四川盆地二叠系烃源岩及其天然气勘探潜力(二)——烃源岩地球化学特征与天然气资源潜力
2020-02-26
来源:年旅网
第38卷第6期 地质勘探 33 四川盆地二叠系烃源岩及其天然气勘探潜力(二) 烃源岩地球化学特征与天然气资源潜力 陈建平1,2,3 李伟 , 倪云燕1,2,3 戴鑫4 梁狄刚 1.中国石油勘探开发研究院3.中国石油天然气集团有限公司油气地球化学重点实验室邓春萍 边立曾 2.提高石油采收率国家重点实验室 4.中国石油西南油气田公司 5.南京大学地球科学与工程学院 摘要 四川盆地二叠系发育中二叠统海相碳酸盐岩和上二叠统海陆交互相碎屑岩两套烃源岩,由于其热演化程度高,造成对 烃源岩原始生烃潜力及天然气资源潜力认识不清。为此,通过研究该盆地内探井及盆地周缘剖面大量二叠系烃源岩样品的地球化学 特征及生烃潜力随成熟度的变化规律,探讨了二叠系烃源岩的原始生烃潜力以及在地质历史时期生排烃量、干酪根与原油裂解生 成天然气的资源潜力。研究结果表明:①上二叠统龙潭组泥岩和碳质泥岩总有机碳含量高、原始生烃潜力大,是二叠系中最主要 的油气烃源岩,龙潭组煤层也是非常重要的气源岩,上二叠统大隆组有机碳含量和生烃潜力也很高,是四川盆地北部重要的油气 源岩,中二叠统碳酸盐岩烃源岩总有机碳含量与原始生烃潜力低,是次要的油气源岩;②二叠系烃源岩在地质历史时期生成原油 3 290×10 t,生成天然气420×10 m ,龙潭组烃源岩对原油和天然气的贡献率分别为80%和85%;③二叠系烃源岩形成的古油藏 原油资源量为580×10 t,原油裂解气资源量为4.45×10 m ,干酪根直接生成的天然气资源量约为2.10×10 m ,天然气资源总 量可达6.55×10 m ,其中原油裂解气占70%。结论认为,四川盆地北部和中部一东南部是二叠系的两个生烃中心,也是最有利的 二叠系油气成藏和天然气勘探区域,古油藏是最具天然气资源潜力的勘探目标。 关键词 四川盆地 二叠纪 烃源岩 有机质丰度 生烃潜力 天然气 资源量 资源潜力有利勘探区 DoI:10_3787 .issn.1000—0976.2018.06.005 ThePermian s0ur℃erocksintheSichuanBasinanditsnaturalgasexplorationpotenliai6'art 21: Geochemical characteristies of source rocks and latent capacity of natural 2as rI 0urces Chen Jianping l2’3,Li w ,Ni Yunyan _2‘3,Dai Xin ,Liang Digang Deng Chunping , ' &Bian Lizeng f 1 PetroChina Research Institute Of Petroleum Exploration ond Development,Beo'ing 1 00083 China,"2.State Key Laboratory ofEnhanced 0il Recovery,Beij'ing 100083.China;3.CNPC Key Laboratory ofPetroleum Geochemistry, Beijing 1 00083,China,"4.PetroChina Southwest 0f,&Gasifeld Company,Chengdu,Sichuan 61 0051,China;5.School ofEarth Sciences and Engineering,Nanjing University,Nanjing,Jiangsu 21 0093.China) NATUR.GAS IND.VOLUME 38.ISSUE 6.PP.33.45.6/25/20l8.(ISSN l000—0976;In Chinese) Abstract:There are two sets of source rocks in the Permian of the Sichuan Basin,i.e.,the Middle Permian marine carbonate rocks and the Upper Permian transitional elastic rocks.Since the Permian source rocks are currently at the over-mature stage,there is no clear under— standing of their original hydrocarbon generation potential and natural gas resource potentia1.In this paper,the geochemical characteristics and the relationship between hydrocarbon generation potential and maturity of abundant Permian source rock samples taken from the ex. ploration wells