石炭-二叠系烃源岩特征
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发布时间：2022-04-26 14:13
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时间：2022-06-28 23:40
1.石炭－二叠系烃源岩类型与分布
开封坳陷石炭－二叠系烃源岩赋存于太原组、山西组、下石盒子组及上石盒子组中，主要为煤、暗色泥岩（图6-24，图6-25），其次为炭质泥岩和生物灰岩，其中石炭系太原组和二叠系山西组为主要含煤层段。其分布受到区域构造格局和沉积相带的双重控制。一般地说，分布于中新生代凹陷区的烃源岩保存较完整。石炭－二叠系煤层的累计厚度比较小（图6-24），一般仅10～15m。
图6-24 开封坳陷石炭-二叠系煤层累计厚度等值线图（单位：m）
图6-25 开封坳陷石炭-二叠系暗色泥岩等厚线图（单位：m）
2.石炭－二叠系烃源岩有机地球化学特征
（1）有机质丰度
开封坳陷区古生界探井少，济源凹陷石炭－二叠系烃源岩地球化学分析数据来源于焦作煤矿，有机质丰度明显偏高。其中，煤的有机碳含量为50%～77.3%，氯仿沥青“A”含量一般在0.20%～1.50%之间，总烃含量为（37～297）×10-6，生烃潜力平均100.82g/kg（表6-25）。暗色泥岩生烃能力由下向上变差（图6-26，图6-27）。太原组、山西组有机质丰度较高，有机碳为0.46%～3.5%，氯仿沥青“A”含量为0.014%～0.06%，而上石盒子组有机质丰度较低，炭质泥岩的有机质丰度介于煤和暗色泥岩之间。北面邻区的临清坳陷炭质泥岩有机碳含量为12.27%～19.43%，生烃潜力为13.79～37.06m g/g。灰岩仅分布于太原组，厚度小，一般仅10～30m；其有机质丰度低，有机碳含量为0.15%～0.47%，氯仿沥青“A”含量为0.0058%～0.0539%，总烃含量为（19.5～128）×10-6，生烃潜力较低。
图6-26 丰参1井残余有机碳直方图
图6-27 丰参1井氯仿沥青“A”直方图
表6-25 开封坳陷及鲁西豫东隆起区石炭-二叠系烃源岩特征
（2）有机质类型
丰参1井，上古生界煤系类脂体含量低，平均为21.39%，而镜质体、壳质体、惰质体含量较高，其平均值分别为11.78%、41.63%和25.22%；氯仿沥青“A”族组分中饱和烃含量为15.33%，饱/芳比平均为0.69；沥青质含量平均为35.69%，具混合型－腐殖型特征。
根据对开封坳陷区及邻区干酪根镜检、元素分析、碳同位素分析、干酪根红外、沥青质红外、扫描电镜、族组分分析及有机显微组分分析结果进行有机质类型的划分，上古生界煤的有机质类型主要为Ⅲ型，暗色泥岩的有机质类型主要为Ⅲ型和ⅡB型。
3.石炭－二叠系有机质成熟度与生烃演化
此次研究利用济源、中牟和黄口3个凹陷的Ro和磷灰石裂变径迹等实测资料，确定了各阶段的古地温，并恢复了石炭－二叠系的热演化史。因为民权凹陷与中牟凹陷东南部，以及成武、鱼台凹陷与黄口凹陷之间，在构造演化上有相似性，本研究成果应具一定的代表性。
（1）石炭－二叠系有机质成熟度
1）济源凹陷的石炭－二叠系有机质成熟度：在济源凹陷，*隆起带和南、北两次凹陷的镜质体（组）反射率（Ro）变化梯度不同（图6-28）。这种热演化梯度差异可以通过烃源岩现今埋深（H）和镜质体（组）反射率（Ro）值的相关关系回归方程来描述。利用不同构造单元的资料分别建立现今Ro-H的回归方程，再用它来确定凹陷内石炭－二叠系顶面Ro值d的平面分布状况（图6-29），进而可分析Ro值变化规律和天然气勘探前景。
