临兴地区上古生界煤系烃源岩评价及排烃特征

刘 玲，王 烽，2，汤达祯，许 浩

(1.中国石化石油勘探开发研究院，北京 100083；2.中国石化油田勘探开发事业部，北京 100728；3.中国地质大学(北京)，北京 100083)

0 引 言

近年来，深部煤系非常规天然气勘探开发已受到国内外学者高度关注[1]。临兴地区煤层气总资源量为816×108m3[2]，已有多口井钻遇致密砂岩气层，太原组及下石盒子组致密砂岩气层测试均见工业气流，显示出良好的勘探开发前景[3]。与鄂尔多斯盆地区域条件类似[4-7]，临兴地区上古生界烃源岩主要为石炭系太原组—二叠系山西组煤系地层，是天然气聚集成藏的物质基础。目前，许多学者已对整个鄂尔多斯盆地东部上古生界煤系烃源岩的分布及生排烃特征进行了研究，并取得了一定成果[8-9]，但临兴地区由于出露32.6 km2的紫金山碱性杂岩体，岩体对多种能源矿产的形成、改造具有重要作用[10]，且该区勘探开发历程较短，于2013年底才完成1 359.52 km2二维地震勘探资料采集，现研究集中于临兴中部致密砂岩气资源潜力、储层地质条件、储层主控因素及成藏条件分析[2-3，8，11-12]，对煤系烃源岩分布、地球化学特征、生排烃潜力及不同层组生排烃差异缺乏系统研究，在一定程度上制约了临兴地区煤系致密砂岩气的高效勘探开发。在前人研究成果基础上，利用钻井及分析化验资料，分析了研究区煤系烃源岩的分布及有机地球化学特征，剖析了排烃规律，以期准确评价及预测烃源岩，进而指导勘探开发工作。

1 研究区地质背景

临兴地区位于鄂尔多斯盆地东缘河东煤田中部、山西省西部临县和兴县境内，西靠黄河，东邻吕梁山脉，由北部杨家坡、中部康宁及南部兔坂区块构成，构造上位于鄂尔多斯盆地晋西挠褶带，为北东—南西向单斜，构造活动微弱，断裂较不发育。研究区出露一个NW—SE向展布的环状侵入紫金山碱性杂岩体，面积为32.6 km2，具有多阶段、多期次、多岩性特征。自中三叠世以来有3期热力作用，晚侏罗世—早白垩世是岩浆活动和热力作用最强烈时期，对鄂尔多斯盆地东缘多种能源矿产的形成及改造具有重要作用[10，13]。烃源岩主要为上古生界太原组(P1t)及山西组(P1s)的煤、暗色泥岩和炭质泥岩，其中，石炭系太原组(P1t)为陆表海沉积，海水自东南方向侵入[14]，岩性以砂泥岩为主，夹有泥灰岩和薄煤层；二叠系山西组(P1s)为浅水湖泊三角洲沉积，岩性以深灰色至灰黑色泥岩、炭质泥岩、煤层及灰色的砂岩、粉砂质泥岩为主[15-16]。

2 煤系烃源岩评价

2.1 煤系烃源岩分布

太原组烃源岩平均厚度为47.52 m，其中，煤层厚度为0.89～21.80 m，平均为10.12 m；暗色泥岩及炭质泥岩厚度为17.70～79.09 m，平均为37.40 m，受东南方向侵入的陆表海影响，太原组灰岩发育，且主要分布于研究区西南兔坂区块，烃源岩厚度自西向东逐渐增厚，西南兔坂区块由于发育多套灰岩，其烃源岩厚度小于北部杨家坡区块。山西组烃源岩平均厚度为96.72 m，其中，煤层厚度为0.00～15.50 m，平均为6.00 m；暗色泥岩及炭质泥岩厚度为41.48～127.70 m，平均为96.53 m，平面上，烃源岩分布较广，且大部分地区烃源岩厚度均大于100.00 m，厚度自西向东呈减薄趋势(图1)。相对于太原组，山西组煤系烃源岩较为发育，其平均厚度基本为太原组的2倍，但山西组煤层厚度明显小于太原组，这是由于山西组是区域海退背景下的浅水湖泊三角洲平原亚相沉积，相对于太原组的陆表海沉积，泥炭沼泽较不发育，但分流间湾泥岩发育。

