黔南坳陷下石炭统摆佐组暗色页岩热演化与生烃史研究

宋颖睿，侯宇光，刘宇坤，何 生，范志伟，梁雅琪，3

(1. 中国地质大学 构造与油气资源教育部重点实验室，武汉 430074；2.中国石化 勘探分公司，成都 610041； 3.湖北省地质实验测试中心，武汉 430034)

成熟度是评价页岩有机质生烃能力的重要参数，随着页岩气研究的深入，研究者发现页岩所经受的热演化历史对页岩储层孔隙的发育、富集和破坏有着重要的影响。研究认为，当Ro达到0.6%～0.8%时有机质孔隙开始发育[1-2]；有机质孔隙的形成演化与生烃高峰期均随着成熟度的增加发生协同变化，当有机质生烃能力枯竭、油气二次裂解结束，有机质孔隙度也随之降低[3-4]；当Ro超过3.5%之后，受有机质碳化和后压实作用影响，页岩储层遭受破坏，含气性急剧降低[5]。页岩气勘探实践表明，适当的热演化程度(Ro=1.3%～2.5%)是页岩气富集和保存的重要条件之一[6-7]。因此，恢复页岩的埋藏—热演化历史对评价页岩气生烃历史、储集能力和含气性有着重要的意义。

中国南方石炭系以海陆过渡相沉积为主，具有有机质丰度中等、累计厚度大、单层厚度小、分布局限的特征，是潜在的页岩气勘探层系之一[6,8]。本文以黔南坳陷AS-1井为例，运用盆地模拟技术，重建石炭系摆佐组页岩埋藏—热演化—生烃历史，研究成果对明确石炭系摆佐组页岩的页岩气勘探潜力、深入开展储集能力和含气性评价均具有实际意义。

1 区域地质概况

黔南坳陷的大地构造位置处于扬子古板块的西南边缘(图1)，是以晚元古代晚期变质岩系为基底，经历了多期成盆、海陆转换形成的残留洋盆地[9-10]。黔南坳陷的西北侧以贵阳—镇远断裂为界与黔中隆起相接，东部与雪峰山隆起以铜仁—三都断裂为界，西南以紫云—罗甸—南丹—都安断裂为界并与罗甸断坳为邻，东南侧与桂中坳陷以荔波断裂为界[9-10]。黔南凹陷从下至上发育了下古生界、上古生界、中新生界3大构造层,并可以划分为“三凹一凸一断阶”5个次级构造单元，它们是安顺凹陷、长顺凹陷、黄平浅凹、独山鼻状凸起和贵定断阶(图1)。NNE-近SN、NW、NEE-近EW向3组规模不等的断裂体系贯穿了整个黔南坳陷[9-12]。

图1 黔南坳陷区域构造单元划分

黔南坳陷在元古代基底形成之后，经历了晚震旦—中奥陶世雪峰西缘被动大陆边缘裂陷盆地、晚奥陶世—志留纪前陆盆地、泥盆纪—中三叠世扬子古陆西南陆缘裂陷盆地、晚三叠—早侏罗世前陆盆地和晚侏罗世—现今陆内改造盆地等5个演化阶段[9-10]。坳陷内沉积岩厚度大于13 500 m，主要发育震旦系至三叠系海相地层。发生在二叠纪末期的东吴运动、中三叠世末期的印支造山运动和中侏罗世后的燕山—喜马拉雅运动，使得黔南坳陷遭受了强烈的变形、抬升和剥蚀。构造变形强度由西向东逐渐加强，出露的地层逐渐变老，坳陷中东部主要为石炭—寒武系，西部出露二叠—三叠系。

黔南坳陷油气显示丰富，油气苗和沥青点合计160余处，主要分布于构造活动较强的东北部凯里一隅，以及坳陷北部边缘一线[13]。受地层出露控制，研究区主要油气苗和沥青主要产出于奥陶和志留系及三叠系地层。经前人研究，该地区已发现特大麻江古油藏、凯里残余油气藏等[12,14]。出露的二叠—石炭系的油气显示较少，但据李梅等[15]统计表明：二叠系贵定闻江寺剖面、石炭系平塘甘塞卡洛剖面均有油气显示的痕迹。多年的勘探实践表明，油气苗显示活跃的地区，往往构造活动强烈，油气保存条件差[16]。位于坳陷西部的安顺凹陷，构造变形强度弱，地表油气显示少，沉积盖层厚度大，具有相对较好的保存条件，且有机质生烃强度大，是油气勘探的有利区[17-19]。

