川東南涪陵地區涼高山組湖相頁巖生烴潛力評價

李 斌 ，吉 鑫，彭 軍，張 昆，魏祥峰

1.西南石油大學地球科學與技術學院，四川 成都 610500；2.油氣藏地質及開發工程全國重點實驗室·西南石油大學，四川 成都 610500；3.中國石化勘探分公司，四川 成都 610041

引言

陸相頁巖油作為中國非常規油氣的重要接替領域已經受到廣泛關注[1-3]。近年來，隨著涪陵地區泰頁1 井、平安1 井等探井在四川盆地涼高山組頁巖中獲得高產油氣流，揭開了四川盆地陸相頁巖油勘探開發的序幕[4]。前人對川東南涪陵地區涼高山組的沉積特征、構造特征等進行了研究，發現其發育三角洲－湖泊沉積環境并且區域構造穩定[2-5]，但受勘探程度的影響，對涼高山組不同沉積環境頁巖的有機地化特征及生烴潛力還認識不清，制約了對涼高山組頁巖的資源評價。

本文以油氣地球化學和成藏動力學理論為指導，借助數值模擬手段，開展涼高山組湖相烴源巖地化特征和熱演化“四史”關系研究，查明川東南地區涼高山組陸相頁巖的生排烴特征和資源潛力，為該區陸相頁巖油氣的勘探開發提供指導。

1 區域地質概況

涪陵地區位于川東褶皺帶萬縣復向斜帶拔山寺向斜，西鄰大池干復背斜、東鄰方斗山復背斜，構造呈北東向延伸（圖1）。涼高山組自上而下劃分為涼三段、涼二段和涼一段3 個亞段，主要由灰黑色泥巖、灰色泥巖和泥質粉砂巖組成，并夾有砂巖及泥灰巖等韻律層，是涪陵地區頁巖油形成及聚集的主力層段（圖2）。

圖1 川東南涪陵地區位置及區域地質構造圖Fig.1 Location and regional geological structure of Fuling Area,southeastern Sichuan

圖2 川東南涪陵地區涼高山組地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of Lianggaoshan Formation in Fuling Area,southeastern Sichuan

涼高山組頁巖廣泛分布在半深湖及淺湖沉積環境（圖3），縱向上烴源巖層系主要分布于涼高山組二段和涼高山組一段[2-5]。其中，涼二下亞期和涼一上亞期，盆地內各凹陷相對穩定，后期破壞較少，廣泛分布了優質泥頁巖。

圖3 涪陵地區涼二下段 涼一上段沉積相圖Fig.3 Sedimentary facies of the Lower Member of Liang 2 to the Upper Member of Liang 1 in Fuling Area

2 烴源巖有機地化特征

區域研究顯示，川東南涪陵地區中侏羅統涼高山組為三角洲－湖泊沉積環境，發育灰黑色泥頁巖烴源巖，具有良好的生烴條件[6]，涼高山組有效烴源巖厚度為30～70 m，多口探井在涼高山組頁巖段均具有較好的油氣顯示。

2.1 有機質豐度

烴源巖的有機質是形成油氣的物質基礎，其在巖石中的含量決定了巖石的生烴能力，通常采用總有機碳含量（ITOC）、氯仿瀝青“A”及巖石熱解生烴潛量作為有機質豐度的評價參數[7-8]。

2.1.1 總有機碳含量

總有機碳含量指存在于有機質中的碳占巖石質量的百分比。涪陵地區9 口鉆井168 個涼高山組樣品分析顯示，總有機碳含量在0.05%～3.58%，平均1.11%?？v向上，涼二段下亞段巖芯總有機碳含量最高，在0.32%～3.58%，平均1.57%；涼一段上亞段次之，總有機碳含量在0.22%～1.94%，平均0.81%，其余層段總有機碳含量平均值均小于0.50%。對比表明，涼二段下亞段、涼一段上亞段總有機碳含量相對較高，有機質豐度較高（表1）。

表1 涪陵地區典型井不同層段、不同沉積相總有機碳含量對比Tab.1 TOC content of different layers and different sedimentary facies of typical wells in Fuling Area

2.1.2 氯仿瀝青“A”

