引用本文
韩明辉, 杨雪, 李凯. 黔西北威宁地区龙街向斜祥摆组受热-生烃演化史及气体成因[J]. 录井工程, 2023,34(3): 119-126.
HAN Minghui, YANG Xue, LI Kai. Thermal-hydrocarbon generation evolution history and gas origin in Xiangbai Formation of Longjie syncline in Weining area, northwestern Guizhou[J]. Mud Logging Engineering, 2023,34(3): 119-126.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2023.03.019  
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黔西北威宁地区龙街向斜祥摆组受热-生烃演化史及气体成因
韩明辉①,②, 杨雪①,③, 李凯①,④
①贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心
②贵州省煤田地质局水源队
③贵州省煤田地质局一一三队
④贵州省煤田地质局一五九队

作者简介：韩明辉 工程师,1991 年生,2014 年毕业于中国矿业大学地质工程专业,现在贵州省煤层气页岩气工程技术研究中心从事煤层气、煤系气地质研究工作。通信地址：550008 贵州省贵阳市白云区沙文镇沙文地质科技园。电话：（0851）84808551。E-mail：648026461@qq.com

收稿日期: 2023-05-18
基金: 贵州省地质勘查基金项目“贵州省西部煤系气调查评价”（编号：2018-01 号）; 贵州省科技计划项目“六盘水地区煤层气水平井抽采关键技术研究”（编号：黔科合支撑[2020]2Y028 号）; 贵州省科技计划项目“贵州省煤层气（煤矿瓦斯）抽采提产增效关键技术及工程试验”（编号：黔科合战略找矿[2022]ZD001）
摘要

为揭示黔西北威宁地区下石炭统祥摆组煤系地层受热-生烃演化过程和气体成因类型,综合利用镜质体反射率、流体包裹体测温、甲烷碳氢同位素测试、测井井温等测试数据,对该地区龙街向斜祥摆组进行了埋藏史、受热演化史、成熟生烃史和气体成因类型分析的研究。结果表明：龙街向斜祥摆组自早石炭世沉积以来,经历了多期构造运动,最大剥蚀厚度达3 300 m;埋藏史演化过程整体为先沉降再抬升,埋深最深可达4 058 m,地层最高受热温度为中二叠世末期的227℃;烃源岩成熟生烃过程经历了5个阶段,依次为原生生物成因气、早期热成因气、高成熟生湿气、过成熟生干气和生烃枯竭;煤系气发生散失时间为早二叠世末期,中二叠世至晚二叠世煤系气大量富集,煤系气气体成因类型为热成因气。研究成果对揭示区内构造演化、煤系气成藏富集过程及勘查开发具有重要现实意义。

关键词: 龙街向斜; 祥摆组; 煤系气; 受热演化史; 气体成因
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Thermal-hydrocarbon generation evolution history and gas origin in Xiangbai Formation of Longjie syncline in Weining area, northwestern Guizhou
HAN Minghui①,②, YANG Xue①,③, LI Kai①,④
①Guizhou Research Center of Shale Gas and CBM Engineering Technology,Guiyang,Guizhou 550008,China
②Water Exploration Team, Guizhou Bureau of Coal Geology,Guiyang,Guizhou 550008,China
③No.113 Exploration Team, Guizhou Bureau of Coal Geology,Guiyang,Guizhou 550008,China
④No.159 Exploration Team, Guizhou Bureau of Coal Geology,Guiyang,Guizhou 550008,China
Abstract

To reveal the thermal -hydrocarbon generation evolution process and gas genetic types of coal-bearing strata of the Lower Carboniferous Xiangbai Formation in Weining area of northwestern Guizhou, by comprehensively utilizing test data such as vitrinite reflectance, fluid inclusion temperature measurement, methane carbon and hydrogen isotope analysis, and well logging temperature, a study was conducted on buried history, thermal evolution history, mature hydrocarbon generation history, and gas genetic types of the Longjie syncline Xiangbai Formation in the area. Since the Early Carboniferous sedimentation, the Longjie syncline Xiangbai Formation has undergone multi -period tectonic movement, with a maximum denudation thickness of 3 300 m. The overall evolution process of buried history is subsidence followed by uplift, with a maximum burial depth of 4 058 m. The highest heating temperature of the formation was 227℃ at the end of the Middle Permian. The mature hydrocarbon generation process of source rocks has gone through five stages, namely, primary biogenic gas, early thermogenic gas, high mature wet gas, post mature dry gas and hydrocarbon depletion. The dissipation of coal measure gas occurred at the end of Early Permian, and a large amount of coal measure gas was enriched from the Middle Permian to the Late Permian. The genetic type of coal measure gas is thermogenic gas.The research results are of great practical significance to reveal the structural evolution, coal measure gas accumulation and enrichment process and exploration and development in the area.

