鄂尔多斯北部杭锦旗探区上古生界烃源岩评价

薛 会 张金川 徐 波 王 毅 毛小平

(1.中国石化石油勘探开发研究院,北京 100083;2.中国地质大学能源学院,北京 100083)

上古生界发育的煤系地层是鄂尔多斯盆地上古生界气藏的主力烃源岩已经是不争的事实。戴金星(2005)指出下古碳酸盐岩中的天然气也主要来自上古生界的煤系地层[1],进一步肯定了鄂尔多斯盆地上古生界烃源岩的作用。对于杭锦旗探区而言,上古生界烃源岩生烃能力及油气来源研究一直比较薄弱,仅有张福礼(1985)[2]、费琪(2005)[3]等少数学者有针对性地对杭锦旗探区上古生界烃源岩展开过研究。可能受勘探程度、资料或其他因素影响,在开展鄂尔多斯盆地北部上古生界烃源岩研究时,大部分学者着重于杭锦旗南边的乌审旗生烃中心[4～9],对于杭锦旗探区上古生界烃源岩涉及较少,认为杭锦旗探区上古生界油气主要来自研究区南侧乌审旗生烃中心。然而杭锦旗探区上古生界烃源岩生烃能力究竟如何,能否满足该区油气聚集,目前尚无定论。烃源岩问题的模糊不清已经严重影响了该区上古生界天然气成藏类型与分布规律研究,阻碍了上古生界天然气勘探的前进步伐。因此,开展烃源岩评价研究已经成为该区亟待解决的首要问题。

1 区域概况

杭锦旗探区(杭锦旗区块和杭南区块)位于鄂尔多斯盆地北部,横跨伊盟隆起和伊陕斜坡两大一级构造单元,总面积为9 825 km2。根据基底顶面起伏、盖层发育情况以及构造形态特征,又可划分为乌兰格尔凸起、公卡汉凸起、杭锦旗断阶、伊陕斜坡及天环向斜一角共五个次一级构造单元(图1)。在地形特征上,杭锦旗探区是鄂尔多斯盆地北部地区长期继承性古隆起,一直被认为是油气运移的有利指向区[7,8]。区内主要发育了三眼井、泊尔江海子两条断裂,分别位于研究区的西部、东部。前者为一条长约150 km的东西走向南倾正断层,具有基底断裂的特点;后者为一南凸弧形断面北倾长约180 km的逆断层,地震剖面显示该断层自北向南逆冲,具有两期活动特征,早期在早海西或更早,晚期为燕山期,是研究区内一条重要的断裂,控制着区内主要圈闭形成与地层沉积。

图1 杭锦旗探区位置及构造单元划分图Fig.1 Structural unit division and location of the Hangjinqi block

晚古生代沉积前,杭锦旗探区一直处于长期隆起状态,属于基岩隆起区,基底主要由太古界至元古界混合变质岩系组成。至晚石炭世接受沉积以来,上古生界以不同层位由南向北超覆于太古-元古界基底之上,先后沉积了石炭系太原组、二叠系山西组、上石盒子组、下石盒子组及石千峰组,其中太原组和山西组主要发育煤层、泥岩及暗色泥岩,石盒子组和石千峰组以发育砂岩为主。

2 烃源岩展布

杭锦旗探区上古生界主要发育了两套烃源岩,石炭系太原组和二叠系山西组煤系地层,岩性主要为煤层、暗色泥岩及炭质泥岩,已被钻井和野外露头所证实。根据多口探井及地震资料揭示,研究区上古生界烃源岩分布具有从南东向北西逐渐减薄趋势,东南部上古生界煤层和暗色泥岩总厚30～60 m,西北部源岩厚度一般在20 m左右,其中浩绕召附近缺失山西组-太原组烃源岩。煤层展布与烃源岩厚度变化趋势一致,煤层厚度约占整个烃源岩厚度的30%。太原组烃源岩主要分布在研究区的东南部,为一套海陆交互相的滨浅海和潮坪环境的沉积产物,岩性主要为煤层、暗色泥岩及炭质泥岩。具体范围受太原组尖灭线控制,主要分布在盟1井-伊22井-伊8井一线以南,由南向北烃源岩厚度逐渐变薄,最大厚度约30 m。煤层最大厚度约10 m,在锦10井附近较薄,厚度一般小于5 m。山西组烃源岩主要为一套陆相的扇三角洲沉积,岩性与太原组一致,厚度相当,但山西组烃源岩分布范围更广,除了浩绕召、锦 3井、锦4井外,研究区内皆有分布。烃源岩厚度具有由南向北逐渐减薄的趋势,厚度在10～40 m之间。煤层最大厚度约15 m,主要集中在杭南区块内。

