准噶尔盆地南缘侏罗系煤生烃热模拟实验研究

2022-10-26李二庭马万云马新星潘长春曾立飞

现代地质 2022年5期

李二庭，马万云，李际，马新星，潘长春，曾立飞，王明

(1.新疆砾岩油藏实验室，新疆克拉玛依 834000；2.中国石油新疆油田分公司实验检测研究院，新疆克拉玛依 834000；3.新疆宇澄热力股份有限公司，新疆克拉玛依 834000;4.中国科学院广州地球化学研究所，广东广州 510640)

0 引言

准噶尔盆地南缘位于盆地南部北天山山前坳陷带，由西向东，依次为四棵树凹陷、霍玛吐背斜带和阜康断裂带，北面与沙湾凹陷、莫南凸起和阜康凹陷相接[1]。自油气勘探以来，南缘陆续发现了独山子、齐古、卡因迪克、呼图壁、玛河等中小型油气田，累计探明石油地质储量2 719.5×104t、天然气地质储量329.6×108m3，探明率相对较低，总体探明程度不足10%。前人虽然已经从构造演化、储层发育、盖层分布、保存条件等油气成藏条件及生储盖层组合[2-6]，生排烃期与圈闭形成期的时空匹配等方面进行了大量的研究，形成了很多成果认识，但对于南缘天然气资源潜力问题仍需要进一步探索。特别是2019年南缘西段四棵树凹陷高探1井的重大发现，获得日产油1 213 m3，日产气32×104m3，南缘冲断带霍玛吐背斜带东段发现呼探1井凝析气藏，获得日产气61×104m3，日产凝析油87.1 m3的高产，南缘下组合勘探的连续突破显示了南缘丰富的油气资源[7-8]。

准噶尔盆地南缘发育二叠系、中下侏罗系、白垩系吐谷鲁群和古近系安集海河组四套烃源岩。其中，中、下侏罗统烃源岩主要为一套以河流、湖泊和沼泽相为主的含煤碎屑岩建造，是准噶尔盆地南缘主力烃源岩系。侏罗系发育暗色泥岩、煤和碳质泥岩，以Ⅱ2型和Ⅲ型为主，是该区域最为重要的烃源岩[9-10]。高探1井原油Pr/Ph为3.77，Pr/nC17和Ph/nC18分别为0.25和0.07，全油碳同位素为-26.82‰，天然气甲烷和乙烷碳同位素分别为-40.49‰和-29.14‰，油气主要来自高成熟的侏罗系烃源岩[8]，天然气可能具有二叠系贡献[11]，呼探1井原油Pr/Ph为1.17，Pr/nC17和Ph/nC18分别为0.38和0.34，全油碳同位素为-28.67‰，天然气甲烷和乙烷碳同位素分别为-31.53‰和-24.37‰，油气主要来自高成熟的侏罗系烃源岩，原油重烃部分可能有二叠系贡献。

南缘煤主要发育在侏罗系八道湾组和侏罗系西山窑组，厚度在5～60 m之间，有机碳含量分布范围为40.6%～91.9%，平均为63.9%，热解烃潜力分布范围为11～327 mg/g，平均为134 mg/g。前人提出煤成油的概念使得煤系烃源岩的生油备受关注[12]。包建平等[13]通过对比原油中生物标志物的组成特征，提出了柴达木盆地牛东地区的原油具有典型的煤成油特征。杨鹏程等[14]采用热模拟实验证实了西湖凹陷平北地区平湖组煤具有较高的生油能力，煤成油在研究区广泛存在。那么，准噶尔盆地南缘地区侏罗系煤生烃能力如何？王屿涛等[15]根据准噶尔盆地中下侏罗统泥岩和煤的地球化学特征认为南缘侏罗系油藏主要与泥质烃源岩有关。姚素平等[16]采用富集角质体和基质镜质体的煤样进行热模拟实验，认为煤具有一定的生油能力。郑建京等[17]对准噶尔盆地阜东地区侏罗系煤系烃源岩演化过程地球化学特征进行了较为全面的研究，认为Ro(镜质体反射率)在1.40%～1.70%是干酪根大量排烃阶段。李吉君等[18]采用化学动力学方法，对准噶尔盆地南缘西山窑组煤模拟了其生气过程，认为其主要生气期为燕山运动期。朱明等[19]对准噶尔盆地南缘侏罗系烃源岩进行了热模拟实验，认为煤生烃潜力高于炭质泥岩。总体而言，前人对准噶尔盆地南缘地区不同层位侏罗系煤生烃能力、是否具有大规模生油或生气能力，以及不同演化阶段生烃组成如何变化的研究较少。本次研究选取准噶尔盆地南缘地区不同层位低成熟煤样品，采用黄金管-高压釜热模拟体系，详细开展了煤生油和生气产率及碳同位素演化特征研究，对南缘油气资源评价和油气源分析具有重要意义。

