川西北古生界烃源岩特征及生烃潜力评价

2018-07-02李琪琪刘羿伶郝悦琪郑见超

特种油气藏 2018年3期

李琪琪,李斌,刘羿伶,郝悦琪,郑见超

(1.西南石油大学，四川成都 610500；2.油气藏地质及开发工程国家重点实验室，四川成都 610500)

0 引言

川西北部地区隶属于上扬子地台北缘的龙门山、米仓山山前断褶带，扬子陆块北缘与秦岭造山带接合部。川西北及邻区钻井、野外露头剖面等资料表明，区内缺失石炭系，同时不同程度缺失泥盆系、中—上寒武统、下奥陶统和中—上志留统，其余地层层序正常[1-2]。

川西北地区是四川盆地近几年勘探的热门地区，但对于该区古生界烃源岩的研究工作相对较少，缺乏相对客观的评价，且以往研究多局限于对其烃源岩特征的定性和半定量评价，对生烃潜力的研究比较少。因此，研究上古生界烃源岩生气潜力对勘探有利区的选择和油气储备评价具有重要意义[3]。对此，依据野外露头和重点钻井烃源岩发育特征与有机地球化学测试分析资料，力图厘清古生界烃源岩的主要生烃层位和展布特征，确定烃源岩的有机质丰度、类型及成熟度，并据此对川西北古生界各层位烃源岩的生烃强度进行了计算。另外，大量研究表明，世界多数盆地的油气藏都主要分布在烃源灶范围内及其周围，换言之，就是油气田的分布受烃源岩控制，因此，根据有利烃源岩的分布对有利勘探区域进行了预测，以期为油气勘探提供科学依据。

1 烃源岩的展布特征

据前人研究，川西北地区古生界共发育6套烃源岩[4-6]，利用野外剖面细测和钻井资料分析等手段，确定了该区烃源岩的分布特征为：下寒武统筇竹寺组烃源岩在广元—剑阁—绵阳一带厚度最大，达200 m以上，向苍溪和江油地区逐渐减薄；下志留统龙马溪组烃源岩在研究区南部志留系已被剥蚀殆尽，仅在北部残留部分地层[7-8]，其在广元—旺苍地区最厚，然后向西南部逐渐减薄，到苍溪—剑阁一带尖灭；中二叠统栖霞组烃源岩在米仓山南缘和江油—剑阁地区厚度较大，苍溪—梓潼地区烃源岩不发育；中二叠统茅口组烃源岩的厚度较大，其中在米仓山南缘以及广元—剑阁地区厚度最大；上二叠统吴家坪组与龙潭组属于同期异相沉积，在剑阁地区以及广元—旺苍一带的厚度最大，在50 m以上，并向研究区南部逐渐减薄；上二叠统大隆组与长兴组也属于同期异相沉积，大隆组烃源岩主要分布在长江沟、广元—旺苍地区。而江油—梓潼一带大隆组由盆地相变为开阔台地相的长兴组，烃源岩不发育(表1)。

综上所述，该6套烃源岩中，筇竹寺组的厚度最大，一般为100～200 m，分布最广，能为油气的形成提供充足的物质基础，其次为茅口组；龙马溪组和大隆组分布范围有限，在广旺地区对油气的生成有一定的贡献；栖霞组和吴家坪组，烃源岩厚度基本大于30 m，具备生成一定数量油气的物质条件。

表1 川西北二叠系古生界各层位烃源岩厚度统计

2 有机质丰度与生烃潜力

岩石中有足够数量的有机质是形成油气的物质基础，也是决定岩石生烃能力的主要因素[9]。通常采用有机质丰度来代表岩石中有机质的相对含量，衡量和评价烃源岩的生烃潜力[10]。研究区内6套烃源岩的有机碳与氯仿沥青“A”含量的分布特征相似，并且均显示该6套烃源岩有机质丰度较高，总体上为较好—好烃源岩(表2)。

