尹　帥, 丁文龍, 胡秋嘉,

劉建軍5, 梅永貴6, 劉　忠6

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 能源學(xué)院，北京 100083；

2.海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；

3.頁(yè)巖氣資源戰(zhàn)略評(píng)價(jià)國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;

4.華北油田長(zhǎng)治煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 長(zhǎng)治 046000；

5.中國(guó)石油華北油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北 任丘 062552;

6.中國(guó)石油山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 晉城 048000)

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沁水盆地石炭-二疊煤系地層烴源巖特征及生烴有利區(qū)評(píng)價(jià)

尹帥1,2,3, 丁文龍1,2,3, 胡秋嘉4,

劉建軍5, 梅永貴6, 劉忠6

(1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 能源學(xué)院，北京 100083；

2.海相儲(chǔ)層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；

3.頁(yè)巖氣資源戰(zhàn)略評(píng)價(jià)國(guó)土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083;

4.華北油田長(zhǎng)治煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 長(zhǎng)治 046000；

5.中國(guó)石油華北油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河北 任丘 062552;

6.中國(guó)石油山西煤層氣勘探開(kāi)發(fā)分公司，山西 晉城 048000)

[摘要]對(duì)山西沁水盆地石炭-二疊煤系地層烴源巖的有機(jī)地化資料進(jìn)行分析總結(jié)。結(jié)果表明，山西組和太原組煤巖樣品顯微組分以鏡質(zhì)組為主，其次為惰質(zhì)組，穩(wěn)定組分(殼質(zhì)組+腐泥組)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般低于11.2%；干酪根H/C原子比主要集中在0.20~0.85，O/C原子比主要集中在0.02~0.10，屬高演化Ⅲ型有機(jī)質(zhì)；煤巖碳同位素普遍偏重，為-23‰～-25.6‰；瀝青“A”中，飽和烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大多數(shù)<25%，芳烴為11%～58%，飽/芳比值一般為<0.4。煤系泥巖顯微組分以鏡質(zhì)組為主，其次是惰質(zhì)組，殼質(zhì)組較低；H/C原子比主要在0.25~0.75，O/C原子比主要在0.03~0.20，屬高演化Ⅲ型有機(jī)質(zhì)，小部分屬于Ⅱ2型有機(jī)質(zhì)；碳同位素偏重，為-23.5‰～-25.9‰，飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)<25%，大部分<20%。太原組灰?guī)r以Ⅱ2型干酪根為主，碳同位素輕于山西組及太原組煤巖及泥巖，主要在-26.0‰～-30.0‰。制定了適合沁水盆地煤系地層中煤巖和泥巖的生烴潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)烴源巖有利生烴區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)。綜合認(rèn)為，沁水盆地山西組煤巖總體上是中等-好烴源巖，以盆地兩翼為好，中部和南部為中等-差烴源巖；太原組煤巖總體上為中等-好烴源巖，兩翼大部分為好烴源巖，沁縣-祁縣-榆次-榆社一帶以及南部地區(qū)為差-中等烴源巖；沁水盆地山西組泥巖總體上為中等偏差的烴源巖，只有西部部分地區(qū)為好烴源巖，盆地中部地區(qū)烴源巖生烴潛力比兩翼差；太原組泥巖總體上為中等偏差的烴源巖，西部局部地區(qū)為好烴源巖，盆地邊緣比盆地中央的生烴潛力稍大一些。

[關(guān)鍵詞]沁水盆地；煤系地層；山西組；太原組；烴源巖；生烴有利區(qū)；評(píng)價(jià)

沁水盆地位于山西省南部，是一個(gè)近于南北走向的大型復(fù)式向斜盆地，四周均為隆起所環(huán)繞。其東面為太行山隆起，西面為呂梁山隆起，南面為中條山隆起，北面為五臺(tái)山隆起，整體覆蓋面積約為36 000 km2，是華北地區(qū)古生界石炭-二疊系保存最完整、連片面積最大、構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜、埋藏深度最適中的一個(gè)含煤區(qū)。

沁水盆地古生界油氣勘探起始于20世紀(jì)50年代，主要勘探開(kāi)發(fā)歷程可以劃分為5個(gè)階段：①(1957—1975年)古生界石油地質(zhì)普查階段；②(1975—1979年)晉中斷陷石油普查階段；③(1982—1987年)上古生界煤成氣普查階段；④(1994—2004年)煤層氣先導(dǎo)性開(kāi)發(fā)試驗(yàn)基地建設(shè)階段；⑤(2005年至今)煤層氣大規(guī)模勘探開(kāi)發(fā)階段。自2005年以來(lái)，沁水盆地古生界煤層氣勘探開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)突破性進(jìn)展，盆地南部已經(jīng)實(shí)現(xiàn)煤層氣的規(guī)模開(kāi)發(fā)，標(biāo)志著中國(guó)第一個(gè)數(shù)字化、規(guī)?；簩託馓锸痉豆こ袒氐某晒ǔ蒣1]。于此同時(shí)，人們發(fā)現(xiàn)沁水盆地煤系地層作為一個(gè)整體含氣系統(tǒng)，在煤成氣方面有望實(shí)現(xiàn)新的突破[2]。如目前在該盆地鉆至古生界的石油探井15口，總進(jìn)尺約15 157 m，多數(shù)井砂巖層均見(jiàn)氣泡或氣測(cè)異常，部分井獲得了工業(yè)氣流。將沁水盆地煤系地層作為一個(gè)整體進(jìn)行研究，對(duì)煤系氣進(jìn)行深入、全面、細(xì)致解剖，對(duì)提高天然氣富集規(guī)律認(rèn)識(shí)及天然氣勘探成功率方面能起到極大的促進(jìn)作用。