2 页岩地球化学特征

AS-1井位于安顺凹陷的普定复向斜带，其中下石炭统摆佐组和二叠系龙潭组是主要的暗色有机质页岩发育层。摆佐组分布于4 017～4 705.5 m之间，厚约为688.5 m；上部主要为灰黑色钙质页岩、钙质泥岩和泥质灰岩，中部主要由灰色灰岩、泥质灰岩、泥灰岩和深灰色灰质泥岩组成，下部主要为深灰色、灰色灰岩、含泥灰岩和泥质灰岩。摆佐组单层泥页岩厚度在1～11 m之间，平均厚度为3.83 m，总厚度为84.3 m。上覆岩层为石炭系中统黄龙组，下伏岩层为石炭系大塘组。

通过对AS-1井摆佐组17个页岩样品有机地球化学数据的统计分析显示(表1)：有机碳含量分布在0.28%～2.26%之间，平均0.874%，大于0.5%的样品占64.71%，大于2.0%的占5.88%；生烃潜量(S1+S2)为0.09～1.57 mg/g，平均为0.508 mg/g；氯仿沥青“A”为0.0053% ～0.1490%。据胡见义等[20]、秦建中等[21]提出的烃源岩有机质丰度评价标准，如AS-1井摆佐组的有机碳含量和生烃潜量交会图(图2)所示，摆佐组页岩绝大部分属于差—中烃源岩。整体上，摆佐组泥页岩具有相对较高的有机质丰度和较低的生烃潜力。

表1 黔南坳陷AS-1井摆佐组暗色页岩基本地球化学特征参数

AS-1井摆佐组7个样品，镜质体反射率值(Ro)分布在1.77%～2.02%之间；H/C原子比值极低，分布在0.07～0.03之间；Tmax为381～510 ℃。说明该组已经经历过深成阶段后期到准变质阶段。因此，利用AS-1井摆佐组岩石热解和干酪根元素分析已无法有效地判断有机质类型及其成熟度信息(图3)，同样佐证了摆佐组页岩已经到达了高—过成熟阶段。从干酪根的显微组分分析显示(表1)，摆佐组页岩的有机质类型是以Ⅱ1和Ⅱ2混合型为主。

3 页岩埋藏—热演化—生烃史模拟

3.1 模型选择及参数选取

图2 黔南坳陷AS-1井摆佐组生烃潜量(S1+S2)与TOC关系

黔南坳陷在泥盆纪—中三叠世属于扬子古陆西南陆缘裂陷盆地,故选用稳态热流模型进行区域热流史恢复。有机质成熟度计算采用目前较为流行的EASY%Ro模型[22-23]。模拟过程所需的资料有：(1)地层岩性信息，来源于研究区钻井的岩性录井资料；(2)地层分层及厚度，来源于钻井分层资料；(3)地层剥蚀厚度，根据镜质体反射率差值法和追溯对比前人资料所得；(4)地温梯度及大地热流值，追溯前人资料所得；(5)摆佐组的烃源岩地球化学参数。

安顺地区所在地区处于北纬26.14°东经105.55°。根据前人对大地热流值的测定，参考袁玉松等中国南方大陆地温梯度图、中国南方大陆大地热流图[24]，以及汪洋等编制的中国大陆大地热流图[25]，可得黔南坳陷现今地温梯度大致为25 ℃/km较为合理，大地热流值的变化范围约为40～45 mW/m2。

