柴北缘侏罗系煤系烃源岩生烃贡献定量评价

于长江, 黄光辉

(长江大学 资源与环境学院, 武汉 430100)

煤系烃源岩是含煤地层中具备生成油气的煤、炭质泥岩和煤系泥岩的总称,主要形成于海陆过渡或沼泽环境[1]。烃源岩中的显微组分是历经生物化学过程而形成的固体有机质,是生烃的基本单元。前人多从显微组分分离、鉴定以及模拟实验的角度对比其中不同显微组分的生烃能力[2-4]。但由于煤系烃源岩中显微组分组成的特殊性,鲜有将显微组分与烃源岩整体生烃潜量之间建立定量描述研究[5]。

为此,以柴达木盆地北缘地区侏罗系煤系烃源岩为例,通过一种数学方法,将显微组分的含量与生烃潜量之间建立联系,来达到对煤系不同岩性烃源岩进行定量评价的目的。以期通过该方法为接下来的油气资源的评价与预测提供依据。

1 区域地质概况与样品特征

柴达木盆地北缘(柴北缘)是我国西北地区油气勘探的重要地区[6]。前人研究表明,该地区有着复杂的构造历程并且经历多次隆升剥蚀过程。在下侏罗统时期受断裂构造活跃影响,该时期河流-三角洲-沼泽沉积快速发育,因此该时期所形成的地层厚度大、分布广泛。冷湖地区的地层厚度可达2 000 m以上,同时由于该时期存在充足的陆源补给,因此该时期陆源高等有机质来源丰富。中侏罗时期受坳陷沉积影响,沉积中心向东北方向偏移,且该时期沉积水体变浅,发育的沼泽相、河流相沉积地层变薄,一般在500～600 m。本次研究的样品取自冷湖凹陷、鱼卡凹陷和牛东地区。柴北缘煤系烃源主要发育有煤系泥岩、炭质泥岩和煤3种类型烃源岩,不同类型的烃源岩形成的沉积环境有所差异[7-12]。

柴北缘侏罗系煤系烃源岩样品共选取54个,其中煤系泥岩样品10个,炭质泥岩样品25个,煤样19个,基本情况见表1。从有机质丰度来说,柴北缘煤系不同岩性烃源岩总有机碳(total organic carbon,TOC)含量均相对较高,大多数样品达到好烃源岩的标准;从有机质类型来说,煤系烃源岩有机质以陆源输入为主,因此其有机质类型主要是Ⅱ2型-Ⅲ型[13-14],但其生烃潜量却并没有因为有机质类型的变差而变低,而是随着TOC含量的增加而增加;从有机质成熟度来说,柴北缘煤系烃源岩热演化程度差异较大,且主要受埋深的影响,埋深越深烃源岩的成熟度越高,总体上,下侏罗统烃源岩成熟度比中侏罗统的烃源岩成熟度高,煤样品成熟度比煤系泥岩和炭质泥岩要高。但总体上处于未成熟-成熟阶段[15-17]。由于成熟度对与显微组分的生烃具有非常大的影响,过高的成熟度会使结果失真,因此选取的样品成熟度主要处于中下侏罗统低成熟-成熟阶段。

表1 柴北缘煤系不同岩性烃源岩地球化学参数统计

2 显微组分组成与生烃意义

2.1 显微组分分类

显微组分的分类采取全岩光片镜检方式进行,因此显微组分的分类主要参考中华人民共和国石油天然气行业标准《全岩光片显微组分鉴定及统计方法》(SY/T 6414—2014)[18]其中镜质组的亚组分的分类采取正常镜质体中的分类方法进行。