图6-28 济源凹陷镜质体反射率与深度关系图
在*隆起带上，综合考虑了邓2和豫深1井的资料；在南、北次凹中，则综合考虑邓5井和济参1井的资料。根据邓2井和豫深1井资料建立的回归方程，得到*隆起带的剥蚀代偿量为1671m（Ro=0.2%）。根据邓5井和济参1井的资料建立的回归方程，当Ro为0.5%时，H为983m。剥蚀代偿量为1435m，故生油门限为2418.7m。
从济源凹陷石炭－二叠系顶面Ro值平面分布图（图6-29）上可以看到，*隆起带的Ro值相对较低，大致在3.0%左右；在南、北次凹，由隆起区向深凹区随着埋深的增加，Ro值由2.6%开始迅速增加，最高值区在南、北凹陷的最深部位。应当指出，图上的Ro值在深凹处随埋深增加而增加的速率似乎过大，可能与所采用的线性回归模型有关。今后拟采用非线性模型。
图6-29 济源凹陷石炭-二叠系顶面Ro值平面分布图
2）中牟凹陷的有机质成熟度：中牟凹陷的数据主要来自开深1井。但是由于浅部缺乏Ro的控制，所以回归时参考了济源凹陷和黄口凹陷的热演化梯度变化规律（图6-30）。通过对该区Ro与现今埋深H的回归，得到一组回归方程后，便可以进一步确定该凹陷石炭－二叠系顶面Ro平面分布值（图6-31）。
图6-30 中牟凹陷、济源凹陷、黄口凹陷镜质体反射率与深度关系对比的关系
图6-31 中牟凹陷石炭-二叠系顶面Ro值平面分布图
中牟凹陷构造复杂，各次凹埋深差别大，各处的石炭－二叠系热演化梯度差异也很大，在东吴次凹石炭－二叠系地层Ro值最高，可达7.0%以上。
3）黄口凹陷的有机质成熟度：黄口凹陷商1井和丰参1井的Ro资料较全，因此对Ro和现今深度H的关系进行回归较为简单、可靠。根据所得到的回归方程组，当Ro为0.5%时，埋深为1243.7m,Ro估计值与实测值对应的深度接近（图6-32，图6-33）。根据现今埋深H和镜质体反射率Ro值回归方程组，也可以方便地确定黄口凹陷各处的石炭－二叠系顶面Ro值及其平面分布状况（图6-34）。
图6-32 黄口凹陷镜质体反射率与深度关系
图6-33 黄口凹陷镜质体反射率与深度回归曲线
黄口凹陷石炭－二叠系的热演化程度比涞源凹陷和中牟凹陷都要低得多。其顶面Ro值平面分布具有南低北高的特点，Ro值最高处靠近凹陷北部断裂带，可达3.0%以上。这主要是因为其埋藏较浅，长期处于隆起状态，直至古近纪才有较大幅度的沉降和掩埋。
图6-34 黄口凹陷石炭-二叠系顶面Ro值平面分布
（2）石炭－二叠系有机质热演化阶段
济源凹陷上古生界石炭－二叠系烃源岩自沉积以来，经历了长期、断续、复杂的演化，其中热演化的差异主要出现在三叠纪之后，尤其是在J3—K1和E的沉积过程中。根据该区热演化历程和差异的状况，热演化史可划分为一次深埋中低变质阶段（C2—T3）、燕山期岩浆热变质阶段（J—K）、二次深埋高变质阶段（E—Q）等3个热演化阶段（表6-26）。
表6-26 开封坳陷及鲁西豫东隆起区古生界生烃热演化阶段划分
1）一次深埋中低变质阶段（C2—T3）：自中石炭世开始，该区再次沉降，普遍沉积了石炭－二叠及三叠系，上古生界煤系埋深不断加大，至三叠纪末期Tg层埋深达2800～3500m，含煤岩系的Ro达0.65%～0.8%。随后，该区大面积抬升，古生界热演化在大部分地区再次中断。本阶段的石炭－二叠系及三叠系以生成液态烃为主。仅济源地区持续沉降至中侏罗世，Tg层埋深达5000～6000m，古生界烃源岩演化至高成熟阶段，达到液态烃的高峰期，并开始生成大量的气态烃。
