柴达木盆地侏罗系煤系烃源岩生烃潜力分类评价_田光荣.pdf

第 46 卷 第 5 期煤田地质与勘探Vol. 46 No.5 2018 年 10 月COALGEOLOGY 2. Qinghai Oilfield Company, PetroChina, Dunhuang 736202, China Abstract Many types of coal-measure source rocks, mainly including mudstone, carbonaceous mudstone, coal and oil shale, were developed in Jurassic in Qaidam basin. Different types of source rocks, controlled by sedimentary environments, have significant difference in organic matter, organic matter type and hydrocarbon generation and expulsion models. Those traditional uation s underestimated hydrocarbon generation potential of carbonaceous mudstone and coal. This study presents a quantitative uation based on hydrocarbon yield of unit source rock, predicts quantitatively total hydrocarbon amount and total resource extent of source rocks. The results shows contribution ratio of carbonaceous mudstone to hydrocarbon generation of Jurassic and oil coal measures; source rocks; quantitative uation; Qaidam basin 煤系烃源岩是指含煤岩系或煤系中具有生烃 能力的岩层，主要包括煤层、暗色泥岩和炭质泥 岩[1-2]，在部分盆地含煤地层中还可见一定数量的油 页岩。煤系烃源岩在我国广泛发育，其形成的煤成 气在天然气资源中占有重要的地位[3-4]，煤系烃源岩 不仅能形成大中型煤成气藏[3-6]，而且也能够形成具 有工业价值的油藏[6-11]。弄清煤系烃源岩的生烃潜 力，将有助于我们对油气资源进行科学评价，指导 油气勘探。由于煤系烃源岩具有种类多样性，不同 类型之间地球化学特征和生烃特征差别悬殊，如何 评价煤系烃源岩的生烃潜力仍然存在争议，特别是 定量评价方法有待研究。多年来不同的研究者研究 的煤系烃源岩沉积环境、保存条件、有机质来源和 成熟度的不同，导致不同学者提出的评价标准差异 较大[1,6-8,12-20]，由于缺乏统一的评价指标参数，导 致不同类型煤系烃源岩的评价结果存在不确定性。 ChaoXing 74煤田地质与勘探第 46 卷 为了更科学、准确地评价不同类型煤系烃源岩的生 烃潜力，以柴达木盆地侏罗系为例，探讨了以单位 岩石烃源岩产烃率为评价指标的生烃潜力定量评价 方法，在此基础上，对盆地不同类型烃源岩的生烃 量和资源量进行了定量预测。 1柴达木盆地侏罗系烃源岩地质概况 中、下侏罗统是柴北缘地区和阿尔金山前主 要的烃源岩分布层位，在南祁连山前的湖西山、 结绿素、圆顶山、路乐河、鱼卡、马海尕秀、红 山、小煤沟、大煤沟等地出露广泛。早侏罗世早 期, 由于祁连山南缘断裂和阿尔金山断裂的活动， 在柴北缘西段和阿尔金山以南地区形成了一系列 NW 向展布的中生代断陷，是侏罗系主要的生烃 凹陷发育时期。柴北缘西段主要有冷湖、伊北凹 陷；阿尔金山以南主要有昆特依、坪东和坪西凹 陷图 1。受构造活跃期的控制，下侏罗统沉积范 围广、地层厚度大，冷湖次凹的下侏罗统地层厚 达 2 500 3 000 m，昆特依、坪东、伊北凹陷厚达 2 000 m。该时期湖相沉积比较发育，同时在湖盆 边部发育扇三角洲和沼泽相沉积，由于有充足的 陆源河流补给，因此陆源有机质丰富。中侏罗世 时期转换为坳陷沉积，沉积中心整体向北、向东 迁移，总体呈 NW 转近 EW 向展布，主要发育河 流、沼泽相沉积，水体变浅，沉积范围变小，在祁连 山前形成一系列小的局部次凹，地层较薄图 1，中 侏罗统一般 500600 m。