展了高溫高壓模擬實驗和生烴動力學(xué)實驗。依據(jù)溫度與時間互補原理及干酪根熱降解生烴理論，在高壓釜封閉體系與真空管式爐開放體系中，通過模擬實驗產(chǎn)物產(chǎn)率的對比及生烴動力學(xué)方法，進(jìn)行崖城組烴源巖生氣死亡線研究，探討中國海區(qū)及鄰域含煤盆地?zé)N源巖的生氣能力。

模擬實驗選擇封閉體系含水延時方法和開放體系無水短時方法。封閉體系利于揭示烴源巖的累積生氣過程，而開放體系利于描繪其階段生氣過程。封閉體系熱模擬氣體產(chǎn)率特征的對比分析表明，生氣極限Ro至少在天然氣階段產(chǎn)率的高峰之后，其值應(yīng)大于3.0%（圖10）。在天然氣的生成與成藏過程中，煤系烴源巖中的干酪根，以聚集和分散形式賦存的可溶有機質(zhì)是主要的氣源。前人研究結(jié)果表明，原油大量裂解生氣明顯滯后于干酪根裂解生氣，導(dǎo)致階段產(chǎn)率高峰延續(xù)到熱演化的更高階段。恒溫不同時間含水實驗的Ro和氣體產(chǎn)率大小比較說明（圖11），在500℃之前，氣體產(chǎn)率增幅較大；在500℃，恒溫80 h的Ro值為4.06%，氣態(tài)烴產(chǎn)率為638.2 mL∕g，與此基準(zhǔn)對比分析，延長恒溫152 h后，Ro值為4.38%，氣態(tài)烴產(chǎn)率為644.83 mL∕g，增加幅度為1.04%；而延長恒溫224 h后，Ro值為5.05%，氣態(tài)烴產(chǎn)率為644.88 mL∕g，增加幅度接近零，變化不大，說明在延長恒溫152 h后與恒溫224 h的加熱時間內(nèi)，氣體產(chǎn)率變化不大。通過對比分析，以延長恒溫152 h的Ro值4.38%，確定為生氣極限。

圖10 煤系與陸源海相烴源巖鑒別指標(biāo)Fig.10 Markers distinguishing coal-measure and terrigenous marine source rocks

圖11 高地溫條件下烴源巖熱解生成天然氣產(chǎn)率曲線Fig.11 Yield curveof natural gas generated by source rock pyrolysis under high geothermal conditions

5 煤型烴源成藏模式

受邊緣海構(gòu)造旋回控制，中國海區(qū)聚煤域發(fā)育多個含煤型烴源巖深大凹陷［43-47］。受煤型烴源巖二元結(jié)構(gòu)控制，形成了兩種油氣聚集模式。

5.1 凹陷邊緣煤系油氣成藏模式

煤系烴源巖灶分布在凹陷邊緣，油氣就近或沿斷裂運移成藏，形成了多個大型煤型油氣富集區(qū)［44-47］（圖12）。

如白云凹陷陸架邊緣三角洲大氣田成藏模式，具有“斜坡區(qū)煤系地層生烴、斷層-構(gòu)造脊復(fù)合輸導(dǎo)、陸架邊緣三角洲儲集、晚期斷裂活動驅(qū)動、油氣就近高效充注”的特征（圖12）。白云凹陷深水區(qū)陸架坡折帶附近發(fā)育大規(guī)模的陸架邊緣三角洲砂巖儲集體，斷裂-構(gòu)造脊組合構(gòu)成的油氣優(yōu)勢輸導(dǎo)系統(tǒng)，溝通了深部油氣兼生的多套規(guī)模烴源灶，生烴過程形成超壓、晚期斷裂活動造成泄壓，是主要的成藏動力，長期發(fā)育的鼻狀古隆起控制了油氣富集帶，在該區(qū)已發(fā)現(xiàn)番禺30-1、流花20-2等陸架邊緣三角洲大型商業(yè)性油氣田群。

