鄂尔多斯盆地下寺湾地区山西组泥页岩生气特征

赵谦平，高 潮，尹锦涛，张丽霞，曹 成，刘 刚，杨 潇，徐 杰，陈奕奕

0 引言

中国页岩气资源丰富，类型多样，海相、海陆过度相、陆相页岩均有广泛分布［1］;继鄂尔多斯盆地下寺湾地区发现长7陆相页岩气［2－5］，在上古生界山西组的页岩层系中也取得重要发现，延长石油集团在该页岩层完钻多口出气井，单井日产量最高可达2．5×104m3，天然气井在山西组泥页岩层段具有较好的气测显示，根据已有研究，上古生界山西组泥页岩为海陆过渡相含煤沉积岩系，单层厚度大，在43．0 ～96．1 m 之间，平均为74．61 m，平面分布稳定，有机质以Ⅲ型干酪根为主，总有机碳含量(TOC)在0．04% ～5．15%，平均为1.01%，镜质体反射率(Ro)在1．76% ～3．72%，平均为2.63%，其生烃产物以烃类气体为主，目前热演化程度达到干气形成阶段，具有形成天然气的物质条件和热演化条件，是页岩气聚集有利层系，也是目前勘探的重点层位。

国内外学者对各类型的烃源岩进行了生烃模拟实验［6－10］，杨天宇等、王传远等、Mi等开展了褐煤的模拟实验［8－10］，Carr等对黏土组烃源岩开展了高压釜模拟实验［11］，林会喜等对准噶尔盆地石炭系不同类型烃源岩开展了生烃模拟［12］，吴远东等对辽河盆地的泥质烃源岩开展了高压生烃模拟实验［13］，在页岩气方面，王勤、马施民对南方海相页岩的成因和生烃特征进行研究［14－15］，目前针对鄂尔多斯盆地的陆相页岩生烃热模拟实验开展较少，王宁等选取鄂尔多斯盆地山2页岩进行了热模拟实验［16］，对二叠系山西组页岩生烃潜力仍缺乏系统评价及认识，文中利用研究区低成熟度页岩开展生烃模拟实验，借鉴前人研究方法［13，17－18］，建立并标定有机质生烃动力学模型，开展生烃动力学研究，对页岩生烃阶段划分，生气过程及评价等方面进行研究，分析对比山西组山1和山2泥页岩的生烃潜力，为陆相页岩气形成及资源潜力方面的研究提供依据。

1 地质概况

1.1 区域地质背景

下寺湾地区位于鄂尔多斯盆地中南部，北抵延安，南至东沟，东达劳山，西至桥镇，面积为2 070 km2(图1)。区内山西组构造平缓，褶皱和断层不发育，仅局部发育低幅度鼻状隆起(轴向近东西向)。晚古生代鄂尔多斯盆地经历了由陆表海向陆相湖泊沼泽相转变，在经历本溪期和太原期陆表海沉积之后，山2期海水开始退出，逐渐向近海湖盆转化，发育了三角洲相和滨浅海相沉积环境［18］;山1期三角洲广泛进积，形成了以河流－三角洲为主的内陆湖泊沉积(图1)。在海陆过渡相环境下，山西组形成了一套以暗色泥页岩为主的含煤碎屑岩系，也是陆相页岩气重点研究的领域和目标。

图1 鄂尔多斯盆地山2段沉积背景（左）及顶面构造（右）Fig．1 Sedimentary background（left）and structure（right）of Shan 2 layer in Ordos Basin

1.2 样品特征

本次研究尽量采集在研究区附近，与山西组泥页岩同层的埋深较浅、成熟度较低的烃源岩样品进行生烃热模拟实验，图2为扒楼沟山西组剖面综合柱状图及热模拟样品层位图，可以看出，该剖面沉积旋回清晰，山1和山2段炭质页岩发育，页岩层多且厚度大，最大单层页岩厚度为24．14 m．其中山2段页岩裂隙发育，页岩中含较多碳质，部分样品污手。

表1为用于热模拟实验的样品通过分析测试得到的地球化学特征，可以看出山1段(P01)和山2段(P02)2个页岩样品的有机碳含量分别为7.29%和48．5%，表明二者有机质丰度较高，其中山2段页岩有机质含量更高，这与其中含有较多的碳质有关。山1段和山2段2个页岩样品的热解指数 S1分别为 0．388 和 1．55 mgHC/g，S2分别为15.19 和54．95 mgHC/g，氢指数HI分别为2．08 和1．13 mgHC/g TOC，Tmax值分别为436．3 和447．2 ℃，Ro值分别为0．539%和0．437%，这些数据表明样品热演化程度较低且生烃潜力较好，有机质类型均为Ⅲ型。

