海拉爾盆地外圍凹陷南一段烴源巖生烴動力學研究

謝明賢，陳廣坡，李 娟，馬鳳良，宋曉微

（中國石油勘探開發研究院西北分院，蘭州 730020）

0 引言

生烴潛力預測在油氣資源評價過程中起著至關重要的作用。Tissot 等［1］認為在地質歷史時期，油氣主要來自于干酪根及瀝青的熱演化，這是一個在熱力作用下發生的化學反應過程，在此過程中，成烴母質需要從外界獲取一定的能量才能生成油氣，這一能量即為生油巖向油氣轉化的活化能。近年來，由于生烴動力學研究的不斷發展和完善，為人們對不同母質來源的干酪根成烴進行精細研究提供了技術支持和保障。如何利用生烴動力學技術，深入剖析研究區域烴源巖的地球化學特征，應用生烴動力學理論結合現代物理模擬技術，再現研究區烴源巖在不同演化階段的生烴模式和產物的地球化學特征，鑒別研究區油氣的來源及相對數量，對提高該區域油氣勘探成功率，豐富和完善油氣成因理論具有重要意義［2-3］。生烴動力學理論及研究方法豐富多樣，并已被廣泛應用于國內外含油氣盆地烴源巖評價以及盆地模擬中［4-6］，其中，應用最為廣泛的是生烴動力學法，該方法主要用來預測一定溫壓條件下或任一熱演化階段烴源巖的產烴量［7］。地質過程與實驗室可控條件下發生的化學反應，具有相同的化學動力學性質，即相同的生烴動力學參數。因此，可以運用生烴動力學方法，結合化學動力學理論來求取動力學參數，構建實驗室與地質應用之間的橋梁，進而研究地質條件下低溫、長時間的慢速反應過程［5］。在實驗室條件下，主要應用平行一級反應生烴動力學模型來模擬油氣生成過程［5］。目前，用于這項研究的實驗裝置主要分為開放體系、半封閉和封閉體系，其中封閉體系黃金管熱解模擬裝置應用最為廣泛［6-7］。

海拉爾盆地下白堊統南屯組湖相烴源巖以暗色泥巖沉積為主，國內學者對其有機質豐度、類型、成熟度等方面均已開展了大量的研究工作，證實了該套烴源巖具有良好的生烴潛力，是海拉爾盆地的主力烴源巖層系，但除烏爾遜—貝爾凹陷外，外圍小型凹陷有關南屯組湖相烴源巖的生烴動力學研究尚為空白。因此，本文開展海拉爾盆地紅旗、東明和伊敏3個凹陷南屯組一段烴源巖生烴動力學研究，以期深入了解南屯組一段烴源巖的生烴潛力和現處的生烴演化階段，為外圍小型凹陷烴源巖生烴史分析、資源量估算、不同凹陷勘探潛力評價及對比、生烴模式探討提供有效、可靠的參數依據。

1 樣品與實驗方法

1.1 地質背景

目前，海拉爾盆地油氣勘探主要集中在中部斷陷帶的烏爾遜—貝爾富油凹陷，在外圍呼和湖、巴彥呼舒、紅旗凹陷取得了突破，在伊敏、東明凹陷見到良好的顯示，但整體都沒有形成規模儲量（圖1）。

1.2 樣品選取

實驗對采自海拉爾盆地紅旗、伊敏、東明3 個凹陷46 塊南一段烴源巖樣品進行TOC 和熱解分析。為了建立更加接近烴源巖原始生烴能力的生烴動力學模型，生烴動力學模擬實驗要求盡量選取未熟—低熟樣品［8］（Ro一般小于0.8%）。本次研究在常規有機地球化學分析測試的基礎上，在各凹陷分別篩選1 塊符合實驗要求的樣品進行熱模擬實驗，采樣位置見圖1，其基本有機地球化學特征如表1 所列。所選樣品中H6 和M1 符合實驗要求，但受采樣限制，Y2 為成熟期樣品。彭平安等［9］、張輝等［10］應用生烴動力學模擬方法研究了不同類型有機質的有機碳恢復系數，認為在對高—過成熟有機質進行生烴評價時，Ⅰ型、Ⅲ型干酪根有機碳豐度需要恢復，Ⅱ型干酪根不需要恢復，因此，Y2 樣品基本可以反映其原始生烴潛力。

圖1 海拉爾盆地構造單元及地層綜合柱狀圖Fig.1 Structural zones and stratigraphy column of Hailaer Basin

表1 海拉爾盆地外圍凹陷南一段烴源巖樣品有機地球化學特征Table 1 Organic geochemical characteristics of K1n1 source rock samples in peripheral sags of Hailar Basin