Keyword: Longjie syncline; Xiangbai Formation; coal measure gas; thermal evolution history; gas origin
0 引言

研究煤系地层的埋藏史、受热史和演化史对揭示煤系烃源岩的受热、生烃及油气运移都具有非常重要的作用, 可为煤系气的成因类型、成藏特征研究提供理论依据。国内外学者通过地层剥蚀厚度计算、裂变径迹分析、流体包裹体测温等方法, 结合盆地数值模拟软件, 在多个含煤盆地重建了烃源岩的“ 三史” （埋藏史、受热演化史、成熟生烃史）演化过程[1, 2, 3, 4, 5], 有效揭示了含煤盆地生烃富集成藏过程, 为煤系气资源勘探开发提供了重要依据。

黔西北威宁地区祥摆组是贵州以海相煤系沉积地层为目标的煤系气勘探开发重要层系之一[6]。近年来, 通过开展该研究区内祥摆组煤质特征与成煤环境、储层特征与含气性评价、有利层段优选以及孔隙特征等方面研究[7, 8, 9, 10], 该层系的储层评价与有利层段优选取得了诸多进展, 但由于对区内的烃源岩“ 三史” 及气体成因类型等鲜有研究, 制约了对黔西北威宁地区祥摆组煤系气形成与成因的认识。因此, 本文基于区域地质背景, 以LC-1井为例, 采用盆地模拟技术, 恢复区内石炭系祥摆组的埋藏史、受热演化史和成熟生烃史, 根据气体甲烷碳氢同位素判识煤系气的气体成因类型。研究成果对揭示区内构造演化、煤系气成藏富集过程及勘查开发具有重要现实意义。

1 地质概况
1.1 地质背景

威宁地区地处贵州省西部, 行政区属贵州省毕节市管辖, 西与云南省昭通市接壤。研究区龙街向斜位于上扬子陆块威宁隆起区四级构造单元, 东部与六盘水裂陷槽四级构造单元相邻, 整体为一向斜构造, 向斜轴走向为南北向, 向斜内断层不发育, 构造相对简单（图1）。

图1 威宁地区构造图

区域出露的地层由老至新分别为中上寒武统、下奥陶统、中志留统、泥盆系、石炭系、二叠系、三叠系、古近系及第四系。其中, 石炭系在区内分布最为广泛, 其次为二叠系, 且除沉积岩外, 区域内发育有晚二叠世火山喷发岩。LC-1井钻遇地层岩性如图2所示。区内石炭系主要含煤地层为下石炭统祥摆组, 厚170~316 m, 平均246 m, 主要岩性为灰黑色-黑色薄层页岩、灰色粉砂岩, 夹3~5层煤。

图2 LC-1井综合柱状图

1.2 地质演化

早泥盆世晚期, 受广西运动影响, 垭紫罗断裂带区域开始接受海侵, 中泥盆世晚期伸展作用增强, 形成了六盘水裂陷槽的雏形[11]; 进入石炭纪, 伸展作用继续增强, 海侵扩大, 研究区域持续接受沉积; 中二叠世晚期, 受东吴运动影响, 大规模玄武岩喷发, 区域性隆升使区内地层受到一定剥蚀; 早-中三叠世伸展作用减弱, 演化为广海沉积[12]; 晚三叠世受印支运动影响, 六盘水裂陷槽进入封闭、翻转阶段; 白垩纪之后, 燕山运动使研究区停止沉积, 并造成之前沉积的地层大量剥蚀; 古新世至更新世, 受喜马拉雅运动影响, 地壳持续抬升, 区内地层继续遭受剥蚀, 仅在古近纪和第四纪接受少量沉积。