in the Sichuan Basin and its peripheral sections were investigated.Then,the original hydrocarbon generation potential of Permian source rocks,the hydrocarbon generation and expulsion during geological history and the resource potential of natural gas from kerogen and crude oil cracking were discussed.And the following research results were obtained.First.mudstone and carbonaceous mud. stone in the Upper Permian Longtan Fm are characterized by high organic matter abundance and great hydrocarbon generation potential, and they are the most important source rocks in the Permian.Coal in the Longtan Fm is also very important gas source rocks.The Dalong Fm of Upper Permian is also very high in TOC and hydrocarbon generation potential,and it is the important source rock in the northern Dan of the basin.While the Middle Permian carbonate source rocks are the secondary source rocks with low organic matter abundance and initial hydrocarbon generation potentia1.Second.the Permian source rocks generated 3 290x 1 0 t crude oil and 420 ̄1 0 m natural gas during the geological history,in which the contribution of Longtan Fm source rocks to crude oil and natural gas is 80%and 85%.respec. tively.Third.the crude oil resources of paleo—oi1 reservoirs derived from the Permian source rocks are as high as 580x l 0 t.and the total natural gas resources are up to 6.55x10“m ,including 4.45×10“m (70%)oil—cracking gas and 2.10x10“m natural gas directly generated from kerogen.It is concluded that the northern and centra1一southeastern parts of the basin are the two hydrocarbon generation centers of the Permian and they are the favorable areas of Permian hydrocarbon accumulation and natural gas exploration.Moreover,the paleo.oil reservoirs in these two areas are the most prospective targets for natural gas exploration in the Sichuan Basin. Keywords:Sichuan Basin;Permian;Source rocks;Organic matter abundance;Hydrocarbon generation potential;Natural gas;Resource; Resource potential;Favorable exploration area 基金项目:中国石油天然气股份有限公司科研项目“地质条件下油气排驱机理与应用研究”(编号:2016A一202)、“四川盆地天然气 资源潜力分析及新区新领域勘探目标评价”(编号:2016E一0601),中国石油化工股份有限公司科技项目“南方复杂构造区有效烃源岩评 价研究”(编号:2004—08)。 作者简介:陈建平,1962年生,教授级高级工程师,博士;主要从事油气地球化学与勘探方面的研究工作。