楚—萨雷苏盆地Marsel探区下石炭统烃源岩生排烃特征及有利区预测

刘 阳，庞雄奇，胡 涛，施砍园，张思玉，游婷婷

( 1. 中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2. 中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249 )

0 引言

世界油气总储量的52%来源于碳酸盐岩烃源岩[1-2]，Marsel探区下石炭统为典型的碳酸盐岩烃源岩。Marsel探区勘探程度较低，处于勘探早期阶段，已发现具有商业性价值的气田3个、含气构造22个[3-5]。基于国际PRMS系统，庞雄奇等[3]估算Marsel探区天然气可采资源量约为1.805×1012m3，其中80%的天然气富集于下石炭统，成为天然气开采的重要层系[6]。石炭系烃源岩主要为灰泥岩，热演化程度较高，有机质成熟度为1.2%～1.8%，进入高成熟演化阶段，有机质类型主要为Ⅱ2型，有机碳质量分数较低，平均为1.13%[4,7]。

生排烃特征的研究方法主要有热模拟实验法、化学动力学法和物质平衡法[8]。热模拟实验法是对未熟—低熟烃源岩样品进行升温加压，通过测量产物的产率随成熟度的变化，模拟烃源岩的生排烃过程。化学动力学法从化学反应角度描述干酪根向油气转化的过程，其中动力学参数的标定需结合热模拟实验[8-9]。物质平衡法是基于物质守恒理论建立理论模型，研究生排烃过程。Marsel探区下石炭统烃源岩已进入高成熟阶段，前两种方法不适用。生烃潜力法作为物质平衡法的一种，基于岩石热解数据，建立烃源岩生排烃模式，可定量表征烃源岩生排烃过程，已应用于多个含油气盆地[10-16]。PENG Junwen等[12]考虑烃源岩生排烃过程中有机碳的损失，基于惰性碳守恒原理恢复原始总有机碳质量分数，评价珠江口盆地惠陆地区始新统资源潜力；JIANG Fujie等[13]认为不同类型的干酪根生排烃特征不同，分类型评价渤海湾盆地烃源岩生烃潜力；ZHENG Dingye等[14]将生烃潜力法与浮力成藏下限理论相结合，综合评价四川盆地上三叠统须家河组三段常规油气、致密油气及页岩气的资源潜力；WANG Enze等[15]认为烃类中易挥发组分影响资源评价结果，对挥发烃量进行校正，评价南堡凹陷沙河街组资源潜力；LI Changrong等[16]应用表达式建立生排烃模型，并考虑生排烃过程中烃源岩质量损失的影响，恢复烃源岩原始质量，评价松辽盆地北部青山口组一段油气资源潜力。目前，对Marsel探区下石炭统烃源岩的研究相对较少，生排烃特征认识不清。

以楚—萨雷苏盆地Marsel探区下石炭统烃源岩为研究对象，基于烃源岩地质和地球化学特征分析，采用生烃潜力法，利用岩石热解数据，建立Marsel探区下石炭统烃源岩生排烃模型。分析Marsel探区下石炭统烃源岩生排烃特征，并计算生排烃量，结合沉积相平面展布，预测有利勘探区，为Marsel探区下石炭统天然气勘探开发提供依据。

1 区域地质概况

楚—萨雷苏盆地位于哈萨克斯坦南部，呈北西—东南向延伸，富含天然气，盆地面积约为1.60×105km2[17-18]。Marsel探区位于楚—萨雷苏盆地西部，横跨考克潘索尔凹陷和苏扎克—拜卡达木凹陷，南部相邻大卡拉套山脉(见图1(a))，探区面积约为1.85×104km2[19-20]。根据构造特征，探区被划分为东部的挤压隆起带、西部的斜坡洼陷带和南部的隆起斜坡带3个区域(见图1(b))。挤压隆起带主要包括ASSA构造、WOPK构造、KNDK构造、路边和南路边构造，发育大量逆断层和背斜相互组合并形成断鼻圈闭，为天然气勘探的重点区域。斜坡洼陷带主要包括Ortalyk构造、Tamgalytar构造、Bulak构造和Kokpansor构造，地层平缓，发育少量北东向的逆断层，为天然气勘探的潜在区域。隆起斜坡带勘探程度较低[21-22]。

