煤系烃源岩生烃性研究
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发布时间：2022-05-27 09:51
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时间：2023-10-15 17:28
一、有机质丰度
（一）研究区煤系烃源岩有机质丰度评价标准
对泥岩来说，国内应用较多的是黄第藩等（1990）根据酒东盆地研究提出的陆相生油岩有机质丰度评价标准（表9-1）。这个标准是建立在对湖相泥岩研究基础上的，而煤系中有些泥岩形成于沼泽环境，和湖相泥岩相比，无论在沉积环境，还是在有机质类型等方面都具有一定的差异，因此，在建立煤系烃源岩评价标准时应反映这种变化。
表9-1 我国陆相生油岩有机质丰度评价标准（据黄第藩，1990）
煤是一种有机质高度富集的有机岩，它的有机碳含量高，但可溶有机质相对泥岩来说低；另一方面，煤中有机组分复杂，各类有机组分的生烃性质存在较大差异。因此，对煤作为烃源岩的评价除了要考虑地球化学指标以外，还应该考虑其中有机组分组成及相对含量的变化。对煤作为源岩的评价标准已作了许多研究。张士亚等（1986）曾根据煤中三大类组分含量的比例及平均生烃潜力的大小将煤作为烃源岩划分为4个型9个亚类；傅家谟等（1995）提出了根据煤岩组分和亚组分定量结果确定煤成烃源岩的方案（表9-2），并定义壳质体包括孢子体、角质体和木栓质体。类脂体包括树脂体、沥青质体、藻类体及腐泥基质等。在依据地球化学方面，刘德汉（1987）提出根据Ro、“A”S1+S2和H/C等4项指标进行评价（表9-3）。程克明、赵长毅等（1995、1997）在研究吐哈盆地早中侏罗世煤系烃源岩丰度时，根据研究区的特点，提出了吐哈盆地煤系泥岩和煤的有机质丰度评价标准（表9-4,9-5）。黄第藩（1992）明确指出：“只有那些壳质组含量＞10%（气一肥煤阶段可降低到5%），IH>100mg/g Corg，埋藏中煤层的沥青化作用达到气—肥煤阶段（Ro＜1.5%）的煤才能成油。”
表9-2 煤岩学法评价煤成烃源岩的方案（据张士亚等，1986）
表9-3 不同演化阶段煤成烃源岩划分标准（据刘德汉等，1987）
表9-4 吐哈盆地煤系烃源岩有机质丰度评价标准（据程克明等，1995,1997）
表9-5 吐哈盆地煤质量评价表（据程克明等，1995,1997）
作者在现有的研究成果的基础上，着重从石炭—二叠纪煤系烃源岩的有机碳、氯仿沥青“A”、总烃、生烃潜量等地球化学指标及其与显微组分的相互关系分析入手，建立本区煤系烃源岩丰度评价标准。渤海湾盆地石炭—二叠纪煤系烃源岩的地球化学性质具有下列基本特点：
1.有机碳含量高
对泥岩来说，有机碳含量分布范围较宽，从0.011%～9.92%，其中＞1.0%的样品占45%以上，＞3.0%的样品＜10%，这说明有机碳作为丰度指标对泥岩是合适的。煤和碳质泥岩的有机碳含量分布范围为10%～75%，其中碳质泥岩集中在10%～20%范围为主，煤一般＞50%（图9-1），相对来说，分布范围较窄，表明有机碳作为碳质泥岩和煤（尤其是煤）的丰度指标反映效果较差。
图9-1 研究区煤系烃源岩有机碳含量分布直方图
（a）泥岩；（b）碳质泥岩；（c）煤
2.可溶有机质丰度分布范围大
