準(zhǔn)噶爾盆地南緣侏羅系煤生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)研究

李二庭，馬萬(wàn)云，李 際，馬新星，潘長(zhǎng)春，曾立飛，王 明

(1.新疆礫巖油藏實(shí)驗(yàn)室，新疆 克拉瑪依 834000；2.中國(guó)石油新疆油田分公司實(shí)驗(yàn)檢測(cè)研究院，新疆 克拉瑪依 834000；3.新疆宇澄熱力股份有限公司，新疆 克拉瑪依 834000;4.中國(guó)科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所，廣東 廣州 510640)

0 引 言

準(zhǔn)噶爾盆地南緣位于盆地南部北天山山前坳陷帶，由西向東，依次為四棵樹(shù)凹陷、霍瑪吐背斜帶和阜康斷裂帶，北面與沙灣凹陷、莫南凸起和阜康凹陷相接[1]。自油氣勘探以來(lái)，南緣陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了獨(dú)山子、齊古、卡因迪克、呼圖壁、瑪河等中小型油氣田，累計(jì)探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量2 719.5×104t、天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量329.6×108m3，探明率相對(duì)較低，總體探明程度不足10%。前人雖然已經(jīng)從構(gòu)造演化、儲(chǔ)層發(fā)育、蓋層分布、保存條件等油氣成藏條件及生儲(chǔ)蓋層組合[2-6]，生排烴期與圈閉形成期的時(shí)空匹配等方面進(jìn)行了大量的研究，形成了很多成果認(rèn)識(shí)，但對(duì)于南緣天然氣資源潛力問(wèn)題仍需要進(jìn)一步探索。特別是2019年南緣西段四棵樹(shù)凹陷高探1井的重大發(fā)現(xiàn)，獲得日產(chǎn)油1 213 m3，日產(chǎn)氣32×104m3，南緣沖斷帶霍瑪吐背斜帶東段發(fā)現(xiàn)呼探1井凝析氣藏，獲得日產(chǎn)氣61×104m3，日產(chǎn)凝析油87.1 m3的高產(chǎn)，南緣下組合勘探的連續(xù)突破顯示了南緣豐富的油氣資源[7-8]。

準(zhǔn)噶爾盆地南緣發(fā)育二疊系、中下侏羅系、白堊系吐谷魯群和古近系安集海河組四套烴源巖。其中，中、下侏羅統(tǒng)烴源巖主要為一套以河流、湖泊和沼澤相為主的含煤碎屑巖建造，是準(zhǔn)噶爾盆地南緣主力烴源巖系。侏羅系發(fā)育暗色泥巖、煤和碳質(zhì)泥巖，以Ⅱ2型和Ⅲ型為主，是該區(qū)域最為重要的烴源巖[9-10]。高探1井原油Pr/Ph為3.77，Pr/nC17和Ph/nC18分別為0.25和0.07，全油碳同位素為-26.82‰，天然氣甲烷和乙烷碳同位素分別為-40.49‰和-29.14‰，油氣主要來(lái)自高成熟的侏羅系烴源巖[8]，天然氣可能具有二疊系貢獻(xiàn)[11]，呼探1井原油Pr/Ph為1.17，Pr/nC17和Ph/nC18分別為0.38和0.34，全油碳同位素為-28.67‰，天然氣甲烷和乙烷碳同位素分別為-31.53‰和-24.37‰，油氣主要來(lái)自高成熟的侏羅系烴源巖，原油重?zé)N部分可能有二疊系貢獻(xiàn)。

