青海乌图美仁地区石炭系烃源岩风化作用下有机质丰度校正

2024-03-05蔡廷俊赵洪岳李吉庆

地质装备 2024年1期

蔡廷俊,赵洪岳,李吉庆

(1.青海省第四地质勘查院,西宁 810029;2.青海省页岩气资源重点实验室,西宁 810029)

0 引言

风化作用对地表烃源岩的实验结果往往影响巨大,对于地表样品的数据校正便成为世界广泛关注的问题。研究区地处青藏高原,其本身高海拔和低压环境更是前人未曾研究过的领域[1-2,9-10]。通过青海省乌图美仁页岩气调查评价项目,在研究区对石炭系开展调查,以区内大干沟组碎屑岩段为重点,参考西北高海拔地区有机碳风化因子,结合工作区内样品化验结果分析,进行校正,从而了解研究区内风化前烃源岩的有机质丰度,为日后的研究区的页岩气工作提供借鉴。

1 地质特征

1.1 地质环境

乌图美仁地区位于青海柴达木盆地的南部,隶属东昆仑山脉,呈北西—南东向,总体地势西南偏高,北东向低,研究区最低海拔2831 m,最高海拔4058 m,平均海拔约3274 m。研究区内多山脉谷地。山势陡,谷沟深,山峰耸立,植被较稀疏,呈高寒荒漠景观。 10月到第二年4月为冰冻期,1月最低气温为-27.2 ℃,8月最高气温为21.2 ℃,昼夜温差可达29 ℃,平均气温为5.16 ℃。区内山间盆地、谷沟及山脉多为黄土及风成砂覆盖,质地粗砾,有机质含量低,生草层发育较差,如图1所示。

图1 研究区区域位置图Fig.1 Study area location map

1.2 地层

研究区隶属秦祁昆地层大区,主要包括柴达木盆地分区、柴达木南缘分区等,如图2所示。研究区内有古元古代、古生代、中生代以及新生代四套地层,研究区及周边主要出露地层由老到新为:古元古代金水口岩群,奥陶纪祁漫塔格群,晚泥盆世牦牛山组,早石炭纪石拐子组及大干沟组,晚石炭世缔敖苏组,晚三叠世鄂拉山组,第四纪。地层分布由构造控制,呈北西西向或近东西向展布,本文主要对石炭世大干沟组(C1dg)以及缔敖苏组(C2d)进行重点描述[1-4],见表1。

表1 研究区目标地层表

图2 研究区地层分区图Fig.2 Stratigraphic zoning map of the study area

(1)大干沟组(C1dg)。与下伏的石拐子组呈整合接触,与上部的缔敖苏组呈整合或平行不整合接触。在拉陵灶火一带角度不整合在早元古代金水口岩群之上,有着出露面积为63 km2左右。大干沟组可分为两个岩段,分别为碎屑岩段与碳酸岩段。碎屑岩段的岩性主要为复成分粗砾岩、细砾岩、长石砂岩、石英粉砂岩等。碳酸盐岩段的主要岩性为各类灰岩,含古生物化石。

(2)缔敖苏组(C2d)。分布于祁漫塔格北坡乌兰乌珠尔—肯德可克,出露面积约为80 km2,与下伏大干沟组为假整合接触。岩性组合为生物碎屑灰岩及粉晶灰岩,底部由一层灰色砾岩及砂岩,厚约333～801 m,含古生物化石。

2 样品采集与分析

样品主要采集于研究区内实测地质剖面及调查路线中,研究区内样品岩性及厚度均与DP2实测剖面类似,其目标层厚度及样品岩性可见表2,图3。其样品岩性为暗色泥页岩,泥岩,页岩,粉砂岩,少量灰岩等。采集的有机地球化学样品共61件,对所选取样品的有机碳、镜质体反射率、氯仿沥青“A”、总烃、生烃潜量及干酪根元素各方面进行了分析测试。

表2 石炭系大干沟组DP2剖面厚度表

图3 研究区石炭系大干沟组DP2实测剖面图Fig.3 DP2 profile of Dagangou formation of carboniferous in the study area

3 有机质丰度校正

3.1 风化作用的影响

地表露头样品的风化作用与该地水分与气候温度等因素密切相关,温差变化越大,风化越严重,研究区气温与湿度越高,样品风化作用就越强。地层出露后,由于风化作用对烃源岩的影响使得C、H元素流失而O元素增加,从而有机质丰度降低,类型变差,风化作用对有机质影响深度达3～5 m,研究区昼夜温差较大,地表植被较少,气候干燥,天气多变,对与地表样品风化影响较严重[5-8]。

3.2 风化因子

风化作用对露头样品有机质丰度的影响主要取决于样品岩性、产状、年份、地表风化时间、古气候等多种因素。目前的资料与技术水平难以准确分析每种因素与有机质丰度关系。

这里我们以风化因子来衡量风化作用对烃源岩有机质丰度的影响程度[6]:

KC=TOC0/TOC

(1)

