陳 楊 何 偉 曾繁如 龍 瀟 牟必鑫 李 軻 宋金輝 周瑞琦

1.四川省煤田地質(zhì)工程勘察設(shè)計(jì)研究院 2.頁巖氣評價(jià)與開采四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 3.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院測繪地理信息系

0 引言

昭覺凹陷是西昌盆地油氣勘探的主要凹陷之一，上三疊統(tǒng)白果灣組是昭覺凹陷重要的油氣勘探層系，但油氣勘探程度很低，僅過往實(shí)施了2口頁巖氣地質(zhì)調(diào)查井（昭地1井和昭地2井）。鉆探結(jié)果顯示，昭地1井白果灣組厚427.7 m，泥頁巖厚198.2 m，泥地比達(dá)46.35%。昭地2井白果灣組厚435.18 m，泥頁巖厚146.11 m，泥地比達(dá)33.57%。白果灣組泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度適中，TOC含量在0.53%～15.03%之間，平均含量為1.58%，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ2型，Ⅲ型次之。Ro值在0.35%～3.97%之間，平均值為2.18%，Tmax介于 355 ～ 511 ℃，平均值為 485 ℃，已進(jìn)入成熟階段。昭地1井鉆探過程中發(fā)現(xiàn)9層較好的油氣顯示，氣測總烴峰值可達(dá)22.8%（峰基比為24）。其中，氣顯示6層，油顯示3層；昭地2井鉆探過程中發(fā)現(xiàn)7層較好的油氣顯示，氣測總烴峰值可達(dá)8.43%（峰基比為10.33）。其中，氣顯示5層，油顯示2層。昭覺凹陷白果灣組原油以輕質(zhì)油為主，天然氣成分以甲烷為主，且主要為油型氣[1-3]，表明其可能具有勘探前景，值得進(jìn)一步開展工作。

利用生烴動(dòng)力學(xué)模擬低勘探程度地區(qū)油氣生成和裂解過程十分有效[4]。假定實(shí)驗(yàn)條件下的生烴過程與實(shí)際地質(zhì)條件下的生烴過程動(dòng)力學(xué)參數(shù)相同，結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)背景，利用生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)就能夠反應(yīng)地質(zhì)條件下油氣生成和裂解過程的地球化學(xué)過程[5]。當(dāng)前，生烴動(dòng)力學(xué)研究最有效的方法是封閉體系下的黃金管熱模擬實(shí)驗(yàn)[6]。本文從生烴動(dòng)力學(xué)角度入手，挑選了昭地1井中具有代表性的白果灣組泥頁巖樣品，通過封閉系統(tǒng)的黃金管熱模擬實(shí)驗(yàn)獲取昭覺凹陷白果灣組泥頁巖生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)，據(jù)此建立了白果灣組泥頁巖的生烴模式，恢復(fù)了白果灣組泥頁巖的生烴演化過程，旨在揭示昭覺凹陷白果灣組泥頁巖生烴潛力，為西昌盆地昭覺凹陷陸相油氣勘探提供依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

西昌盆地位于揚(yáng)子板塊與青藏高原東緣交接過渡的區(qū)域，大地構(gòu)造位置屬于揚(yáng)子板塊的西南邊緣，跨越了康滇地軸和上揚(yáng)子臺坳兩個(gè)二級構(gòu)造單元。盆地邊界受控于安寧河、峨邊和則木河等斷裂，由北部的甘洛凹陷、東北部的美姑凹陷、中西部的米市凹陷（最大）、中部的麻姑山凹陷和東南部的昭覺凹陷組成，在多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)作用下產(chǎn)生較強(qiáng)的褶皺變形和隆升剝蝕，形成現(xiàn)今近南北向展布的狹長構(gòu)造格局。