南緣煤主要發(fā)育在侏羅系八道灣組和侏羅系西山窯組，厚度在5～60 m之間，有機(jī)碳含量分布范圍為40.6%～91.9%，平均為63.9%，熱解烴潛力分布范圍為11～327 mg/g，平均為134 mg/g。前人提出煤成油的概念使得煤系烴源巖的生油備受關(guān)注[12]。包建平等[13]通過(guò)對(duì)比原油中生物標(biāo)志物的組成特征，提出了柴達(dá)木盆地牛東地區(qū)的原油具有典型的煤成油特征。楊鵬程等[14]采用熱模擬實(shí)驗(yàn)證實(shí)了西湖凹陷平北地區(qū)平湖組煤具有較高的生油能力，煤成油在研究區(qū)廣泛存在。那么，準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)侏羅系煤生烴能力如何？王嶼濤等[15]根據(jù)準(zhǔn)噶爾盆地中下侏羅統(tǒng)泥巖和煤的地球化學(xué)特征認(rèn)為南緣侏羅系油藏主要與泥質(zhì)烴源巖有關(guān)。姚素平等[16]采用富集角質(zhì)體和基質(zhì)鏡質(zhì)體的煤樣進(jìn)行熱模擬實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為煤具有一定的生油能力。鄭建京等[17]對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地阜東地區(qū)侏羅系煤系烴源巖演化過(guò)程地球化學(xué)特征進(jìn)行了較為全面的研究，認(rèn)為Ro(鏡質(zhì)體反射率)在1.40%～1.70%是干酪根大量排烴階段。李吉君等[18]采用化學(xué)動(dòng)力學(xué)方法，對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地南緣西山窯組煤模擬了其生氣過(guò)程，認(rèn)為其主要生氣期為燕山運(yùn)動(dòng)期。朱明等[19]對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地南緣侏羅系烴源巖進(jìn)行了熱模擬實(shí)驗(yàn)，認(rèn)為煤生烴潛力高于炭質(zhì)泥巖。總體而言，前人對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)不同層位侏羅系煤生烴能力、是否具有大規(guī)模生油或生氣能力，以及不同演化階段生烴組成如何變化的研究較少。本次研究選取準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)不同層位低成熟煤樣品，采用黃金管-高壓釜熱模擬體系，詳細(xì)開(kāi)展了煤生油和生氣產(chǎn)率及碳同位素演化特征研究，對(duì)南緣油氣資源評(píng)價(jià)和油氣源分析具有重要意義。

1 實(shí)驗(yàn)樣品與分析方法

1.1 樣品分析

在準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段四棵樹(shù)凹陷到東段阜康地區(qū)選取侏羅系八道灣組(J1b)和西山窯組(J2x)共9個(gè)煤樣進(jìn)行黃金管-高壓釜熱模擬實(shí)驗(yàn)，煤樣基本地球化學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。選取的煤樣鏡質(zhì)體反射率Ro分布范圍為0.39%～0.76%，Tmax值分布范圍為424～453 ℃，整體處于低熟-成熟演化階段，氫指數(shù)HI分布范圍為141～210 mg/g，主要為Ⅱ2型有機(jī)質(zhì)類型，具有較好的生烴潛力。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣侏羅系煤樣基本地球化學(xué)參數(shù)

1.2 黃金管-高壓釜熱模擬實(shí)驗(yàn)條件

生烴實(shí)驗(yàn)采用黃金管-高壓釜熱模擬體系[20]，高壓釜熱模擬實(shí)驗(yàn)條件：煤樣在10 h內(nèi)從室溫升至250 ℃，然后分別以2 ℃/h和20 ℃/h升溫至600 ℃，在324 ℃時(shí)取出第一個(gè)樣品，然后每間隔12 ℃取出高壓釜，快速冷卻，模擬壓力保持在50 MPa。

1.3 熱模擬氣態(tài)烴定量及碳同位素分析

熱模擬后，金管中的氣體在特制的玻璃真空裝置中被刺破收集。該裝置與Agilent HP6890N型色譜儀器相連，通過(guò)自動(dòng)控制程序，可將氣態(tài)產(chǎn)物吸入色譜儀進(jìn)行分析，定量方法見(jiàn)文獻(xiàn)[21]。

氣態(tài)烴碳同位素采用Delta V Advantage同位素質(zhì)譜儀分析，色譜柱為CP-Pora PLOT Q石英柱(30 m×0.32 mm×20 μm)。色譜柱初始溫度38 ℃，恒溫5 min，以8 ℃/min升至180 ℃，恒溫15 min，載氣為氦氣，載氣流速為2 mL/min。