泥岩的氯仿沥青“A”含量一般比较低，但分布范围较大，从0.003%～0.48%,＜0.1%的样品占75%以上，碳质泥岩氯仿沥青“A”含量分布范围比较宽，＜0.1%的样品占＜10%,0.3%～0.5%的样品占50%以上。煤的氯仿沥青“A”分布和有机碳不同，分布范围较宽，从0.3%～3.94%，以2.5%～3.5%居多。这除了与成熟度因素有关外，还反映了不同地区、不同时代煤的性质差异（图9-2）。因此，氯仿沥青“A”作为煤系烃源岩有机丰度评价指标是有效的。
图9-2 研究区煤系烃源岩氯仿沥青“A”产率分布直方图
（a）泥岩；（b）碳质泥岩；（c）煤
3.生烃潜量（S1+S2）分布范围宽
泥岩的生烃潜量主要集中在0.05～2.5mg/g范围内，碳质泥岩的生烃潜量则主要分布在10～30mg/g范围，而煤的生烃潜量分布范围很大（图9-3）。由此可见，生烃潜量分布范围较宽，而且碳质泥岩和煤的分布范围更宽，因此，生烃潜量作为丰度指标也是有效的。
图9-3 研究区煤系烃源岩S1+S2分布直方图
（a）泥岩；（b）碳质泥岩；（c）煤
4.总烃（HC）含量低
总烃（HC）产量与饱和烃和芳烃有关，研究区煤系烃源岩的烃含量较低，泥岩为270×10-6～2092×10-6；碳质泥岩为1030×10-6～2379×10-6；煤为1469×10-6～6686×10-6。
下面以有机碳含量作为参照，分析本区煤系烃源岩地球化学指标之间的关系。
（1）泥岩。图9-4为煤系中泥岩的有机碳与氯仿沥青“A”、生烃潜量的相关关系图，泥岩的有机碳含量与“A”呈正相关，Corg为0.5%时，“A”含量为0.01%,Corg为1.5%时，“A”为0.05%；当Corg为3%时，“A”为0.1%。泥岩的有机碳含量与生烃潜量也是正相关关系，当Corg＜0.5%时，其S1+S2＜0.5mg/g，当Corg为1.5%时，生烃潜量为2.5mg/g；当Corg为3.0%时，生烃潜量可达6.0mg/g，达到好生油岩标准。据资料分析，泥岩有机碳含量与HC关系为正相关关系，当Corg为0.5%时，HC一般＜120×10-6，当Corg为1.5%时，HC为200×10-6，当Corg为3.0%时，HC为400×10-6；当Corg为6.0%时，HC一般＞700×10-6。
图9-4 泥岩有机碳含量与“A”和生烃潜量相关关系图
（2）碳质泥岩。碳质泥岩的有机碳含量与“A”、生烃潜量都呈正相关关系。（图9-5），当Corg为10%时，“A”为0.2%,S1+S2为15mg/g,Corg为15%时，“A”为0.3%,S1+S2为25mg/g;Corg为25%时，“A”为0.5%,S1+S2为45mg/g。碳质泥岩的沉积环境、母质类型、生烃性质都不同于湖相泥岩，而其有机质富集程度又不同于煤，若完全套用泥岩的丰度评价指标，则碳质泥岩几乎全部属于好—最好的生油岩，显然与实际不符。为了不至于把碳质泥岩全部归属于好—最好生油岩这样一个误区，对碳质泥岩单独建立丰度评价标准，并大致参照泥岩的相关系数，以便把泥岩和碳质泥岩统一到一起。
图9-5 碳质泥岩的有机碳含量与“A”生烃潜量相关关系图
据此，可以建立研究区煤系泥岩和碳质泥岩有机质丰度的评价标准（表9-6）。