地址:(100083)北京 市海淀区学院路2O号实验研究中心。ORCID:0000—0002—3745-6111。E-mail:chenjp@petrochina.com.cn 天 然气工业 2018年6月 0 引言 四川盆地是我国南方最主要的含油气盆地,目 前已经发现了200多个天然气田或含气构造,其中许 多大中型气田的天然气被认为主要来源于二叠系烃 源岩[I-7]0例如:罗家寨气田、渡口河气田、铁山坡 气田、普光气田、龙岗气田、元坝气田和磨溪气田等。 源岩生烃潜力随成熟度的变化关系进行分析,探讨 了二叠系烃源岩的原始生烃潜力以及在地质历史时 期的生排烃量、干酪根与原油裂解生成天然气的资 源潜力,以期为二叠系天然气勘探决策与目标优选 提供参考。 烃源岩有机碳含量 四川盆地主要气田、含气构造分布概要如图l 所示。 二叠系发育中二叠统栖霞组和茅口组海相碳酸 盐岩和上二叠统海陆交互相龙潭组泥质岩两套烃源 岩,以往许多学者对这两套烃源岩的有机质丰度、 有机质组成和类型、有机质成熟度和生烃潜力等基 本地球化学特征进行了研究[8-13],认为碳酸盐岩烃 源岩有机质丰度低但有机质类型较好,龙潭组烃源 二叠系是一套海陆交互相沉积,烃源岩的类型 较多,除泥岩外,还有石灰岩、碳质泥岩和煤。由于 二叠纪时期高等植物相对比较发育,有机质的来源既 可以是水生的,也可以是陆源的,有机质中类脂物质 岩有机质丰度高但有机质类型较差,它们均具有良 好的生烃潜力。然而,由于二叠系烃源岩目前已经 相对比下古生界寒武系、志留系有机质少,因而其有 机质类型也相对要差一些。另一方面,由于四川盆 地二叠系烃源岩目前一般处于高成熟一过成熟阶段, 有机质已经大量生烃与排烃,烃源岩热解生烃潜力 处于高成熟至过成熟演化阶段 ’ · ,对其原始生 烃潜力不清楚,对其在地质历史时期生成了多少原 油以及原油裂解形成了多少天然气也不清楚。因此, 长期以来对于天然气是干酪根裂解气为主还是原油 裂解气为主没有清楚的认识。本文基于以往的大量 研究文献,通过对盆地内探井及盆地周缘剖面大量 只是其残余生烃潜力,不是其原始生烃潜力。因此, 本文按照陈建平等[1 6】建立的烃源岩评价标准与方法 计算四川盆地二叠系高一过成熟烃源岩的原始生烃 二叠系烃源岩样品的地球化学特征、不同成熟度烃 潜力,计算结果如表1所示。 图1 四川盆地主要气田、含气构造分布概要图 第38卷第6期 地质勘探 35 1.1中二叠统烃源岩 中二叠统包括梁山组、栖霞组和茅口组。 梁山组地层薄、分布不稳定,厚度一般小于5 泥灰岩类烃源岩TOC平均值分别为0.78%和0.83%。 1.2上二叠统烃源岩 1.2.1龙潭组/吴家坪组烃源岩 上二叠统龙潭组/吴家坪组是一套海陆交互相含 煤沉积,烃源岩包括泥岩、碳质泥岩、煤和碳酸盐 岩(石灰岩和泥灰岩)。盆地北部地区河坝1井、普 m,以泥岩为主,夹薄煤层、煤线和少量石灰岩。 21个梁山组泥岩样品总有机碳含量(TOC)介于 0.21%~5.85%,其中TOC>0.50%的样品20个, 平均值为1.55%,0.5%~3.0%的样品占85%(表l、 光3井、普光5井、毛坝2井、龙会4井、云安l9 井等井及多个地面剖面、川南一黔西北地区浅2井、 浅3井等井及多个地面剖面390个泥岩样品统计表 明(表l、图2-e),TOC介于0.17%~5.93%,平均 值为2.71%,其中TOC介于1.0%~4.0%的中等一 好烃源岩占63%,TOC>4.0%的好烃源岩占22%; 烃源岩的平均有机碳含量为2.83%,属于好烃源岩。 龙潭组/吴家坪组251个石灰岩、泥灰岩统计表 明(表l、图2一f),TOC最高值为2.11%,平均值为 0.40%,其中TOC<0.5%的样品占73%。与该套地 层中的泥岩相比,石灰岩和泥灰岩的TOC要低得多, 烃源岩的TOC平均值仅为0.90%,其重要性显然远 不如泥质烃源岩。 图2-a)。总体上看,梁山组以差一中等烃源岩为主, 不是主要烃源岩。 栖霞组和茅口组以石灰岩、泥灰岩沉积为主, 夹少量泥岩,不同地区石灰岩、泥岩的比例有所差 异。44个栖霞组和茅口组泥岩样品统计表明(表1、 图2-b),TOC多介于0.5%~3.O%,占总数的87%, TOC最高值为3.97%。TOC>0.5%的栖霞组和茅口 组烃源岩TOC平均值分别为1.31%和1.48%,总体 上表现为差一中等烃源岩。 川东北地区河坝l井、普光5井等井及大量露头 剖面的67个栖霞组石灰岩、泥灰岩样品统计表明(表 l、图2-c),TOC最高值为1.88%,平均值仅为0.49%, 其中TOC<0.5%的样品占54%。茅口组石灰岩、泥 灰岩的情况与栖霞组石灰岩差不多(表1),TOC最高 值为1.76%,平均值仅为0.56%,其中TOC<0.5%的 碳质泥岩和煤是龙潭组重要的烃源岩之一。92 个碳质泥岩样品的TOC介于6.05%~38.54%,平 均值为l2.94%(表1),是非常好的气源岩。龙潭组 煤层厚度在四川盆地不同地区差别较大,单层厚度 不超过2 m,累计厚度一般不超过20 m,TOC介于 样品占46%(图2一d)。显然,栖霞组和茅口组石灰岩 /泥灰岩以非烃源岩为主,其TOC>O.5%的石灰岩与 36 天 然气 工业 2018年6月 50% 50% 50% 40% 30% 40% 30% . 