1 实验样品与分析方法

1.1 样品分析

在准噶尔盆地南缘西段四棵树凹陷到东段阜康地区选取侏罗系八道湾组(J1b)和西山窑组(J2x)共9个煤样进行黄金管-高压釜热模拟实验，煤样基本地球化学参数见表1。选取的煤样镜质体反射率Ro分布范围为0.39%～0.76%，Tmax值分布范围为424～453 ℃，整体处于低熟-成熟演化阶段，氢指数HI分布范围为141～210 mg/g，主要为Ⅱ2型有机质类型，具有较好的生烃潜力。

表1 准噶尔盆地南缘侏罗系煤样基本地球化学参数

1.2 黄金管-高压釜热模拟实验条件

生烃实验采用黄金管-高压釜热模拟体系[20]，高压釜热模拟实验条件：煤样在10 h内从室温升至250 ℃，然后分别以2 ℃/h和20 ℃/h升温至600 ℃，在324 ℃时取出第一个样品，然后每间隔12 ℃取出高压釜，快速冷却，模拟压力保持在50 MPa。

1.3 热模拟气态烃定量及碳同位素分析

热模拟后，金管中的气体在特制的玻璃真空装置中被刺破收集。该装置与Agilent HP6890N型色谱仪器相连，通过自动控制程序，可将气态产物吸入色谱仪进行分析，定量方法见文献[21]。

气态烃碳同位素采用Delta V Advantage同位素质谱仪分析，色谱柱为CP-Pora PLOT Q石英柱(30 m×0.32 mm×20 μm)。色谱柱初始温度38 ℃，恒温5 min，以8 ℃/min升至180 ℃，恒温15 min，载气为氦气，载气流速为2 mL/min。

1.4 热模拟液态烃定量分析

将金管剪成碎块装入小瓶中，加入3 mL正戊烷浸泡，采用微型进样针加入0.008～0.014 mg的标准样品溶液(氘代正二十二烷和氘代正二十四烷)，用超声波超声均匀，取上清液进色谱分析。采用Agilent HP6890型色谱仪，HP-5色谱柱(30 m×0.32 mm×0.25 μm)。升温程序：起始温度50 ℃，恒温5 min；然后以2 ℃/min升温至150 ℃，再以4 ℃/min升温至290 ℃，最后恒温15 min。色谱分析完成后，将C6—C14之间的烃类组分的峰面积合并，通过内标定量法计算得到轻烃含量。然后将剩余样品溶液过滤，分离出正戊烷溶液和固体残渣，固体残渣用二氯甲烷:甲醇(体积比93:7)混合溶剂进行索氏抽提72 h，将抽提物与正戊烷溶液合并，常温下挥发得到沥青A产物并进行定量分析，轻烃+沥青A含量即为生油量。

2 煤样热模拟实验结果

2.1 煤样热模拟温度与成熟度关系

镜质体反射率(Ro)是应用最为广泛的烃源岩成熟度参数。其中，Eazy%Ro常用于计算热模拟样品成熟度的方法[22]，但该方法计算的成熟度值与实际地质样品成熟度有出入，且在高演化阶段误差更加明显。相关研究针对这种情况建立了在2 ℃/h升温速率热模拟条件下，热模拟温度与成熟度的对应关系[23]。本次研究通过对120个热模拟固体残渣磨片，测定Ro，每个温度点煤样残渣随机测定50个测点，取平均值为实测Ro数据，并基于前人的研究经验及公式，建立了温度与成熟度Ro关系：Ro=0.2766e0.0048T- 0.68，相关系数R2=0.9796，线性关系较好(图1)，能够较好地应用于煤系烃源岩热模拟过程成熟度表征。