3 烃源岩地球化学特征

表1统计结果表明,早期研究以找油为目的,分析化验样品主要以泥岩为主,地球化学指数整体偏低。泥岩有机碳的质量分数主要分布0.5%～2%之间,个别泥岩有机碳的质量分数达3.09%;部分炭质泥岩有机碳的质量分数较高,达到8.58%,最高达30%～40%;样品中可能夹有煤线。氯仿沥青“A”的质量分数为 0.007%～0.141%,总烃的质量分数一般大于10×10-6;炭质泥岩的质量分数相对较高,一般达到 100×10-6以上。早期检测的伊26井煤层地球化学指数较高,生油潜量为141.895‰,泥岩生烃潜量一般在1‰～4‰之间,残留烃+裂解烃为0.08‰～7.2‰：显示煤层较好的生烃潜力。

在充分认识研究区煤系地层特征基础上,本次样品主要以选取煤层为主,炭质泥岩和暗色泥岩为辅。化验结果(表1)表明本区煤层有机碳的质量分数较高,最大值达77.27%,平均值为61.32%;炭质泥岩的质量分数次之,暗色泥岩的质量分数最低(0.35%～2.39%)。不同岩性的残留烃+裂解烃变化与有机碳的质量分数变化一致,煤层的残留烃+裂解烃的质量分数依次高于炭质泥岩、暗色泥岩。对比前人分析结果,本次测试结果更佳,达到中-好烃源岩标准。

表1 杭锦旗探区上古生界有机质地球化学指标Table 1 Statistics of organic geochemical indexes of Upper Paleozoic of the Hangjinqi block

山西组、太原组烃源岩饱和烃的质量分数一般小于10%,芳香烃的质量分数明显高于饱和烃,饱和烃/芳香烃值一般小于0.5,非烃+沥青质一般超过50%。干酪根H/C为0.54～0.59。这些特征都反映了有机质类型应该属于腐殖型,干酪根类型为Ⅲ型,以生气为主。

普遍认为鄂尔多斯盆地北部地区上古生界有机质成熟度分布范围在0.6%～2.0%之间,杭锦旗探区上古生界有机质成熟分布范围在0.6%～1.3%[5,6,9]。但是,最近也有观点认为杭锦旗探区上古生界有机质成熟度分布在1.2%～2.0%[3]。针对目前存在的争议,本次研究主要对最近探井进行跟踪采样分析。通过对研究区石炭-二叠系10块样品进行镜质组反射率测定,Ro值的分布范围在0.8%～1.3%,与前人观点基本吻合。由南向北,研究区上古生界Ro值逐渐增高(图2),杭锦旗断阶锦11井附近值最低,杭南地区锦8-锦10井一带值最高,已经进入成熟阶段。

4 烃源岩生烃能力及评价

衡量煤系烃源岩生烃能力好坏一直没有一个统一的标准。刘德汉(1987)据镜质组反射率、氯仿沥青“A”、生烃潜量及H/C原子比四个指标将煤系烃源岩划分为非常好、比较好和比较差三个等级[10,11],陈建平(1997)从氢指数、生烃潜量、氯仿沥青“A”和总烃四个指标将煤系烃源岩生烃能力划分为非烃源岩、差烃源岩、中等烃源岩以及好烃源岩四个等级[12]。从两者的评价标准来看,后者的生烃下限标准略有提高,并且还明确提出有机碳的质量分数不宜作为评价煤和碳质泥岩的指标,用生烃潜量或氢指数来评价更为有效。由于他们的研究主要以生油为标准,而对于煤系生气型源岩而言,指标标准可能更低。根据两位学者的研究,本文主要采用生烃潜量这一指标作为杭锦旗探区上古生界煤系烃源岩生烃能力评价依据。

图2 杭锦旗探区上古生界现今Ro等值线图Fig.2 Contour diagram of present degree of organic metamorphism in Upper Paleozoic of the Hangjinqi block

4.1 生烃潜力

热解实验结果表明(表1),煤的生烃潜力远大于泥岩,锦 8、锦9、锦 10井煤层生烃潜量普遍大于150‰,而泥岩样品生烃潜量范围在0.08‰～4.56‰,普遍小于1.0‰,炭质泥岩样品生烃潜量稍大于泥岩。根据刘德汉(1987)提出的煤成烃源岩划分标准(Ro处于0.6%～1.3%之间,生烃潜量大于150‰,属于非常好生油岩[10])和陈克明(1994)提出的吐哈盆地煤系泥岩评价标准(生烃潜量在0.5‰～2.0‰之间,煤系泥岩属于差生油岩[13,14]),杭锦旗探区上古生界煤层属于非常好的烃源岩,泥岩则属于差烃源岩。因此,煤层应为研究区最主要的气源岩。