5.2 凹陷內(nèi)部陸源海相油氣成藏模式

中國海區(qū)及鄰域盆地發(fā)育陸源海相烴源巖，豐度中等、規(guī)模大且資源潛力大，油氣垂向運移成藏［44-47］。瓊東南盆地深水區(qū)底辟帶大氣田成藏模式（圖12），具有“陸源海相烴源巖生烴、底辟垂向輸導(dǎo)、峽谷水道砂巖儲集、塊體流泥巖封蓋、高效充注”的特征。中新統(tǒng)黃流組中央峽谷水道從東向西橫貫陵水凹陷，峽谷水道內(nèi)砂體與半深海-深海相泥巖形成了優(yōu)質(zhì)的儲蓋組合，水道砂巖與深水泥巖構(gòu)成的巖性圈閉被后期侵蝕充填和差異壓實作用改造，形成巖性-構(gòu)造復(fù)合圈閉群，通過熱流體底辟及伴生的微斷裂溝通深部漸新統(tǒng)煤系烴源巖，以高壓和浮力為油氣運移的主要動力，垂向運移形成天然氣藏，天然氣分布橫向連片、縱向多層疊置、近源垂向晚期快速高效復(fù)合成藏，發(fā)現(xiàn)第一個自營深水超千億方陵水17大氣田和陵水25等一批大中型氣田。

圖12 中國海區(qū)及鄰域盆地煤型油氣成藏模式Fig.12 Diagrams showing accumulation modes of coaliferoushydrocarbons in basins of the China Sea and its surroundings

白云凹陷深水區(qū)陸坡深水扇大氣田成藏模式，具有“陸源海相烴源巖生烴、斷層-底辟-砂體復(fù)合輸導(dǎo)、陸坡深水扇砂巖儲集、晚期構(gòu)造活動驅(qū)動、高效充注”的特征。陸架坡折帶下方的陸坡深水區(qū)發(fā)育陸坡水道、深水扇朵葉儲集體，通過斷裂-底辟-砂體形成的臺階式復(fù)合輸導(dǎo)體系與深部規(guī)模高熟烴源灶溝通，晚期幕式斷裂活動和底辟帶泄壓是主要的成藏動力，長期發(fā)育的鼻狀古隆起和復(fù)合輸導(dǎo)體系控制了油氣富集成藏，以近源、晚期臺階式天然氣成藏為主。該領(lǐng)域已發(fā)現(xiàn)荔灣3-1、流花28-2等多個大中型氣田。

6 結(jié)論

1）中國海區(qū)及鄰域巨型含煤盆地帶經(jīng)歷了古新世、始新世、早漸新世、晚漸新世和中新世—上新世等5個成煤演化期，其成煤模式與已有的陸上各時代成煤模式比較，是嶄新的，重要價值和意義在于成煤新模式豐富了煤地質(zhì)學(xué)基礎(chǔ)理論。

2）中國海區(qū)及鄰域巨型含煤盆地帶煤型烴源巖由（扇）三角洲相煤系和陸源海相烴源巖組成，具有“二元結(jié)構(gòu)”發(fā)育模式。這種“二元結(jié)構(gòu)”煤型源巖聚集模式，成為中國海區(qū)及鄰域含煤盆地帶煤型烴源巖形成的主要特色和機制。特別是來自陸源煤系的有機質(zhì)被搬運到盆地內(nèi)部，保存在海相泥巖（或砂巖）中，可以成為陸源海相泥巖。陸源海相泥巖和煤層組成了邊緣海盆地煤型烴源巖的主體。

3）中國海區(qū)及鄰域巨型含煤盆地帶煤成油氣具有“四階段”生烴模式，并且煤型烴源巖生氣極限Ro可達(dá)到4.38%，極大地拓展了天然氣生成的上限。

4）中國海區(qū)及鄰域巨型含煤盆地帶煤型烴源巖形成了兩種成藏模式：凹陷邊緣煤系油氣成藏模式和凹陷內(nèi)部陸源海相油氣成藏模式。

5）中國海區(qū)聚煤域煤型油氣成因理論的內(nèi)涵，對指導(dǎo)煤型油氣烴源巖的勘探和開發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。