准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组烃源岩生烃动力学特征

2022-07-08牛志杰金开来李沛毅许多年陈刚强

岩性油气藏 2022年4期

白雨，汪飞，牛志杰，金开来，李沛毅，许多年，陈刚强

（1.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依 834000；2.中国石油大学（北京）克拉玛依校区石油学院，新疆克拉玛依 834000；3.中国石油勘探开发研究院西北分院，兰州 730020）

0 引言

生烃动力学实验是对地下烃源岩模拟生成油气的一个重要方法，是烃源岩生烃潜力评价中非常关键的一步［1-2］。大多数生烃动力学研究采用热模拟实验获得相关参数［3］，其中又以封闭体系黄金管热解模拟装置应用最为广泛［4-5］。学者们在国内外各大型含油气盆地，如淡水湖相沉积的冀中坳陷饶阳凹陷古近系沙三段烃源岩、廊固凹陷沙三段烃源岩［6］、黑鱼泡凹陷白垩系青山口组烃源岩［7］；咸水湖相沉积的惠民凹陷古近系沙三段烃源岩［8］、东营凹陷古近系沙四段烃源岩［9］、松辽盆地西部晚白垩系嫩江组烃源岩［10］、江汉盆地潜江凹陷古近系潜江组烃源岩［11］，准噶尔盆地吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩［12］；海相沉积的渤海湾盆地济阳坳陷下古生界碳酸盐岩［13］、鄂尔多斯盆地东北缘山西组2 段烃源岩［14］、三塘湖盆地烃源岩［15］、四川盆地广元地区大隆组烃源岩［16］、美国德克萨斯州Fort Worth Basin密西西比系Barnett 烃源岩及俄克拉荷马州Arkoma Basin 的密西西比系Woodford 烃源岩［17］都进行了生烃动力学研究。

现有研究认为，玛湖凹陷风城组形成于古盐度高、还原性强的碱湖沉积环境［18-20］。碱湖水体生物贫乏但菌、藻类发育，以菌、藻类为主的生油母质是富化了富氢组分的有机质，烃转化率高，碱性越大，生烃能力越强，属于好—极好级的烃源岩［21-22］。美国绿河组页岩和中国泌阳凹陷的核桃园组均为典型的碱湖沉积［23-25］，形成于古近纪始新世，准噶尔盆地二叠系风城组烃源岩为较古老的碱湖烃源岩［26］。已有研究大多只关注单一盆地，未开展不同盆地、不同沉积环境热模拟数据结果的对比。为明确准噶尔盆地二叠系风城组烃源岩生烃能力，挑选具有代表性的烃源岩样品，开展封闭体系的黄金管热模拟生烃动力学实验模拟其生烃过程，建立玛湖凹陷二叠系风城组碱湖相烃源岩热解生烃模式。同时，收集整理14 个不同凹陷的烃源岩黄金管热模拟生烃实验数据，并进行不同沉积环境烃源岩的对比分析，以明确碱湖相烃源岩的生烃能力及其特征。

1 地质概况

玛湖凹陷位于中国新疆准噶尔盆地西北部，是公认的富烃凹陷［27-28］，面积近5 000 km2（图1a），历经晚海西运动、印支运动、燕山运动，在燕山末期覆盖定型。玛湖凹陷自上而下发育白垩系吐谷鲁群（K1tg），侏罗系齐古组（J3q）、三工河组（J2s）、八道湾组（J1b），三叠系白碱滩组（T3b）、克拉玛依组（T2k）、百口泉组（T1b），二叠系下乌尔禾组（P2w）、夏子街组（P2x）、风城组（P1f）、佳木河组（P1j）。侏罗系与三叠系、三叠系与二叠系、二叠系和石炭系均为区域性不整合接触（图1b）。

图1 准噶尔盆地玛湖凹陷构造位置（a）与岩性地层综合柱状图（b）Fig.1 Structural location（a）and stratigraphic column（b）of Mahu Sag，Junggar Basin

1955 年在玛湖凹陷源外与源边的克拉玛依—乌尔禾断裂带发现了新中国第一个大油田，即克拉玛依油田，经过六十多年的勘探开发，发现该区多层系成藏，形成了自克拉玛依至乌尔禾连绵100 km的油气富集带，累计探明储量约20×108t。近几年，该区油气勘探逐步从源外转向源内，在玛湖凹陷内发现10×108t 三级储量，累计探明储量占盆地储量的75%左右。近30×108t 探明储量主要来源于玛湖凹陷二叠系风城组烃源岩，该套地层是准噶尔盆地西北缘和玛湖凹陷的主力烃源岩之一［29-30］。

