西昌盆地昭觉凹陷白果湾组泥页岩生烃动力学模拟及资源潜力

陈 杨 何 伟 曾繁如 龙 潇 牟必鑫 李 轲 宋金辉 周瑞琦

1.四川省煤田地质工程勘察设计研究院 2.页岩气评价与开采四川省重点实验室 3.四川水利职业技术学院测绘地理信息系

0 引言

昭觉凹陷是西昌盆地油气勘探的主要凹陷之一，上三叠统白果湾组是昭觉凹陷重要的油气勘探层系，但油气勘探程度很低，仅过往实施了2口页岩气地质调查井（昭地1井和昭地2井）。钻探结果显示，昭地1井白果湾组厚427.7 m，泥页岩厚198.2 m，泥地比达46.35%。昭地2井白果湾组厚435.18 m，泥页岩厚146.11 m，泥地比达33.57%。白果湾组泥页岩有机质丰度适中，TOC含量在0.53%～15.03%之间，平均含量为1.58%，有机质类型主要为Ⅱ2型，Ⅲ型次之。Ro值在0.35%～3.97%之间，平均值为2.18%，Tmax介于 355 ～ 511 ℃，平均值为 485 ℃，已进入成熟阶段。昭地1井钻探过程中发现9层较好的油气显示，气测总烃峰值可达22.8%（峰基比为24）。其中，气显示6层，油显示3层；昭地2井钻探过程中发现7层较好的油气显示，气测总烃峰值可达8.43%（峰基比为10.33）。其中，气显示5层，油显示2层。昭觉凹陷白果湾组原油以轻质油为主，天然气成分以甲烷为主，且主要为油型气[1-3]，表明其可能具有勘探前景，值得进一步开展工作。

利用生烃动力学模拟低勘探程度地区油气生成和裂解过程十分有效[4]。假定实验条件下的生烃过程与实际地质条件下的生烃过程动力学参数相同，结合研究区的地质背景，利用生烃动力学参数就能够反应地质条件下油气生成和裂解过程的地球化学过程[5]。当前，生烃动力学研究最有效的方法是封闭体系下的黄金管热模拟实验[6]。本文从生烃动力学角度入手，挑选了昭地1井中具有代表性的白果湾组泥页岩样品，通过封闭系统的黄金管热模拟实验获取昭觉凹陷白果湾组泥页岩生烃动力学参数，据此建立了白果湾组泥页岩的生烃模式，恢复了白果湾组泥页岩的生烃演化过程，旨在揭示昭觉凹陷白果湾组泥页岩生烃潜力，为西昌盆地昭觉凹陷陆相油气勘探提供依据。

1 地质概况

西昌盆地位于扬子板块与青藏高原东缘交接过渡的区域，大地构造位置属于扬子板块的西南边缘，跨越了康滇地轴和上扬子台坳两个二级构造单元。盆地边界受控于安宁河、峨边和则木河等断裂，由北部的甘洛凹陷、东北部的美姑凹陷、中西部的米市凹陷（最大）、中部的麻姑山凹陷和东南部的昭觉凹陷组成，在多期构造运动作用下产生较强的褶皱变形和隆升剥蚀，形成现今近南北向展布的狭长构造格局。

昭觉凹陷位于西昌盆地东南缘，大地构造属于凉山台坳的美姑凹褶束[7-9]。昭觉凹陷呈狭长状南北向展布，北以竹核断层为界、南以瓦都断层为界、西以龙恩河断层为界、东以汉源—昭觉断裂带南段于孟断层为界；南北长约15 km，东西宽约10 km，面积约150 km2，凹陷主体构造为昭觉复向斜（包含昭觉向斜和龙恩河向斜），其构造形态表现为：向斜西翼地层相对较陡，地层倾角一般为30°～65°；东翼地层相对平缓，一般为15°～25°，为于孟断层所破坏；核部平缓，地层倾角一般为5°～10°。上下构造层形态基本一致，为一构造断陷，即底部宽缓，地层倾角小，断层不发育，两翼相对陡倾，断层发育。凹陷核部出露侏罗系地层，向东西两侧依次出露三叠系地层和二叠系地层（图1），其中上三叠统白果湾组为昭觉凹陷最主要的含油气地层[10-11]。

