阜阳探区石炭系-二叠系烃源岩生烃特点分析

张健伟

(中石化江苏油田分公司勘探开发研究院,江苏 扬州 225009)



阜阳探区石炭系-二叠系烃源岩生烃特点分析

张健伟

(中石化江苏油田分公司勘探开发研究院,江苏 扬州 225009)

为了明确阜阳探区石炭系-二叠系烃源岩生烃潜力，以石炭系-二叠系泥岩和煤岩生烃模拟试验数据为基础，明确烃源岩热演化过程中各个阶段的生烃量和生烃演化特点，估算其资源量。结果表明:泥岩镜质体反射率(Ro)在1.0%～1.3%之间为生油高峰阶段，Ro大于2.0%为大量生气阶段；煤岩Ro在1.0%～1.3%之间为生油高峰阶段，Ro大于0.7%进入规模生气阶段，随着Ro增高，生气量逐渐增大。由于该区每个凹陷石炭系-二叠系烃源岩热演化程度不同，其生烃类型存在差异；颜集凹陷以生成天然气为主，倪丘集凹陷既可以生油又可以生气，古城低凸起以生油为主。资源量估算证实天然气资源潜力区在颜集凹陷和倪丘集凹陷，油资源潜力区在倪丘集凹陷和古城低凸起。

阜阳探区;烃源岩;生烃模拟试验;生烃演化史;资源量

阜阳探区位于南华北盆地周口坳陷东部，主要包括颜集凹陷、倪丘集凹陷、临泉凹陷和古城低凸起四个二级构造单元，是在印支、燕山、喜山构造运动改造基础上形成的叠加型盆地。在元古界基底之上沉积有下古生界、上古生界、中生界三叠系、白垩系、新生界古近系、新近系、第四系，其中上古生界石炭系-二叠系泥岩、煤岩是该区主要烃源岩，该套烃源岩分布在太和断裂以北的颜集凹陷、倪丘集凹陷和古城低凸起。前人对该套生烃层开展过系统评价，取得了丰硕的成果。但也存在一些关键问题尚待解决：首先，石炭系-二叠系泥岩、煤岩有机质丰度都属于中等-差范畴，上古生界太原组(C2t)、山西组(P1s)、下石盒子组(P1x)评价略好于上石盒子组(P2s)。有机质类型以Ⅲ型为主，少量Ⅱ型干酪根[1]。在有机质丰度一致的前提下，泥岩和煤岩生烃热演化特征是否存在差异，未能形成统一认识。其次，阜阳探区烃源岩成熟度具有北高南低的特点[2]，北部的颜集凹陷烃源岩镜质体反射率(Ro)在2.0%以上，南部的倪丘集凹陷和古城低凸起Ro在0.7%～1.4%之间，南北之间生烃类型、生烃量存在多大差异以及生烃潜力区的厘定，还缺少具有说服力的资料予以证实。笔者以阜阳探区古生界泥岩和济宁地区古生界煤岩生烃模拟试验数据为基础，统计试验样品在每个模拟温度点的烃产量，反演烃源岩热演化生烃过程，并结合区域烃源岩评价资料，重新认识该区烃源岩生烃潜力，划分潜力区带。

1 生烃模拟试验

1.1 试验样品选择

利用热模拟试验方法研究烃源岩的生烃动态过程是烃源岩评价中一种技术手段，在试验过程中尽量选择成熟度低的样品，才能很好地表征烃源岩低熟至成熟乃至过成熟生排烃的全过程[3]。热模拟试验的泥岩样品取自于阜阳探区古城低凸起的古城1井P1s，该样品深度为1487.6m，总有机碳质量分数(w(TOC))为3.3%，氯仿沥青“A”质量分数w(“A”)为0.142%，生烃潜量为4.21mg/g，氢指数为114mg/g，属于中等烃源岩，有机质类型为Ⅱ2型，Ro为0.75%，处于成熟阶段。煤岩样品来自于华北盆地济宁地区石炭系煤岩，w(TOC)为58%，w(“A”)为3.212%，有机质丰度评价为中等烃源岩，有机质类型为Ⅲ型，Ro为0.5%，处于未成熟阶段。