沉积环境对烃源岩的分 布有明显的控制作用，沉积相类型不仅控制了烃 源岩的厚度, 同时对烃源岩的类型、 有机质丰度和 类型也有明显的控制作用。下侏罗统为断陷沉积， 沉积厚度大、分布广，中侏罗统为坳陷沉积，地 层薄、 分布范围较小。 据露头及钻井资料揭示， 中、 下侏罗统主要包括暗色泥岩、炭质泥岩或页岩、 油页岩和煤等 4 种类型图 1。不同类型烃源岩形 成于不同的沉积环境， 湖相暗色泥岩主要形成于浅 湖-半深湖沉积环境，而炭质泥岩和煤主要形成于 湖沼或河沼环境， 油页岩一般发育在水流闭塞的湖 湾沉积环境。受沉积环境和物源供给共同控制，不 同类型烃源岩之间有机质丰度、 有机质类型等地球 化学特征存在显著差异[21-31]。 图 1柴达木盆地中下侏罗统残余地层分布图 Fig.1Residual stratigraphic distribution map of Middle-Lower Jurassic in Qaidam basin 2不同类型烃源岩差异性 2.1有机质丰度差异大 大量的地球化学数据统计表明，中下侏罗统烃 源岩有机质丰度普遍比较高，但不同岩性有机质丰 度差异大。总体来看，油页岩、煤和炭质泥岩有机 质丰度高，泥岩最低表 1。下侏罗统J1泥岩的有 机碳含量TOC，质量分数、生烃潜量S1S2、氯 仿沥青“A”和总烃平均值分别为 2.59、5.31 mg/g、 0.11、495 μg/g，中侏罗统J2泥岩有机质丰度与下 侏罗统比较接近。煤的有机质丰度最高，其平均有 机碳TOC是泥岩的 17.420.6 倍，S1S2 平均值是 ChaoXing 第 5 期田光荣等 柴达木盆地侏罗系煤系烃源岩生烃潜力分类评价75 泥岩的 16.817.5 倍，氯仿沥青“A”是泥岩的 7.3 10 倍，总烃分别是泥岩的 2.712 倍；油页岩有机 质丰度次之， 其平均有机碳TOC是泥岩的 4.410.5 倍，S1S2 是泥岩的 8.325.2 倍，氯仿沥青“A”是泥 岩的 1.997 倍， 总烃是泥岩的 0.746 倍； 炭质泥岩 有机质丰度也较高，其平均有机碳TOC是泥岩的 4.58.1 倍， S1S2 是泥岩的 2.37.7 倍， 氯仿沥青“A” 是泥岩的 1.62.9 倍，总烃是泥岩的 1.02.6 倍。按 照传统的评价标准，油页岩为很好烃源岩；泥岩以 中等烃源岩为主，并存在一定数量的好烃源岩；煤 和炭质泥岩一般为差-中等烃源岩[1,19,22]。对炭质泥 岩和煤的评价级别明显偏低。 表 1柴达木盆地中下侏罗统不同岩性烃源岩有机质丰度统计表 Table 1Organic matter abundance statistics of different lithologic source rocks in Middle-Lower Jurassicin Qaidam basin 层位项目泥岩炭质泥岩煤油页岩 上侏 罗统 J1 有机碳 TOC/0.238.26/2.59374 8.0548.53/21.035032.1165.7/45.10394.4750.8/27.1226 生烃潜量 S1S2/mgg-10.0232.75/5.31314 5.98142.56/40.923820.35176.86/9.21397.04491.37/133.5626 氯仿沥青“A”/0.0050.5511/0.1194 0.06182.06/0.3290.3861.0948/0.8032.52424.965/10.758 总烃/μgg-171 860/49588 764384/1 28782492 176/1 34036 08550 968/22 8958 氢指数/mgg-11397/114295 8319/118316321/15839102892/43726 中侏 罗统 J2 有机碳 TOC/0.0811.33/2.8134 5.2731.7/12.614332.2277.77/57.63633.5357.7/12.2719 生烃潜量 S1S2/mgg-10.0338.45/4.56124 0.2339.63/10.7413.59180.5/79.77601.18175.3/37.9218 氯仿沥青“A”/0.00561.78/0.1832 0.00242.2/0.2845140.05287.5/1.795260.01451.47/0.334 86 总烃/μgg-1 54 157/4223293 363/43214344 421/5 0652619728/2786 氢指数/mgg-15610/120121 2475/100417348/1326013630/28218 注0.238.26/2.59374表示最小值最大值/平均值样品数。