昭覺凹陷位于西昌盆地東南緣，大地構(gòu)造屬于涼山臺坳的美姑凹褶束[7-9]。昭覺凹陷呈狹長狀南北向展布，北以竹核斷層為界、南以瓦都斷層為界、西以龍恩河斷層為界、東以漢源—昭覺斷裂帶南段于孟斷層為界；南北長約15 km，東西寬約10 km，面積約150 km2，凹陷主體構(gòu)造為昭覺復(fù)向斜（包含昭覺向斜和龍恩河向斜），其構(gòu)造形態(tài)表現(xiàn)為：向斜西翼地層相對較陡，地層傾角一般為30°～65°；東翼地層相對平緩，一般為15°～25°，為于孟斷層所破壞；核部平緩，地層傾角一般為5°～10°。上下構(gòu)造層形態(tài)基本一致，為一構(gòu)造斷陷，即底部寬緩，地層傾角小，斷層不發(fā)育，兩翼相對陡傾，斷層發(fā)育。凹陷核部出露侏羅系地層，向東西兩側(cè)依次出露三疊系地層和二疊系地層（圖1），其中上三疊統(tǒng)白果灣組為昭覺凹陷最主要的含油氣地層[10-11]。

圖1 昭覺凹陷地質(zhì)簡圖

2 樣品及實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)樣品

選取昭地1井白果灣組有機(jī)碳含量好、低成熟度的樣品1個(gè)，開展黃金管熱模擬實(shí)驗(yàn)。有機(jī)地球化學(xué)分析結(jié)果（表1）顯示，昭地1井白果灣組泥頁巖樣品干酪根Ro為0.45%、最高熱解峰溫（Tmax）為452 ℃、TOC含量為14.83%、氫指數(shù)（HI）為203 mg/g。

表1 樣品有機(jī)地球化學(xué)參數(shù)表

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

利用生烴動(dòng)力學(xué)熱模擬實(shí)驗(yàn)裝置開展黃金管熱模擬實(shí)驗(yàn)（圖2），參照中國石油及天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《黃金管生烴熱模擬實(shí)驗(yàn)方法》（SY/T7035—2016）進(jìn)行。

圖2 黃金管熱模擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及工作原理圖

實(shí)驗(yàn)流程：首先將樣品用研缽磨成粉末后進(jìn)行200目篩選，將巖粉分成24份，然后在氬氣環(huán)境下放入金管并焊封后置于高壓釜中，分別以2 ℃/h和20 ℃/h的升溫速率，在50 MPa壓力下加熱至設(shè)定溫度。待熱解完成后，將金管中氣體釋放到GC7890型氣相色譜儀中，進(jìn)行甲烷（C1）、乙烷（C2）、丙烷（C3）、丁烷（C4）和戊烷（C5）的定量分析。

液態(tài)烴（C6＋）的收集分析方法：當(dāng)氣體分析結(jié)束后，利用液氮冷凍樣品瓶，來收集擴(kuò)散到真空玻璃管中的輕烴（C6～C10），然后將樣品瓶取下迅速注入二氯甲烷溶劑，從高壓釜中取出金管同樣品一起剪開后放入樣品瓶，用超聲震動(dòng)1分鐘，使金管中的油完全溶解到溶劑中。從4 mL樣品瓶中上層中取1 mL清液，放入到2 mL樣品瓶，利用自動(dòng)進(jìn)樣器開展色譜分析。用氘代的C24作為內(nèi)標(biāo)開展輕烴（C6～C14）定量分析，飽和烴和芳烴采用GC圖積分方法進(jìn)行定量分析。

數(shù)據(jù)處理：利用KINETICS軟件獲得頻率因子和活化能等動(dòng)力學(xué)參數(shù)。目前，EASY%Ro法被廣泛應(yīng)用于烴源巖成熟的評價(jià)[12-15]，利用模型計(jì)算出實(shí)驗(yàn)中各溫度點(diǎn)所對應(yīng)的EASY%Ro值，再通過KINETICS軟件對數(shù)值進(jìn)行處理。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 烴產(chǎn)率

為了有效地評價(jià)昭覺凹陷白果灣組泥頁巖的生烴潛力，通過實(shí)驗(yàn)得到了泥頁巖C1、C2、C3、C4、C5、重?zé)N氣（C2～ C5）、總氣態(tài)烴（C1～ C5）、C6～ C14和 C14＋產(chǎn)率。

