鄂爾多斯盆地臨興地區(qū)上古生界烴源巖特征及其生排烴史研究

胡維強(qiáng)，劉玉明，李洋冰，柳雪青 馬立濤，黃英，喬方

(中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司，天津 300452)

鄂爾多斯盆地上古生界蘊(yùn)含有豐富的低滲透致密油氣藏[1～6]。臨興地區(qū)主要位于鄂爾多斯盆地東部的晉西撓褶帶(山西省西部臨縣和興縣境內(nèi))。研究區(qū)總體為簡(jiǎn)單的單斜構(gòu)造，僅在局部有差異，特別是在研究區(qū)的中部有紫金山巖體的侵入，形成紫金山隆起區(qū)。目前，臨興地區(qū)在上古生界已有部分探井獲得工業(yè)氣流，部分探井獲得低產(chǎn)氣流，表明臨興地區(qū)具有良好的勘探潛力。據(jù)楊華等[4～6]對(duì)鄂爾多斯盆地氣源特征對(duì)比顯示，上古生界天然氣主要來(lái)自于石炭系-二疊系的煤成氣，其中煤巖是最主要的氣源巖，其次是暗色泥巖。雖然前人[7～13]運(yùn)用多種方法手段研究過(guò)鄂爾多斯盆地的生烴演化史，但對(duì)臨興地區(qū)的具體研究較少。因此，有必要加強(qiáng)對(duì)臨興地區(qū)的生烴演化史的進(jìn)一步研究，為下一步探討天然氣成藏提供依據(jù)。

1 烴源巖平面分布特征

臨興地區(qū)上古生界煤巖普遍發(fā)育，具有廣覆式分布的特點(diǎn)[14，15]，主要分布在山西組(P1s)中部及太原組(P1t)、本溪組(C2b)的頂部，其中P1t-C2b的煤巖主要發(fā)育于潮坪沉積環(huán)境，P1s煤巖主要發(fā)育于三角洲沉積環(huán)境。煤巖分布較為穩(wěn)定，整體變化也較小，厚度介于12～22m之間，經(jīng)統(tǒng)計(jì)研究區(qū)所有井的煤巖厚度，其均值為16m。在賈家洼-趙家坪鄉(xiāng)-白家岔-孟家坪鄉(xiāng)一帶及雷家磧鄉(xiāng)往東一帶的煤層較厚，主要在16m以上，最厚可達(dá)24m(圖1(a))。從整體來(lái)看，研究區(qū)東南部煤巖較厚，西部較薄。

研究區(qū)上古生界暗色泥巖發(fā)育情況類似于煤巖，分布非常穩(wěn)定且連續(xù)性較好，其厚度主要介于95～115m之間，經(jīng)統(tǒng)計(jì)研究區(qū)所有井的煤巖厚度，其均值為103m。在趙家坪鄉(xiāng)-白家岔-橫城村一帶及楊家溝往南一帶的暗色泥巖較厚，均在110m以上，最厚可達(dá)120m；蔡家會(huì)鎮(zhèn)-雷家磧鄉(xiāng)一帶的暗色泥巖較薄，基本上均在100m以下(圖1(b))。從整體來(lái)看，研究區(qū)北部及東部泥巖較厚，而南部較薄。

圖1 研究區(qū)上古生界不同巖性烴源巖等厚圖

2 烴源巖地球化學(xué)特征

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

表1 研究區(qū)上古生界烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)對(duì)臨興地區(qū)上古生界不同層段的煤巖和暗色泥巖進(jìn)行測(cè)試分析，其結(jié)果(表1)顯示上古生界煤巖總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(w(TOC))均值為63.63%，生烴潛量(w(S1+S2))均值為120.67mg/g，其中P1t生烴潛量最大，其次是C2b，P1s最低。根據(jù)陸相烴源巖地球化學(xué)評(píng)價(jià)方法標(biāo)準(zhǔn)，臨興地區(qū)上古生界煤巖屬于比較好的烴源巖。上古生界暗色泥巖w(TOC)均值3.21%，w(S1+S2)均值為3.78mg/g，其中P1t的w(TOC)最高，其次是C2b，P1s最低。根據(jù)烴源巖的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[16，17]，臨興地區(qū)上古生界暗色泥巖屬于中等-好烴源巖。

