鄂爾多斯盆地延長探區(qū)上古生界烴源巖特征及其與天然氣富集之間的關(guān)系

王冠男.

(陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，陜西西安 710065)

鄂爾多斯盆地是在前寒武紀(jì)結(jié)晶基底上發(fā)育起來的多旋回疊合沉積盆地，面積居中國陸上第二，蘊(yùn)藏著豐富的油氣和煤炭資源[1-3]。經(jīng)過50余年的勘探實踐，陸續(xù)在盆地北部發(fā)現(xiàn)了蘇里格、大牛地、榆林、子洲、米脂、神木、烏審旗等大氣田?！笆晃濉币詠?，延長石油集團(tuán)在盆地南部延安地區(qū)也取得了天然氣勘探的重大突破[4-8]，發(fā)現(xiàn)了延安大氣田。多年來，業(yè)界對鄂爾多斯盆地北部各氣田的生烴條件及成藏特征開展過大量研究，普遍認(rèn)為上古生界氣藏在“廣覆生烴，近源成藏”的背景下，成藏主要受控于儲層發(fā)育條件。近年來有學(xué)者通過對盆地南部延長探區(qū)研究認(rèn)為，天然氣富集高產(chǎn)一方面受優(yōu)質(zhì)儲層控制，另一方面受優(yōu)質(zhì)烴源巖控制[9]。筆者以延長探區(qū)石炭—二疊系煤及煤系暗色泥巖為研究對象，通過大量烴源巖樣品的地球化學(xué)特征進(jìn)行研究分析，結(jié)合天然氣勘探開發(fā)實踐，探討鄂爾多斯盆地南部延安氣田烴源巖對天然氣富集的影響，進(jìn)而預(yù)測該區(qū)下步天然氣勘探方向。

1 烴源巖地球化學(xué)特征

延長探區(qū)上古生界天然氣主要來自石炭系本溪組—二疊系山西組的煤系暗色泥巖和煤巖[10]。其中煤系暗色泥巖主要發(fā)育于山西組和本溪組，山西組煤系暗色泥巖以濱淺湖沉積的深灰色、黑色為主，部分顏色較淺，其分布范圍廣，厚度大。本溪組煤系暗色泥巖厚度相對較薄，底部通常發(fā)育厚數(shù)米至十余米的風(fēng)華殼鐵鋁巖。煤層發(fā)育在本溪組和山西組2段，以濱海沼澤及河漫沼澤沉積為主，厚度較大，分布穩(wěn)定；在太原組和山西組1段也局部發(fā)育煤層，但規(guī)模較小，連續(xù)性差，分布不穩(wěn)定。

本次研究對上述層位的煤系暗色泥巖和煤巖系統(tǒng)大量采樣，并分析其地球化學(xué)指標(biāo)，進(jìn)而評價該區(qū)烴源巖的生烴潛力。

1.1 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型是評價烴源巖的主要指標(biāo)，類型不同會引起烴源巖有機(jī)質(zhì)生烴能力與產(chǎn)物的不同[11]。干酪根 C 同位素組成、干酪根元素組成以及烴源巖熱解參數(shù)是剖析烴源巖有機(jī)質(zhì)類型的常用手段。本次研究分析化驗干酪根C同位素組成樣品119個，干酪根元素組成樣品80個，熱解樣品149個，現(xiàn)對各有機(jī)質(zhì)類型參數(shù)做如下分析(表1)。

1.1.1 延長探區(qū)烴源巖干酪根碳同位素特征

應(yīng)用干酪根C同位素判別有機(jī)質(zhì)類型的具體界

表1 延長探區(qū)石炭—二疊系烴源巖有機(jī)質(zhì)類型參數(shù)統(tǒng)計表Table 1 Statistical table of organic matter types of the Permo-Carboniferous source rocks in Yanchang area

限值如下：Ⅰ型有機(jī)質(zhì)干酪根δ13C小于-28‰，Ⅲ型有機(jī)質(zhì)干酪根δ13C大于-25.5‰，Ⅱ型有機(jī)質(zhì)干酪根δ13C介于其間[11]。