数据来源青海油田内部资料及文献[1]。 2.2有机质类型与显微组分的差异性 柴达木盆地中下侏罗统源岩有机质类型以Ⅱ、 Ⅲ型为主， 少量为Ⅰ2型[21-24,29-30]。 主要包括油页岩、 泥岩、炭质泥岩和煤。 a. 油页岩 油页岩形成于静水还原水介质，其 有机质类型最好， 一般为Ⅱ1型， 显微组分[25]中腐泥 组极其发育，平均含量体积分数，下同达 45.7， 其次是镜质组，平均含量为 26.5，壳质组也比较 发育，平均为 21.2，惰质组平均仅为 6.6图 2。 图 2柴达木盆地侏罗系不同类型烃源岩显微组分特征 Fig.2Maceral characteristics of different types of source rocks in Jurassic in Qaidam basin b. 泥 岩 泥岩有机质类型总体较好， 部分湖相 暗色泥岩形成于深湖-半深湖还原环境， 富含水生生 物有机质，类型较好，可达Ⅰ2型Ⅱ型，同时也有 一定数量的源岩属于Ⅲ型， 显微组分以镜质组为主， 平均含量体积分数，下同达 45.63，腐泥组含量 次之，平均为 33.73，惰质组含量较少，平均 13.39，壳质组含量低，其中主要是角质体和小孢 子体，平均只有 6.67，沥青质体含量低，最高也 只有 1.9。 c. 炭质泥岩 炭质泥岩主要形成于湖沼或河沼 相， 以高等植物生烃母质为主， 有机质类型总体较差， 以Ⅲ型为主， 少量可达Ⅱ型。 炭质泥岩显微组分以镜 质组为主，平均含量为 63，其次为惰质组，其平 均含量为 20.5，腐泥组和壳质组较少，平均含量分 别为 10和 6.5。基本不含沥青质体。 d. 煤 煤的形成环境与炭质泥岩相似，生烃母 质以高等植物为主，有机质类型总体较差，以Ⅲ型 为主。煤的显微组分中主要是镜质组其中包括半镜 质组和惰质组，其含量最高达 97.82，腐泥组含 量极低，最高也只有 4.67，平均低于 1，壳质组 含量变化较大，并以孢子体、角质体和壳屑体为主， 平均含量只有 8.98。 有机质类型的多样性决定了柴达木盆地侏罗系 烃源岩既具有较大的天然气勘探潜力，也具有良好 的生油条件。 2.3有机质成熟度 根据井下和地表样品的实测数据统计，柴北缘 侏 罗 系 烃 源 岩 镜 质 体 反 射 率 Rran 变 化 范 围 在 0.311.65，绝大部分处于 0.51.3，属于低 熟–成熟烃源岩[22-23,30]。烃源岩成熟度主要受埋深控 制，根据实测样品数据及侏罗系埋深预测，下侏罗 ChaoXing 76煤田地质与勘探第 46 卷 统生烃凹陷的主体主要发育高熟–过熟烃源岩， 大部 分地区烃源岩镜质体反射率 Rran1.5，最高可达 3.5以上图 1，以生气为主。中侏罗统主要位于山 前，埋深较小，因此其烃源岩大部分处于成熟阶段， Rran为 0.51.5，以生油为主。 2.4生烃模式的差异性 柴达木盆地侏罗系烃源岩有机质类型的多样性 导致生烃特征及生烃模式的差异性，在这方面前人进 行了大量、系统的生烃热模拟实验[19,32]，为全面、系 统地分析不同类型烃源岩之间生烃特征的差异性提供 了可能，也为烃源岩生烃潜力定量评价奠定了基础。 2.4.1热压模拟实验方法 实验仪器由反应釜、 温控仪和热解气及凝析油 收采分离系统 3 部分组成。 反应釜采用大连自控设 备厂生产的 GCF-0.25L 型反应釜, 设计压力 19.6 MPa；温控仪，采用 XMT-131 数字显示调节仪。 样品用量为煤 1020 g 、 泥岩 60250 g , 颗粒大小 主要采用 2.510 mm 的样品，加水量为样品质量 1050 ，模拟温度为 200℃、250℃、275℃、 300℃、325℃、350℃、400℃、450℃和 500℃共 9 个温度点，加温时间为 24 h[19,32]。实验方法是将样 品和去离子水加入到反应釜中，密封后抽空，然后 进行加温实验，待釜内温度降到 200℃时开始排放 气、冷却、分离和计量。模拟后的残样称重后进行 有机碳、热解和反射率测定, 然后用氯仿抽提沥青 “A”得到“残留油”。 