1.4 熱模擬液態(tài)烴定量分析

將金管剪成碎塊裝入小瓶中，加入3 mL正戊烷浸泡，采用微型進(jìn)樣針加入0.008～0.014 mg的標(biāo)準(zhǔn)樣品溶液(氘代正二十二烷和氘代正二十四烷)，用超聲波超聲均勻，取上清液進(jìn)色譜分析。采用Agilent HP6890型色譜儀，HP-5色譜柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm)。升溫程序：起始溫度50 ℃，恒溫5 min；然后以2 ℃/min升溫至150 ℃，再以4 ℃/min升溫至290 ℃，最后恒溫15 min。色譜分析完成后，將C6—C14之間的烴類組分的峰面積合并，通過(guò)內(nèi)標(biāo)定量法計(jì)算得到輕烴含量。然后將剩余樣品溶液過(guò)濾，分離出正戊烷溶液和固體殘?jiān)?，固體殘?jiān)枚燃淄?甲醇(體積比93:7)混合溶劑進(jìn)行索氏抽提72 h，將抽提物與正戊烷溶液合并，常溫下?lián)]發(fā)得到瀝青A產(chǎn)物并進(jìn)行定量分析，輕烴+瀝青A含量即為生油量。

2 煤樣熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 煤樣熱模擬溫度與成熟度關(guān)系

鏡質(zhì)體反射率(Ro)是應(yīng)用最為廣泛的烴源巖成熟度參數(shù)。其中，Eazy%Ro常用于計(jì)算熱模擬樣品成熟度的方法[22]，但該方法計(jì)算的成熟度值與實(shí)際地質(zhì)樣品成熟度有出入，且在高演化階段誤差更加明顯。相關(guān)研究針對(duì)這種情況建立了在2 ℃/h升溫速率熱模擬條件下，熱模擬溫度與成熟度的對(duì)應(yīng)關(guān)系[23]。本次研究通過(guò)對(duì)120個(gè)熱模擬固體殘?jiān)テ瑴y(cè)定Ro，每個(gè)溫度點(diǎn)煤樣殘?jiān)S機(jī)測(cè)定50個(gè)測(cè)點(diǎn)，取平均值為實(shí)測(cè)Ro數(shù)據(jù)，并基于前人的研究經(jīng)驗(yàn)及公式，建立了溫度與成熟度Ro關(guān)系：Ro=0.2766e0.0048T- 0.68，相關(guān)系數(shù)R2=0.9796，線性關(guān)系較好(圖1)，能夠較好地應(yīng)用于煤系烴源巖熱模擬過(guò)程成熟度表征。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地南緣侏羅系煤樣實(shí)測(cè)Ro與熱模擬溫度關(guān)系曲線圖Fig.1 Curve of measured Ro and thermal simulation temperature of Jurassic coal from the southern margin of Junggar Basin

圖2 不同溫度模擬條件下煤樣計(jì)算Eazy%Ro與公式計(jì)算Ro對(duì)比圖Fig.2 Comparison of Eazy% Ro and formula calculation Ro of coal under different temperature simulation conditions

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地南緣侏羅系煤樣生油產(chǎn)率-Ro關(guān)系曲線圖Fig.3 Relationship between oil yield and Ro of Jurassic coal from the southern margin of Junggar Basin

圖2為煤樣經(jīng)過(guò)不同溫度熱模擬后的理論計(jì)算成熟度Eazy%Ro和利用本次研究建立公式計(jì)算的成熟度Ro，通過(guò)對(duì)比可以看出，在較低的熱模擬溫度范圍，兩者區(qū)別較小，<380 ℃時(shí)，差異小于0.10%；熱模擬溫度>380 ℃后，隨著熱模擬溫度升高，Eazy%Ro與公式計(jì)算Ro值的差越大，差異最大可達(dá)0.84%。