（3）煤。前人已提出不少煤的丰度评价方法和标准，这里要强调的是对煤评价时，应该充分考虑其中的有机显微组分类型及含量的分布特征。据对孔古4井及徐14井、大参1井揭露的部分煤层分析，其生烃潜量、氢指数等值与煤中壳质组和镜质组含量关系十分密切，尤其是与E+S的关系更明显。从孔古4井的测试数据可以看出，当E+S>15%（IH:385mg/g Corg，生烃潜量：177mg·g-1），才能进入中等生油岩的标准，而E+S＜15%，只能算差生油岩，若E+S含量＜5%，即使镜质组含量90%，也达不到中等生油岩的标准。根据资料统计（图9-6）可以看出，煤的氢指数与生烃潜量呈正相关关系。参照吐哈盆地煤的评价研究成果，提出渤海湾盆地煤的有机质丰度评价标准（表9-7）。
表9-6 渤海湾盆地石炭—二叠纪煤系泥岩和碳质泥岩有机质丰度评价标准
图9-6 煤的生烃潜量与IH相关关系图
表9-7 渤海湾盆地石炭一二叠纪煤的有机质丰度评价标准
这里要说明的是，这个有机质丰度评价标准只是从煤成油的角度出发考虑，而不是从煤成气角度进行的划分，因为对有机质高度富集的煤来说，它在不同热演化阶段都能形成气态烃，广义上说，它是很好的气源岩。从煤成烃的角度考虑，良好的能生成油的煤，当然也具有良好的生气特征。
（二）煤系烃源岩有机质丰度分布特征
研究区不同坳陷内石炭—二叠纪煤系烃源岩有机质丰度有一定差异，即使在同一坳陷的不同凹陷内也有变化。这些变化一是受成熟度的影响，二是受沉积环境变化的控制。表9-8是黄骅、济阳、冀中三坳陷已有的地球化学分析测试结果的综合分析。这里要说明的是，表中的数据是根据掌握的1000多个数据而汇总的，但这些数据多集中在有限的钻井中，而平面上大量的钻井则缺乏相关的资料，因此，我们只能从这些数据变化中寻找研究区石炭—二叠纪煤系烃源岩有机质丰度的变化特征。分析各坳陷有机质丰度及不同级别生油岩所占百分比分布特征（图9-7），可以看出：
（1）各坳陷中达到好生油岩的煤系烃源岩一般＜20%，以中一差生油岩为主。
（2）从时代看，同一坳陷中下石盒子组泥岩丰度最差；太原组和山西组相比，其泥岩、碳质泥岩和煤的丰度都更好一些，但由于煤中壳质体含量在山西组煤中往往更富集，因此，在统计的数据中达到好生油岩标准的煤在某些地区山西组更多一些。
表9-8 渤海湾盆地石炭—二叠系煤系烃源岩有机质丰度综合表
（3）从不同坳陷看，以黄骅和冀中坳陷反映的结果最好，但两地区稍有差异。冀中坳陷泥岩、碳质泥岩好—中等生油岩所占比例比黄骅坳陷高，而两坳陷中的太原组相比，则黄骅坳陷好于冀中坳陷；济阳坳陷有机质丰度较差，以差生油岩类型为主，这与济阳坳陷成熟度较高有关，因为在评价标准中，总烃、生烃潜量、氢指数、氯仿沥青“A”等都与烃源岩中现有的可溶有机质数量有关，而烃源岩中可溶有机质数量随着成熟度的增加而大大减少。从总有机碳看，济阳坳陷的含量并不明显偏低。
图9-7 渤海湾盆地主要油气区不同级别生油岩频率分布直方图
（a）大港油气区；（b）华北油气区；（c）胜利油气区
（4）同一坳陷内不同区域差异较大。根据对研究区已掌握的有机岩石学和地球化学分析测试资料，黄骅坳陷有机质丰度较好的煤系烃源岩主要分布在以孔古4、徐14、徐13等钻井代表的孔西潜山和徐黑潜山构造带（也就是南皮凹陷的北缘）。这里石炭—二叠纪煤中基质镜质体含量26.5%～58.2%，壳质组＋腐泥组含量可达52%～34%，煤的氯仿沥青“A”产率达1.7%～3.28%，生烃潜量达93～205mg/g，氢指数达203～515mg/gCorg。泥岩的有机碳含量达1.31%～5.9%，氯仿沥青“A”达0.11%～0.32%，生烃潜量达0.2～8.35mg/g，因此，中等以上生油岩可达到30%以上。冀中坳陷有机质丰度以苏13、苏8等钻井为代表的苏桥地区（即沧县隆起区的西缘）最好，其次是廊坊地区。