2.2 显微组分组成

烃源岩之中的有机质是其生成烃类物质的关键。对于柴北缘煤系不同类型烃源岩来说,不同岩性之间显微组分组成表现出一定的共性和差异性(图1)。共性表现为,3种不同类型烃源岩其显微组分含量中镜质组含量均较高,绝大多数样品中镜质组百分含量在50%以上,惰质组含量相当。差异性表现为,煤系泥岩、炭质泥岩和煤镜质组的占比呈递增趋势。煤系泥岩中镜质组占比最低,介于35.71%～93.33%,平均为68.64%,炭质泥岩中镜质组占比介于61.54%～92%,平均为76.15%,煤中镜质组占比介于54.05%～92.44%,平均为82.36%。从镜质组亚组分组成来看煤和炭质泥岩中的“基质镜质体+均质镜质体”为优势显微组分,在镜质组中占比平均在70%以上,镜屑体含量较低,平均占比小于10%;而煤系泥岩刚好相反,“基质镜质体+均质镜质体”占比较小平均为57.19%,镜屑体占比明显增多,平均占比为40.61%。从“壳质组+腐泥组”占比来看,煤系泥岩中“壳质组+腐泥组”含量高,平均占比在21.02%,炭质泥岩和煤中其含量较低,只有12.08%和7.2%。从壳质组亚组分组成来看,煤系泥岩中壳屑体含量最高,平均可达66.33%,炭质泥岩和煤依次减小。

图1 不同岩性烃源岩显微组分与亚组分组成三角图

总体来说,煤系不同类型烃源岩之间的显微组分组成差异明显,这与不同显微组分形成环境有着密切的关系,镜质组主要是高等植物的木质纤维组织受凝胶化作用转化形成的[18],且凝胶化作用由弱到强依次形成结构镜质体、均质镜质体和基质镜质体,镜屑体的形成与搬运作用有关,而壳屑体的形成与细菌活动有关[19]。

2.3 烃源岩热解参数差异

由于煤系烃源岩是以总有机碳(TOC)含量为标准划分岩性,因此TOC平均含量由小到大依次为煤系泥岩、炭质泥岩和煤。而生烃潜量(Pg)与总有机碳(TOC)含量之间也存在相似的规律(图2),由于烃源岩中所有显微组分均对生烃潜量产生贡献,因此生烃潜量的大小可以反映显微组分的生烃能力。煤系泥岩Pg为0.37～18.6 mg/g,平均为6.05 mg/g;炭质泥岩Pg为5.4～66.59 mg/g,平均为34.51 mg/g;煤的Pg为39.64～174.69 mg/g,平均为104.87 mg/g。说明煤的生烃能力最强生烃组分应相对较多,炭质泥岩次之,煤系泥岩最小。

图2 不同岩性烃源岩总有机碳与生烃潜量的关系

氢指数(HI)和有机质类型指数(TI)可以用来划分有机质的类型[1]。煤系不同岩性烃源岩的氢指数总体上所呈现出煤系泥岩<炭质泥岩<煤的分布特征,表示不同岩性烃源岩中煤的有机质类型最好,这与有机质类型指数所呈现出的分布特征相矛盾,TI值显示煤的有机质类型最差,炭质泥岩次之,煤系泥岩最好。因此说明在煤中的生烃组分应该包含镜质体的一部分。

2.4 生烃潜量与“壳质组+腐泥组”的关系

“壳质组+腐泥组”(E+S)是显微组分中的富氢组分,具有较强的生烃意义[20-21]。这与有机质类型指数相对应,从图3中可以看出,“壳质组+腐泥组”含量越高,有机质类型指数越好;而镜质组的情况与之相反,随着镜质组相对含量的上升,有机质类型指数下降,类型变差,以上结果符合陆相烃源岩中壳质组和腐泥组是烃源岩中主要生烃组分,镜质组则不属于主要生烃组分的认识。