2.2 煤樣生油產(chǎn)率特征

煤樣熱模擬生油產(chǎn)率包括輕烴(C6—C14)和瀝青A，隨著熱模擬成熟度的升高，煤樣生油產(chǎn)率呈現(xiàn)“快速升高→快速降低→緩慢減低→趨于平穩(wěn)”的特征(圖3)，與前人研究結(jié)果一致[24]。從圖3可以看出，不同煤樣生油產(chǎn)率明顯不同，西山窯組煤樣的生油高峰比八道灣組煤樣早。侏羅系八道灣組(J1b)煤樣在Ro=1.07%時(shí)達(dá)到生油高峰，最大生油產(chǎn)率分布范圍為60.13～83.27 mg/g，侏羅系西山窯組(J2x)煤樣在Ro=0.96%時(shí)達(dá)到生油高峰，最大生油產(chǎn)率分布范圍為27.14～62.14 mg/g，侏羅系八道灣組煤樣生油產(chǎn)率明顯高于西山窯組煤樣。煤樣C6—C14輕烴產(chǎn)率隨成熟度的演化特征與生油產(chǎn)率一致(圖4)，侏羅系八道灣組(J1b)煤樣C6—C14輕烴在Ro=1.31%時(shí)達(dá)到高峰，最大產(chǎn)率分布范圍為7.29～19.17 mg/g，侏羅系西山窯組(J2x)煤樣C6—C14輕烴在Ro=1.17%時(shí)達(dá)到高峰，最大產(chǎn)率分布范圍為7.63～9.22 mg/g，侏羅系八道灣組煤樣C6—C14輕烴產(chǎn)率高于西山窯組煤樣。輕組分產(chǎn)率峰值Ro較生油產(chǎn)率峰值Ro要大，說(shuō)明C6—C14輕烴的生成較重組分需要更高的裂解溫度，C14+重組分先裂解成C6—C14輕烴。

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地南緣侏羅系煤樣C6—C14產(chǎn)率-Ro關(guān)系曲線圖Fig.4 Relationship between C6-C14 yield and Ro of Jurassic coal from the southern margin of Junggar Basin

2.3 煤樣氣態(tài)烴產(chǎn)率特征

從準(zhǔn)噶爾盆地南緣不同層位煤樣的熱模擬累計(jì)氣態(tài)烴產(chǎn)率(圖5)可以看出，侏羅系八道灣組(J1b)煤樣和西山窯組(J2x)煤樣的累計(jì)總氣態(tài)烴(C1—C5)產(chǎn)率接近，八道灣組煤樣最大生氣產(chǎn)率范圍為121.41～135.39 mg/g，西山窯組煤樣最大生氣產(chǎn)率分布范圍為92.23～141.26 mg/g，生氣周期長(zhǎng)，在Ro=3.60%依然有大量氣體產(chǎn)生。煤樣生氣產(chǎn)率呈現(xiàn)“初始生氣→快速生氣→緩慢生氣→生氣結(jié)束”的特征。在Ro=0.96%時(shí)，為煤樣初始生氣階段，八道灣組煤樣總氣態(tài)烴產(chǎn)率分布范圍為11.63～15.82 mg/g，占總生氣量的10.9%～12.6%；西山窯組煤樣總氣態(tài)烴產(chǎn)率分布范圍為10.80～24.04 mg/g，占總生氣量的11.1%～18.3%，說(shuō)明部分西山窯組煤樣較八道灣組煤樣生氣早。在Ro=0.96%～1.65%為煤樣快速生氣階段，八道灣組煤樣總氣態(tài)烴產(chǎn)率分布范圍為65.97～92.04 mg/g，占總生氣量的59.4%～68.2%，西山窯組煤樣總氣態(tài)烴產(chǎn)率分布范圍為52.63～97.40 mg/g，占總生氣量的51.8%～69.0%；在Ro=1.65%～3.04%為煤樣緩慢生氣階段，八道灣組煤樣總氣態(tài)烴產(chǎn)率分布范圍為100.52～120.92 mg/g，占總生氣量的88.2%～94.4%，西山窯組煤樣總氣態(tài)烴產(chǎn)率分布范圍為82.68～127.61 mg/g，占總生氣量的81.4%～90.5%；在Ro>3.60%為煤樣生氣結(jié)束階段，累計(jì)產(chǎn)氣量基本不變。

