惠民凹陷煤岩生烃动力学及勘探有利区预测

郑 欢, 张银联, 江 峰, 杨 芸, 朱遂珲

(1.长江大学 地球科学学院，武汉 430100;2.中国石油塔里木油田公司，新疆 库尔勒 841000；3.东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318; 4.中国石油青海油田测试公司，甘肃 敦煌 736202; 5. 中国石油西南油气田分公司川西北气矿，四川 绵阳，621700)

目前，中国明显加快了煤成气作为非常规能源的勘探步伐，陆续在东北、西北、华北及华南等地找到了煤型气藏。勘探实践表明，煤成气藏的发育位置和规模受煤系烃源岩性质、演化史及保存条件的控制，因此，系统研究烃源岩，分析其成藏的控制因素，预测潜力区，对于后续煤成气藏的勘探具有较大的现实意义[1-3]。

惠民凹陷作为中国典型的煤型气藏，从20世纪80年代开展勘探以来，已经陆续发现了多个煤成气藏，展示了良好的潜力。惠民凹陷发育于华北中北部，隶属济阳拗陷的一个Ⅱ级构造带。全区构造运动相对稳定，主要发育北东东和北北东向断层，可分为济阳地堑带、西南缓坡带、王判镇潜山带和曲堤潜山构造带4个构造带，勘探面积达 5 000 km2以上(图1)。目前，惠民凹陷石炭-二叠系煤成气地层处于相对较低的勘探阶段，迫切需要对该区烃源岩进行系统性研究[4-5]。

本文在分析烃源岩平面发育、丰度、类型及成熟度基础上，采用高压釜模拟实验与动力学模型融合的方法，拟合煤岩有机质成气动力学参数；结合研究区的构造演化史，定量模拟煤岩生气过程；最后，根据研究区储盖特征，预测未来有利勘探区。

图1 研究区平面位置及构造特征Fig.1 Structural features and location of the study area

1 烃源岩特征

惠民凹陷普遍发育石炭-二叠系煤岩地层，厚度为15～33 m，平均为25 m。东北部最厚，达28 m以上；济阳地堑周围最薄，构造抬升作用致使其煤层剥蚀减薄，厚度基本小于15 m。烃源岩的大面积发育，显示该地区具有良好的生烃基础。

1．1 烃源岩类型

表1为惠民凹陷煤岩样品的地球化学参数分析结果，从有机显微组分含量上看，呈镜质组>惰质组>壳质组>腐泥组的特征。其中镜质组的体积分数高达85%以上，且样品干酪根δ13C 值为-23.4‰～-27.6‰，说明惠民凹陷煤具有腐植煤特征，属于Ⅲ类烃源岩[6]。

表1 惠民凹陷煤岩样品基本地球化学参数Table 1 The basic geochemical parameters of coal and rock samples from Huimin Depression

据H/C与O/C关系(图2)，样品大多处于Ⅲ型区，少量分散于Ⅱ型区，显示惠民凹陷煤岩样品大多属于腐殖型干酪根母质，含少量混合型母质。

图2 H/C与O/C关系及母质类型分析Fig.2 Relationship between H/C and O/C and the analysis of the parent material types

1．2 有机质丰度和成熟度

有机碳质量分数(wTOC)和镜质体反射率(Ro)为常用的丰度指标和成熟度指标。惠民凹陷煤岩wTOC为40%～90%，丰度大、生气潜力高；Ro值为0.7%～1.3%，tmax为424～456℃，说明该区烃源岩进入成熟-高成熟阶段[7]。

惠民凹陷煤岩的有机质丰度和成熟度指标分析表明，该区具有煤成气成藏的物质和成熟条件。

1．3 生物标志化合物

惠民凹陷煤样生物标志化合物分析表明(图3)，该区具有低含量的C27甾烷和高含量的C29甾烷，Tm>Ts，孕甾烷/ααα-20R-C29甾烷、ααα-20R-C27/C29甾烷比值分别为0.06和0.12，显示惠民凹陷烃源岩来源于原生陆地高等植物。

2 生烃动力学方法

自从B.P.Tissot等[8]提出生烃动力学理论及方法以来，经历了近20年的发展，已经成为定量研究源岩生烃过程的有效方法。生烃动力学方法以模拟实验为基础，以化学动力学理论和算法为核心，结合研究区的沉积演化特征参数，评估烃源岩在不同地质时代的生烃能力。

2.1 煤岩样品模拟实验

用于生气模拟实验的样品应满足2个条件，一是样品成熟度不能过高，以便观察天然气的生成过程；二是有机质丰度能代表研究区的烃源岩。择取曲古1井煤岩岩心作为模拟实验样品，其地球化学指标如表2。

表2 曲古1井志留系煤岩样品的地球化学指标Table 2 Geochemistry of Silurian coal rock samples from Well QG-1

模拟实验装置为高压釜，其优点是封闭性好，计量精度高。实验过程：首先以250℃温度为起点，分别以10℃/min、30℃/min的速率升至600℃；然后恒温2 min，以30℃为间隔、利用PY-GC计量天然气的产量；最后将每个温度间隔生成的天然气量与天然气总量相除，计算得到天然气产率与温度的关系曲线(图4)。从图上能得到如下认识：①实验点与计算曲线拟合关系好；②不同速率的天然气产率曲线特征一致，呈指数型，天然气产率随温度的升高而增大；③400～450℃为生气高峰段，体现出煤岩样品具有生气高峰期特征。

