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松辽盆地上古生界烃源岩生气潜力评价

2013-02-18黄志龙张秀颀唐振兴贺君玲逯晓喻

地球科学与环境学报 2013年3期
关键词:烃源沉积生气

黄志龙,王 斌,张秀颀,唐振兴,贺君玲,逯晓喻

(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.中国石油集团东方地球物理公司,河北 涿州 072751;3.中国石油天然气股份有限公司 吉林油田分公司,吉林 松原 138000)

0 引 言

松辽盆地浅层的勘探程度很高,近年来的研究发现该盆地深层拥有丰富的天然气资源,具备现实的勘探前景[1-16],但上古生界烃源岩的研究和勘探尚未引起相关单位的高度重视。目前,任战利等对松辽盆地上古生界烃源岩做了大量工作[17-21],但总体看来,研究工作多局限于对其烃源岩特征的定性和半定量评价,对生烃潜力的研究比较少。因此,剖析上古生界烃源岩生气潜力具有较高的挑战性,对勘探有利区的选择和油气储备评价具有重要意义。笔者在镜质体反射率(Ro)和有机碳含量(TOC)恢复的基础上,分别计算了松辽盆地上古生界烃源岩的2期生气量,并指出二次生烃的有效生气区。

1 上古生界埋藏保存条件

松辽盆地上古生界分布面积13×104km2,顶面埋深范围1.0~9.6km,部分地区埋深适中。其顶面构造线总体走向以北北东、北东向为主,西部斜坡区、西部断陷区、古中央隆起区和东部断陷区以北北东向为主,东南隆起区以北东向为主[22]。顶面最深处在长岭断陷乾安次凹,埋深9.6km,最浅处在西部断陷区和东南隆起区,埋深0.2km左右,古中央隆起区顶面最浅处在松原和杨大城子附近,扶深4井1 488m深处见花岗岩,南60井774m深处见二叠系林西组片岩,杨104井795m深处见中侏罗统安山岩和二叠系林西组板岩。

上古生界后期深埋区保存条件较好。埋藏史分析表明,松辽盆地在中—晚三叠世抬升,上古生界长时间遭受剥蚀,烃源岩早期生成的油气不易保存。晚古生代地层沉积后,经历了多期构造运动和火山活动,对原生油气藏产生很大的破坏,也不易形成次生油气藏[23]。后期深埋区发生二次生烃,上古生界泥岩和中生界泥岩厚度较大,压实作用强,封盖条件比较好,可作为区域盖层和局部盖层,使得后期生成的烃类在圈闭中保存,从而形成油气藏。

2 生烃模拟试验

通过采集松辽盆地上古生界烃源岩样品进行地球化学试验分析,发现不同地区的烃源岩有机质丰度、类型和成熟度具有较大的差异。因此,采集有代表性的上古生界泥岩、灰岩进行黄金管生烃模拟试验,定量评价烃源岩生烃潜力。模拟试验样品基本地球化学特征见表1。四深1井样品成熟度很高,有机碳含量也相对较高;长深14井和昌27井样品为灰岩岩屑样品,成熟度较低,其中长深14井有机碳含量很低,昌27井有机碳含量相对较高。

表1 热模拟试验样品地球化学参数Tab.1 Geochemical Parameters of Thermal Simulation Samples

黄金管封闭体系热模拟试验结果显示,四深1井样品1(深度4 643.0m)黑色泥岩的最终产烃率仅有0.05m3·t-1,四深1井样品2(深度3 842.5m)黑色泥岩未有烃类气体产出,四深1井样品3(深度3 840.0~3 842.0m)黑色泥岩最终产烃率为3.35m3·t-1;长深14井泥灰岩岩屑未有烃类气体产出,昌27井泥灰岩岩屑最终产烃率相对较高,为57.2m3·t-1。干酪根产气率见表2。

表2 热模拟样品干酪根残余生气潜力实测结果Tab.2 Measured Results of Kerogen Residual Gas Generation Potential for Thermal Simulation Samples

四深1井试验样品本身成熟度均很高,样品1的Ro为4.46%,已远超泥质烃源岩生烃演化极限,产率仅为0.05m3·t-1,可能为吸附气;样品2的Ro为3.91%,模拟生烃结束时未有烃类气体产出,表明该样品已经达到或超过生烃演化极限;样品3的Ro为3.61%,模拟试验生烃结束时其Ro为3.87%,产气量少,累积产气率为3.35m3·t-1。昌27井泥灰岩岩屑有机质类型为Ⅲ型,热演化程度Ro为1.4%,有机碳含量(质量分数,下同)为1.21%,热模拟终止温度为600℃,对应Ro约为3.87%,累积产气率为57.2m3·t-1。模拟试验数据显示:昌27井现今仍具有较高的生气潜力;长深14井泥灰岩岩屑有机质类型为Ⅲ型,现今热演化程度相对较低(Ro=1.7%),但有机碳含量相对仅0.12%,无有效碳残存,因此热模拟终止时未有烃类气体产出。