氯仿瀝青“A”反映巖石中可溶有機質的含量，通常用占巖石質量的百分比來表示，中國中生代－新生代湖相主力烴源巖的氯仿瀝青“A”一般在0.100%以上[9]。對涪陵地區不同沉積環境的28 個頁巖樣品進行統計，發現涼高山組頁巖氯仿瀝青“A”值分布在0.008%～1.930%，其中，9 個濱湖相樣品的平均為0.120%，10 個淺湖相樣品的平均為0.230%，9 個半深湖相樣品的平均為0.680%，整體平均為0.340%，整體為良好烴源巖，且隨著水體變深，氯仿瀝青“A”的值逐漸增大（圖4）。

圖4 涼高山組實測氯仿瀝青“A”含量Fig.4 Content of chloroform asphalt “A” in Lianggaoshan Formation

巖石Rock-Eval 熱解儀分析得到的S1和S2分別為殘留烴和裂解烴，可以反映烴源巖有機質豐度[10]。從涪陵地區涼高山組30 個烴源巖樣品熱解結果（圖5）可以看出，10 個濱湖相頁巖樣品的巖石平均生烴潛量為3.32 mg/g，10 個淺湖相頁巖樣品的巖石平均生烴潛量為4.22 mg/g，而10 個半深湖相頁巖樣品的平均生烴潛量最大，為4.69 mg/g，整體來看，川東南涪陵地區涼高山組不同沉積環境頁巖生烴潛量的平均值為4.08 mg/g，為中等烴源巖。

圖5 涼高山組不同沉積環境頁巖生烴潛量直方圖Fig.5 Hydrocarbon generation potential of shale in different sedimentary environments of Lianggaoshan Formation

2.2 有機質類型

2.2.1 顯微組分

顯微組分特征是劃分有機質類型的重要依據。涪陵地區涼高山組頁巖有機質顯微組分以殼質組、鏡質組和惰質組為主。以涪陵地區TY1 井涼二段－涼一段的烴源巖樣品為例，鏡下顯示其有機質以鏡質組和惰質組為主，且存在少量固體瀝青。其中，鏡質組具有較清晰的木質結構，在顯微鏡下呈現板塊狀、不規則或規則的條帶狀，顏色大多為橙紅色至紅褐色，透明至半透明（圖6a，圖6b）；惰質組在顯微鏡透射光下為黑色不透明，呈現斷塊狀、碎片狀和卵圓狀（圖6c，圖6d）；殼質組在顯微鏡下呈現細長帶狀，外緣平滑，內緣呈鋸齒狀、波紋狀（圖6e，圖6f）。瀝青在顯微鏡下呈現多種狀態：有些礦物瀝青基質幾乎無熒光，有些則呈較弱熒光，有些固體瀝青沿巖石裂縫充填（圖6g，圖6h），礦物瀝青基質中見少量殼質組。

圖6 TY1 井涼二段一 涼一段頁巖巖芯及薄片顯微照片Fig.6 Microscopic photos of shale core and thin sheet of Liang 2 and Liang 1 Member of Well TY1

對涪陵地區涼高山組19 個頁巖樣品進行顯微組分定量分析，采用式（1）計算T值

式中：

T—T值，%；

A－腐泥組含量，%；

B－殼質組含量，%；

C—鏡質組含量，%；

D－惰質組含量，%。

這些樣品的T值見圖7，可以看出，涪陵地區涼高山組頁巖干酪根類型以II1型和II2型為主，少量I 型和III 型，表明沉積演化過程中存在多種類型生源母質的混合。其中，II1型和II2型干酪根主要來源于浮游生物（以浮游植物為主）和微生物的混合物，生油生氣潛力中等，主要發育在半深湖沉積環境，而III 型干酪根多發育在淺湖和濱湖環境中。

圖7 涼高山組頁巖干酪根T 值Fig.7 Kerogen T value of shale of Lianggaoshan Formation

2.2.2 巖石熱解

巖石熱解是判識烴源巖有機質類型的重要依據之一。通常烴源巖的熱演化程度越高，殘余干酪根的可降解碳就越少，P2峰值減小，且P2峰最高點對應的最大熱解峰溫（Tmax）越大，因此，最大熱解峰溫是良好的成熟度參數。此外，氫指數、氧指數與干酪根的元素組成也有重要關系，可以借助氫指數和最大熱解峰溫的交會圖、氫氧指數交會圖來劃分干酪根的類型。

對涪陵地區涼高山組62 個泥頁巖樣品的最大熱解峰溫、氫指數和氧指數進行測定，繪制最大熱解峰溫與氫指數交會圖及氫氧指數交會圖（圖8），可以看出，泥頁巖氫指數在39～246 mg/g，多數樣品分布在II1和II2型區間，少量在III 型分布區。

