鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界煤系烃源岩生烃潜力再评价

2021-11-01倪春华朱建辉刘光祥王付斌贾会冲武英利缪九军

石油实验地质 2021年5期

倪春华，朱建辉，刘光祥，王付斌，贾会冲，张威，武英利，缪九军

(1.中国石化油气成藏重点实验室，江苏无锡 214126； 2.中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏无锡 214126； 3.中国石化石油勘探开发研究院华北地区勘探开发研究中心，郑州 450006； 4.中国石化华北油气分公司油气勘探管理部，郑州 450006； 5.中国石化华北油气分公司勘探开发研究院，郑州 450006)

鄂尔多斯盆地是我国陆上天然气勘探的重点盆地之一，目前已经发现了包括苏里格、大牛地、神木、靖边等在内的多个大型气田。近年来，勘探范围逐渐从盆地内部向盆地边缘拓展，盆地北缘的杭锦旗地区上古生界是中国石化华北油气分公司天然气增储上产的重要领域之一，目前已在杭锦旗地区发现了东胜气田[1]。业内对该区上古生界烃源岩有机地球化学特征开展了相关研究，并在主力烃源岩层系、生烃动态演化特征等方面取得了一些认识[2-6]，但前期对上古生界烃源岩的认识过于笼统，尤其对于断裂带两侧上古生界烃源岩发育特征的差异性缺乏对比分析，进而影响了对断裂带北侧上古生界煤系烃源岩生烃潜力及东胜气田天然气来源的研究认识，一定程度上制约了该地区的后续勘探部署。随着该地区天然气勘探开发的不断深入，亟需结合新资料、新方法等，通过微观特征与宏观特征、有机地球化学与有机岩石学、物理模拟与数值模拟相结合，开展该区上古生界煤系烃源岩的再评价工作，进一步细化上古生界煤系烃源岩的纵横向发育特征，进而深化其生烃潜力评价认识，以期为鄂尔多斯盆地北部杭锦旗地区上古生界天然气勘探部署进一步提供理论基础和科学依据。

1 地质背景

杭锦旗地区位于鄂尔多斯盆地北缘，处于伊盟隆起、伊陕斜坡和天环坳陷3个构造单元的结合部，主要表现为从南部盆内斜坡区向盆缘隆起区过渡的构造特征。区内发育泊尔江海子、乌兰吉林庙和三眼井三条断裂组成的近东西向断裂带(下文简称断裂带)，其中泊尔江海子断裂为断面北倾的逆断层，而乌兰吉林庙和三眼井断裂均为断面南倾的正断层(图1)。近年来该地区上古生界天然气勘探取得了一系列突破，如泊尔江海子断裂以北什股壕区带发现东胜气田，断裂以南十里加汗区带储量规模不断扩大等，其中东胜气田累计探明天然气地质储量超过1 200×108m3，新建年产能15×108m3，展现了良好的天然气勘探前景。天然气主要富集于二叠系下石盒子组砂岩储层中，但在断裂带两侧富集层系存在差异[7-8]。

图1 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区构造区带及岩心采样井位分布Fig.1 Distribution of tectonic zones and wells for core sampling in Hangjinqi area, Ordos Basin

2 样品和分析测试方法

勘探实践证实，上古生界石炭系—二叠系发育包括煤岩、碳质泥岩和暗色泥岩在内的煤系地层，其构成了鄂尔多斯盆地诸多大中型气田的主力气源岩[9]。本次研究基于杭锦旗地区28口钻井、80余件岩心样品，围绕上古生界烃源岩沉积环境、品质和演化特征与空间展布特征，对该地区上古生界煤系烃源岩的发育特征进行了系统分析。

烃源岩评价相关测试分析均由中国石化油气成藏重点实验室完成。微量元素分析采用VISTA MPX电感耦合等离子发射光谱仪；有机碳含量分析采用CS-200碳硫分析仪；岩石热解分析采用Rock-Eval 6热解仪；镜质体反射率测定采用MPV-Ⅲ型显微光度计；干酪根碳同位素值分析采用Thermo Finnigan Delta plus XL稳定同位素质谱仪；烃源岩样品生排烃模拟实验采用中国石化油气成藏重点实验室自主研发的DK-Ⅲ型地层孔隙热压生排烃模拟实验仪。

3 上古生界煤系烃源岩特征

3.1 沉积环境

鄂尔多斯盆地晚古生代发育海陆过渡相沉积体系，但石炭系—二叠系的太原组和山西组沉积期的沉积环境有所差异[10]。受不同沉积环境的影响，烃源岩在微量元素及其组成特征方面有所差异[11-12]。利用Sr、Ba、Ga、Rb、B、V、Ni等常用微量元素及其相关比值，开展杭锦旗地区纵向上和横向上古盐度、氧化还原条件等差异性对比研究。