40% 30% 20% lO% __ 20% l0% 20% 10% 0 1O%.3 O%5+O%8.O%1 5 O%0 】 O%3O%.5 O%8 O%1 5 O%0 02%.O.5% 1 O%】5%4.O% 总订机碳 量 30% 总有机碳含角‘ 总有机碳含髓 2O% i 圈.圈圜。一 321O0% l32O0% 10% _lJI 一 一 一0 Ol2%40% 3O% ÷=2O% 1O% _冒 露 图.圈圆….豳 4320O% - 圜豳圈 0 1 0% 3 0%5 O% 8 O%圈麟阅豳豳圈 总有机碳含最 总仃机碳含量 图豳豳豳豳豳臣 g.长兴组石灰 圈豳圜圜圜墨 N=135 O 5% 1 0%1 5% 4 O%匾 15 O%0 O 2%0 5% 1 0%15% 4 0% .总有机碳含量 40% 。圜豳I 3O% 纡3 圭l心Ⅳ = u 圈 _1一 一 2O% 1O% 1O% 一 0 0 2%O5% 1.0%.1 5% 4 0%0 1 0%4 0%10 O%20 0%40 O%0 0 5%O 8%2 0%4 O% 6 O% 总仃机碳 餐 总 机碳含量 总 机碳 璇 图2四川盆地二叠系不同层组泥岩和石灰岩总有机碳含量分布图 41.82%~81.53%,平均值为59.98%(表1)。实际上, 煤的TOC并不能表示其生烃潜力。根据研究_1 ,煤 据广元地区矿山梁上寺剖面、朝天剖面和麻柳桥剖 面38个泥岩样品统计(表1、图2-h),TOC介于 0.43%~21.20%,平均值为8.3l%,其中烃源岩(37 在成熟阶段可以生成少量轻质油,在高成熟、过成 熟演化阶段可以生成大量的天然气。因此,煤不是 好的油源岩,但是非常好的气源岩。 1-2-2长兴组/犬隆组烃源岩 个样品)TOC平均值高达8.52%,TOC>4.0%的样 品占92%。矿山梁上寺剖面24个样品TOC平均值为 8.42%,热解生烃潜力平均值为22.89 mg/g,可见大 隆组泥岩为很好和极好的烃源岩。但是,该泥岩层所 上二叠统长兴组为一套以石灰岩和泥灰岩沉积 为主、夹少量泥岩的地层。川东北地区河坝1井、 夹的石灰岩或泥灰岩地层的TOC则明显低于泥岩(表 1、图2-i), C最高值仅为2.03%,9个样品TOC 普光3井、普光5井、毛坝2井等井135个长兴组 石灰岩、泥灰岩样品统计显示(表1、图2.g),TOC 介于0.04%~1.97%,平均值仅为0.30%,其中绝大 平均值为1.21%,远低于泥岩的平均值。综上表明, 大隆组在川北地区是一套非常重要的油气源岩。 多数样品(86%)的TOC<0.5%,属于非烃源岩; TOC介于0.5%~2.0%的差一中等烃源岩占14%。 2烃源岩有机质类型 2.1有机质显微组分 可见长兴组石灰岩基本上不是烃源岩。另外,长兴 组中泥岩TOC也不高(表1)。总体来看,四川盆地 长兴组烃源岩不发育,对天然气的贡献非常小。 在川西北龙门山一川I北米仓山一川I东北大巴山 山前地区,上二叠统顶部发育一套以泥岩、硅质泥 岩为主的大隆组地层,与长兴组为同期异相沉积。 二叠系泥岩全岩光片中有机质的显微组分以镜 质组为主(大于80%),镜质组中以镜屑体为主,占 镜质组组分的60%~90%,其次是基质镜质体,占 镜质组组分的5%~30%,少量为均质镜质体和结构 第38卷第6期 地质勘探 37 镜质体。烃源岩中壳质组的含量低,许多样品中没有 见到壳质体,可能与成熟度高导致其光性特征消失 有关。腐泥组分的藻类体含量也很低,一方面可能 是其有机质的原始来源中藻类体的成分相对少,另 一有机质氢指数较高,泥岩中有机质氢指数大于120 mg/g TOC的混合型有机质占96%,石灰岩中有机质 氢指数介于60~120 mg/g TOC的腐殖型有机质和 大于120 mg/g TOC的混合型有机质分别占40%和 60%。广元地区朝天和麻柳桥剖面等成熟度高的大隆 组烃源岩( 介于1.4%~1.5%)的氢指数明显降低, 小于60 mg/g TOC为主,非常清楚展示了热演化对氢 指数的影响。 方面也可能是光性特征消失后难以辨别。 二叠系烃源岩干酪根的显微组分分析表明, 泥岩中有机质以腐殖无定形为主,组分含量介于 60%~95%。成熟度低的样品中见到少量孢粉体 (2%),表明有机质中有陆源高等植物输入。川西北 地区矿山梁上寺剖面成熟度较低的大隆组烃源岩干 2.4干酪根碳同位素组成 酪根镜下也未见有结构的藻类体,有机质以腐殖无 定形体为主,组分含量介于80%~90%,镜质体含 量介于6%~14%,惰性组分含量很低。总体上, 上古生界泥岩中干酪根显微组分差异不大,类型指 数在一5~45之间,仍然是混合型有机质为主,部 分为腐殖型有机质。 龙潭组煤的显微组分组成中,以镜质组为主, 绝大多数含量介于85%~99%,少数介于60%~ 85%,为腐殖型有机质。在镜质组的构成中,多数为 基质镜质体,占镜质组的50%以上;其次为均质镜 质体和结构镜质体,占镜质组的l0%以上,平均为 15%,再次为镜屑体,介于5%~20%。壳质组、腐 泥组的含量较低,许多样品由于成熟度高而没有鉴 定出壳质组成分。 2.2有机质元素组成与类型 四川盆地二叠系烃源岩成熟度高,干酪根H/C 原子比小于0.7,O/C原子比小于O.08,难以区分其 原始有机质的类型。