柴达木盆地侏罗系煤系烃源岩生烃潜力分类评价
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柴达木盆地侏罗系煤系烃源岩生烃潜力分类评价
田光荣;李红哲;白亚东;裴明利;王牧
【摘要】柴达木盆地侏罗系发育泥岩、炭质泥岩、煤和油页岩等多种类型煤系烃源岩.受沉积环境控制,不同类型烃源岩之间有机质丰度、有机质类型及生排烃模式等差别很大.传统的评价方法低估了炭质泥岩和煤的生烃潜力.提出了基于单位岩石烃源岩产烃率的定量评价方法,对不同类型烃源岩的总生烃量和总资源量定量预测表明:炭质泥岩对侏罗系生烃总量和油气资源的贡献率分别达到44.8%和41.7%,整体提升了柴达木盆地侏罗系烃源岩的资源潜力,煤型气的资源潜力大幅度提高,对柴达木盆地天然气勘探具有重要指导意义.
【期刊名称】《煤田地质与勘探》
【年(卷),期】2018(046)005
【总页数】8页(P73-80)
【关键词】生烃潜力;煤系烃源岩;定量评价;柴达木盆地
【作者】田光荣;李红哲;白亚东;裴明利;王牧
【作者单位】中国石油勘探开发研究院西北分院,甘肃兰州 730020;中国石油勘探开发研究院西北分院,甘肃兰州 730020;中国石油勘探开发研究院西北分院,甘肃兰州 730020;中国石油勘探开发研究院西北分院,甘肃兰州 730020;中国石油青海油田分公司,甘肃敦煌736202
【正文语种】中文
【中图分类】P618.11
煤系烃源岩是指含煤岩系(或煤系)中具有生烃能力的岩层,主要包括煤层、暗色泥岩和炭质泥岩[1-2],在部分盆地含煤地层中还可见一定数量的油页岩。
煤系烃源岩在我国广泛发育,其形成的煤成气在天然气资源中占有重要的地位[3-4],煤系烃源岩不仅能形成大中型煤成气藏[3-6],而且也能够形成具有工业价值的油藏[6-11]。
弄清煤系烃源岩的生烃潜力,将有助于我们对油气资源进行科学评价,指导油气勘探。
由于煤系烃源岩具有种类多样性,不同类型之间地球化学特征和生烃特征差别悬殊,如何评价煤系烃源岩的生烃潜力仍然存在争议,特别是定量评价方法有待研究。
多年来不同的研究者研究的煤系烃源岩沉积环境、保存条件、有机质来源和成熟度的不同,导致不同学者提出的评价标准差异较大[1,6-8,12-20],由于缺乏统一的评价指标(参数),导致不同类型煤系烃源岩的评价结果存在不确定性。
为了更科学、准确地评价不同类型煤系烃源岩的生烃潜力,以柴达木盆地侏罗系为例,探讨了以单位岩石烃源岩产烃率为评价指标的生烃潜力定量评价方法,在此基础上,对盆地不同类型烃源岩的生烃量和资源量进行了定量预测。
中、下侏罗统是柴北缘地区和阿尔金山前主要的烃源岩分布层位,在南祁连山前的湖西山、结绿素、圆顶山、路乐河、鱼卡、马海尕秀、红山、小煤沟、大煤沟等地出露广泛。
早侏罗世早期, 由于祁连山南缘断裂和阿尔金山断裂的活动,在柴北缘西段和阿尔金山以南地区形成了一系列NW向展布的中生代断陷,是侏罗系主要的生烃凹陷发育时期。
柴北缘西段主要有冷湖、伊北凹陷;阿尔金山以南主要有昆特依、坪东和坪西凹陷(图1)。
受构造活跃期的控制,下侏罗统沉积范围广、地层厚度大,冷湖次凹的下侏罗统地层厚达2 500~ 3 000 m,昆特依、坪东、伊北凹陷厚达2 000 m。
该时期湖相沉积比较发育,同时在湖盆边部发育扇三角洲和沼泽相沉积,由于有充足的陆源河流补给,因此陆源有机质丰富。
中侏罗世时期转换为坳陷沉积,沉积中心整体向北、向东迁移,总体呈NW转近EW 向展布,主要发育河流、沼泽相沉积,水体变浅,沉积范围变小,在祁连山前形成一系列小的局
部次凹,地层较薄(图1),中侏罗统一般500~600 m。
沉积环境对烃源岩的分布有明显的控制作用,沉积相类型不仅控制了烃源岩的厚度, 同时对烃源岩的类型、有机质丰度和类型也有明显的控制作用。
下侏罗统为断陷沉积,沉积厚度大、分布广,中侏罗统为坳陷沉积,地层薄、分布范围较小。
据露头及钻井资料揭示,中、下侏罗统主要包括暗色泥岩、炭质泥岩(或页岩)、油页岩和煤等4种类型(图1)。
