南黄海盆地南五凹油气资源潜力再评价*
——基于生烃动力学数值模拟方法
2017-06-21仝志刚席小应
仝志刚 席小应 王 鹏 朱 雷
(1.中海油研究总院 北京 100028；2.中国石油大学(北京)地球科学学院 北京 102249)
南黄海盆地南五凹油气资源潜力再评价*
——基于生烃动力学数值模拟方法
仝志刚1席小应1王 鹏1朱 雷2
(1.中海油研究总院 北京 100028；2.中国石油大学(北京)地球科学学院 北京 102249)
南黄海盆地南部坳陷南五凹至今无商业油气发现，前人对其油气资源前景的评价也较差，而邻区与其地质背景相似的苏北盆地高邮凹陷截至2011年底已发现探明石油地质储量2亿t。为了进一步阐明南五凹的油气资源潜力，采用目前国际上通用的生烃动力学方法模拟烃源岩的生排烃史。通过烃源岩岩屑和原油沥青质样品的热模拟实验数据计算生烃动力学参数，并以原油储量的成熟度分布数据进行验证。研究结果表明，南五凹阜宁组烃源岩的生烃活化能仅为209 kJ/mol，低于典型湖相烃源岩的生烃活化能，烃源岩在低熟阶段就可以大量生烃，具有早生、早排的特点；南五凹的排烃量可达29.5亿m3，石油地质资源量约为2.7亿～4.1亿m3，资源潜力可与苏北盆地高邮凹陷媲美，下一步应选择汇油面积大、圈闭条件好的构造实施钻探。
南黄海盆地；南五凹；阜宁组；烃源岩；生烃动力学；活化能；成熟度；资源潜力
南五凹位于南黄海盆地南部坳陷，面积约1 800 km2，至今无商业油气发现。以往的研究对该凹陷油气资源前景评价较差，预测石油地质资源量仅为0.5亿～1.6亿t[1-3]，而且其生烃量计算采用氯仿沥青A法或者产烃率图版法，这些方法属于早期油气资源评价中使用的方法。氯仿沥青A法又称“残烃法”，其中生烃量计算的一个重要参数是排烃系数，而排烃系数的取值又有很大的不确定性[4-5]，故以此方法计算的生烃量存在很大的不确定性；产烃率图版法尽管考虑了烃源岩的热演化过程，但将实验室高温短时的数据直接应用到地质历史过程中，生烃量的计算结果会产生很大的误差[6-7]。本次研究从烃源岩的生烃动力学参数研究出发，在南黄海盆地南五凹首次采用目前国际上通用的生烃动力学数值模拟技术计算烃源岩的生烃量、排烃量，从而对南五凹的油气资源潜力有了新的认识。
1 生烃动力学参数选取
南五凹阜宁组阜二段和阜四段是主力烃源岩，均为咸水中深湖相沉积[8]，干酪根类型为Ⅰ—Ⅱ1型，以生油为主，所以采用开放体系的热解实验可以更为合理地分析烃源岩的生烃动力学参数[9-11]。岩心或岩屑是研究烃源岩的最直接样品，但受到样品代表性的影响，有时不能很好地代表主力烃源岩的特征。而原油沥青质的受热产物和受热过程中表现的特征均类似于干酪根[12-13]，从某种意义上说更能说明主力烃源岩的特性。如果是单一油源或油源相似，从原油沥青质分析得到的烃源岩生烃动力学参数更有代表性[14]。
1.1 热模拟实验分析
研究采用OGEⅡ(即油气评价工作站)进行恒速升温、开放体系的热模拟生烃实验，分别将样品在10、20、30、50 ℃/min的升温速率条件下从300 ℃加热到600 ℃，实时记录烃产量与加热时间，得到产烃率与温度的关系。该测试方法具有样品总量小(岩样>1 g、沥青质>100 mg即可)、实验周期短和数据连续性好等特点，特别适合海上低勘探程度的盆地缺乏大量的、高质量的烃源岩岩心或岩屑样品的情况。
分析样品来自与南五凹相邻的南四凹A井，该井在戴南组、阜四段和阜三段砂岩层段见到很好的油气显示，并且钻遇了阜四段优质咸水湖相烃源岩，干酪根类型主要为Ⅰ—Ⅱ1型，成熟度较低，可以用来做热模拟实验(表1)。其中，1～3号样品为阜四段岩屑中选出的块状泥岩，4～5号样品为阜四段上覆地层戴南组砂岩岩心中的原油沥青质(抽提物)，6～10号样品是阜四段深灰色泥岩岩屑可溶有机质中分离出来的沥青质。
尽管离散模型可以更好地与实测数据保持一致，但为了便于对比，本次研究采用高斯模型表示活化能分布。应用Zetaware公司的Trinity软件包，固定频率因子A为典型湖相烃源岩的频率因子，为2.44×1014/s，以不同升温速率下实测产烃率和温度数据为约束条件，模拟计算活化能E和Sigma值。高斯分布的活化能E值代表了烃源岩烃转化率为50%时的活化能，也就是生烃高峰期的活化能。Sigma值的大小决定了活化能分布范围的宽窄：Sigma值大，活化能分布范围宽，代表生烃开始早、结束晚，生烃持续时间较长；相反，Sigma值小，活化能分布范围窄，说明生烃开始晚、结束也早，生烃持续时间较短。