古盐度是研究古气候和古沉积环境的重要指标之一，水体中硼元素(B)、锶元素(Sr)的含量与其盐度存在线性关系，即含量越大，表明古盐度越高。锶元素与钡元素比值(Sr/Ba比值)常被用来区分咸水、淡水介质，Sr/Ba比值大于1为咸水介质(海相)，Sr/Ba比值小于1为淡水介质(陆相)[12]。沉积水体的氧化还原条件也是反映古沉积环境的重要指标之一，较强的还原环境有利于烃源岩的形成与有机质的保存。目前常用的判别沉积水体氧化还原条件的微量元素参数主要有V/(V+Ni)、U/Th等。通过上述一系列微量元素含量及相关比值参数可以进行古沉积环境的判识及其差异性分析。

以杭锦旗地区泊尔江海子断裂以南J7井为例(图2)，纵向上可以直观地发现太原组与山西组存在显著差异：太原组B含量一般分布于(20～50)×10-6，Sr/Ba比值均大于1，B/Ga比值普遍大于2，Rb/K比值大于0.02；而山西组B含量主要处于(10～20)×10-6，Sr/Ba比值小于1，B/Ga比值一般小于2，Rb/K比值小于0.02，据此可以判断太原组沉积期沉积水体古盐度明显高于山西组沉积期。V/(V+Ni)、U/Th常用于古沉积环境氧化还原条件的定性评价，一般比值越大，反映氧化性越强、还原性越弱，断裂带以南太原组样品V/(V+Ni)、U/Th平均值分别为0.72、1.49，而山西组样品则分别为0.77、1.87，表明纵向上太原组古沉积环境还原性强于山西组。另外，断裂带以南太原组、山西组样品全硫含量实测结果差异较大：18个太原组样品全硫含量分布于0.02%～7.26%，平均值为1.72%，而21个山西组样品全硫含量分布于0.005%～1.38%，平均值仅为0.19%，两者相差一个数量级。此外，在J7、J29等多口钻井太原组样品中发现了指示硫化、还原性环境的草莓状黄铁矿，也进一步佐证了太原组古沉积环境还原性强于山西组。

图2 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区J7井上古生界太原组、山西组相关微量元素及其比值Fig.2 Contents and ratios of trace elements in source rocks from Upper PaleozoicTaiyuan and Shanxi formations in well J7, Hangjinqi area, Ordos Basin

由于断裂带以北地区几乎不发育太原组，故以山西组为例进行断裂带南、北两侧同层系的横向对比：断裂带以南地区B含量平均值为19.08×10-6，Sr含量平均值为193.16×10-6，Sr/Ba平均值为0.62，B/Ga平均值为1.78，V/(V+Ni)平均值为0.77，U/Th平均值为1.87；而断裂带以北地区B含量平均值为16.53×10-6，Sr含量平均值为170.67×10-6，Sr/Ba平均值为0.36，B/Ga平均值为1.67， V/(V+Ni)平均值为0.82，U/Th平均值为1.96。因此，断裂带以南地区山西组沉积期沉积水体古盐度、还原性均强于断裂带以北地区。由此可见，该地区上古生界烃源岩沉积环境在纵向上、横向上均存在差异性，这也决定了该地区上古生界烃源岩的品质特征必然有所不同。

3.2 有机质丰度

有机质丰度评价是烃源岩基础地球化学特征分析中最基础、最重要的研究内容，国内外学者针对不同类型的烃源岩建立了相应的评价标准[13-16]。秦建中[16]基于前人的研究认识及勘探实践，针对煤系地层不同岩性的烃源岩，优选针对性更强的评价指标，如对于暗色泥岩重点评价总有机碳(TOC)，并依次将ω(TOC)≥4%、4%<ω(TOC)≤1.5%、1.5%<ω(TOC)≤0.75%作为好、中等、差烃源岩的有机质丰度评价标准；而对于煤岩则着重评价生烃潜量(S1+S2)，并依次将S1+S2≥250 mg/g、250 mg/g