不同类型烃源岩形成于不同的沉积环境,湖相暗色泥岩主要形成于浅湖-半深湖沉积环境,而炭质泥岩和煤主要形成于湖沼或河沼环境,油页岩一般发育在水流闭塞的湖湾沉积环境。
受沉积环境和物源供给共同控制,不同类型烃源岩之间有机质丰度、有机质类型等地球化学特征存在显著差异[21-31]。
大量的地球化学数据统计表明,中下侏罗统烃源岩有机质丰度普遍比较高,但不同岩性有机质丰度差异大。
总体来看,油页岩、煤和炭质泥岩有机质丰度高,泥岩最低(表1)。
下侏罗统(J1)泥岩的有机碳含量(TOC,质量分数)、生烃潜量(S1+S2)、氯仿沥青“A”和总烃平均值分别为2.59%、5.31 mg/g、0.11%、495 μg/g,中侏罗统(J2)泥岩有机质丰度与下侏罗统比较接近。
煤的有机质丰度最高,其平均有机碳(TOC)是泥岩的17.4~20.6倍,S1+S2平均值是泥岩的16.8~17.5倍,氯仿沥青“A”是泥岩的7.3~ 10倍,总烃分别是泥岩的2.7~12倍;油页岩有机质丰度次之,其平均有机碳(TOC)是泥岩的4.4~10.5倍,S1+S2是泥岩的
8.3~25.2倍,氯仿沥青“A”是泥岩的1.9~97倍,总烃是泥岩的0.7~46倍;炭质泥岩有机质丰度也较高,其平均有机碳(TOC)是泥岩的4.5~8.1倍,S1+S2是泥岩的2.3~7.7倍,氯仿沥青“A”是泥岩的1.6~2.9倍,总烃是泥岩的1.0~2.6倍。
按照传统的评价标准,油页岩为很好烃源岩;泥岩以中等烃源岩为主,并存在一定数量的好烃源岩;煤和炭质泥岩一般为差-中等烃源岩[1,19,22]。
对炭质泥岩和煤的评价级别明显偏低。
柴达木盆地中下侏罗统源岩有机质类型以Ⅱ、Ⅲ型为主,少量为Ⅰ2型[21-24,29-
30]。
主要包括油页岩、泥岩、炭质泥岩和煤。
a. 油页岩油页岩形成于静水还原水介质,其有机质类型最好,一般为Ⅱ1型,显微组分[25]中腐泥组极其发育,平均含量(体积分数,下同)达45.7%,其次是镜质组,平均含量为26.5%,壳质组也比较发育,平均为21.2%,惰质组平均仅为
6.6%(图2)。
b.泥岩泥岩有机质类型总体较好,部分湖相暗色泥岩形成于深湖-半深湖还原环境,富含水生生物有机质,类型较好,可达Ⅰ2型—Ⅱ型,同时也有一定数量的源岩属于Ⅲ型,显微组分以镜质组为主,平均含量(体积分数,下同)达45.63%,腐泥组
含量次之,平均为33.73%,惰质组含量较少,平均13.39%,壳质组含量低,其
中主要是角质体和小孢子体,平均只有6.67%,沥青质体含量低,最高也只有
1.9%。
c.炭质泥岩炭质泥岩主要形成于湖沼或河沼相,以高等植物生烃母质为主,有机质类型总体较差,以Ⅲ型为主,少量可达Ⅱ型。
炭质泥岩显微组分以镜质组为主,平均含量为63%,其次为惰质组,其平均含量为20.5%,腐泥组和壳质组较少,平
均含量分别为10%和6.5%。
基本不含沥青质体。
d. 煤煤的形成环境与炭质泥岩相似,生烃母质以高等植物为主,有机质类型总体
较差,以Ⅲ型为主。
煤的显微组分中主要是镜质组(其中包括半镜质组)和惰质组,其含量最高达97.82%,腐泥组含量极低,最高也只有4.67%,平均低于1%,壳质组含量变化较大,并以孢子体、角质体和壳屑体为主,平均含量只有8.98%。
有机质类型的多样性决定了柴达木盆地侏罗系烃源岩既具有较大的天然气勘探潜力,也具有良好的生油条件。
根据井下和地表样品的实测数据统计,柴北缘侏罗系烃源岩镜质体反射率(Rran)变化范围在0.31%~1.65%,绝大部分处于0.5%~1.3%,属于低熟–成熟烃源岩[22-23,30]。
烃源岩成熟度主要受埋深控制,根据实测样品数据及侏罗系埋深预测,下
侏罗统生烃凹陷的主体主要发育高熟–过熟烃源岩,大部分地区烃源岩镜质体反射率Rran>1.5%,最高可达3.5%以上(图1),以生气为主。
中侏罗统主要位于山前,埋深较小,因此其烃源岩大部分处于成熟阶段,Rran为0.5%~1.5%,以生油为主。