生烃热模拟试验结果提供了定量的生烃潜力,同时提供了丰富的相关信息。结合烃源岩定性评价结果,松辽盆地上古生界烃源岩在中生界沉积前,部分地区具有比现今大的生烃潜力,并有生烃贡献;烃源岩在Ro达到3%左右时,产气速率减缓,在Ro为4%左右时,烃源岩生气过程基本结束,说明主要生烃期在Ro达到3%之前,松辽盆地上古生界部分高演化烃源岩仍具有一定生气潜力;长深14井试验结果说明有机碳含量低,残存的有效碳少,生气潜力小。松辽盆地上古生界烃源岩Ro高于3%甚至超过4%的地区,目前生烃潜力很小,但地质历史上可能有过生烃贡献。

3 烃源岩有机质成熟度及原始有机碳

上古生界烃源岩全盆地有机碳含量平均值为1.17%[24-26],是否可以作为松辽盆地的有效烃源岩,主要取决于上覆地层沉积后是否生烃及生烃量。因

式中:Roc为剥蚀面之上地层底面现今镜质体反射率;Roa为受剥蚀地层顶面现今镜质体反射率;a为Ro与ITT关系式中的系数。

松辽盆地上古生界中生代沉积之前遭受过剥蚀。以四深1井为钻遇上古生界井位代表,Roa为3.6%,Roc为3.1%。通过单井埋藏史和热演化史模拟得出Ro与ITT关系式为

根据式(2)确定a为0.274 845。把Roa、Roc、a代入式(1)得R′o=2.84%,即在上覆地层沉积之前,四深1井石炭系—二叠系地层R′o为2.84%。

松辽盆地其他井钻遇二叠系地层厚度较小,笔者将四深1井二叠系Ro-深度曲线的斜率应用于整个研究区,恢复了各井上覆地层沉积前二叠系镜质体反射率(表3)。

由镜质体反射率恢复结果可知:肇源地区和长岭地区上古生界二叠系烃源岩现今Ro与上覆地层沉积前Ro差值较大,为0.21%~0.92%,而盆地北部的林甸地区和西部的杜尔伯特地区该差值仅为0.00%~0.04%。对比显示盆地东部和南部上覆地层沉积后二叠系烃源岩得以持续热演化,具有较好的二次生烃潜力。此,恢复二叠系地层上覆地层沉积前的热演化程度对评价该源岩至关重要。

3.1 中生界沉积前二叠系镜质体反射率

有机质镜质体反射率恢复,主要采用陈增智等提出的方法进行计算[27]。根据时间-温度指数(ITT)与Ro的关系,从理论上推导出的上覆地层开始沉积时,受剥蚀地层顶面镜质体反射率R′o计算公式为

表3 上覆地层沉积前石炭系—二叠系镜质体反射率恢复结果Tab.3 Results of Vitrinite Reflectance Recovery in Carboniferous-Permian Before the Overlapping Strata Deposit

3.2 上古生界烃源岩有机碳含量恢复

源岩生气潜力评价中需要源岩有机质丰度数据。笔者选取干酪根系数恢复法对上古生界烃源岩原始有机碳和上覆地层沉积前有机碳含量进行了恢复。

在已知生油岩有机质类型、成熟度和抽提物含量的前提下,可进行原始有机碳计算。其公式为

式中:Ci为恢复的原始有机碳含量;Cm为试验样品测得的有机碳含量;A为总抽提物质量,一般为氯仿沥青“A”,碳酸盐岩还包括沥青C;f为干酪根恢复系数,可根据金强的研究结果[28],并通过表4中Ro与干酪根恢复系数的关系回归求取f;上古生界烃源岩样品残余氯仿沥青“A”含量很低,因此本次计算忽略0.083A这部分的影响。

表4 干酪根恢复系数Tab.4 Recovery Coefficients of Kerogen

松辽盆地在三叠纪发生抬升剥蚀,上古生界烃源岩普遍经历了二次生烃过程。因此,在镜质体反射率恢复的基础上,分别恢复了不同地区原始有机碳含量和上覆地层沉积前二叠系的有机碳含量(表5)。

