惠民凹陷煤系烃源岩评价及潜力分析

杨 芸，杨 仓，张承志，唐闻强，李 岩

(1.成都理工大学 沉积地质研究院，四川 成都 610059； 2.中国石油 青海油田测试公司，甘肃 敦煌 736202；3.中油国际尼罗河公司，北京 100034； 4.中国石油青海油田 采油一厂，甘肃 敦煌 736202； 5.东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318)

引 言

煤成气属于非常规能源气，随着能源需求量的不断加大,开发煤成气的重要性已日益突显。在我国东北、华北、西北和华南陆续发现了工业级煤成气藏。以往的勘探开发表明，煤系烃源岩的发育规模、品质、成熟情况及生排气阶段对于煤成气藏的规模起决定作用，对于寻找勘探潜力区具有重要的意义。现阶段我国煤成气的研究处于初期阶段，尤其对于我国煤成气潜力区的烃源岩缺少系统性研究，限制了煤成气的勘探与开发[1-3]。

惠民凹陷位于华北地台中部，属于渤海湾盆地济阳坳陷的次级构造带。北依埕宁凸起，南至鲁西隆起，西部与临南洼陷相临，东部与东营凹陷连接。整体构造比较简单，呈褶皱缓、断裂较多的特征，整体上被3条NEE向断层和2条NNE向断层所切割，将其划分成曲堤潜山带、济阳地堑、王判镇潜山带和西南缓坡带4个次级构造单元。惠民凹陷勘探面积6 000 km2，纵向上主要存在上下2套含油气系统，上部为沙河子组油气系统，下部为石炭—二叠系煤成气系统。上部含油气系统经历多年勘探开发，已属于较成熟勘探区；在下部的煤成气地层，已经陆续发现了工业煤成气藏，初步探明煤层气资源量达1 385×108m3，展现了较好的潜力(图1)。目前惠民凹陷地区依然处于低勘探阶段，有必要对惠民凹陷石炭—二叠统煤系烃源岩进行系统性研究[4-5]。

本文采用常规静态实验和动力学模拟方法对惠民凹陷煤系烃源岩进行生气潜力评价。首先通过分析烃源岩常规地球化学指标评价煤系烃源岩生气潜力；其次，利用高压釜模拟实验建立煤岩生烃动力学参数，融入沉积背景，动态模拟其生气过程；最后，结合研究区断层发育、储盖特征及流体运聚史，指出未来勘探的重心。

图1 研究区构造分布Fig.1 Tectonic distribution of the study area

1 静态实验分析

所谓静态实验分析，是指利用常规的实验分析方法和手段检测烃源岩样品的丰度和类型等静态指标，区别于模拟烃源岩动态生气过程的动力学模拟实验。通过显微镜下、常规热解及GC-MS等静态实验定量分析惠民凹陷煤样显微组分、有机碳、氢指数、镜质体反射率Ro及碳同位素值，判识其有机质类型，分析煤系烃源岩生气能力。

1.1 有机质类型

如表1所示，煤岩是有机质高度富集的有机岩，依据沉积环境与成煤物质的差别可划分为腐殖煤、腐殖-腐泥煤和腐泥煤3大类及若干亚类，惠民凹陷地区煤岩样品的全岩显微组分分析(表1)表明：镜质组占显微组分的主导地位，体积分数为84.4%～91.0%，平均87.8%；第二位为惰质组，体积分数为2.0%～14.9%，平均7.0%；壳质组分与腐泥组分比例最低，显示研究区煤属于典型的腐殖煤。研究区煤样干酪根δ13C值为-23.3‰～-27.5‰，均值为-24.1‰，反映以高等植物为母质的腐殖煤成烃产物的同位素特征[6]，表明其属于Ⅲ型(腐殖型)有机质。

表1 惠民凹陷煤样TOC、岩石热解、显微组分、Ro和干酪根碳同位素分析结果Tab.1 TOC, rock pyrolysis, macerals, Ro and kerogen carbon isotop analysis results of coal samples from Huimin Sag

通过IH与Tmax分析(图2)表明，样品分布落入Ⅱ2与Ⅲ型之间，大多分落于Ⅲ型区间，佐证了其属于腐殖型干酪根母质。

图2 IH与Tmax分布特征及有机质类型Fig.2 Distribution characteristics of IH and Tmax and types of organic matter