表1 南黄海盆地南四凹A井烃源岩样品信息Table 1 Source rock sample information of Well A， Nansi sag in South Yellow Sea basin
分析结果(表2)表明，南黄海盆地南部坳陷阜四段烃源岩的生烃活化能与原油沥青质的生烃活化能非常相近，二者平均活化能为209 kJ/mol，Sigma值为18,说明南黄海盆地南部坳陷阜宁组烃源岩的活化能低于典型湖相烃源岩(为221 kJ/mol)[15]，具有低熟生烃，早生、早排的特点(图1)。显然,在较低的热演化条件下，阜宁组烃源岩的生烃能力要高于典型的湖相烃源岩,其Sigma值大于典型湖相烃源岩(为3.9)[15]，活化能分布较宽，生烃持续时间相对较长。
表2 南黄海盆地南部坳陷阜四段烃源岩生烃动力学参数计算结果Table 2 Source rock kinetic parameters of Fusi Member of the southern depression in South Yellow Sea basin
图1 南五凹阜四段烃源岩和典型湖相烃源岩排烃曲线与有机质成熟度关系图Fig.1 Expulsion and maturity relationship map of the source rock of Fusi Member in Nanwu sag and the typical lacustrine source rock
1.2 分析结果检验
南黄海盆地南部坳陷南五凹与苏北盆地高邮凹陷石油地质条件非常相似[8,16],虽然南五凹至今尚无商业发现，但邻区高邮凹陷截至2011年底已发现探明石油地质储量2亿t。根据高邮凹陷原油成熟度进行的探明地质储量数据统计表明[16]，源自阜四段的原油储量中，成熟度为0.5% 表3 苏北盆地高邮凹陷不同成熟度原油探明地质储量统计Table 3 Reserves in place of the different maturity of Gaoyou sag in Subei basin 注：储量数据截至到2011年底，个别油田没有成熟度资料。 高邮凹陷的石油探明程度较高，有研究预测石油地质资源量近3亿t[17]，探明率约为67%,因此，可以把目前已发现的原油看成是高邮凹陷石油总资源量的一个随机子样集，探明原油的成熟度分布可以近似地代表整个凹陷原油的成熟度分布特征。高邮凹陷原油探明储量的成熟度分布特点说明阜宁组烃源岩确实在低熟阶段可以大量生烃，进一步验证了南五凹岩屑和原油沥青质热模拟实验的分析结果。 阜宁组烃源岩生烃活化能低的特点可能与阜宁组沉积期海水入侵、沉积环境“咸化”、含硫量增大有关。分析表明，邻区高邮凹陷三垛组、戴南组油藏原油含硫量0.7%～0.9%；阜宁组油藏的含硫量最高可达1.42%[18]，属于中等含硫原油(0.5%～2.0%)级别，有别于典型湖相原油的低含硫特征(<0.5%),这种中等含硫特征与海相泥岩相似。含硫量的增大有利于干酪根裂解生烃，使烃源岩的生烃活化能降低[15]。 受资源评价方法的局限，特别是自20世纪80年代至今在南黄海盆地南部坳陷南五凹没有钻井，一直认为南五凹的油气资源潜力有限。本次研究采用最新的、国际上流行的盆地模拟软件——Trinity软件包，在热演化的基础上利用生烃动力学模型，模拟烃源岩的生排烃史，从而获得了对南五凹油气资源潜力的新认识。 2.1 烃源岩热演化 盆地地热场在时空展布上是不同的，地温梯度的变化在平面上受控于沉积基底的埋深和软流圈顶界深度的变化，在时间上受控于构造演化。烃源岩热演化研究方法参见文献[19]。 南五凹3口钻井具有实测Ro和井底温度资料[20]。根据文献[21-22],利用校正后的地温和Ro数据做标定，模拟了这3口井的一维热演化史,进而分析了南五凹地温梯度的空间变化。南五凹现今地温梯度介于2.5～3.2℃/100 m,总体上凹陷沉积中心地温梯度低，凹陷周缘或凸起地温梯度高(图2)。南五凹地温梯度及其在平面上的变化规律与高邮凹陷相似[23]。 在此基础上模拟了主力烃源岩阜二段和阜四段的有机质成熟度，结果显示烃源岩的成熟度总体较低，具体表现为：阜二段底界烃源岩大部分面积处于低熟阶段(0.5% 图2 南五凹地温梯度展布图Fig.2 Geothermal gradient map of Nanwu sag 图3 南五凹阜二段底界烃源岩成熟度图Fig.3 Maturity map at the bottom of the Fuer Member in Nanwu sag 图4 南五凹阜四段底界烃源岩成熟度图Fig.4 Maturity map at the bottom of the Fusi Member in Nanwu sag 2.2 排烃史与油气资源潜力 南五凹阜宁组中深湖相“咸水”腐泥质烃源岩在盆地内分布广泛，在凹陷中心和缓坡带均有分布[8]。