表5 上古生界烃源岩有机碳恢复结果Tab.5 Results of Organic Carbon Recovery of Upper Paleozoic Source Rock

由表5可以看出:盆地东部地区原始有机碳与上覆地层沉积前有机碳含量差值普遍较小,上覆地层沉积前有机碳含量与现今残余有机碳含量差值普遍较大,说明该地区二次生烃强度相对较大;而盆地北部、西部原始有机碳含量与上覆地层沉积前有机碳含量差值较大,尽管上覆地层沉积前有机碳与现今残余有机碳含量差值也较大,但因为热演化程度过高,表明该地区一次生烃强度已经很高,二次生烃能力有限;盆地南部农101井揭示上覆地层沉积前有机碳含量与现今残余有机碳含量的差值(0.62%)明显高于原始有机碳含量与上覆地层沉积前有机碳含量的差值(0.24%),表明南部具有较高的二次生烃潜力。

镜质体反射率和有机碳含量恢复结果表明:上覆地层沉积后,盆地东部和南部上古生界持续埋深,在深埋区该套烃源岩发生再次生烃,二次生烃潜力相对较大;而盆地西部和北部地区上覆地层沉积后,普遍未达到二次生烃的能力,生气潜力小。

4 生气潜力评价

松辽盆地上古生界烃源岩有机质类型主要为Ⅲ型。由镜质体反射率恢复结果(表3)可知,上覆地层沉积之前,上古生界烃源岩热演化程度已经很高,北部都已经达到高—过成熟演化阶段,烃类以天然气为主。上古生界抬升前生气量(简称“一次生气量”)应该包括干酪根生气量和原油裂解气量2部分;上覆地层沉积后,后期深埋区发生二次生烃,有机质进一步热演化生气,二次生气量主要为干酪根生气量。

4.1 生气量计算方法

(1)吸附烃最大裂解气量估算。对于原油(吸附烃)裂解气量,计算单位源岩中原油最大裂解气量主要在于准确确定单位有机碳的最大吸附烃量和单位原油最大裂解气量[29]。因此,某评价目标单位面积烃源岩吸附烃最大生气量Qog可以表示为

式中:SHρ为烃源岩质量,其中S为泥岩面积,ρ依据肇深6井等岩石样品得到的岩石密度,取为2.7×103kg·m-3,H为泥岩厚度(图1);wTOC为源岩中有机碳含量,采用恢复后的原始有机碳(表5);Imax为最大吸附烃量,松南中浅层烃源岩(Ⅰ型)排烃门限值约为35×10-3[30],本研究主要为Ⅲ型干酪根,取为20×10-3;Wog为单位原油最大产甲烷气量,采用四川盆地二叠系原油热模拟试验数据600m3·t-1[31-32];ImaxWog是单位质量有机碳吸附烃的最大裂解气量。

根据式(4)计算得到有机碳吸附烃的最大裂解生气率约为12m3·t-1。

(2)干酪根生气量估算。在镜质体反射率和有机碳含量恢复结果基础上,采用热降解率法计算中生界沉积前、后上古生界烃源岩干酪根的生气量[33]。按照现代油气成因机理,单位源岩中油气的生成量取决于有机质的丰度、类型(反映单位质量有机质的生烃能力)和成熟度(反映有机质向油气转化程度的成烃转化率)[34]。这样,某评价目标中油气的单位面积生成量Q应该为

式中:IIH为单位质量有机质的原始生烃潜力,反映有机质的类型;X为成烃转化率;IIHX反映单位质量有机质的生烃量(即产烃率),主要采用王新洲的模拟试验结果(表6)[35]。

表6 不同类型有机质生气模拟试验结果Tab.6 Results of Simulated Experiment for Different Types of Organic Matter

X1和X2分别为一次成烃转化率和二次成烃转化率。在此基础上,采用热降解率法分别计算一次生气强度(q1)和二次生气强度(q2),计算结果见表7。

4.2 一次生气量估算

干酪根热降解气大量生成初始阶段,Ro为1.0%~1.2%。松辽盆地上古生界烃源岩有机质类型主要为Ⅲ型,Ro取1.2%较为合适,结合恢复的原始有机碳含量、烃源岩厚度、密度等参数计算单井的一次总生气率和一次总生气强度(表7)。然后,在有机碳含量、镜质体反射率等因素的约束下,编制松辽盆地上古生界烃源岩一次生气强度等值线图(图2),最后估算松辽盆地上古生界地层抬升剥蚀前总生气量为566.24×1012m3。