通過對研究區(qū)119件烴源巖樣品的干酪根C同位素分析化驗(表1)，發(fā)現(xiàn)盒8段的23個干酪根碳同位素樣品中，顯示少量Ⅰ型有機(jī)質(zhì)，其次為Ⅱ型有機(jī)質(zhì)，主要為Ⅲ型有機(jī)質(zhì)；山1段的32個干酪根碳同位素樣品全部顯示為Ⅲ型有機(jī)質(zhì)；山2段50個干酪根碳同位素主要顯示為Ⅲ型有機(jī)質(zhì)；太原組和本溪組合計14個樣品， 主要顯示為Ⅲ型有機(jī)質(zhì)。

圖1 延長探區(qū)石炭—二疊系烴源 巖干酪根C同位素分布直方圖Fig.1 Distribution histogram of carbon isotope values of Permo-Carboniferous source rocks in Yanchang area

根據(jù)干酪根C同位素分布直方圖(圖1)也可以看出，只有5個烴源巖樣品的δ13C值小于-28‰，顯示為Ⅰ型，大部分樣品的δ13C值介于-23‰～-25‰之間，表現(xiàn)為較重的碳同位素特征，整體指示有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型為主兼有部分Ⅱ型有機(jī)質(zhì)和Ⅰ型有機(jī)質(zhì)。

1.1.2 延長探區(qū)烴源巖干酪根元素組成特征

有機(jī)質(zhì)類型不同，其干酪根元素組成也不同，一般有機(jī)質(zhì)類型越好，H/C原子比越高。使用這一方法判識有機(jī)質(zhì)類型一般遵循如下界限：Ⅰ型干酪根H/C原子比大于1.5，O/C原子比小于0.1；而Ⅲ型干酪根H/C原子比小于0.8，O/C原子比大于0.3[12]。在實際分析中可用H/C-O/C關(guān)系圖版對有機(jī)質(zhì)類型進(jìn)行判識(圖2)。將研究區(qū)80個烴源巖樣品的干酪根元素組成數(shù)據(jù)投到圖版中，發(fā)現(xiàn)僅山1段的一個煤系暗色泥巖樣品顯示為Ⅱ型有機(jī)質(zhì)，其余皆落入Ⅲ型有機(jī)質(zhì)的范圍。值得注意的是，有機(jī)質(zhì)演化程度會影響干酪根的元素組成，隨熱演化程度升高，H/C、O/C原子比下降。圖2顯示大量樣品的H/C原子比小于0.1，O/C原子比小于0.05，這一現(xiàn)象可能是熱演化程度較高所致。但從整體樣本來看，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型為主，極個別樣品顯示為Ⅰ型有機(jī)質(zhì)，這一結(jié)論同干酪根C同位素的判識結(jié)果一致。

圖2 延長探區(qū)石炭—二疊系烴源巖H/C-O/C關(guān)系圖Fig.2 The plot of O/C vs. H/C of the Permo- Carboniferous source rocks in Yanchang area

1.1.3 延長探區(qū)烴源巖熱解參數(shù)特征

氫指數(shù)作為重要的熱解參數(shù)之一，是指示有機(jī)質(zhì)類型的常用指標(biāo)。通常，氫指數(shù)隨烴源巖有機(jī)質(zhì)類型變好而升高[11]。149件石炭系—二疊系烴源巖樣品的巖石熱解參數(shù)分析指出，氫指數(shù)值分布范圍為1.0～342.1，平均值為19.2，94%的樣品氫指數(shù)小于50，46%的樣品氫指數(shù)不到10，整體數(shù)值較低(表1)。實際分析中利用氫指數(shù)(HI)和最高熱解峰溫(Tmax)建立相關(guān)圖版是鑒別有機(jī)質(zhì)類型的常用方法(圖3)，從圖中可以看出，僅有盒8段1個和山1段2個樣品落入Ⅱ2型有機(jī)質(zhì)范圍，其余絕大部分樣品均顯示為Ⅲ型有機(jī)質(zhì)。說明延長探區(qū)石炭—二疊系煤系烴源巖有機(jī)質(zhì)類型整體較差，這與干酪根C同位素和元素分析化驗得到的認(rèn)識相同。