图1 准噶尔盆地南缘侏罗系煤样实测Ro与热模拟温度关系曲线图Fig.1 Curve of measured Ro and thermal simulation temperature of Jurassic coal from the southern margin of Junggar Basin

图2 不同温度模拟条件下煤样计算Eazy%Ro与公式计算Ro对比图Fig.2 Comparison of Eazy% Ro and formula calculation Ro of coal under different temperature simulation conditions

图3 准噶尔盆地南缘侏罗系煤样生油产率-Ro关系曲线图Fig.3 Relationship between oil yield and Ro of Jurassic coal from the southern margin of Junggar Basin

图2为煤样经过不同温度热模拟后的理论计算成熟度Eazy%Ro和利用本次研究建立公式计算的成熟度Ro，通过对比可以看出，在较低的热模拟温度范围，两者区别较小，<380 ℃时，差异小于0.10%；热模拟温度>380 ℃后，随着热模拟温度升高，Eazy%Ro与公式计算Ro值的差越大，差异最大可达0.84%。

2.2 煤样生油产率特征

煤样热模拟生油产率包括轻烃(C6—C14)和沥青A，随着热模拟成熟度的升高，煤样生油产率呈现“快速升高→快速降低→缓慢减低→趋于平稳”的特征(图3)，与前人研究结果一致[24]。从图3可以看出，不同煤样生油产率明显不同，西山窑组煤样的生油高峰比八道湾组煤样早。侏罗系八道湾组(J1b)煤样在Ro=1.07%时达到生油高峰，最大生油产率分布范围为60.13～83.27 mg/g，侏罗系西山窑组(J2x)煤样在Ro=0.96%时达到生油高峰，最大生油产率分布范围为27.14～62.14 mg/g，侏罗系八道湾组煤样生油产率明显高于西山窑组煤样。煤样C6—C14轻烃产率随成熟度的演化特征与生油产率一致(图4)，侏罗系八道湾组(J1b)煤样C6—C14轻烃在Ro=1.31%时达到高峰，最大产率分布范围为7.29～19.17 mg/g，侏罗系西山窑组(J2x)煤样C6—C14轻烃在Ro=1.17%时达到高峰，最大产率分布范围为7.63～9.22 mg/g，侏罗系八道湾组煤样C6—C14轻烃产率高于西山窑组煤样。轻组分产率峰值Ro较生油产率峰值Ro要大，说明C6—C14轻烃的生成较重组分需要更高的裂解温度，C14+重组分先裂解成C6—C14轻烃。

图4 准噶尔盆地南缘侏罗系煤样C6—C14产率-Ro关系曲线图Fig.4 Relationship between C6-C14 yield and Ro of Jurassic coal from the southern margin of Junggar Basin

2.3 煤样气态烃产率特征

从准噶尔盆地南缘不同层位煤样的热模拟累计气态烃产率(图5)可以看出，侏罗系八道湾组(J1b)煤样和西山窑组(J2x)煤样的累计总气态烃(C1—C5)产率接近，八道湾组煤样最大生气产率范围为121.41～135.39 mg/g，西山窑组煤样最大生气产率分布范围为92.23～141.26 mg/g，生气周期长，在Ro=3.60%依然有大量气体产生。煤样生气产率呈现“初始生气→快速生气→缓慢生气→生气结束”的特征。在Ro=0.96%时，为煤样初始生气阶段，八道湾组煤样总气态烃产率分布范围为11.63～15.82 mg/g，占总生气量的10.9%～12.6%；西山窑组煤样总气态烃产率分布范围为10.80～24.04 mg/g，占总生气量的11.1%～18.3%，说明部分西山窑组煤样较八道湾组煤样生气早。在Ro=0.96%～1.65%为煤样快速生气阶段，八道湾组煤样总气态烃产率分布范围为65.97～92.04 mg/g，占总生气量的59.4%～68.2%，西山窑组煤样总气态烃产率分布范围为52.63～97.40 mg/g，占总生气量的51.8%～69.0%；在Ro=1.65%～3.04%为煤样缓慢生气阶段，八道湾组煤样总气态烃产率分布范围为100.52～120.92 mg/g，占总生气量的88.2%～94.4%，西山窑组煤样总气态烃产率分布范围为82.68～127.61 mg/g，占总生气量的81.4%～90.5%；在Ro>3.60%为煤样生气结束阶段，累计产气量基本不变。