1.2 有机质丰度及热演化程度

惠民凹陷南坡有机碳质量分数介于30%～86%，生烃潜力巨大，属于中—好烃源岩。研究区煤样Ro和Tmax分析(表1)表明，样品Ro为0.7%～1.3%，Tmax主要分布在430～455 ℃，显示主体处于成熟热演化阶段[7]。惠民凹陷南坡的沉积史和热演化史研究也表明，石炭—二叠系在三叠系时期温度超过100 ℃，达到生气的古地温条件，因此，该区域煤气成藏具有物质和温度基础。

1.3 饱合烃生物标志化合物特征

C27—C29规则甾烷比例可用于分析源岩有机质的类型和沉积环境,孕甾烷系列包括原生、次生2种来源，惠民凹陷南坡煤样甾烷生物标志化合物中含有丰度相对较低的孕甾烷系列,孕甾烷/ααα-20R-C29甾烷平均为0.07;规则甾烷系列中C29甾烷占绝对优势,ααα-20R-C27/C29甾烷均值为0.10,显示惠民凹陷有机质以原生陆地高等植物来源为主(图3)。

图3 煤岩有机质饱和烃生物标志化合物特征Fig.3 Characteristics of biomarker compounds of saturated hydrocarbons in coal rock organic matter

2 生烃动力学模拟

从上述地球化学静态指标可以看出，惠民凹陷烃源岩主要来源于高等植物，干酪根类型为Ⅲ型，适合生成天然气。而从成熟度资料来看，其处于高成熟期，反映在某个历史时期，烃源岩大量生成天然气。因此，有必要分析惠民凹陷各个历史时期的生气特征，从而配合构造演化，研究生气期、充注期与储盖发育的匹配情况，以确定勘探潜力区。

生烃动力学指将模拟实验与化学动力学结合研究地下烃源岩长期的低温慢速反应过程，从而动态地评价天然气的生成与成藏的方法。其优点是可以将实验室的模拟实验与地质史结合起来，动态评价烃源岩在各个历史地质年代的生烃情况。该方法已经是较为成熟的方法[8-11]。

2.1 样品与实验

经过仔细挑选，得到QG1井上石炭统山西组煤岩样品，其成熟度适中且有机质丰度高，是用作热模拟实验的合适样品(表1)。将采集到的样品粉碎至100目，进行高压釜热模拟实验，样品基本地化参数如表2所示。

高压釜模拟实验通过GHM化验仪实现：最初，在250 ℃恒温3 min，消掉样品已含有的烃类对实验过程的干扰，之后分别以10 ℃/min、30 ℃/min的速度升温，加热到600 ℃后，保温2 min。按一定的时间间隔计量生气量与温度的关系，分温度段(30 ℃)收集热解产物并进色谱质谱仪(PY-GC)分析，确定出各温度段气体(C1—C5)的体积分数，再用各温度段的天然气生成量除以烃气总量，可以得到烃气累计生成率。

表2 样品的基本地化参数Tab.2 Basic geochemical parameters of samples

图4为不同升温速度下煤生气率-温度关系曲线。从图中可以看出不同的升温速度下煤生气率曲线形态相似，即生气率随温度逐渐升高而增大，尤其是中间温度段变化最剧烈。以升温速度为30 ℃/min为例，350 ℃之前生气率随着温度的升高增长平缓，350～450 ℃生气率增长剧烈，450 ℃以后生气率变化渐渐回归平缓，反映出生气反应主要集中在中间温度段。

图4 煤生气率与温度和升温速度的关系Fig.4 Relationships between gas transformation ratio of coal rock and temperature and temperature rising rate

2.2 生烃动力学模型及参数计算

目前生烃动力学一般采用不同指前因子的多个平行一级反应模型求取有机质生气动力学参数[12]。该模型将生气过程分解为N个平行一级反应，每个一级反应的活化能设置为Ei，指前因子设置为Ai，生气量为Gi，i=1,2,…,n，生气的原始潜量设置为Gio；第i个反应的R为气体常数，8.31 kJ/(mol·K)；T为绝对温度，K；D为升温速度，℃/h。由N个平行一级反应生成的总气量