图 3柴达木盆地侏罗系不同类型烃源岩生排烃模式资料来源文献[19,32] Fig.3Hydrocarbon generation and expulsion models of different types of source rocks in Jurassic in Qaidam basin ChaoXing 第 5 期田光荣等 柴达木盆地侏罗系煤系烃源岩生烃潜力分类评价77 2.4.2不同类型烃源岩产烃率单位有机碳 源岩热压模拟实验表明，不同类型有机质生烃潜 力、生烃模式差异较大[1,19,32]图 3。产油率受有机质类 型控制，不同类型有机质最大产油率差异较大，最大可 相差一个数量级。Ⅱ1型有机质最高，最大产油率可达 296.4498.4mg/gTOC每克有机碳， 其次是Ⅱ2型有机 质，最大产油率110.5164.4mg/gTOC，Ⅲ1型有机质最 大产油率较低，为48.363.6mg/gTOC，Ⅲ2型产油率最 低， 仅为29mg/gTOC； 总产烃率虽然也受有机质类型影 响，但不同类型有机质之间差异相对较小，最大相差34 倍，Ⅱ1型有机质总产烃率为559563mg/gTOC，Ⅱ2型 有机质总产烃率为 230.2356 mg/gTOC，Ⅲ型有机质 总产烃率为 164312 mg/gTOC。 按岩性来看，油页岩是最好的烃源岩，其最大产油 率和总产烃率都是最高的，分别为 498.4 mg/gTOC和 559 mg/gTOC；泥岩最大产油率在 29296.4 mg/ gTOC ， 平均为 127.22 mg/gTOC，总产烃率在 197563mg/gTOC，平均为 346.6 mg/gTOC；炭质 泥岩最大产油率为 164.4 mg/gTOC，总产烃率为 338 mg/gTOC；煤最大产油率和总产烃率较低，平 均最大产油率为 80.25 mg/gTOC，总产烃率为 197.1 mg/gTOC。 模拟结果反映出柴达木盆地侏罗系煤系烃源岩 单位有机碳的最大产油率及总产烃率由高到低的顺 序依次为油页岩、泥岩、炭质泥岩和煤，这与有机 质类型及显微组分的分析结果是一致的。 3生烃潜力分类评价 3.1单位岩石烃源岩生烃潜力定量评价 3.1.1评价方法 烃源岩生烃潜力评价本质上是对其生烃能力大 小的评价，而生烃能力是由源岩的有机质数量丰度 和有机质类型共同决定的。 烃源岩生烃潜力可以用每 吨岩石最大产烃率包括最大产油率和总产烃率来 表示，公式为 Qt0C0LS1 式中 Qt0为单位源岩最大产烃率，包括最大产油率 和总产烃率，mg/g；C0为源岩原始有机碳质量分 数，；LS为热模拟实验得到的源岩单位有机碳产 烃率，包括最大产油率和总产烃率，mg/gTOC。 单位源岩最大产烃率反映的是烃源岩在进入大 量生排烃之前，即在未熟阶段所具有的生烃能力，避 免了由于成熟度的不同导致同一类型的烃源岩生烃潜 力的不一致。单位源岩最大产烃率包括最大产油率和 总产烃率， 分别反映源岩的生油潜力和最终产气潜力。 从式1可以看到， 生烃潜力由两个基本参数原 始有机碳含量和产烃率共同决定，前者代表有机质 丰度，后者代表有机质类型。一般来说进行热压模 拟的样品都是选取还未大量生烃的未熟烃源岩，模 拟得到的生烃率基本可以代表该类源岩的原始生烃 率。而有机碳受成熟度影响较大，当成熟度较高时 需要进行原始有机碳的恢复。 3.1.2评价结果 按照式1，利用柴达木盆地侏罗系烃源岩有机碳 含量与生烃模拟数据，计算了不同类型烃源岩单位岩 石的最大产油率和总产烃率表 2。从表 2 来看，生烃 潜力最大的烃源岩为油页岩，下侏罗统最大产油率和 总生烃量分别 135.2 mg/g 和 151.6 mg/g，中侏罗统最 大产油率和总产烃率分别为 61.2 mg/g 和 68.6 mg/g，中 侏罗统数值较低与样品大多采自地表露头有关；除油页 岩外， 其他几种烃源岩中， 煤的生烃潜力好于炭质泥岩， 炭质泥岩好于泥岩，这与塔里木盆地库车坳陷侏罗系煤 系烃源岩分析结果一致[33-34]。各类源岩中，泥岩生烃潜 力最小，其最大产油率和总产烃率分别为 3.33.6 mg/g 和 8.989.7 mg/g。从这个结果来看，炭质泥岩和煤单位 岩石的生烃潜力较大，其生烃潜力不容忽视。 表 2柴达木盆地侏罗系烃源岩单位岩石产烃率 Table 2Hydrocarbon yield of unit rock of Jurassic hydrocarbon source rock in Qaidam basin 层 位 泥岩炭质泥岩煤油页岩 平均 TOC/ 最大产油率/ mgg-1 总产烃率/ mgg-1 平均 TOC/ 最大产油率/ mgg-1 总产烃率/ mgg-1 平均 TOC/ 最大产油率/ mgg-1 总产烃率/ mgg-1 平均 TOC/ 最大产油率/ mgg-1 总产烃率/ mgg-1 J22.83.69.712.6120.742.657.6346.3113.612.2761.268.6 J12.593.38.9821.0334.671.145.1036.288.927.12135.2151.6 3.2资源潜力评价 为了更科学地评价各类烃源岩对油气成藏的贡 献大小，对其各自的生烃总量和资源量进行了定量 预测。