沁水盆地煤系地層含有多種類(lèi)型烴源巖[3]，烴源巖的性質(zhì)及分布特征能在一定程度上影響煤系氣的分布及聚集[4]。因此，加強(qiáng)沁水盆地煤系地層各類(lèi)烴源巖特征研究及生烴有利區(qū)評(píng)價(jià)研究，對(duì)系統(tǒng)總結(jié)煤系氣富集規(guī)律、指導(dǎo)煤系氣勘探開(kāi)發(fā)及尋找甜點(diǎn)區(qū)等方面意義重大[5]。本文通過(guò)對(duì)收集的大量有關(guān)沁水盆地石炭-二疊煤系地層烴源巖的有機(jī)地化特征資料進(jìn)行分析總結(jié)，對(duì)各類(lèi)烴源巖特征及生烴有利區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)，為沁水盆地煤系氣勘探開(kāi)發(fā)提供參考。

1主要烴源巖分布特征

沁水盆地含煤地層主要為石炭-二疊系，主要巖性有粉砂巖、砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥頁(yè)巖、灰?guī)r及煤巖(共含煤16層)。上二疊統(tǒng)太原組和下石炭統(tǒng)山西組為主要煤系地層，煤系地層中主要烴源巖的巖性為煤巖、泥巖及灰?guī)r。

1.1太原組烴源巖

1.1.1煤巖

太原組煤系地層厚68.28~140.64 m，含煤4~14層，由下至上有16#、15#、13#、12#、11#、10#、9#、8#、7#及6#煤層，煤層埋藏深度一般小于2.5 km。下部15#煤層厚度大，在盆地內(nèi)橫向分布穩(wěn)定，厚度一般為2~18 m，總體上具有北厚南薄的特點(diǎn)。受控于古構(gòu)造格局和古環(huán)境及盆地沉降速度，15#煤層在盆地內(nèi)有2個(gè)厚煤區(qū)，分別是介休-文水-交城-祁縣地區(qū)(最厚可達(dá)19 m)，榆社-壽陽(yáng)-陽(yáng)泉地區(qū)(最厚可達(dá)12 m以上)；盆地南部的安澤-屯留-長(zhǎng)治一帶煤層較薄，只有2 m左右。

受太行山抬升擠壓作用影響[6]，盆地的東部地區(qū)煤層傾角較大，而西部和南部?jī)A角較小；在盆地的周緣煤層出露，現(xiàn)開(kāi)采的煤層埋深大多數(shù)<1 km，在沁縣-榆社-太古一帶埋深達(dá)到最大(約2 km)，在安澤等廣大的南部地區(qū)埋深在0.5~1.5 km，北部的陽(yáng)泉-壽陽(yáng)-榆次一帶埋深普遍<1.5 km。15#煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，含1~5層夾矸，分叉現(xiàn)象明顯，在陽(yáng)泉地區(qū)分為15#上和15#下2層，在潞安和陽(yáng)城北部地區(qū)又分為15#上、15#中、15#下3層。

1.1.2泥巖

太原組煤系泥巖厚度為10~60 m，有2個(gè)泥巖沉積較厚的地區(qū)，分別是陽(yáng)泉地區(qū)(最厚>50 m)、左權(quán)-武鄉(xiāng)-襄垣一線以東地區(qū)(最厚>60 m)。整體上看，從東到西、從東北到西南呈變薄的趨勢(shì)，在南部陽(yáng)城地區(qū)最小(<10 m)，霍山隆起周緣不足30 m，榆次-祁縣一帶只有25 m左右。太原組煤系泥巖埋深為0~2 km，在沁縣-武鄉(xiāng)-榆社一帶以及其西北地區(qū)埋深>2 km；南部地區(qū)埋深較淺，傾角較緩；中部和西部以及背部?jī)A角比南部稍陡。

1.1.3灰?guī)r

太原組灰?guī)r在全區(qū)分布較穩(wěn)定，厚度5~30 m?？傮w上，北部較厚，南部較薄，其中陽(yáng)泉-榆次-榆社一帶最厚可達(dá)30 m以上。

1.2山西組烴源巖

1.2.1煤巖

山西組煤系地層厚度變化趨勢(shì)為北厚南薄，以K7灰?guī)r與太原組分界，上界為K4砂巖之底。含煤2~7層，總厚度0.25~11.51 m，平均為4.9 m，由下至上有5#、4#、3#、2#及1#煤層，3#為主煤層。3#煤層厚度較大，厚度一般為1~8 m，總體上北部與中南部煤層較厚，連續(xù)性好；盆地西南部煤層較薄。有3個(gè)厚煤區(qū)，分別是小虎峪-太原-清徐地區(qū)，最厚可達(dá)8 m以上；壽陽(yáng)地區(qū)最厚可達(dá)7 m以上；中南部襄垣-屯留-長(zhǎng)治-潞城地區(qū)最厚可達(dá)7 m以上。煤體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，夾矸最多的地方可達(dá)5~6層，一般2~3層。