川西北地区矿山梁上寺剖面大隆 组低成熟一成熟烃源岩的H/C原子比介于0.8~1.1, 以混合型有机质为主。推测栖霞组、茅口组和大隆组 泥岩和石灰岩可能以混合型有机质为主,吴家坪组 泥岩和碳质泥岩有机质可能以混合型和腐殖型有机 质为主。川I西北地区矿山梁吴家坪组煤由于其成熟 度相对较低,H/C原子比介于0.7~0.8,处于Tissot 和Welte ̄ 根据世界不同地区大量不同成熟度煤做出 的煤的演化趋势范围内,属于典型的腐殖煤,为腐 殖型有机质。 2-3热解氢指数 四川I盆地二叠系海相烃源岩目前可热解的残余 烃类很低,氢指数一般小于60 mg/g TOC,采用热解 氢指数已经不能正确判识有机质的原始类型。目前 成熟度相对较低的川西北地区矿山梁上寺剖面大隆 组烃源岩,镜质体反射率( )介于0.7%~0.8%, 千酪根碳同位素是有机质类型判识的重要指标。 由图3可见,中二叠统烃源岩干酪根的碳同位素值 ( ”C)介于一31‰~一25%o,以混合型有机质为主, 少量腐泥型有机质。龙潭组烃源岩干酪根的碳同位 素最重, C值介于一29‰~一21‰,明显高于中 二叠统烃源岩有机质的 C值,其中泥岩干酪根的 碳同位素相对较轻,613C值介于一28‰~一26‰, 以混合型有机质为主,而碳质泥岩和煤的碳同位素 较重, ”C值介于一24%。~一23‰,以腐殖型有机 质为主。长兴组/大隆组烃源岩干酪根的碳同位素 比龙潭组轻, C值介于一29%o~一24‰,以混合 型有机质为主。 3 2 l 0 lO 5 嚣。 5 O 5 O -36%o一34%o-32%o-30%o-28‰-26%0-24%0-22%0-20%o 碳同位素 ”C 图3四川盆地二叠系烃源岩干酪根碳同位素分布图 3烃源岩原始生烃潜力 四川盆地二叠系烃源岩成熟度已经达到高一过 成熟阶段[9,12,14-15],残余的热解生烃潜量均很低,其 中泥岩的热解生烃潜力一般低于2.0 mg/g,石灰岩的 热解生烃潜力一般低于1.0 mg/g。这是地质历史时期 38 天然气工业 2叭8年6月 热演化生排烃的结果,其原始生烃潜力应高于目前 的残余值。 3.1低成熟烃源岩有机碳与原始生烃潜力 按照泥岩和石灰岩的TOC可以推算其原始热解生烃 潜量(表1、2)。总体上,二叠系泥岩在未成熟一低 成熟演化阶段的原始生烃潜量介于0.5~16.0 mg/g, 多数介于2.0~13.0 mg/g,平均值为6.6 mg/g,属于 中等~好生烃潜力烃源岩。二叠系碳酸盐岩由于其 TOC低,原始热解生烃潜量也较低,介于0.5~6.2 ∞ 如 如 加 m 0 川西北地区矿山梁上寺剖面大隆组成熟度相对 较低( <0.8%),为认识烃源岩的原始生烃潜力 提供了非常有利的条件。由图4可见,大隆组低成 熟度烃源岩TOC与热解生烃潜量( )之间具有非 mg/g,平均值为2.1 mg/g,属于低生烃潜力烃源岩。 栖霞组和茅口组泥岩烃源岩TOC平均值分别为 1.31%和1.48%,在未成熟一低成熟演化阶段的原始 生烃潜量介于O.5~6.0 mg/g,平均原始生烃潜量分 别为3.5 mg/g和4.1 mg/g;全部泥岩烃源岩TOC平 均值为1.41%,平均原始生烃潜量为3.84 mg/g。栖 霞组和茅口组石灰岩/泥灰岩的TOC平均值分别为 0.78%和0.83%,原始生烃潜量分别为1.7 mg/g和1.9 常好的正相关关系,随着TOC增高其热解生烃潜量 呈线性增高。24个大隆组泥岩中多数样品TOC介于 2%~15%,其热解生烃潜量主要介于l0~60 mg/ g,平均热解生烃潜量达到22.89 mg/g,具有很高的 生烃潜力(图4-a)。15个大隆组石灰岩的TOC介于 0.28%~2.03%,50%以上的样品热解生烃潜量小于 1.0 mg/g(图4_b),平均热解生烃潜量为1.92 mg/g; 其烃源岩TOC平均值为1.03 ̄,/o,热解生烃潜量介于 0.5~7.0 mg/g,平均热解生烃潜量为2.46 mg/g,单 mg/g;全部石灰岩烃源岩TOC平均值为0.8l%,平 均原始生烃潜量为1.82 mg/g,约为泥岩的一半。中 二叠统泥岩与石灰岩烃源岩 C平均值为1.02%, 7 6 5 4 3 2 位有机碳生烃潜力与泥岩基本相当。 3.2高成熟烃源岩的原始生烃潜力 根据图4中有机碳与热解生烃潜力的对应关系, 平均原始生烃潜量为2.52 mg/g,总体上属于生烃潜 O O O O O O O O 力较低的差等烃源岩。 龙潭组泥岩烃源岩的TOC平均值为2.83%,平 f ∞ ● 。D ● ∞ 。D g 吕 面 Ⅲ== 挺 挺 士H 篷 5% l0% 15% 20% 25% O.5% 1.0% 1.5% 2.0% 2 5% 总有机碳含量 总有机碳含量 图4矿山梁上寺剖面大隆组低成熟泥岩、石灰岩总有机碳含量与热解生烃潜量关系图 表2二叠系不同类型源岩有机质丰度与原始生烃潜力比较表 第38卷第6期 地质勘探 39 均原始生烃潜量为7.1 mg/g,属于好烃源岩;龙潭组 石灰岩烃源岩TOC平均值为0.90%,平均原始热解 生烃潜量为2.1 mg/g,远低于泥岩的生烃潜力,属于 差烃源岩。