这里石炭—二叠纪煤中富含壳质组分，而且山西组多于太原组，E+S一般可达15%～30%，某些分层可达35%～59%，已形成残植煤，其中主要成分是孢子体和角质体，其次是树脂体。这些富含壳质组的煤氯仿沥青“A”产率达1.2%～2.789%，生烃潜量＞170mg·g-1，有些可达268mg/g，氢指数一般＞200mg/gCorg。泥岩的有机碳含量一般＞0.9%，其中＞1.5%的可达67.5%，氯仿沥青“A”产率一般＞0.05%，其中＞0.1%的样品可达28%，生烃潜量一般＞0.5mg/g，其中＞2.5mg/g的占47.2%,HC一般＞150×10-6。冀中坳陷的大城凸起一带，煤系烃源岩也具有良好的生烃性质。煤的有机碳含量30.69%～63.29%，氯仿沥青“A”产率0.41%～6.04%，以＞3%的为主，生烃潜量达21～151mg/g，总烃可达5977×10-6～10220×10-6，煤中“E+S”相对含量一般＜10%。泥岩的有机碳含量一般0.5%～8.78%，其中＞1.5%的可达50%以上，生烃潜量达0.9～29.2mg/g，其中＞2.5mg/g的占60%以上；氯仿沥青“A”产率达0.027%～0.082%，其中＞0.05%的占50%以上；总烃达77×10-6～427×10-6。南部深县地区上古生界煤系烃源岩丰度比上述地区差。济阳坳陷内各凹陷成熟较高，但在成熟度低的地区（如康古1井，Ro为0.54%～0.58%；义古40井，Ro为0.52%～0.58%）有机质丰度也比较低，据康古1和义古40井资料，煤的有机碳含量58%～65%，但其氯仿沥青“A”产率一般＜1%，生烃潜量一般＜120mg/g，煤中E+S一般＜5%。从泥岩看，其有机碳含量一般＜1.5%，生烃潜量一般＜2.5mg/g，总烃一般为83～270mg/gCorg。
二、有机质类型
研究区石炭-二叠纪煤系烃源岩的有机组分复杂，既有由高等植物形成的镜质组、惰质组、壳质组组分，也有由低等水生生物形成的腐泥组，它们以不同的组成比例形成不同性质的烃源岩，而这些不同性质的烃源岩反映在有机质类型上就有了很大差异。
对烃源岩有机质类型的判识主要有地球化学方法（如干酪根元素组成分析、岩石热解氢指数、氧指数、降解率、类型指数分析、干酪根红外吸收光谱分析、干酪根碳同位素分析等）和有机岩石学方法。本专题对有机质类型的划分采用目前常用的有三类四分法，即I型——腐泥型、Ⅱ型（Ⅱ1——腐殖腐泥型、Ⅱ2——腐泥腐殖型）和Ⅲ型——腐殖型。
从组成烃源岩的各种有机组分化学性质看，煤系烃源岩（尤其是煤和碳质泥岩）应该以Ⅲ型为主，但当其中壳质组和腐泥组含量达到一定比例时就可能形成Ⅱ2～Ⅱ1型。据对孔古4井煤系烃源岩进行的Rock-Eval分析，IH、IO、D等指标对煤及碳质泥岩的有机质类型反映效果很差，IH、D值都比较高，造成以Ⅰ～Ⅱ型为主的结果。氯仿沥青“A”的族组成分析表明，饱合烃含量1.29%～8.29%，而芳烃含量高达18.59%～47.03%，饱/芳比＜1，全部为Ⅲ型。导致热解分析出现类型指数偏低的原因，其一与煤及碳质泥岩的有机质丰度高有关，有机质丰度高会导致降解潜率（D）的增大；其二与煤对已经形成的烃类有较强的吸附能力有关，由于其中吸附了大量已形成的烃，造成IH和D值偏大。