2 热模拟实验与结果

2.1 实验方法

参照前人成果［6－17］，本次页岩生烃热模拟实验流程如图3所示，主要步骤包括热模拟、气体收集和定量分析、液体收集和定量分析、EASY%Ro计算、动力学参数推导、气体及液体产率预测等。本次实验采用密封金管－高压釜加水生烃热模拟实验装置，将制备好的页岩样品(约20～50 mg)在氩气保护下封装在金管反应器(长度40 mm，直径4．5 mm)中，黄金管分别放置于不同的高压釜内，通过高压泵对高压釜加水，并对样品加压。利用压力传感器调节，使生烃热模拟实验压力维持在50 MPa．在恒压模式下分别以20和2℃/h的升温速率进行加热，并加热到事先设定的温度点。

表1 用于生烃热模拟实验的页岩样品地球化学分析结果Tab．1 Results of geochemical analysis of shale samples used for hydrocarbon generation thermal simulation experiment

图2 扒楼沟剖面山西组页岩生烃热模拟实验样品层位Fig．2 Location of samples for hydrocarbon generation of the shale formation in Palougou

图3 泥页岩生烃热模拟实验流程Fig．3 Flowchart of experimentation for shale hydrocarbon generation

2.2 热解气态烃产物

2．2．1 气态烃组分

在生烃热模拟实验中，液态烃和气态烃产率是有机质产烃潜力的重要指标［18－20］。山西组泥页岩已经达到了高成熟－过成熟阶段，因此，生烃热模拟样品实验温度设定较高，实验结束温度设定到600℃(对应的镜质体反射率Ro为4．45%)，并分别进行气态和液态产物定量和组分测定。实验结果表明，当温度超过300℃(对应的镜质体反射率Ro为0．57%)时，烃类产物开始大量形成，在生烃热模拟最高温度599．6℃(对应的镜质体反射率Ro为3．87%)时，山1段和山2段2个页岩样品总热解气量分别为444．94和343．66 mg/g TOC，总热解气产率中，烃类气体(C1－5)产率分别为98．69 和 126．44 mg/g TOC，非烃类气体(H2，CO2和 H2S)产率分别为 346．25 和 175．79 mg/g TOC．对应于低温热解气产率，烃类气体(C1－5)量占总热解气量分别升到22．18%和36．79%，非烃类气体量占总热解气量降到87．92%和73．21%．在热解烃类气体(C1－5)中，甲烷(C1)含量最高。山1和山2段2个页岩样品的C1/C1－5(即天然气的干燥系数)从低温到高温呈“S”型变化(图4)，即C1/C1－5比值呈先减小后增大的趋势。在升温速率为20℃/h条件下，在实验最低温度335．9℃(对应的镜质体反射率Ro为0．57%)时，山2段(P02)和山1段(P01)2个页岩样的C1/C1－5比值分别为0．74 和 0．68，在实验最高温度 599．6 ℃(对应的镜质体反射率Ro为3.87%)时，二者的C1/C1－5比值分别上升为 0．98 和 0．97，即此时形成的天然气为干气，这与烃源岩生烃过程中甲烷气形成过程一样，在低温未成熟－低成熟阶段，形成的烃类气体主要是生物甲烷气和CO2气体等，也是干气，而C2－5几乎没有，在过成熟阶段，形成的甲烷气全为热解干气，因此C1/C1－5比值呈现出“S”型变化特征。本区山西组泥页岩热解形成的甲烷既包括由干酪根直接裂解生成的，也包括液态烃及重烃气态烃类二次裂解形成的甲烷。

图4 页岩样品热模拟气态产物产率随实验温度变化特征Fig．4 Generation rate of gaseous varies with experimental temperature in hydrocarbon generation thermal simulation experiment

2．2．2 碳同位素组成

根据页岩热解气的碳同位素分析结果(图5)，山西组页岩样品(P01和P02)生烃热解气体产物中，δ13C1值随温度升高先变轻后变重，而 δ13C2和δ13C3总体上随温度升高而变重，δ13CCO2随温度变化不明显(图 4)。不同升温速率下，δ13C1，δ13C2，δ13C3和δ13CCO2变化趋势基本一样，同一温度下δ13C值相近。山2段页岩(P02)样品在热解温度低于384．5 ℃(Ro＜0．8%)时，气态烃的 δ13C 呈现局部倒转现象，即 δ13C1＜ δ13C2＞ δ13C3(图 5)。造成烃气中碳同位素倒转现象可能由于有机成因和无机成因气混合、煤成气和油型气混合、同型不同源或同源不同期气体的混合、细菌的氧化作用等几种原因［21－24］。分析认为，在热解初期碳同位素较轻是由2个原因造成的:①12C—12C键能相对较弱，易断裂，因而同位素动力学分馏使初次裂解产物对于有机母质更富集12C，这使得后期生成的气态烃及其二次裂解产物同位素值变重;②随着湿度的增加，12C更易富集，致使烃气碳同位素变轻。液态烃二次裂解时的湿度比生成液态烃的湿度大，更易形成较低δ13C值的现象。热模拟过程中生油和油裂解阶段，由于湿度的不断增加，δ13C值逐渐减小，与残余有机质热解形成的重δ13C烃气混合，形成碳同位素倒转系列。综合认为，该样品碳同位素局部倒转的现象是由δ13C3变轻引起的，即热模拟实验中，来自有机质早期热演化阶段的丙烷和液态烃二次裂解的丙烷相互混合，导致碳同位素变轻。