图5 准噶尔盆地南缘侏罗系煤样生气产率-Ro关系曲线图Fig.5 Relationship between the gas yield and Ro of Jurassic coal from the southern margin of Junggar Basin

准噶尔盆地南缘侏罗系八道湾组(J1b)煤样C2—C5气态烃产率在Ro=1.65%时达到最大，分布范围为28.24～47.76 mg/g，西山窑组(J2x)煤样C2—C5气态烃产率在Ro=1.41%时达到最大，分布范围为13.34～45.36 mg/g。

图6 准噶尔盆地南缘侏罗系煤样生气干燥系数-Ro关系曲线图Fig.6 Relationship between dryness coefficient of gas and Ro of Jurassic coal from the southern margin of Junggar Basin

从准噶尔盆地南缘不同层位煤样热解气干燥系数(C1/C1-5)随成熟度变化特征(图6)中可以看出，八道湾组(J1b)煤样和西山窑组(J2x)煤样生气干燥系数随成熟度增大变化特征一致，呈现先降低后增加的趋势，在Ro=0.96%时裂解气干燥系数达到最低。在相同热模拟条件下，西山窑组煤样裂解气干燥系数高于八道湾组煤样裂解气，如Ro=1.41%时，八道湾组煤样裂解气干燥系数为0.40～0.53，西山窑组煤样裂解气干燥系数为0.46～0.73；Ro=2.10%时，八道湾组煤样裂解气干燥系数为0.64～0.76，西山窑组煤样裂解气干燥系数为0.72～0.92。煤裂解气在Ro>2.61%阶段进入干气阶段，但由于模拟实验为封闭体系，煤生成的原油未排出，天然气为一个累积的过程，实际上应该在更低的成熟度阶段已进入干气阶段。

2.4 煤样生气碳同位素特征

准噶尔盆地南缘西山窑组煤样热解气碳同位素分布特征见图7，从图中可以看出，甲烷、乙烷和丙烷碳同位素随着热解温度升高而逐渐变重，呈两段式分布的特点。以JC8煤样热解气碳同位素演化特征为例，随着成熟度增加，甲烷碳同位素增加速率呈两段式，在Ro<0.90%时，甲烷碳同位素相对较轻，随成熟度增加迅速增大，由-46.8‰快速增高至-35.0‰，变化幅度超11.8‰；Ro=0.90%～3.80%，甲烷碳同位素变化较慢，由-35.0‰逐渐升高至-23.7‰，变化幅度为11.3‰。随着成熟度增加，乙烷和丙烷在Ro<1.41%之前变化极小，在Ro>1.41%之后，乙烷和丙烷碳同位素迅速增大；在Ro=0.67%～1.41%之间，乙烷碳同位素由-24.9‰增大至-23.8‰，变化幅度仅为1.1‰；在Ro=1.41%～2.10%之间，乙烷碳同位素由-23.8‰快速增大至-17.3‰，变化幅度为6.3‰。在Ro=0.67%～1.41%之间，丙烷碳同位素由-24.3‰增大至-22.4‰，变化幅度仅为1.9‰；在Ro=1.41%～2.10%之间，丙烷碳同位素由-22.4‰快速增高至-9.8‰，变化幅度为12.6‰。

天然气甲烷碳同位素常用于成熟度表征[25-26]。从图7(a)可以看出，甲烷碳同位素与源岩成熟度Ro值相关性非常好，且具有两阶段模式特征，这一特征与刘文汇等[27]提出的煤型气模式具有相似性。在成熟度Ro=0.90%之前和之后具有不同的趋势。通过对Ro=0.90%前后两端变化趋势进行数学回归处理，得到了天然气甲烷碳同位素值与煤系烃源岩成熟度Ro的关系公式：Ro<0.90%，δ13C1=32.477 lnRo-31.174；Ro≥0.90%，δ13C1=8.7684 lnRo-35.354。