昭覺凹陷白果灣組泥頁巖在不同溫度條件下烴的產(chǎn)率差異較大（表2、圖3）。實(shí)驗(yàn)條件下，昭覺凹陷泥頁巖生成的天然氣主要為C1，C2～C5次之。隨著溫度和EASY%Ro的升高C1和C1～C5的產(chǎn)率不斷增大，而C2～C5、C6～C14和C14＋的產(chǎn)率先增后減呈現(xiàn)典型的峰值分布，且不同的重?zé)N氣因其含碳原子個(gè)數(shù)不同導(dǎo)致產(chǎn)率不盡相同。

表2 昭覺凹陷白果灣組泥頁巖在不同升溫速率下的烴產(chǎn)率表

圖3 昭覺凹陷白果灣組泥頁巖在不同升溫速率下烴產(chǎn)率隨溫度變化關(guān)系圖

以升溫速率為2 ℃/h條件下的氣態(tài)烴產(chǎn)率為例，白果灣組泥頁巖C1的產(chǎn)率在600 ℃（EASY%Ro為4.45%）時(shí)為 23.53 mL/g ；C2～ C5的產(chǎn)率在 431.7 ℃（EASY%Ro為4.45%）時(shí)達(dá)到最大值為1.37 mL/g，到 600 ℃（EASY%Ro為 4.45%）時(shí)降為0.08 mL/g；C1～C5的產(chǎn)率在 600 ℃（EASY%Ro為4.45%）時(shí)為 33.02 mL/g；C6～ C14的產(chǎn)率在 408.4 ℃（EASY%Ro為1.36%）時(shí)達(dá)到最大值為3.94 mL/g，到600 ℃（EASY%Ro為 4.45%）時(shí)降為 0.23 mL/g；C14+的產(chǎn)率在360.1 ℃（EASY%Ro為0.86%）時(shí)達(dá)到最大值為 4.99 mL/g，到 505.4 ℃（EASY%Ro為 2.09%）時(shí)降為0。

3.2 生烴動(dòng)力參數(shù)

生烴過程是復(fù)雜化學(xué)變化的過程，不僅受時(shí)間、溫度和壓力三個(gè)因素作用，還受到其他多種地質(zhì)因素共同影響[16]。利用KINETICS軟件對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，得到了C1、C2～C5、C1～C5、C6～C14和C6+的有關(guān)參數(shù)（表3）。動(dòng)力學(xué)參數(shù)主要為頻率因子（A）和活化能，其中，頻率因子表示與碰撞頻率相關(guān)的物理量，活化能則表示化學(xué)反應(yīng)過程中所需的最小能量。活化能越高，反應(yīng)所需能量越大、溫度越高，粒子運(yùn)動(dòng)也越快[17]。筆者將占比最多和次之的活化能均視為主頻活化能，用以更加準(zhǔn)確地反應(yīng)活化能相關(guān)特征。從曲線形態(tài)分析可知（圖4、5），白果灣組泥頁巖生成氣態(tài)烴所需的活化能高于液態(tài)烴，生產(chǎn)C1所需活化能最高，轉(zhuǎn)化所需的能量最大。實(shí)驗(yàn)條件下模擬的氣態(tài)烴產(chǎn)率與熱解生烴實(shí)驗(yàn)測定的氣態(tài)烴產(chǎn)率具有很高的擬合度，能夠有效地反映地質(zhì)條件下的生烴情況。

表3 白果灣組泥頁巖生烴動(dòng)力學(xué)參數(shù)特征表

圖4 昭覺凹陷白果灣組泥頁巖生成氣態(tài)烴的動(dòng)力學(xué)參數(shù)圖

圖5 昭覺凹陷白果灣組泥頁巖生成液態(tài)烴的動(dòng)力學(xué)參數(shù)圖

3.3 碳同位素特征

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，樣品熱解產(chǎn)生的甲烷、乙烷和丙烷氣體各自δ13C值（PDB）總體隨著溫度和成熟度的增大而增加，三者變化趨勢基本一致且具有正序列特征，即δ13C1＜δ13C2＜δ13C3[18-22]。隨著溫度和EASY%Ro的增加，干酪根甲烷、乙烷和丙烷碳同位素組成逐漸增重（圖6）。