1.3 實驗方法

本次實驗主要采用中國科學院廣州地球化學研究所的分體式黃金管高壓釜在高溫高壓封閉體系下對烴源巖樣品進行熱模擬、參照國家能源局中國石油天然氣行業標準《SY/T 7035—2016黃金管生烴熱模擬實驗方法》完成。具體流程為：①將樣品粉碎后做干酪根分離，對原巖和干酪根分別做熱解和TOC 分析。②將干酪根樣品粉末在氬氣環境下封入金管并焊封，然后放置于高壓釜內，在50 MPa壓力下，分別以20 ℃/h 和2 ℃/h 的升溫速率加熱進行熱模擬實驗，每組升溫速率測量12 個溫度點。因外圍凹陷以生油為主，故將模擬的最高溫度分別設置為470 ℃（20 ℃/h）和448 ℃（2 ℃/h），對應的Easy%Ro為1.66% 和1.95%。實驗涵蓋了整個生油與部分油的裂解溫度區間。在熱模擬實驗過程中，各個高壓釜的壓力波動小于1 MPa，溫差小于1 ℃。③在加熱結束后，從高壓釜中取出含有樣品的金管，檢測氣體、輕烴（C6～C14）和重烴（C14+）3 種組分。④用氣密注射器抽取氣體，先進行C1～C3烴氣和CO2的碳同位素分析，再進行油的測試分析。⑤采用KINETICS 專業軟件確定Easy%Ro值，并計算生烴動力學參數。

2 實驗結果和討論

2.1 氣態烴產率特征

熱模擬實驗顯示：在不同升溫速率下，隨著溫度的升高，氣態烴產率持續增加，且低升溫速率下氣態烴的產率明顯高于高升溫速率，根據時溫互補原理，低升溫速率下的實驗結果更接近地質歷史時期有機質的生烴過程［圖2（a）］。對比發現，在2 ℃/h升溫速率下，Y2 氣態烴產率最高，達404.58 mg/（g TOC），H6 與M1 基本相當，分別為240.18 mg/（g TOC）和209.9 mg/（g TOC）；20 ℃/h 升溫速率下對應的產率分別為225.52 mg/（g TOC），158.49 mg/（g TOC）和162.92 mg/（g TOC）。

甲烷與氣態烴產率特征相似［圖2（b）］，且各樣品甲烷產氣量約占氣態烴總量的1/3，甚至更高。在相同升溫速率下，甲烷產率隨溫度升高穩步增加。重烴氣的產出特征與氣態烴及甲烷也相似［圖2（c）］。在相同升溫速率下，溫度達375～423 ℃（Easy%Ro=1.00%～1.57%）時，H6 與M1 重烴氣產率基本相當，隨成熟度繼續升高，二者之間重烴氣產率差別也較小，Y2 則始終維持在較高水平，且Y2 的重烴氣產率占其氣態烴總量的2/3。在不同升溫速率下，低升溫速率更有利于重烴氣產出，且高升溫速率下的產率明顯滯后于低升溫速率。在烴源巖生烴熱演化過程中，重烴氣在達到產率峰值后，進入高—過成熟階段，均會發生不同程度的熱裂解［11-13］，但研究區重烴氣在溫度達到447 ℃（Easy%Ro=2.0%）時，產率仍表現為持續增加的趨勢，說明外圍凹陷重烴氣要達到產率峰值或發生熱裂解需要更高的溫度和成熟度。

圖2 不同組分烴類氣體累積產率特征Fig.2 Cumulative yield characteristics of hydrocarbon gases with different components

天然氣干燥系數的變化特征如圖2（d）所示，整體為濕氣。在相同升溫速率下，M1 和Y2 干燥系數隨成熟度的增加表現為“先減小后增大”的拋物線型變化特征，這是由于在成熟早期，干酪根以生重烴氣為主，溫度達到328 ℃和352 ℃（Easy%Ro約0.9%）時干燥系數較小，此后隨成熟度增大，干酪根熱裂解和熱降解致使甲烷生成速率增加，干燥系數呈上升趨勢。H6 則表現為“先增后減再增”的三段式特征，在溫度低于302 ℃（Easy%Ro＜0.58%）時，干燥系數明顯增大，這可能是干酪根在埋藏升溫過程中，由不同生烴機制的生物化學反應或低溫化學反應生成了一定量的以甲烷為主的小分子未熟—低熟氣［12，14］，這與松遼盆地下白堊統青山口組一段、嫩江組一段烴源巖生成未熟—低熟氣具有相似性［12，15-16］。進入成熟階段后，干燥系數的變化規律與M1 類似。在不同升溫速率下，干燥系數在高升溫速率下明顯滯后于低升溫速率。