龙潭组碳质泥岩TOC平均值为l2.94%, 原始热解生烃潜量介于15~110 mg/g,平均原始热 解生烃潜量为36.0 mg/g,具很高的生烃潜力。 龙潭组煤目前己达到过成熟的半无烟煤和无烟 煤阶段,残余热解生烃潜量小于40 mg/g。川I西北广 元地区存在一些成熟度相对比较低的煤(Ro<0.8%), 其热解生烃潜量较高,最高可达185 mg/g,氢指数 大于200 mg/g,表明龙潭组煤在未成熟一低成熟演 化阶段具有较好的生烃潜力。按照低成熟煤TOC与 4二叠系资源潜力 4.1烃源岩生排烃模式 川西北地区存在低成熟一高成熟的大隆组烃 源岩,较好地反映了二叠系烃源岩热演化生排烃过 程与生排烃模式(图5)。与上寺剖面低成熟大隆 组烃源岩相比,朝天剖面和麻柳桥剖面等大隆组烃 源岩成熟度较高,目前己达到了生油窗下限,其目 前残余的热解生烃潜力很低,表明其在生油窗内生 成并排出了大量烃类,排出的烃量占总生烃量的 80%~90%。由上文可知,四川I盆地二叠系泥质烃 热解生烃潜量的关系推算,龙潭组煤的原始热解生 烃潜量平均值为1 50.0 mg/g。 值得特别指出的是,龙潭组煤的平均原始生烃 潜量是石灰岩烃源岩的70倍、泥岩烃源岩的20倍, 即1 m厚的煤的生烃量约为70 m厚的石灰岩烃源岩 或者20 m厚泥岩烃源岩的生烃量。四川盆地龙潭组 源岩中有机质以混合型为主,其次为腐殖型有机质, 腐泥型有机质极少。大隆组属于盆地相/海槽相沉积, 烃源岩有机质类型好于龙潭组含煤沉积等其他层系, 生排烃量最高,其他层系烃源岩的生排烃量低于大 隆组。 值得注意的是,这一模式代表的是生烃与排烃 总量,其中包括原油与天然气。据陈建平等犯伽研究, 不同类型的湖相与海相有机质热演化过程中单位有 机质生成的原油量差异非常大,而生成天然气量差异 并不是很大,至生油窗下限时( 。=1.3%)累积生成 的天然气量介于50~60 mg/g[70~90 m /t(有机碳, 下同)],平均值为55 mg/g:至干气阶段时( 。=2.0%) 累积生成的天然气量平均值为100 mg/g(120~140 生排烃量/(mg·gq) 煤层的厚度介于1.0~10.0 m【 ,其地质历史时期生 1烃成了大量的天然气,是四川盆地非常重要的烃源 岩,尤其在川中一J1I东南地区是主要的烃源岩,其 重要性远远超过石灰岩类和泥岩类气源岩。因此,对 于四川盆地二叠系而言,TOC低的大套石灰岩并不 是好的烃源岩,甚至不是烃源岩,泥岩、碳质泥岩 和煤才是主要烃源岩。 生烃潜力指数/(mg·g-1) 0 100 200 300 400 500 0 100 200 300 400 500 600 0.3% O-3% 0 5% 0.5% O.7% 0.7% 鉴o 9% 捡 鋈ll1% 1 3% l-3% 1.5% 1.5% 1.7% 1 7% 图5二叠系大隆组烃源岩有机质热演化生排烃模式图 m /t):至R、为3.0%时累积生成的天然气量平均值 约为120 mg/g(150~l70 m /t)。由此可知,大隆组 等二叠系海相烃源岩至生油窗下限时的平均生排油 量在300mg/g左右,是天然气的5倍。 气源岩。 4.3原油裂解气量 四川盆地二 叠系在地质历史时期的热演化过程 中经历了成熟生油的阶段,生成和排出了火量原油 龙潭组煤以生成天然气为l丰,生成原油的数量 较少。根据陈建平等_2。 的研究,腐殖煤至牛油窗结 束时生成的天然气约为120 1TI /t;至干气阶段时约为 (表3),其中部分原油在地质历史时期首先在具备成 藏条件的区域形成了油藏,即古油藏;此后,随着 165 m /t;至 为3.O%时约为2l 5 m /t。 4.2生油气量 根据四川盆地二叠系不同层段烃源岩厚度、总 油藏被继续深埋与温度升高,油藏中原油逐渐裂解 为天然气。目前已发现的普光气出、龙岗气出、元坝 气田和安岳气Ⅲ等大中型天然气田储层t1l均有大量 固体焦沥青存住,表明存在油藏原油裂解为天然气, 有机碳含量、有机质类型、成熟度和生排烃模式 (图5),计算各层组烃源岩生油量、排油量和生气 量(表3)。二叠系生油总量为3 290×10 t,平均 这些气藏的天然气除了干酪根晚期生成的天然气外, 可能更主要是原油的裂解气[3-6,21-25]。 国内外很多学者在原油稳定性和裂解生气量 方而进行了大量研究l2 】,不同性质的原油充仝裂 解的温度和最终裂解气量仔住一定差异,裂解温度 介于l 50~250℃,裂解气量介于350~600 mg/g (500~800 m /t)。对于正常密度原油,完全裂解为 生油强度为260×】0 t/km ,其中龙潭组烃源岩生油 量为2 670×10 t,占二叠系生油总量的80%,平均 生油强度为143×l0 t/km!。中二叠统烃源岩分布面 积和厚度与龙潭组相似,但其牛油量仅为468×l0 t,相当于龙潭组生油量的1/6,占二叠系生油总量 的14.2%,平均生油强度为25×10 t/km 。盆地西北 甲烷天然气的量介于430~470 mg/g(600~660 II"1 /t),平均值为650 m /t,天然气与焦沥青的质量比 例为45:55。 四川盆地古生界海相天然气地球化学研究表 部大隆组生油量为l52×10 t,占二叠系生油总量的 5%。