基于53个上古生界暗色泥岩样品TOC实测数据统计分析结果发现：断裂带以南地区太原组暗色泥岩样品TOC含量分布于0.27%～5.41%之间，平均为2.04%，其中好烃源岩占17%，差—中等烃源岩约占50%；而山西组暗色泥岩样品分布于0.14%～4.67%之间，平均为1.86%，其中好烃源岩占10%，差—中等烃源岩占43%，故纵向上太原组暗色泥岩有机质丰度整体高于其上部的山西组暗色泥岩。其次，断裂带以北地区山西组暗色泥岩TOC分布于0.18%～2.34%之间，平均为0.95%，其中差—中等烃源岩约占60%，与断裂带以南地区山西组暗色泥岩相比结果显而易见。利用TOC与S1+S2两个指标，综合评价杭锦旗地区太原组、山西组暗色泥岩有机质丰度，S1+S2与TOC呈现一定的正相关关系(图3a)，且断裂带以南地区太原组、山西组暗色泥岩主体属于中等烃源岩，而断裂带以北山西组暗色泥岩绝大多数属于差烃源岩、少数达到中等烃源岩标准。

基于12个上古生界煤样S1+S2实测数据统计分析结果发现：断裂带以南地区太原组煤样S1+S2分布于41.96～171.99 mg/g，平均为83.67 mg/g，山西组煤样S1+S2分布于95.14～122.01 mg/g，平均值为112.42 mg/g，而断裂带以北地区山西组煤样S1+S2分布于41.89～106.37 mg/g，平均为74.13 mg/g，明显逊色于断裂带以南地区山西组煤样。利用S1+S2与IH两个指标，综合评价杭锦旗地区太原组、山西组煤总体属于中等—差烃源岩(图3b)。

图3 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界太原组、山西组暗色泥岩(a)、煤(b)有机质丰度分布评价标准据参考文献[13]。Fig.3 Distribution of organic matter abundance for dark mudstones (a) and coals (b)in Upper Paleozoic Taiyuan and Shanxi formations, Hangjinqi area, Ordos Basin

3.3 有机质类型

烃源岩品质优劣除了受有机质丰度影响之外，还与有机质类型密切相关，而有机质类型则主要取决于构成烃源岩中有机质的原始成烃母质来源，如腐泥型干酪根主要来自低等水生生物，而腐殖型干酪根主要来自陆源高等植物[17-19]。本次研究主要根据岩石热解参数、干酪根碳同位素进行有机质类型的综合判别。

岩石热解数据表明，断裂带以南地区太原组样品氢指数分布于18～213 mg/g之间，平均为67.31mg/g，山西组样品氢指数分布于12～182 mg/g之间，平均为75.35 mg/g，而断裂带以北地区山西组样品氢指数则分布于38～206 mg/g之间，平均为84.71 mg/g。断裂带以南地区太原组样品降解率分布于1.51～18.27 mg/g，平均为5.96 mg/g，山西组样品降解率分布于1.04～15.56 mg/g之间，平均为6.65 mg/g，而断裂带以北地区山西组样品降解率则分布于3.38～17.95 mg/g之间，平均为7.52 mg/g。根据岩石热解参数划分标准[20]，杭锦旗地区上古生界煤系烃源岩有机质类型以Ⅲ型为主。

研究表明，陆相烃源岩干酪根碳同位素值在-30‰～-22‰之间，而海相烃源岩干酪根碳同位素值范围较宽，在-50‰～-10‰之间，且大多分布在-33‰～-19‰，因而可利用干酪根碳同位素判断烃源岩母质类型。受控于不同的沉积环境，杭锦旗地区太原组、山西组烃源岩的干酪根碳同位素存在一定的差异，以J7井为例，太原组烃源岩干酪根碳同位素值小于-23‰，而山西组烃源岩干酪根碳同位素值普遍大于-23‰。对数口钻井、数十个碳同位素数据进一步统计发现，断裂带以南地区太原组、山西组样品干酪根碳同位素平均值分别为-23.2‰、-22.6‰，而断裂带以北地区山西组样品干酪根碳同位素为-22.7‰(图4)。因此，杭锦旗地区上古生界烃源岩主要为Ⅲ型干酪根。

图4 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界太原组、山西组烃源岩干酪根碳同位素值分布Fig.4 Distribution of carbon isotopic values of kerogenin source rocks from Upper Paleozoic Taiyuan andShanxi formations, Hangjinqi area, Ordos Basin

3.4 有机质成熟度

有机质是生成油气的物质基础，但只有达到一定的成熟度才能有效生烃，对于烃源岩的成熟度通常利用镜质体反射率Ro、热解峰温Tmax、生物标志化合物指标等有关参数进行评价[20-22]。