由于煤及碳质泥岩中形态有机质含量高，采用有机岩石学的方法进行评价是可行的。利用有机岩石学方法，通过计算产烃指数（HP）和产油指数（OP）对有机质类型的判识，基本上以Ⅲ型为主，但有些地区的煤层和泥岩中由于富含基质镜质体B和壳质组、腐泥组而出现较多的Ⅱ2型（如孔古4、大参1、苏8、苏13等井）。因此，研究区煤系烃源岩有机质类型总体以Ⅲ型为主，但各地区差异较大。在有机质丰度高的黄骅坳陷南皮凹陷北缘孔西潜山及徐黑凸起一带（以孔古4、徐4、徐13等钻井为代表）、冀中坳陷苏桥地区（以苏13、苏8等井为代表）及沧县隆起区的大城凸起（以大参1井和胜1井为代表）等地区的煤和泥岩中由于含有较多的壳质组＋腐泥组而使得Ⅱ2～Ⅱ1型比较丰富，其他地区基本上都是Ⅲ型，并含有一定数量的Ⅱ2型。
三、有机质成熟度
（一）有机质成熟度及分布
含煤地层中煤和暗色泥岩有机质的化学结构与湖相和海相生油岩不同。湖相和海相生油岩有机质是带有较多链状结构和环烷状结构的化合物；而煤系地层中的有机质是以带有侧链和官能团的缩合芳香核体系，因此，煤成烃的过程实质上就是煤分子结构中化学稳定性差的侧链和官能团（如甲氧基、甲基、亚甲基、羰基、羧基等）先后脱落，生成甲烷、重烃气和液态烃的过程。
根据煤成烃的特点，可将其划分为三个阶段：
（1）Ro＜0.5%的未成熟阶段：这个阶段有机质在细菌和氧的生物化学作用下产生一些CO2、H2O、CH4及少量的凝析油等，属生物成气阶段，也称为早干气阶段。
（2）Ro为0.5%～1.9%的成熟阶段：这个阶段烃类大量产生，既能生成大量湿气，又可伴生凝析油和原油。按煤阶划分，即为长焰煤-气煤-肥煤-焦煤-瘦煤阶段。在这一演化过程中，从长焰煤到肥煤阶段（Ro为0.5%～1.2%）以生成湿气和高蜡原油（即气油阶段）为主，同时伴生少量的凝析油；从焦煤-瘦煤阶段则主要生成湿气和凝析油。
（3）过成熟阶段（Ro＞1.9%）：又称为干气阶段，生成以甲烷为主的干气并伴生少量的凝析油。
根据上述煤成烃对应的几个阶段，研究区煤系烃源岩热演化程度可分以下几个阶段：
Ro＜0.5%，早期干气阶段；
Ro:0.5%～1.2%，湿气＋高蜡原油阶段；
Ro:1.2%～1.9%，湿气＋凝析油阶段；
Ro：＞1.9%，晚期干气阶段。
分析渤海湾盆地石炭一二叠纪煤系烃源岩Ro等值线图，上古生界煤系烃源岩的成熟度除了济阳坳陷偏高，黄骅和冀中坳陷的大部分地区都比较低。在黄骅坳陷，据目前掌握的资料，中部古潜山地区Ro值一般分布在0.55%～0.75%，孔古4井已深至近4000m,Ro也仅0.78%。预计在南皮、岐口、板桥坳陷深部，Ro值会随着埋深的增加而增高。冀中坳陷文安、霸县、廊坊等地区Ro值一般0.5%～0.9%，冀中地区可达0.5%～1.1%，局部地区受岩浆岩体的影响可达1.45%～2.45%（如苏1、4井等）。济阳坳陷现今埋深＜3000m的Ro值达0.52%～0.82%，且主要分布在坳陷边缘和凸起区，坳陷内则由于埋深大而一般达高成熟—过成熟阶段。钟宁宁等（1996）统计渤海湾盆地内各坳陷石炭－二叠纪煤系烃源岩有机质成熟度分布列于表9-9，由表可以看出，黄骅坳陷有机质成熟度主要分布在Ro为0.6%～1.3%范围内，分布频率占74.1%；冀中坳陷则主要分布在Ro＜0.6%和0.6%～1.3%范围内，分别占32.8%和61.8%，二者之合达90%以上；济阳坳陷有机质成熟度Ro在1.3%～4.0%范围内所占的比例达70%。因此，济阳坳陷石炭—二叠煤系烃源岩有机质成熟度明显比黄骅和冀中坳陷高。
