盆地内宜川太原组和山西组发育的煤系烃源岩研究

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论文摘要

  鄂尔多斯盆地东南部古生界地层分布广泛。上古生界地层主要为二叠系的太原组和山西组、本溪组,下古生界主要为奥陶系,缺失志留系和泥盆系。其烃源岩主要为一套陆相及海陆过渡相沉积的暗色泥质岩和煤。区域上砂岩为上古生界煤成气体系的主要储集层,泥岩为全区稳定的区域盖层。盆地内上古生界地层的生烃强度大于20×108m3/km2的分布面积有18×104km2,而探明储量面积仅为1.1×104km,可供发现大型气田的面积较大。已有87.9%的探井在上古生界地层中发现气层和含气层,并在多口井见到工业气流,显示出良好的勘探远景和潜力。本文将盆地内宜川地区的太原组和山西组发育的煤系烃源岩作为研究对象。

  1区域地质概况

  研究区在鄂尔多斯盆地宜川地区(图1),是盆地目前勘探程度较低的地区之一。本区的北部为米脂气田和子洲气田,具有良好的勘探远景和潜力。

  研究区位置及构造单元划分图
   1.1区域构造沉积背景

  鄂尔多斯盆地在晚加里东运动后期,由于秦、祁海槽关闭,抬升为陆地,与华北地块连成一片,使区内经历了长达1.3~1.5亿年之久的风化剥蚀,至海西旋回中期,秦岭、祁连海槽和中亚-蒙古海槽再度拉开,包括研究区在内的整个鄂尔多斯地块发生区域沉降,进入了海相沉积阶段。盆地西缘自早石炭世开始接受沉积,而东缘直至晚石炭世早期才开始接受沉积,并在早二叠世东部海水从东-东南方侵入并越过中央古隆起与西部海域联合,形成统一陆表海。在历经本溪期、太原期沉积之后,到海西旋回末期,秦岭、祁连海槽再次对挤、夹击,海水逐渐退出了鄂尔多斯盆地。盆地东部山西组的沉积环境众多学者进行过研究,基本上可归纳为三种观点:陆相湖盆、近海湖盆和浅海陆棚。由于构造运动的影响,沉积环境和沉积相在太原期的基础上重新分化组合,盆地东部山西组以三角洲相沉积为主,其沉积背景是浅海陆棚,在太原期末迅速海退,使盆地东部成为内陆湖盆。

  1.2气源岩分布特征

  研究区出露的上古生界地层从下到上依次为上石炭统本溪组、下二叠统太原组、山西组、中二叠统下石盒子组、上石盒子组、上二叠统石千峰组,其中绝大部分地区缺失志留系、泥盆系和下石炭统。由于资料有限,对上古生界上二叠统太原组发育的灰岩做地层特征的简单介绍,本文研究的上古生界烃源岩仅包括太原组-山西组煤系烃源岩,即煤层和暗色泥岩。
  (1)灰岩:在早二叠世太原期,全区都广泛沉积了一套海陆交互相为主的暗色砂泥岩夹石灰岩。研究区以浅海陆棚沉积为主,局部发育潮坪沉积。太2期发育的碳酸盐潮坪,只在研究区西南部发育。区内广泛分布浅海陆棚相沉积,且横向分布稳定,厚度范围分布在10~20 m之间,主要发育各种颗粒灰岩、生物碎屑灰岩及生物碎屑泥晶灰岩等,含丰富的海相化石。
  (2)煤层:研究区内的太原组、山西组均有煤层分布,累计厚度一般为5~30 m,碳质泥岩中有机质含量高。太原组的煤层厚度在1.05~3.1 m之间,在区内主要的趋势为由西向东逐渐变薄,同时在研究区的北部,鹿川乡以 北煤层厚 度 逐 渐 变 厚 (图2a);山西组煤层厚度较太原组大,厚度范围在8.85~12.32 m,主要趋势是由西到东层逐渐变薄(图2b)。
  太原组、山西组煤层厚度分布图  (3)暗色泥岩:研究区内太原组的泥岩厚度较薄,分布在0.76~2.90 m之间,显示由西向东厚度逐渐减小的趋势(图3a)。山西组的泥岩较太原组的泥岩发育,厚度范围分布在22.5~56.0m之间,显示泥岩厚度由北西向到东南向逐渐减小(图3b)。太原组、山西组泥岩厚度广布全部累加起来厚30~50 m,是成气的优质烃源岩。由于资料有限,本文主要对研究区内暗色泥岩的进行综合评价。