Marsel探区经历泥盆纪初始裂陷阶段、石炭纪被动大陆边缘阶段、二叠纪俯冲碰撞阶段及中生代后的陆内拗陷阶段4个演化阶段。下石炭统沉积时期，海平面上升，沉积碳酸盐岩。中上石炭统沉积时期，海平面逐渐下降，沉积物过渡为陆相碎屑岩沉积[17,22-23]。下石炭统自下而上划分为杜内阶(C1t)、维宪阶(C1v)和谢尔普霍夫阶(C1sr)，烃源岩主要发育于维宪阶和谢尔普霍夫阶。其中维宪阶自下而上细分为纯灰岩段(C1v1)、泥灰岩段(C1v2)和泥灰岩—泥岩段(C1v3)。C1v1发育灰岩；C1v2下部发育泥灰岩，顶部发育灰岩；C1v3以泥晶灰岩为主，夹泥灰岩(见图2)。谢尔普霍夫阶自下而上细分为礁下段、礁灰岩段、膏岩下段和蒸发岩段，其中礁下段、礁灰岩段和膏岩下段以各类灰岩为主，蒸发岩段主要为硬石膏。下石炭统烃源岩厚度大、有机质丰度高、热演化程度高，为一套优质烃源岩。

2 烃源岩特征

2.1 厚度分布

Marsel探区下石炭统烃源岩分布广泛，岩性主要为泥灰岩。整体上，维宪阶烃源岩厚度大于谢尔普霍夫阶烃源岩厚度(见图3)。不同层位的烃源岩分布特征不同，谢尔普霍夫阶沉积时期，表现为“南北厚、中间薄”的特征，探区西北部Kokpansor构造的烃源岩厚度最大，最大厚度为260 m(见图3(a))；维宪阶沉积时期，表现为“东部厚、西部薄”的特征，探区东北部KNDK构造的烃源岩最为发育，最大厚度为380 m(见图3(b))。

2.2 有机质丰度

有机质丰度反映烃源岩生成油气的能力，采用总有机碳(TOC)质量分数进行定量表征[24-25]。谢尔普霍夫阶烃源岩的w(TOC)为0.22%～1.24%，平均为0.58%；维宪阶烃源岩的w(TOC)为0.17%～1.13%，平均为0.57%。碳酸盐岩烃源岩总有机碳质量分数下限的标准存在差异[26]，无论按哪种标准，Marsel探区下石炭统烃源岩都为有效烃源岩。按照文献[27]的标准进行分级评价，谢尔普霍夫阶和维宪阶的w(TOC)大于0.25%的烃源岩样品占比85%，属于好—极好烃源岩(见表1)。Marsel探区下石炭统烃源岩整体为一套优质烃源岩，维宪阶烃源岩质量略好于谢尔普霍夫阶烃源岩。

图1 楚—萨雷苏盆地Marsel探区构造位置及下石炭统顶界构造Fig.1 Structural location and top structural of Lower Carboniferous in Marsel Area of Chu-Sarysu Basin

图2 楚—萨雷苏盆地Marsel探区石炭系地层综合柱状图Fig.2 Comprehensive histogram of Carboniferous strata in Marsel Area of Chu-Sarysu Basin

图3 研究区下石炭统烃源岩厚度分布特征Fig.3 Distribution characteristics of thickness of Lower Carboniferous source rocks in study area