山西組煤層在沁水盆地四周及霍山隆起區(qū)均有露頭，埋深整體上以東北部-東部-東南部相對(duì)較淺，中部較深，從周邊煤層露頭線至盆地中心煤層埋深漸趨增大。例如盆地東北部的壽陽(yáng)、陽(yáng)泉地區(qū)3#煤層埋深一般<600 m；屯留、長(zhǎng)子地區(qū)煤層埋深一般在600~800 m；東南部廣大地區(qū)煤層埋深<1.5 km；西北部西山地區(qū)埋深<800 m；祁縣、太古一帶由于大型斷層的作用埋深普遍超過(guò)3 km，越往西埋深越大，逐漸增加到>4.5 km；清徐一帶煤層埋深超過(guò)5 km。

1.2.2泥巖

山西組煤系泥巖厚度在20~90 m，有2個(gè)泥巖沉積較厚的地區(qū)，分別是陽(yáng)泉地區(qū)(最厚>90 m)、武鄉(xiāng)-沁縣-襄垣地區(qū)(最厚>70 m)；太原、陽(yáng)城-沁水地區(qū)較薄，只有20~30 m。整體上看北部厚南部薄，東邊厚西邊薄。山西組煤系泥巖埋深比太原組約淺100 m，主要為0~2 km，在沁縣-武鄉(xiāng)-榆社一線以及其西北地區(qū)埋深超過(guò)2 km，南部地區(qū)埋藏較淺、傾角較緩，中部和西部以及背部?jī)A角比南部稍陡。

1.2.3灰?guī)r

山西組灰?guī)r僅分布于沁水盆地南部，厚度較薄，一般不足10 m。因此沁水盆地石炭-二疊煤系地層中灰?guī)r類(lèi)型烴源巖主要位于太原組。

2烴(氣)源巖有機(jī)地化特征

有機(jī)質(zhì)豐度是烴源巖油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，其值大小直接影響油氣資源前景及勘探規(guī)模評(píng)價(jià)[7]。有機(jī)質(zhì)豐度通常用有機(jī)碳(TOC)、氯仿瀝青A、總烴(HC)、熱解生烴潛量(PG，PG=S1+S2)等地球化學(xué)參數(shù)來(lái)表示[8]。如表1所示，沁水盆地C-P煤巖總體上有機(jī)碳含量高，山西組、太原組煤巖的有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wTOC)一般為60%~80%，山西組、太原組泥巖多數(shù)wTOC>1.5%，表中數(shù)據(jù)格式為“最小值~最大值/平均值(樣品數(shù))”。太原組灰?guī)r多數(shù)wTOC>0.5%；瀝青A、總烴、熱解生烴潛量普遍較低，這主要與研究區(qū)高的熱演化程度和腐殖型有機(jī)質(zhì)有關(guān)[9]。

表1　沁水盆地氣源巖有機(jī)質(zhì)豐度

從單井解釋的有機(jī)地球化學(xué)剖面綜合圖(圖1)中也可以看出，山西組和太原組煤系地層氣源巖具有一定非均質(zhì)性，不同地化指標(biāo)具有各自的特征，總體上反映出高有機(jī)碳含量、低瀝青A含量及高熱演化程度等特征。

有機(jī)質(zhì)類(lèi)型是烴源巖質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，對(duì)烴源巖的生烴能力有較大影響[10]。沁水盆地山西組和太原組煤巖樣品顯微組分以鏡質(zhì)組為主，其次為惰質(zhì)組；穩(wěn)定組分(殼質(zhì)組+腐泥組)含量低，一般質(zhì)量分?jǐn)?shù)<11.2%(圖2)。在干酪根元素組成上，H/C原子比主要在0.20~0.85，O/C原子比主要在0.02~0.10，屬于高演化的Ⅲ型有機(jī)質(zhì)范圍(圖3)。

穩(wěn)定碳同位素δ13C組成主要受陸源和海洋來(lái)源有機(jī)質(zhì)沉積的相對(duì)貢獻(xiàn)率的影響[11]。由于沉積過(guò)程中的分餾效應(yīng)，不同環(huán)境下植物吸收的碳源存在差異，使有機(jī)碳的同位素分析可用來(lái)評(píng)估沉積物的沉積環(huán)境為海相還是陸相[12]。陸相烴源巖干酪根的δ13C一般在-30‰～-20‰。隨著干酪根從Ⅰ型過(guò)渡到Ⅲ型，含氫指數(shù)逐漸降低，δ13C值往往會(huì)不斷加重[11]。從碳同位素分析(圖4)可知，沁水盆地煤巖的碳同位素普遍偏重，為-23‰～-25.6‰；瀝青“A”中，飽和烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大多數(shù)<25%，芳烴為11%～58%，飽/芳比值比較低(<0.4)。這些特征表明其有機(jī)質(zhì)的來(lái)源以陸源輸入占主導(dǎo)。

圖1　沁水盆地中部介4井有機(jī)地球化學(xué)剖面圖Fig.1　Organic geochemical profile of Well Jie 4 in the central area of the Qinshui basin

圖2　沁水盆地源巖顯微組分與有機(jī)質(zhì)類(lèi)型Fig.2　Maceral and the organic matter type of the source rocks in the Qinshui basin

圖3　煤巖元素與有機(jī)質(zhì)類(lèi)型Fig.3　Coal rock element analysis result and organic matter type

圖4　沁水盆地煤系源巖樣品飽和烴含量、碳同位素與有機(jī)質(zhì)類(lèi)型Fig.4　The saturated hydrocarbon content, the carbon isotope value and the organic matter type of the coal measures source rock samples in the Qinshui basin

