川西坳陷上三叠统烃源岩排烃特征与排烃史

陈冬霞黄小惠李林涛邓克张建华邱红

1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室 2.川庆钻探工程公司地球物理勘探公司物探研究中心

川西坳陷上三叠统烃源岩排烃特征与排烃史

陈冬霞1黄小惠2李林涛1邓克1张建华1邱红1

1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室 2.川庆钻探工程公司地球物理勘探公司物探研究中心

陈冬霞等.川西坳陷上三叠统烃源岩排烃特征与排烃史.天然气工业,2010,30(5):41-45.

四川盆地西部(简称川西)前陆盆地构造具有多期性,导致油气生成和聚集过程的复杂性,其中烃源岩排烃特征和排烃史的研究,对于明确油气成藏期,理清油气藏成因类型具有重要的意义。为此,应用排烃门限理论,利用生烃潜力法研究了川西坳陷上三叠统烃源岩的排烃特征和排烃史。结果表明:①川西坳陷上三叠统烃源岩在早侏罗世(J1)末期即开始进入排烃门限,晚侏罗世(J3)早期—中期开始进入排烃高峰期;②马鞍塘组—小塘子组烃源岩的排烃高峰期处于J3p—K,T3x3烃源岩排烃高峰期处于J3sn—J3p,T3x5烃源岩排烃高峰期处于 K1—K2;③川西地区不同层段不同地区进入排烃门限和排烃高峰期的时间存在差异:马鞍塘组—小塘子组和须家河组三段烃源岩,鸭子河地区排烃时间相对较早,马井、孝泉—新场—合兴场地区次之,大邑和丰谷地区较晚,须五段烃源岩在洛带排烃时间较早,马井、孝泉—新场—合兴场和丰谷地区次之,大邑地区和鸭子河地区最晚。

川西坳陷 晚三叠世 烃源岩 排烃门限 生烃潜力 排烃史 古地温特征 排烃高峰

川西坳陷位于四川盆地西部,西以龙门山前大断裂为界,东以龙泉山断裂为界,面积约为5×104km2。川西坳陷是典型的中生代以来发育的叠合盆地,构造运动的多期性不仅直接决定储层、圈闭的复杂性,也决定了烃源岩演化的复杂性,同时影响油气藏的成藏时期和油气的分布。前人关于川西坳陷深层上三叠统致密气藏的成藏期和成因类型进行过一系列研究,主要有3种观点,包括:“早成藏,后改造”,指印支期(三叠纪末期和侏罗纪末期)成藏,后期喜山运动天然气藏强烈改造[1-4],该观点强调部署中需同时兼顾古、今构造特征;“早期成藏,后期保存”,指燕山期(早白垩世—晚白垩世中期)为气藏形成的重要时期,这一观点强调成藏的早期性,提出部署中要找古圈闭[5-6];“先致密,后成藏”的深盆气藏成藏模式,指储层致密化发生在喜山运动的早中期,油气在储层致密后成藏,这一观点强调寻找储层的甜点[7-8]。毫无疑问,在成藏期和油气成因类型研究中的关键是烃源岩生排烃史的问题,关于川西生排烃史研究中,也存在“早期生排烃说”[9-11]和晚期生排烃说[1,6]两种分歧,且前人有关排烃期和排烃量的研究主要是基于利用生烃特征的研究结果,笼统地将生烃期视为排烃期。笔者应用排烃门限理论[12-13],专门研究烃源岩的排烃门限和排烃特征,目的是确定烃源岩的主要排烃期,为川西坳陷深层致密气藏成藏机理研究和勘探部署提供理论依据和实践指导。

1 研究方法及原理

1.1 排烃门限理论

庞雄奇[12-13]提出排烃门限理论,指出岩石在地史演化过程中生成的烃量满足了自身吸附、孔隙水溶、油溶和毛细管封闭等多种形式的存留需要,并开始以游离相大量向外排运时的地质条件称之为烃源岩排烃临界条件或排烃门限。排烃门限是排烃临界饱和度等排烃临界地质条件概念的完善和发展[12],其随烃源岩所在的区域地质条件(地史、热史)、生烃条件(母质丰度、类型和转化程度)、残留油气能力(吸附作用、毛细管封闭作用、水溶烃作用、油溶气作用)的不同而改变。烃源岩在未达到排烃门限之前,所生成的烃量未达到源岩残留烃临界饱和量,只能以水溶相和扩散相排烃;进入排烃门限以后,才能以游离相等多种形式排烃。排烃门限理论目前已被用来判别油气源岩、综合定量评价烃源岩、研究油气运聚机理与成藏模式。