表1 研究区碳酸盐岩烃源岩分级评价标准及结果

谢尔普霍夫阶和维宪阶烃源岩w(TOC)在平面上整体表现为自东北向西南逐渐减小的趋势(见图4)，Ortasynarlynskaya1-S井区w(TOC)最高，谢尔普霍夫阶和维宪阶的w(TOC)最大值分别为2.4%和1.9%，谢尔普霍夫阶烃源岩在Otlk构造和路边构造(P6-G、P8-G井区)存在一个w(TOC)增大的区域。谢尔普霍夫阶和维宪阶烃源岩w(TOC)>0.25%的区域面积分别为1.5×104、1.8×104km2，在研究区的占比分别为80%和95%，表明探区优质烃源岩分布广泛。

图4 研究区下石炭统烃源岩总有机碳质量分数分布特征Fig.4 Distribution characteristics of TOC content of Lower Carboniferous source rocks in study area

2.3 有机质类型

有机质类型反映有机质的来源，决定产物的类型[28-29]。采用岩石热解法和元素分析法判别有机质类型。分析6口井(Asa-2、PRDS-18、KNDK-6、KNDK5-RD、TMSK-1和TGTR-6井)47组热解数据，谢尔普霍夫阶烃源岩的氢指数HI为2.33～77.78 mg/g，平均为19.96 mg/g；氧指数OI为55.43～137.04 mg/g，平均为99.75 mg/g；最高热解温度tmax为299～460 ℃，平均为416 ℃。维宪阶烃源岩的HI为0～41.30 mg/g，平均为9.78 mg/g；OI为27.00～111.76 mg/g，平均为7.35 mg/g；tmax为287～560 ℃，平均为412 ℃。由HI—tmax和HI—OI交会图(见图5(a-b))可知，谢尔普霍夫阶和维宪阶烃源岩有机质类型以Ⅲ型为主。

对21组有机元素进行分析，谢尔普霍夫阶烃源岩O/C为0.07～0.36，H/C为0.06～0.27；维宪阶烃源岩O/C为0.03～1.86，H/C为0.05～0.47。由H/C—O/C交会图(见图5(c))可知，谢尔普霍夫阶和维宪阶烃源岩有机质类型为Ⅲ型。根据干酪根碳同位素(δ13C)质量分数判别有机质类型，w(δ13C)小于-28‰为Ⅰ型，介于-28‰～-25‰之间为Ⅱ型，大于-25‰为Ⅲ型[30]。谢尔普霍夫阶50%的样品为Ⅱ型有机质，Ⅰ型和Ⅲ型各占25%。维宪阶w(δ13C)大于-25‰的样品最多，占比为38%，Ⅰ型和Ⅱ型各占31%(见图5(d))。Marsel探区下石炭统烃源岩有机质类型以Ⅲ型为主，生气潜能大。

图5 研究区下石炭统烃源岩有机质类型Fig.5 Organic matter types of Lower Carboniferous source rocks in study area

2.4 有机质成熟度

有机质成熟度是反映烃源岩热演化程度的重要指标，通常采用镜质体反射率表征[31,32]。由于研究区镜质体反射率Ro数据较少，结合热解数据和气相色谱分析结果(奇偶优势比OEP和碳优势指数CPI)分析有机质成熟度。Ro大于1.20%(见图6(a))，且与深度之间的相关关系较好(见图6(d))时，表明下石炭统烃源岩处于高—过成熟阶段。谢尔普霍夫阶烃源岩的tmax峰值在440～460 ℃之间，46%样品的tmax大于430 ℃，所有样品的tmax小于460 ℃；维宪阶烃源岩的tmax分散在各个温度区间内，没有明显的峰值，50% 样品的tmax大于430 ℃，35% 样品的tmax大于460 ℃(见图6(b))，表明谢尔普霍夫阶烃源岩处于成熟阶段，维宪阶烃源岩已进入成熟—高成熟阶段。气相色谱分析结果显示，谢尔普霍夫阶烃源岩仅有一个样品的OEP和CPI大于1.2，维宪阶烃源岩OEP和CPI小于1.2，表明偶数碳占优势，烃源岩已进入成熟阶段(见图6(c))。Marsel探区下石炭统烃源岩进入成熟—高成熟阶段，处于大量生烃阶段，主要生成湿气。