圖8 涼高山組頁巖最大熱解峰溫與氫指數交會圖及氫氧指數交會圖Fig.8 Intersection map of Tmax-IHI and hydrogen-oxygen index of shale of Lianggaoshan Formation

2.3 有機質成熟度

有機質成熟度是表征烴源巖中有機質經歷的熱演化程度，通常采用鏡質體反射率（Ro）表示[11-12]。對涪陵地區涼高山組27 個泥頁巖樣品的鏡質體反射率進行測定，鏡質體反射率分布于0.98%～1.46%，主要在1.22%～1.38%，平均1.32%，烴源巖大多處于成熟—高成熟演化階段（圖9）。

圖9 涼高山組頁巖實測鏡質體反射率值分布頻率Fig.9 Frequency distribution histogram of measured Ro value of shale of Lianggaoshan Formation

統計不同沉積環境的27 個泥頁巖樣品的鏡質體反射率發現，濱湖相泥頁巖的鏡質體反射率最低，平均值為1.15%，烴源巖處于成熟階段；淺湖相泥頁巖的鏡質體反射率略高于濱湖相，平均值為1.24%，處于成熟階段；而半深湖相泥頁巖的鏡質體反射率最高，平均值為1.39%，處于高成熟階段（圖10）。

圖10 涼高山組不同沉積環境頁巖實測鏡質體反射率Fig.10 Measured Ro values of shale of Lianggaoshan Formation in different sedimentary environments

3 生烴動力學模擬

生排烴過程恢復對準確認識烴源巖的熱演化史及評價生烴潛力有著重要意義[13-14]。學者通常采用物理模擬取得相應的排烴參數，但模擬存在時間長、費用高及模擬有效性不足等缺陷，而建立有效的動力學模型并開展動力學過程的數值模擬在行業內應用較為廣泛[15]。

3.1 初始有機碳恢復

由于巖石中的有機質經歷了漫長的演化歷史，原始的有機質豐度已無法確定，實測的有機碳含量實質上是殘余的有機碳含量。有學者認為，在高成熟階段，現今殘余有機碳含量可能只有原來的二分之一，所以要對殘余有機碳含量進行恢復從而得到初始總有機碳含量[15]。對烴源巖初始有機碳恢復的方法較多，通過干酪根類型進行估算是較為常用的手段[16]，當從成熟烴源巖樣品中測得氫指數和總有機碳含量值，初始總有機碳含量值就可以通過式（2）進行重構

式中：

ITOC0—初始總有機碳含量，%；

p—碳占所生成石油的比例，通常取83%；

IHI—氫指數，mg/g；

ITOC—實測總有機碳含量，%；

IHI0—初始氫指數，mg/g；

TR—轉化系數，%。

經過恢復后的涪陵地區6 口單井涼高山組頁巖初始總有機碳含量如表2 所示，可以看出，涪陵地區涼高山組初始總有機碳含量最低為1.71%，最高為2.47%，平均初始總有機碳含量為2.24%，表明該區涼高山組頁巖有機質豐度較高。涪陵地區涼高山組初始氫指數最低為135 mg/g，最高為241 mg/g，平均初始氫指數值為204 mg/g。

表2 涼高山組部分井總有機碳含量和氫指數Tab.2 Current and initial ITOC and IHI values of some wells of Lianggaoshan Formation

3.2 生烴動力學模型

烴源巖熱演化生烴過程是一個在熱力學作用下的化學反應過程，是生烴評價的關鍵因素[17]。目前，生烴動力學模型建立的方法較多，如體積動力學法、油氣動力學法及組分動力學法等[17]，本次研究采用體積動力學法[16-18]，根據湖相烴源巖的初始有機碳和氫指數以及油氣轉化率等關鍵參數建立相應的生烴動力學模型。其中，有機質的油氣轉化率參考了實際生產資料，包括XL101、TL202 和TY1 等3 口工業油氣井的產能（表3），根據式（3）和式（4）建立了涼高山組II1型、II2型和III 型生烴動力學模型（圖11），為烴源巖生排烴量的模擬提供了準確依據。

表3 部分單井涼高山組產能數據統計表Tab.3 Statistics of productivity data of some wells of Lianggaoshan Formation in Fuling Area

圖11 涼高山組生烴動力學模型（開放體系）Fig.11 The hydrocarbon kinetic model of Lianggaoshan Formation（Open system）

