准噶尔盆地玛湖凹陷风城组泥岩与泥质白云岩热模拟产物特征对比
高岗++向宝力++都鹏燕 马万云 陈哲龙 任江玲 柳广弟
摘要：通过玛湖凹陷风城组湖相泥岩与泥质白云岩加水热模拟试验气态和液态产物组成、产率的对比，分析了气态和液态产物组成、产率随模拟温度的变化特征。结果表明：热模拟的烃类气体相对含量随模拟温度升高表现为增加趋势，而非烃类气体则降低；气体组成表现为泥质白云岩的CO2含量低于泥岩，其他组分含量则相反；各样品的气体产率均随模拟温度升高而持续增加，生油高峰温度主要在330 ℃～350 ℃之间，这明显低于干法热模拟，与实际地质条件下的温度更接近；烃源岩中含有碳酸盐对生成石油比天然气更有利；试验条件下的CO2主要为有机成因，但也有碳酸盐的热分解贡献。气态烃的碳同位素组成总体变化幅度较小，各温度点均表现为油型气特征；排出油与残留油的正构烷烃主峰碳数、相对高碳数烃的相对含量总体随模拟温度升高而降低；各样品残留油与排出油的生物标志物参数均有一定变化，在进行油源对比时应考虑这种变化的影响。
关键词：泥质白云岩；泥岩；气态产物；液态产物；热模拟；排出油；风城组；玛湖凹陷
中图分类号：TE122；P618.130.1文献标志码：A
0引言
玛湖凹陷作为准噶尔盆地的主力生烃凹陷，位于该盆地的西北部，面积约5 000 km2 [12]。凹陷以北为克—百断裂带与乌—夏断裂带，西南部和东南部分别为中拐凸起与达巴松凸起，东部由北向南依次为石英滩凸起、英西凹陷、三个泉凸起与夏盐凸起。凹陷内的沉积地层从下到上依次发育上古生界石炭系、二叠系、中生界三叠系、侏罗系、白垩系和新生界第三系与第四系，其中的二叠系风城组为准噶尔盆地西北缘油气的主力烃源岩[35]。风城组烃源岩岩性主要有泥岩类和白云岩类，白云岩往往不纯，或多或少含有一定量的泥质成分；泥岩中也不仅仅含有黏土矿物，还有大量泥质级别的石英、长石等矿物成分和有机质。整个风城组岩石物性总体比较致密，具有形成致密油气的基本条件[610]。大量研究表明，风城组烃源岩生成的油气在玛湖凹陷及其周缘广泛分布，尤其近年在其凹陷的三叠系百口泉组也发现了规模油气聚集，而且风城地区的风城组是目前致密油气的勘探热点之一[9，1112]。作为风城组两种重要岩性的白云岩和泥岩类，其沉积环境、有机质类型、成烃特征等都应该存在一定差别。根据已有研究，玛湖凹陷内风城组的白云岩和泥岩类在平面上的主体分布区域有差别[9]，这种差别可能导致区域上原油生物标志物组成特征、原油性质的差异。那么，白云岩和泥岩类在埋藏演化过程中的成烃特征和生物标志物组成有无差异？由于钻井烃源岩分析测试资料并不系统，岩性变化大，难以再现相同岩性源岩连续的演化序列，因而难以完整地进行不同岩性源岩成烃演化特征等方面的对比研究。为此，本文选取风城组泥质白云岩和泥岩进行密闭容器的加水热模拟试验，利用气态、液态产物等信息，对比两种不同岩性的油气生成特征。
1样品与试验方法
由于凹陷内的风城组埋深大，目前还没有钻井钻遇，所以模拟样品分别选取风南7井风城组的灰色泥质白云岩与夏76井风城组的灰色泥岩岩芯（图1、表1），