图3 黔南坳陷AS-1井摆佐组泥页岩有机质类型划分

3.2 重要剥蚀期及剥蚀厚度的恢复

黔南坳陷主要经过了东吴运动和印支运动以来的2个重要的剥蚀期。

3.2.1 东吴运动

在AS-1井可见到二叠系茅口组与龙潭组之间发育明显的玄武岩，是沉积间断和发生构造运动的重要标志。何斌等[26]在对东吴运动性质的厘定及其时空演变规律中指出，黔南坳陷上扬子茅口组不仅存在差异剥蚀，且在贵州和广西地区发育有古风化壳带，这再次证明了东吴运动确为一次实际存在的构造运动。翻阅前人文献，并未有文献确切指出东吴运动在AS-1井位的剥蚀厚度，故参考朱传庆等[27]对四川盆地及其周边东吴运动时期剥蚀量的研究成果，并结合东吴运动在黔南坳陷西北部的剥蚀量大致为500～700 m，本文于此处取值500 m进行一维盆地模拟的恢复。

3.2.2 印支期—燕山—喜马拉雅期

通过对AS-1井摆佐组进行镜质体反射率差值法恢复，可得到该期运动的地层剥蚀厚度约为4 750 m(图4)。李梅等[14]对黔南桂中坳陷及周缘燕山—喜马拉雅期剥蚀厚度研究成果也表明，研究区的剥蚀厚度约为4 500～5 000 m。李双建等[28]对黔南坳陷东部独山鼻状凸起的北部凯里地区洛棉(LM)剖面进行磷灰石裂变径迹年代学分析结果也显示，该期的剥蚀厚度大于4 360 m。并且，基于磷灰石封闭径迹长度及磷灰石表现年龄来确定的剥蚀次数及剥蚀时间的关系表明，凯里地区至少经历了1次以上的剥蚀降温—埋藏增温的历史，且至少在过程中受到了1～2次热事件的干扰。

黔南坳陷的主要构造格局在燕山期初步形成，在喜马拉雅早期受到东西方向的挤压应力场强烈改造并定形[12]。这说明虽然黔南坳陷在不同构造运动中均受抬升剥蚀作用，但因其受到的挤压应力的不同，故黔南坳陷的抬升速率和剥蚀速率都有所变化，再结合李双建等[28]凯里洛棉剖面志留系磷灰石裂变径迹的热史模拟结果，对黔南坳陷AS-1井的地层缺失剥蚀速率及快慢进行综合分析。现将AS-1井印支期—燕山—喜马拉雅期以来的抬升剥蚀过程划分为“慢—快—慢—快”4个阶段，即：200～115 Ma之间，剥蚀速率较小，剥蚀厚度约1 040 m；115～78 Ma之间，剥蚀速率较大，剥蚀厚度约1 120 m；78～45 Ma时，剥蚀速率较小、且持续时间短，剥蚀厚度仅为390 m；在45 Ma以来，摆佐组经历了较为快速的抬升和剥蚀，剥蚀厚度约为2 200 m。

3.3 埋藏—热演化史特征

如图5b所示，单井模拟的地层温度和成熟度曲线与实测地温和镜质体反射率较为吻合，说明选用的模型和参数具备可行性，模拟结果较为合理。

单井一维埋藏史模拟结果表明(图5)，研究区经历了2次抬升剥蚀的过程，在约269 Ma时经历了第一次短暂的抬升剥蚀，随即在约261～196 Ma 时存在的快速沉降之后，经历了印支—燕山—喜马拉雅期的长期抬升剥蚀。摆佐组的最大埋深可达9 000 m，对应的最高温度约为200 ℃，从其热演化—成熟史可知，摆佐组从中石炭世(约312 Ma)开始进入生烃门限，门限深度约为2 300 m，门限温度约为90 ℃；在早—中二叠世(约278 Ma)时候达到中等成熟阶段，对应深度约为3 300 m，温度约为117 ℃；在晚二叠世时达到晚期生油阶段，此时深度约为4 400 m，温度约为145 ℃；在早三叠世(约238 Ma)进入过成熟阶段，埋深约为4 950 m，温度约为162 ℃[29]。

3.4 生烃史特征

图5 黔南坳陷AS-1井摆佐组埋藏史—热演化史模拟结果

图6 黔南坳陷AS-1井摆佐组底部页岩生烃速率和生烃史模拟

基于AS-1井的埋藏热演化史模拟，采用生烃速率和生烃率来反映AS-1井摆佐组底界的生烃演化过程。如图6所示，摆佐组泥页岩早期以生油为主，中—晚期则以生气为主，这与有机质类型多为Ⅱ型，以及中晚期进入过成熟阶段相关。