綜上，通過干酪根碳同位素、元素組成特征、巖石熱解特征等手段分析來看，研究區(qū)有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型為主，來自石盒子組8段和山西組的少量煤系暗色泥巖為Ⅰ、Ⅱ型有機(jī)質(zhì)。

圖3 延長探區(qū)石炭—二疊系烴源巖IH-Tmax關(guān)系圖Fig.3 The plot of IH vs. Tmax of the Permo- Carboniferous source rocks in Yanchang area

1.2 有機(jī)質(zhì)豐度及恢復(fù)

有機(jī)質(zhì)豐度研究是烴源巖評價的必要手段[13-14]，有機(jī)質(zhì)豐度越高，烴源巖生烴潛力越強(qiáng)。延安氣田上古生界烴源巖熱演化程度較高，主體地區(qū)烴源巖鏡質(zhì)體反射率值(Ro)大于2%，Tmax值大于480 ℃，處于過成熟熱演化階段；烴類已經(jīng)大量排出有效烴源巖之外，有機(jī)質(zhì)豐度虧損嚴(yán)重，實驗測得氯仿瀝青“A”和生烴潛量(S1+S2)都很低，達(dá)不到有效烴源巖的豐度標(biāo)準(zhǔn)(表3)，所以需要對其進(jìn)行恢復(fù)，才能合理評價烴源巖的原始生烴潛力。

烴源巖生烴潛力恢復(fù)的方法很多，總體分為實驗?zāi)M法和理論計算法[20]。實驗法是采用成熟度較低的同類型有機(jī)質(zhì)進(jìn)行加熱，測量各演化階段的生烴量，得到經(jīng)驗圖版或公式，進(jìn)而恢復(fù)有機(jī)質(zhì)豐度。理論計算法主要依據(jù)干酪根生烴過程中反應(yīng)物—生成物之間量的制約關(guān)系，結(jié)合少量實驗數(shù)據(jù)，通過計算得到恢復(fù)系數(shù)，如元素法、降解率法[15-17]、動力學(xué)法[18]等。

研究區(qū)同源的低熟樣品難以取得，所以無法采用實驗?zāi)M法恢復(fù)烴源巖的生烴潛力。夏新宇[19]等人按不同熱演化階段干酪根的元素組成、烴產(chǎn)物的H/C，用迭代法計算出不同階段的降解率及有機(jī)碳恢復(fù)系數(shù)。劉麗紅[15]等人采用夏新宇的計算結(jié)果較好地恢復(fù)了鄂爾多斯盆地東南部宜參1井山西組烴源巖的生烴潛力。本文所論及烴源巖與其同屬一個盆地，層位相當(dāng)，故也采用此方法對研究區(qū)烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度進(jìn)行恢復(fù)，采用的相關(guān)參數(shù)見表2。

表2 不同類型有機(jī)質(zhì)在不同階段的降解率及有機(jī)碳恢復(fù)系數(shù)(據(jù)夏新宇等，1998)Table 2 Degradation rate of different types of organic matter and recovery coefficient of organic carbon (By Xia Xinyu, et al, 1998)

1.2.1 總有機(jī)碳含量(TOC)恢復(fù)

本次研究對279個煤系烴源巖樣品做了總有機(jī)碳含量(TOC)分析，其中煤系暗色泥巖樣品241個，煤巖樣品38個，各層位分布范圍及樣品個數(shù)見表3。根據(jù)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度劃分標(biāo)準(zhǔn)[20](表4)，因煤的有機(jī)碳含量較高，TOC值通常不作為有機(jī)質(zhì)豐度的評價標(biāo)準(zhǔn)，故在此僅對煤系暗色泥巖有機(jī)碳含量(TOC)進(jìn)行恢復(fù)。

總有機(jī)碳含量(TOC)恢復(fù)前，盒8段、山1段分別有72.9%和61.3%的煤系暗色泥巖樣品達(dá)不到烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度下限，整體評價為非—差的烴源巖；山2段各級別均有分布，整體評價為中等烴源巖；太原組和本溪組整體評價為好烴源巖(表5)。根據(jù)夏新宇一文的標(biāo)準(zhǔn)(表2)，煤系暗色泥巖按照