图1 上古生界烃源岩暗色泥岩厚度等值线Fig.1 Contour Map of Dark Mudstone from Upper Paleozoic Source Rock

4.3 二次生气量估算

在恢复松辽盆地上古生界烃源岩镜质体反射率和有机碳含量的基础上,采用热降解率法估算单井二次生气强度(表7)。结合有机碳分布、镜质体反射率等,编制松辽盆地上古生界烃源岩二次生气强度等值线图(图3),最终估算其二次生气量。松辽盆地上古生界烃源岩上覆地层沉积以后的二次总生气量约为64.43×1012m3。其中,盆地北部生气量约为59.73×1012m3,南部农101井揭示的区块生气量为4.70×1012m3。

4.4 有利区远景资源量估算

松辽盆地上古生界烃源岩一次生气量较大,约为566.24×1012m3。由一次生气强度平面分布图(图2)看出:盆地南部上古生界烃源岩普遍未达到热裂解生气阶段(农101井Ro为0.94%),盆地北部主要生气区为林甸—杜尔伯特和肇源地区。三叠纪和侏罗纪时期,松辽盆地上古生界地层长时间暴露地表并遭受剥蚀,生成并排出的烃类散失严重,是否有局部保存的原生气藏和后期形成的次生气藏,现有资料和研究程度难以评价,未对其资源量进行估算。上覆地层沉积之后二次生烃产出的天然气埋藏条件较好,可以形成古生古储和古生新储型气藏。由松辽盆地上古生界烃源岩二次生气强度平面分布图(图3)看出,二次生烃地区为大庆—肇州和大安—农安地区一带,因此二次生烃量排出和聚集量可近似作为有利区带远景资源量。对比一次生烃,盆地生气中心整体向南迁移,西部已经没有生气能力,北部生气区范围明显缩小,生气强度也显著变弱,盆地东部成为主要的生气区。盆地南部钻探井较少,但根据农101井揭示的该区块二次生气量(约4.70×1012m3),说明广阔的南部地区二次生气量可能远大于此。

表7 生气强度计算结果Tab.7 Calculated Results of Gas Generation Intensity

根据国内外学者的研究结果,天然气聚集系数一般为0.1%~9.0%,绝大多数不超过2%[36]。构造运动强度及期次、盖层条件和经历时间是影响运聚系数的主要因素。对比中生界各断陷,石炭系—二叠系地层的大量二次生烃期是在上覆地层沉积厚度较大时,生成的天然气具有相对较好的保存条件,但构造和时间条件不利。因此,上古生界聚集系数较保守的取值应该近似中生界最低值,即1.5%;盖层条件较好的长岭断陷运聚系数普遍高于2%,上古生界聚集系数上限值可以取2%,由以上生气量和聚集系数计算,上古生界烃源岩二次生烃提供的天然气资源量为(0.97~1.29)×1012m3。

5 结 语

(1)松辽盆地上古生界烃源岩演化程度较高,有机碳含量低,残存的有效碳少,目前生烃潜力很小,但地质历史上有过生烃贡献。

(2)上覆中生界沉积后,盆地东部和南部上古生界持续埋深,在深埋区该套烃源岩发生再次生烃,二次生气潜力相对较大;而盆地西部和北部地区上覆地层沉积后,普遍未达到再次生烃的能力,二次生气潜力小。

(3)松辽盆地上古生界烃源岩一次生气量较大,约为566.24×1012m3。盆地南部上古生界烃源岩普遍未达到热裂解生气阶段,盆地北部主要生气区为林甸—杜尔伯特和肇源地区。后期地层长时间暴露地表并遭受剥蚀,是否有局部保存的原生气藏和后期形成的次生气藏,尚待进一步研究。

(4)松辽盆地上古生界烃源岩二次生烃地区为大庆—肇州和大安—农安一带,西部已经没有生气能力,北部生气区范围小,盆地东部成为主要的有效生气区。天然气聚集系数取值为1.5%~2%时,上古生界烃源岩二次生烃所提供的天然气资源量为(0.97~1.29)×1012m3。

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图2 上古生界烃源岩一次生气强度等值线Fig.2 Contour Map of the First Gas Generation Intensity from Upper Paleozoic Source Rock

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图3 上古生界烃源岩二次生气强度等值线Fig.3 Contour Map of Secondary Gas Generation Intensity from Upper Paleozoic Source Rock

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