含油气系统模拟技术在渝东南地区下古生界页岩气层的应用

成 俊 ，李少荣 ，陈朝刚 ，张健强 ，宋科雄 ，郑永华

页岩气作为一种非常规天然气，在涪陵礁石坝和长宁–威远地区均已取得巨大产能。在地质演化过程中，页岩气含量受页岩的有机质含量、热演化程度、储层的温度和压力影响[1–2]。含油气系统模拟技术基于盆地动力学，通过开展构造演化史、埋藏史、热演化史、生烃史等模拟，分析油气藏的保存条件[3–4]，近年来在页岩气动态研究和资源评价中有较好的运用[5–10]。

渝东南地区位于川中隆起与黔中隆起之间的凹陷褶皱带，属于上扬子准地台黔南川北地层分区，下古生界发育下寒武统牛蹄塘组和上奥陶统五峰组–下志留统龙马溪组两套页岩气层，储层静态指标较好，但地质构造复杂，页岩气勘探程度较低，页岩气资源勘探也未取得突破。本文运用PetroMod软件对渝东南地区下古生界页岩气层开展含油气系统模拟，分析成藏主控因素，为页岩气的勘探潜力评价提供依据。

研究区位于渝东南秀山穹褶带，面积1 002 km2，发育除志留系上统、泥盆系下统和石炭系之外的震旦系到白垩系地层（图1）。该区已开展不同程度的地质调查、二维地震勘探和页岩气井钻探工作，已完成2口地质井（YD2、YC6）和2口预探井（YY1、YY2），其中YD2、YC6和YY2井针对五峰组–龙马溪组，YY1井针对牛蹄塘组兼探五峰–龙马溪组，该区页岩气勘探取得了一定的成果资料（表1）。

图1 研究区构造地质简图

表1 研究区目的层页岩气地质特征

1 模拟方法

1.1 埋藏史模拟

埋藏史模拟是含油气系统模拟的基础，古地层模型受控于地层的沉积和剥蚀，基于现今的地层沉积序列，根据不同地层孔隙度演化去除压力效应，建立不同地史时期古构造模型[11–12]。研究区地层属于正常压实带沉积，宜采用回剥法模拟地层埋藏史。回剥法是根据孔隙度–深度的关系来恢复古厚度，在正常压实情况下，二者服从指数分布[13–14]：

式中， (!)是深度为z时的孔隙度，%$是地表孔隙度，*$是压实系数，#$是地层各岩性含量。

研究区地层总体分为砂岩、泥岩、灰岩和白云岩四种岩性，通过实测孔隙度校正各岩性的压实系数，结合现今的地层厚度，恢复古地层沉积厚度。渝东南地区震旦纪之后受华力西期、燕山期和喜马拉雅期构造抬升运动的影响，分别在泥盆纪–石炭纪、二叠纪、白垩纪–第四纪发生三期剥蚀事件，最后一期剥蚀厚度较大，剥蚀厚度为1 700～4 000 m[15]。

1.2 热演化史模拟

热演化史模拟采用地球热力学与地球化学相结合，通过确定岩石热参数、大地热流、古地表温度和古水深等参数，模拟地温史和成熟度演化，并通过实测的镜质体反射率Ro校正[16–17]。结合四川盆地砂岩、泥岩、碳酸盐岩的热导率研究成果[18]，根据研究区地层岩性含量，确定各地层的岩石热参数；根据相对海平面变化曲线，结合沉积相研究成果，恢复了各时期水深变化曲线；根据前人研究成果，建立了550 Ma前至今的古地表温度和热流演化曲线。

1.3 生烃史模拟

根据烃源岩地化和吸附参数，选用合适的生烃动力学模型，对生烃时间、油气转化率、生烃量等进行生烃史模拟。油气转化率为干酪根转化为油气的比例；针对页岩气，还需要模拟吸附气和游离气含量；烃源岩参数主要包括有机碳（TOC）和氢指数（IH）。为确保模拟结果的准确性，对目的层始TOC和IH进行恢复，选择原始IH为500 mg/g，恢复牛蹄塘组和五峰组–龙马溪组页岩TOC分别为8.74%和3.68%；吸附参数根据Langmuir等温吸附实验确定；根据研究区目的层和烃源岩特征，生烃动力学模型选用PetroMod软件中与之类似的巴黎盆地土阿辛阶（对应于下侏罗统）页岩的生烃动力学模型。