二叠系风城组地质特征复杂多变，在平面及垂向上岩性差异较大。风城组属于扇三角洲—湖相沉积体系，玛湖凹陷的西北缘主要为砂砾岩沉积，向凹陷内逐渐演变为砂岩沉积，中心地带主要为碱湖环境沉积的泥质白云岩、白云质泥岩等，且发育了大量的特征性碱类矿物，生烃潜力巨大。

2 实验样品与内容

2.1 实验样品

玛湖凹陷二叠系风城组主力烃源岩的动力学特征研究的关键在于选择具有代表性的样品，从而建立起相应的生烃动力学模式。此次实验在多块样品分析测试的基础上，选择出2 块取自风南7 井（FN7）的泥质白云岩样品，泥质白云岩在研究区广泛分布，生烃潜力大，为风城组的主力烃源岩。样品成熟度较低，Ro值均为0.6%，有机质丰度较高，TOC值分别为0.856 3%和1.369 9%（表1）。

表1 准噶尔盆地玛湖凹陷FN7 井二叠系风城组实验样品的地球化学信息Table 1 Geochemical information of experimental samples of Permian Fengcheng Formation of well FN7 in Mahu Sag，Junggar Basin

2.2 实验内容

实验仪器采用中科院广州地化所研制的生烃动力学热模拟实验装置（专利号：CN101149363）［31］，实验过程及标准遵循石油天然气行业标准“黄金管生烃热模拟实验方法［32］”。

热模拟实验过程为：①在压力为50 Mpa 的条件下，每个样品分别以2 ℃/h 和20 ℃/h 的升温速率,从室温加热至600 ℃，并保持600 ℃恒温1 h。②从336 ℃到600 ℃，每隔24 ℃，对样品的气态产出物进行定性、定量及碳同位素分析；对液态产出物中的轻组分（C6—C14）进行气相色谱（GC）定性、定量分析；对液态产出物中的重组分（C14+）进行有机抽提、称重分析；对热解油全组分进行气相色谱-质谱（GC-MS）分析；对热模拟烃类气态产出物进行产率定量及生烃动力学参数计算。③最后得到原岩及原始干酪根的热解及TOC数据（表2、表3）。

表2 准噶尔盆地玛湖凹陷FN7 井二叠系风城组烃源岩样品YF1 的升温热解过程中气态物与液态物产率Table 2 Production of gaseous and liquid products during pyrolysis of source rock sample YF1 of Permian Fengcheng Formation of well FN7 in Mahu Sag，Junggar Basin

表3 准噶尔盆地玛湖凹陷FN7 井二叠系风城组烃源岩样品YF2 的升温热解过程中气态物与液态物产率Table 3 Production of gaseous and liquid products during pyrolysis of source rock sample YF2 of Permian Fengcheng Formation of well FN7 in Mahu Sag，Junggar Basin

本次研究采用Kinetic 软件进行数据处理。该软件应用多个平行一阶反应的生烃动力学模式，其中，所有平行反应具有共同的频率因子。利用实验得到的动力学参数，再根据实际地质条件进行生烃预测。

3 实验结果与分析

3.1 液态产物的生成和裂解

烃源岩生烃过程中，重质油的生成要早于轻质油，以YF2 岩样以20 ℃/h 速率升温为例，2 种组分达到最大产量对应的温度分别约为384.2 ℃和456 ℃。当热解温度高于384.2 ℃时，重质油产量迅速降低，而轻质油产量仍不断上升。实际上，液态烃或轻质油主要来源于早期生成重质组分的热分解。Ⅰ型有机质的热解生烃以油为主，而到了504 ℃的高温阶段以后，封闭体系中甲烷的产量迅速增加，这是由早期生成液态产物及湿气的裂解而成。

在整个热模拟实验演化过程中，气态产物以C1为主（图2a），其次为C2—C5（图2b）。以YF2 岩样，2 ℃/h的升温速率（YF2-13至YF2-24）为例，在热模拟实验演化过程中，早期气态烃含量极少，随着温度的上升，当温度到408.1 ℃时，开始有重烃降解为碳数更小的气态烃。其中，C1的产率随温度升高逐渐增大，在模拟温度600 ℃时，产率达到峰值，为114.33 mg/（g·TOC）；C2—C5产率在模拟温度458 ℃左右达到高峰，为76.36 mg/（g·TOC），温度超过530.3 ℃之后，几乎所有的C2—C5都裂解为热力学更稳定的甲烷。通过2 个升温速率的对比可知不同的升温速率对天然气的生成具有一定的影响，但差异不大，升温速率越小，对应的产气温度越低。