2 采样测试与模拟方法
2.1 样品采集

为明确研究区祥摆组煤系气成藏演化和气体成因类型, 在LC-1井中采集祥摆组泥岩的流体包裹体和煤系气解吸气体的气样, 开展流体包裹体均一温度测试和气体碳氢同位素实验, 恢复地层剥蚀厚度, 重建祥摆组煤系地层烃源岩的“ 三史” 过程。

2.2 实验和模拟方法

2.2.1 流体包裹体均一温度测试

流体包裹体的均一温度测试是一种常用的油气测试手段, 其测试结果可反映出流体被捕捉时的古地温, 进而研究受热演化史, 推断油气成藏期次与充注的时间。实验所选取的流体包裹体为界限清晰的盐水包裹体。测试方法为, 在室温22℃、湿度30%条件下利用Linkam THMSG 600型冷热台将样品升温至地层温度, 之后将样品温度按照6℃/min的速率加热直至流体包裹体的气泡剧烈摇晃, 接着按0.1℃/min的速率继续提升温度, 将流体包裹体气泡完全消失的温度记录下来, 最后降温, 当流体包裹体气泡再次出现时, 继续重复之前的步骤, 最终取平均值。

2.2.2 地层剥蚀厚度恢复方法

目前, 应用较广泛的地层剥蚀厚度恢复方法有泥岩声波时差法、镜质体反射率法、流体包裹体法、磷灰石裂变径迹法、地层对比法、数值模拟反演法等[13]。由于LC-1井泥岩在各层位分布有限, 镜质体反射率（Ro）采样深度集中, 常用的泥岩声波时差法和镜质体反射率法应用效果不好, 本文采用Easy%Ro反演方法恢复该区地层剥蚀厚度。

2.2.3 地质演化史模拟恢复方法

将LC-1井作为研究对象, 利用PetroMod 1D盆地模拟软件, 恢复祥摆组煤系地层烃源岩的埋藏史、受热演化史和成熟生烃史。模拟恢复过程操作如下：

（1）根据区域地质资料、钻井岩心编录、岩心测试数据等确定各地层沉积时间、沉积厚度、剥蚀时间、剥蚀厚度、岩性以及烃源岩地球化学指标等基本地质参数。

（2）设置古水深、古地表温度、古热流值等边界条件, 根据各时期沉积环境设置古水深, 本文取0 m, 根据研究区纬度在上述软件中自动生成各时期古地表温度, 参考前人在周边地热史的研究设置各时期古热流值。

（3）以LC-1井测井井温和镜质体反射率为校准数据, 通过调整剥蚀厚度、古热流值等参数, 利用生烃动力学模型, 使得模拟结果与实际数据相匹配, 反演得到基础地质参数和边界条件, 重建烃源岩的埋藏史、受热演化史和成熟生烃史。

2.2.4 甲烷碳氢同位素组成测试

甲烷碳氢同位素是判别天然气成因类型最有效的指标之一。本文采集了LC-1井煤系地层岩心解吸气18组, 利用排水集气法采集气样。甲烷碳氢同位素测试是以氦气（纯度> 99.99%）为载气, 氧化反应温度920℃。甲烷碳同位素测试结果采用PDB国际标准, 甲烷氢同位素测试结果采用SMOW国际标准。

3 关键参数与模拟结果
3.1 关键参数

3.1.1 剥蚀厚度恢复

Easy%Ro是应用广泛的化学反应模型, 在PetroMod 1D软件中建立地质演化模型, 通过设置古地表温度和古热流值等边界条件计算生烃动力学过程并模拟Ro值[14]。通过反复修改地层剥蚀量和古热流值, 使得模拟Ro值与实测Ro值吻合最好（图3）, 此时, 反演得出的剥蚀量即为Easy%Ro法恢复得出的地层剥蚀量。