2 模拟结果

2.1 埋藏史模拟结果

早寒武纪–早志留纪时期，随着水体加深，研究区由浅海碳酸盐岩沉积转变为深水泥岩、页岩以及硅质页岩等沉积为主；中志留纪后过渡为缓慢沉降，以碎屑岩沉积为主，泥盆纪晚期地层整体轻微抬升剥蚀；石炭纪–二叠纪末期，早期近海湖沼演变为海水大规模进泛，晚期处于海陆交互环境，沉积浅海碳酸盐岩建造，早二叠纪末期有轻微剥蚀；三叠纪海侵加大，主要沉积蒸发碳酸盐岩建造；侏罗纪–白垩纪早期，研究区逐渐演变为大型内陆凹陷湖盆，发育河流湖泊相沉积；白垩纪中期至今，燕山运动和喜马拉雅运动致研究区大面积抬升剥蚀，几乎无古近系、新近系沉积，发育大量逆冲断层，形成现今的北东–北北东向褶皱构造形态。

根据埋藏史模拟结果，研究区经历了寒武纪、志留纪和侏罗纪三次快速沉积时期，沉积速率分别为51 m/Ma、39～76 m/Ma、36 m/Ma；并经历了泥盆纪–石炭纪（400～285 Ma）、二叠纪（270～260 Ma）、白垩纪–第四纪（90～0 Ma）三次剥蚀时期，前两次剥蚀厚度较小（<100 m），最后一期累积剥蚀厚度较大（YY1井剥蚀厚度3 499 m、YY2井剥蚀厚度2 144 m）（图 2）。

2.2 热演化史模拟结果

YY1井牛蹄塘组烃源岩约在 495 Ma前进入生油窗，411 Ma前进入早期生气阶段，275 Ma前进入晚期生气阶段，目前已不处于生气阶段；五峰组–龙马溪组烃源岩约在393 Ma前进入生油窗，132 Ma前进入早期生气阶段，目前处于晚期生气阶段。YY2井五峰组–龙马溪组烃源岩约在423 Ma前进入生油窗，284 Ma前进入早期生气阶段，164 Ma前进入晚期生气阶段，目前处于晚期生气阶段。YY2井比YY1井的五峰组–龙马溪组演化程度更高（图2）。

图2 单井热演化模拟结果

2.3 生烃史模拟结果

YY1井牛蹄塘组烃源岩约在521.5 Ma前开始生烃，至429.8 Ma前转化率达到50%，到238.6 Ma前接近100%；牛蹄塘组最佳生烃期在晚志留世，三叠纪已停止生烃。由于烃源岩演化成熟度较高，随着沉积压实作用，孔隙度降低，且后期强烈的构造运动导致现今保存下来的含气量较低。YY2井五峰组–龙马溪组烃源岩约在427 Ma前开始生烃，414 Ma前转化率达到50%，目前转化率为99%；五峰组–龙马溪组从志留纪晚期开始生烃，三叠纪末含气量达到最大，目前在构造高部位还有继续生烃的能力，含气量以吸附气为主（吸附气与游离气比值约为5.3:1）（图 3）。

图3 单井生烃史模拟结果

3 页岩气成藏过程分析

现今页岩气含量与历史事件中生烃演化程度和构造运动有关，生烃演化为页岩气提供物质基础，构造运动则影响页岩气的保存；四川盆地内与周缘地区保存条件的差异，主要是由于燕山运动中期所控制的构造变形和沉降、页岩生排烃历史、抬升剥蚀作用等差异决定。

剧烈的构造运动对于烃类保存条件的破坏，同构造运动本身一样也是幕式的，如果在生烃阶段有较长时间的构造稳定期，则随着断裂、裂缝等疏导体系的愈合，烃类又能重新聚集，新生的烃类对侵入烃源岩的水和空气（氧气难以在还原条件下长期存在，绝大部分为氮气）可以产生反置换作用，逐渐排挤出水和氮气，重新成藏。只要生烃作用仍在继续，这种“成藏—构造破坏—再成藏”的过程就会一直延续。五峰组–龙马溪组烃源岩就是这种情况，至今仍有一定勘探潜力；而牛蹄塘组烃源岩在燕山期强烈构造运动之前就已经停止生烃，构造运动造成的大型断裂发育并切穿页岩层系，牛蹄塘组页岩气被破坏后无法重新成藏，并与氮气发生置换作用，因此出现了目前氮气成藏的现象（图4）。根据渝黔湘鄂地区大量钻井显示，牛蹄塘组页岩储层中氮气含量普遍很高。