图3 柴北缘侏罗系不同岩性烃源岩有机质类型指数和生烃潜量与显微组分含量的关系

而通过“壳质组+腐泥组”及镜质组含量与生烃潜量之间的关系可以看出,“壳质组+腐泥组”与镜质组均与生烃潜量之间存在较好的正相关性,甚至镜质组的相关性系数要强于“壳质组+腐泥组”。此种关系在炭质泥岩与煤中更加明显,因此在煤系烃源岩中,除“壳质组+腐泥组”外,镜质组中应存在有重要生烃组分。

2.5 生烃潜量与镜质组的关系

通过柴北缘煤系烃源岩中镜质体各组分含量与生烃潜量之间的关系(图4)可知,基质镜质体含量与生烃潜量之间存较好的相关关系,且略好于图3中的相关性;而镜质组亚组分中的结构镜质体、镜屑体与生烃潜量之间不存在明显的相关性,生烃能力较弱。事实上,基质镜质体在生烃中的意义很早就被注意到了[22],柴北缘侏罗纪煤系烃源岩的沉积环境为泥炭沼泽相沉积,所形成的基质镜质体中会含有大量的超微类脂体[23],因此柴北缘烃源岩中的基质镜质体应该有着较强的生烃潜力。

图4 柴北缘侏罗系不同岩性烃源岩镜质组各组分含量与生烃潜量的关系

从上述分析中可以看出,煤系烃源岩中特别是煤和炭质泥岩中基质镜质体的生烃能力不容忽视。

对于烃源岩来说,经过漫长的地质演变之后,烃源岩中的显微组分不可避免的生成液态烃类物质,因此在烃源岩中的可溶有机质虽然现在不属于显微组分中的任何一种物质,但在热解过程中,其对于生烃潜量的贡献特别明显,因此,需要考虑氯仿沥青“A”对于生烃潜力的影响。

通过上述分析可知,柴北缘煤系烃源岩中主要的生烃组分为基质镜质体(Vb)、壳质组(E)、腐泥组(S),上述显微组分类型与生烃潜量之间均存在正相关关系,基于全岩显微光片的计数,可以代表烃源岩中显微组分的含量,可以代表烃源岩中生烃的物质基础。

其通过热解产生的生烃潜量是各个生烃组分之间生烃量的总和,各个显微组分在生烃参数之中是具有加和性的[24]。由于烃源岩的成熟度对生烃性质会产生较大影响,而本次烃源岩样品成熟度均处于低成熟阶段,这对于烃源岩中显微组分化学组成影响较小。可以认为存在于烃源岩中的可溶有机质近似等于生烃组分生成烃类的量。

在进行显微组分计数和有机地球化学实验的过程中,难免会因为主观性产生一定的误差,再者烃源岩具有一定的非均质性,因此通过对烃源岩样品有机岩石学和地球化学数据一致性的全面分析,本次研究的误差是在实验允许的范围内的。

3 计算方法与结果

理论上,烃源岩的生烃量或生烃潜力Qi是不同组分生烃量(或潜量)的和式形式,因此有加和性,即

Qi=a1X1+a2X2+…+anXn

(1)

式中:X1,X2,…,Xn分别为不同富氢组分的含量;a1,a2,…,an分别为相应组分X1,X2,…,Xn在某一成熟度区间对Qi的权重(转化系数),即单位重量(或体积)的富氢组分所生成的可溶有机质的量。

理论上,对式(1)的求解只需用n个样品的实验数据列出n个方程即可求出不同生烃组分对生烃贡献的权重系数。但实际上,由于地质样品的复杂性、实验过程和数据处理过程等环节造成的误差的影响,常使得方程没有确定的解。也就是说,方程左式和右式存在一定的误差。对于这种多元一次问题,可采用最小二乘原理[25]求得超定方程组(或矛盾方程组)的近似解。

设由式(1)构成的方程组有一组近似的解x1,x2,…,xn,代入方程的右端,显然它不会等于Qi,设其差值为δi,即

(2)

(3)

式中:k为矩阵方程求解过程中的阶数,m>k;m为超定方程中的方程个数(或实际分析样品的组数),n为需求解的变量数(m>n)。

用矩阵形式给出,即得

ATAx=ATQ

(4)