图1 昭觉凹陷地质简图

2 样品及实验方法

2.1 实验样品

选取昭地1井白果湾组有机碳含量好、低成熟度的样品1个，开展黄金管热模拟实验。有机地球化学分析结果（表1）显示，昭地1井白果湾组泥页岩样品干酪根Ro为0.45%、最高热解峰温（Tmax）为452 ℃、TOC含量为14.83%、氢指数（HI）为203 mg/g。

表1 样品有机地球化学参数表

2.2 实验方法

利用生烃动力学热模拟实验装置开展黄金管热模拟实验（图2），参照中国石油及天然气行业标准《黄金管生烃热模拟实验方法》（SY/T7035—2016）进行。

图2 黄金管热模拟实验系统结构及工作原理图

实验流程：首先将样品用研钵磨成粉末后进行200目筛选，将岩粉分成24份，然后在氩气环境下放入金管并焊封后置于高压釜中，分别以2 ℃/h和20 ℃/h的升温速率，在50 MPa压力下加热至设定温度。待热解完成后，将金管中气体释放到GC7890型气相色谱仪中，进行甲烷（C1）、乙烷（C2）、丙烷（C3）、丁烷（C4）和戊烷（C5）的定量分析。

液态烃（C6＋）的收集分析方法：当气体分析结束后，利用液氮冷冻样品瓶，来收集扩散到真空玻璃管中的轻烃（C6～C10），然后将样品瓶取下迅速注入二氯甲烷溶剂，从高压釜中取出金管同样品一起剪开后放入样品瓶，用超声震动1分钟，使金管中的油完全溶解到溶剂中。从4 mL样品瓶中上层中取1 mL清液，放入到2 mL样品瓶，利用自动进样器开展色谱分析。用氘代的C24作为内标开展轻烃（C6～C14）定量分析，饱和烃和芳烃采用GC图积分方法进行定量分析。

数据处理：利用KINETICS软件获得频率因子和活化能等动力学参数。目前，EASY%Ro法被广泛应用于烃源岩成熟的评价[12-15]，利用模型计算出实验中各温度点所对应的EASY%Ro值，再通过KINETICS软件对数值进行处理。

3 实验结果

3.1 烃产率

为了有效地评价昭觉凹陷白果湾组泥页岩的生烃潜力，通过实验得到了泥页岩C1、C2、C3、C4、C5、重烃气（C2～ C5）、总气态烃（C1～ C5）、C6～ C14和 C14＋产率。

昭觉凹陷白果湾组泥页岩在不同温度条件下烃的产率差异较大（表2、图3）。实验条件下，昭觉凹陷泥页岩生成的天然气主要为C1，C2～C5次之。随着温度和EASY%Ro的升高C1和C1～C5的产率不断增大，而C2～C5、C6～C14和C14＋的产率先增后减呈现典型的峰值分布，且不同的重烃气因其含碳原子个数不同导致产率不尽相同。

表2 昭觉凹陷白果湾组泥页岩在不同升温速率下的烃产率表

图3 昭觉凹陷白果湾组泥页岩在不同升温速率下烃产率随温度变化关系图

以升温速率为2 ℃/h条件下的气态烃产率为例，白果湾组泥页岩C1的产率在600 ℃（EASY%Ro为4.45%）时为 23.53 mL/g ；C2～ C5的产率在 431.7 ℃（EASY%Ro为4.45%）时达到最大值为1.37 mL/g，到 600 ℃（EASY%Ro为 4.45%）时降为0.08 mL/g；C1～C5的产率在 600 ℃（EASY%Ro为4.45%）时为 33.02 mL/g；C6～ C14的产率在 408.4 ℃（EASY%Ro为1.36%）时达到最大值为3.94 mL/g，到600 ℃（EASY%Ro为 4.45%）时降为 0.23 mL/g；C14+的产率在360.1 ℃（EASY%Ro为0.86%）时达到最大值为 4.99 mL/g，到 505.4 ℃（EASY%Ro为 2.09%）时降为0。