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地南緣侏羅系煤樣生氣產(chǎn)率-Ro關(guān)系曲線圖Fig.5 Relationship between the gas yield and Ro of Jurassic coal from the southern margin of Junggar Basin

準(zhǔn)噶爾盆地南緣侏羅系八道灣組(J1b)煤樣C2—C5氣態(tài)烴產(chǎn)率在Ro=1.65%時(shí)達(dá)到最大，分布范圍為28.24～47.76 mg/g，西山窯組(J2x)煤樣C2—C5氣態(tài)烴產(chǎn)率在Ro=1.41%時(shí)達(dá)到最大，分布范圍為13.34～45.36 mg/g。

圖6 準(zhǔn)噶爾盆地南緣侏羅系煤樣生氣干燥系數(shù)-Ro關(guān)系曲線圖Fig.6 Relationship between dryness coefficient of gas and Ro of Jurassic coal from the southern margin of Junggar Basin

從準(zhǔn)噶爾盆地南緣不同層位煤樣熱解氣干燥系數(shù)(C1/C1-5)隨成熟度變化特征(圖6)中可以看出，八道灣組(J1b)煤樣和西山窯組(J2x)煤樣生氣干燥系數(shù)隨成熟度增大變化特征一致，呈現(xiàn)先降低后增加的趨勢(shì)，在Ro=0.96%時(shí)裂解氣干燥系數(shù)達(dá)到最低。在相同熱模擬條件下，西山窯組煤樣裂解氣干燥系數(shù)高于八道灣組煤樣裂解氣，如Ro=1.41%時(shí)，八道灣組煤樣裂解氣干燥系數(shù)為0.40～0.53，西山窯組煤樣裂解氣干燥系數(shù)為0.46～0.73；Ro=2.10%時(shí)，八道灣組煤樣裂解氣干燥系數(shù)為0.64～0.76，西山窯組煤樣裂解氣干燥系數(shù)為0.72～0.92。煤裂解氣在Ro>2.61%階段進(jìn)入干氣階段，但由于模擬實(shí)驗(yàn)為封閉體系，煤生成的原油未排出，天然氣為一個(gè)累積的過(guò)程，實(shí)際上應(yīng)該在更低的成熟度階段已進(jìn)入干氣階段。

2.4 煤樣生氣碳同位素特征

準(zhǔn)噶爾盆地南緣西山窯組煤樣熱解氣碳同位素分布特征見(jiàn)圖7，從圖中可以看出，甲烷、乙烷和丙烷碳同位素隨著熱解溫度升高而逐漸變重，呈兩段式分布的特點(diǎn)。以JC8煤樣熱解氣碳同位素演化特征為例，隨著成熟度增加，甲烷碳同位素增加速率呈兩段式，在Ro<0.90%時(shí)，甲烷碳同位素相對(duì)較輕，隨成熟度增加迅速增大，由-46.8‰快速增高至-35.0‰，變化幅度超11.8‰；Ro=0.90%～3.80%，甲烷碳同位素變化較慢，由-35.0‰逐漸升高至-23.7‰，變化幅度為11.3‰。隨著成熟度增加，乙烷和丙烷在Ro<1.41%之前變化極小，在Ro>1.41%之后，乙烷和丙烷碳同位素迅速增大；在Ro=0.67%～1.41%之間，乙烷碳同位素由-24.9‰增大至-23.8‰，變化幅度僅為1.1‰；在Ro=1.41%～2.10%之間，乙烷碳同位素由-23.8‰快速增大至-17.3‰，變化幅度為6.3‰。在Ro=0.67%～1.41%之間，丙烷碳同位素由-24.3‰增大至-22.4‰，變化幅度僅為1.9‰；在Ro=1.41%～2.10%之間，丙烷碳同位素由-22.4‰快速增高至-9.8‰，變化幅度為12.6‰。