式中：mo—實際生油質量，kg；

V—烴源巖體積，m3；

?—孔隙度，%；

ρr—巖石密度，kg/m3；

y—生成石油的相對質量，g/kg；

ko—生油質量占生烴總質量的比值，%；

mg—實際生氣質量，kg；

kg—生氣質量占生烴總質量的比值，%。

3.3 熱史模型

鏡質體反射率約束下的熱史模型是有機質熱演化恢復的約束條件。本次研究對6 口關鍵井各取5 個樣品進行Ro實測值與模擬Ro曲線擬合[19]，從標定結果來看，擬合程度較高，模擬結果接近實際（圖12），熱演化過程符合地質背景。

圖12 涪陵地區單井鏡質體反射率擬合曲線與實測值Fig.12 Fitting curve and measured value of single well Ro in Fuling Area

涪陵地區單井涼高山組頁巖熱演化模擬發現，研究區涼高山組頁巖整體在侏羅世晚期開始成熟生烴，中侏羅世 早白堊世早期（139.0 Ma）為低成熟－成熟階段，烴源巖處于生油窗階段，早白堊世早期（139.0 Ma）－早白堊世晚期（117.5～11.0 Ma），烴源巖處于濕氣—凝析氣階段（圖13）。受不同地區構造演化的強度影響，涼高山組頁巖熱演化程度存在一定差異。

圖13 涪陵地區單井涼高山組頁巖熱演化史圖Fig.13 Thermal evolution history of shale in Lianggaoshan Formation of single well in Fuling Area

4 生烴潛力評價

4.1 頁巖生烴轉化率

評價烴源巖生烴潛力的主要指標有生烴轉化率、產烴率和生烴總量。其中，生烴轉化率指的是能生成烴類的有機質占有機質總量的比值[20-22]。前人對II 型和III 型干酪根的體積動力學的研究表明，當轉化系數為0.5 時，達到排烴臨界點[15，23-24]。對研究區FY1 井、FY4 井、FY5 井、TL7 井、TL601井和YX1 井生排烴史進行模擬，得到這6 口井的頁巖生烴轉化率（圖14）。

圖14 涪陵地區單井涼高山組頁巖生烴轉化率Fig.14 Hydrocarbon generation conversion rate of shale in Lianggaoshan Formation of single well in Fuling Area

模擬結果表明，涪陵地區涼高山組頁巖從燕山運動晚期（171.0 Ma）開始生烴，達到最大生烴轉化率的時間和最大生烴轉化率存在差異，其中，濱湖相頁巖生烴轉化率于燕山運動晚期（115.0 Ma）達到最大，為65%；淺湖相頁巖生烴轉化率于燕山運動中期（145.0 Ma）達到最大，其最大轉化率為96.5%；而半深湖相頁巖生烴轉化率于155.0 Ma 達到最大，為98.2%?？傮w來看，涪陵地區涼高山組頁巖生烴轉化率為65.0%～98.2%，平均為92.1%，生烴轉化率較高。其中，濱湖相頁巖的生烴轉化率低，淺湖相和半深湖相的生烴轉化率高。

4.2 頁巖產烴率

產烴率指烴源巖生成烴類的速率，是盆地模擬計算油氣資源的一項非常重要的參數[24-26]。涪陵地區涼高山組頁巖產烴率模擬結果顯示，涼高山組頁巖產烴具有“單峰”型特征，從燕山運動晚期（171.0 Ma）開始產烴，其中，濱湖相泥巖于燕山運動中期（155.0 Ma）達到產烴高峰，而淺湖相頁巖和半深湖頁巖均于161.0 Ma 達到產烴高峰。

不同沉積環境頁巖的最大產烴率存在差異，其中，濱湖相頁巖最大產烴率僅為5.15 mg/（g·Ma）；淺湖相泥頁巖的最大產烴率高于濱湖相頁巖，在16.59～16.91 mg/（g·Ma）；而半深湖相頁巖的最大產烴率最高，為17.40～18.50 mg/（g·Ma）。

總體來看，涪陵地區涼高山組頁巖的最大產烴率的平均值在15.48 mg/（g·Ma），生烴時間持續25.0～40.0 Ma（圖15）。

圖15 涪陵地區單井涼高山組頁巖產烴率Fig.15 Source rock hydrocarbon production rate of shale in Lianggaoshan Formation of single well in Fuling Area