二叠系烃源岩排出石油总量为2 900×10 t,平 均排油强度为1 56×10 t/km!,其中龙潭组排油量为 2 360×10 t。另一方面,二叠系烃源岩十酪根直接生 气总量为420×l0 m ,平均生气强度为27×l0 m / km:,其中龙潭组泥岩和碳质泥岩生气量为252×l0 日』j,目前发现的天然气均为干气,天然气下燥系数 大于98%I ! 。 ! 。 ,表明四川盆地古生界原油基 本上全部裂解为甲烷。按照正常原油最终裂解为甲 烷的产率为650 m /t计算,四川盆地二叠系生成的 全部原油裂解为天然气量为214×10 m 。但是,沉 积盆地中所生成的原油不可能全部聚集成藏,资 源评价采用的原油聚集系数介于l0%~30%。按 照20%的聚集系数计算,四川盆地二叠系原油的聚 集量为580×l0 t,全部裂解为甲烷的天然气量为 37.70×10 m 。可见,四川盆地二叠系原油裂解天 m ,平均生气强度为13.5×10 m /kin ;龙潭组煤生 气量为1O0x 10 m ,平均生气强度为6.0×10 m / km:;全盆地龙潭组生气总量为352×10 m ,占二 叠系生气总量的85%,平均生气强度为20×10 m / km 。中二叠统烃源岩生气量只有60×10 m ,平均 生气强度仅3.2×l0 m /km ,为龙潭组生气量的1/6。 由此可见,龙潭组是四川盆地二叠系中最主要的油 然气的数量非常巨大。 表3 四川盆地二叠系烃源岩生排烃与天然气资源量统计表 第38卷第6期 地质勘探 41 4.4天然气资源潜力 四川盆地二叠系烃源岩干酪根直接生成的 天然气与古油藏原油裂解形成的天然气量分别为 420X 10 m。和38×10 m ,即可供聚集的天然气 非常巨大。资源评价中采用的天然气聚集系数介于 0.5%~3.0%。必须指出的是,这一聚集系数一般是 指干酪根直接生成天然气的聚集系数,并不适用于古 油藏原油裂解气。对于古油藏原油裂解形成的天然 气,其聚集系数具有非常大的不确定性。如果油藏原 油裂解后的天然气完全没有逸出原油藏圈闭,那么 其聚集系数则是100%。但是,实际地质条件下天然 气存在逸散的可能,逸出或散失多少很难确定。因此, 油藏原油裂解气资源量估算非常困难。 根据原油裂解形成天然气和焦沥青的质量比例 以及固体焦沥青的密度(1.15~1.25 g/cm ),油藏 原油完全裂解时原先原油的储集空间将有50%被固 体焦沥青占据,容纳天然气的空间理论上只有50%。 但是,这并不意味着可以有50%的裂解气留在原油 藏圈闭,其保留量受油藏圈闭的容纳空间、油藏充满 度、油藏温度与压力、圈闭封闭性等等很多因素的 控制。如果不考虑油藏充满度、圈闭封闭性等等因素, 视油藏与后期气藏圈闭容纳空间、埋藏深度相同的 情况下,仅考虑原油完全裂解为甲烷时油藏必须达 到的温度,即油藏的深度,那么原油裂解为甲烷天 然气的体积膨胀系数是油藏温度与压力的函数。 根据大量的原油稳定性及裂解研究成果[26-34], 假设油藏完全裂解为甲烷的温度为220℃,地温梯 度为3O℃/km时油藏深度为7 000 m,油藏净水压 力70 MPa。按照密度0.88 g/cm 的正常原油完全裂 解为甲烷天然气的体积650 m /t计算,体积膨胀系数 为1.68。由于原油藏50%的储集空间被焦沥青占据, 油藏圈闭只有50%的储集空间可以容纳裂解气,因 而只有30%左右的裂解气可以保留在原油藏中。假 设气藏的压力系数为1.0~1.5,将有30%~45% 的裂解气被保留在原油藏中,即裂解气的聚集系数 介于30%~45%,远远高于干酪根直接生成天然 气聚集成藏时采用的聚集系数。另外,逸散出去的 55%~70%的天然气可能完全没有聚集成藏,或者 也有一部分在合适的圈闭再次聚集成藏。因此,原 油裂解气资源估算的聚集系数不能采用天然气资源 评价时采用的聚集系数。 另一方面,四川盆地在早白垩世末达到最大埋藏 深度,古油藏在这一时期的温度也达到最高 。㈣】,原 油完全裂解发生在这一时期或更早的时期。晚白垩 世以来四川盆地及邻区遭受大规模抬升与剥蚀,盆 地内抬升幅度或地层剥蚀厚度介于1 500~2 500 nl, 盆地周边地区最大超过5 000 m,地温梯度也由早白 垩世时期的30~35℃/km降低至目前的22~25 ℃/km『3 。假设原油裂解气藏抬升2 000 m,即 从7 000 m抬升至5 000 m的深度(与普光气田相 当),气藏温度降至120~135℃,原油裂解为甲烷 的体积膨胀系数则为1,87~1,94,平均值为1.90, 约有25%的原油裂解天然气保留在原油藏圈闭中成 藏。如果气藏的压力系数介于1.0~I.5,最多可有 38%的裂解气可以保留在原油藏圈闭中。由此可见, 四川盆地古油藏原油裂解气的聚集系数理论上介于 25%~35%。值得指出的是,地质历史时期油藏原 油实际裂解气化过程中的相态、成分、体积等等变 化远比理想化的计算复杂得多,而且天然气藏保存 过程中还有很多变化因素。因此,油藏原油裂解气 的聚集系数不可能这么高。 由于四川盆地在晚白垩世以来整体大幅度抬升, 二叠系烃源岩的温度降低,有机质生烃与原油裂解 作用停止。因此,二叠系主要生油、生气及原油裂 解期在晚白垩世以前,天然气形成与成藏距今时间 较久,散失的天然气可能较多,无论是油藏裂解气 还是干酪根生成天然气,聚集成藏的系数比理论计 算或其他新生代盆地低。