从碳氢化合物产率演化过程可以看出，摆佐组泥页岩主要存在2个油气生成阶段。(1)生油过程：第一个阶段发生在大约距今291～270 Ma，是摆佐组主要生油期，生油率从大约0.5 mg/(g·Ma)增加到21.3 mg/(g·Ma)，之后又迅速降低；第二个阶段发生在东吴运动之后，距今260～246 Ma，其生油率大约从0.5 mg/(g·Ma)升高到9 mg/(g·Ma)，最高的生油量可达约350 mg/g，总生油量相对较低，生油速率亦远不及第一阶段。在此之后，进入高温裂解生气阶段。(2)生气演化：早期生气阶段大约发生在308～270 Ma，生气率从大约0增加到4 mg/(g·Ma)，主要产物为生物气—湿气；在东吴运动之后，摆佐组进入重要的高温裂解生气阶段，距今262～208 Ma之间，其生气率从大约0.1 mg/(g·Ma)迅速升高到13 mg/(g·Ma)，总生气量约为240 mg/g。在发生于196 Ma以来的印支—燕山—喜马拉雅运动导致的区域构造抬升之前，摆佐组泥页岩已经结束了生烃过程[29]。

3.5 油气地质意义

从AS-1井摆佐组页岩的烃源条件来看，17个页岩样品整体上具有较高的有机质丰度和较低的生烃潜力，其有机质类型是以Ⅱ1和Ⅱ2混合型为主。前人研究表明，黔南坳陷及周缘白虎坡剖面及平塘甘寨的摆佐组页岩有机碳含量为1.12%～10.90%(平均为2.79%)，有机质类型以Ⅰ型为主，Ro为1.71%～2.22%[30]；黔北台隆六盘水断陷晴页2井下石炭统旧司组页岩TOC含量为0.60%～5.76%(平均为1.79%)，有机质类型以Ⅱ型为主，成熟度高达4.43%[31]。结合前人对邻近地区石炭系页岩综合分析可知，黔南坳陷下石炭统泥页岩具备较好的烃源条件，但不同地区具有较强的非均质性。

从AS-1井反映的黔南下石炭统泥页岩的生烃过程及生烃强度来看，摆佐组泥页岩主要存在2个油气生成阶段。摆佐组的主要生油期开始于中石炭世，主要生油期为中二叠世，持续到早三叠世结束；主要的生气期开始于中二叠世，主要生气期为中三叠世，持续到中侏罗世结束。但摆佐组的碳氢化合物生成量相对较低，总生油量可达约350 mg/g，总生气量约为240 mg/g。从非常规油气角度而言，较高的热演化程度使得其经历了完整的先生油再裂解生气的过程，可为页岩储层提供充足的天然气，而且在干酪根和油裂解生气的过程中会产生大量的有机质孔隙，为天然气提供必要的存储空间[32]。

从黔南下石炭统摆佐组的油气储存和破坏来看，上石炭统及二叠系、三叠系为烃源岩盖层，为烃源岩的储存提供了必要的条件。但除了二叠系发育一定厚度的碳质页岩之外，其他盖层岩性主要是以碳酸盐岩为主，封闭条件相对较差。且自早侏罗世以来的长期构造抬升剥蚀，对储层中油气起到了一定的破坏作用。

4 结论

(1)黔南坳陷AS-1井石炭系摆佐组页岩已经达到高—过成熟阶段，虽具有较高的有机质丰度，但生烃潜量低，有机质类型主要为Ⅱ型。

(2)从碳氢化合物产率演化过程可知，摆佐组页岩的生油气过程经历了2个阶段，分别在二叠纪中期和三叠纪后期达到生油和生气高峰。

(3)摆佐组页岩经历了完整的先生油再裂解生气的过程，可为页岩气的富集提供充足的甲烷气和存储空间，然而保存条件将是页岩气富集最重要的因素。

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