其镜质体反射率（Ro）分别为0.74%和0.65%，主要处于成熟早期—低成熟晚期阶段。泥质白云岩具有较高的硫含量（质量分数，下同）（441%），总有机碳（TOC）为071%，残留烃量（S1）、热解烃量（S2）和生烃潜量（S1+S2）分别为379×10-3、1.18×10-3和4.97×10-3，热解峰温（Tmax）为401 ℃，氢指数（HI）为166.2×10-3。泥岩的硫含量相对较低（0.87%），TOC值为0.9%，残留烃量、热解烃量和生烃潜量分别为4.18×10-3、3.45×10-3和7.63×10-3，热解峰温为427 ℃，氢指数为385.5×10-3。如果同时考虑氢指数和烃指数，则泥质白云岩和泥岩的生烃潜力非常
烃源岩氯仿抽提物中均有较高的饱和烃含量，胶质和沥青质含量较低，其中泥质白云岩的饱和烃、芳香烃、胶质和沥青质含量分别为86.1%、107%、1.6%和16%，泥岩分别为69.6%、19.9%、21%和8.4%。饱和烃中正构烷烃分布完整，中低碳数异构烷烃也有较高含量（图2、表2）。泥质白云岩和泥岩的姥植比（Pr/Ph）分别为0.62和0.50，均显示还原的母质沉积环境。一定的伽马蜡烷含量表明母质形成于一定盐度的水体中，泥质白云岩和泥岩的伽马蜡烷/C30藿烷值分别为029、016，预示了泥质白云岩形成于盐度相对较高的水体中。泥质白云岩、泥岩的正构烷烃奇偶优势比（OEP）和碳优势指数（CPI）都在1.0左右，20S/（20R+20S）C29甾烷值和ββ/（αα+ββ）C29甾烷值显示泥质白云岩的母质成熟度高于泥岩。泥质白云岩的热解峰值（401 ℃）较低，主要与含白云石有关。
Pr代表姥鲛烷；Ph代表植烷；C20代表碳数为20的正构烷烃；TT代表三环萜烷；H代表藿烷；M代表莫烷；C27、C28与C29分别为ααα20RC27、C28、C29正规甾烷
采用密闭金属容器的加水热模拟方法进行烃源岩生烃模拟试验。选取310 ℃、330 ℃、350 ℃、370 ℃共4个温度点，模拟时间为24 h。热模拟前将岩芯样品粉碎至小于1 mm粒径的岩石粉末，混合均匀，分成四等份，分别进行4个温度点的热模拟试验。具体试验过程见文献[13]。
2试验结果与讨论
通过热模拟试验主要获得气态和液态产物两部分，其中的气态产物包括烃类和非烃类。对气态产物进行气相色谱分析，获得气态产物组分的体积分数，对主要烃类组分和CO2进行碳同位素组成分析。根据收集的气态、液态产物与样品原始有机碳含量，计算了不同样品在不同模拟温度下的气态产物产率（mL·g-1）和液态产物产率（10-3），根据气态产物产率和气体组成数据计算了烃类气体的产率（mL·g-1）。
2.1气态产物组成特征
热模拟气态产物由烃和非烃类气体组成，其中非烃气体组分主要有CO2、H2、N2，还有部分O2；烃类气体包括饱和烃和烯烃类，以饱和烃为主，烯烃体积分数相对较低（表3）。自然界天然气中几乎全为饱和烃，模拟条件下的烯烃存在表明自然系统与试验系统生烃机理存在一定差异[14]。从气体组分来看，随着模拟温度升高，烃类气体和H2体积分数主要为增加趋势，但非烃中的CO2、O2、N2体积分数主要随温度升高而降低（表3）。这种成分体积分数的变化表明，温度升高利于气态烃类的形成，非烃气相主要在有机质演化的早中期形成。不同模拟温度下，泥质白云岩的烃类气体组分、O2、N2与H2体积分数总体均高于泥岩，只有CO2体积分数总体低于泥岩。自然界天然气中H2体积分数普遍很低，模拟条件下生成相对较多的H2预示了地下有机质在演化过程中应该也有H2的生成，只不过由于其强烈的化学活性和扩散作用，难以有效保存。CO2的形成对于地层中酸性成岩环境的形成有重要作用，这对于次生溶蚀孔隙的形成极为有利，另外由于CO2极易与环境发生各种化学作用，在实际气藏中往往含量较低。相同温度下泥质白云岩的N2体积分数明显高于泥岩，而实际气藏中的N2体积分数