2.2 有機(jī)質(zhì)類型

干酪根顯微組分是判別有機(jī)質(zhì)類型的一個(gè)重要參數(shù)。通過(guò)對(duì)臨興地區(qū)P1s、P1t、C2b全巖顯微組分進(jìn)行檢測(cè)并繪制顯微組分三角圖(圖2)，其結(jié)果顯示3個(gè)層位的煤巖和暗色泥巖顯微組分均以鏡質(zhì)組為主。其中，煤巖鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)絕大部分都大于80%，含有少量惰質(zhì)組，基本上不含殼質(zhì)組和腐泥組；泥巖鏡質(zhì)組體積分?jǐn)?shù)絕大部分都大于60%，含有少量惰質(zhì)組、殼質(zhì)組和腐泥組。研究表明，煤巖和泥巖的母質(zhì)類型主要來(lái)源于陸生高等植物，具有腐殖型特征，以生氣為主。通過(guò)計(jì)算干酪根類型指數(shù)TI值顯示，均小于零，可判斷研究區(qū)煤巖和泥巖的有機(jī)質(zhì)類型屬于Ⅲ型。

圖2 研究區(qū)上古生界煤巖(a)和泥巖(b)顯微組分三角圖

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

根據(jù)臨興地區(qū)上古生界烴源巖鏡質(zhì)體反射率(Ro)和熱解最高峰溫(tmax)的測(cè)試結(jié)果(表2)，臨興地區(qū)上古生界烴源巖整體處于成熟-高成熟階段。

表2 上古生界烴源巖Ro與tmax統(tǒng)計(jì)表

研究表明，研究區(qū)烴源巖的Ro主要分布在1.0%～1.3%之間。蔡家會(huì)鎮(zhèn)-唐家莊往東南一帶熱演化程度最高，Ro均在1.3%以上，處于高成熟階段；喬家洼一帶及白家岔-孟家坪鄉(xiāng)一帶熱演化程度低，Ro基本上都在1.1%以下，處于成熟階段(圖3)。總的來(lái)說(shuō)，臨興地區(qū)上古生界烴源巖熱演化處于成熟-高成熟階段。

2.4 生氣強(qiáng)度

烴源巖的生氣強(qiáng)度是評(píng)價(jià)烴源巖生烴能力的綜合性指標(biāo)。根據(jù)研究區(qū)內(nèi)烴源巖煤巖和暗色泥巖厚度、密度、w(TOC)和熱演化程度等參數(shù)即可計(jì)算出其生氣強(qiáng)度[14]。其計(jì)算公式為：

Ggas=H×ρrock×w(TOC)×r×10-3

(1)

式中：Ggas為烴源巖生氣強(qiáng)度，108m3/km2；H為烴源巖厚度，m；ρrock為烴源巖密度，t/km3，煤巖取1.3×109t/km3，暗色泥巖取2.6×109t/km3；w(TOC)煤巖取63.6%(平均值)，暗色泥巖取3.2%(平均值)；r為烴源巖的產(chǎn)氣率，m3/(t·w(TOC))。

由式(1)分別計(jì)算出研究區(qū)內(nèi)煤巖和暗色泥巖的Ggas，相加得到整個(gè)上古生界烴源巖的生氣強(qiáng)度。綜合研究表明，研究區(qū)的Ggas主要介于(18～26)×108m3/km2。在蔡家會(huì)鎮(zhèn)-唐家莊往東南一帶Ggas較高，主要在2×6108m3/km2以上，可能是由于其高成熟度所致。而后向東北、西北及西南3個(gè)方向逐漸減弱，并在喬家洼一帶減到最低，均在1×8108m3/km2以下(圖4)。從整體上看，研究區(qū)東南地區(qū)Ggas較高，而后向四周逐漸降低的趨勢(shì)。通過(guò)與成熟探區(qū)子洲地區(qū)Ggas對(duì)比發(fā)現(xiàn)，子洲地區(qū)Ggas主要介于(24～30)×108m3/km2，平均為26×108m3/km2，臨興地區(qū)較子洲地區(qū)氣源條件稍差。