另外，烃源岩元素组成、热解氢指数和干酪跟碳同位素组成分析表明，中国南方海相烃源岩的成熟度很高[11-12]。川西北地区烃源岩实测Ro值多大于1.7%，说明该地区烃源岩多数已经达到成熟—高成熟阶段，而实测岩石热解参数(S1+S2)基本小于1.00 mg/g(表3)，大部分小于0.50 mg/g，若按照中国南方烃源岩的评价标准，基本属于非烃源岩或差烃源岩，这与实际并不相符。因此，如何评价高—过成熟阶段碳酸盐岩层系的生烃潜力成为人们一直关注的问题。Peters和Cassa指出总有机碳并不是一个生油潜力的明确指标，烃源岩是否有效必须根据其有机质含量、有机质类型和有机质热演化程度进行判断，并认为有效烃源岩的生烃潜力(S1+S2)必须大于2.00 mg/g[11]。

表2 川西北古生界各层位烃源岩有机质丰度评价

根据梁狄刚等[11-12]建立的南方古生界海相泥岩和碳酸盐岩的生烃潜力与有机碳的关系，对川西北二叠系烃源岩的泥岩和碳酸盐岩进行热解生烃恢复(表3)。由恢复结果可看出，除金真村吴家坪组页岩恢复后S1+S2呈现降低外，WJ1井茅口组炭质泥岩以及通口栖霞组泥岩恢复后S1+S2值均大幅增加，特别是高演化泥岩，由恢复前的非烃源岩转变为差—中等烃源岩。灰岩与泥岩类似，中二叠统茅口组、栖霞组和上二叠统大隆组、龙潭组(吴家坪组)灰岩恢复后S1+S2值大多为2.00～6.00 mg/g，平均值为3.07 mg/g，为较好的烃源岩，同时也有个别样品恢复后S1+S2值降低，其原因可能与其热演化程度本身处于成熟或低成熟阶段有关，也有可能是由于测试和恢复过程中的误差造成的。因此，海相烃源岩生烃潜力恢复只适用于高演化阶段的泥岩和灰岩，且只能反映烃源岩曾经的生烃能力，成熟和低成熟泥岩和灰岩不适合生烃潜力恢复[11]。由于中国南方海相烃源岩多数已处于高—过成熟阶段，生烃潜力恢复有利于正确认识海相油气勘探。

表3 川西北地区二叠系烃源岩实测热解生烃潜量与恢复生烃潜力

3 有机质类型

有机质类型是决定烃源岩产烃量和烃类产物组成的重要因素之一[13-14]。根据研究区烃源岩的有关分析化验资料，运用干酪根显微组分法和干酪根碳同位素法，对研究区烃源岩的有机质类型进行研究和评价。结果显示，干酪根类型总体呈现出随着地层年代的变新有机质类型变差的趋势。总的来说，6套烃源岩有机质类型都较好，其中龙潭组为煤系沉积，因此，其有机质类型为典型的Ⅲ型。另外，就各层位相比较而言，筇竹寺组烃源岩有机质类型最好，其次为龙马溪组、茅口组和栖霞组(表4)。

表4 川西北古生界各层位烃源岩有机质类型划分

4 有机质成熟度

在古生界地层中一般很难找到标准的镜质体，这给烃源岩成熟度的研究和定量评价带来了一定的难度[15-16]。但由于烃源岩成熟度高，且有机质类型好，在样品中往往有固态沥青赋存。采用丰国秀等[17]在四川盆地测定大量沥青质反射率的基础上建立的镜质体反射率与沥青质反射率之间的关系，将川西北地区各井位以及野外剖面样品的沥青质反射率(Rob)转化成等效镜质体反射率(Ro)来判断有机质的成熟度，定量研究烃源岩的热演化程度。结果表明，研究区的6套烃源岩镜质体反射率较大，总体处于高—过成熟阶段(表5)。

岩石热解峰温(Tmax)也是评价烃源岩热成熟度的重要参数。通过对5个层位的21个样品进行Tmax测定，可以看出，研究区烃源岩Tmax值较高，基本属于高成熟—过成熟阶段，且随埋深的增加有增大的趋势。这与利用镜质体反射率评价的结果基本一致(表5)。但也有少数样品Tmax值偏小，其原因主要有以下2方面：①所采的样品大部分是野外样品或处于龙门山前断裂带上的探井岩心样品，热演化史相对复杂；②碳酸盐岩烃源岩相对生烃滞后。另外，在相同成熟度条件下，干酪根的显微组分不同可以使得Tmax异常。同时，可溶有机质可以进入S2峰也会使得Tmax降低。除此之外，岩石热解实验时称样量等也可以对Tmax产生影响[18]。