柴达木盆地侏罗系烃源岩有机质类型的多样性导致生烃特征及生烃模式的差异性,在这方面前人进行了大量、系统的生烃热模拟实验[19,32],为全面、系统地分析
不同类型烃源岩之间生烃特征的差异性提供了可能,也为烃源岩生烃潜力定量评价奠定了基础。
2.4.1 热压模拟实验方法
实验仪器由反应釜、温控仪和热解气及凝析油收采分离系统3部分组成。
反应釜
采用大连自控设备厂生产的GCF-0.25L型反应釜, 设计压力19.6 MPa;温控仪,采用XMT-131 数字显示调节仪。
样品用量为煤10~20 g 、泥岩60~250 g , 颗
粒大小主要采用2.5~10 mm的样品,加水量为样品质量10%~50 %,模拟温度
为200℃、250℃、275℃、300℃、325℃、350℃、400℃、450℃和500℃共
9个温度点,加温时间为24 h[19,32]。
实验方法是将样品和去离子水加入到反应
釜中,密封后抽空,然后进行加温实验,待釜内温度降到200℃时开始排放气、
冷却、分离和计量。
模拟后的残样称重后进行有机碳、热解和反射率测定, 然后用氯仿抽提沥青“A”得到“残留油”。
2.4.2 不同类型烃源岩产烃率(单位有机碳)
源岩热压模拟实验表明,不同类型有机质生烃潜力、生烃模式差异较大
[1,19,32](图3)。
产油率受有机质类型控制,不同类型有机质最大产油率差异较大,最大可相差一个数量级。
Ⅱ1型有机质最高,最大产油率可达296.4~498.4
mg/(g·TOC)(每克有机碳),其次是Ⅱ2型有机质,最大产油率110.5~164.4
mg/(g·TOC),Ⅲ1型有机质最大产油率较低,为48.3~63.6 mg/(g·TOC),Ⅲ2
型产油率最低,仅为29 mg/(g·TOC);总产烃率虽然也受有机质类型影响,但不同类型有机质之间差异相对较小,最大相差3~4倍,Ⅱ1型有机质总产烃率为559~563 mg/(g·TOC),Ⅱ2型有机质总产烃率为230.2~356 mg/(g·TOC),Ⅲ型有机质总产烃率为164~312 mg/(g·T OC)。
按岩性来看,油页岩是最好的烃源岩,其最大产油率和总产烃率都是最高的,分别为498.4 mg/(g·TOC)和559 mg/(g·TOC);泥岩最大产油率在29~296.4 mg/ (g·TOC),平均为127.22 mg/(g·TOC),总产烃率在197~563 mg/(g·TOC),平均为346.6 mg/(g·TOC);炭质泥岩最大产油率为164.4 mg/(g·TOC),总产烃率为338 mg/(g·TOC);煤最大产油率和总产烃率较低,平均最大产油率为80.25 mg/(g·TOC),总产烃率为197.1 mg/(g·TOC)。
模拟结果反映出柴达木盆地侏罗系煤系烃源岩单位有机碳的最大产油率及总产烃率由高到低的顺序依次为油页岩、泥岩、炭质泥岩和煤,这与有机质类型及显微组分的分析结果是一致的。
3.1.1 评价方法
烃源岩生烃潜力评价本质上是对其生烃能力大小的评价,而生烃能力是由源岩的有机质数量(丰度)和有机质类型共同决定的。
烃源岩生烃潜力可以用每吨岩石最大产烃率(包括最大产油率和总产烃率)来表示,公式为
式中Qt0为单位源岩最大产烃率,包括最大产油率和总产烃率,mg/g;C0为源岩原始有机碳质量分数,%;LS为热模拟实验得到的源岩单位有机碳产烃率,包括最大产油率和总产烃率,mg/(g·TOC)。
单位源岩最大产烃率反映的是烃源岩在进入大量生排烃之前,即在未熟阶段所具有的生烃能力,避免了由于成熟度的不同导致同一类型的烃源岩生烃潜力的不一致。
单位源岩最大产烃率包括最大产油率和总产烃率,分别反映源岩的生油潜力和最终产气潜力。
从式(1)可以看到,生烃潜力由两个基本参数(原始有机碳含量和产烃率)共同决定,前者代表有机质丰度,后者代表有机质类型。
一般来说进行热压模拟的样品都是选取还未大量生烃的未熟烃源岩,模拟得到的生烃率基本可以代表该类源岩的原始生烃率。
而有机碳受成熟度影响较大,当成熟度较高时需要进行原始有机碳的恢复。