2.2 煤系烃源岩地球化学特征

有机质丰度代表岩石中有机质的相对含量，是烃源岩生烃潜力评价的有效指标[16]。临兴地区太原组—山西组煤岩有机碳含量较高，有机碳质量分数(WTOC)平均为65.89%，有机质丰度好；炭质泥岩和暗色泥岩WTOC稍差，平均值分别为5.63%和4.14%，有机质丰度为中等—好。有机质类型控制着生烃数量、生烃类型、成油(气)门限值及成烃形态(油、凝析油或气)，不同类型有机质生气潜力不同[17]。临兴地区太原组—山西组绝大部分样品为Ⅱ2—Ⅲ型干酪根，少量样品为Ⅱ1型干酪根，Ⅰ型干酪根不发育，是以生气为主的腐泥腐殖型—腐殖型(图2)。根据干酪根组成分析，太原组—山西组煤岩均为Ⅲ型干酪根，分别占20.00%和22.22%。暗色泥岩和炭质泥岩干酪根类型较多，包括Ⅱ型和Ⅲ型，且不同层组暗色泥岩和炭质泥岩的干酪根类型及含量差异较大，山西组暗色泥岩和炭质泥岩主要为Ⅲ型干酪根，占66.67%；Ⅱ2型干酪根较少，仅占11.11%；不发育Ⅱ1型干酪根。太原组暗色泥岩和炭质泥岩发育Ⅱ1型干酪根，为26.67%，Ⅱ2型干酪根占20.00%；对于山西组，Ⅲ型干酪根含量较少，为33.33%。从太原组到山西组，Ⅲ型干酪根所占比例逐渐增大，Ⅱ2和Ⅱ1型干酪根所占比例逐渐减小。分析认为，这种差异主要是由沉积环境造成的，太原组Sr、Ba含量的比值(ωSr/ωBa)平均为0.85，小于正常海水中ωSr/ωBa比值，说明其水体介质以海水为主，但已受到陆源碎屑注入的影响，这种环境通常发育菌藻类为主的生烃母质，即Ⅱ1型和Ⅱ2型干酪根，同时发育部分陆源高等植物，即Ⅲ型干酪根；山西组为浅水湖泊三角洲沉积，ωSr/ωBa平均值为0.59，为半咸水—淡水，烃源岩有机质主要为陆源高等植物，为Ⅲ型干酪根。从太原组至山西组，ωSr/ωBa逐渐减小，是一个海退、陆源高等植物增多的沉积过程，这与该区干酪根类型从下至上，Ⅲ型干酪根所占比例逐渐增大，Ⅱ2和Ⅱ1型干酪根所占比例逐渐减小的变化趋势相吻合，说明沉积环境控制了有机质类型及分布。

图1 临兴地区煤系烃源岩厚度等值线

图2 热解氢指数与最高热解峰温关系

有机质成熟度决定烃源岩成烃转化率。根据Tmax-Ro交会图，太原组—山西组有机质主要为高成熟，部分为过成熟(图3a)。Ro变化较大，最小为0.960%，最大为4.886%，随深度变化规律不明显，F井在2 100.00 m附近出现了Ro高于2.000%的样品点，J井在1 850.00 m附近也出现了Ro值大于3.000%的样品点，这与该深度点实际的Ro值不相符。分析认为，异常高的Ro是由岩浆活动造成的。岩石薄片鉴定资料显示，J井在1 846.96 m处发育凝灰岩经变质结晶作用形成的变闪长玢岩；H井太原组地层发育蚀变晶屑凝灰岩，可见后期石英岩脉穿插或充填裂隙中，这些均是研究区曾发生火山喷发活动的重要证据。

以太原组为例，Ro围绕紫金山岩体呈环带状分布，研究区中部及西南邻近紫金山岩体，Ro值大于1.000，呈高值区；研究区北部离紫金山岩体较远，Ro值小于1.000，为0.680～0.880，呈低值区，说明紫金山碱性杂岩体在很大程度上影响着临兴地区有机质成熟度，越靠近紫金山碱性岩体，有机质成熟度越高(图3b)。