4 结论

（1）本文介绍的含油气系统模拟技术为页岩气成藏的热演化、生烃和保存的时空关系研究提供了有益的依据。

（2）渝东南地区经历了寒武纪、志留纪和侏罗纪三次快速沉积时期，分别沉积了浅海碳酸盐岩、深水泥页岩和河流湖泊相沉积；在泥盆纪、早二叠纪和白垩纪–古近纪分别经历了三次剥蚀时期，最后一期剥蚀作用强烈。

（3）现今页岩气含量与历史事件中生烃演化程度和构造运动有关，渝东南五峰组–龙马溪组从志留纪晚期开始生烃，三叠纪末含气量达到最大，在页岩气“成藏—构造破坏—再成藏”的过程中仍在持续生烃，至今仍具一定勘探潜力；牛蹄塘组最佳生烃期在晚志留世，燕山期构造运动之前已经停止生烃，页岩气藏发生置换作用，导致现今含气量极低且以氮气为主。

图4 渝东南地区下古生界含油气系统事件

参考文献

[1] 毕赫，姜振学，李鹏.页岩含气量主控因素及定量预测方法[J].大庆石油地质与开发，2014，33（1）：160–164.

[2] 张汉荣.川东南地区志留系页岩含气量特征及其影响因素[J].天然气工业，2016，36（8）：36–42.

[3] 石广仁.油气盆地数值模拟方法[M].北京：石油工业出版社，1999：14–39.

[4] 邢卫新，费永涛，杨永毅，等.含油气盆地成藏期分析方法及进展[J].石油地质与工程，2006，20（6）：12–15.

[5] 陶树，汤达祯，许浩，等.中、上扬子区寒武–志留系高过成熟烃源岩热演化史分析[J].自然科学进展，2009，19（10）：1 126–1 133.

[6] 朱传庆，饶松，袁玉松，等.川东南地区古生界主要页岩层系热演化[J].煤炭学报，2013，38（5）：834–839.

[7] 曹环宇，朱传庆，邱楠生.川东地区下志留统龙马溪组热演化[J].地球科学与环境学报，2015，37（6）：22–32.

[8] 江强，朱传庆，邱楠生，等.川南地区热史及下寒武统筇竹寺组页岩热演化特征[J].天然气地球科学，2015，26（8）：1 563–1 570.

[9] XIULIAN YAO，YUNPENG WANG.Assessing shale gas resources of Wufeng–Longmaxi shale （O–S） in Jiaoshiba area， SE Sichuan（China）[J].Petroleum Science& Technology，2016，34（11–12）：1 008–1 015.

[10] 徐二社，李志明，杨振恒.彭水地区五峰–龙马溪组页岩热演化史及生烃史研究——以 PY1井为例[J].石油实验地质，2015，37（4）：494–499.

[11] OPERA A，ALIZADEH B，SARAFDOKHT H，et al.Burial history reconstruction and thermal maturity modeling for the Middle Cretaceous–Early Miocene Petroleum System，southern Dezful Embayment，SW Iran[J].International Journal of Coal Geology，2013，120（6）：1–14.

[12] UNDERDOWN R，REDFERN J.Petroleum generation and migration in the Ghadames Basin，North Africa：A two–dimensional basin–modeling study[J].AAPG Bulletin，2008，92（1）：53–76.

[13] VAN SICKEL W A，KOMINZ M A，MILLER K G，et al.Late Cretaceous and Cenozoic sea-level estimates：backstripping analysis of borehole data，onshore New Jersey[J].Basin Research，2015，16（4）：451–465.

[14] 倪斌，汤良杰，郭颖，等.塔里木盆地玉北地区埋藏史及热史分析[J].现代地质，2017，31（2）：357–366.

[15] 曾祥亮，刘树根，黄文明，等.四川盆地志留系龙马溪组页岩与美国Fort Worth盆地石炭系Barnett组页岩地质特征对比[J].地质通报，2011，30（2～3）：372–384.

[16] GALUSHKIN Y I，SITAR K A，KUNITSYNA A V.Realization of the oil–generation potential in the estimated source rocks of the sedimentary basin in the shelf of northeastern Sakhalin：Numerical simulation[J].Geochemistry International，2011，49（1）：1–12.

[17] GANJAVAR K K，JOHAN K.The thermal evolution of solid bitumens，bitumen reflectance and kinetic modeling of reflectance：application in petroleum and ore prospecting[J].Energy Sources，1993，15（2）：181–204.

[18] 徐明，朱传庆，田云涛，等.四川盆地钻孔温度测量及现今地热特征[J].地球物理学报，2011，54（4）：1 052–1 060.