排烃门限理论在逐步完善和发展中,逐渐形成了利用生烃潜力来研究排烃门限计算排烃强度及排烃量的方法。生烃潜力法是根据烃源岩中的有机质在生排烃前后质量不变的原理,依照烃源岩的生烃潜力在沉积剖面上的变化规律来研究烃源岩排烃特征的一种方法。利用烃源岩热解资料采用一个综合热解参数——生烃潜力指数[(S1+S2)/TOC]来表征烃源岩的生烃潜力。没有油气排出时烃源岩的生烃潜力称为原始生烃潜力;油气排出后,生烃潜力逐渐减小,称此时的生烃潜力为剩余生烃潜力。烃源岩的生烃潜力指数在演化过程中开始减小,表明有烃类大量排出,而开始减小时的埋深条件代表了烃源岩的排烃门限,此时的生烃潜力指数为烃源岩的最大生烃潜力指数。烃源岩最大生烃潜力指数与剩余生烃潜力指数的差值为排烃率(qe),即烃源岩达到排烃门限后单位有机碳排出的烃量(mg/g);Qe代表了烃源岩在地质热演化史过程中累积排出的烃量(图1)。

图1 生烃潜力法研究排烃特征概念模型图

1.2 计算排烃强度和排烃量的步骤

首先,大量收集研究区烃源岩的热解资料 S1、S2及对应的有机碳含量资料,作生烃潜力指数随深度变化的关系图,确定出烃源岩的排烃门限。其次,确定烃源岩在排烃门限之下不同深度的生烃潜力指数,并与最大生烃潜力指数值进行比较,确定出排烃率。在此基础上,通过对不同深度下排烃率与深度值进行回归

式中:Ekc为排烃强度,104t/km2;Z为埋深,m;Z0为排烃门限,m;qe(z)为单位质量有机碳的排烃率,mg/g; ρ(z)为烃源岩密度,g/cm3;TOC为有机碳百分含量,%;H为烃源岩厚度,m。处理,可求得烃源岩在不同演化阶段的排烃率。最后,在烃源岩排烃率这一关键参数已确定的条件下,结合烃源岩的厚度、有机质丰度及密度等资料,根据如下公式求出烃源岩的排烃强度和排烃量。将排烃强度进行面积积分,即可得到排烃量。

2 川西坳陷烃源岩排烃模型与排烃特征

川西坳陷碎屑岩领域烃源岩十分发育,以烃源岩为主的马鞍塘组、小塘子组、须三段和须五段的暗色泥岩厚度达几百米,须二段和须四段储层段内部也发育有有机质丰度较高烃源岩的夹层。前人已对川西地区的烃源岩地球化学特征进行了详细的研究[2,5,14]。

根据生烃潜力法确定排烃门限的方法原理,笔者在对川西坳陷系统的烃源岩系统取样的基础上,对金深1、洛深1、马深1、川鸭126、川鸭92、川鸭189、大邑1、大邑101、大邑2、大邑3、川孝565、川孝94、川绵39、川江566、川丰563等15口井345个样品进行了热解分析和有机碳含量分析,同时在中国石化西南油气公司研究院和中国石油西南油气田公司研究院收集了40口井1205个样点的热解数据,在数据分析的基础上,建立了川西坳陷须家河组主力烃源岩层的排烃模式图(图2～4)。在确定排烃门限的同时绘制了各套烃源岩的排烃特征图,包括各烃源岩层的排烃率、排烃速率和排烃效率图。

从图2～4可以看出:

1)川西坳陷上三叠统烃源岩分布广泛,各组段烃源岩排烃门限深度3200～3650m:马鞍塘组—小塘子组烃源岩为3650m;须三亚段烃源岩为3150m;须五亚段约为3200m。上三组段门限镜质体反射率对应分别为0.99%、0.95%、1.06%。由于各个地质构造单元的地温梯度不尽相同,因此各个地区排烃门限深度并非一个定值。