沁水盆地山西組和太原組煤系泥巖顯微組分均以鏡質(zhì)組為主，其次是惰質(zhì)組，殼質(zhì)組較少，大部分屬于Ⅲ類(lèi)干酪根，小部分屬于Ⅱ2型干酪根(圖2)；元素分析顯示，H/C原子比主要集中在0.25~0.75，O/C原子比主要集中在0.03~0.20，屬于高演化的Ⅲ型有機(jī)質(zhì)，小部分屬于Ⅱ型有機(jī)質(zhì)(圖2、圖3)。

碳同位素分析表明(圖4)，沁水盆地煤系泥巖的碳同位素偏重，為-23.5‰～-25.9‰；飽和烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<25%，大部分<20%。

太原組灰?guī)r以Ⅱ2型干酪根為主，碳同位素輕于山西組及太原組煤巖及泥巖，主要分布在-26.0‰～-30.0‰(圖4)。

3烴(氣)源巖熱演化程度特征

從沁水盆地石炭-二疊紀(jì)煤系地層氣源巖熱演化測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)演化來(lái)看，有機(jī)質(zhì)熱演化程度主要有“兩高四低”的特征(表2)：高鏡質(zhì)組反射率(Ro)、高熱解峰溫(tmax)、低揮發(fā)分、低H/C原子比、低氫指數(shù)(IH)、低生烴潛量(S1+S2)。沁水盆地多數(shù)地區(qū)C-P煤系地層氣源巖已達(dá)到高-過(guò)熟階段，在陽(yáng)泉、陽(yáng)城、晉城一帶成熟度最高，Ro>2.5%；霍山以西成熟度最低，Ro為0.7%~1.25%；盆地里Ro一般為2.0%~2.5%；盆地東翼左權(quán)到襄垣Ro為1.5%~2.0%。

從表2可以看出，各類(lèi)巖性測(cè)試結(jié)果離散度較大，以熱解峰溫(tmax)為例，各類(lèi)巖性離散度幾乎都在100℃左右。如此大的離散度與樣品較低的氫指數(shù)有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，從Ⅰ型干酪根到Ⅲ型干酪根，有機(jī)質(zhì)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性程度逐漸增加，tmax的變化范圍逐漸由窄變寬[13]。例如也門(mén)共和國(guó)Maslia盆地上侏羅統(tǒng)Madbi頁(yè)巖[10]的干酪根類(lèi)型為Ⅰ型，氫指數(shù)為30%~80%，其tmax分布范圍極為狹窄，僅為430~438℃。因此，測(cè)試的沁水盆地煤系地層氣源巖較大的熱演化參數(shù)變化范圍也能證明其干酪根屬Ⅲ型。

3.1煤巖

沁水盆地山西組和太原組煤系地層廣泛發(fā)育煤層[14]，有無(wú)煙煤、貧煤、瘦煤、肥煤等不同煤種(圖5)。盆地多數(shù)地區(qū)已達(dá)到瘦煤-貧煤-無(wú)煙煤，在陽(yáng)泉、陽(yáng)城、晉城一帶多達(dá)到無(wú)煙煤；盆地的西部熱演化程度較低，有氣煤、肥煤分布。

山西組煤層(以3#煤為主)Ro普遍較高，一般為1.8%~3.8%。Ro的平面分布總體上南高北低，有2個(gè)高值區(qū)，分別是交城-祁縣-太谷-表中數(shù)據(jù)格式為“最小值~最大值/平均值(樣品數(shù))”。

表2　沁水盆地煤系地層氣源巖熱演化程度

圖5　沁水盆地山西組3#煤層(A)及太原組15#煤層(B)煤種分布圖Fig.5　The rock type distribution figure of the 3# coal seam (A) in Shanxi Group and the 15# coal seam (B) in Taiyuan Group

清徐地區(qū)(Ro最高可達(dá)3.2%以上)、陽(yáng)城-晉城-沁水地區(qū)(Ro最高可達(dá)3.8%以上)。tmax值從420~550℃，總體上盆地周緣tmax值低于盆地內(nèi)部，在太古-榆社一帶和南部晉城-陽(yáng)城-高平一帶最高可達(dá)550℃，盆地的西北部交城-小虎峪一帶、霍山隆起西緣以及左權(quán)-襄垣一帶最低為420~450℃。

太原組煤巖(以15#煤為主)處于高熟-過(guò)熟階段，Ro一般為1.6%~4.0%。Ro的平面分布總體上南高北低，盆地中心高兩翼低；南部煤層Ro普遍>3.0%，陽(yáng)城-晉城地區(qū)最高可達(dá)4.0%以上；交城-祁縣-太谷-清徐地區(qū)Ro>3.0%，最高可達(dá)3.6%以上。tmax值為450~550℃，總體上與山西組類(lèi)似，盆地周緣值低于盆地內(nèi)部，在太古-榆社一帶和南部晉城-陽(yáng)城-高平一帶最高可達(dá)550℃，盆地的西北部交城-小虎峪一帶、霍山隆起西緣以及左權(quán)-襄垣一帶最低，為450~ 480℃。

3.2煤系泥巖

沁水盆地山西組煤系泥巖的Ro值大部分在1.6%~3.0%，處于高成熟-過(guò)成熟階段，總體上Ro呈現(xiàn)出“南部與東北部高值(東北部陽(yáng)泉最高可達(dá)2.76%、南部陽(yáng)城-晉城大于3.0%)、盆地中心高、兩翼低”的特點(diǎn)。tmax值范圍為447~550℃，平均約510℃，總體上是盆地邊緣比盆地中心低，南部地區(qū)和北部地區(qū)偏高，西北地區(qū)和霍山隆起西緣最低(約為450℃)。