3.2 生烃动力参数

生烃过程是复杂化学变化的过程，不仅受时间、温度和压力三个因素作用，还受到其他多种地质因素共同影响[16]。利用KINETICS软件对实验数据进行分析处理，得到了C1、C2～C5、C1～C5、C6～C14和C6+的有关参数（表3）。动力学参数主要为频率因子（A）和活化能，其中，频率因子表示与碰撞频率相关的物理量，活化能则表示化学反应过程中所需的最小能量。活化能越高，反应所需能量越大、温度越高，粒子运动也越快[17]。笔者将占比最多和次之的活化能均视为主频活化能，用以更加准确地反应活化能相关特征。从曲线形态分析可知（图4、5），白果湾组泥页岩生成气态烃所需的活化能高于液态烃，生产C1所需活化能最高，转化所需的能量最大。实验条件下模拟的气态烃产率与热解生烃实验测定的气态烃产率具有很高的拟合度，能够有效地反映地质条件下的生烃情况。

表3 白果湾组泥页岩生烃动力学参数特征表

图4 昭觉凹陷白果湾组泥页岩生成气态烃的动力学参数图

图5 昭觉凹陷白果湾组泥页岩生成液态烃的动力学参数图

3.3 碳同位素特征

实验结果显示，样品热解产生的甲烷、乙烷和丙烷气体各自δ13C值（PDB）总体随着温度和成熟度的增大而增加，三者变化趋势基本一致且具有正序列特征，即δ13C1＜δ13C2＜δ13C3[18-22]。随着温度和EASY%Ro的增加，干酪根甲烷、乙烷和丙烷碳同位素组成逐渐增重（图6）。

图6 不同升温速率下气体碳同位素组成图

在有机母质热演化过程中，温度的变化，对干酪根生烃有着不同的影响。温度越高，甲烷产率也越大[23-25]。随着温度升高，分子的运动速率逐渐提升，破坏了原子间的结合力，导致碳同位素的分馏程度逐渐减小。由于12C—12C键能比13C—13C小，则优先释放出具有12C—12C键的甲烷，当温度较低和EASY%Ro＜1.3%时，干酪根脱烷基优先生成甲烷，然后由油裂解生成部分甲烷。

随着温度逐渐增加和EASY%Ro＞1.3%时，由油裂解释放产生的甲烷和干酪根释放产生的甲烷，二者碳同位素组成（δ13C1）基本趋于一致，并随温度增加而逐渐增重。

当EASY%Ro＜2.0%时，乙烷（δ13C2）和丙烷碳同位素组成（δ13C3）缓慢增重。然而，当EASY%Ro＞2.0%时，乙烷和丙烷碳同位素组成快速增重。在EASY%Ro＜2.0%的阶段，由干酪根裂化生成的乙烷和丙烷的量大于油裂解生成的量，碳同位素随着温度的增加而逐渐增重。在EASY%Ro＞2.0%的阶段，乙烷和丙烷油裂解生成量大于干酪根裂化生成量，碳同位素值随着温度的增加而快速增重。快速增重主要有两大原因：一是生成的乙烷和丙烷碳同位素组成受温度和成熟度影响较大，其随着温度和成熟度的不断增大而逐渐增重；二是具有较轻碳同位素组成的乙烷和丙烷优先裂解产生了甲烷，将碳同位素组成偏重的乙烷和丙烷剩下。二氧化碳碳同位素组成（δ13Cco2）在整个生烃过程中变化较小，表明二氧化碳的碳同位素组成基本上受温度和成熟度的影响很小。

