柴达木盆地咸化湖盆低有机质丰度烃源岩高效生烃模式.pdf
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1、 石 油 勘 探 与 开 发 898 2023 年 10 月 PETROLEUM EXPLORATION AND DEVELOPMENT Vol.50 No.5 文章编号:1000-0747(2023)05-0898-13 DOI:10.11698/PED.20230228 柴达木盆地咸化湖盆低有机质丰度烃源岩高效生烃模式 李国欣1,2,张斌3,伍坤宇4,吴松涛3,王晓梅3,张静4,齐雪宁3,张娜4,邢浩婷4,鲜成钢1,刘合3(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.中国石油天然气集团有限公司,北京 100007;3.中国石油勘探开发研究院,北京 1000
2、83;4.中国石油青海油田公司勘探开发研究院,甘肃敦煌 736202)基金项目:中国石油天然气股份有限公司科学研究与技术研发项目(2021DJ1808)摘要:通过实验模拟和地球化学分析,系统研究柴达木盆地柴西坳陷古近系烃源岩的生烃母质、有机质富集与生烃模式。柴达木咸化湖盆烃源岩总有机碳含量(TOC)值偏低的原因主要有 3 方面:相对贫乏的营养物质供应抑制了藻类勃发、过快的沉积速率导致有机质被稀释、较高的有机质转化效率导致残留有机碳偏低。针对这类富氢有机质生烃过程中有机碳降低,应用 TOC 值评价有机质丰度时需根据成熟度对其进行恢复。柴达木盆地咸化湖盆烃源岩生烃包括可溶有机质生烃和不溶有机质生烃
3、两部分。可溶有机质主要继承于生物体在咸化湖盆中得以保存,在低演化阶段生烃形成的烃富含氮、氧、硫等杂原子化合物,在后期二次裂解形成轻质烃类组分;不溶有机质即干酪根生烃模式符合传统的“Tissot”模式,生油高峰对应于 Ro值 1.0%左右。关键词:柴达木盆地;柴西坳陷;古近系下干柴沟组;咸化湖盆;低 TOC;页岩油;可溶有机质;高效生烃;生烃模式;有机质丰度 中图分类号:TE122.2 文献标识码:A Low organic matter abundance and highly efficient hydrocarbon generation of saline source rock in
4、the Qaidam Basin,NW China LI Guoxin1,2,ZHANG Bin3,WU Kunyu4,WU Songtao3,WANG Xiaomei3,ZHANG Jing4,QI Xuening3,ZHANG Na4,XING Haoting4,XIAN Chenggang1,LIU He3(1.State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting,China University of Petroleum,Beijing 102249,China;2.China National Petroleum Co
5、rporation,Beijing 100007,China;3.Research Institute of Petroleum Exploration&Development,PetroChina,Beijing 100083,China;4.PetroChina Qinghai Oilfield Company,Dunhuang 736202,China)Abstract:The geochemical analysis and experimental simulation are comprehensively used to systematically study the hydr
6、ocarbon generation parent material,organic matter enrichment and hydrocarbon generation model of Paleogene source rock in the Western Qaidam Depression,Qaidam Basin,NW China.Three main factors result in low TOC values of source rock in the saline lake basin of the Qaidam Basin:relatively poor nutrie