表3 延長探區(qū)石炭—二疊系烴源巖地球化學(xué)特征參數(shù)統(tǒng)計表Table 3 Statistical parameters of geochemical characteristics of the Permo-Carboniferous source rocks in Yanchang area

表4 含煤地層有機(jī)質(zhì)豐度評價標(biāo)準(zhǔn)(據(jù)黃第藩，1996)Table 4 Evaluation standard of organic matter abundance in coal- bearing strata (By Huang Difan, 1996)

Ⅲ型有機(jī)質(zhì)恢復(fù)，恢復(fù)系數(shù)取1.3。

經(jīng)過恢復(fù)后，盒8段、山1段為差的烴源巖，山2段、太原組為好烴源巖，本溪組為極好烴源巖(圖4)。

1.2.2 (S1+S2)含量恢復(fù)

降解率法快捷、簡便，能直接計算出排烴量，且不需要熱演化程度的參數(shù)[16]，因此生烴潛量采用程克明[17]等提出的降解率法恢復(fù)。

依據(jù)程克明等提出的降解率計算公式：

(1)

(2)

式中KS——生烴潛力恢復(fù)系數(shù)；

KC——有機(jī)碳恢復(fù)系數(shù)；

D原——原始降解率；

D殘——?dú)堄嘟到饴省?/p>

其中，D原依據(jù)有機(jī)質(zhì)類型采用表2中過成熟階段的累計降解率計算，煤系暗色泥巖取值為43.99%，碳質(zhì)泥巖及煤巖取值為18.85%；D殘由Rock-Eval熱解儀測定。本研究共測試149個樣品(煤系暗色泥巖124個，煤巖25個)，測定結(jié)果見表3。通過上量式計算，煤系暗色泥巖樣品恢復(fù)系數(shù)為21.6，煤巖恢復(fù)系數(shù)為5.7。

表5 延長探區(qū)石炭—二疊系煤系暗色泥巖有機(jī)碳含量分布Table 5 Distribution of organic matter abundance of the Permo-Carboniferous source rocks in Yanchang area

圖4 煤系暗色泥巖總有機(jī)碳含量(TOC)恢復(fù)前后對比Fig.4 Comparison of TOC before and after restored in dark mudstone of coal measures

恢復(fù)后，盒8、山1煤系暗色泥巖生烴潛力仍然較差，為差烴源巖；山2段、太原組為中等烴源巖；本溪組生烴潛力較強(qiáng)，為好烴源巖。從煤巖恢復(fù)效果來看，除太原組為中等烴源巖外，其他三個層位的煤巖均為好烴源巖，山2段和本溪組煤巖的平均(S1+S2)含量分別達(dá)到45.6 mg/g和52.2 mg/g，接近為極好烴源巖，說明煤巖是研究區(qū)生烴供氣的重要物質(zhì)基礎(chǔ)(圖5)。

綜合前面烴源巖的研究成果可以看出：延安氣田上古生界石炭—二疊系煤系暗色泥巖和煤巖有機(jī)質(zhì)豐度均較高，綜合評價為中等—好烴源巖，部分煤巖是極好烴源巖；有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型為主，Ⅰ、Ⅱ型為輔；熱演化程度較高，主體達(dá)到過成熟的高溫裂解生氣階段。由此可見，研究區(qū)上古生界石炭—二疊系烴源巖生烴潛力較強(qiáng)，具備良好的氣源物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖5 煤系地層烴源巖(S1+S2)恢復(fù)前后對比圖Fig.5 Comparison of potential hydrocarbon generation amount before and after restored in dark mudstone of coal measures

2 主力烴源巖展布特征

為綜合評價延長探區(qū)上古生界烴源巖生烴潛力，弄清主力烴源巖優(yōu)勢產(chǎn)氣區(qū)，通過錄井、測井資料整理分析，統(tǒng)計了山西組和本溪組煤系暗色泥巖厚度數(shù)據(jù)，繪制厚度等值線圖，明確了延長探區(qū)上古生界石炭—二疊系煤系暗色泥巖和煤巖的展布特征。