  2山西组烃源岩地球化学特征

  2.1有机质丰度

  鄂尔多斯盆地内上古生界煤岩有机碳含量为70.8%~83.2%;研究区太原组煤岩有机碳含量一般为3.8%~83.2%;山西组煤岩有机碳含量分布在49.28%~89.17%。根据岩样分析结果,本区太原组泥岩岩样的有机碳含量值分布在1.27%~3.59%之间,平均含量2.35%(图4a),有机质丰度由西向东有逐渐减少的趋势,且高值出现在西北部;区内山西组泥岩岩样的有机碳含量值分布在1.24%~2.84%之间,平均含量2.27%(图4b),有机质丰度由西向东有逐渐减少的趋势。依据陈建平1997年提出的中国煤系泥岩生烃潜力评价标准(表1),可以判断太原组、山西组均是一套中等的烃源岩。
太原组、山西组有机碳含量分布直方图中国煤系泥岩生烃潜力评价标准图
   2.2有机质类型

  (1)按照煤系地层烃源岩有机质类型划分标准,依据氢指数(IH)、生烃潜量(S1+S2)等地球化学指标,通过对区内的太原-山西组烃源岩的有机质类型进行分析研究,得出研究区内的山西组、太原组烃源岩主要为III型干酪根。
  (2)干酪根镜下鉴定结果显示:太原组烃源岩有机显微组分,主要以腐泥无定型为主,次之为惰质组和镜质组,在蓝光激发下,表现为Ⅱ2型干酪根的特征,即腐泥无定体显示黄色荧光,镜质体无荧光;山西组烃源岩有机显微组分亦以腐泥无定型为主,其次含有一定量的惰质组和镜质组,无壳质组成分,在蓝光激发下,腐泥无定体显示黄色荧光,镜质体无荧光,为Ⅱ2、Ⅲ型干酪根。
  (3)根据三类五分法分析:太原组泥岩稳定碳同位素的值在-23.91‰~-24.18‰的范围内,表现为Ⅱ型有机质特征;山西组泥岩稳定碳同位素的值在-21.23‰~-26.23‰之间,表现为Ⅲ型有机质特征。其中约75%样品表现出Ⅲ型特征,少量为Ⅱ型。研究区太原组-山西组的烃源岩有机质类型以Ⅲ型为主,其次还有一定比例的Ⅱ1型和Ⅱ2型干酪根。
  综合前述资料分析,认为研究区上古生界太原组和山西组发育的烃源岩干酪根类型多样,主要具有腐殖型-腐泥型特征,具有较强的生烃能力。

  2.3有机质成熟度

  研究区内太原组泥岩样品的Tmax(℃)最小值为569℃,最大值为578 ℃,平均值为575 ℃;山西组泥岩样品的Tmax(℃)分布在575~580℃之间,平均值为576.25℃。由于大部分泥岩样品的热解Tmax值都高于490℃的过成熟干气阶段。所以,研究区内太原组、山西组的泥岩样品均进入高成熟~过成熟生气阶段。
  此外,通过前人对鄂尔多斯盆地东南部上古生界煤系烃源岩镜质体反射率平面分布分析研究得知:研究区上古生界的煤系烃源岩镜质体反射率Ro大于2.0%,有机质成熟度达到干气阶段,有潜力成为上古生界烃源岩产气最多的地区之一。

  3结论

  鄂尔多斯盆地宜川地区上古生界地层分布广泛且稳定,区内太原组、山西组发育的一套海陆交互相气源岩,有机质丰度较高。通过对研究区内的暗色泥岩样品进行地化分析,得出,区内太原组和山西组的有机碳平均含量分别为2.35%和2.27%;有机质类型以III型干酪根为主,含少量Ⅱ型干酪根;有机质演化程度高,处于过成熟干气阶段。综合分析认为,太原组-山西组的暗色泥岩属中等级别的烃源岩,具有一定的生烃潜力,是一套良好的气源岩,具有很好的天然气勘探前景。

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