2)烃源岩在达到排烃门限后,随着埋深的增加排烃率呈现不断增大的规律性变化:由快速增大渐变为缓慢增大,最终逼近一定值。马鞍塘组—小塘子组烃源岩的排烃率为150mg/g;须三段为200mg/g;须五段为120mg/g。

3)排烃速率指单位体积烃源岩埋深增大100m期间排出烃量,10g/100m,反映地史过程中烃源岩的供烃强度,最大值对应着排烃高峰期。从特征图可以看出,川西坳陷总的烃源岩排烃高峰对应为埋深为4250m的时期:马鞍塘组—小塘子组为4800m的时期;须三段为3600m的时期;须五段为3700m的时期。

3 川西坳陷烃源岩排烃史

烃源岩生烃潜力曲线反映了在不同埋深条件下源岩的排烃特征,是各种地质因素作用结果的综合反映。在烃源岩的埋藏历史研究的前提下,结合研究区地温特征,可以根据生烃潜力曲线研究在各个埋藏时期烃源岩的排烃特征,圈定各个埋藏时期有效排烃的烃源岩范围,计算各个时期的排烃强度和排烃量(图5和图6),从而确定主要排烃期次以及不同时期的供烃中心。

图5 川西坳陷马鞍塘组—小塘子组烃源岩地质历史时期排烃强度等值线图

川西坳陷古、今地温场变化较大,今地温梯度平均为2.05℃/100m,古地温梯度平均为3.5℃/100m,较高的古地温梯度导致生、排烃作用时间较早,也是储层普遍致密化的重要原因。总的说来,川西坳陷烃源岩J1末期即开始进入排烃门限,J3早期—中期开始进入排烃高峰期,但不同层段不同地区进入排烃门限和排烃高峰期的时间不尽相同。马鞍塘组—小塘子组烃源岩的排烃高峰期处于J3p—K,T3x3烃源岩排烃高峰期处于J3sn—J3p,T3x5烃源岩排烃高峰期处于K1—K2。比较而言,鸭子河地区的马鞍塘组—小塘子组烃源岩排烃门限时间最早(J1末期),马井地区和孝泉—新场—合兴场地区进入排烃门限时间也较早(J1末期),大邑地区次之(约为J3早期),丰谷地区进入排烃门限时间较晚(J3中期)。须三段进入排烃门限的时间顺序与马鞍塘组—小塘子组具有相似的规律,即鸭子河地区的须三段进入排烃门限时间相对较早(J2末期—J3早期),马井、孝泉—新场—合兴场、大邑、洛带等地区排烃门限时间相近(J3早期),丰谷地区进入排烃门限时间较晚(J3中期)。但须五段进入排烃的时间顺序与马鞍塘组—小塘子组和须三段规律却不一致,表现为洛带地区进入排烃门限时间较早(J3末期),其次是马井地区(J3末期—K1早期),孝泉—新场—合兴场地区和丰谷地区时间较晚(K1早期),大邑地区和鸭子河地区最晚(K1早—中期)。

图6 川西坳陷上三叠统主力烃源岩地质历史时期排烃量图

前人研究的结果表明[14],马鞍塘组—小塘子组烃源岩在 T3x3末期开始生烃,大量生烃时间为J1—J2末期;须三段烃源岩 T3x5末期开始生烃,大量生烃时间为 K末期;须五段烃源岩J1—J2末期开始生烃,大量生烃时间为 K末期。对比前人对川西坳陷烃源岩生烃特征的研究,本次对排烃特征的研究结果表明,须家河组的排烃门限对应的深度和时间具有更深、更晚的特点。排烃特征研究的结果表明,对于川西深部须家河致密储层气藏而言,下部成藏组合(以马鞍塘组—小塘子组烃源岩为源,须二段为储集层)的主要成藏期应在晚侏罗世遂宁组之后,上部成藏组合(以须三段为源,须四段为储集层)的主要成藏期应在中侏罗世之后。

4 结论

1)利用生烃潜力法研究认为,川西坳陷上三叠统马鞍塘组—小塘子组烃源岩的排烃门限和排烃高峰分别对应于3650m和4800m;须三段烃源岩排烃门限和排烃高峰分别对应于3150m和3600m;须五段烃源岩的排烃门限和排烃高峰分别对应于3200m和3700m。