4.2 生烃模拟

4.2.1 生烃强度

TSM盆地模拟结果显示,上古生界生烃强度从南向北呈半环状减弱。研究区正南侧地区最大生烃强度达2.5×106t/km2;至太原组烃源岩尖灭线附近,烃源岩总生烃强度减至(0.6～1.0)×106t/km2(图3)。从数值上看,杭锦旗探区烃源岩以生气为主导,生气强度为(0.1～1.3)×109m3/km2,总生气强度和生油强度等值线在形态上与总生烃强度十分相似,但后者明显小于前者(图4、图5)。根据戴金星(1992)提出的工业油气流盆地的最大生烃强度(1.0×106t/km2)下限标准[15],具备为研究区天然气成藏提供物质基础条件。

4.2.2 生烃量模拟

本次研究运用TSM软件模拟计算了杭锦旗探区不同时期的生烃量、生气量、生油量。杭锦旗探区生烃量合计3.4054×109t油当量。其中太原组1.187×109t,占总生烃量的34.86%;山西组2.216×109t,占总生烃量的 65.07%;下石盒子组源岩生烃量为0.0017×109t,仅占杭锦旗探区总生烃量的0.05%：明显不具备生烃能力。

从生烃过程上看,早二叠世末累积生烃量为0.038×109t,中侏罗世末 1.182×109t,侏罗纪末1.484×109t,早白垩世末2.868×109t。整个研究区内源岩从侏罗纪末进入大规模生烃,生烃高峰为早白垩世。

对比山西组、太原组不同时期生气量和生油量,杭锦旗探区总生气量为2.608×1012m3,占总生烃量的76.58%;总生油量为0.797 3×109t,占总生烃量的23.41%。山西组和太原组总生气量分别为1.705 88×1012m3和0.901 38×1012m3,分别占总生气量的65.4%和34.6%;山西组和太原组总生油量分别为 0.501 53×109t和0.286 3×109t,分别占总生油量的 64.02%和35.87%。

图3 杭锦旗探区总生烃强度等值线图Fig.3 Contour diagram of the total hydrocarbon-generating intensity of the Hangjinqi block

图4 杭锦旗探区总生气强度等值线图Fig.4 Contour diagram of the total gas-generating intensity of the Hangjinqi block

图5 杭锦旗探区总生油强度等值线图Fig.5 Contour diagram of the total oil-generating intensity of the Hangjinqi block

不同层位生油、生气量模拟结果揭示,山西组烃源岩的生油气量大于太原组。尽管太原组烃源岩生烃强度普遍大于山西组;但由于山西组源岩在空间展布上优于太原组源岩,具有厚度大、面积广的优势,总生烃量大于太原组,是研究区主力烃源岩层系。

4.2.3 热演化史

研究区地处鄂尔多斯盆地北部伊盟隆起,并长期处于隆起状态,烃源岩演化与盆地内部也有所区别(图6)。

图6 杭锦旗探区上古生界烃源岩演化史图Fig.6 Map showing the evolution hydrocarbon source rocks of Upper Paleozoic in the Hangjinqi block

晚古生代至三叠纪晚期,研究区基本为一持续、稳定的沉降过程。在此期间,该区整体上以统一的广覆型面貌出现,前期的隆凹型格局差异逐渐消失,但仍保持前期构造格局,北部隆起区也整体下沉接受沉积,上古生界烃源岩热演化程度稳步增加。此时,太原组Ro普遍小于0.4%,有机质尚未成熟。此后的印支运动对杭锦旗探区地层有一定程度的抬升作用,但持续时间较短,抬升幅度不大,对烃源岩演化进程影响不大。

受早燕山运动的影响,鄂尔多斯盆地北部地区在中侏罗世末结束了整体升降的构造演化,开始了不均衡的发育,区域构造形态开始发生改变,但整体上继承着南高北低的特征。此时,上古生界烃源岩开始成熟,Ro普遍达到0.6%～0.7%。

早白垩世,研究区经历了强度最大的晚燕山构造运动,地层发生倒转,形成现今东高西低、由南西向北东方向延伸的单斜构造,烃源岩处于最大埋深,有机质完全成熟,Ro普遍在1.0%左右,烃源岩达到生气高峰。早白垩世末以来,研究区又经历了构造抬升事件,但幅度不大,对有机质演化无较大影响。