1.2 试验条件和方法

试验样品500g，研磨成直径2.5～10mm，这种粒径的颗粒对排烃有利。将样品和去离子水加入到反应釜中，反应釜密封后，充入4～6MPa的氮气，放置试漏，待不漏后，放出氮气抽成真空。然后加温，达到设定温度后恒温24h，为了反演阜阳地区烃源岩从成熟→高成熟→过成熟整个生烃过程，选择了325、350、375、400、450、500、550℃共7个温度点，对应的Ro为1.01%、1.14%、1.28%、1.45%、1.84%、2.33%、2.96%。待加温反应完毕，釜内温度降到200℃时放气，热解气通过液氮冷却的液体接收管，进入计量管收集并计量其体积，即为烃气产量。高压釜盖、内壁和岩石表面附着的油状物用二氯甲烷冲洗，二氯甲烷挥发后，即得到排出的油；模拟后的残留样用氯仿抽提沥青“A”或称残留油，排出油量和残留油量累加为生油量；每吨有机碳产烃量即为烃产率[4]。

1.3 烃产率

据古城1井P1s泥岩的产气率统计，随着模拟温度升高，产气率呈现出逐渐升高趋势，模拟温度325～400℃为初始产气阶段，模拟温度400～450℃为缓慢产气阶段，模拟温度450～550℃为大量产气阶段。油与气的产率存在一定差异，具有先增加后降低的趋势；325～375℃为生油量增加阶段，在375℃出现了生油高峰，总的有机碳产油率可以达到166.71kg/tTOC(tTOC表示有机碳)；大于375℃产油量逐渐降低(图1)。

图1 古城1井P1s泥岩油、气产率曲线图

煤岩从模拟结果来看，随着模拟温度逐渐升高，产气率具有先升高，然后降低再升高的趋势；模拟温度350～375℃为初始产气阶段，模拟温度375～400℃为产气量缓慢下降阶段，模拟温度大于425℃为大量产气阶段。煤岩的产油率随着模拟温度逐渐增加，具有先升高再降低的趋势；模拟温度325～350℃之间为产油量升高阶段，大于350℃产油量逐渐降低(图2)。

图2 济宁地区煤岩油、气产率曲线图

对比泥岩、煤岩的油、气产率，泥岩的烃产率大于煤岩。泥岩在模拟温度325～550℃之间平均有机碳产气率为76.81kg/tTOC，最高产气率为219.83kg/tTOC，当模拟温度大于550℃，产气率仍然持续升高；煤岩平均产气率为20.61kg/tTOC，最高产气率仅为40.21kg/tTOC。泥岩在模拟温度325～550℃之间平均产油率为117.59kg/tTOC，当模拟温度为375℃时，产油率最高可达到166.71kg/tTOC；而煤岩平均产油率为12.41kg/tTOC，当模拟温度为350℃时，产油率最高为31.22kg/tTOC。

1.4 烃源岩成熟度与生烃量分析

以生烃模拟试验生烃数据为基础，参照试验温度点与Ro之间的对应关系，换算出石炭系-二叠系烃源岩在各个演化阶段烃产率。从Ro与生烃量线性关系图(图3)可以看到，以Ⅱ型干酪根为主的泥岩，Ro在0.5%～0.7%之间的低成熟阶段油气生成量较少，Ro大于0.7%才开始规模生油，Ro在1.0%～1.3%之间进入生油高峰期，其后持续生油，并且在Ro大于2.0%的过成熟阶段仍然可以生油；而大量生气是在Ro大于1.0%之后，并且在Ro大于2.0%的过成熟阶段逐渐步入生气高峰期。以Ⅲ型干酪根为主的煤岩生烃过程与Ⅱ型干酪根的泥岩具有一定的差异，其Ro在1.0%～1.3%为生油高峰期，Ro大于2.0%之后，基本不生油；煤岩Ro在0.7%就进入规模生气阶段，随着成熟度增高，生气量逐渐增大(图3)。

图3 石炭系-二叠系烃源岩Ro-生烃量线性关系图

2 生烃演化特征

图4 颜集凹陷石炭系-二叠系烃源岩热演化史图

图5 倪丘集凹陷石炭系-二叠系烃源岩热演化史图

图6 古城低凸起石炭系-二叠系烃源岩热演化史图

阜阳地区石炭系-二叠系烃源岩受印支、燕山和喜山运动影响，经历了多期的沉降和抬升，达到现今的埋深和成熟度，其生烃演化史大致分为4个阶段[5,6](图4～6)。①第1个阶段为区域沉降早期生烃。印支运动前晚石炭世至中三叠世呈整体沉降，石炭系-二叠系烃源岩热演化程度较低，泥岩开始规模生油，初始产气；煤岩和泥岩类似，刚刚进入早期生烃阶段。②第2阶段为区域抬升停止生烃。印支运动全区抬升遭受剥蚀。其中北部的颜集凹陷古生界保存完整，三叠系部分剥蚀，而南部的倪丘集凹陷和古城低凸起钻井均未能揭示三叠系，临泉凹陷甚至古生界被剥蚀殆尽，这一时期大部分地区停止生烃。③第3个阶段为持续抬升停止生烃。经历了印支运动抬升剥蚀后，中生代有一定的沉积，但在燕山运动末期的抬升中，全区又被大面积剥蚀，其中颜集、倪丘集凹陷仅在深凹残留白垩系，古城低凸起被剥蚀殆尽，临泉凹陷白垩系保存相对完整。④第4个阶段为差异沉降晚期生烃。喜山运动期间，新生代地层总体上持续沉降，部分地区地层沉积厚度大于印支、燕山运动的剥蚀厚度，发生晚期生烃。