摘要：通过玛湖凹陷风城组湖相泥岩与泥质白云岩加水热模拟试验气态和液态产物组成、产率的对比，分析了气态和液态产物组成、产率随模拟温度的变化特征。结果表明：热模拟的烃类气体相对含量随模拟温度升高表现为增加趋势，而非烃类气体则降低；气体组成表现为泥质白云岩的CO2含量低于泥岩，其他组分含量则相反；各样品的气体产率均随模拟温度升高而持续增加，生油高峰温度主要在330 ℃～350 ℃之间，这明显低于干法热模拟，与实际地质条件下的温度更接近；烃源岩中含有碳酸盐对生成石油比天然气更有利；试验条件下的CO2主要为有机成因，但也有碳酸盐的热分解贡献。气态烃的碳同位素组成总体变化幅度较小，各温度点均表现为油型气特征；排出油与残留油的正构烷烃主峰碳数、相对高碳数烃的相对含量总体随模拟温度升高而降低；各样品残留油与排出油的生物标志物参数均有一定变化，在进行油源对比时应考虑这种变化的影响。
关键词：泥质白云岩；泥岩；气态产物；液态产物；热模拟；排出油；风城组；玛湖凹陷
中图分类号：TE122；P618.130.1文献标志码：A
0引言
玛湖凹陷作为准噶尔盆地的主力生烃凹陷，位于该盆地的西北部，面积约5 000 km2 [12]。凹陷以北为克—百断裂带与乌—夏断裂带，西南部和东南部分别为中拐凸起与达巴松凸起，东部由北向南依次为石英滩凸起、英西凹陷、三个泉凸起与夏盐凸起。凹陷内的沉积地层从下到上依次发育上古生界石炭系、二叠系、中生界三叠系、侏罗系、白垩系和新生界第三系与第四系，其中的二叠系风城组为准噶尔盆地西北缘油气的主力烃源岩[35]。风城组烃源岩岩性主要有泥岩类和白云岩类，白云岩往往不纯，或多或少含有一定量的泥质成分；泥岩中也不仅仅含有黏土矿物，还有大量泥质级别的石英、长石等矿物成分和有机质。整个风城组岩石物性总体比较致密，具有形成致密油气的基本条件[610]。大量研究表明，风城组烃源岩生成的油气在玛湖凹陷及其周缘广泛分布，尤其近年在其凹陷的三叠系百口泉组也发现了规模油气聚集，而且风城地区的风城组是目前致密油气的勘探热点之一[9，1112]。作为风城组两种重要岩性的白云岩和泥岩类，其沉积环境、有机质类型、成烃特征等都应该存在一定差别。根据已有研究，玛湖凹陷内风城组的白云岩和泥岩类在平面上的主体分布区域有差别[9]，这种差别可能导致区域上原油生物标志物组成特征、原油性质的差异。那么，白云岩和泥岩类在埋藏演化过程中的成烃特征和生物标志物组成有无差异？由于钻井烃源岩分析测试资料并不系统，岩性变化大，难以再现相同岩性源岩连续的演化序列，因而难以完整地进行不同岩性源岩成烃演化特征等方面的对比研究。为此，本文选取风城组泥质白云岩和泥岩进行密闭容器的加水热模拟试验，利用气态、液态产物等信息，对比两种不同岩性的油气生成特征。
1样品与试验方法
由于凹陷内的风城组埋深大，目前还没有钻井钻遇，所以模拟样品分别选取风南7井风城组的灰色泥质白云岩与夏76井风城组的灰色泥岩岩芯（图1、表1），
其镜质体反射率（Ro）分别为0.74%和0.65%，主要处于成熟早期—低成熟晚期阶段。泥质白云岩具有较高的硫含量（质量分数，下同）（441%），总有机碳（TOC）为071%，残留烃量（S1）、热解烃量（S2）和生烃潜量（S1+S2）分别为379×10-3、1.18×10-3和4.97×10-3，热解峰温（Tmax）为401 ℃，氢指数（HI）为166.2×10-3。泥岩的硫含量相对较低（0.87%），TOC值为0.9%，残留烃量、热解烃量和生烃潜量分别为4.18×10-3、3.45×10-3和7.63×10-3，热解峰温为427 ℃，氢指数为385.5×10-3。如果同时考虑氢指数和烃指数，则泥质白云岩和泥岩的生烃潜力非常