表5 川西北古生界各层位烃源岩有机质成熟度

5 生烃强度

生烃强度是烃源层厚度、有机质丰度、有机质类型和成熟度的综合反映，是衡量沉积盆地含油气性的综合指标，沉积盆地生烃强度越高，油气资源越丰富，含油气性越好，因此，生烃强度的高低可以直接用来评价该区的生油气能力和勘探前景。生烃强度最大值分布区即为生烃中心，其往往控制着油气的富集部位，形成油气勘探的有利区[12]。其与各参数相关定量关系如下[19-20]：

Q气=HρTOCCkK气

(1)

式中：Q气为生气强度，108m3/km2；H为烃源岩厚度，km；ρ为烃源岩密度，108t/km3，ρ泥为2.6×108t/km3，ρ灰为2.73×108t/km3；TOC为残余有机碳含量，%；Ck为有机碳恢复系数；K气为生烃率。

5.1 参数取值

(1) 有机碳恢复系数(Ck)。根据原四川石油管理局研究院地质实验室的热模拟实验资料建立起Ck-Ro关系[21](表6)。

表6 各类烃源岩有机碳恢复系数

(2)生烃率(K气)。由于四川盆地烃源岩的热演化程度较高，难以获取未成熟烃源岩。因此，采用在川西广元上寺采集的二叠系烃源岩的热模拟结果作为计算参数[21]。

5.2 计算结果

计算结果表明，平面上各层系烃源岩的生烃强度存在差异。由于龙马溪组和大隆组分布范围有限，对于研究区内油气生成的贡献受到很大限制，因此，仅对在研究区内分布较普遍的其余4套烃源岩的具体展布特征进行研究(图1、2)。

(1) 大隆组烃源岩生烃强度变化范围为3.00×108～27.00×108m3/km2，生烃强度总体由东南向西北逐渐增大，平均生烃强度为7.35×108m3/km2，最大生烃强度分布在长江沟—金真村一带，朝天地区次之。

(2) 龙潭组(吴家坪组)烃源岩生烃强度变化范围为1.00×108～23.00×108m3/km2，生烃强度总体由工区南北部向中部逐渐增大，平均生烃强度为6.62×108m3/km2，最大生烃强度分布在剑阁一带，广元矿山梁和米仓山南缘地区次之。

(3) 茅口组烃源岩生烃强度变化范围为1.00×108～30.00×108m3/km2，生烃强度总体在工区的中部和北部边缘地区较大，平均生烃强度为9.00×108m3/km2，最大生烃强度分布在剑阁、广元矿山梁一带。

(4) 栖霞组烃源岩生烃强度变化范围为2.00×108～19.00×108m3/km2，总体来说，工区的西部和北部生烃强度较大，并向中部逐渐降低，平均生烃强度为3.42×108m3/km2，最大生烃强度分布在广元车家坝、旺苍以及田坝一带。

(5) 志留系龙马溪组烃源岩生烃强度变化范围为3.00×108～32.00×108m3/km2，生烃强度较大，总体上由工区南部到北部逐渐增大。平均生烃强度为17.48×108m3/km2，研究区内志留系烃源岩有2个生烃中心，分别在广元和旺苍一带。

图1川西北龙潭组(左)和茅口组(右)烃源岩生烃强度

(6) 下寒武统筇竹寺组烃源岩生烃强度变化范围为30.00×108～110.00×108m3/km2，生烃强度总体由工区东部向西北和西南部逐渐增大，平均生烃强度为67.05×108m3/km2，最大生烃强度分布在广元矿山梁和江油一带。

图2 川西北栖霞组(左)和筇竹寺组(右)烃源岩生烃强度

从计算结果来看，下寒武统筇竹寺组平均生烃强度最大，为67.05×108m3/km2，且最大生烃强度达110.00×108m3/km2。其次为下志留龙马溪组烃源岩和茅口组烃源岩，平均生烃强度分别为17.48×108m3/km2和9.00×108m3/km2，最大生烃强度分别为32.00×108m3/km2和30.00×108m3/km2。

研究区内广元朝天、旺苍地区以及剑阁地区烃源岩层系发育，厚度大，分布面积广，有机质丰度较高，生烃强度大，气源充足，具备形成大中型气田的物质基础，是有利的勘探地区。