主力烃源岩阜四段平均有机碳为1.91%，氢指数为514 mg/g；阜二段烃源岩平均有机碳约为1.49%，推测其氢指数与阜四段相似[16]。排烃史模拟显示，阜宁组烃源岩以排油为主，阜二段烃源岩排油量为16.3亿m3，阜四段烃源岩排油量为13.2亿m3，合计排油量为29.5亿m3；阜二段和阜四段烃源岩均有2个排烃期，分别为古近纪和新近纪至现今(图5)，其中第2个排烃期均为主要排烃期，其排油量分别占各层段总排油量的71%和85%。可见，南五凹新近纪之前形成的构造更有利于烃类的聚集成藏。 资源量的预测采用排烃量乘以聚集系数的方法获得。由于南五凹与高邮凹陷在地质结构和石油地质条件上非常相似，所以聚集系数取自高邮凹陷的研究结果。高邮凹陷排油量为24亿t[24]，如果取原油密度为0.85 g/cm3，则折算成体积为28亿m3。南五凹的排油量为29.5亿m3，略大于高邮凹陷，如果以高邮凹陷石油聚集系数9%～14%[25]估算，南五凹石油地质资源量大约有2.7亿～4.1亿m3。可见，南五凹的油气资源潜力可与高邮凹陷媲美，至少可以发现2亿t石油,下一步应选择汇油面积大、圈闭条件好的构造实施钻探，争取早日获得突破。 图5 南五凹阜二段和阜四段烃源岩瞬时排油史图Fig.5 Oil expulsion rate map of the Fuer Member and Fusi Member in Nanwu sag 1) 在南黄海盆地南部坳陷南五凹首次采用目前国际上通用的生烃动力学数值模拟技术计算烃源岩的生、排烃量，获得了油气资源潜力的新认识。南五凹阜宁组烃源岩的生烃活化能约为209 kJ/mol，小于典型湖相烃源岩的生烃活化能221 kJ/mol，所以南五凹烃源岩具有低熟生烃，早生、早排的特点。南五凹的石油地质资源量最大可达4.1亿m3，可与苏北盆地的高邮凹陷媲美。由于烃源岩主要排烃期即新近纪以来排烃量大，因此该地区新近纪之前形成的构造更有利于烃类的聚集成藏，下一步应选择汇油面积大、圈闭条件好的构造实施钻探。 2) 为了客观地表征烃源岩的生烃过程，建议采用生烃动力学方法模拟恢复烃源岩的生烃史，其中生烃动力学参数的研究应尽可能采用烃源岩、原油沥青质样品进行热模拟实验分析，有条件的情况下利用原油储量的成熟度分布数据做检验，以减小研究结果的不确定性。 [1] 肖国林.南黄海盆地油气地质特征及其资源潜力再认识[J].海洋地质与第四纪地质，2002，22(2)：81-87.XIAO Guolin.Reassessment of petroleum geologic features and potential reserves in the south yellow sea basin[J].Marine Geology & Quaternary Geology，2002,22(2):81-87. 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(编辑：周雯雯) Reevaluation of hydrocarbon resource potential in Nanwu sag of the South Yellow Sea basin: based on the numerical modeling method of hydrocarbon generation kinetics TONG Zhigang1XI Xiaoying1WANG Peng1ZHU Lei2 (1.CNOOCResearchInstitute,Beijing100028,China; 2.GeosciencesCollege,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China) No commercial hydrocarbon is discovered till now in Nanwu sag of the southern depression in the South Yellow Sea basin, and the hydrocarbon resources potential evaluation is poorer by previous research.However, about 200 million tons oil