沁水盆地太原組煤系泥巖大部分Ro分布在1.8%~4.0%，處于高成熟-過(guò)成熟階段?？傮w上Ro值呈南高北低、盆地中心高、兩翼低的特點(diǎn)，有2個(gè)高熱演化地區(qū)，分別是榆次-太谷-榆社一帶(Ro最高可達(dá)3.4%以上)、沁水-陽(yáng)城-晉城地區(qū)(Ro最高可達(dá)4%以上)。tmax值范圍在447~ 550℃，平均約503℃，總體上與山西組類(lèi)似，盆地邊緣比盆地中心低，南部地區(qū)和北部地區(qū)偏高，西北地區(qū)和霍山隆起西緣最低(為447℃)。

3.3煤系灰?guī)r

沁水盆地太原組灰?guī)rRo值為1.42%~2.57%，平均約1.96%，西北部小虎峪和交城地區(qū)、盆地東部邊緣和霍山隆起西緣Ro值最低，盆地中心和盆地的南部陽(yáng)城-晉城地區(qū)Ro值高，南部晉城、陽(yáng)城、高平一帶最高(可達(dá)2.6%)。tmax值為456~ 550℃，平均約504℃，屬于高成熟-過(guò)成熟階段。

3.4熱演化史

沁水盆地C-P煤系地層各井揭示的源巖(煤和泥巖)的Ro值與埋深之間存在正相關(guān)性，隨埋深的增加，煤系源巖Ro值相應(yīng)增大，tmax值也有增大趨勢(shì)。自進(jìn)入三疊紀(jì)后，沁水盆地不同地區(qū)煤系源巖由于埋深、地溫梯度、變質(zhì)作用等的變化，其Ro值各不相同，表現(xiàn)出不同地區(qū)煤系源巖的熱演化史存在差異[3,15]。埋藏史模式主要為“V”字形或“W”字形曲線(圖6)，不同地區(qū)埋藏史曲線具有一定的差異，并且太原組煤層在不同地區(qū)經(jīng)歷過(guò)不同的受熱溫度。

沁水盆地太原組煤層受熱演化史揭示出煤系地層經(jīng)歷的熱演化史大致可表現(xiàn)為4個(gè)階段(圖6)：(1)石炭紀(jì)-晚三疊世，緩慢增溫階段，地溫梯度正常，快速埋藏。(2)早侏羅世-中侏羅世，溫度波動(dòng)階段，埋深穩(wěn)定或波動(dòng)。(3)晚侏羅世-早白堊世，異常高地溫階段，燕山期巖漿活動(dòng)期，埋深顯著減小。(4)晚白堊世-至今，溫度降低階段，地?zé)崽荻日?，埋深減小或增大。

在地質(zhì)時(shí)期，沁水盆地石炭-二疊系煤系源巖Ro演化史具有不均衡性(圖6)。二疊紀(jì)末，整個(gè)盆地Ro為0.5%左右；三疊紀(jì)末，盆地內(nèi)Ro達(dá)到0.9%~1.9%；中生代末，沁水盆地不同地區(qū)Ro有差異，出現(xiàn)2個(gè)高值區(qū)(Ro>2.5%)；現(xiàn)今，Ro值呈現(xiàn)“南北高、兩翼低”的熱演化特點(diǎn)。沁水盆地C-P煤系源巖樣品的流體包裹體均一溫度分布有2組峰值區(qū)間，分別為100～150℃和180～220℃(圖7)，大致對(duì)應(yīng)地質(zhì)歷史時(shí)期的2次生排烴階段：三疊紀(jì)末-早侏羅世和晚侏羅世-早白堊世。

4烴(氣)源巖生烴潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

關(guān)于煤系氣源巖的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，前人已經(jīng)做過(guò)較多工作[16-24]。與一般的湖相和海相源巖相比[25-28]，煤系地層的有機(jī)碳含量普遍較高，煤巖和碳質(zhì)泥巖有機(jī)碳含量不是決定其生烴能力的主要指標(biāo)。如圖8所示，沁水盆地石炭-二疊系煤系源巖的氫指數(shù)(IH)、熱解生烴潛量(PG)、氯仿瀝青A和總烴含量(HC)明顯低于西北含煤盆地侏羅系煤系源巖，這種差異主要是其熱演化程度不同所致。

圖6　沁水盆地C-P煤層受熱及Ro演化史圖Fig.6　The thermal and Ro evolution history of C-P coal seam in the Qinshui basin

圖7　沁水盆地煤系源巖流體包裹體均一溫度分布直方圖Fig.7　The distribution histogram of the fluid inclusion homogenization temperature in the coal measures source rocks from the Qinshui basin

要評(píng)價(jià)沁水盆地煤系氣源巖的生烴能力，必須建立一套針對(duì)高演化煤系氣源巖的生烴潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。巖石熱解參數(shù)中生烴潛量與氫指數(shù)能夠較好地反映烴源巖的生烴能力，可以通過(guò)建立二者的對(duì)應(yīng)關(guān)系，結(jié)合實(shí)際情況劃分不同的生烴級(jí)別。如圖9所示，煤巖生烴潛量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))<10‰，并且氫指數(shù)<20‰的可視為非烴源巖；生烴潛量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為10‰~15‰，并且氫指數(shù)為20‰~30‰的煤可視為差烴源巖；生烴潛量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為15‰~20‰，并且氫指數(shù)為30‰~45‰的煤可視為中等烴源巖；生烴潛量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))>20‰，并且氫指數(shù)>45‰的煤可視為好烴源巖。