从区域上来看，颜集凹陷上古生界和三叠系剥蚀厚度薄，中生代末期虽然也受到抬升的影响，但总体上以沉降为主，现今石炭系-二叠系烃源岩Ro仍然在2.0%以上，烃源岩热演化和生排烃持续发生，烃源岩以生气为主，虽然现今的热演化程度泥岩也可以生油，但在持续升高的古地温作用下，原油也基本变成裂解气；据颜集凹陷凤凰1井钻探揭示，上古录井气显示活跃，未见油显示。与颜集凹陷不同，倪丘集凹陷三叠系被剥蚀殆尽，古生界也遭受了部分剥蚀，因此其早期生烃停止后，直到新近系沉积末期才开始再次生烃，现今深凹带Ro可以达到1.4%以上，处于生油高峰期和生气初始阶段(图7)。古城低凸起印支运动三叠系被剥蚀殆尽，并且上古生界也被不同程度的剥蚀，印支运动抬升后，虽然中生代和新生代有所沉降，但沉降幅度小，现今Ro仍然在0.8%左右；印支运动前烃源岩以生油为主含少量气，现今停止生烃(图7)。

图7 阜阳探区石炭系-二叠系烃源岩Ro等值线图

3 资源潜力分析

以生烃模式试验为基础，根据烃源岩成熟度与生烃量线性关系，以及阜阳地区生烃演化特点，应用盆地模拟技术，对阜阳地区石炭系-二叠系烃源岩的资源量进行估算；排聚系数参照刘志武等[6]的研究成果，油的排聚系数取值10%，气的排聚系数取值10‰。据计算结果，阜阳探区的天然气资源量为5245×108m3，油资源量1.709×108t；其中颜集凹陷生气量最大，气资源量为3759.20×108m3；倪丘集凹陷生油量最大，油资源量为1.077×108t，同时也有少量气，气资源量为1275.21×108m3；古城低凸起油资源量为0.632×108t，气资源量为210.66×108m3(表1)。对比各个区带的资源量，认为阜阳地区天然气勘探的潜力区在颜集、倪丘集凹陷，油勘探的潜力区在倪丘集凹陷和古城低凸起，只有倪丘集凹陷可以油、气兼探。

表1 阜阳地区油气资源量统计表

4 结论

1)通过生烃模拟试验对比阜阳地区上古生界泥岩和济阳地区煤岩的油气产率表明，华北盆地上古生界泥岩的烃产率远大于煤岩。

2)以Ⅱ型干酪根为主的泥岩，Ro在1.0%～1.3%之间为生油高峰阶段，Ro大于2.0%为大量生气阶段。以Ⅲ型干酪根为主的煤岩Ro在1.0%～1.3%之间为生油高峰阶段，Ro在0.7%就进入规模生气阶段，随着成熟度增高，生气量逐渐增大。

3)石炭系-二叠系烃源岩生烃演化存在整体沉降早期生烃、区域抬升停止生烃、持续抬升停止生烃、差异沉降晚期生烃四个演化阶段，每个地区演化程度不同，生烃类型就存在一定差异；其中颜集凹陷石炭系-二叠系烃源岩以生成天然气为主，倪丘集凹陷石炭系-二叠系烃源岩既可以生油又可以生气，古城低凸起石炭系-二叠系烃源岩以生油为主。

4)资源量估算证实天然气资源潜力区在颜集凹陷和倪丘集凹陷，油资源潜力区在倪丘集凹陷和古城低凸起。

本文属中国石油化工股份有限公司油田事业部基金项目(G5800-14-ZS-YTB011)产出论文。

[1]王荣新,赵刚,邓世英.南华北上古生界烃源岩有机地球化学特征[J].石油实验地质,2008,30(5):485～488.

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[编辑] 宋换新

2016-05-10

张健伟(1982-),男,高级工程师,现主要从事油气地质勘探工作,zhangjw.jsyt@sinopec.com。

TE122.1

A

1673-1409(2016)35-0018-06

[引著格式]张健伟.阜阳探区石炭系-二叠系烃源岩生烃特点分析[J].长江大学学报(自科版),2016,13(35):18～23.