烃源岩氯仿抽提物中均有较高的饱和烃含量，胶质和沥青质含量较低，其中泥质白云岩的饱和烃、芳香烃、胶质和沥青质含量分别为86.1%、107%、1.6%和16%，泥岩分别为69.6%、19.9%、21%和8.4%。饱和烃中正构烷烃分布完整，中低碳数异构烷烃也有较高含量（图2、表2）。泥质白云岩和泥岩的姥植比（Pr/Ph）分别为0.62和0.50，均显示还原的母质沉积环境。一定的伽马蜡烷含量表明母质形成于一定盐度的水体中，泥质白云岩和泥岩的伽马蜡烷/C30藿烷值分别为029、016，预示了泥质白云岩形成于盐度相对较高的水体中。泥质白云岩、泥岩的正构烷烃奇偶优势比（OEP）和碳优势指数（CPI）都在1.0左右，20S/（20R+20S）C29甾烷值和ββ/（αα+ββ）C29甾烷值显示泥质白云岩的母质成熟度高于泥岩。泥质白云岩的热解峰值（401 ℃）较低，主要与含白云石有关。
Pr代表姥鲛烷；Ph代表植烷；C20代表碳数为20的正构烷烃；TT代表三环萜烷；H代表藿烷；M代表莫烷；C27、C28与C29分别为ααα20RC27、C28、C29正规甾烷
采用密闭金属容器的加水热模拟方法进行烃源岩生烃模拟试验。选取310 ℃、330 ℃、350 ℃、370 ℃共4个温度点，模拟时间为24 h。热模拟前将岩芯样品粉碎至小于1 mm粒径的岩石粉末，混合均匀，分成四等份，分别进行4个温度点的热模拟试验。具体试验过程见文献[13]。
2试验结果与讨论
通过热模拟试验主要获得气态和液态产物两部分，其中的气态产物包括烃类和非烃类。对气态产物进行气相色谱分析，获得气态产物组分的体积分数，对主要烃类组分和CO2进行碳同位素组成分析。根据收集的气态、液态产物与样品原始有机碳含量，计算了不同样品在不同模拟温度下的气态产物产率（mL·g-1）和液态产物产率（10-3），根据气态产物产率和气体组成数据计算了烃类气体的产率（mL·g-1）。
2.1气态产物组成特征
热模拟气态产物由烃和非烃类气体组成，其中非烃气体组分主要有CO2、H2、N2，还有部分O2；烃类气体包括饱和烃和烯烃类，以饱和烃为主，烯烃体积分数相对较低（表3）。自然界天然气中几乎全为饱和烃，模拟条件下的烯烃存在表明自然系统与试验系统生烃机理存在一定差异[14]。从气体组分来看，随着模拟温度升高，烃类气体和H2体积分数主要为增加趋势，但非烃中的CO2、O2、N2体积分数主要随温度升高而降低（表3）。这种成分体积分数的变化表明，温度升高利于气态烃类的形成，非烃气相主要在有机质演化的早中期形成。不同模拟温度下，泥质白云岩的烃类气体组分、O2、N2与H2体积分数总体均高于泥岩，只有CO2体积分数总体低于泥岩。自然界天然气中H2体积分数普遍很低，模拟条件下生成相对较多的H2预示了地下有机质在演化过程中应该也有H2的生成，只不过由于其强烈的化学活性和扩散作用，难以有效保存。CO2的形成对于地层中酸性成岩环境的形成有重要作用，这对于次生溶蚀孔隙的形成极为有利，另外由于CO2极易与环境发生各种化学作用，在实际气藏中往往含量较低。相同温度下泥质白云岩的N2体积分数明显高于泥岩，而实际气藏中的N2体积分数