式中:A为m×n矩阵。上述方法可以建立多个生烃组分与生烃量或生烃潜量的函数关系,进而讨论不同组分的生烃意义。

通过上述分析,柴北缘煤系烃源岩的主要生烃组分为基质镜质体(Vb)和壳质组+腐泥组(E+S),根据式(1),柴北缘煤系烃源岩的生烃潜量Pg就可以表示为

Pg煤系=a1“A”+a2Vb+a3(E+S)

(5)

式中:“A”为烃源岩中氯仿沥青“A”重量百分含量,单位为w%;E、S、Vb分别为单位体积的烃源岩中,壳质组(E)、腐泥组(藻类体)(S)、和基质镜质体(Vb)的体积百分含量;a1为单位重量的氯仿沥青“A”热解过程中对生烃潜量Pg的贡献值,mg/g/%;a2为单位体积的壳质组(E)和腐泥组(S)对生烃潜量Pg的贡献值,mg/g/%;a3为基质镜质体(Vb)形成的生烃潜量值,mg/g。

筛选掉成熟度较大的样品,并根据显微组分分析数据和热解数据进行初次计算,继续筛选掉误差较大的数据后,最终选取37个样品,其中泥岩样品10个,炭质泥岩样品12个,煤样品15个。各个样品的基本参数见表2。

表2 生烃差异性定量计算的样品基础数据汇总

通过对上述数据采取式(4)进行拟合计算之后,可以得出一个方程组,每一个样品对应一个方程,通过对上述37个样品计算,可以解出:al= 11.414 7,a2=1.876 3,a3= 2.027 3。

因此式(4)可以表示为

Pg煤系=11.414 7דA”+1.876 3×Vb+2.027 3×(E+S)

(6)

根据式(5)以及表2中的数据可以计算出每个样品的生烃潜量的值,并且将其与实测生烃潜量进行比较,可以得出,二者之间存在相当好的正相关性。相关系数可以达到0.982。根据以上拟合结果对不同岩性烃源岩分别求取相关系数可得:煤系泥岩的相关度R2=0.940,炭质泥岩的相关度R2=0.937,煤的相关度R2=0.924。

上述方法是将不同岩性烃源岩中相同显微组分的生烃作用同等看待,这并不能很好地展现不同岩性之间的区别,因此将煤系泥岩、炭质泥岩和煤均采取式(4)进行计算,计算得到的结果为

Pg煤系泥岩=19.062 2דA”+1.338 6×Vb+1.764 9×(E+S)

(7)

Pg炭质泥岩=15.472 3דA”+1.775 1×Vb+2.081×(E+S)

(8)

Pg煤=10.227 5דA”+1.785 0×Vb+3.203 2×(E+S)

(9)

总体来看,分岩性拟合计算之后相关系数并未产生较大变化,原因是煤系泥岩生烃潜量数据较小,权重较低,无法使结果产生较大变化,但对不同岩性来说,分开拟合之后相关系数均有所提高(图5):煤系泥岩的相关度R2=0.958,炭质泥岩的相关度R2=0.944,煤的相关度R2=0.934。这说明,分不同岩性进行拟合的结果能够更加真实地体现出不同岩性烃源岩中显微组分对生烃潜量的影响。

图5 分岩性生烃潜量拟合计算结果

且从拟合公式的各显微组分生烃转化系数来看,不同显微组分之间存在差异,对于基质镜质体来说,其生烃转化系数呈现出煤系泥岩<炭质泥岩<煤的规律,而“壳质组+腐泥组”与之相反,且转化系数高于基质镜质体。这也印证前文烃源岩中主要生烃组分是“壳质组+腐泥组”的结论。