针对有机质生气的转化率曲线，运用有限个平行一级反应模型模拟实验值进行拟合，得到生气动力学参数(指前因子、活化能、原始潜量)。

表3列出惠民凹陷煤生气的化学动力学参数，平均活化能为210.6 kJ/mol。

2.3 生烃史分析

如表4所示，惠民凹陷南坡经历加里东期到印支运动期、燕山运动期及喜山运动期，主体构造经历了沉降、抬升、再沉降的过程。盆地经历了3次热流值的演变，三叠纪、侏罗—白垩纪和新生代的大地热流值分别为1.3～1.7 HFU、3.2～2.5 HFU、1.6～1.7 HFU，用大地热流值可恢复盆地古地温特征，可见，燕山运动期较高的古地温对于石炭—二叠系煤系源岩的生气演化发挥着重要作用。

表3 有机质生气反应的动力学参数Tab.3 Kinetic parameters of organic matter gas-generating reaction

表4 石炭—二叠系煤岩在各个地质时代经历的大地热流值Tab.4 Terrestrial heat flow values of Carboniferous-Permian coal rocks in different geological periods

把上面实验得出的煤生气动力学参数外推到惠民凹陷地质时间尺度，古地温代替实验温度，定量评价煤生气期、恢复生烃史。如图5所示，惠民凹陷石炭—二叠纪煤系烃源岩主要经历2次生气高峰，早三叠期(250 Ma年前)，石炭—二叠系煤层埋深达到2 700～3 100 m， 煤系地层烃源岩开始第一次生烃，成熟度普遍在0.68%～0.80%，地温超过100 ℃；晚三叠世(200 Ma年前)，本区整体抬升，三叠系地层剥蚀殆尽，二叠系也受到一定程度的剥蚀，一次生烃过程停滞[11]。

图5 石炭—二叠系煤岩生气转化率与地质年代关系Fig.5 Relationship between gas transformation ratio of Carboniferous-Permian coal rock and geological age

侏罗—白垩系(75～50 Ma年前)沉积以后，虽然石炭—二叠系地层的埋深并没有达到其在三叠纪末的最大深度，但是因为燕山期较高的地温梯度，使大部分地区进入二次生烃门限，成熟度为0.7%～1.1%，烃源岩达到第二次生气高峰。古地温一般达到120～130 ℃。

新生界(50 Ma年前)沉积后，深度虽然依然增加，但是地温梯度降低，现今地温仅110 ℃，显示新生代以来基本没有生烃过程发生。

3 生烃潜力分析及有利区预测

3.1 生烃潜力

如图6所示，惠民凹陷南坡煤层厚度14～32 m，平面分布具有一定的差异。判参1井周边煤层最厚，达到24～32 m，其次为西南缓坡带，厚度介于15～20 m，最薄的位置为济阳地堑南部，由于剥蚀作用致其二叠系地层缺失，残留煤层变薄，厚度仅为10～15 m。例如，济古1井只钻遇到14 m的煤层。石炭—二叠系煤层有机碳质量分数为30%～90%，生气潜力巨大，属于中—好气源岩。研究区煤样镜质体反射率分析表明，Ro值介于0.6%～1.2%，处于高成熟热演化阶段，显示其在历史时期进入过生气高峰，因此，该区具有天然气成藏的物质基础。

图6 惠民凹陷南坡煤系烃源岩分布及运移特征Fig.6 Distribution and migration characteristics of coal source rock in the southern slope of Huimin Sag

以往勘探实践显示，煤生天然气藏常环绕烃源岩生气中心分布。煤成气藏具有埋藏适中、构造相对稳定、封盖条件相对较好、晚期生气运移等特点，该区生气中心分布于济阳地堑东部与曲堤地垒东西两侧，因此，有利的煤成气聚集区应在有效生气中心附近的构造圈闭中，包括济阳地堑东部和曲堤地垒东西两侧等。

3.2 储盖特征分析

惠民凹陷晚古生代发育储集性能较好的砂岩储层，盖层较厚，尤其是明化镇组、馆陶组及沙三段至沙四段的大套泥岩为有效盖层，有利储盖组合以自生自储自盖侧堵为主。

惠民凹陷南坡包裹体等分析结果显示，该区均一化温度为90～120 ℃和120～140 ℃，分别为早三叠世末—晚三叠世早期和白垩纪—第三纪末，表示有2期天然气运聚[13]。由于中生代强烈的构造运动和火山活动，第一期运聚形成的天然气藏较难保存，大部分已散失掉，而第二次煤生气成为主要气源。白垩纪—第三纪末，惠民凹陷具有相对较微弱的断裂活动，天然气从煤岩中排出，运聚至奥陶系上部的风化壳、二叠系和下第三系砂岩储层中，沙三段至沙四段的大套泥岩具有高效封堵能力，新生代的厚层泥岩可作为区域盖层，阻止天然气向上扩散，因此，期间形成的天然气藏可成为重要的勘探潜力目标。