式中:KC为风化因子;TOC0为风化前烃源岩有机碳质量分数,%;TOC为风化后有机碳质量分数,%。

3.3 参照地区有机质丰度对比

从参照地区钻孔和地表样对比来看,地表TOC值普遍低于钻孔值,且烃源岩时代越老,样品比值越大,风化作用越强烈,如表3所示。

表3 不同地区风化前后烃源岩样品对比

八宝山钻孔和地表样对比结果,大部分地表样品TOC<1.0%,大多分布在0.5%～1.0%之间,评价有机质丰度中等,而钻孔TOC含量多数大于1.0%,评价有机质分度良好。上段钻孔深度650～1000 m,上段地表样与钻孔样比值为5.11,下段钻孔深度在1000～1600 m,下段比值为7.47,从上下段比较来看,样品埋深越深,风化程度越小,TOC越高,如表4所示。

表4 八宝山盆地烃源岩样品风化对照表

3.4 研究区有机质丰度校正

有机质丰度指标包括机碳含量(TOC)、氯仿沥青“A”、总烃含量(HC)和生烃潜量(S1+S2),其中TOC是最重要的丰度指标[6-9]。

3.4.1 有机碳含量(TOC)及参数对比校正

研究区内石炭系烃源岩主要附存于大干沟组与缔敖苏组,其岩性有暗色泥页岩,粉砂岩,少量灰岩等。其中暗色泥页岩比灰岩抵抗风化能力更强,在风化作用影响下,灰岩TOC值极低,属非烃源岩。烃源岩主要存在于碎屑岩段中的暗色泥页岩,主要依据表5,因本次所采集样品均为地表样,风化严重,故有机碳含量较低。

表5 石炭系地层露头烃源岩样品统计结果

如表6数据所示,依据地区位置距离,选择相近的西宁盆地和羌唐盆地有机碳风化因子作为参照,根据式(1)反推研究区风化前烃源岩有机碳质量分数。

表6 研究区烃源岩校正

原地表样因受风化作用影响,缔敖苏组碎屑岩段有机碳含量平均值为0.34%,大干沟组碎屑岩段有机碳含量平均值为0.56%,综合评价差,经校正后有机碳含量平均值分别为0.83%、1.37%,评价为中等烃源岩。可见风化作用对烃源岩数据有着较大影响。

如图4所示,经有机碳风化因子反推校正后,总样品中大于0.5%的样品有51件,达到总样品数的85%。大于1%的样品有42件,达到总样品数的68%,有机碳含量属于中等。大于2%的样品有7件,达到总样品数的11%。综合表明研究区石炭系目标层碎屑岩段的暗色泥页岩生烃潜力较好。

图4 校正后研究区TOC统计柱状图Fig.4 TOC statistical histogram of the study area after correction

3.4.2 氯仿沥青“A”

研究区氯仿沥青“A”过低,主要是由于本区有机质成熟度均属于过成熟阶段,液态产物裂解为气态产物,大部分有机碳已转化为气体并从源岩中进入储层,反映排烃后的烃源岩有机质丰度。因此用氯仿沥青“A”并不能反映研究区烃源岩的生气能力。

3.4.3 有机质类型

有机质类型决定了烃类性质及烃源岩生烃能力,分为腐泥型,过渡型(Ⅱ型)及腐殖型。从Ⅰ型到Ⅲ型为生油阶段到生气阶段的过渡。研究区内有机质类型以Ⅱ型为主[7-10]。

3.4.4 有机质成熟度(Ro)

烃源岩的成熟度是确定地区内烃源岩能否生成油气的关键因素之一,描述了有机质向油气转化的热力反应程度,温度为主要影响因素,并具有不可逆性,因此不受风化作用影响。镜质体反射率分类标准如下,Ro<1.3%为低类,1.3%≤Ro<2.0%为中类,Ro≥2.0为高类。依据本次测试结果,石炭系大干沟组碎屑岩段Ro在2.84%～4.24%之间,平均为3.47%。热演化程度属于高类。

由于露头样品风化程度对于有机质丰度的影响极为严重。并且受高原条件下高海拔,低压影响,对氯仿沥青“A”、总烃和热解游离烃S1和裂解烃S2影响很大,无法进行校正[9-12]。

4 讨论与结论

4.1 结论

从乌图美仁石炭系地表样品分析结果来看,研究区碎屑岩段的暗色泥页岩校正前达到烃源岩标准的样品占总样品数的60%左右,校正后研究区碎屑岩段暗色泥页岩达到烃源岩标准的样品占总样品数的85%以上。通过将露头样品进行有机碳含量校正,大多暗色泥页岩及粉砂岩均达到烃源岩标准,表明研究区石炭系目标层碎屑岩段暗色泥页岩的生烃潜力较好。

从校正的样品参数来看,数据校正前后变化过大,证明研究区风化作用对地表样品的影响过大,很难反映出研究区烃源岩数据的真实情况。地层年代越老,受到的风化作用越强,地表样品的实验数据与真实值差距越大。