圖6 不同升溫速率下氣體碳同位素組成圖

在有機(jī)母質(zhì)熱演化過程中，溫度的變化，對干酪根生烴有著不同的影響。溫度越高，甲烷產(chǎn)率也越大[23-25]。隨著溫度升高，分子的運(yùn)動(dòng)速率逐漸提升，破壞了原子間的結(jié)合力，導(dǎo)致碳同位素的分餾程度逐漸減小。由于12C—12C鍵能比13C—13C小，則優(yōu)先釋放出具有12C—12C鍵的甲烷，當(dāng)溫度較低和EASY%Ro＜1.3%時(shí)，干酪根脫烷基優(yōu)先生成甲烷，然后由油裂解生成部分甲烷。

隨著溫度逐漸增加和EASY%Ro＞1.3%時(shí)，由油裂解釋放產(chǎn)生的甲烷和干酪根釋放產(chǎn)生的甲烷，二者碳同位素組成（δ13C1）基本趨于一致，并隨溫度增加而逐漸增重。

當(dāng)EASY%Ro＜2.0%時(shí)，乙烷（δ13C2）和丙烷碳同位素組成（δ13C3）緩慢增重。然而，當(dāng)EASY%Ro＞2.0%時(shí)，乙烷和丙烷碳同位素組成快速增重。在EASY%Ro＜2.0%的階段，由干酪根裂化生成的乙烷和丙烷的量大于油裂解生成的量，碳同位素隨著溫度的增加而逐漸增重。在EASY%Ro＞2.0%的階段，乙烷和丙烷油裂解生成量大于干酪根裂化生成量，碳同位素值隨著溫度的增加而快速增重。快速增重主要有兩大原因：一是生成的乙烷和丙烷碳同位素組成受溫度和成熟度影響較大，其隨著溫度和成熟度的不斷增大而逐漸增重；二是具有較輕碳同位素組成的乙烷和丙烷優(yōu)先裂解產(chǎn)生了甲烷，將碳同位素組成偏重的乙烷和丙烷剩下。二氧化碳碳同位素組成（δ13Cco2）在整個(gè)生烴過程中變化較小，表明二氧化碳的碳同位素組成基本上受溫度和成熟度的影響很小。

4 生烴潛力分析

4.1 生烴特征

熱模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，升溫速率不同，生烴產(chǎn)率也會受到不同的影響[26-27]。當(dāng)溫度相同時(shí)，泥頁巖樣品在2 ℃/h升溫速率下的烴產(chǎn)率高于在20 ℃/h升溫速率下的烴產(chǎn)率（圖3）。相反，當(dāng)產(chǎn)率相同時(shí)，在20 ℃/h升溫速率下所需的生烴溫度要高2 ℃/h升溫速率下的生烴溫度，這樣就反應(yīng)出泥頁巖生烴過程中溫度和時(shí)間是一個(gè)互相補(bǔ)充的關(guān)系。從獲取的動(dòng)力學(xué)參數(shù)（表3）分析可知，C1和C2～C5相比，具有較寬的活化能分布且值較大，生成C1的頻率因子比生成C2～C5的頻率因子要大，生成C1所需的活化能比生成C2～C5要高，生成C1轉(zhuǎn)化所需能量比生成C2～C5要高。因此隨著烴類碳數(shù)增加，其活化能越小，所需能量也越低。

4.2 生氣強(qiáng)度

戴金星[28]將生氣強(qiáng)度20×108m3/km2作為劃分高、低生氣強(qiáng)度區(qū)的界限，張福東[29]根據(jù)對鄂爾多斯盆地上古生界致密砂巖綜合實(shí)驗(yàn)結(jié)果及地質(zhì)條件分析研究，在低生氣強(qiáng)度區(qū)油氣仍然能夠注入致密砂巖儲層中，但生氣強(qiáng)度要保證一定的下限。在不同地質(zhì)條件下油氣的運(yùn)移阻力不同，因此，生氣強(qiáng)度下限也不固定。總的來說，當(dāng)?shù)貙勇癫厣疃刃∮? 000 m 時(shí)，生氣強(qiáng)度不低于（7 ～ 10）×108m3/km2就能夠?qū)崿F(xiàn)有效的油氣充注[29-32]。

