湖相碳酸盐烃源岩热解生烃特征

马素萍 罗春树 田春桃，3 杨 燕，3

（1.中国科学院 地质与地球物理研究所 油气资源研究重点实验室，兰州730000；2.塔里木油田分公司 勘探开发研究院，库尔勒841000；3.中国科学院 研究生院，北京100039）

湖相碳酸盐岩广泛分布于中国各类陆相含油气盆地，常具有良好的生油和储油能力，如渤海湾盆地古近系沙河街组、东营组，柴达木盆地西部古近系，苏北盆地古近系阜宁组，四川盆地侏罗系，松辽盆地白垩系，华北济阳拗陷古近系沙河街组，江汉盆地古近系潜江组，南襄盆地泌阳凹陷古近系核桃园组，酒西盆地白垩系，塔里木盆地古近系等［1］。由于湖相碳酸盐岩在地质历史中分布较少，人们对其重视和研究的程度远远不如海相碳酸盐岩；并且相对湖相碳酸盐岩的储油性能，针对其油气生成、运移、分布及油藏和资源量的研究更是少之又少［2，3］。

针对湖相碳酸盐岩的生烃问题，前人已在泌阳凹陷、柴达木盆地、济阳凹陷以及酒西盆地进行了大量的研究工作，取得了重要的研究成果［4－12］；但相对于海相碳酸盐岩烃源岩的研究，湖相碳酸盐岩的生烃研究仍然显得十分薄弱。湖相碳酸盐岩常常与湖相泥质烃源岩呈互层甚至是纹层状的沉积，但由于沉积环境明显不同，它们的成烃演化特征亦必然存在很大差异。本文通过生烃模拟实验，对比分析了酒西盆地青西凹陷这2种陆相烃源岩的生烃过程，不仅为该区烃源岩评价提供科学依据，并为今后提出湖相碳酸盐岩生烃模式提供科学依据。

1 地质背景及实验方法

1.1 地质背景及实验样品

青西凹陷为发育于酒西盆地西南部的次级断陷湖盆，该凹陷于早白垩世依次经历了赤金堡期的强烈裂陷、下沟期的裂陷扩张和中沟期的稳定拗陷3个构造－沉积演化阶段，并相应地发育了赤金堡组（K1c）、下沟组（K1g）和中沟组（K1z ）［13］，它是酒西盆地的沉降中心，也是盆地主要的生烃凹陷之一。

青西凹陷早白垩世断陷湖泊整体上处于封闭—半封闭的强还原—还原环境［14］，赤金堡组和下沟组属湖相碳酸盐岩沉积，主要发育一套泥质白云岩和白云质泥岩［15］。以往的研究表明，下沟组和赤金堡组深湖、半深湖相的白云质泥岩和泥质白云岩是盆地的主力烃源岩［16，17］；而精细的油源研究也已证实，下沟组和赤金堡组湖相碳酸盐岩中的藻纹层灰岩是酒西盆地的主力烃源岩［10］。

本项研究样品为酒西盆地青西凹陷中沟组泥岩（下文为L1样品）和泥质白云岩（下文为L2样品）。样品的有机地球化学特征详见参考文献［18］，2个样品的干酪根类型均为Ⅲ型。

物相分析结果表明，青西油田湖相烃源岩样品的矿物组成以斜长石、方解石、白云石和黏土矿物为主。其中白云石的质量分数最高，平均达33.1%；其次为斜长石，平均达30.6%；另外含少量硬石膏、菱铁矿、黄铁矿等（表1）。

1.2 实验方法

对干酪根样品进行50MPa压力条件下的热解实验，起始温度为200℃，分别以20℃／h和2℃／h的升温速率将样品干酪根加热到所需的温度，分析干酪根样品热解生烃的量。具体方法过程详见文献［19］。

2 结果与讨论

2.1 热解产物产率

2.1.1 甲烷和C2～C5气态烃组分

在整个热演化过程中，随着模拟温度的升高（即热演化程度的增高），2个样品的甲烷产率呈现持续增大的趋势。而C2～C5气态烃的产率则随着热解温度的升高先增加，待产率达到最大值后再降低。这是由于C2～C5气态烃在高温阶段发生裂解所致。

不同岩性的干酪根样品，生烃转化率具有较明显的差异（图1）。在相同的温度下，无论是C1还是C2～C5，泥质白云岩干酪根转化率均高于泥岩。对于同一样品，2种升温速率条件下的变化趋势是相似的，但升温速率慢（2℃／h）的产率较高，即快速升温比慢速升温的曲线相对滞后，这反映了化学反应过程中温度与时间的互补关系。