由于上述公式仍然将氯仿沥青“A”代入计算,并不能完全反映出基质镜质体(Vb)和壳质组+腐泥组(E+S)对于生烃潜量的贡献,因此需要将氯仿沥青“A”对于生烃潜力的贡献进一步转化成显微组分对于生烃的贡献。根据前文的分析,柴北缘煤系烃源岩的主要生烃组分为壳质组+腐泥组和基质镜质体,因此,同样按照式(6),可以列出以下公式:

“A”煤系=b1Vb+b2(E+S)

(10)

式中:b1和b2分别为Vb和(E+S)对沥青“A”的转化系数,单位产单位体积的显微组分生成的沥青“A”量。前文说到,由于煤系烃源岩之间存在的差异,将煤系烃源岩统一计算会产生较大的误差,因此,采取不同岩性分别计算的方式进行。通过计算可以得出柴北缘煤系不同岩性烃源岩中壳质组+腐泥组和基质镜质体对于氯仿沥青“A”的转化公式:

“A”煤系泥岩=9.171×10-3×Vb+4.975×10-3×(E+S)

(11)

“A”炭质泥岩=10.659×10-3×Vb+4.406×10-3×(E+S)

(12)

“A”煤=29.41×10-3×Vb+116.29×10-3×(E+S)

(13)

经过计算表明,柴北缘不同岩性烃源岩之间实测氯仿沥青“A”与计算氯仿沥青“A”之间存在这一定的相关性,但是这样的相关性与前文相比较差,具体原因不仅仅是不同烃源岩之间有着不同的沉积环境和演化历程,因此虽然样品的成熟度相似,但是还是存在样品成熟度Ro<0.5%的情况下由于某些显微组分如孢子体还为达到生烃高峰而导致氯仿沥青“A”出现误差。除以上原因外,烃源岩取样之后的保存时间、保存方式也对结果产生一定影响,但总体来说,这种影响总体来说是在可接受范围内的。

在以上分析中可知,式(7)～式(9)中可以得出每个样品中氯仿沥青“A”、壳质组+腐泥组(E+S)以及基质镜质体对生烃潜量(Pg)的贡献,而根据式(11)～式(13)可以计算出每个样品中壳质组+腐泥组(E+S)以及基质镜质体(Vb)对氯仿沥青“A”的贡献,因此可以将式(7)～式(9)中的氯仿沥青“A”对生烃潜量的影响用式(11)～式(13)代替,就可以计算出壳质组+腐泥组(E+S)以及基质镜质体(Vb)对生烃的贡献值。结果如图6所示。

图6 煤系不同岩性烃源岩壳质组+腐泥组与基质镜质体对生烃潜量的贡献

4 结论

柴北缘侏罗系煤系烃源岩在显微组分和生烃能力方面有着较大的差距。煤系泥岩中壳质组+腐泥组含量较高,镜质组含量较低,且主要亚组分为镜屑体和壳屑体,表明煤系泥岩生成过程中的搬运作用有关,而炭质泥岩和煤中镜质组为主要组分,且壳质组中完整组分较多,表明其生成方式以原地堆积为主。生烃潜量Pg与TOC之间有着密切关系,即TOC含量越高,生烃潜量越大。

柴北缘侏罗系煤系烃源岩的显微组分含量和生烃潜量Pg之间可以建立一种线性关系,通过对烃源岩中显微组分含量的统计可以预测出不同类型烃源岩的生烃潜量。而氯仿沥青“A”对生烃潜量的转化受到较多因素的影响,但仍可以进一步转化为显微组分的贡献。总体上看,通过该方法计算的生烃潜量与实测生烃潜量之间存在较好的相关性。

不同类型烃源岩中相同显微组分对生烃的贡献不同。煤系泥岩中“壳质组+腐泥组”的贡献更大;煤和炭质泥岩中基质镜质体则有更大的贡献。这是由于基质镜质体在凝胶化过程中细菌生源的有机质进入凝胶体的结果。反映出微生物的作用对于不同显微组分的影响程度不同。