天然氣甲烷碳同位素常用于成熟度表征[25-26]。從圖7(a)可以看出，甲烷碳同位素與源巖成熟度Ro值相關(guān)性非常好，且具有兩階段模式特征，這一特征與劉文匯等[27]提出的煤型氣模式具有相似性。在成熟度Ro=0.90%之前和之后具有不同的趨勢(shì)。通過(guò)對(duì)Ro=0.90%前后兩端變化趨勢(shì)進(jìn)行數(shù)學(xué)回歸處理，得到了天然氣甲烷碳同位素值與煤系烴源巖成熟度Ro的關(guān)系公式：Ro<0.90%，δ13C1=32.477 lnRo-31.174；Ro≥0.90%，δ13C1=8.7684 lnRo-35.354。

圖7 準(zhǔn)噶爾盆地南緣侏羅系煤樣生氣碳同位素-Ro關(guān)系曲線圖Fig.7 Relationship between carbon isotopes of gas and Ro of Jurassic coal from the southern margin of Junggar Basin

3 準(zhǔn)噶爾盆地南緣煤生烴潛力分析

3.1 煤生烴演化模式

從煤樣熱模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，侏羅系八道灣組煤樣與西山窯組煤樣生烴過(guò)程主要分為三個(gè)階段，具有氣窗較長(zhǎng)的特點(diǎn)，從Ro=0.96%開(kāi)始生氣，在Ro=3.6%生氣結(jié)束但生烴特征有所差異。

(1)生油階段，煤生油的產(chǎn)率增加很快，生氣量較小，干燥系數(shù)隨成熟度增加由大變小，主要是因?yàn)楦衫腋谠缙诔墒祀A段以生重?zé)N氣為主[28]。在此階段，侏羅系八道灣組煤樣生油產(chǎn)率相對(duì)較高(0.67%

(2)油裂解與干酪根裂解共存階段。在此階段，八道灣組煤Ro介于1.07%～1.65%之間，西山窯組煤Ro處于0.96%～1.41%之間，煤樣進(jìn)入快速生氣階段和排氣階段，煤樣裂解氣產(chǎn)量是最大產(chǎn)氣量的50%左右。前人的研究[29]認(rèn)為液態(tài)烴裂解首先是重組分裂解成輕組分，然后裂解為氣態(tài)烴，煤樣在達(dá)到生油高峰后，產(chǎn)量逐漸降低，主要是因?yàn)樯傻挠烷_(kāi)始裂解，輕烴組分大量生成并迅速增加，隨著熱演化進(jìn)行，輕烴組分開(kāi)始裂解，生成氣態(tài)重?zé)N組分，干酪根裂解主要生成甲烷。八道灣組煤樣C6—C14輕烴在Ro=1.31%達(dá)到峰值，C2—C5氣態(tài)烴在Ro=1.65%達(dá)到峰值；西山窯組煤樣C6—C14輕烴在Ro=1.17%達(dá)到峰值，C2—C5氣態(tài)烴在Ro=1.41%達(dá)到峰值，煤樣生氣量已大于最大生油量，裂解氣甲烷碳同位素及干燥系數(shù)迅速增加，而乙烷與丙烷碳同位素基本不變。此階段，裂解氣來(lái)源基本不變，以干酪根和原油裂解氣為主。

(3)干酪根高成熟裂解階段。在此階段，C2—C5氣態(tài)烴開(kāi)始迅速裂解生成甲烷，乙烷和丙烷碳同位素值迅速增大，且乙烷與丙烷碳同位素差值迅速變小，說(shuō)明丙烷先于乙烷裂解。氣態(tài)烴總量隨成熟度逐漸增大，增長(zhǎng)速率有所降低，但干酪根裂解氣持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，在Ro=3.6%時(shí)，干酪根裂解生氣基本結(jié)束。