基于杭锦旗地区太原组、山西组烃源岩样品热解数据统计分析，断裂带以北地区山西组样品Tmax分布于443～516 ℃，平均值为450 ℃，表明主要处于低成熟—成熟演化阶段；而断裂带以南地区山西组样品Tmax分布于444～505 ℃，平均值为476 ℃，其下部的太原组样品Tmax则分布于325～537 ℃，平均值为480 ℃，表明主体处于成熟—高成熟演化阶段。镜质体反射率Ro相比较于Tmax，能够提供更为准确的成熟度信息，本次研究选择了不同区带、不同层系、不同岩性的煤系烃源岩样品开展镜质体反射率测试，考虑到煤中镜质体相对更为富集且识别误差更小，故以煤样为主、测点数量达到20个以上，最大程度保证测试结果的准确性。根据符合上述标准的20个煤样Ro测试数据，断裂带以南地区太原组样品Ro分布于1.04%～1.85%之间，平均为1.34%，山西组样品Ro分布于1.12%～1.44%，平均为1.20%，而断裂带以北地区山西组样品Ro分布于0.95%～1.02%，平均为0.92%。因此，断裂带以南地区上古生界处于成熟晚期—高成熟演化阶段，断裂带以北地区上古生界则主体处于成熟早期阶段，平面上具有南高北低的总体分布特征(图5)。

图5 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界烃源岩Ro等值线Fig.5 Ro contours of Upper Paleozoic source rocks in Hangjinqi area, Ordos Basin

3.5 空间展布特征

前人[4-5]对杭锦旗地区上古生界烃源岩的展布特征已开展了一些研究，本次研究结合勘探新资料，基于数十口新钻井不同层系、不同岩性烃源岩厚度的统计分析，对其纵向和平面分布特征进一步开展了精细刻画。如图6所示，太原组、山西组煤层呈现不同的分布特征，以Y13-J7-J48-J36南北向连井剖面为例，太原组煤层表现为南厚北薄的特点，而山西组煤层分布特征亦与之一致。杭锦旗地区上古生界烃源岩总体具有南厚北薄的平面分布趋势(图7)，暗色泥岩厚度主体分布于20～50m，其中断裂带以北地区厚度在10～30m，而断裂带以南地区厚度在30～50 m；煤层厚度主要分布于10～30 m，其中断裂带以北地区为10～15 m，而断裂带以南地区则在10～30 m之间。

图6 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界太原组、山西组煤层南北向连井剖面剖面位置见图1。Fig.6 SN-trending well-connecting profiles of coal seamsin Upper Paleozoic Taiyuan and Shanxi formations, Hangjinqi area, Ordos Basin

图7 鄂尔多斯盆地杭锦旗地区上古生界暗色泥岩、煤层厚度等值线Fig.7 Thickness contours of Upper Paleozoic dark mudstones and coal rocks in Hangjinqi area, Ordos Basin

4 生烃潜力再评价

烃产率是烃源岩生烃潜力评价的关键参数，直接关系到生烃潜力评价结果的准确性、可靠性和客观性。与传统模拟实验方法及仪器相比，中国石化油气成藏重点实验室自主研发的地层孔隙热压生排烃模拟实验装置，充分考虑了温度、压力、流体等综合因素[23-27]，模拟条件更接近于实际地质情况。

本次热模拟实验地质样品为杭锦旗地区J6井山西组煤样和暗色泥岩样品，代表该地区上古生界两类主要的煤系烃源岩，依据该地区典型钻井上古生界埋藏史演化特征，设置了上覆静岩压力和地层流体压力，同时结合热史—生烃史，设置了8个温度点：300，325，350，375，400，450，500，550 ℃。模拟实验结果显示，煤岩最大烃产率可达80 kg/t，暗色泥岩最大烃产率可达120 kg/t。

基于上文所述杭锦旗地区上古生界煤系烃源岩厚度、有机质丰度、烃产率等参数及地质认识，利用TSM盆地模拟系统[28]进行生烃量及生气强度的数值模拟。生烃量模拟结果表明，杭锦旗地区上古生界煤系烃源岩的总生气量为15.922×1012m3，其中太原组烃源岩生气量为7.583×1012m3，山西组烃源岩生气量为8.339×1012m3。如图8所示，杭锦旗地区平面上大致以断裂带为界，断裂带南北两侧地区上古生界烃源岩的生气强度存在较明显的差异：断裂带以北地区生气强度一般小于10×108m3/km2，而断裂以南地区生气强度则主体分布于(15～35)×108m3/km2，最大值达到(50～55)×108m3/km2，反映该地区具备形成大中型气田的物质基础和形成条件[29]，且断裂带以南地区上古生界烃源条件明显优于断裂带以北地区，进而佐证了断裂带北侧地区上古生界天然气具有混源特征，且气源主要来自断裂带以南地区高成熟煤系烃源岩[30]。对于杭锦旗地区上古生界天然气勘探而言，考虑到断裂带以南烃源岩品质相对较好，应重点关注断裂带以南地区，特别是勘探程度相对较低的中西部十里加汗、新召等区带，同时东部的阿镇区带也值得开展积极探索，进一步扩大该地区上古生界天然气的勘探范围。