图3 煤岩样品生物标志化合物分析Fig.3 Analysis of biomarker compound of coal samples

图4 天然气产率与温度的关系曲线Fig.4 Relation curve of natural gas yield and temperature

2.2 求取煤生气动力学参数

生气动力学参数包括活化能(Ei)、指前因子(Ai)和原始潜量(Gio)，其中指前因子采用固定值不变，其优势在于保证模型运算的稳定性和可对比性。选取有限个(N)、并列一级反应模型作为参数运算模型，其公式为[9]

其中：Gi为生气量；i为反应序号(i=1,2,3,…,N)；T为反应的热力学温度；D为温度变化速率；R是气体常量,R=8.31 kJ/(mol·K)。基于实验分析得到的煤岩样品生气率曲线，采用该动力学算法，分别计算出活化能、指前因子、原始潜量参数。

图5为煤岩样品生气的活化能、指前因子、原始潜量参数分布图，活化能为230～270 kJ/mol，指前因子为7.0×1012。

图5 煤岩样品生气的动力学参数分布Fig.5 Distribution of dynamic parameters of gas formation of the coal and rock samples

2.3 生气演化史

惠民凹陷经历了3次较为强烈的构造活动，分别为三叠纪的印支活动期(以构造沉降为主)、侏罗-白垩纪的燕山活动期(以构造抬升为主)和新生代的喜马拉雅活动期(调整、再沉降)，平均地下热流值分别是1.5 HFU、3.0 HFU、1.65 HFU。热流值越大，表明古地温越高，侏罗-白垩纪的燕山活动期，目的层经历了较高的温度，有利于烃源岩成熟演化。

基于惠民凹陷源岩各地质时期实际经历的温度及演化时间，结合模拟实验得到的生气动力学参数，利用一级反应运算模型，模拟惠民凹陷石炭-二叠系源岩生气演化史。图6即为惠民凹陷石炭-二叠系源岩生气演化史曲线，可以看到其具有2次生气特征：第一次生气发生于260～200 Ma B.P.，为源岩初步进入成熟阶段，Ro为0.7%～0.8%，累计生气率达40%；第二次生气发生于80～55 Ma B.P.，该地质时期热流值和温度高，导致石炭-二叠系源岩发生第二次生气，累计生气率达75%，Ro为0.8%～1.2%[10]。

图6 石炭-二叠系源岩生气演化史曲线Fig.6 Curve of gas evolution history of Carboniferous-Permian source rocks

3 勘探有利区预测

惠民凹陷大面积发育石炭-二叠系煤岩地层，具有良好的煤成气成藏的物质和成熟条件。而且在惠民凹陷发育优质的古生代砂岩储层及沙三段-沙四段的大套泥岩盖层，具有良好的生储盖组合。根据研究区埋藏史及构造史的研究，参考包裹体分析数据，显示研究区具有2期天然气成藏，对应时间为三叠世(260～200 Ma B.P.)和白垩纪-第三纪末(80～55 Ma B.P.)，与研究区煤系源岩的2次生气期具有对应关系[11]。由于火山活动，第一期形成的天然气藏散失掉了，因此惠民凹陷应以第二次生气及运聚成藏作为重要的勘探目标。惠民凹陷主要包含济阳地堑带、西南缓坡带、王判镇潜山带和曲堤潜山构造带4个构造带(图7)。烃源岩的分布、运移线路及断层发育位置是天然气成藏潜力区的决定因素[12]。

图7 惠民凹陷勘探潜力区预测Fig.7 Prediction of exploration potential area in Huimin sag

济阳地堑带面积较大，区域内发育断层，构成了石炭-二叠系煤成气向上运移至沙二段砂岩储层的优势通道，储盖条件良好，利于煤成气的保存。目前已经在济阳地堑带获得工业气流，该区域东侧的白桥断层附近圈闭为未来勘探的重点目标。

曲堤潜山构造带紧邻源岩发育中心，气流供给充足；天然气储集类型多样，包括砂岩、碳酸盐岩及火山岩，盖层封闭性好。该区域发育鼻状构造，有效面积超过100 km2，下一步应针对东北部构造高点进行重点部署。

西南缓坡带位于整个惠民凹陷的西南部，该区域发育夏口断层，具有沟通烃源岩的上下通道；但是与烃源岩中心路途相对遥远，油气得不到有效充注，未来以寻找靠近气源区的小型气藏为主。

王判镇潜山带位于惠民凹陷的最东部，发育于烃源岩中心部位，且具有沟通烃源岩的白桥断层，断层的活动期次与生气高峰期的匹配关系，直接决定着天然气成藏的位置和规模。研究认为，惠民凹陷煤系源岩大量生气、排气时期，白桥断层呈相对关闭状态，导致大部分圈闭得不到有效充注，局部圈闭由于封堵不充分而发生聚集成藏。因此，该区域的勘探重点在于规模小、丰度高的“甜点”型气藏。

4 结 论

a.惠民凹陷普遍发育石炭-二叠系煤岩地层，有机质以Ⅲ型为主、Ⅱ型为次，属于高丰度、生气为主的烃源岩，并进入成熟-高成熟阶段，显示该地区具有良好的生气基础。

b.惠民凹陷石炭-二叠系煤岩具有2次生气特征：第一次生气发生于260～200 Ma B.P.，为源岩初步进入成熟阶段；第二次生气发生于80～55 Ma B.P.，该地质时期地层热流值和温度高，导致石炭-二叠系煤岩发生第二次生气，累计生气率达75%，与包裹体测温结果显示的成藏期一致。

c.烃源岩的分布、运移线路及断层发育位置是天然气成藏的决定因素。济阳地堑带东侧的白桥断层附近、曲堤潜山构造带的东北部构造高点和局部高点部位、西南缓坡带靠近气源区的小型气藏及王判镇潜山带的规模小、丰度高的“甜点”型气藏为下一步勘探的重点目标。