前人的研究[30-31]顯示，對(duì)煤成油貢獻(xiàn)最大的顯微組分是殼質(zhì)組。姚素平等[32]研究發(fā)現(xiàn)，準(zhǔn)噶爾盆地煤中的殼質(zhì)組以角質(zhì)體含量占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)為特征，并采用熱模擬實(shí)驗(yàn)分析認(rèn)為角質(zhì)體含量是侏羅系煤可以大量生油的關(guān)鍵，基質(zhì)鏡質(zhì)體生烴潛力次之。另外，通過(guò)對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地煤樣顯微組分定量統(tǒng)計(jì)分析顯示，南緣地區(qū)侏羅系八道灣組煤樣殼質(zhì)組中角質(zhì)體和樹(shù)脂體含量為24%，基質(zhì)鏡質(zhì)體含量為57%(水磨溝剖面)；而西山窯組煤樣殼質(zhì)組中角質(zhì)體和樹(shù)脂體含量為0～13%，基質(zhì)鏡質(zhì)體含量為11%～40%(四棵樹(shù)剖面、安12和齊009井等)。潘安陽(yáng)等[33]利用激光微裂解-色譜-質(zhì)譜技術(shù)分析了煤樣中鏡質(zhì)體和樹(shù)脂體產(chǎn)物特征，認(rèn)為樹(shù)脂體的長(zhǎng)鏈脂肪烴產(chǎn)率較高，具有高生烴及生油潛力。結(jié)合本文實(shí)驗(yàn)分析顯示，侏羅系八道灣組煤樣液態(tài)烴產(chǎn)率更高，主要原因可能是其烴源巖中含有更加豐富的角質(zhì)體和樹(shù)脂體，而西山窯組煤樣中均質(zhì)鏡質(zhì)體、結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體、團(tuán)塊鏡質(zhì)體含量更高，更偏向于生氣[34]，在相同熱模擬條件下，其熱解氣干燥系數(shù)更大。

3.2 煤生烴潛力分析

干酪根對(duì)烴類組分的吸附是控制烴源巖排烴的最重要因素[35-36]。Pepper等[37-38]提出烴源巖留油能力為100 mg/g，生油能力小于100 mg/g的烴源巖是不能排出正常原油，只能排氣或排出少量溶解在氣相中的凝析油，煤吸附烴類能力較弱，排油門(mén)限為40 mg/g[39]。從煤樣熱模擬實(shí)驗(yàn)可以看出，準(zhǔn)噶爾盆地南緣侏羅系八道灣組煤樣生油產(chǎn)率相對(duì)較高，Ro=1.07%時(shí)達(dá)到生油高峰，生油率均高于40 mg/g，具有一定的排烴能力；侏羅系西山窯組煤樣生油產(chǎn)率相對(duì)較低，Ro=0.96%時(shí)達(dá)到生油高峰，部分樣品具有一定的排烴能力。從干酪根生氣特征來(lái)看，八道灣組煤樣最大生氣量為106.53～135.39 mg/g，西山窯組煤樣最大生氣量為92.23～141.26 mg/g，遠(yuǎn)高于最大生油量，八道灣組和西山窯組煤樣均具有非常好的生氣潛力。

對(duì)準(zhǔn)噶爾盆地南緣天然氣甲烷碳同位素進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并根據(jù)上文建立的甲烷碳同位素值與煤系烴源巖成熟度Ro的關(guān)系公式推算出研究區(qū)烴源巖成熟度(表2)。從計(jì)算結(jié)果來(lái)看，準(zhǔn)噶爾盆地南緣地區(qū)主要?dú)獠靥烊粴獬墒於确植挤秶鸀?.95%～2.00%，南緣西段霍10井區(qū)氣藏甲烷的碳同位素相對(duì)較輕，分布范圍為-35.8‰～-33.5‰，計(jì)算煤系烴源巖成熟度Ro=0.95%～1.24%；南緣中段齊古氣藏天然氣甲烷碳同位素最重，分布范圍為-33.5‰～-29.3‰，計(jì)算煤系烴源巖成熟度Ro=1.24%～2.00%。前人研究顯示南緣西段四棵樹(shù)沉積中心侏羅系烴源巖演化程度相對(duì)不高，Ro在1.3%左右，中段坳陷區(qū)侏羅系烴源巖成熟度Ro在2.0%左右[40]，上述計(jì)算結(jié)果與此較為一致，說(shuō)明本次研究建立的甲烷碳同位素和烴源巖成熟度的關(guān)系公式符合南緣實(shí)際地質(zhì)情況。

