鄂尔多斯盆地临兴地区上古生界烃源岩特征及其生排烃史研究

胡维强，刘玉明，李洋冰，柳雪青 马立涛，黄英，乔方

(中海油能源发展股份有限公司工程技术分公司，天津 300452)

鄂尔多斯盆地上古生界蕴含有丰富的低渗透致密油气藏[1～6]。临兴地区主要位于鄂尔多斯盆地东部的晋西挠褶带(山西省西部临县和兴县境内)。研究区总体为简单的单斜构造，仅在局部有差异，特别是在研究区的中部有紫金山岩体的侵入，形成紫金山隆起区。目前，临兴地区在上古生界已有部分探井获得工业气流，部分探井获得低产气流，表明临兴地区具有良好的勘探潜力。据杨华等[4～6]对鄂尔多斯盆地气源特征对比显示，上古生界天然气主要来自于石炭系-二叠系的煤成气，其中煤岩是最主要的气源岩，其次是暗色泥岩。虽然前人[7～13]运用多种方法手段研究过鄂尔多斯盆地的生烃演化史，但对临兴地区的具体研究较少。因此，有必要加强对临兴地区的生烃演化史的进一步研究，为下一步探讨天然气成藏提供依据。

1 烃源岩平面分布特征

临兴地区上古生界煤岩普遍发育，具有广覆式分布的特点[14，15]，主要分布在山西组(P1s)中部及太原组(P1t)、本溪组(C2b)的顶部，其中P1t-C2b的煤岩主要发育于潮坪沉积环境，P1s煤岩主要发育于三角洲沉积环境。煤岩分布较为稳定，整体变化也较小，厚度介于12～22m之间，经统计研究区所有井的煤岩厚度，其均值为16m。在贾家洼-赵家坪乡-白家岔-孟家坪乡一带及雷家碛乡往东一带的煤层较厚，主要在16m以上，最厚可达24m(图1(a))。从整体来看，研究区东南部煤岩较厚，西部较薄。

研究区上古生界暗色泥岩发育情况类似于煤岩，分布非常稳定且连续性较好，其厚度主要介于95～115m之间，经统计研究区所有井的煤岩厚度，其均值为103m。在赵家坪乡-白家岔-横城村一带及杨家沟往南一带的暗色泥岩较厚，均在110m以上，最厚可达120m；蔡家会镇-雷家碛乡一带的暗色泥岩较薄，基本上均在100m以下(图1(b))。从整体来看，研究区北部及东部泥岩较厚，而南部较薄。

图1 研究区上古生界不同岩性烃源岩等厚图

2 烃源岩地球化学特征

2.1 有机质丰度

表1 研究区上古生界烃源岩有机质丰度统计表

通过对临兴地区上古生界不同层段的煤岩和暗色泥岩进行测试分析，其结果(表1)显示上古生界煤岩总有机碳质量分数(w(TOC))均值为63.63%，生烃潜量(w(S1+S2))均值为120.67mg/g，其中P1t生烃潜量最大，其次是C2b，P1s最低。根据陆相烃源岩地球化学评价方法标准，临兴地区上古生界煤岩属于比较好的烃源岩。上古生界暗色泥岩w(TOC)均值3.21%，w(S1+S2)均值为3.78mg/g，其中P1t的w(TOC)最高，其次是C2b，P1s最低。根据烃源岩的评价标准[16，17]，临兴地区上古生界暗色泥岩属于中等-好烃源岩。

2.2 有机质类型

干酪根显微组分是判别有机质类型的一个重要参数。通过对临兴地区P1s、P1t、C2b全岩显微组分进行检测并绘制显微组分三角图(图2)，其结果显示3个层位的煤岩和暗色泥岩显微组分均以镜质组为主。其中，煤岩镜质组体积分数绝大部分都大于80%，含有少量惰质组，基本上不含壳质组和腐泥组；泥岩镜质组体积分数绝大部分都大于60%，含有少量惰质组、壳质组和腐泥组。研究表明，煤岩和泥岩的母质类型主要来源于陆生高等植物，具有腐殖型特征，以生气为主。通过计算干酪根类型指数TI值显示，均小于零，可判断研究区煤岩和泥岩的有机质类型属于Ⅲ型。

图2 研究区上古生界煤岩(a)和泥岩(b)显微组分三角图

2.3 有机质成熟度

根据临兴地区上古生界烃源岩镜质体反射率(Ro)和热解最高峰温(tmax)的测试结果(表2)，临兴地区上古生界烃源岩整体处于成熟-高成熟阶段。

表2 上古生界烃源岩Ro与tmax统计表

研究表明，研究区烃源岩的Ro主要分布在1.0%～1.3%之间。蔡家会镇-唐家庄往东南一带热演化程度最高，Ro均在1.3%以上，处于高成熟阶段；乔家洼一带及白家岔-孟家坪乡一带热演化程度低，Ro基本上都在1.1%以下，处于成熟阶段(图3)。总的来说，临兴地区上古生界烃源岩热演化处于成熟-高成熟阶段。