谢尔普霍夫阶和维宪阶烃源岩在平面上表现为自西北向东南逐渐减小的趋势(见图7)，在同一区域内，维宪阶烃源岩成熟度略高于谢尔普霍夫阶烃源岩成熟度。成熟度相对较高区域(Ro>0.75%)位于探区中西部，谢尔普霍夫阶烃源岩在平面上存在未成熟区域(Ro<0.50%)，主要位于研究区东北和SK1018井区域；维宪阶烃源岩几乎全部进入成熟区域(Ro>0.50%)。

图6 研究区下石炭统烃源岩有机质成熟度Fig.6 Organic matter maturity of Lower Carboniferous source rocks in study area

图7 研究区下石炭统烃源岩成熟度分布特征Fig.7 Distribution characteristics of maturity of Lower Carboniferous source rocks in study area

3 烃源岩生排烃特征

3.1 生烃潜力法

生烃潜力法以物质平衡原理和排烃门限理论为基础，根据不同成熟度的烃源岩热解数据，建立烃源岩层热演化剖面，通过生烃潜力指数GPI和氢指数HI的变化，研究烃源岩的生排烃特征，进一步评价油气资源潜力[11,33-34]。

采用LI Changrong等[16]改进的生烃潜力法，分析研究区生排烃特征，评估油气资源潜力。首先，对烃源岩中实际残留烃量进行轻烃校正，并拟合GPI、HI与Ro之间的关系；其次，恢复烃源岩质量和TOC质量分数，烃源岩原始质量通过质量恢复系数进行恢复，原始TOC质量分数根据总有机碳的质量守恒进行恢复，并建立生排烃概念模型(见图8)，其中GPIo和HIo分别为原始生烃潜力指数和原始氢指数。生烃速率(RG)和排烃速率(RE)分别由HIo—HI和GPIo—GPI的导数表示；最后，结合烃源岩埋藏史和热史、厚度、TOC质量分数及Ro平面分布特征，计算烃源岩的生排烃强度、生排烃量及残留烃丰度和残留烃量。

烃源岩未生成油气前，氢指数保持不变，为原始氢指数，生成油气后，氢指数逐渐减小；烃源岩开始生成油气但未排出前，生烃潜力指数保持不变，为原始生烃潜力指数，排出烃源岩后，生烃潜力指数逐渐减小。因此，氢指数开始减小、转化率(TR)开始增大的点对应的Ro为生烃门限；生烃潜力指数开始减小、排烃率(ER)开始增大的点对应的Ro为排烃门限；生烃速率和排烃速率峰值对应的Ro分别为生烃高峰和排烃高峰。

图8 生烃潜力法建立的生排烃概念模型Fig.8 Conceptual model of hydrocarbon generation and expulsion established by hydrocarbon generation potential method

3.2 生排烃模式

Marsel探区勘探程度较低，烃源岩热解数据较少，难以建立生排烃模式。不同盆地相同类型的有机质热演化过程和生排烃特征具有相似性，生烃转化率基本相同[35-36]。李敏等[11]在建立四川盆地五峰—龙马溪组烃源岩生排烃模式时，引入6个盆地的岩石热解数据；CHEN Junqing等[37]建立塔里木盆地中上奥陶统高—过成熟碳酸盐岩烃源岩生排烃模式时，引入威利斯顿盆地成熟度较低的烃源岩热解数据。收集同为Ⅲ型有机质的渤海湾盆地济阳坳陷和辽河坳陷古近系沙河街组岩石热解数据237组，结合研究区47组热解数据，建立Marsel探区下石炭统烃源岩的生排烃模式。根据实测岩石热解数据，拟合GPI、HI与Ro之间的相关关系(见图9)，GPI与Ro拟合的相关因数为0.59，HI与Ro拟合的相关因数为0.63，相关关系较好。