同理，泥巖生烴潛量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))<0.1‰，氫指數(shù)<5‰的可視為非烴源巖；生烴潛量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.1‰~0.5‰，氫指數(shù)為5‰~15‰的泥巖可視為差烴源巖；生烴潛量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.5‰~1.0‰，氫指數(shù)為15‰~20‰的泥巖可視為中等烴源巖；生烴潛量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))>1.0‰，氫指數(shù)>20‰的泥巖可視為好烴源巖。

南華北盆地是發(fā)育于中國(guó)東部的一個(gè)大型疊合盆地[29]，與沁水盆地類(lèi)似，盆地內(nèi)石炭-二疊系煤系烴源巖分布廣泛[30]。因此本文對(duì)這2個(gè)盆地的石炭-二疊系煤系烴源巖特征進(jìn)行對(duì)比。

2個(gè)盆地煤系地層煤巖有機(jī)質(zhì)豐度參數(shù)關(guān)系見(jiàn)圖10?？梢钥闯?，煤系地層煤巖的有機(jī)碳含量往往與氯仿瀝青A、生烴潛量、總烴含量及氫指數(shù)之間均具有一定正相關(guān)性。但對(duì)于這2個(gè)盆地而言，煤系地層煤巖有機(jī)碳含量與這幾個(gè)參數(shù)間的線性相關(guān)性具有一定差異。即在相同wTOC條件下，與南華北盆地相比，沁水盆地的氯仿瀝青A、生烴潛量、總烴含量及氫指數(shù)值約小一個(gè)數(shù)量級(jí)。如當(dāng)煤系地層煤巖的wTOC為70%時(shí)，對(duì)應(yīng)南華北盆地煤巖氯仿瀝青A值(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為1.2%左右，而沁水盆地煤巖的氯仿瀝青A值(質(zhì)量分?jǐn)?shù))約為0.045%；南華北盆地煤巖生烴潛量值(質(zhì)量分?jǐn)?shù))約為110‰，而沁水盆地煤巖的生烴潛量值(質(zhì)量分?jǐn)?shù))約為18‰；南華北盆地煤巖的總烴含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為2.7‰左右，而沁水盆地煤巖則為0.450‰左右；南華北盆地煤巖的氫指數(shù)約為140‰，而沁水盆地煤巖的氫指數(shù)約為12‰。

圖8　沁水盆地與西北地區(qū)部分盆地煤系源巖有機(jī)質(zhì)豐度參數(shù)關(guān)系圖Fig.8　Organic matter abundance parameter diagram of the coal measures source rocks in the Qinshui basin and the basins in the Northwest China

圖9　沁水盆地煤與泥巖熱解參數(shù)劃分生烴級(jí)別圖Fig.9　The hydrocarbon-generating degree figure divided using the pyrolysis parameters of coal and mudstone in the Qinshui basin

圖10　沁水盆地與南華北盆地石炭-二疊系煤巖有機(jī)質(zhì)豐度參數(shù)關(guān)系圖Fig.10　Organic matter abundance parameter diagram of the Permo-carboniferous coal rocks in Qinshui basin and Nanhuabei basin

圖11　沁水盆地與南華北盆地石炭-二疊系煤系泥巖有機(jī)質(zhì)豐度參數(shù)關(guān)系圖Fig.11　Organic matter abundance parameter diagram of the Permo-carboniferous coal measures mudstone in Qinshui basin and Nanhuabei basin

對(duì)于煤系泥巖(圖11)，兩個(gè)盆地測(cè)試樣品有機(jī)碳含量與氯仿瀝青A、生烴潛量、總烴含量及氫指數(shù)之間亦具有一定正相關(guān)性。同時(shí)可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)煤系泥巖的wTOC為7.5%時(shí)，對(duì)應(yīng)南華北盆地氯仿瀝青A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.15%左右，而沁水盆地煤系泥巖的氯仿瀝青A值的質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.002%，與南華北盆地相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。煤系泥巖wTOC為1%時(shí)，南華北盆地生烴潛量值(質(zhì)量分?jǐn)?shù))約為1‰，而沁水盆地煤系泥巖的生烴潛量值(質(zhì)量分?jǐn)?shù))約為0.5‰，約為南華北盆地的一半。當(dāng)煤系泥巖的wTOC為7.5%時(shí)，南華北盆地泥巖的總烴含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.11‰左右，而沁水盆地泥巖約為0.06‰，幾乎是南華北盆地的一半。當(dāng)煤系泥巖的wTOC為7.5%時(shí)，南華北盆地泥巖的氫指數(shù)約為30‰，而沁水盆地泥巖的氫指數(shù)約為5‰，二者相差一個(gè)數(shù)量級(jí)。

由此可見(jiàn)，評(píng)價(jià)沁水盆地石炭-二疊系煤系氣源巖的生烴潛力，不能簡(jiǎn)單套用前人的煤系源巖生烴潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。參考前人關(guān)于煤系氣源巖生烴潛力的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[16-24]：石油天然氣行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)(1995)、劉德漢等(1987)、黃第藩等(1990，1995)、陳建平等(1997)，并考慮到沁水盆地石炭-二疊系煤系氣源巖高熱演化程度，初步提出了沁水盆地煤系氣源巖的生烴潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表3、表4)。與前人的標(biāo)準(zhǔn)相比，非烴源巖-好烴源巖的氯仿瀝青A、總烴含量、氫指數(shù)、熱解生烴潛量等降低約一個(gè)數(shù)量級(jí)。

表3　沁水盆地煤系煤巖生烴潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

5有利生烴區(qū)評(píng)價(jià)