4.3 烴源巖生烴量

生烴量指的是單元體積的烴源巖生成的烴類總量[25-27]。對涪陵地區涼高山組頁巖進行生烴量模擬，可以看出，不同沉積環境的烴源巖的生烴量也存在差異，其中，濱湖相泥巖的單元體積（單元體積=1 km2×43.8 m，43.8 m 為涼高山烴源巖平均有效厚度）生烴總量最低，僅為63.0×104t；淺湖相泥巖的單元體積生烴總量在（115.0～120.0）×104t，平均為117.5×104t；而半深湖相泥巖的單元體積生烴總量最大，為（137.0～144.0）×104t，平均為141.0×104t。涪陵地區涼高山組頁巖的平均單元體積生烴總量為120.5×104t；單元體積生油量為（19.0～86.0）×104t，平均60.8×104t；單元體積生氣量為（44.0～73.0）×104t，平均59.7×104t（圖16）。

圖16 涪陵地區單井涼高山組頁巖生烴量Fig.16 Hydrocarbon production of shale in Lianggaoshan Formation of single well in Fuling Area

4.4 生烴潛力綜合評價

參考陸相泥質烴源巖評價標準[8]，可以看出，涪陵地區涼高山組不同沉積相帶頁巖的生烴潛力存在明顯差異，其中，III 型泥頁巖生烴潛力最小，其生烴轉化率為65.0%，最大產烴率為5.15 mg/（g·Ma），單元生烴總量為65.0×104t，主要發育在濱湖相中；II2型泥頁巖生烴潛力高于III 型泥頁巖，生烴轉化率為96.5%，最大產烴率為16.75 mg/（g·Ma），單元生烴總量平均為117.5×104t，其主要發育在淺湖相中；II1泥頁巖生烴潛力最大，生烴轉化率為98.2%，最大產烴率為18.10 mg/（g·Ma），單元生烴總量平均為141.0×104t，主要發育在半深湖相中（表4）?？梢钥闯?，半深湖相泥頁巖是最優質的烴源巖，在涪陵地區主要分布于TL7－YX1－TY1 井區，是該區最有利的陸相頁巖油富集區。淺湖相泥頁巖次之，在涪陵地區主要分布于FY4—FY5－TL202 井區。濱湖相泥頁巖最差，在涪陵地區主要分布在FY1－XL1－XL3 井區。

5 結論

1）涪陵地區涼高山組優質頁巖主要分布在涼二下亞段和涼一上亞段，總有機碳含量平均值分別為1.57%和0.81%，氯仿瀝青“A”含量在0.008%～1.930%，巖石熱解生烴潛量為2.63～5.59 mg/g，具備良好的生烴物質基礎。有機質類型主要為II1型和II2型，還存在少量I 型和III 型，鏡質體反射率為0.98%～1.46%，處于成熟—高成熟演化階段，生烴條件較好。

2）采用干酪根類型法恢復了涪陵地區涼高山組II1型頁巖的初始平均總有機碳含量為2.44%，初始氫指數為239 mg/g；II2型頁巖的初始總有機碳含量為2.20%，初始氫指數為185 mg/g；III 型頁巖的初始總有機碳含量為1.71%，初始氫指數為135 mg/g，表明該區涼高山組頁巖有機質豐度較高。

3）采用體積動力學原理建立了3 種生烴動力學模型，分別是川東南涪陵地區涼高山組II1型生烴動力學模型、II2型生烴動力學模型及III 型生烴動力學模型。模擬結果表明，涪陵地區涼高山組頁巖平均生烴轉化率為92.1%，生烴轉化率較高；生烴具有“單峰”特征，最大產烴率平均為15.48 mg/（g·Ma）；烴源巖平均單元體積生烴總量為120.5×104t，其中，單元體積生油總量平均為60.8×104t，單元體積生氣總量平均為59.7×104t。

4）涼高山組頁巖生烴潛力受沉積環境影響：從濱湖－淺湖—半深湖，生烴轉化率、最大產烴率和生烴總量呈現逐漸增加的趨勢。其中，半深湖相泥頁巖是最優質的烴源巖，其巖性為黑灰－灰黑色泥巖，有機質類型以II1型為主，生烴轉化率為98.2%，最大產烴率為18.50 mg（/g·Ma），生烴總量為144 ×104t，在涪陵地區主要分布于TL7YX1－TY1 井區，是該區最有利的陸相頁巖油富集區。