7、nt supply inhibits the algal bloom,too fast deposition rate causes the dilution of organic matter,and high organic matter conversion efficiency causes the low residual organic carbon.For this type of hydrogen-rich organic matter,due to the reduction of organic carbon during hydrocarbon generation,TO
8、C needs to be restored based on maturity before evaluating organic matter abundance.The hydrocarbon generation of source rocks in the saline lake basin of the Qaidam Basin is from two parts:soluble organic matter and insoluble organic matter.The soluble organic matter is inherited from organisms and
9、 preserved in saline lake basins.It generates hydrocarbons during low-maturity evolution stages,and the formed hydrocarbons are rich in complex compounds such as NOS,and undergo secondary cracking to form light components in the later stage;the hydrocarbon generation model of insoluble organic matte
10、r conforms to the traditional“Tissot”model,with an oil generation peak corresponding to Ro of 1.0%.Key words:Qaidam Basin;Qaidam Western Depression;Paleogene Lower Ganchaigou Formation;saline lake;low TOC value;shale oil;dissolved organic matter;high efficient hydrocarbon generation;hydrocarbon gene
11、ration model;organic matter abundance 引用:李国欣,张斌,伍坤宇,等.柴达木盆地咸化湖盆低有机质丰度烃源岩高效生烃模式J.石油勘探与开发,2023,50(5):898-910.LI Guoxin,ZHANG Bin,WU Kunyu,et al.Low organic matter abundance and highly efficient hydrocarbon generation of saline source rock in the Qaidam Basin,NW ChinaJ.Petroleum Exploration and Develop
12、ment,2023,50(5):898-910.0 引言 勘探实践表明,咸化环境有利于形成优质烃源岩,全球范围内发育多套与咸化环境有关的烃源岩1-2。从有机质富集条件来看,咸化环境具有两方面有利因素:咸化湖盆通常具有较丰富的营养物质,有利于水生 2023 年 10 月 李国欣 等:柴达木盆地咸化湖盆低有机质丰度烃源岩高效生烃模式 899 生物勃发,形成了较高的生物生产力。现代湖泊生产力研究发现,一定盐度的湖泊往往比淡水湖具有更高的生产力3。有机质的保存条件更为优越。由于咸水环境有利于形成水体盐度分层,盐跃层之下为缺氧强还原环境,有机质不易被分解而得以保存。在这种情况下,形成了高有机质丰度的烃源