图7 准噶尔盆地南缘侏罗系煤样生气碳同位素-Ro关系曲线图Fig.7 Relationship between carbon isotopes of gas and Ro of Jurassic coal from the southern margin of Junggar Basin

3 准噶尔盆地南缘煤生烃潜力分析

3.1 煤生烃演化模式

从煤样热模拟实验结果可以看出，侏罗系八道湾组煤样与西山窑组煤样生烃过程主要分为三个阶段，具有气窗较长的特点，从Ro=0.96%开始生气，在Ro=3.6%生气结束但生烃特征有所差异。

(1)生油阶段，煤生油的产率增加很快，生气量较小，干燥系数随成熟度增加由大变小，主要是因为干酪根在早期成熟阶段以生重烃气为主[28]。在此阶段，侏罗系八道湾组煤样生油产率相对较高(0.67%

(2)油裂解与干酪根裂解共存阶段。在此阶段，八道湾组煤Ro介于1.07%～1.65%之间，西山窑组煤Ro处于0.96%～1.41%之间，煤样进入快速生气阶段和排气阶段，煤样裂解气产量是最大产气量的50%左右。前人的研究[29]认为液态烃裂解首先是重组分裂解成轻组分，然后裂解为气态烃，煤样在达到生油高峰后，产量逐渐降低，主要是因为生成的油开始裂解，轻烃组分大量生成并迅速增加，随着热演化进行，轻烃组分开始裂解，生成气态重烃组分，干酪根裂解主要生成甲烷。八道湾组煤样C6—C14轻烃在Ro=1.31%达到峰值，C2—C5气态烃在Ro=1.65%达到峰值；西山窑组煤样C6—C14轻烃在Ro=1.17%达到峰值，C2—C5气态烃在Ro=1.41%达到峰值，煤样生气量已大于最大生油量，裂解气甲烷碳同位素及干燥系数迅速增加，而乙烷与丙烷碳同位素基本不变。此阶段，裂解气来源基本不变，以干酪根和原油裂解气为主。

(3)干酪根高成熟裂解阶段。在此阶段，C2—C5气态烃开始迅速裂解生成甲烷，乙烷和丙烷碳同位素值迅速增大，且乙烷与丙烷碳同位素差值迅速变小，说明丙烷先于乙烷裂解。气态烃总量随成熟度逐渐增大，增长速率有所降低，但干酪根裂解气持续时间长，在Ro=3.6%时，干酪根裂解生气基本结束。

前人的研究[30-31]显示，对煤成油贡献最大的显微组分是壳质组。姚素平等[32]研究发现，准噶尔盆地煤中的壳质组以角质体含量占绝对优势为特征，并采用热模拟实验分析认为角质体含量是侏罗系煤可以大量生油的关键，基质镜质体生烃潜力次之。另外，通过对准噶尔盆地煤样显微组分定量统计分析显示，南缘地区侏罗系八道湾组煤样壳质组中角质体和树脂体含量为24%，基质镜质体含量为57%(水磨沟剖面)；而西山窑组煤样壳质组中角质体和树脂体含量为0～13%，基质镜质体含量为11%～40%(四棵树剖面、安12和齐009井等)。潘安阳等[33]利用激光微裂解-色谱-质谱技术分析了煤样中镜质体和树脂体产物特征，认为树脂体的长链脂肪烃产率较高，具有高生烃及生油潜力。结合本文实验分析显示，侏罗系八道湾组煤样液态烃产率更高，主要原因可能是其烃源岩中含有更加丰富的角质体和树脂体，而西山窑组煤样中均质镜质体、结构镜质体、团块镜质体含量更高，更偏向于生气[34]，在相同热模拟条件下，其热解气干燥系数更大。