總體上3 個樣品非烴類氣體產量都很低，其成分主要有H2與CO2，僅有Y2 樣品檢測到H2S，根據現有鉆井、地震資料解釋，在塔木蘭溝組發育有火山巖，推斷H2S 與伊敏凹陷早期的巖漿活動有關。

2.2 液態烴產率特征

熱模擬檢測的液態烴產物包括C6-14和C14+，且C14+占主導地位。實驗表明：在相同成熟度條件下，M1 樣品的產率明顯低于其他2 個樣品［圖3（a）］，其總液態烴和C14+產率峰值分別為202.66 mg/（g TOC）和169.84 mg/（g TOC），約為H6 和Y2 的1/2；C6-14產率約為其他2 個樣品的2/3，整體來看M1 樣品的生油潛力相對較差。受升溫速率的影響，低升溫速率下液態烴率先達到產率峰值，但均表現為“先增后降”的拋物線特征。在2 ℃/h 升溫條件下，3 個樣品C6-14在溫度達到327 ℃（Easy%Ro=0.69%）后液態烴產率迅速增加，在410～420 ℃（Easy%Ro=1.4%～1.5%）時達到峰值，之后快速下降［圖3（b）］，而重組分C14+在360～370 ℃（Easy%Ro=0.8%～1.0%）時即達到了峰值［圖3（c）］，這說明輕組分的生成需要更高的溫度和成熟度，并與干酪根或重組分的熱裂解有關。且三者輕、重組分達到產率峰值的溫度和成熟度基本一致。

圖3 液態烴累積產率特征Fig.3 Cumulative yield characteristics of liquid hydrocarbon

2.3 生烴動力學模型及參數

2.3.1 生烴動力學模型

干酪根生烴遵循多個平行一階反應的生烴動力學模型，其中，所有平行反應具有共同的頻率因子。具體生烴動力學參數計算原理［17］如下：

某一烴類組分是由一系列平行一級化學反應生成，設每個反應的活化能為Ei，頻率因子為Ai，分布頻率為Xi0（i=1，2，3，…，N），則N個平行反應總的某一烴類組分生成量X如下式所示：

式中：Ai為頻率因子或指前因子，其值為1012s-1；D為恒速升溫實驗的升溫速率，℃/h；Ei為活化能，kcal/mol；R為通用氣體常數1.98910 kcal/mol；T為絕對溫度，K。如果得到任一溫度或成熟度下的E、A，即可以計算出X，進而確定相應的有機質成烴轉化率。

2.3.2 生烴動力學參數

在不同升溫速率條件下，干酪根樣品生成氣態烴、液態烴的實驗轉化率與溫度的關系以及根據上述生烴動力學模型建立的相應條件下的理論數據與溫度的關系如圖4 所示，結果顯示不同相態烴類動力學模擬計算結果與實驗結果吻合度很高，說明生烴動力學模擬計算結果準確可靠，獲得的動力學參數可以用于地質條件下的生烴模擬。

圖4 海拉爾盆地外圍凹陷南一段烴源巖有機質成烴轉化率Fig.4 Hydrocarbon generation rate curves of organic matter of of K1n1 source rock in peripheral sags of Hailar Basin

圖5 海拉爾盆地外圍凹陷南一段烴源巖生烴動力學參數Fig.5 Kinetic parameters of hydrocarbon generation of K1n1source rock in peripheral sags of Hailar Basin

采用KINETICS 軟件模擬計算的南一段各烴源巖樣品的生烴動力學參數如圖5 所示。3 組樣品有機質生成氣態烴的動力學參數差異較大，其中M1 頻率因子較其他2 個樣品差一個數量級，且M1的活化能分布最寬（43～60 kcal/mol），但其平均活化能和主頻活化能反而最低，分別為52 kcal/mol 和56 kcal/mol。H6 和Y2 平均活化能分別為57 kcal/mol 和53 kcal/mol，主頻活化能分別為58 kcal/mol和60 kcal/mol。對比看來，有機質生成氣態烴的主頻活化能具有M1＜H6＜Y2 的分布規律。液態烴生烴動力學參數中H6 的頻率因子明顯低于M1 和Y2，相差2 個數量級，其活化能分布寬（35～51 kcal/mol），平均活化能和主頻活化能最低，分別為43 kcal/mo l 和48 kcal/mol。M1 活化能分布最窄，但平均和主頻活化能最高，分別為49 kcal/mol 和52 kcal/mol。Y2 活化能分布表現為較明顯的雙峰特征，但其平均和主頻活化能與M1 基本相當，分別為48 kcal/mol 和51 kcal/mol。3 組樣品有機質生成液態烴的主頻活化能具有H6＜Y2＜M1 的分布規律。整體看來，3 組樣品液態烴生成的活化能低于氣態烴，這與有機質生烴熱演化過程一致。