图5 山2段页岩(P02)气态产物不同含烃物质中δ13 C变化特征Fig．5 Change ofδ13C hydrocarbon substances in the gaseous product of Shan 2 shale(P02)

3 生烃模式

3.1 山1泥页岩

非常规储层泥页岩具有很低的孔隙度和很低的渗透率，形成自生自储页岩气的有机质热演化条件接近于密封体系，因而特定压力及金管封闭条件下的生烃热模拟实验可以近似地模拟页岩气形成的实际地质条件和过程［25－29］。根据生烃热模拟实验的气态烃产率、液态烃产率、总烃产率、气态烃/液态烃比值等随热成熟度Ro的变化趋势，山西组山1段泥页岩有机质生烃热演化过程划分为3个阶段(图6)。热催化生油气阶段(以液态烃为主，少量气，Ro＜1．19%):温度低于440℃，随热演化程度增大，气态烃产率、液态烃产率、总烃产率和气态烃/液态烃比值均相应地增大，当Ro=1．19%时达到生液态烃高峰。此后，液态烃产率逐渐降低，而气态烃、总烃产率和气态烃/液态烃比值均继续增大(图6(a))。热裂解生湿气阶段(以湿气为主，少量轻质油，1．19% ＜Ro＜3.50%):生烃热模拟温度在432～570℃，气态烃产率明显增大。以20℃/h速率升温，当热解温度达到570℃时，气态烃产率达到89．15 mg/g TOC，而液态烃产率降为10 mg/g TOC，气态烃/液态烃比值为8．72．以2℃/h速率升温，当热解温度达到528．6 ℃时，气态烃产率达到 90．23 mg/g TOC，液态烃产率降为7.69 mg/g TOC，气态烃/液态烃比值为11．73(图6)。在该阶段，有机质热裂解生气、液态烃裂解生气以及重烃气的二次裂解等同时存在。此阶段产物以湿气为主，液态烃因裂解成气态烃产率逐渐降低。热裂解生干气阶段(以干气为主，Ro＞3.50%):当生烃热模拟温度大于570℃时，气态烃产率仍继续增大，液态烃产率已经很低，液态烃产物接近完全裂解，而且从气态烃产物成分看，主要为甲烷气体，说明此后以重烃气的二次裂解为主，气体主要为干气。

3.2 山2泥页岩

山2段泥页岩有机质生烃热演化过程亦具3阶段特征(图6(b))。热催化生油气阶段(以液态烃为主，少量气，Ro＜0．96%):温度低于408．4 ℃，当Ro=0．96%时达到生液态烃高峰。此后，液态烃产率逐渐降低，而气态烃产率、总烃产率和气态烃/液态烃比值均继续增大(图6(b))。热裂解生湿气阶段(以湿气为主，少量轻质油，0．96% ＜Ro＜3.06%):生烃热模拟温度在408．4～552.4℃，气态烃产率明显增大。以20℃/h速率升温，当热解温度达到552．4℃时，气态烃产率达到96．06 mg/g TOC，而液态烃产率降为 15．46 mg/g TOC，气态烃/液态烃比值为6．21．以2℃/h速率升温，当热解温度达到 552．8℃时，气态烃产率达到124.94 mg/g TOC，液态烃产率降为 5．55 mg/g TOC，气态烃/液态烃比值为22．50(图6(b))。该阶段，有机质热裂解生气、液态烃、裂解生气以及重烃气的二次裂解同时存在。此阶段产物以湿气为主，液态烃因裂解成气态烃产率逐渐降低。热裂解生干气阶段(以干气为主，Ro＞3．06%):当生烃热模拟温度大于552．4℃时，气态烃产率仍继续增大，液态烃产率已经很低，液态烃产物接近完全裂解，此后主要为甲烷气体，此后以气态烃的二次裂解为主，气体主要为干气。