2.4 生气强度

烃源岩的生气强度是评价烃源岩生烃能力的综合性指标。根据研究区内烃源岩煤岩和暗色泥岩厚度、密度、w(TOC)和热演化程度等参数即可计算出其生气强度[14]。其计算公式为：

Ggas=H×ρrock×w(TOC)×r×10-3

(1)

式中：Ggas为烃源岩生气强度，108m3/km2；H为烃源岩厚度，m；ρrock为烃源岩密度，t/km3，煤岩取1.3×109t/km3，暗色泥岩取2.6×109t/km3；w(TOC)煤岩取63.6%(平均值)，暗色泥岩取3.2%(平均值)；r为烃源岩的产气率，m3/(t·w(TOC))。

由式(1)分别计算出研究区内煤岩和暗色泥岩的Ggas，相加得到整个上古生界烃源岩的生气强度。综合研究表明，研究区的Ggas主要介于(18～26)×108m3/km2。在蔡家会镇-唐家庄往东南一带Ggas较高，主要在2×6108m3/km2以上，可能是由于其高成熟度所致。而后向东北、西北及西南3个方向逐渐减弱，并在乔家洼一带减到最低，均在1×8108m3/km2以下(图4)。从整体上看，研究区东南地区Ggas较高，而后向四周逐渐降低的趋势。通过与成熟探区子洲地区Ggas对比发现，子洲地区Ggas主要介于(24～30)×108m3/km2，平均为26×108m3/km2，临兴地区较子洲地区气源条件稍差。

3 烃源岩生排烃史

盆地模拟的主要参数包括地层岩性、烃源岩属性、古水深、古沉积水表面温度、古热流、地层剥蚀量。可通过单井岩屑录井资料确定不同层位的岩性参数；利用烃源岩地球化学测试资料确定烃源岩属性参数；依据张世奇等[18]等对古水深的研究来确定古水深值，研究区位于三角洲前缘和潮坪相地区，古水深整体变化不大，将该参数统一取值为25m；根据全球古地表温度确定研究区古沉积水表面温度，其值主要介于21～27℃之间；利用任战利等[19，20]对研究区地温梯度和大地热流的研究确定古热流值；引用陈瑞银等[21，22]对研究区中生界三叠系、侏罗系、白垩系多个不整合面剥蚀量的恢复确定各个时期的剥蚀厚度。通过选取以上的不同地质参数，运用PetroMod模拟软件对临兴地区烃源岩的演化进行模拟，反演临兴地区上古生界烃源岩的埋藏史、热演化史及生排烃史。模拟结果利用实测镜质体反射率进行标定。其模拟结果如图5所示，实测的Ro基本上都分布在模拟Ro曲线附近，说明模拟的Ro曲线与实测Ro符合程度较高，同时也反映了所选模拟参数的有效性和模拟结果的可靠性。

图3 研究区上古生界Ro等值线图 图4 研究区上古生界生气强度等值线图

研究表明，烃源岩在晚三叠世进入生烃门限，处于低成熟阶段，刚开始生烃；早侏罗世早期至晚侏罗世末期，随着地层埋深的加大，在中、晚侏罗世发生过两期抬升少量剥蚀事件，烃源岩整体处于低成熟阶段，生排烃量开始逐渐增加；早白垩世上覆地层不断增厚，烃源岩成熟度逐渐增高，但还是处于成熟-高成熟阶段，在此期间大量生排烃，并在早白垩世末期达到生排烃高峰期。早白垩世末期之后，地层发生抬升，遭受大量剥蚀，地层温度明显下降，有机质成熟度基本维持了早白垩世末期的分布格局，处于过成熟阶段，生排烃趋于停止(图5)。

图5 F-5井埋藏史与热演化史图

4 结论

1)临兴地区上古生界烃源岩煤岩和暗色泥岩具有广覆式分布的特点，其中煤岩主要分布在12～20m，均值为16m；暗色泥岩主要介于95～115m之间，均值为103m。从整体来看，研究区东南部煤岩较厚，西部较薄；暗色泥岩则是北部及东部泥岩较厚，而南部较薄。

2)临兴地区上古生界烃源岩有机质丰度较高，属于中等-好烃源岩；有机质类型属于Ⅲ型；Ro主要介于1.0%～1.3%，热演化处于成熟-高成熟阶段；Ggas主要介于(18～26)×108m3/km2，在紫金山隆起区Ggas较高，而后向四周逐渐降低的趋势。临兴地区气源条件较子洲地区略差。

3)临兴地区上古生界烃源岩在晚三叠世末期处于低成熟阶段，刚开始生烃，基本上没有天然气的排出；侏罗纪，整体处于低成熟阶段，生排烃量逐渐增加，并开始有天然气排出；早白垩世，烃源岩处于成熟-高成熟阶段，大量生排烃，并在早白垩世末期达到生排烃高峰期；早白垩世末期之后，生排烃趋于停止。