2.1 煤系暗色泥巖

通過對600余口氣井的測井曲線及32口井的錄井資料進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，煤系暗色泥巖主要發(fā)育于本溪組和山西組，其累計厚度一般可達(dá)70～110 m。其中，山西組厚度一般為60～80 m。平面上以東北部的子洲、米脂等地最為發(fā)育，厚度在60 m以上；其次在中東部的子長、延長等地也較發(fā)育，厚度達(dá)50～60 m；向西北部吳起—靖邊一帶厚度逐漸變??；而南部富縣—洛川—黃龍—黃陵等地其累計厚度變得更薄，一般為40～50 m(圖6a)。本溪組煤系暗色泥巖厚度一般為15～35 m，橫向分布差異較大，在研究區(qū)中部的子長—延長—延川一帶厚度可達(dá)30余米，而西部吳起—定邊一帶最低厚度僅為5 m，黃龍—黃陵—富縣等南部地區(qū)一般為15～20 m(圖6b)。綜合來看，研究區(qū)山西組和本溪組煤系暗色泥巖具有大體一致的分布趨勢，即東部、東北部最為發(fā)育，至西部及南部厚度逐漸變薄。

2.2 煤巖

上述整理分析工作還揭示煤巖主要發(fā)育在山西組和本溪組，單井煤層厚度為1.0～6.4 m，平均厚度為3.8 m。其中山西組煤層集中發(fā)育在山2段，山1段不發(fā)育，煤層一般厚度為1～4 m，最大厚度可達(dá)5.2 m。平面上煤層主要分布在中東部，厚度一般為1～3 m，南部與西部地區(qū)煤層發(fā)育程度較差，一般厚度為1～2 m。本溪組煤層以夾層少、單層厚度大為主要特征，集中分布在本1段，厚度一般為1～5 m，最厚可達(dá)8 m。平面上煤層主要分布在探區(qū)中東部和北部(圖7a)，厚度一般為2～6 m，探區(qū)西部和南部煤層不發(fā)育，厚度一般僅為1～2 m(圖7b)。

圖6 延長探區(qū)煤系暗色泥巖厚度等值線圖Fig.6 Thickness isoline of dark mudstone of coal measures in Yanchang area

3 生烴強(qiáng)度與天然氣富集

生烴強(qiáng)度的計算可以定量評價烴源巖的生烴能力，對認(rèn)識天然氣富集成藏及勘探開發(fā)部署具有重要的指導(dǎo)作用[21-22]。本文采用中華人民共和國石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《天然氣藏地質(zhì)評價方法》(SY/T5601—2009)[23]中的生氣強(qiáng)度計算公式：

D=H·ρ·C·R·g

(3)

式中D——生烴強(qiáng)度，108m3/km2；

H——有效生烴巖厚度，km；

ρ——生烴巖密度，108t/km3；

C——生烴巖殘余有機(jī)碳，%；

R——?dú)堄嘤袡C(jī)碳恢復(fù)系數(shù)；

g——單位有機(jī)碳產(chǎn)氣率，m3/t。

圖7 延長探區(qū)煤層厚度等值線圖Fig.7 Thickness isoline of coal in Yanchang area

分別計算煤系暗色泥巖和煤巖的生烴強(qiáng)度，其中有效生烴巖厚度根據(jù)鉆井和錄井資料獲得，煤系暗色泥巖密度取26×108t/km3，煤巖密度取14×108t/km3，殘余有機(jī)碳根據(jù)實際分析化驗結(jié)果獲得，有機(jī)碳恢復(fù)系數(shù)取經(jīng)驗值1.2，單位有機(jī)碳產(chǎn)氣率采用經(jīng)驗值210 m3/t。計算表明：煤的生烴強(qiáng)度主要分布于(5.5～49.4)×108m3/km2之間，平均生烴強(qiáng)度為18×108m3/km2，煤系暗色泥巖生烴強(qiáng)度主要分布于(1.5～20.6)×108m3/km2之間，平均生烴強(qiáng)度為10×108m3/km2，煤的生烴強(qiáng)度是煤系暗色泥巖的1.8倍，為研究區(qū)主力烴源巖。平面上煤層生烴強(qiáng)度高值區(qū)分布在探區(qū)東北部子長—衡山一帶及中東部延長—延川一帶，其次為西部志丹—吳起等地，南部地區(qū)生烴能力較弱(圖8a)；煤系暗色泥巖生烴強(qiáng)度高值區(qū)主要分布在東部延長和西部志丹—吳起等地，南部地區(qū)較弱(圖8b)。