图6 泥页岩生烃模式Fig．6 Model of shale hydrocarbon generation

4 生烃过程及生烃量

结合埋藏史和热史研究成果，对研究区山西组山1段和山2段泥页岩的生烃动力学研究。根据地质温度及EASY%Ro，甲烷产率的变化曲线可以看出(图7):在246 Ma(早三叠世末)以前，地层温度低于50℃，Ro＜0．32%，有机质处于未成熟演化阶段，几乎没有甲烷的生成。在246 Ma(早三叠世末)之后，随埋深缓慢增加，地层缓慢升温，Ro逐渐增大，有机质逐渐进入低成熟热演化阶段，开始生成甲烷［16］，甲烷生成的瞬时速率和累积产率均比较低，至146 Ma(晚侏罗世末)，地层温度达到118．64℃，Ro达到0．78%，山 1和山2地层中甲烷的累积产率仅达到 7．28、7．41 mL/g TOC．自 146 Ma(晚侏罗世末)之后，山西组地层快速埋深，地层温度由118．64℃快速升温，Ro迅速增大，甲烷瞬时产率和累积产率大幅度升高，至距今96 Ma(早白垩世末)地层温度达到最大值201．82℃，Ro达到2．15%，山1地层甲烷瞬时产率达到最大值3.21 mL/g TOC·Ma，山2地层甲烷瞬时产率达到最大值3．80 mL/g TOC·Ma，甲烷产率达到高峰。随后，从晚白垩世开始，研究区抬升隆起，上覆地层开始遭受剥蚀，山西组地层温度迅速降低，Ro缓慢增大至2．31%，甲烷的瞬时产率急剧降低，甲烷累积产率缓慢升高。至55 Ma(始新世早期)，地层温度降低至145．91℃，Ro保持在2．31%，甲烷瞬时产率降低为零，生气停止，甲烷累积产率趋于平稳，山1段地层保持在103．8 mL/g TOC，山2段地层保持在113．6 mL/g TOC，从开始生气至停止生气。经计算可得出鄂尔多斯盆地延长页岩气区山2段泥页岩生烃率为0．37～4．76 mL/g，山1段泥页岩生烃率为0．44～3．8 mL/g．山2段生烃总量要高于山1段。

图7 甲烷产率随地质时间变化特征Fig．7 Variation of methane yield with geological time

统计鄂尔多斯盆地下寺湾地区7口页岩气井的有机地化数据，其中山1样品34个，有机质成熟度Ro值介于1．96% ～3．2%之间，平均为2．56%;山2样品36个，有机质成熟度Ro值介于2．13%～3．08%之间，平均为2．50%;鄂尔多斯盆地东南部地区山西组山1和山2泥页岩都处于高成熟－过成熟阶段，以过成熟阶段为主，已经进入过成熟生干气阶段。

生烃热模拟实验结合页岩气井地化数据，表明鄂尔多斯盆地东南部地区山西组山2泥页岩的气态烃和液态烃产率均远远高于山1泥页岩，且山1泥页岩烃类气体含量始终低于40%，综合证明山2比山1具有更大的生气能力。

5 结论

1)生烃热模拟实验结果表明甲烷和非烃类气体具有相似产出特征，两者产率随着成熟度升高而增加，且低升温速率下产率更高;重烃气C2－5和液态烃具有相似产出特征，两者产率随着成熟度升高都表现出“先升后降”型抛物线特征，且高升温速率下的产率滞后于低升温速率;生烃动力学拟合证明实验结果真实可靠;

2)山1段和山2段2个页岩样品总热解气量分别为444．94和343．66 mg/g TOC，总热解气产率中，烃类气体(C1－5)产率分别为 98．69 和 126．44 mg/g TOC，非烃类气体(H2，CO2和 H2S)产率分别为 346．25 和175．79 mg/g TOC;

3)山1和山2泥页岩至146 Ma(晚侏罗世末)，Ro达到 0．78%，甲烷累积产率仅达到 7．28、7．41 mL/g TOC．至距今96 Ma(早白垩世末)地层温度达到最大值201．82℃，Ro达到2．15%，山1和山2泥页岩甲烷瞬时产率达到最大值3．21，3.80 mL/g TOC·Ma，达到高峰。从晚白垩世开始，Ro缓慢增大至2．31%，甲烷的瞬时产率急剧降低，累积产率缓慢升高。至55 Ma(始新世早期)，Ro保持在2．31%，生气停止，山1泥页岩甲烷累积产率保持在103．8 mL/g TOC，山2泥页岩甲烷累积产率保持在113．6 mL/g TOC;

4)甲烷、重烃气、液态烃等烃类产物的热模拟实验结果表明山2属于更好的烃源岩，拥有相对山1更高的生烃潜力，结合页岩气井地化数据，进一步证明下寺湾地区山西组山2生烃潜力远远超过山1，证实下寺湾地区山西组泥页岩具有较好的生气潜力，其中山2生气能力较大。

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