reserves in place were discovered by the end of 2011 in Gaoyou sag of Subei basin, which is nearby the South Yellow Sea basin and both have the similar geological features.To further evaluate the resource potential in Nanwu sag more clearly, the generation kinetics model widely used internationally is adopted to simulate the generation and expulsion history of source rock, in which the parameters of the generation kinetics model are from Rock-Eval analysis of samples of the source rock and the asphaltenes, and are confirmed by the maturity distribution of reserves in place.Results show that the activation energy of the Funing source rock is 209 kJ/mol which is lower than typical lacustrine source rock, and hydrocarbon can be generated in lower maturity.The Funing source rock has the characteristics of early generating and expelling.The oil expulsion amount is up to 2 950 million m3, and the resources of oil in place is about 270 million～410 million m3, which is comparable with that of Gaoyou sag.Next step wells should be drilled in the prospects with larger hydrocarbon accumulation area and better trap conditions to get commercial discovery much early. South Yellow Sea basin; Nanwu sag; Funing Formation; source rock; hydrocarbon generation kinetics; activation energy; maturity; resource potential 仝志刚：男，高级工程师，毕业于中国地质大学(北京)，获博士学位，主要从事盆地分析与模拟工作。地址：北京市朝阳区太阳宫南街6号院(邮编：100028)。E-mail:tongzhg@cnooc.com.cn。 1673-1506(2017)01-0023-06 10.11935/j.issn.1673-1506.2017.01.003 仝志刚,席小应,王鹏，等.南黄海盆地南五凹油气资源潜力再评价——基于生烃动力学数值模拟方法[J].中国海上油气，2017,29(1)：23-28. TONG Zhigang,XI Xiaoying,WANG Peng,et al.Reevaluation of hydrocarbon resource potential in Nanwu sag of the South Yellow Sea basin: based on the numerical modeling method of hydrocarbon generation kinetics[J].China Offshore Oil and Gas,2017,29(1):23-28. TE121.1+5 A 2016-07-01 改回日期：2016-09-07 *“十二五”国家科技重大专项“近海富烃凹陷资源潜力再评价和新区、新领域勘探方向(编号：2011ZX05023-001)”部分研究成果。
2 油气资源潜力分析
3 结论及建议