3.3 煤成气有利区带

根据惠民凹陷南坡古生界基底可以将其划分为4个主要的构造区带(图6)，即济阳地堑、曲堤潜山构造带、王判镇潜山带和西南缓坡带。研究区煤成气主要通过曲堤断层向东部、南部和西部运移。由于该区断层的因素和气源距离的原因，使这4个构造区带的天然气成藏规模和潜力位置有所不同[14]。

曲堤潜山构造带与二次生气中心相邻，气源条件好、注气充分。其主要储层类型有砂岩、碳酸盐岩和火成岩，储集性能较好，盖层发育，储盖组合类型丰富。曲堤潜山构造带上包含3个持续继承性的隆鼻状构造，有利圈闭面积约120 km2，潜力巨大，未来的勘探重点应该集中在东北部构造高点部分和局部高点部位。

济阳地堑带主要含气储层为古近系沙二段砂岩，属于泥包砂组合，馆陶组底部大套泥岩为良好盖层。曲堤断层纵向切割古生界，提供了烃源层的天然气向上运移至储层的通道，断层附近圈闭成为煤成气的有利汇集场所。该构造带整体活动较平稳，有利于天然气保存。已经在曲古1井等沙二段圈闭发现了工业气藏，日产42 m3以上。济阳地堑东部的白桥断层遮挡的断块圈闭是潜力区，是接下来勘探的主要目标。

王判镇潜山带位于主要气源区东部，风化壳储集性相当好，盖层条件也较好，其中有一条重要的断层是白桥断层，其封闭性直接影响王判镇潜山带是否能得到主要气源的充注而成藏。认为白垩系石炭—二叠系烃源层进入二次生气高峰期，其东部的白桥断层处于活动减弱状态而相对封闭，因此，天然气无法充分充注，但局部很有可能封闭不严而成为优势运移通道，判参1井见到油气显示就是直接证据，应采用地震预测技术(叠前地震反演技术)寻找天然气藏的准确位置，重点关注小而丰的甜点型气藏。

西南缓坡带存在缓坡背脊上的大型鼻状构造，有利于形成地层和构造油气藏，构造形成早于油气运移期，且与气源之间存在着夏口断层，该断层为张拉性断层，开启性良好，可以成为煤系天然气运移的优势通道。但是该构造带距离气源区较远，其整体规模有限，目前还未获得重要发现，其潜力区集中在曲堤地堑附近。

4 结 论

(1)惠民凹陷南坡煤岩有机质类型、成熟度、分布厚度等指标显示，石炭—二叠系烃源层属于中—好烃源岩，生烃潜力巨大，具有煤气成藏的物质基础。

(2)石炭—二叠纪煤系烃源岩主要经历2次生气高峰期，分别为早三叠期和侏罗—白垩系，也是天然气运聚成藏的关键期。新生界沉积后，大地热流值低，基本没有生烃过程发生。

(3)煤成气藏未来的勘探重点在曲堤潜山构造带的东北部构造高点部分和局部高点部位、王判镇潜山带的小而丰的甜点型气藏、济阳地堑东部的白桥断层遮挡的断块圈闭和西南缓坡带靠近曲堤地堑一侧的部位。

参 考 文 献：

[1] 戴金星,倪云燕,黄士鹏,等.煤成气研究对中国天然气工业发展的重要意义[J].天然气地球科学,2014,25(1):1-16.

DAI Jinxing,NI Yunyan,HUANG Shipeng,et al.Significant function of coal-derived gas study for natural gas industry development in China[J].Natural Gas Geoscience,2014,25(1):1-16.

[2] 赵庆波,孔祥文,赵奇.煤层气成藏条件及开采特征[J].石油与天然气地质,2012,33(4):552-556.

ZHAO Qingbo,KONG Xiangwen,ZHAO Qi.Coalbed methane accumulation conditions and production characteristics[J].Oil & Gas Geology,2012,33(4):552-556.

[3] 吴小奇,廖凤蓉,黄士鹏.塔里木盆地煤成气勘探潜力分析[J].天然气地球科学,2011,22(6):875-879.