假设油藏原油裂解气的聚 集系数为10%,油藏裂解气的资源量则为3.77×10 m。(表3)。该资源量不包括油藏裂解后逸出的天然 气再次成藏的资源量。由于油藏原油聚集程度高,裂 解供气强度大,其再聚集成藏的系数可能高于干酪 根直接生成天然气的聚集系数。假设按聚集系数2% 计算,该部分再聚集天然气资源为0.68×10 m 。因 此,原油裂解天然气资源总量可达到4.45×10 ITI。。 另一方面,二叠系有机质生气时间比较早,散失量 相对较多,如果按照0.5%的聚集系数,其天然气资 源量约为2.10X 10 m 。因此,四川盆地二叠系天然 气资源总量可能达到6.55×10 m ,其中原油裂解气 占70%。 4.5天然气有利勘探区域 二叠系烃源岩生油中心主要在盆地北部(图 6),即广元一苍溪一巴中一云阳地区,生油强度达到 了200X 10 ~500X 10 t/klTl2;盆地中南部(成都一 遂宁一重庆)地区二叠系生油强度也很高,达到了 200×10 ~300x 10 t/km ,是仅次于盆地北部的生 油中心区域。二叠系生气中心也在盆地北部和中部一 42 天 然气工业 2ol8年6月 控制,即气源灶发生了迁移,天然气运移成藏过程 更加复杂。盆地北部和中部一东南部地区均达到了 形成大型油田的供油强度,完全具有形成大型油田 的条件,普光气田所在的圈闭即为大型古油藏。因此, 盆地北部和中部一东南部地区原油裂解气的数量巨 大,既可以在原油藏形成气藏,也可以在古油藏周 边其他具备成藏条件的圈闭形成气藏。 总之,寻找二叠系天然气有利的成藏区域与勘 探目标需要综合研究盆地构造、储层、圈闭与油气藏 等演化历史,尤其是其大量生油与运移成藏时期的古 构造格局,其控制了石油与天然气藏位置以及后期天 然气藏的分布,古油藏是最有利的天然气成藏圈闭, 图6四川盆地二叠系烃源岩生油强度分布图 也是最有利的勘探目标。从四川盆地已发现的大中 型气田分布看,目前己发现的源于二叠系烃源岩的 大中型气田基本上分布于二叠系生烃中心周缘区域。 因此,盆地北部地区、中部~东南部地区仍然是二 叠系天然气有利的勘探区域,古油藏是最具有天然 气资源潜力的勘探目标。 东南部地区(图7),其中北部地区生气强度达到了 30 ̄10。~40 ̄10 m /km ,中部一东南部地区生气强 度更是高达30 ̄10 ~60×10 m /km ,其中煤层的 贡献非常大,其生气强度达到了15×10 ~35×10 m /km 。 5结论 1)龙潭组泥岩、碳质泥岩、煤和大隆组海相泥 岩有机碳含量高,泥岩干酪根类型以混合型有机质为 主,碳质泥岩和煤干酪根类型以腐殖型有机质为主, 是二叠系中最主要的烃源岩;栖霞组和茅口组碳酸盐 岩有机碳含量低,干酪根类型以混合型有机质为主, 属于次要烃源岩:长兴组碳酸盐岩有机碳含量最低, 干酪根类型以混合型有机质为主,基本上属于非烃 源岩。 2)龙潭组泥岩、碳质泥岩和大隆组泥岩的平均 原始生烃潜量分别为7.1 mg/g、36.0 mg/g ̄l 27.5 mg/g, 属于中等一好生烃潜力源岩。龙潭组/吴家坪组煤的 图7四川盆地二叠系烃源岩生气强度分布图 平均原始生烃潜量为l50 mg/g,属于生气潜力很高 的气源岩;中二叠统碳酸盐岩的平均原始生烃潜量 对于有机质直接生成的天然气运移成藏而言, 生气中心即为气源灶中心,有利的天然气成藏区域基 本上围绕气源中心。盆地北部和中部一东南部地区 均达到了形成大型气田的生气强度,完全具备形成 只有2.5 mg/g,属于低生烃潜力的差烃源岩。 3)二叠系烃源岩在地质历史时期生成原油 3 290×10 t,排出原油2 900×10 t,聚集成藏原油 量580×10 t,龙潭组烃源岩的贡献占8O%:后期原 大型气田的基本供气条件,另一方面,对于原油裂 油裂解天然气资源量约4.45×10 m。;二叠系有机 质(干酪根)直接生成天然气420×10 m ,天然气 资源量约2.10×10 m ,其中龙潭组烃源岩的贡献占 85%。二叠系天然气资源总量可达6.55×10 m ,原 油裂解气占70%。 解气成藏,二叠系烃源岩在地质历史时期生成的大 量原油绝大部分可能散失了,聚集成藏的原油在后期 裂解为天然气时,一部分在原油藏位置转变为气藏, 而大多数则逸出原油藏,成为新的气源灶,其位置 不再由烃源岩生烃中心控制,而是转为由后期构造 4)二叠系烃源岩的生油与生气中心在盆地北部 第38卷第6期 地质勘探 和中部一东南部地区,盆地北部是最有利的二叠系 油气成藏与天然气勘探区域,盆地中部一东南部地 区是有利的二叠系油气成藏与天然气勘探区域;两 个区域的古油藏是最具天然气资源潜力的勘探目标。 致谢:中国石油西南油气田公司勘探开发研究院、中国石 油勘探开发研究院、中国石化勘探分公司、中国石化勘探开发研 究院无锡石油地质研究中心对本文依托课题的完成给予了大力支 持,在此致以诚挚感谢! 参考文献 [1】王顺玉,戴鸿鸣,王海清,黄清德.四川盆地海相碳酸盐岩 大型气田天然气地球化学特征与气源[J].天然气地球科学, 2000,l1(2):10—17. 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