筆者對昭覺凹陷兩口鉆井和典型剖面白果灣組烴源巖進(jìn)行生氣強(qiáng)度計(jì)算并編制了西昌盆地昭覺凹陷白果灣組泥頁巖生氣強(qiáng)度等值線圖（圖7），綜合分析來看，昭覺凹陷白果灣組龍恩鄉(xiāng)—俄爾古曲地區(qū)生氣強(qiáng)度為（7.28～12.32）×108m3/km2，整體埋深小于2 500 m，屬于低生氣強(qiáng)度區(qū)，但均達(dá)到（7～10）×108m3/km2下限值，仍然可以實(shí)現(xiàn)有效充注。

圖7 昭覺凹陷白果灣組泥頁巖生氣強(qiáng)度等值線圖

4.3 生烴量

地質(zhì)歷史過程中，油氣的生成遵循時(shí)溫補(bǔ)償原理，即地質(zhì)歷史中的低溫長時(shí)過程可以用實(shí)驗(yàn)室中的高溫短時(shí)過程來代替，也就是說，可以通過實(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)地質(zhì)歷史中的油氣生成過程，這為通過熱模擬實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)油氣生成過程提供了依據(jù)[33-35]。

在2 ℃/h升溫速率條件下的封閉熱解實(shí)驗(yàn)中，白果灣組泥頁巖最大生油量為127.24 mg/g·TOC，最大生氣量為353.99 mL/g·TOC。由于實(shí)驗(yàn)是在封閉體系中進(jìn)行，因此是在生成的烴又發(fā)生一定程度裂解的情況下得到的最大生烴量，假設(shè)測得的最大生烴量為實(shí)際最大生烴量的95%[36]，白果灣組泥頁巖的最大生油率為8.15 mg/g，最大生油量為120.88 mg/g·TOC；最大產(chǎn)氣率為22.68 mL/g，最大生氣量為 336.29 mL/g·TOC。

由于昭覺凹陷整體勘探程度較低，綜合考慮，利用有機(jī)碳—?dú)渲笖?shù)法估算總生烴量，采用計(jì)算公式如下：

式中Q生表示總生烴量，104t；H表示有效烴源巖厚度，km；S表示烴源巖面積，km2；ρ表示烴源巖密度，g/cm3；TOC表示殘余有機(jī)碳含量；Kc表示有機(jī)碳恢復(fù)系數(shù)；HIO表示原始?xì)渲笖?shù)，mg/g；HIP表示殘余氫指數(shù)，mg/g。

根據(jù)鉆井和剖面資料，昭覺凹陷白果灣組有效烴源巖厚度為60 m，烴源巖面積為150 km2，泥頁巖實(shí)測密度為2.65 g/cm3，殘余有機(jī)碳平均含量為1.11%，有機(jī)質(zhì)主要為Ⅱ2型，其有機(jī)碳恢復(fù)系數(shù)一般為1.3[37-39]。根據(jù)昭覺凹陷白果灣組巖石熱解分析，原始?xì)渲笖?shù)平均為250 mg/g，殘余氫指數(shù)平均為11.35 mg/g，根據(jù)公式計(jì)算得到泥頁巖的生烴量為 8 213.27×104t。根據(jù)生烴量計(jì)算出泥頁巖的生烴強(qiáng)度為54.8×104t/km2，顯示昭覺凹陷具有較好的生烴潛力，具備形成中小型油氣田的資源生成基礎(chǔ)。

4.4 生烴模式

乙烷、丙烷與甲烷的碳同位素差值能夠有效地判斷天然氣的主生成期，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)Ro為1.3%～1.85%時(shí)是昭覺凹陷白果灣組天然氣的主生成期。甲烷穩(wěn)定碳同位素與成熟度的關(guān)系能夠有效地劃分天然氣的成熟階段[40]，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，當(dāng)Ro為0.81%～1.24%時(shí)主要為成熟天然氣，當(dāng)Ro為1.24%～2.0%時(shí)主要為高成熟天然氣。