4 生烃潜力分析

4.1 生烃特征

热模拟实验数据显示，升温速率不同，生烃产率也会受到不同的影响[26-27]。当温度相同时，泥页岩样品在2 ℃/h升温速率下的烃产率高于在20 ℃/h升温速率下的烃产率（图3）。相反，当产率相同时，在20 ℃/h升温速率下所需的生烃温度要高2 ℃/h升温速率下的生烃温度，这样就反应出泥页岩生烃过程中温度和时间是一个互相补充的关系。从获取的动力学参数（表3）分析可知，C1和C2～C5相比，具有较宽的活化能分布且值较大，生成C1的频率因子比生成C2～C5的频率因子要大，生成C1所需的活化能比生成C2～C5要高，生成C1转化所需能量比生成C2～C5要高。因此随着烃类碳数增加，其活化能越小，所需能量也越低。

4.2 生气强度

戴金星[28]将生气强度20×108m3/km2作为划分高、低生气强度区的界限，张福东[29]根据对鄂尔多斯盆地上古生界致密砂岩综合实验结果及地质条件分析研究，在低生气强度区油气仍然能够注入致密砂岩储层中，但生气强度要保证一定的下限。在不同地质条件下油气的运移阻力不同，因此，生气强度下限也不固定。总的来说，当地层埋藏深度小于3 000 m 时，生气强度不低于（7 ～ 10）×108m3/km2就能够实现有效的油气充注[29-32]。

笔者对昭觉凹陷两口钻井和典型剖面白果湾组烃源岩进行生气强度计算并编制了西昌盆地昭觉凹陷白果湾组泥页岩生气强度等值线图（图7），综合分析来看，昭觉凹陷白果湾组龙恩乡—俄尔古曲地区生气强度为（7.28～12.32）×108m3/km2，整体埋深小于2 500 m，属于低生气强度区，但均达到（7～10）×108m3/km2下限值，仍然可以实现有效充注。

图7 昭觉凹陷白果湾组泥页岩生气强度等值线图

4.3 生烃量

地质历史过程中，油气的生成遵循时温补偿原理，即地质历史中的低温长时过程可以用实验室中的高温短时过程来代替，也就是说，可以通过实验室再现地质历史中的油气生成过程，这为通过热模拟实验再现油气生成过程提供了依据[33-35]。

在2 ℃/h升温速率条件下的封闭热解实验中，白果湾组泥页岩最大生油量为127.24 mg/g·TOC，最大生气量为353.99 mL/g·TOC。由于实验是在封闭体系中进行，因此是在生成的烃又发生一定程度裂解的情况下得到的最大生烃量，假设测得的最大生烃量为实际最大生烃量的95%[36]，白果湾组泥页岩的最大生油率为8.15 mg/g，最大生油量为120.88 mg/g·TOC；最大产气率为22.68 mL/g，最大生气量为 336.29 mL/g·TOC。

由于昭觉凹陷整体勘探程度较低，综合考虑，利用有机碳—氢指数法估算总生烃量，采用计算公式如下：

式中Q生表示总生烃量，104t；H表示有效烃源岩厚度，km；S表示烃源岩面积，km2；ρ表示烃源岩密度，g/cm3；TOC表示残余有机碳含量；Kc表示有机碳恢复系数；HIO表示原始氢指数，mg/g；HIP表示残余氢指数，mg/g。

根据钻井和剖面资料，昭觉凹陷白果湾组有效烃源岩厚度为60 m，烃源岩面积为150 km2，泥页岩实测密度为2.65 g/cm3，残余有机碳平均含量为1.11%，有机质主要为Ⅱ2型，其有机碳恢复系数一般为1.3[37-39]。根据昭觉凹陷白果湾组岩石热解分析，原始氢指数平均为250 mg/g，残余氢指数平均为11.35 mg/g，根据公式计算得到泥页岩的生烃量为 8 213.27×104t。根据生烃量计算出泥页岩的生烃强度为54.8×104t/km2，显示昭觉凹陷具有较好的生烃潜力，具备形成中小型油气田的资源生成基础。