4.3 烃源岩有效性分析

4.3.1 天然气组分中甲烷的质量分数变化

根据天然气“色层效应”运移理论,天然气运移距离越远,其气体组分中甲烷所占的比例应越大。如果研究区上古生界天然气主要来自南侧乌审旗生气中心,由于距离的关系,上古生界天然气甲烷含量应高于乌审旗地区。根据对研究区及乌审旗附近上古生界天然气甲烷的质量分数统计(表2),杭锦旗探区上古生界天然气的甲烷的质量分数并没有发生相应的变化,尤其是烃源岩层系(山西组)甲烷的质量分数反而降低,明显低于乌审旗地区及附近。因此,研究区上古生界天然气可能并不是来自乌审旗生气中心,而是以自身为主。

表2 鄂尔多斯盆地北部不同地区甲烷的质量分数与甲烷化系数统计Table 2 Statistics of mass fraction of methane and methane coefficient in different regions of the northern Ordos Basin

甲烷化系数是一项常用的地球化学参数,不仅能够反映天然气烃类组分的组成特征,还能作为判别天然气运移方向的有效指标[4]。根据统计结果,甲烷化系数与甲烷的质量分数变化比较一致;同层比较,杭锦旗探区一般要小于南部诸地区：进一步明确了杭锦旗探区上古生界天然气主要来自自身烃源岩这一事实。

4.3.2 天然气侧向运移距离

若研究区内的天然气成藏是来自南侧乌审旗生气中心,则天然气要在整个鄂尔多斯北部地区地层倾角小、储层低孔低渗、构造活动不发育的地质背景下,经过数十千米的运移,进入北部地区聚集成藏。能否发生这样的长距离运移,笔者持怀疑态度。

鄂尔多斯盆地内地层倾角小(仅为5°～7°),断裂不发育,因而盆地内油气运移主要以砂体为输导层;而事实上砂体对天然气的运移能力相当有限。统计表明,在所有大中型气田中鄂尔多斯盆地的源圈距是最小的,不足百米,其他地区最大也不足千米[16]。需要特别指出的是,统计的鄂尔多斯盆地内的气田均处于生气中心范围内,源岩厚度大,生烃能力强,在生烃膨胀力的作用下,天然气运移初始动力强。在此强动力的条件下,天然气运移尚且不足百米,那么天然气运移至距生气中心边缘数十千米外的杭锦旗探区聚集成藏的可能性更小。

4.3.3 其他证据

除上述两种方法表明研究区烃源岩原地性特征外,前人还利用热解模拟气组分与本区上古生界天然气组分进行气-气对比研究,结果表明研究区上古生界煤系地层是天然气的主要气源岩[17]。马新华等(2005)指出鄂尔多斯上古生界烃源岩从单一的乌审旗生气中心生气模式发展为全区大面积生烃模式[18],表明了人们对于鄂尔多斯盆地上古生界烃源岩认识的提高,进一步反映了研究区上古生界烃源岩的原地性特征。

综上所述,研究区自身上古生界煤系烃源岩是天然气成藏的主要来源。研究结论与前人研究有所区别,尤其是研究区自身烃源岩原地性特征,可能带来对本区上古生界天然气成藏类型、成藏模式及分布规律的不同认识。

5 结论与认识

a.杭锦旗探区上古生界发育石炭系、二叠系两套煤系烃源岩,岩性以煤层、暗色泥岩及炭质泥岩为主,烃源岩厚度由南至北逐渐减薄,最厚达到60 m,其中煤层厚度最大约25 m。煤层有机碳的质量分数高,有机质类型好,以Ⅲ型干酪根为主,属于生气型源岩,有机质成熟度较高,已经进入生气高峰阶段。

b.热解实验分析和生烃模拟结果表明,煤层生烃潜量最大,远大于泥岩和炭质泥岩。根据煤系烃源岩评价标准,煤层是研究区最好的气源岩,泥岩为差烃源岩。烃源岩生烃强度为(0.1～1.3)×109m3/km2,具备为研究区天然气藏提供物质基础的条件。

c.研究区总生气量为2.608×1012m3;山西组和太原组总生气量分别为1.705 88×1012m3和0.901 38×1012m3,分别占总生气量的65.4%和34.6%。山西组总生烃量大于太原组,是研究区主要的烃源岩层系。从生烃演化来看,烃源岩从侏罗纪末进入大规模生烃,生烃高峰为早白垩世。

d.烃源岩地球化学特征、热解实验分析和生烃模拟结果研究表明,杭锦旗探区石炭二叠系煤层是该区上古生界天然气聚集成藏的主要气源岩,天然气组分中甲烷的质量分数变化、天然气侧向运移距离等证据进一步佐证了上述观点,突出了杭锦旗探区上古生界烃源岩的原地性特征。

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