图2 准噶尔盆地玛湖凹陷FN7 井二叠系风城组烃源岩热模拟实验气态烃C1（a）与C2—C5（b）产率随温度变化的曲线Fig.2 Variation of gaseous hydrocarbon C1（a）and C2—C5（b）yields with temperature in thermal simulation of source rocks of Permian Fengcheng Formation of well FN7 in Mahu Sag，Junggar Basin

液态物产率随温度升高先升高后降低（图3a），总烃产率也随温度升高先增大后减小，但降低幅度较小（图3b），表明液态烃产率开始下降后，气态烃产率是增大的，减缓了总烃产率的下降速率。以2 ℃/h 升温速率的实验结果为例，FN7 井烃源岩2 个样品的液态烃均仅出现1 个生油高峰，其中样品YF1 在模拟温度425 ℃左右，液态烃产率达到峰值，为150.03 mg/（g·TOC）；样品YF2 在模拟温度410 ℃左右，液态烃产率达到峰值为73.46 mg/（g·TOC）。当实验升温速率不同时，烃源岩的烃产率也不同。在实验过程中，以2 ℃/h 和20 ℃/h 的升温速率对烃源岩进行加热时，发现当加热到两者产率相同时，以2 ℃/h 的升温速率加热时，生烃温度更低，说明烃源岩生烃时反应温度和反应时间具有一定的互补性，高温短时间和低温长时间可以达到相同的反应程度。

图3 准噶尔盆地玛湖凹陷FN7 井二叠系风城组烃源岩热模拟实验液态烃产率（a）与总烃产率（b）随温度变化的曲线Fig.3 Variation of liquid hydrocarbon yield（a）and total hydrocarbon yield（b）with temperature in thermal simulation of source rocks of Permian Fengcheng Formation of well FN7 in Mahu Sag，Junggar Basin

黄金管热模拟实验显示准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组烃源岩的总烃产率高，以生油为主，生气相对较少，且只有一个生油高峰期。

3.2 热模拟样品生烃动力学参数

理论上讲，应用Kinetic 软件可计算任一成分生烃动力学参数。在实际运用中，可将各烃类分组再分别计算出他们的动力学参数。此次实验将气态烃热解的产物分为轻烃气（C1）和重烃气（C2—C5）2组，将液态烃热解的产物分为轻质油（C6-C14）和重质油（C14+）2 组。

通过使用生烃动力学专用软件Kinetic 对玛湖凹陷风城组2 个样品生烃动力学数据进行拟合计算与动力学参数模拟，得到生烃动力学参数。以样品YF1 为例，C1生成活化能为197～289 kJ/mol，主峰值为268 kJ/mol（图4a）；C2—C5生成活化能为209～310 kJ/mol，主峰值为255 kJ/mol（图4b）；C6—C14轻质油生成活化能222～272 kJ/mol，主峰值为251 kJ/mol（图4c）；C14+重油生成活化能为201～264 kJ/mol，主峰值为247 kJ/mol（图4d）。A为数据处理时采用的指前因子。

图4 准噶尔盆地玛湖凹陷FN7 井二叠系风城组烃源岩YF1 样品中C1（a），C2—C5（b），C6—C14（c）和C14+（d）生成的活化能统计Fig.4 Distribution of activation energy for C1（a），C2—C5（b），C6—C14（c）and C14+（d）of source rock sample YF1 of Permian Fengcheng Formation of well FN7 in Mahu Sag，Junggar Basin

对比分析气态烃类和液态烃类生成的活化能，发现气态烃类生成的活化能比液态烃类的分布范围更宽（图5）。因为气态烃类既可直接来源于有机质，也可来源于液态烃类的裂解。现有研究成果显示液态烃类开始裂解为气态的温度大约为170 ℃，在快速升温的条件下，开始裂解的温度可以略高于200 ℃；液态烃类全部裂解成气态烃的转换率为50%～60%［33-34］。

图5 准噶尔盆地玛湖凹陷FN7 井二叠系风城组烃源岩中气态烃与液态烃生成的活化能统计对比Fig.5 Distribution and proportion of activation energy of gaseous and liquid hydrocarbons of source rocks of Permian Fengcheng Formation of well FN7 in Mahu Sag，Junggar Basin