2)川西坳陷烃源岩J1末期即开始进入排烃门限, J3早期—中期开始进入排烃高峰期。马鞍塘组—小塘子组烃源岩的排烃高峰期处于J3p—K,T3x3烃源岩排烃高峰期处于J3sn—J3p,T3x5烃源岩排烃高峰期处于K1—K2。

3)川西地区不同层段不同地区进入排烃门限和排烃高峰期的时间存在差异,针对马鞍塘组—小塘子组和须三段烃源岩,鸭子河地区排烃时间相对较早,马井、孝泉—新场—合兴场地区次之,大邑和丰谷地区较晚;须五段烃源岩在洛带排烃时间较早,马井、孝泉—新场—合兴场和丰谷地区次之,大邑地区和鸭子河地区最晚。

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(修改回稿日期 2010-03-25 编辑 罗冬梅)

DOI:10.3787/j.issn.1000-0976.2010.05.010

Chen Dongxia,associate professor,was born in1974.She holds a Ph.D degree,being engaged in research of hydrocarbon pooling mechanism and distribution.

Add:No.18,Fuxue Rd.,Changping District,Beijing102249,P.R.China

Tel:+86-10-89734321 E-mail:lindachen@cup.edu.cn

Characteristics and history of hydrocarbon expulsion of the Upper Tertiary source rocks in the western Sichuan Depression

Chen Dongxia1,Huang Xiaohui2,Li Lintao1,Deng Ke1,Zhang Jianhua1,Qiu Hong1
(1.State Key L aboratory ofPetroleum Resource and Prospecting,China University ofPetroleum,Beijing102249,China;2.Sichuan Petroleum Geophysical Prospecting Company,Chuanqing Drilling Engineering Co.,L td.,CN PC,Chengdu,Sichuan610213,China)

NATUR.GAS IND.VOLUME30,ISSUE5,pp.41-45,5/25/2010.(ISSN1000-0976;In Chinese)

The foreland basin in the western Sichuan Basin has experienced multiple-stage tectonic movements,resulting in a complex process of hydrocarbon generation and accumulation.A study on the features and history of hydrocarbon expulsion is of great significance to defining hydrocarbon pooling stages and their genetic types.The hydrocarbon expulsion threshold theory and the hydrocarbon generation potential method are used to study the features and history of hydrocarbon expulsion of the Upper Tertiary source rocks.The following conclusions are obtained.①The source rocks in the western Sichuan Depression entered hydrocarbon expulsion threshold at the end of the Early Jurassic(J1),and reached peak hydrocarbon expulsion at the early-middle Late Jurassic(J3).②The source rocks in the Ma’antang-Xiaotangzi formations reached peak expulsion at J3p-K,while that of T3x3was at J3sn-J3p, and that of T3x5at K1-K2.③The source rocks in different intervals and different areas reached peak hydrocarbon expulsion at different times.The source rocks in the Ma’antang-Xiaotangzi formations and the third member of Xujiahe Formation in the Yazihe area reached peak expulsion relatively early,while those in the Majing,Xiaoquan-Xinchang-Hexingchang areas were relatively late, and those in Dayi and Fenggu areas were the latest.In contrast,the source rocks in the fifth member of the Xujiahe Formation reached peak hydrocarbon expulsion early in the Luodai area,later in the Majing,Xiaoquan-Xinchang-Hexingchang and Fenggu areas,and the latest in Dayi and Yazihe areas.

western Sichuan Depression,Late Permian,source rock,hydrocarbon expulsion threshold,hydrocarbon generation potential,hydrocarbon expulsion history,palaeogeothermal feature,peak hydrocarbon expulsion

book=41,ebook=552

10.3787/j.issn.1000-0976.2010.05.010

国家重点基础研究发展计划(973计划)(编号:2006CB202308)和国家自然科学基金项目(编号:40802029)。

陈冬霞,女,1974年生,副教授,博士;长期从事油气成藏机理和分布规律的研究工作。地址;(102249)北京市昌平区府学路18号中国石油大学资源与信息学院。电话:(010)897334321,13581885298。E-mail:lindachen@cup.edu.cn