3 烴源巖生排烴史

盆地模擬的主要參數(shù)包括地層巖性、烴源巖屬性、古水深、古沉積水表面溫度、古熱流、地層剝蝕量。可通過(guò)單井巖屑錄井資料確定不同層位的巖性參數(shù)；利用烴源巖地球化學(xué)測(cè)試資料確定烴源巖屬性參數(shù)；依據(jù)張世奇等[18]等對(duì)古水深的研究來(lái)確定古水深值，研究區(qū)位于三角洲前緣和潮坪相地區(qū)，古水深整體變化不大，將該參數(shù)統(tǒng)一取值為25m；根據(jù)全球古地表溫度確定研究區(qū)古沉積水表面溫度，其值主要介于21～27℃之間；利用任戰(zhàn)利等[19，20]對(duì)研究區(qū)地溫梯度和大地?zé)崃鞯难芯看_定古熱流值；引用陳瑞銀等[21，22]對(duì)研究區(qū)中生界三疊系、侏羅系、白堊系多個(gè)不整合面剝蝕量的恢復(fù)確定各個(gè)時(shí)期的剝蝕厚度。通過(guò)選取以上的不同地質(zhì)參數(shù)，運(yùn)用PetroMod模擬軟件對(duì)臨興地區(qū)烴源巖的演化進(jìn)行模擬，反演臨興地區(qū)上古生界烴源巖的埋藏史、熱演化史及生排烴史。模擬結(jié)果利用實(shí)測(cè)鏡質(zhì)體反射率進(jìn)行標(biāo)定。其模擬結(jié)果如圖5所示，實(shí)測(cè)的Ro基本上都分布在模擬Ro曲線附近，說(shuō)明模擬的Ro曲線與實(shí)測(cè)Ro符合程度較高，同時(shí)也反映了所選模擬參數(shù)的有效性和模擬結(jié)果的可靠性。

圖3 研究區(qū)上古生界Ro等值線圖 圖4 研究區(qū)上古生界生氣強(qiáng)度等值線圖

研究表明，烴源巖在晚三疊世進(jìn)入生烴門限，處于低成熟階段，剛開(kāi)始生烴；早侏羅世早期至晚侏羅世末期，隨著地層埋深的加大，在中、晚侏羅世發(fā)生過(guò)兩期抬升少量剝蝕事件，烴源巖整體處于低成熟階段，生排烴量開(kāi)始逐漸增加；早白堊世上覆地層不斷增厚，烴源巖成熟度逐漸增高，但還是處于成熟-高成熟階段，在此期間大量生排烴，并在早白堊世末期達(dá)到生排烴高峰期。早白堊世末期之后，地層發(fā)生抬升，遭受大量剝蝕，地層溫度明顯下降，有機(jī)質(zhì)成熟度基本維持了早白堊世末期的分布格局，處于過(guò)成熟階段，生排烴趨于停止(圖5)。

圖5 F-5井埋藏史與熱演化史圖

4 結(jié)論

1)臨興地區(qū)上古生界烴源巖煤巖和暗色泥巖具有廣覆式分布的特點(diǎn)，其中煤巖主要分布在12～20m，均值為16m；暗色泥巖主要介于95～115m之間，均值為103m。從整體來(lái)看，研究區(qū)東南部煤巖較厚，西部較薄；暗色泥巖則是北部及東部泥巖較厚，而南部較薄。

2)臨興地區(qū)上古生界烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，屬于中等-好烴源巖；有機(jī)質(zhì)類型屬于Ⅲ型；Ro主要介于1.0%～1.3%，熱演化處于成熟-高成熟階段；Ggas主要介于(18～26)×108m3/km2，在紫金山隆起區(qū)Ggas較高，而后向四周逐漸降低的趨勢(shì)。臨興地區(qū)氣源條件較子洲地區(qū)略差。

3)臨興地區(qū)上古生界烴源巖在晚三疊世末期處于低成熟階段，剛開(kāi)始生烴，基本上沒(méi)有天然氣的排出；侏羅紀(jì)，整體處于低成熟階段，生排烴量逐漸增加，并開(kāi)始有天然氣排出；早白堊世，烴源巖處于成熟-高成熟階段，大量生排烴，并在早白堊世末期達(dá)到生排烴高峰期；早白堊世末期之后，生排烴趨于停止。