13、岩,如北美古近系绿河页岩就是一套咸化环境中形成的湖相页岩,有机质丰度极高,成熟度相对较低,是生烃动力学研究的重要对象4-6。国内也在多个盆地发育咸化湖相烃源岩,如江汉盆地古近系潜江组7、渤海湾盆地东濮坳陷古近系沙河街组四段和三段8、济阳坳陷沙河街组四段等9。准噶尔盆地玛湖凹陷也发育一套咸化环境烃源岩,因其富含碱性矿物,而被认为是碱湖相烃源岩10-11。这些烃源岩有机质丰度普遍较高,总有机碳含量(TOC)值一般在 2%以上,属优质烃源岩。然而,柴达木盆地西部坳陷古近系下干柴沟组上段和上干柴沟组12-14,TOC 值一般在 0.5%2.0%,平均值约 0.9%,低于其他咸水湖盆。根据油气聚集“源控
14、”论,高有机质丰度烃源岩是形成油气藏的必要条件,为油气聚集提供物质基础。柴西坳陷古近系有机质丰度低于其他陆相湖盆烃源岩,但勘探实践证明,柴西坳陷油气资源十分丰富,石油地质资源量超过 20108 t,且已经发现了多个亿吨级储量区块,集中了柴达木盆地 70%以上的石油储量和产量,探明石油储量丰度超过 170104 t/km215-17。而且,英雄岭页岩油勘探成效显著,已在干柴沟地区多口井获得高产油气流18。页岩油气由于缺乏大规模的运移和聚集过程,往往需要更高的有机质丰度19-22。截至目前,在柴达木盆地尚未发现规模的高 TOC 烃源岩,却发现了大规模常规和非常规油气聚集。柴西坳陷特殊的湖盆环境、生
15、烃母质及生烃机理是造成低有机质丰度和高油气资源丰度之间不协调的关键。本文通过有机-无机地球化学分析,探讨柴西坳陷生烃母质类型,揭示有机质丰度偏低的原因及其生烃模式,旨在为客观评价柴西坳陷有机质丰度和生油气潜力提供科学依据,为常规和非常规油气勘探提供借鉴。1 咸化湖盆烃源岩发育的地质背景 柴达木盆地位于青藏高原,平均海拔 3 000 m,是在前侏罗纪地块上发育起来的中、新生代大型内陆山间盆地,经历了早期断陷、中期拗陷和后期沉积中心转移 3 个构造演化阶段,发育了中下侏罗统淡水湖泊沼泽相烃源岩、古近系咸化湖相烃源岩以及第四系生物气源岩,在平面上呈现柴北断陷天然气、柴西坳陷石油和柴东三湖坳陷生物气
16、3 大油气系统(见图 1a)。图 1 柴达木盆地构造区划与新生界分布(据文献20修改)900 石油勘探与开发油气勘探 Vol.50 No.5 咸化湖盆烃源岩主要分布在柴西坳陷,该地区南邻昆仑山,西接阿尔金山,是在中新生界构造挤压背景下形成的坳陷湖盆。英雄岭构造带位于柴西坳陷茫崖凹陷西段,尽管现今表现为一个正向构造,但在古近纪 E32沉积时为一负向构造,有利于发育烃源岩,其干柴沟地区是英雄岭页岩油的主要探区18(见图 1b)。该地区主要发育了古近系路乐河组(E1+2)、下干柴沟组(E3)和新近系上干柴沟组(N1)、下油砂山组(N21)、上油砂山组(N22)、狮子沟组(N23)以及七个泉组(Q)等
17、多套地层,其中下干柴沟组可进一步划分为下段(E31)和上段(E32),E32被认为是柴西坳陷主力烃源岩层段,也是目前英雄岭页岩油勘探的主要目标层段,是本文研究重点;N1、N21在柴西北局部地区也发育少量烃源岩,但因其分布相对局限,且有机质丰度很低,本文不做详细讨论(见图 1c)。柴达木盆地湖盆演化与青藏高原隆升密切相关。在印度板块与欧亚板块碰撞的背景下,阿尔金断裂自始新世开始左行走滑,盆地沉积中心向北东方向逐渐迁移16。柴西南地区古近纪表现为伸展构造背景下的凹陷沉积区,沉积了厚度近 2 000 m 的下干柴沟组上段;到了中新世,湖盆中心向西北迁移,在柴西北沉积了超过 1 000 m 的上干柴沟
18、组狮子沟组;至第四纪,湖盆中心则迁移至柴东地区,沉积了巨厚的第四系。构造演化分析表明,古近系柴西坳陷经历了低位体系域高位体系域的沉积旋回。下干柴沟组沉积早期,柴西坳陷总体处于浅水湖相背景,被分割为多个次凹。下干柴沟组上段沉积期,气候变得相对温暖湿润,降雨增大,湖平面快速升高,湖盆范围增大,发育以碳酸盐岩、碎屑岩为主的咸湖相混合沉积体系,有利于形成湖相烃源岩(见图 2)。图 2 柴西坳陷古近纪下干柴沟组沉积期英雄岭小梁山凹陷沉积模式图 2 柴西坳陷烃源岩有机质丰度与生烃母质类型 2.1 有机质丰度 柴达木盆地古近系咸化湖盆烃源岩最主要特征是TOC 值偏低,与国内外典型湖相烃源岩相比,其 TOC值
19、几乎是最低的(见表 1)。北美古近系绿河页岩 TOC值一般在 5%10%,最高可达 20%4-6。中国主要陆相含油气盆地主力烃源岩都具有较高的 TOC 值,如东北松辽盆地白垩系青山口组一段 TOC 值一般在 1%4%23-24,嫩江组 TOC 值多在 3%以上25;渤海湾盆地古近系沙河街组四段烃源岩 TOC 值多在 2%以上,其中沧东凹陷古近系孔店组二段黑色页岩 TOC 值普遍在2%以上,最高可达 12%26;鄂尔多斯盆地三叠系延长组 7 段泥岩 TOC 值多在 2%以上,油页岩 TOC 值多在6%以上,最高可达 30%27。由于柴达木盆地咸化湖盆烃源岩 TOC 值偏低,有学者提出 TOC 不