3.3 碳同位素特征

分析烃源岩热模拟实验碳同位素值（δ13C）的变化，可知该区样品天然气的碳同位素呈现如下特征：碳同位素值一般随碳链长度增加而增大，呈正序分布，即δ13C1<δ13C2<δ13C3。样品YF1 的δ13C1为-45‰～-34‰，δ13C2为-37‰～-15‰，δ13C3为-35‰～-15‰；样品YF2的δ13C1为-46‰～-34‰，δ13C2为-36‰～-10‰，δ13C3为-35‰～-5‰。不同碳数烃的碳同位素差别受成熟度影响较小，单体化合物碳同位素与成熟度有关，呈现两头高、中间低的曲线特征。以20 ℃/h 升温速率进行热模拟的结果显示：δ13C1曲线在400 ℃左右发生转折，在转折点前呈微下降的趋势，之后缓慢上升，且δ13C1在Ro>1.5%时与Ro值表现为近线性关系；δ13C2和δ13C3与δ13C1的曲线形态类似，在500 ℃时出现不明显转折，转折点之前碳同位素变化小，转折点后增加非常快（图6）。

图6 准噶尔盆地玛湖凹陷FN7 井二叠系风城组烃源岩热模拟实验碳同位素随Ro的变化特征Fig.6 Variation of carbon isotope with Ro in thermal simulation of source rocks of Permian Fengcheng Formation of well FN7 in Mahu Sag，Junggar Basin

4 生烃模式及其对比

4.1 风城组碱湖相生烃模式

烃源岩的生烃模式对油气勘探具有重要的指导意义。为研究玛湖凹陷二叠系风城组烃源岩的生烃演化规律，将风城组的泥质白云岩样品YF1 和YF2以2 ℃/h 的升温速率对其进行加热实验，利用其生烃动力学参数和烃类产率，结合饱和烃色谱特征构建了玛湖凹陷风城组烃源岩的生烃模式（图7）。

图7 准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组烃源岩生烃模式Fig.7 Hydrocarbon generation model of source rocks of Permian Fengcheng Formation in Mahu Sag，Junggar Basin

从烃源岩样品的生烃模式及气、液态烃产率可以看出，当Ro<0.5%时，烃源岩处于未成熟阶段，基本无气体产生；当0.5%≤Ro<1.2% 时，C1—C5产率逐渐升高，为烃源岩生烃的成熟阶段；当1.2%≤Ro<2.0%时，C1—C5产率增长速率最大，表示烃源岩生烃进入高成熟阶段；当Ro≥2.0%时，C1—C5产率增长速率又逐渐减至最小，且C2，C3，C4和C5在Ro≥2.0%后全部裂解。实验数据显示C5最先裂解，C2最晚裂解，表明碳链越长的气态烃越不稳定，在高温下更容易裂解为低链烃，这也使重烃气产率越来越小，此时为烃源岩生烃的过成熟阶段即热裂解干气阶段，此阶段以轻质油和湿气的裂解作用为主，产物主要为C1。

热模拟实验显示玛湖凹陷二叠系风城组烃源岩在Ro≥2.0%时，即过成熟阶段，仍有不小的生成天然气的潜力，可一直延续到Ro=5.0%，此时生成的天然气主要为碳链较短的轻气烃。当Ro=4.5%时，C1仍然有较明显的增长，表明此时的烃源岩依然在产生天然气。

对于玛湖凹陷风城组烃源岩生烃模式中液态烃产率，在Ro<0.5%时，烃源岩处于未成熟阶段，几乎不产生液态烃。在0.5%≤Ro<1.2%的成熟阶段，产生的液态烃主要为碳数大于14的烃类；随着成熟度逐渐增加，温度也逐渐升高，碳数大于14 的烃类逐渐裂解，生成的液态烃主要由碳数在6～14 的烃类组成。在Ro≥2.0%的过成熟阶段，烃源岩生成的液态烃很少，随着温度继续升高，在Ro=4.5%时几乎不再生成液态烃或者液态烃完全裂解。

从各类烃产率可以看出，在有机质成熟度较低时，烃源岩主要生油。在Ro=0.6%时，烃源岩生成的烃类基本都是液态烃；烃源岩随着温度升高，成熟度逐渐增加，生油量减小，而生气量增加。当Ro为1.5%左右时，烃源岩的生油量与生气量差不多相等。当Ro≥2.0%时，烃源岩生成的烃类主要是气态烃。在烃源岩成熟后的各个阶段，都有较高的烃类物质产生，表明玛湖凹陷风城组烃源岩的生烃总量很大，有机质丰度高。

4.2 生烃模式及生烃能力对比

通过调研国内外相关文献，收集整理了14 个来自不同凹陷的烃源岩样品热模拟生烃实验数据，并按湖相、咸水湖相、海相等沉积相类型将所搜集到的数据进行分类（表4）。通过文献调研搜集整理到的各沉积相的烃源岩样本数据来自不同的地区、不同深度与层位，样品的TOC含量也各不相同，这就意味着要想较为客观准确地判断烃源岩的生烃效率，不能单纯依靠烃源岩热模拟实验得到的烃类产率，而单位TOC的烃类产率这一指标就很好地解决了这个问题，其含义为每克烃源岩中所含1%的TOC产生的烃类量。