2.1.2 液态产物特征

图2是各温度段液态产物的累计产率。从图中可以看出2个样品全油累计产率变化趋势是相似的，但累计产率大小却存在差异。随着实验温度的升高，全油的累计产率在2个升温速率下均显示为先增加后降低的态势，并且均是在400℃之前低升温速率较高，而该温度之后逆转；相同温度条件下，泥质白云岩的全油累计产率均高于泥岩，表明泥质白云岩具有较高的产液态烃的能力。参照以前的研究可知［18］，L1和L2样品的 H／C原子比和氢指数（IH）分别是0.13、0.09及57、335，这可能亦从另一个方面表明泥质白云岩样品（L2）的生油能力较强。另外，在相同升温速率下，泥质白云岩的生油高峰的温度范围较泥岩宽，其主力生烃期对应的温度为350～425℃。

2.2 相对产率特征

甲烷的相对产率具有先增加后减少的规律，相对产率高峰受升温速率影响，生温速率慢的条件下，相对产率高峰会提前。泥质白云岩整体的产量峰值较泥岩的后移。重烃气体的相对产率具有低温阶段为正值、有1个（或2个）生烃高峰；在高温阶段是负的，具有一个裂解高峰。全油的生烃高峰和裂解高峰受到岩性和升温速率的影响，泥岩仅在低温阶段出现了一个小峰值，尔后（＞400℃）均为负值；但泥质白云岩的生烃高峰却出现在高温演化阶段。

表1 热解模拟实验样品矿物分析结果（w／%）Table 1 Mineral analysis of the samples for pyrolysis simulated experiments

图1 泥岩和泥质白云岩热解气产率Fig.1 Yield of gaseous hydrocarbon for the mudstone and argillaceous dolomite

图2 泥岩和泥质白云岩全油产率特征Fig.2 Yield of the whole oil from the mudstone and argillaceous dolomite

2.3 热解气（油）组成特征与演化

2个升温速率下热解产物的组成特征与演化规律基本一致。热解气组成主要由烃类和非烃类组成，烃类以C1为主，含少量重烃气体；非烃气体主要为CO2、H2、H2S。

由图3可知，不同升温速率下2种岩性干酪根样品在Ro＜2.7%时的甲烷生成量基本相同；但随演化程度继续增大时，泥质白云岩的甲烷生成量均大于相同Ro值泥岩的生成量。重烃气体均有一个先增加后减少的趋势，但泥质白云岩的生成量要远远大于泥岩，且其生成重烃气体的高峰出现在Ro≈2.5%的过成熟演化阶段，较泥岩有所滞后。

非烃气体的演化特征也呈现出差异性的面貌：整个演化阶段，泥岩的CO2生成量均高于相同Ro值下的泥质白云岩；H2的演化趋势大体相同，但高演化阶段，高升温速率下的生成量均大于低升温速率的；H2S的生成量亦是在高演化阶段2种岩性干酪根样品出现差异。

全油的生成和演化特征在2种岩性干酪根样品之间也出现了明显的差异：①泥质白云岩在整个演化过程中均具有较高的生成液态烃的能力；②泥质白云岩生成液态烃的阶段较泥岩样品长（Ro≈0.7%～3.0%）；③2种岩性干酪根样品在Ro≈0.7%的低成熟演化阶段开始生油，而全油生成高峰均出现在Ro≈1.3%，但泥质白云岩略有滞后。

2.4 湖相烃源岩的生烃模式

模拟实验结果表明，泥岩与泥质白云岩干酪根样品均在350℃开始有气态烃和液态烃生成，只是泥岩样品在406℃（或374℃）左右达到生油高峰，而泥质白云岩在422℃（或391℃）左右才达到生油高峰。在整个热演化过程中，泥质白云岩与泥岩的甲烷生成量持续增加；重烃气体生气高峰分别出现在Ro≈2.5%和Ro≈2.0%，而液态烃的生烃高峰出现在Ro≈1.3%，其生油阶段较长。

图3 热解产物组成特征随演化程度变化曲线Fig.3 Composition characteristics of the pyrolysis products from the mudstone vs.the easyRo

3 结论

对低熟湖相泥岩和碳酸盐岩干酪根进行生烃动力学热模拟实验表明，2种岩性样品的气态和液态产物具有相似的动力学特征，但它们之间亦存在着明显的不同：较之泥岩，湖相泥质白云岩具有较好的生气与生油能力，这可能与泥质白云岩样品（L1）TOC的质量分数相对较高（0.95%）有关。泥质白云岩生烃高峰明显晚于泥岩，其甲烷产量峰值较泥岩后移，液态烃的生烃高峰出现在高温演化阶段，具有晚期生烃的特点。由此可以认为，湖相碳酸盐岩生油盆地，门限深度不能一概而论，2套湖相烃源岩的生烃模式不同，生烃高峰期亦不同。

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