根据GPI、HI与Ro的拟合关系，建立Marsel探区下石炭统烃源岩生排烃模式(见图10)。烃源岩未生成油气前，HIo为543.25 mg/g，当烃源岩开始生烃时，HI减小，TR增加，Ro为0.46%，为生烃门限；烃源岩开始生成油气但未排出之前，GPIo为543.25 mg/g，当生成的油气开始排出烃源岩外，GPI减小，ER增加，Ro为0.68%，为排烃门限。当Ro为1.22%和1.48%时，生烃速率和排烃速率达到最大，分别为624.0、626.0 mg/g，烃源岩达到生烃和排烃高峰期。Marsel探区下石炭统烃源岩的Ro主要分布在1.20%～2.20%之间，排烃效率达到64.7%～95.6%。

图9 研究区下石炭统烃源岩生烃潜力指数、氢指数与Ro拟合关系Fig.9 Fitting relationship betweenf hydrocarbon generation potential index and hydrocarbon index with Ro of Lower Carboniferous source rocks in study area

图10 研究区下石炭统烃源岩生排烃模式Fig.10 Hydrocarbon generation and expulsion model of Lower Carboniferous source rocks in study area

3.3 生排烃特征

3.3.1 生排烃史

根据Marsel探区KNDK-6井埋藏史和热演化史(见图11)，结合生排烃模式，研究探区的生排烃史。谢尔普霍夫阶烃源岩在早二叠世(286 Ma)进入生烃门限(Ro=0.46%)，开始生烃；二叠纪中期(270 Ma)进入排烃门限(Ro=0.68%)，生成的烃开始排出烃源岩外；二叠纪末期(253 Ma)达到生烃高峰(Ro=1.22%)，烃源岩进入大量生烃期；早三叠世(251 Ma)受构造作用的影响，地层发生抬升和剥蚀，热演化作用中止，未达到排烃高峰(Ro=1.48%)。维宪阶烃源岩在石炭纪末期(300 Ma)进入生烃门限；早—中二叠世(280 Ma)进入排烃门限；中二叠世(263 Ma)达到生烃高峰；二叠纪末期(255 Ma)达到排烃高峰。整体上，维宪阶烃源岩比谢尔普霍夫阶烃源岩更早进入生排烃门限并达到生排烃高峰期。

图11 研究区KNDK-6井埋藏史和热演化史Fig.11 The burial and thermal history of well KNDK-6 in study area

3.3.2 生排烃强度和生排烃量

根据生排烃模式，结合烃源岩厚度、总有机碳质量分数、镜质体反射率及烃源岩密度，计算烃源岩生排烃强度(见图12)。Marsel探区下石炭统烃源岩大面积生排烃，谢尔普霍夫阶烃源岩生烃和排烃中心位于探区西北部，生烃强度主要为(1.00～7.00)×106t/km2，最大生烃强度为7.65×106t/km2，最大排烃强度为7.29×106t/km2。维宪阶烃源岩生烃和排烃中心位于探区中部和北部，生烃强度主要为(1.00～8.00)×106t/km2，最大生烃强度为9.70×106t/km2，最大排烃强度为9.30×106t/km2。谢尔普霍夫阶烃源岩累计生烃量为1.623 1×1010t，排烃量为1.474 6×1010t。维宪阶烃源岩累计生烃量为4.261 9×1010t，排烃量为3.935 0×1010t。

对于勘探程度较低的区域，通过类比地质条件相似的地区获取聚集系数。类比渤海湾盆地济阳坳陷，将Marsel探区下石炭统天然气聚集系数定为30%～40%，平均为35%[4]。根据天然气可采系数取值标准[38]，Marsel探区下石炭统天然气可采系数取30%～50%，平均为40%。天然气地质资源量和可采资源量估算结果见表2，谢尔普霍夫阶和维宪阶平均可采资源量分别为2.88×1012m3和7.68×1012m3，下石炭统天然气可采资源量为(6.79～15.08)×1012m3，平均为10.56×1012m3。