5.1煤巖

根據(jù)上述評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)沁水盆地煤巖進(jìn)行評(píng)價(jià)。山西組煤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)大部分都高于70%，盆地中央比兩翼含量稍高；氯仿瀝青A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以盆地西翼最高，霍山及文水-交城以西最高(>2.5%)，其次是東部(最大超過(guò)0.1%)，盆地中央及南部含量低；生烴潛量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))西部地區(qū)最高超過(guò)100‰，東部最大值為80‰，盆地中央及南部陽(yáng)城-晉城地區(qū)只有不到5‰。綜合研究認(rèn)為，沁水盆地山西組煤巖總體上是中等-好烴源巖。單從有機(jī)質(zhì)豐度來(lái)看，以盆地兩翼為好，中部和南部為中等-差烴源巖。

沁水盆地太原組煤有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%~80%，盆地中央比盆地邊緣偏低；氯仿瀝青A質(zhì)量分?jǐn)?shù)在西部最高可達(dá)2.5%，南部地區(qū)只有不到0.05%，中部地區(qū)更低，只有0.01%左右；生烴潛量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))南部與中部地區(qū)只有不到5‰，東部地區(qū)最大可達(dá)80‰，西部交城-文水-霍山一線以西可達(dá)120‰~160‰。綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為，太原組煤巖總體上為中等-好烴源巖，兩翼大部分為好烴源巖，沁縣-祁縣-榆次-榆社一帶以及南部地區(qū)為差-中等烴源巖。

5.2煤系泥巖

沁水盆地山西組泥巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)盆地中央相對(duì)周邊高，中北部最高超過(guò)4.5%，中南部為2.0%~2.5%，盆地周緣含量較低；氯仿瀝青A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)在中北部與南部晉城-陽(yáng)城地區(qū)含量低，一般小于0.005%，東部地區(qū)>0.1%，盆地西翼一般為0.05%~0.1%；生烴潛量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))表現(xiàn)為盆地南部<10‰，東部與中部地區(qū)一般低于20‰,而盆地西部地區(qū)含量最高超過(guò)50‰。綜合分析認(rèn)為，沁水盆地山西組泥巖總體上為中等偏差的烴源巖，只有西部部分地區(qū)為好烴源巖，盆地中部地區(qū)烴源巖生烴潛力比兩翼差。

沁水盆地太原組泥巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)：中北部大部分地區(qū)>3%，中南部地區(qū)稍低于中北部地區(qū)(一般為2.0%~2.5%)，盆地周緣比盆地中心低；氯仿瀝青A的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：西部地區(qū)最高(一般為0.05%~0.1%)，中部地區(qū)與南部地區(qū)<0.005%，東部地區(qū)一般為0.05%~0.1%；熱解生烴潛量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))：中部、南部以及東北部陽(yáng)泉地區(qū)<10‰，東部地區(qū)一般為10‰~20‰，西部地區(qū)最高，主要分布在50‰~100‰。綜合分析認(rèn)為，沁水盆地太原組泥巖總體上為中等偏差的烴源巖，西部局部地區(qū)為好烴源巖，盆地邊緣比盆地中央生烴潛力稍大一些。

6結(jié) 論

a.沁水盆地石炭-二疊系煤系地層烴源巖包括煤巖、泥巖及灰?guī)r。沁水盆地山西組和太原組煤巖樣品顯微組分以鏡質(zhì)組為主，其次為惰質(zhì)組，穩(wěn)定組分(殼質(zhì)組+腐泥組)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般低于11.2%，干酪根H/C原子比主要集中在0.20~0.85，O/C原子比主要集中在0.02~0.10，屬高演化的Ⅲ型有機(jī)質(zhì)；煤巖的碳同位素普遍偏重，為-23‰～-25.6‰；瀝青“A”中，飽和烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大多數(shù)<25%，芳烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為11%～58%，飽/芳比值比較低，一般小于0.4。煤系泥巖顯微組分均以鏡質(zhì)組為主，其次是惰質(zhì)組，殼質(zhì)組較低；H/C原子比主要集中在0.25~0.75，O/C原子比主要集中在0.03~0.20，屬高演化的Ⅲ型有機(jī)質(zhì)，小部分屬于Ⅱ2型有機(jī)質(zhì)；煤系泥巖的碳同位素偏重，為-23.5‰～-25.9‰，飽和烴的質(zhì)量分?jǐn)?shù)<25%，大部分<20%。太原組灰?guī)r以Ⅱ2型干酪根為主，碳同位素輕于山西組及太原組煤巖及泥巖，主要分布在-26.0‰～-30.0‰。

b.該地區(qū)煤系地層熱演化史大致經(jīng)歷了4個(gè)階段：(1)石炭紀(jì)-晚三疊世，緩慢增溫階段，地溫梯度正常，快速埋藏。(2)早侏羅世-中侏羅世，溫度波動(dòng)階段，埋深穩(wěn)定或波動(dòng)。(3)晚侏羅世-早白堊世，異常高地溫階段，燕山期巖漿活動(dòng)期，埋深顯著減小。(4)晚白堊世至今，溫度降低階段，地?zé)崽荻日?，埋深減小或增大。

c.沁水盆地山西組煤巖總體上是中等-好烴源巖，以盆地兩翼為好，中部和南部為中等-差烴源巖；太原組煤巖總體上為中等-好烴源巖，兩翼大部分為好烴源巖，沁縣-祁縣-榆次-榆社一帶以及南部地區(qū)為差-中等烴源巖；山西組泥巖總體上為中等偏差的烴源巖，只有西部部分地區(qū)為好烴源巖，盆地中部地區(qū)烴源巖生烴潛力比兩翼差；太原組泥巖總體上為中等偏差的烴源巖，西部局部地區(qū)為好烴源巖，盆地邊緣比盆地中央生烴潛力稍大一些。