生烴模式對低油氣勘探區(qū)的油氣地質(zhì)研究具有較好的指導(dǎo)作用[41-44]。為了有效地揭示昭覺凹陷白果灣組泥頁巖生烴潛力，本文采用2 ℃/h的升溫速率條件下所獲取的各類參數(shù)建立了高溫高壓封閉體系條件下昭覺凹陷上三疊統(tǒng)白果灣組泥頁巖的生烴模式并恢復(fù)了白果灣組泥頁巖的生烴演化過程（圖8）。

圖8 高溫高壓封閉體系條件下白果灣組泥頁巖生烴模式圖

根據(jù)頁巖生烴模式，昭覺凹陷頁巖在0.5%≤Ro＜1.24%階段生成C1和C1～C5的產(chǎn)率增長速度最大，為頁巖生烴的成熟階段；在1.24%≤Ro＜2.0%階段生成C1和C1～C5的產(chǎn)率增長速度較大，為頁巖生烴的高成熟階段，同時(shí)也是重?zé)N氣的主要生成階段，C5和C4的產(chǎn)量極少，主要為C2和C3。C2和C3的產(chǎn)率分別在Ro為1.70%和1.38%達(dá)到最大1.59 mL/g 和 0.50 mL/g。

基于高溫高壓封閉體系實(shí)驗(yàn)條件下，王東良等[45]分析認(rèn)為，烴源巖在其Ro為2.5%之后的過成熟階段仍然具有較大的生氣潛力，生氣量可以占到總生氣量的20%以上，生氣下限能延伸到Ro為5.0%的階段，Mahlsted等[46]認(rèn)為，Ro值為5.0%之后依然有大量的天然氣生成。昭覺凹陷白果灣組頁巖在Ro＞2.0%，C1和C1～C5的產(chǎn)率增長速度仍然較高，在Ro=2.8%時(shí)產(chǎn)率又開始急劇增高，Ro為4.45%時(shí)，C1和C1～C5的產(chǎn)率有所下降，但實(shí)驗(yàn)條件下依然在增長，重?zé)N氣的產(chǎn)率越來越小，C2和C3的產(chǎn)率分別在Ro為3.6%和2.4%時(shí)完全裂解，為生烴的過成熟階段，即干氣階段，以甲烷為主。

5 結(jié)論

1）通過高溫高壓封閉體系條件下生烴動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)，確定了昭覺凹陷泥頁巖的生烴產(chǎn)率和生成C1、C1～ C5、C2～ C5、C6～ C14和 C6+的平均活化能、主頻活化能與頻率因子等參數(shù)。結(jié)果表明，泥頁巖在不同溫度條件下烴的產(chǎn)率差異較大，生成氣態(tài)烴所需的活化能高于液態(tài)烴，生產(chǎn)C1所需活化能最高，轉(zhuǎn)化所需的能量最大。

2）西昌盆地昭覺凹陷白果灣組泥頁巖的生烴量為 8 213.27×104t，生烴強(qiáng)度為 54.8×104t/km2，具備形成中小型油氣田的資源生成基礎(chǔ)，是四川盆地周緣可供勘探的目標(biāo)之一。

3）熱演化成熟度是影響泥頁巖生烴的主要因素之一，在開展黃金管熱模擬實(shí)驗(yàn)時(shí)要充分考慮到所選樣品的成熟度，由于Ro＞0.5%樣品已有烴排出使得產(chǎn)烴率偏低，因此盡可能選取Ro＜0.5%的低成熟樣品，更好的保證產(chǎn)烴率的真實(shí)性。

4）在實(shí)驗(yàn)室高溫高壓封閉體系條件下，當(dāng)前的泥頁巖生烴模式表明，昭覺凹陷白果灣組泥巖在Ro值大于2.8%之后的仍然具有較大的生氣潛力，C1和C1～C5的產(chǎn)率仍保持增長趨勢。