WU Xiaoqi,LIAO Fengrong,HUANG Shipeng.Exploration potential of coal-derived gas in Tarim Basin[J].Natural Gas Geoscience,2011,22(6):875-879.

[4] 李启涛,陈庆春.惠民凹陷南坡煤成气勘探前景分析[J].石油天然气学报,2012,34(7):27-31.

LI Qitao,CHEN Qingchun.Exploration prospects of coal-formed gas in the south slope of Huimin Depression[J].Journal of Oil and Gas Technology,2012,34(7):27-31.

[5] 刘丹,吴伟,房忱琛,等.渤海湾盆地古近系低熟煤成气地球化学特征[J].天然气地球科学,2016,27(5):873-879.

LIU Dan,WU Wei,FANG Chenchen,et al.Geochemistry of low-mature gas derived from Paleogene coal-measure source rock of Bohai Bay Basin[J].Natural Gas Geoscience,2016,27(5):873-879.

[6] 陈庆春,陈永红,王秀鹏.惠民凹陷南坡煤型气有效供气中心分析[J].高校地质学报,2012,8(4):321-327.

CHEN Qingchun,CHEN Yonghong,WANG Xiupeng.Analysis on effective coal type gas supply centre in Huimin depression[J].Geological Journal of China Universities,2012,8 (4):321-327.

[7] 邬立言,顾信章.热解技术在我国生油岩研究中的应用[J].石油学报,1986,7 (2):13-19.

WU Liyan,GU Xinzhang.Application of pyrolysis technology in the study of source rocks in China[J].Journal of the Petroleum Society,1986,7 (2):13-19.

[8] TISSOT B P,PELET R,UNGERER P.Thermal history of sedimentary basins，maturation indices，and kinetics of oil and gas generation[J].AAPG Bull,1987，71(12):1445-1466.

[9] 饶松,胡圣标,汪集旸.有机质生烃动力学参数研究进展:回顾和展望[J].地球物理学进展,2010,25(4):1424-1429.

RAO Song,HU Shengbiao,WANG Jiyang.Hydrocarbon generation kinetic parameters of organic matter:review and outlook[J].Progress in Geophysics,2010,25(4):1424-1429.

[10] 徐立恒,陈践发,薛海涛,等.应用生烃动力学法定量评价碳酸盐岩的二次生烃：以朱家墩气藏为例[J].地球化学,2008,37(3):251-257.

XU Liheng,CHEN Jianfa,XUE Haitao,et al.Quantitative evaluation of secondary hydrocarbon generation of carbonate source rocks using chemical kinetics method of hydrocarbon generation:a case study of the Zhujiadun reservoir[J].Geochimica,2008,37 (3):251-257.

[11] 颜永何,邹艳荣,屈振亚,等.准噶尔盆地陆东-五彩湾石炭系烃源岩特征及生烃动力学研究[J].地球化学,2014,43(5):502-509.

YAN Yonghe,ZOU Yanrong,QU Zhenya,et al.Characteristics of Carboniferous source rocks and their hydrocarbon generation dynamics in the east continental bay,Junggar Basin[J].Geochimica,2014,43 (5):502-509.

[12] 徐立恒,卢双舫,陈践发,等.徐家围子断陷深层烃源岩生气评价[J].石油学报,2008,29(6):846-852.

XU Liheng,LU Shuangfang,CHEN Jianfa,et al.Evaluation of deep seated hydrocarbon source rocks in Xujiaweizi fault depression[J].Journal of Petroleum,2008,29 (6):846-852.

[13] 刘超英,闫相宾,徐旭辉,等.应用流体包裹体研究惠民凹陷南斜坡油气充注史[J].石油天然气学报,2008,29(4):507-510.

LIU Chaoying,YAN Xiangbin,XU Xuhui,et al.Application of fluid inclusion to the study of hydrocarbon charge history of the south slope in the Huimin Sag[J].Oil & Gas Geology,2008,29(4):507-510.

[14] 封东晓,李趁义,雷利庆.惠民凹陷南坡中生界地质特征与油气勘探思路[J].中国矿业,2015,24(4):69-72.

FENG Dongxiao,LI Chenyi,LEI Liqing.Geological characteristics and hydrocarbon exploration strategy of Mesozoic,southern slope of Huimin Sag[J].China Mining Magazine,2015,24(4):69-72.