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Hydrocarbon source rock characteristics and favorable hydrocarbon-generating area evaluation of Carboniferous-Permian coal measures strata in Qinshui basin, Shanxi, China

YIN Shuai1,2,3, DING Wen-long1,2,3, HU Qiu-jia4, LIU Jian-jun5,MEI Yong-gui6, LIU Zhong6

1.School of Energy Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;2.Key Laboratory for Marine Reservoir Evolution and Hydrocarbon Abundance Mechanism,Ministry of Education, China University of Geosciences, Beijing 100083,China;3.Key Laboratory for Shale Gas Exploitation and Assessment, Ministry of Land and Resources,China University of Geosciences, Beijing 100083,China;4.Changzhi from North China, Huabei Oilfield Branch of Coalbed Methane Exploration and Development, Changzhi 046000, China;5.Research Institute of Petroleum Exploration and Development of Huabei Oilfield Lit.,PetroChina, Renqiu 062552, China;6.Shanxi CBM Exploration and Development Branch, PetroChina, Jincheng 048000, China

Abstract:The hydrocarbon source rocks of the Carboniferous-Permian coal measures strata in Qinshui basin contain coal rock, mudstone and limestone. This paper analyzes and summarizes a large amount of the organic geochemical characteristic data about hydrocarbon source rocks. The result shows that the maceral composition of the coal rock samples of Lower Carboniferous Shanxi Group and Upper Permian Taiyuan Group in the Qinshui basin mainly contains vitrinite, followed by the inertinite, and the content of stable components (exinite + sapropel group) is low, generally <1.2%; H/C atomic ratio of kerogen is mainly 0.20~0.85, and O/C atomic ratio of kerogen is mainly 0.02~0.10, belonging to the high evolution stage Ⅲ type organic matter; the carbon isotope of the coal rock is common heavy, and the distribution range is -23‰～-25.6‰; the content of the saturated hydrocarbon of bitumen “A” is commonly <25%, and that of the aromatics hydrocarbon is higher, the range is 11%~58%, the saturated hydrocarbon/ aromatics hydrocarbon is generally <0.4. The maceral composition of the mudstone in the coal measures strata mainly contain vitrinite, followed by the inertinite, and the content of exinite is low; H/C atomic ratio of kerogen is 0.25~0.75, and O/C atomic ratio of kerogen is 0.03~0.20, belonging to the high evolution stage Ⅲ type organic matter, and a little belonging to the Ⅱ type organic matter; the carbon isotope of the coal rock is common heavy, and the distribution range is -23.5‰～-25.9‰; the content of the saturated hydrocarbon is <25%, commonly less than 20%. The Taiyuan Group limestone mainly contains Ⅱ2 type kerogen, and the carbon isotope is lighter than the coal rock and the mudstone of Shanxi Group and Taiyuan Group, ranging in -26‰～-30‰. Finally, the paper evaluates the favorable hydrocarbon-generating areas of the hydrocarbon source rock strata of the coal measures strata in the Qinshui basin and draws the hydrocarbon-generating potential evaluation standard suitable for the coal rock and the mudstone of this area. The result shows that the coal rock of Shanxi Group in the Qinshui basin is medium-good hydrocarbon source rock in general. If only from the point of view of the organic matter abundance, the hydrocarbon source rocks in the two wings of the basin are good, that in the central and southern parts are medium-poor; the coal rock in Taiyuan Group is generally medium-good hydrocarbon source rock, the hydrocarbon source rocks in the two wings of the basin are mostly good, in the area of Qinxian-Qixian-Yuci-Yushe and the southern area, there are poor-medium hydrocarbon source rocks; the mudstone of Shanxi Group in the Qinshui basin is medium-poor hydrocarbon source rock, only that in part of the area in the west is good hydrocarbon source rock, the hydrocarbon potential in the middle area of the basin is poorer than that in the two wings; the mudstone in Taiyuan Group is middle-poor hydrocarbon source rock, the local area in the west is good hydrocarbon source rock, the hydrocarbon-generating potential on the edge of the basin is larger than that in the central area of the basin.

Key words:Qinshui basin; coal measures strata; Shanxi Group; Taiyuan Group; hydrocarbon source rock; hydrocarbon-generating; evaluation

[文獻(xiàn)標(biāo)志碼][分類(lèi)號(hào)] TE122.112 A

[通信作者]丁文龍(1965-)，男，教授，博士生導(dǎo)師，從事石油構(gòu)造分析與控油作用、非常規(guī)油氣構(gòu)造和裂縫及其與含氣量關(guān)系等方面的教學(xué)與科研工作, E-mail:dingwenlong2006@126.com。

[基金項(xiàng)目]國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41372139, 41072098)；國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)專(zhuān)題(2011ZX05018-001-002, 2011ZX05009-002-205, 2011ZX05033-004)。

[收稿日期]2014-12-24。

[文章編號(hào)]1671-9727(2016)02-0163-14

DOI:10.3969/j.issn.1671-9727.2016.02.03

[第一作者] 尹帥(1989-)，男，博士研究生，研究方向：石油構(gòu)造分析與控油作用、非常規(guī)油氣構(gòu)造和裂縫及其與含氣量關(guān)系, E-mail:speedysys@163.com。