3.2 煤生烃潜力分析

干酪根对烃类组分的吸附是控制烃源岩排烃的最重要因素[35-36]。Pepper等[37-38]提出烃源岩留油能力为100 mg/g，生油能力小于100 mg/g的烃源岩是不能排出正常原油，只能排气或排出少量溶解在气相中的凝析油，煤吸附烃类能力较弱，排油门限为40 mg/g[39]。从煤样热模拟实验可以看出，准噶尔盆地南缘侏罗系八道湾组煤样生油产率相对较高，Ro=1.07%时达到生油高峰，生油率均高于40 mg/g，具有一定的排烃能力；侏罗系西山窑组煤样生油产率相对较低，Ro=0.96%时达到生油高峰，部分样品具有一定的排烃能力。从干酪根生气特征来看，八道湾组煤样最大生气量为106.53～135.39 mg/g，西山窑组煤样最大生气量为92.23～141.26 mg/g，远高于最大生油量，八道湾组和西山窑组煤样均具有非常好的生气潜力。

对准噶尔盆地南缘天然气甲烷碳同位素进行统计分析，并根据上文建立的甲烷碳同位素值与煤系烃源岩成熟度Ro的关系公式推算出研究区烃源岩成熟度(表2)。从计算结果来看，准噶尔盆地南缘地区主要气藏天然气成熟度分布范围为0.95%～2.00%，南缘西段霍10井区气藏甲烷的碳同位素相对较轻，分布范围为-35.8‰～-33.5‰，计算煤系烃源岩成熟度Ro=0.95%～1.24%；南缘中段齐古气藏天然气甲烷碳同位素最重，分布范围为-33.5‰～-29.3‰，计算煤系烃源岩成熟度Ro=1.24%～2.00%。前人研究显示南缘西段四棵树沉积中心侏罗系烃源岩演化程度相对不高，Ro在1.3%左右，中段坳陷区侏罗系烃源岩成熟度Ro在2.0%左右[40]，上述计算结果与此较为一致，说明本次研究建立的甲烷碳同位素和烃源岩成熟度的关系公式符合南缘实际地质情况。

表2 准噶尔盆地南缘天然气地球化学特征

准噶尔盆地南缘中下侏罗统煤系烃源岩广泛分布。其中，八道湾组煤层厚度在5～60 m，在南缘昌吉—乌鲁木齐地区最厚达60 m，东部阜康地区为10～20 m，富煤带面积约4 000 km2[41]，平均有机碳含量为66.05%，干酪根母质类型以Ⅱ型为主，少量Ⅲ型[40]；西山窑组煤层厚度在2～20 m，最大可达30 m，富煤区位于昌吉—乌鲁木齐地区[41]，平均有机碳含量为55.55%，干酪根母质类型主要为Ⅲ型，少量Ⅱ2型[40]。

南缘西部四棵树凹陷八道湾组烃源岩埋深约6 000 m，凹陷沉积中心Ro值达到1.3%，凹陷北部艾卡构造带由于在喜马拉雅期发生构造抬升，烃源岩成熟度相对低，Ro在1.0%左右[19]。从模拟实验可知，在Ro=1.0%左右，八道湾组煤样生油量在57.10～81.19 mg/g，艾卡构造带八道湾组煤层厚度10～20 m[41]，且煤样有机碳含量高，基本在50%以上，具有形成带气顶的油藏。

南缘中段霍玛吐背斜带西山窑组煤层厚度大于20 m，分布面积大，昌吉—乌鲁木齐地区煤层厚度为10～20 m，八道湾组煤层在昌吉—乌鲁木齐地区最厚达60 m[36]。区内侏罗系成熟度在1.3%～2.0%。在Ro=1.3%左右，煤生成的油已发生裂解，产量急剧下降，地质条件下，烃源岩处于半开放体系，早期生成的原油已排出，烃源岩处于大量生湿气阶段；在Ro=2.0%左右，处于干酪根高成熟裂解阶段，模拟条件下，煤生成的油已完全裂解，西山窑组煤样生气量为60.21～104.27 mg/g，八道湾组煤样生气量为79.95～98.48 mg/g，具有非常好的潜力。南缘中段烃源岩处于大量生干气阶段，且目前仍在持续生气，具有形成凝析气藏和干气藏的条件，是南缘地区未来天然气重要勘探区域。