表2 準(zhǔn)噶爾盆地南緣天然氣地球化學(xué)特征

準(zhǔn)噶爾盆地南緣中下侏羅統(tǒng)煤系烴源巖廣泛分布。其中，八道灣組煤層厚度在5～60 m，在南緣昌吉—烏魯木齊地區(qū)最厚達(dá)60 m，東部阜康地區(qū)為10～20 m，富煤帶面積約4 000 km2[41]，平均有機(jī)碳含量為66.05%，干酪根母質(zhì)類型以Ⅱ型為主，少量Ⅲ型[40]；西山窯組煤層厚度在2～20 m，最大可達(dá)30 m，富煤區(qū)位于昌吉—烏魯木齊地區(qū)[41]，平均有機(jī)碳含量為55.55%，干酪根母質(zhì)類型主要為Ⅲ型，少量Ⅱ2型[40]。

南緣西部四棵樹(shù)凹陷八道灣組烴源巖埋深約6 000 m，凹陷沉積中心Ro值達(dá)到1.3%，凹陷北部艾卡構(gòu)造帶由于在喜馬拉雅期發(fā)生構(gòu)造抬升，烴源巖成熟度相對(duì)低，Ro在1.0%左右[19]。從模擬實(shí)驗(yàn)可知，在Ro=1.0%左右，八道灣組煤樣生油量在57.10～81.19 mg/g，艾卡構(gòu)造帶八道灣組煤層厚度10～20 m[41]，且煤樣有機(jī)碳含量高，基本在50%以上，具有形成帶氣頂?shù)挠筒亍?/p>

南緣中段霍瑪吐背斜帶西山窯組煤層厚度大于20 m，分布面積大，昌吉—烏魯木齊地區(qū)煤層厚度為10～20 m，八道灣組煤層在昌吉—烏魯木齊地區(qū)最厚達(dá)60 m[36]。區(qū)內(nèi)侏羅系成熟度在1.3%～2.0%。在Ro=1.3%左右，煤生成的油已發(fā)生裂解，產(chǎn)量急劇下降，地質(zhì)條件下，烴源巖處于半開(kāi)放體系，早期生成的原油已排出，烴源巖處于大量生濕氣階段；在Ro=2.0%左右，處于干酪根高成熟裂解階段，模擬條件下，煤生成的油已完全裂解，西山窯組煤樣生氣量為60.21～104.27 mg/g，八道灣組煤樣生氣量為79.95～98.48 mg/g，具有非常好的潛力。南緣中段烴源巖處于大量生干氣階段，且目前仍在持續(xù)生氣，具有形成凝析氣藏和干氣藏的條件，是南緣地區(qū)未來(lái)天然氣重要勘探區(qū)域。

4 結(jié) 論

(1)準(zhǔn)噶爾盆地煤樣生烴主要分三個(gè)階段：生油階段、油裂解與干酪根裂解共存階段、干酪根高成熟裂解生氣階段，煤樣生油高峰Ro在0.96%～1.07%之間，具有氣窗較長(zhǎng)的特點(diǎn)，從Ro=0.96%開(kāi)始生氣，在Ro=3.6%生氣結(jié)束。

(2)準(zhǔn)噶爾盆地南緣西段艾卡構(gòu)造帶八道灣組煤相對(duì)較厚，Ro在1.0%左右，處于煤生油高峰，生油量在57.10～81.19 mg/g，且煤具有有機(jī)碳含量高的特點(diǎn)，認(rèn)為該區(qū)煤具有形成帶氣頂?shù)挠筒氐臐摿Α?/p>

(3)準(zhǔn)噶爾盆地南緣中段霍瑪吐背斜帶和昌吉—烏魯木齊地區(qū)侏羅系煤層厚度大，最厚達(dá)60 m，烴源巖Ro在1.3%～2.0%之間，處于煤大量生干氣階段，生氣量為60.21～104.27 mg/g，認(rèn)為南緣中段是南緣地區(qū)未來(lái)天然氣重要勘探領(lǐng)域。