3.1.2 评价结果
按照式(1),利用柴达木盆地侏罗系烃源岩有机碳含量与生烃模拟数据,计算了不
同类型烃源岩单位岩石的最大产油率和总产烃率(表2)。
从表2来看,生烃潜力最大的烃源岩为油页岩,下侏罗统最大产油率和总生烃量分别135.2 mg/g和151.6 mg/g,中侏罗统最大产油率和总产烃率分别为61.2 mg/g和68.6 mg/g,中侏
罗统数值较低与样品大多采自地表露头有关;除油页岩外,其他几种烃源岩中,煤的生烃潜力好于炭质泥岩,炭质泥岩好于泥岩,这与塔里木盆地库车坳陷侏罗系煤系烃源岩分析结果一致[33-34]。
各类源岩中,泥岩生烃潜力最小,其最大产油率
和总产烃率分别为3.3~3.6 mg/g和8.98~9.7 mg/g。
从这个结果来看,炭质泥
岩和煤单位岩石的生烃潜力较大,其生烃潜力不容忽视。
为了更科学地评价各类烃源岩对油气成藏的贡献大小,对其各自的生烃总量和资源量进行了定量预测。
前已述及,不同类型烃源岩的分布及厚度主要受控于沉积环境,因此,根据中下侏罗统的沉积相图(图4),预测了各类烃源岩的分布面积和厚度。
湖相泥岩主要分布在半深湖和浅湖相带,其发育规模最大,分布面积为8 300
km2,平均厚度为450 m;其次为炭质泥岩,主要分布于与三角洲和滨湖相伴生
的沼泽环境,分布面积为4 200 km2,平均厚度为150 m;煤层主要形成于与河
流和三角洲相伴生的河沼和湖沼环境,分布面积为2 600 km2,平均厚度为50 m;油页岩形成于水流闭塞的湖湾,分布面积为1 800 km2,平均厚度为70 m。
在此基础上结合烃源岩的成熟度,运用单位岩石生烃率法计算了各类烃源岩的生烃量。
计算结果见表3。
结果表明,侏罗系各类烃源岩总生油量为537亿t,总生气量为
198.99万亿m3,其中泥岩、炭质泥岩、煤和油页岩对生烃总量(油气合计,按油
气当量计算)的贡献率分别为34.1%、44.8%、10.9%、10.2%。
炭质泥岩的发育
规模不是最大,但生油量和生气量都是最大的;其次是湖相泥岩,其生油量和生气量均位列次席;油页岩发育规模最小,但其生油量占总生油量的25.5%,位列第三;煤生油量相对较小,但生气量位列第三位。
泥岩、油页岩石油运聚系数取1%,天然气运聚系数取0.7%,考虑到煤和炭质泥岩的吸附性,煤、炭质泥岩石油运聚系数取0.8%,天然气运聚系数取0.65%。
据此换算油气资源量(表3),石油总资
源量为4.91亿t,天然气总资源量为1.33万亿m3,其中泥岩、炭质泥岩、煤和
油页岩对油气资源的贡献率分别为36.0%、41.7%、9.8%、12.4%。
与第三次资
源评价结果比较,石油资源量变化不大,天然气资源量大幅度提高(增加了3.8倍),据此确定了煤型气是侏罗系油气系统主要的勘探方向,坚定了在阿尔金山前带寻找大气田的信心,研究结果对东坪斜坡及尖北地区煤型气的勘探具有指导意义。
a.柴达木盆地侏罗系煤系烃源岩类型多样,主要包括暗色泥岩、炭质泥岩、油页岩和煤等,不同类型烃源岩,其有机质丰度、显微组分、有机质类型及生排烃模式等差异显著。
b. 单位岩石烃源岩最大产烃率(包括最大产油率和总产烃率)是煤系烃源岩生烃潜力评价的有效指标。
定量评价表明,柴达木盆地侏罗系煤系烃源岩中,炭质泥岩和煤单位岩石生烃潜力较大,是值得重视的好烃源岩之一。
c.生烃量和资源量定量预测结果表明,炭质泥岩对盆地侏罗系生烃总量和油气资源的贡献率分别达到44.8%和41.7%,整体提升了侏罗系煤系烃源岩的资源潜力,
特别是煤型气资源量大幅度提高,对柴达木盆地煤型气的勘探具有指导意义。
TIAN Guangrong,LI Hongzhe,BAI Yadong,et al. Classification and evaluation of the hydrocarbon generation potential of Jurassic coal
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