圖8 延長探區(qū)生烴強(qiáng)度等值線圖Fig.8 Isoline of sourcing intensity in Yanchang area

前人研究認(rèn)為，鄂爾多斯盆地上古生界烴源巖具有廣覆式生烴、近距離運(yùn)移成藏的地質(zhì)特征。曹躍等人研究認(rèn)為天然氣富集高產(chǎn)既受優(yōu)質(zhì)儲層控制，也受優(yōu)質(zhì)烴源巖控制[11]。筆者通過對鄂爾多斯盆地東南部延長探區(qū)天然氣探井試氣無阻流量分類整理發(fā)現(xiàn)：試氣無阻流量大于10×104m3/d的氣井主要分布在探區(qū)中東部的延長—延川和東北部的子洲—橫山—子長一帶，其次分布在西北部的靖邊一帶和吳起部分地區(qū)，而探區(qū)南部的富縣—宜川—洛川一帶氣井試氣無阻流量普遍較低，一般不到1×104m3/d。這種分布規(guī)律與烴源巖生烴強(qiáng)度分布高度吻合。尤其是部分極高產(chǎn)氣井的出現(xiàn)，緊鄰生烴凹陷中心，下覆往往發(fā)育大套優(yōu)質(zhì)烴源巖系，在具備優(yōu)良儲層條件下，充足的天然氣通過微裂縫運(yùn)移到這些儲集砂體中富集成藏，這種現(xiàn)象表明優(yōu)質(zhì)烴源巖分布對天然氣富集具有顯著的控制作用(圖9)。據(jù)此認(rèn)為，探區(qū)中東部及東北部是下步天然氣主要增儲上產(chǎn)區(qū)，西北部靖邊—吳起一帶為重要接替區(qū)，南部圍繞小規(guī)模生烴凹陷尋找優(yōu)質(zhì)儲層，可作為未來的資源拓展區(qū)。

圖9 延長探區(qū)疊合生氣強(qiáng)度與試氣產(chǎn)量關(guān)系圖Fig.9 The relationship between congruent sourcing intensity and test production of gas

4 結(jié)論

(1)通過大量烴源巖地球化學(xué)特征分析化驗認(rèn)為，探區(qū)烴源巖受高熱演化程度影響，烴類已排出源巖之外，導(dǎo)致總有機(jī)碳含量(TOC)總體偏低，生烴潛量值(S1+S2)更低，不能有效反映有機(jī)質(zhì)豐度。通過對其恢復(fù)后，發(fā)現(xiàn)盒8段和山1段煤系暗色泥巖為差烴源巖，山2段和本溪組煤系暗色泥巖為中等—好烴源巖，而煤巖為中等—好烴源巖，部分為極好烴源巖。

(2)煤系暗色泥巖和煤巖生烴強(qiáng)度計算表明煤的生烴強(qiáng)度明顯高于煤系暗色泥巖，是探區(qū)的主力烴源巖，二者疊合生烴強(qiáng)度反映探區(qū)中東部及東北部為主力生氣區(qū)，其次為探區(qū)西北部，南部生氣能力較弱。

(3)烴源巖生氣強(qiáng)度控制高產(chǎn)氣井分布，表明優(yōu)質(zhì)烴源巖對天然氣富集具有顯著的控制作用。綜合研究認(rèn)為，探區(qū)中部及東北部為下步天然氣勘探的重點(diǎn)領(lǐng)域，西北部是重要的接替領(lǐng)域，南部應(yīng)加強(qiáng)精細(xì)勘探，可作為未來的資源拓展領(lǐng)域。