4.4 生烃模式

乙烷、丙烷与甲烷的碳同位素差值能够有效地判断天然气的主生成期，根据计算结果，当Ro为1.3%～1.85%时是昭觉凹陷白果湾组天然气的主生成期。甲烷稳定碳同位素与成熟度的关系能够有效地划分天然气的成熟阶段[40]，根据计算结果，当Ro为0.81%～1.24%时主要为成熟天然气，当Ro为1.24%～2.0%时主要为高成熟天然气。

生烃模式对低油气勘探区的油气地质研究具有较好的指导作用[41-44]。为了有效地揭示昭觉凹陷白果湾组泥页岩生烃潜力，本文采用2 ℃/h的升温速率条件下所获取的各类参数建立了高温高压封闭体系条件下昭觉凹陷上三叠统白果湾组泥页岩的生烃模式并恢复了白果湾组泥页岩的生烃演化过程（图8）。

图8 高温高压封闭体系条件下白果湾组泥页岩生烃模式图

根据页岩生烃模式，昭觉凹陷页岩在0.5%≤Ro＜1.24%阶段生成C1和C1～C5的产率增长速度最大，为页岩生烃的成熟阶段；在1.24%≤Ro＜2.0%阶段生成C1和C1～C5的产率增长速度较大，为页岩生烃的高成熟阶段，同时也是重烃气的主要生成阶段，C5和C4的产量极少，主要为C2和C3。C2和C3的产率分别在Ro为1.70%和1.38%达到最大1.59 mL/g 和 0.50 mL/g。

基于高温高压封闭体系实验条件下，王东良等[45]分析认为，烃源岩在其Ro为2.5%之后的过成熟阶段仍然具有较大的生气潜力，生气量可以占到总生气量的20%以上，生气下限能延伸到Ro为5.0%的阶段，Mahlsted等[46]认为，Ro值为5.0%之后依然有大量的天然气生成。昭觉凹陷白果湾组页岩在Ro＞2.0%，C1和C1～C5的产率增长速度仍然较高，在Ro=2.8%时产率又开始急剧增高，Ro为4.45%时，C1和C1～C5的产率有所下降，但实验条件下依然在增长，重烃气的产率越来越小，C2和C3的产率分别在Ro为3.6%和2.4%时完全裂解，为生烃的过成熟阶段，即干气阶段，以甲烷为主。

5 结论

1）通过高温高压封闭体系条件下生烃动力学实验，确定了昭觉凹陷泥页岩的生烃产率和生成C1、C1～ C5、C2～ C5、C6～ C14和 C6+的平均活化能、主频活化能与频率因子等参数。结果表明，泥页岩在不同温度条件下烃的产率差异较大，生成气态烃所需的活化能高于液态烃，生产C1所需活化能最高，转化所需的能量最大。

2）西昌盆地昭觉凹陷白果湾组泥页岩的生烃量为 8 213.27×104t，生烃强度为 54.8×104t/km2，具备形成中小型油气田的资源生成基础，是四川盆地周缘可供勘探的目标之一。

3）热演化成熟度是影响泥页岩生烃的主要因素之一，在开展黄金管热模拟实验时要充分考虑到所选样品的成熟度，由于Ro＞0.5%样品已有烃排出使得产烃率偏低，因此尽可能选取Ro＜0.5%的低成熟样品，更好的保证产烃率的真实性。

4）在实验室高温高压封闭体系条件下，当前的泥页岩生烃模式表明，昭觉凹陷白果湾组泥岩在Ro值大于2.8%之后的仍然具有较大的生气潜力，C1和C1～C5的产率仍保持增长趋势。