图3 LC-1井镜质体反射率和地层温度的模拟结果与实测对比图

根据区域地质资料, 东吴运动和燕山运动以来的构造运动造成了威宁地区的多次地层剥蚀。东吴运动是峨眉山地幔柱上升所造成的地壳快速差异抬升, 茅口组遭受剥蚀。翻阅前人文献, LC-1井所在地区未有确切的茅口组剥蚀厚度, 四川盆地及周缘茅口组剥蚀厚度为140~200 m[15], 本文按200 m进行模拟。燕山运动及喜马拉雅运动使得研究区遭受强烈的变形、抬升和剥蚀, 按照前文所述Easy%Ro反演方法计算得到的燕山期和喜马拉雅期构造运动地层剥蚀厚度约为3 300 m。

3.1.2 流体包裹体测温

从祥摆组泥岩中多个流体包裹体的显微照片中可以看出, 流体包裹体发育于碎屑石英颗粒边部, 均呈灰白色或无色透明状、椭圆形或不规则形离散分布的气液两相盐水包裹体（图4）。对流体包裹体显微测温显示, 均一温度处于98.2~122.5℃之间（表1）, 集中分布在100~110℃范围内（图5）, 推断气体为一期成藏。

图4 石英包裹体照片

表1 石英包裹体测温数据

图5 流体包裹体均一温度分布直方图

3.2 “ 三史” 模拟结果

3.2.1 埋藏史

祥摆组煤系地层自早石炭世沉积以来, 埋藏史主要分为4个阶段（图6）。

图6 埋藏史演化图
C-石炭纪: C1-早石炭世; C2-晚石炭世; P-二叠纪; P1-早二叠世; P2-中二叠世; P3-晚二叠世; T1-三叠纪; T1-早三叠世; T2-中三叠世; T3-晚三叠世; J-侏罗纪: J1-早侏罗世; J2-中侏罗世; J3-晚侏罗世; K-白垩纪; K1-早白垩世; K2- 晚白垩世; E-古近纪; E1-早古近世; E2-中古近世; E3-晚古近世; N- 新近纪; N1-早新近世; Q-第四系; C1s-下石炭统上司组; C1j- 下石炭统旧司组; C1xb-下石炭统祥摆组; C1t- 下石炭统汤粑沟组

（1）自早石炭世至中二叠世早期（约349~269 Ma）, 祥摆组沉积后, 受广西运动影响, 六盘水裂陷槽持续伸展, 不断接受沉积, 沉降至埋深2 059 m。

（2）自中二叠世早期至中二叠世晚期（约269~261 Ma）, 受东吴运动影响, 六盘水裂陷槽强烈伸展进入陆内裂谷阶段, 区域整体隆升, 茅口组受到剥蚀, 剥蚀厚度约200 m。

（3）自中二叠世晚期至侏罗纪末期（约261~145 Ma）, 受印支运动影响, 地层持续沉积至埋深4 058 m。

（4）自侏罗纪末期至今（约145~0 Ma）, 受燕山运动和喜马拉雅运动影响, 地层发生大量抬升和剥蚀, 仅在古近纪和第四纪接受少量沉积, 祥摆组在此期间不断抬升, 埋藏深度变浅至现今的769 m。

3.2.2 受热演化史

由图7可见, 祥摆组地层受热演化史经历了两次先升温后降温的过程。早石炭世至早二叠世末期, 主要热源为深成变质作用, 受热温度由40℃升温至96℃; 早二叠世末期至晚二叠世早期, 研究区处于峨眉山地幔柱活动影响范围的中带内, 受地幔柱影响, 最大热流值接近100 mW/m2[16], 地层受热温度迅速上升至227℃; 晚二叠世早期至侏罗纪末期, 地幔柱作用减弱, 地层迅速降温至135℃; 侏罗纪末期至早白垩世末期, 研究区受区域岩浆作用, 在早白垩世中期达到最高古热流75 mW/m2, 地层温度升高至176℃[17]; 早白垩世末期至今, 地层抬升降温, 受热温度下降至现今的22℃。