图3 有机质成熟度分析

3 煤系烃源岩排烃特征及控藏作用

3.1 排烃特征

烃源岩排烃研究方法包括模拟实验法、化学动力学法、物质平衡法等[18-21]，由于上述方法存在一定不足[22]，为更合理地评价烃源岩，在热解数据分析基础上，根据排烃门限理论[23]，采用生烃潜力法建立了临兴地区上古生界太原组—山西组排烃模式图(图4)。由图4可知，太原组和山西组的排烃门限分别为1 810 m和1 650 m，最大排烃率分别为150 mg/g和72 mg/g。太原组煤系烃源岩埋深1 890 m时达排烃速率高峰，为0.28 mg/(g·m)，埋深为2 100 m时排烃效率为60%；山西组烃源岩埋深为1 770 m时达到排烃速率高峰，为0.48 mg/(g·m)，埋深为1 950 m时排烃效率为48%。从排烃效率模拟结果看，烃源岩埋深越大，其排烃效率也越高，太原组的排烃效率优于山西组。

3.2 排烃强度及控藏作用

根据各目的层有机质烃源岩的排烃模式，结合烃源岩的空间展布及烃源岩参数，可计算出各目的层的排烃强度，对排烃强度进行面积积分便可计算出排烃量。以山西组为例，临兴地区晚侏罗世到早白垩世，受构造热事件的影响，烃源岩有机质热演化已进入成熟—高成熟阶段，处于生烃高峰期，区内生气强度普遍大于20×108m3/km2，具有“大面积广覆式生烃”特点，总体呈现出西高东低、北高南低的特点，且临兴地区西南兔坂区块的生气强度优于中部自营区块(图5a)。排烃强度控制着煤系致密砂岩气的气藏范围，平面上，山西组差气层—气层厚度自西向东、从北向南减薄(图5b)，生烃强度大的区域差气层—气层厚度也大，如研究区北部B井发育一套10 m以上的差气层—气层，该区也处于强生气区，生气强度大于40×108m3/km2；在西南兔坂区块，差气层及气层总厚度大于8 m以上，其生气强度为26×108m3/km2。对生烃强度采用面积积分，获得了太原组和山西组煤系烃源岩的总排烃量分别为224.90×1012、208.78×1012m3，太原组的总排烃量略大于山西组，对临兴地区上古生界致密砂岩气藏的形成贡献较大。

图4 临兴地区太原组—山西组排烃模式

图5 临兴地区山西组生烃强度及差气层—气层分布

4 结 论

(1) 临兴地区上古生界煤系烃源岩主要为上石炭统太原组及下二叠统山西组煤岩、煤系暗色泥岩及炭质泥岩，太原组为陆表海沉积，灰岩发育，受灰岩影响，烃源岩总厚度由西向东逐渐增厚；山西组为浅水湖泊三角洲沉积，相比于太原组，煤系烃源岩厚度大，尤其是泥岩厚度，远大于太原组，烃源岩总厚度由西向东逐渐减薄，。

(2) 研究区煤系烃源岩有机质丰度中等—好；有机质类型主要为Ⅲ型，其次为Ⅱ2型，少量Ⅱ1型，Ⅱ1型仅发育于太原组，从太原组到山西组Ⅲ型干酪根所占比例逐渐增大，Ⅱ2和Ⅱ1型干酪根所占比例逐渐减小；受紫金山碱性杂岩体影响，有机质成熟度较高，处于高成熟—过成熟生气阶段，Ro围绕岩体呈环带状分布，离岩体越近，Ro值越大。

(3) 临兴地区上古生界太原组和山西组排烃门限分别为1 810、1 650 m，太原组排烃效率优于山西组，区内生气强度普遍大于20×108m3/km2，呈现西高东低、北高南低、“大面积广覆式生烃”特点，排烃强度控制气藏范围，排烃强度大的区域气层发育；山西组总排烃量为208.78×1012m3；相比于山西组，太原组的总排烃量略大，为224.90×1012m3，对上古生界气藏形成贡献较大。

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