20、能作为烃源岩有机质丰度评价指标,而应改用其他参数12。为了验证 TOC 作为有机质丰度指标的有效性,本文研究了不同盆地 TOC 值与岩石热解参数生烃潜量(S1+S2)的关系,后者代表单位岩石在热力作用下完全转化生成油气的数量,直接反映了岩石的生油能力。结果表明,柴达木盆地与国内外其他盆地一样,均表现出 TOC 值与(S1+S2)值呈良好线性关系,表明 TOC 值仍然可以作为评价有机质丰度的指标(见图 3)。需要注意的是,柴达木盆地古近系烃源岩的斜率(约为 10 mg/g)要比其他盆地(58 mg/g)更高,反映其有机质相对更富氢,单位有机碳的生烃潜力更大。2.2 生烃母质类型 烃类中具有特征意
21、义的分子化合物组成是反映有机质生烃母质来源、类型和保存环境的重要指标。前人研究发现,柴西坳陷低成熟烃源岩的正构烷烃气相 2023 年 10 月 李国欣 等:柴达木盆地咸化湖盆低有机质丰度烃源岩高效生烃模式 901 表 1 国内外典型湖相盆地烃源岩有机质丰度对比(据文献7-16修改)盆地 地层 沉积环境 岩性 厚度/mTOC/%HI/(mgg1)干酪根类型Ro/%柴达木 古近系下干柴沟组上段 咸水湖盆 云灰质页岩2008000.52.0 600800、1 0.61.3松辽 白垩系青山口组 淡水微咸水湖盆页岩 501501.04.0 600800、1 0.71.6渤海湾 古近系沙河街组、孔店组 淡
22、水微咸水湖盆页岩 50300 1.512.0 500600 1型为主0.61.3鄂尔多斯 三叠系延长组 7 段 淡水湖盆 页岩 3070 2.030.0 400500 1 0.81.2二叠系风城组 碱性湖盆 云灰质页岩 501000.53.0 400600 1型为主0.81.4准噶尔 二叠系芦草沟组 半咸水湖盆 云灰质页岩1002002.09.0 500800、1 0.71.1三塘湖 二叠系芦草沟组 半咸水湖盆 云灰质页岩 301002.08.0 400700、1 0.61.1四川 侏罗系凉高山组、自流井组 淡水湖盆 页岩 302000.52.0 400600 1 0.91.5苏北 古近系阜宁
23、组 淡水微咸水湖盆页岩 302000.54.0 500600 1型为主0.61.3江汉 古近系潜江组和新沟嘴组 咸水湖盆 页岩 20700.53.0 500600、1 0.41.0Williston Bakken 海相 页岩 102010.014.0 500600 1 0.71.2South Texas Eagle Ford 海相 泥灰岩 20604.07.0 500600 1 0.71.5 图 3 不同盆地烃源岩 TOC 值与生烃潜量(S1+S2)关系图(a、b 图数据据文献24、26和28)色谱呈双峰形态,在 C11C17较低分子化合物呈现奇数碳优势,而在 C18C28范围内高碳数则呈现偶
24、数碳优势,反映有机质可能存在多重来源29。其中,C11C17范围内呈奇偶优势的正烷烃可能直接来源于藻类中的烃类,即前人所说的低熟烃源岩中“可溶有机质”30,而具偶奇优势分布的正烷烃则认为是咸水环境有机质的普遍特征31。本文所分析的干柴沟地区因样品放置时间偏长导致轻组分挥发严重,C11C17组分相对偏少,但在 C18C28组分仍可见到明显的偶数碳优势(见图 4),指示咸水环境保存下来的水生生物对油气的形成均有重要贡献。柴达木盆地古近系烃源岩抽提物中类异戊二烯烃含量高,且表现为明显的植烷(Ph)优势,姥鲛烷(Pr)和植烷比值(Pr/Ph)相对较低,反映其形成于强还原沉积环境。从图 4 可以看到烃源
25、岩中富含植烷,其含量甚至超过了与之相邻的正构烷烃(nC18),姥鲛烷含量也很高,但远低于 Ph 含量,姥植比一般小于 0.5,902 石油勘探与开发油气勘探 Vol.50 No.5 图 4 柴达木盆地古近系咸化湖盆烃源岩饱和烃气相色谱图 为典型的咸水环境沉积有机质特征。Pr/nC17、Ph/nC18均高于 0.2,且多数样品 Ph/nC18值超过 1,最高达 4,与淡水湖相烃源岩有显著区别(见图 5)。由于水体盐度较高,形成水体分层,存在一个盐跃层,阻挡水体在纵向上对流,造成水体底部和沉积物中因沉积有机质的微生物化学作用而持续缺氧,使之处于强还原状态。图 5 不同盆地烃源岩 Pr/nC17-P
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