图12 研究区下石炭统烃源岩生排烃强度分布特征Fig.12 Distribution characteristics of hydrocarbon generation and expulsion intensity of Lower Carboniferous source rocks in study area

表2 研究区下石炭统天然气地质资源量和可采资源量估算结果

3.3.3 残留烃强度和残留烃量

谢尔普霍夫阶烃源岩残留烃主要集中在探区中部和北部，残留烃强度主要介于(1.0～4.0)×105t/km2，最大残留烃强度为5.2×105t/km2(见图13(a))。维宪阶烃源岩残留烃主要集中在探区东北部，残留烃强度主要介于(1.0～9.0)×105t/km2，最大残留烃强度为10.5×105t/km2(见图13(b))。谢尔普霍夫阶和维宪阶烃源岩残留烃总量分别为1.485 0×109、3.269 0×109t。Marsel探区下石炭统烃源岩生成的油气大部分排出烃源岩外，仅有少量滞留在烃源岩内部。

4 有利区预测

烃源灶和有利相带是形成油气藏的两个重要地质因素，烃源灶控制油气的生成，表现为“近源成藏”的特征，即油气藏主要分布于烃源岩排烃中心附近。有利相带决定油气能否聚集，表现为“优相控藏”的特征，即油气主要储存于物性较好的储层，沉积相控制储层的物性[39-40]。基于烃源岩生排烃特征，结合储层沉积相的平面展布，对Marsel探区下石炭统天然气有利勘探区进行预测(见图14)。目前，下石炭统油气显示井主要分布在浅滩和礁滩体储层中，距离烃源岩排烃中心较近，表明烃源岩和沉积相明显控制天然气的形成与分布。下石炭统有利勘探区域主要位于探区北部，维宪阶有利目标区域范围较大，谢尔普霍夫有利勘探区域主要集中于Tam、Asa和路边(P6-G、P8-G井区)构造带，维宪阶有利勘探区域主要集中于Tam、Asa、KNDK、Qtlk、路边(P6-G、P8-G井区)及南路边(SP16-G、SP17-G井区)构造带。除已发现的油气井区域外，还可以发现Masel探区西北部烃源岩排烃强度较高，可以提供充足的油气来源，并且谢尔普霍夫阶和维宪阶沉积期分别发育礁滩体和浅滩，储层物性较好，有利于油气的聚集，可以作为进一步勘探开发的有利区域。

图13 研究区下石炭统烃源岩残留烃强度分布特征Fig.13 Distribution characteristics of residual hydrocarbon intensity of Lower Carboniferous source rocks in study area

图14 研究区下石炭统天然气有利勘探区预测Fig.14 Favorable area prediction of Lower Carboniferous natural gas in study area

5 结论

(1)楚—萨雷苏盆地Marsel探区下石炭统烃源岩分布广泛，谢尔普霍夫阶烃源岩厚度为90～180 m，维宪阶烃源岩厚度为180～360 m。有机质丰度较高，有机质类型以Ⅲ型为主。热演化程度较高，进入成熟—高成熟阶段。

(2)下石炭统烃源岩生烃门限和排烃门限的Ro分别为0.46%和0.68%，生烃高峰和排烃高峰的Ro分别为1.22%和1.48%，排烃效率为64.7%～95.6%。

(3)谢尔普霍夫阶烃源岩累计生烃量为1.623 1×1010t，排烃量为1.474 6×1010t，残留烃量为1.485 0×109t；维宪阶烃源岩累计生烃量为4.261 9×1010t，排烃量为3.935 0×1010t，残留烃量为3.269 0×109t。生烃中心、排烃中心和残留烃中心具有一致性。下石炭统天然气可采资源量为(6.79～15.08)×1012m3，平均为10.56×1012m3。

(4)Masel探区西北部烃源岩排烃强度较高，距烃源岩排烃中心较近，且谢尔普霍夫阶和维宪阶沉积期分别发育礁滩体和浅滩，储层物性较好，有利于油气的聚集，可作为进一步勘探开发的有利区域。