有機質類型與生烴動力學特征具有明顯的相關性［18-20］，劉立峰等［19］及王軍等［21］對不同類型烴源巖進行了生烴動力學模擬，發現相同巖性、相同有機質類型樣品的生烴動力學特征以及生烴演化行為存在著一定的差異，這與有機質顯微組分、類型指數KTI 等有關。本文所選3 組樣品均為黑色泥巖，其有機質類型均為Ⅱ1型，但其有機質顯微組分有一定的差別，其中H6 的主要生烴組分為藻類體、鏡質體、少量孢子體和角質體；M1 的主要生烴組分為藻類體、孢子體和鏡質體；Y2 陸源高等植物比例輸入相對較高，生烴組分以殼質組和鏡質組為主，藻類含量較少。因此，H6 的烴源巖品質最好，M1次之，而Y2 則受TOC 含量、有機質顯微組分的共同制約，活化能分布分散，主頻活化能所占比例低于40%，生烴潛力最差。

3 生烴動力學參數的地質應用

烴源巖熱模擬實驗得到的生烴動力學參數，可外推至地質過程中模擬烴源巖的生烴史，估算不同地質歷史時期的生烴量及油氣資源量。

3.1 生烴史恢復

海拉爾盆地經歷了從銅缽廟組沉積時期至南屯組沉積末期的斷陷期、大磨拐河組至伊敏組沉積時期的斷坳轉換期、青元崗組至今的坳陷期三大構造演化階段，主體表現為沉降—抬升—再沉降的構造演化特征［22，23］（參見圖1），其古地溫梯度為3.44～4.20 ℃/100 m［21］，于伊敏組沉積末期達到最高古地溫，研究區3 個凹陷屬于抬升剝蝕型凹陷［圖6（a）］，伊敏組沉積之后是一個降溫過程，現今地溫小于古地溫。將各個樣品的生烴動力學參數外推至地質歷史時間尺度，結合埋藏史和古地溫，分別計算出不同地質時期的鏡質體反射率，恢復各凹陷熱史及生烴史［4，23］（圖6），在火山活動及剝蝕作用雙重影響下，塔木蘭溝組（J3tm）實測Ro值偏高，表現出與上覆地層熱演化趨勢不同的特征。

圖6 海拉爾盆地外圍凹陷南一段烴源巖埋藏史（a）及熱演化史（b）Fig.6 Burial（a）and thermal evolution history（b）of K1 n1 source rock in peripheral sags of Hailar Basin

計算結果表明，按照該古地溫計算出的Easy%Ro最大值僅為0.66%，在此古地溫條件下的氣體產率非常低，Y2 氣產率最大，但也僅2.41 mL/（g TOC），遠未達到工業儲量標準，故暫不考慮進行氣藏評估。對油來說，南一段烴源巖于早白堊世（距今110 Ma）進入生油門限，對應埋深1 400 m，現今仍處于低成熟—成熟階段早期，尚未達到生油高峰。H6 和M1油產率基本相當，最大值分別為39.96 mg/（g TOC）和52.85 mg/（g TOC），油轉化率分別為12.67%和23.32%；Y2 油產率約為其他2 個樣品的3 倍，最大油產率為150.63 mg/（g TOC），油轉化率為39.50%，僅發生少量排烴，這與目前研究區僅見油氣顯示或少量原油吻合（表2，圖7）。

3.2 有機質生烴模式

Tissort 和Welte（1978）建立的經典干酪根生烴模式將油氣的形成主要劃分為4 個階段：生物甲烷氣階段（Ro＜0.5%）、生油階段（Ro為0.5%～1.3%）、生凝析油與濕氣階段（Ro為1.3%～2.0%）和干氣階段（Ro＞2.0%）。本文根據黃金管熱模擬實驗，在不考慮排烴的條件下，建立了海拉爾盆地外圍凹陷南一段烴源巖的生烴演化模式（圖8）。在地質條件下，油氣的生成與古地溫、經歷的地質事件、埋深等多種因素有關。前文述及海拉爾盆地外圍紅旗、東明和伊敏凹陷南一段烴源巖在多期構造活動的影響下，經歷的最大埋深小于3 000 m（圖6），當埋深低于1 400 m（Ro＜0.5%）時，僅有少量的低熟氣及未熟油生成；當埋深為1 400～3 000 m（Ro為0.5%～1.0%）時，進入生油窗，但尚未達到生油高峰。總體看來，該套烴源巖進入生油門限，且尚屬于早期未熟—低成熟生油氣階段，與Tissort 和Welte 的經典干酪根生烴模式一致。需要指出的是在相同的熱演化程度下，伊敏凹陷南一段烴源巖生油轉化率明顯高于其他2 個凹陷，這是由干酪根的母質來源及顯微組分的差異性決定的。