前已述及，不同类型烃源岩的分布及厚度主 要受控于沉积环境，因此，根据中下侏罗统的沉积 相图图 4，预测了各类烃源岩的分布面积和厚度。 湖相泥岩主要分布在半深湖和浅湖相带， 其发育规模 最大，分布面积为 8 300 km2，平均厚度为 450 m； 其次为炭质泥岩，主要分布于与三角洲和滨湖相伴 ChaoXing 78煤田地质与勘探第 46 卷 生的沼泽环境，分布面积为 4 200 km2，平均厚度为 150 m； 煤层主要形成于与河流和三角洲相伴生的河 沼和湖沼环境，分布面积为 2 600 km2，平均厚度为 50 m；油页岩形成于水流闭塞的湖湾，分布面积为 1 800 km2，平均厚度为 70 m。在此基础上结合烃源 岩的成熟度，运用单位岩石生烃率法计算了各类烃 源岩的生烃量。计算结果见表 3。结果表明，侏罗 系各类烃源岩总生油量为 537 亿 t，总生气量为 198.99 万亿 m3，其中泥岩、炭质泥岩、煤和油页岩 对生烃总量油气合计，按油气当量计算的贡献率 分别为 34.1、44.8、10.9、10.2。炭质泥岩的 发育规模不是最大， 但生油量和生气量都是最大的； 其次是湖相泥岩，其生油量和生气量均位列次席； 油页岩发育规模最小，但其生油量占总生油量的 25.5，位列第三；煤生油量相对较小，但生气量位 列第三位。泥岩、油页岩石油运聚系数取 1，天然 气运聚系数取 0.7，考虑到煤和炭质泥岩的吸附 性，煤、炭质泥岩石油运聚系数取 0.8，天然气运 聚系数取 0.65。据此换算油气资源量表 3，石油 总资源量为 4.91 亿 t， 天然气总资源量为 1.33 万亿 m3， 其中泥岩、炭质泥岩、煤和油页岩对油气资源的贡 献率分别为 36.0、41.7、9.8、12.4。与第三 次资源评价结果比较，石油资源量变化不大，天然 气资源量大幅度提高增加了 3.8 倍， 据此确定了煤 型气是侏罗系油气系统主要的勘探方向，坚定了在 阿尔金山前带寻找大气田的信心，研究结果对东坪 斜坡及尖北地区煤型气的勘探具有指导意义。 图 4柴达木盆地中下侏罗统沉积相图 Fig.4Sedimentary facies diagram in Middle-Lower Jurassic in Qaidam basin 表 3柴达木盆地侏罗系烃源岩资源潜力评价表 Table 3Resource potential uation table of source rocks in Jurassic in Qaidam basin 源岩分类 分布面积/ km2 厚度/ m 岩石密度/ tm-3 生烃量资源量 石油/亿 t 天然气/万亿 m3贡献率/ 石油/亿 t 天然气/万亿 m3 贡献率/ 泥岩8 3004502.5168.169.8434.11.680.4936.0 炭质泥岩4 2001502.5190.695.4944.81.520.6241.7 煤2 600502.541.223.8410.90.330.159.8 油页岩1 800702.5137.29.8210.21.370.0712.4 合计15 500537.0198.994.911.33 4结 论 a. 柴达木盆地侏罗系煤系烃源岩类型多样，主 要包括暗色泥岩、炭质泥岩、油页岩和煤等，不同 类型烃源岩，其有机质丰度、显微组分、有机质类 型及生排烃模式等差异显著。 b. 单位岩石烃源岩最大产烃率包括最大产油 率和总产烃率是煤系烃源岩生烃潜力评价的有效 ChaoXing 第 5 期田光荣等 柴达木盆地侏罗系煤系烃源岩生烃潜力分类评价79 指标。定量评价表明，柴达木盆地侏罗系煤系烃源 岩中，炭质泥岩和煤单位岩石生烃潜力较大，是值 得重视的好烃源岩之一。 c. 生烃量和资源量定量预测结果表明，炭质泥 岩对盆地侏罗系生烃总量和油气资源的贡献率分别 达到 44.8和 41.7，整体提升了侏罗系煤系烃源 岩的资源潜力，特别是煤型气资源量大幅度提高， 对柴达木盆地煤型气的勘探具有指导意义。 参考文献 [1] 秦建中. 中国烃源岩[M]. 北京科学出版社，2005. 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