本次研究中归纳总结不同地区Ro值分布状况列于图9-8。由图可以看出，黄骅坳陷孔西潜山-徐黑凸起一带Ro值以分布在0.8%～1.2%之间的为主，占59%，其次是0.5%～0.8%，占29%，二者之和达85%以上，也就是说，从成熟度来看，该区正处于生烃的最佳阶段。华北苏桥-文安一带Ro值以0.5%～0.8%为主，占62%，而0.8%～1.2%占27%，二者之和也大于85%，因此，苏桥-文安一带有机质成熟度相对孔西潜山－徐黑凸起一带来说要低一些。华北-大港油气区除了上述两个地区外，其他地区Ro值也以0.5%～1.2%为主，但Ro值为1.2%～1.9%的占27%，这说明相对上述两个地区成熟度偏高。胜利油气区的边缘和盆地内凸起区的Ro值以1.2%～1.9%为主，占40%,Ro值为1.9%～2.5%的占19%，由此可见，盆地内深部的Ro值会更大，因此，胜利油气区的有机质成熟度明显偏高。河北晋县以南（横跨华北、中原两个油气区）地区的Ro值以0.5%～1.2%为主，其中0.5%～0.8%的占67%,0.8%～1.2%的占23%，这说明该区成熟度相对较低。但中原油气区南部Ro值则以0.8%～1.9%为主，二者之和达84%。因此，从镜质体反射率（Ro值）分布和变化看，渤海湾盆地内石炭—二叠纪煤系烃源岩有机质成熟度以胜利油气区最高，其次是中原油气区南部。华北、大港油气区基本上以成熟阶段为主，部分地区（如大港油气区南部的南皮凹陷）处于成熟—高成熟阶段。
表9-9 各坳陷山西组有机质成熟度分布特征（据钟宁宁等，1996年）
图9-8 不同地区镜质体反射率频率分布直方图
（二）有机质热演化史
1.前印支—燕山期深成变质作用阶段
研究区石炭—二叠纪煤系地层在一定的深度范围内Ro值一般比较稳定，不随埋深的增加而增大（如冀中坳陷＜3000m，济阳坳陷＜3200m），埋深超过这个范围时Ro值会随着埋深的增加而增大。造成这种现象的原因是因为研究区在印支—燕山期前因深成变质作用已使煤系地层的成熟度达到现今埋深＜3000～3200m的成熟度，后期地层遭受抬升剥蚀，而后又开始沉降，但再次沉降深度没有超过抬升前埋深的缘故。从这个意义上来说，研究区目前埋深＜3000～3200m的上古生界煤系烃源岩的成熟度基本上都是在这个演化阶段就已形成的（去除个别地区受岩浆活动影响）。
2.印支—燕山期岩浆热变质和热液变质作用阶段
印支运动使华北地区开始抬升，造成晚三叠世—早侏罗世的沉积间断，其后便是长期的抬升剥蚀；侏罗纪—晚白垩世仅在局部地区形成沉积。燕山运动期间，随着构造-岩浆活动的增强而使得局部地区成熟度在深成变质作用的基础上发生了岩浆热变质和热液变质的叠加，造成局部地区成熟度的异常。
3.喜马拉雅期分异和第二次深成变质作用阶段
喜马拉雅运动期间渤海湾盆地进入断陷沉积时期，在由燕山运动形成的一系列一级和二级断陷盆地里沉积了大套湖相泥岩，沉降分异显著。因此，这个时期对成熟度的影响主要体现在断陷盆地内随着埋深增加而发生的第二次深成变质作用；而其他没有接受沉积的隆起区或沉积厚度小于抬升隆起前（即印支运动前）沉积厚度的地区（除了局部受燕山期岩浆活动影响外），则基本上保留了前印支运动第一次深成变质作用的水平。
因此，研究区成熟度有三种类型：一是埋深＜3000～3200m的第一次深成变质作用形成的成熟度；二是局部受岩浆或热液活动影响出现的异常成熟度；三是埋深＞3000～3200m的二次深成变质作用形成的成熟度。这三个不同成熟度演化阶段的组合及在不同地区的影响变化对研究区煤系烃源岩的评价和生烃能力会产生直接影响。