表2 海拉爾盆地外圍凹陷南一段烴源巖油氣產率和油氣轉化率Table 2 Oil and gas production rate and conversion rate of K1n1source rock samples in peripheral sags of Hailar Basin

圖7 海拉爾盆地外圍凹陷南一段烴源巖油氣生成動力學預測結果Fig.7 Prediction results of hydrocarbon generation kinetics of K1n1source rock in peripheral sags of Hailar Basin

圖8 海拉爾盆地外圍凹陷南一段烴源巖生烴模式示意圖Fig.8 Hydrocarbon generation pattern of K1n1 source rock in peripheral sags of Hailar Basin of K1n1source rock in peripheral sags of Hailar Basin

3.3 生烴量計算

鑒于海拉爾外圍凹陷整體勘探程度較低，結合熱模擬實驗結果，采用成因法估算了南一段烴源巖的生油量。結果表明，紅旗、東明和伊敏等3 個凹陷的生油量分別為1.14 億t，4.12 億t，3.65 億t。海拉爾盆地外圍凹陷烴南一段烴源巖成熟度不高，雖然各凹陷構造比較復雜，但油氣都有近距離運移成藏的特點，運移路徑中損耗散失量不大，因此，各項參數大體取中間值，其石油排聚系數取8%～12%，根據各凹陷實際地質情況，參考海拉爾盆地第四次油氣資源評價的取值參數，紅旗和東明凹陷石油排聚系數取8%，伊敏凹陷取10%，排烴效率取35%，分別估算了各凹陷資源量（表3）。

表3 海拉爾盆地外圍凹陷南一段烴源巖資源量Table 3 Resources of K1 n1 source rock samples in peripheral sags of Hailar Basin

綜上所述，研究區尋找氣藏的可能性很低，3 個凹陷南一段生油量及資源量也非常有限，制約生油量的最主要因素是有機質未達到生烴高峰，油氣勘探的重點在于尋找其下部古地溫相對較高、生油潛力較強的烴源巖層系或局部成熟區域。對紅旗和東明凹陷而言，主力烴源巖層系南一段熱演化程度很低，勘探的重點應在尋找其下伏銅缽廟組、塔木蘭溝組古地溫相對較高、生油潛力較強的烴源巖層系；對伊敏凹陷而言，應關注局部古地溫相對較高、生油潛力較強的區域，同時尋找南一段下伏銅缽廟組、塔木蘭溝組烴源巖。

4 結論

（1）高溫高壓封閉體系黃金管高壓釜熱模擬實驗表明，紅旗（H6）、東明（M1）和伊敏（Y2）凹陷3 個樣品有機質成氣態烴主頻活化能具有M1＜H6＜Y2的分布規律，成液態烴主頻活化能具有H6＜Y2＜M1 的分布規律。實驗數據可信度高，可用于地質條件下的生烴史恢復及生烴量計算。

（2）南一段烴源巖于早白堊世（距今110 Ma）進入生油門限，對應埋深1 400 m，現今仍處于低成熟—成熟階段早期，尚未達到生油高峰，油的轉化率12.67%～39.50%，現今H6 和M1 油產率分別為39.96 mg/（g TOC）和52.85 mg/（g TOC），Y2 油產率為150.63 mg/（g TOC）。烴源巖發生少量排烴，與目前研究區僅見油氣顯示或少量原油吻合。

（3）制約生油量的最主要因素是有機質未達到生烴高峰，3 個凹陷南一段烴源巖生烴量及資源量非常有限，難以達到工業標準。對紅旗和東明凹陷而言，區域主力烴源巖層系南一段熱演化程度很低，勘探的重點應在尋找其下伏古地溫相對較高、生油潛力較強的銅缽廟組和塔木蘭溝組烴源巖；對伊敏凹陷而言，應關注局部古地溫相對較高、南屯組生油潛力較強的區域，同時尋找其下伏銅缽廟組和塔木蘭溝組烴源巖。