表4 国内外不同沉积盆地烃源岩实验样品地球化学参数Table 4 Geochemical parameters for experimental source rock samples in different sedimentary basins at home and abroad

各烃源岩样本的液态烃产率均呈先升后降的趋势，存在一个生油高峰。相对而言，准噶尔盆地玛湖凹陷二叠系风城组碱湖相烃源岩大量生油的温度区间较宽，为350～550 ℃，属于中等偏上，宽于海相烃源岩生油温度区间，略宽于湖相烃源岩生油区间，与松辽盆地西部烃源岩和潜江凹陷烃源岩的生油区间差不多，但窄于吉木萨尔凹陷烃源岩的生油温度区间。对风城组碱湖相烃源岩样品YF1，以2 ℃/h 的升温速率进行升温测试，在385.0 ℃时达到生烃高峰，烃产率为465.85 mg/（g·TOC）（图8a）；以20 ℃/h 的升温速率升温，在408.0 ℃时达到生烃高峰，烃产率为452.79 mg/（g·TOC）（图8b）。咸化湖相的吉木萨尔凹陷烃源岩的生油峰值最大，当升温速率为2 ℃/h 时，在360.0 ℃达到生烃高峰，烃产率为629.71 mg/（g·TOC）；当升温速率为20 ℃/h时，在400.0 ℃达到生烃高峰，烃产率为649.30 mg/（g·TOC）。海相的鄂尔多斯盆地烃源岩生油峰值最小，当升温速率为2 ℃/h 时，在385.3 ℃达到生烃高峰，烃产率为25.09 mg/（g·TOC）；当升温速率为20 ℃/h 的时，在432.0 ℃达到生烃高峰，烃产率为27.80 mg/（g·TOC）。风城组烃源岩的生油持续时间较长，比一般湖相和海相烃源岩样本持续时间长，略短于咸化湖相的吉木萨尔凹陷烃源岩。

图8 国内外不同沉积盆地烃源岩生油能力对比Fig.8 Oil generation capacity of source rocks in different sedimentary basins at home and abroad

风城组碱湖相烃源岩生气能力在所有样品中属于中等偏上，比湖相黑鱼泡凹陷、饶阳凹陷、惠民凹陷以及咸化湖相的吉木萨尔凹陷的烃源岩生气能力弱，但比其他样品生气能力强，尤其远胜于海相的鄂尔多斯盆地、三塘湖盆地、济阳坳陷烃源岩的生气能力。当升温速率为2 ℃/h 时，快速生气阶段的温度区间中等，为450～500 ℃（图9a），在此温度区间内气态烃产率迅速升高，并在此温度之后维持在相对较高的水平。出现这种现象的原因是在加热末期，大量重烃气（C2-5）开始发生裂解生成相对分子质量更小的甲烷，导致气态烃总体积膨胀，而重量基本维持不变。当升温速率为20 ℃/h 时，快速生气阶段的温度区间中等，为410～500 ℃（图9b），最终生气量略高于升温速率为2 ℃/h 时。风城组碱湖相烃源岩达到最大气态烃产率时的Ro值相对较小，在Ro＜2.0% 时就已经进入气态烃产率峰值阶段，而海相和咸化湖相烃源岩达到生气峰值的Ro要略微滞后，但也集中在Ro=2.0%附近。

图9 国内外不同沉积盆地烃源岩生气能力对比Fig.9 Gas generation capacity of source rocks in different sedimentary basins at home and abroad

热模拟实验数据显示，风城组碱湖相烃源岩和咸化湖相烃源岩的生烃能力整体上较海相烃源岩明显强，不管是生烃总量，还是生烃持续时间，都明显优海相烃源岩。相对于淡水湖相烃源岩，咸化湖相和碱湖相烃源岩的生烃能力优势不明显，也没有呈现双峰生烃模式，这一结论与刘得光等［35］的观点吻合。

准噶尔盆地玛湖凹陷风城组烃源岩Ro普遍超过0.6%，平均为1.4%，凹陷中心区为1.6%，表明该套烃源岩普遍处于成熟—高成熟阶段，以生油为主，生气为辅，未达到过成熟的大量生气阶段［36-37］。玛湖凹陷及其周缘已发现的近30×108t 探明储量绝大多数为油藏，天然气藏极少，也从勘探结果上证实了该认识。