图7 受热史演化图

3.2.3 成熟生烃史

通过PetroMod 1D盆地模拟软件模拟成熟生烃史, 祥摆组烃源岩成熟生烃演化过程可划分为5个阶段（图7）。第一阶段为早石炭世早期至早石炭世晚期（约349~320 Ma）, 祥摆组镜质体反射率受深成变质作用演化至0.5%, 处于未成熟阶段, 以原生生物成因气为主; 第二阶段为早石炭世晚期至中二叠世中期（约320~267 Ma）, 镜质体反射率继续受热升高至1.2%, 进入早期热成因气阶段, 生成大量湿气和早期热成因气; 第三阶段处于中二叠世期间内（约267~260 Ma）, 镜质体反射率受地幔柱影响快速升温受热演化至2.0%, 进入高成熟生湿气阶段, 生成最大量热成因甲烷气, 也是大量湿气生成的最后阶段; 第四阶段为中二叠世至晚二叠世末期（约260~252 Ma）, 镜质体反射率继续受地幔柱影响快速升温受热演化至接近3.2%, 进入过成熟生干气阶段, 甲烷生成量相对减少; 第五阶段为晚二叠世末期至今（约252~0 Ma）, 镜质体反射率不再升高, 进入生烃枯竭期, 经历了生成大量热成因甲烷的最后阶段[18]。

将前文中的流体包裹体测温数据投影至埋藏史演化图中（图6）, 早二叠世末期, 煤系气发生初次运移并被泥岩中流体包裹体捕获, 中二叠世至晚二叠世煤系气大量富集。

4 气体成因讨论

由前文的“ 三史” 模拟结果分析可以推测, 祥摆组在未成熟阶段以原生生物成因气为主, 但此时烃源岩埋深浅、温度低、储层压力小且孔隙不发育, 生成的原生生物成因气难以保存, 在早期热成因气阶段, 埋深、储层压力不断增大且孔隙发育, 此阶段生成的早期热成因气因运移散失, 流体包裹体均一温度测试结果也显示发生运移时间为此阶段。在高成熟生湿气阶段和过成熟生干气阶段, 有机质发生裂解反应生成大量热成因气。

在判识煤系天然气的成因中, 甲烷碳氢同位素是最有效的重要指标之一[19]。通过对LC-1井气样的甲烷碳氢同位素进行统计分析可知, 甲烷δ 13C1分布于-44.0‰ ~-32.4‰ , 平均-37.5‰ 。δ D（氢同位素）分布于-159.5‰ ~-107.7‰ , 平均-137.1‰ 。生物成因和热成因可通过甲烷δ 13C1以-55‰ 为界限进行划分, 则LC-1井气样甲烷δ 13C1均大于此界限, 与Whiticar图板结果相符合（图8a）, 均为热成因气。热成因气又可通过甲烷δ 13C1值以-40‰ 为界分为热降解气和热裂解气, 甲烷δ 13C1值小于-40‰ 时, 热演化程度相对低, 以热降解气为主, 甲烷δ 13C1值大于-40‰ 时, 热演化程度相对高, 以热裂解气为主。LC-1井的甲烷δ 13C1值多数大于-40‰ , 以高热演化程度的热裂解气为主。

图8 龙街向斜煤系气成因判识图板

根据Bernard图板, 对于测试数据中C1/C2+为无限大的点取100 000进行处理[20], 判识指数均落在热成因气区内, 大部分落在扩散、运移范围内（图8b）。总体呈现极高的干燥度和较重的甲烷碳同位素, 重烃组分极低以至于达不到测试设备的检测最低限值, 说明已经达到了热裂解晚期。

5 结论

（1）龙街向斜祥摆组地层剥蚀厚度总体受东吴运动与燕山运动以来的构造运动影响, 茅口组在中二叠世末期受东吴运动影响剥蚀厚度约200 m, 燕山期及以后的构造运动地层剥蚀厚度约3 300 m。

（2）埋藏史总体为先沉降后抬升, 最大埋深为晚侏罗世末期的4 058 m。煤层受热演化史表现为两次先升温后降温, 中二叠世末期受峨眉山地幔柱影响最大受热温度为227℃, 现今地温为22℃。成熟生烃史可划分为5个阶段, 依次为原生生物成因气阶段（约349~320 Ma）, 早期热成因阶段（约320~267 Ma）, 高成熟生湿气阶段（约267~260 Ma）, 过成熟生干气阶段（约260~252 Ma）, 生烃枯竭阶段（约252~0 Ma）。中二叠世至晚二叠世煤系气大量富集。

（3）烃源岩变质程度高, 气体干燥度极高, 甲烷碳同位素较重, 气体成因类型为热成因气, 且已进入热裂解晚期。

（编辑 王丙寅）

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