2）燕山期岩浆热液变质阶段（J—K）：在济源和东濮南部地区，燕山期岩浆活动比较强烈，古地温梯度较高，古生界烃源岩受到烘烤和热液作用，演化程度大幅度增高。例如东濮南部兰古1井、长1井、马古11井等井的古生界，目前埋深仅3000m 左右，Ro却高达3.4%～6.0%，济源－焦作煤矿古生界煤系Ro也普遍在4%以上。
3）二次深埋高变质阶段（E—Q）：在喜马拉雅期，中原地区发生差异性断陷作用。在断陷区，石炭－二叠系烃源岩再次被深埋，Tg降至4000～10000m，有机质演化至高成熟－过成熟阶段。如前所述，这个阶段是石炭－二叠系烃源岩的二次生气期，在多数地区也是最为有效的生气期。
（3）石炭－二叠系生烃演化
1）石炭－二叠系的二次生烃条件：综合上面各方面的资料，认为石炭－二叠系煤岩属较差—较好的烃源岩。暗色泥岩、炭质泥岩为较好—较差的烃源岩，灰岩为较差的烃源岩，纵向上生烃能力由下向上变差。其中，二叠系山西组、石炭系（太原组、本溪组）暗色泥岩、煤的有机质丰度高，烃源岩厚度大，有机质类型相对较好，是石炭－二叠系的主要烃源岩；炭质泥岩和生物灰岩厚度不大，上石盒子组下部、下石盒子组下部泥岩有机质丰度较低，是石炭－二叠系的辅助烃源岩。
自从石炭－二叠系沉积以后，开封坳陷经历了印支期、燕山期和喜马拉雅期3个大的沉降过程及其间两个大的抬升剥蚀过程，相应地出现3个生烃期。早期生成的油气在后来的抬升剥蚀过程中可能已散失殆尽，特别是在燕山运动活跃地区，因此后期二次生烃更具有现实意义。研究区黄口、中牟、民权、成武和鱼台凹陷的石炭－二叠系，在印支期末的成熟度较低，Ro大致在0.6%～1.0%（图6-35）。印支期后，该区除济源凹陷外，其他地区抬升接受剥蚀，至燕山期该区大部分地区下沉，中牟西部、黄口、成武、鱼台地区均沉积了一定厚度的中生界地层。但由于燕山期沉降厚度不大，Ro进一步变化较小，大致在1.0%左右。只是到了喜马拉雅期，由于发生大幅度沉降，石炭－二叠系的现今成熟度与燕山期末相比有大幅度提高，Ro值一般达到2.0%左右，甚至更高。因此，从构造及烃源岩演化角度分析，古近系二次深埋的地区是古生界二次生烃的有利地区。
图6-35 开封坳陷及鲁西豫东隆起区三叠纪末Ro等值线（%）图
2）上古生界二次生烃演化史：结合构造演化史、热演化史、石炭－二叠系埋藏史分析和有机质热演化研究，该区石炭－二叠系生烃演化史可归纳为如下3种类型：
济源型：其特点为中生界沉积巨厚、Tg（奥陶系顶面）埋藏深。至白垩纪末期，Tg埋深已达4000～7000m，烃源岩演化已经达到过成熟阶段。大量生烃期在侏罗－白垩纪。燕山期的构造活动十分强烈，对早期形成的油气藏起到明显的破坏作用；喜马拉雅期虽有深埋（局部地区隆起），但生烃量有限，不利于油气藏的形成。该原型所在的主要地区为济源凹陷（图6-36）。
图6-36 济源凹陷埋藏史图
中牟型：中生代以隆起为主，侏罗－白垩系地层缺失或较薄，主要沉降期和生烃期为古近纪。三叠纪末，Ro演化至0.65%～0.8%，直到古近纪再次埋深进入大量生烃阶段，古生界埋深6000～10000m,Ro演化达2.0%以上。生烃史与构造史匹配关系较好，有利于油气藏的形成。该原型所在的主要地区包括中牟凹陷（图6-37）和民权凹陷。
图6-37 中牟凹陷烃源岩埋藏史图
黄口型：自晚三叠世—侏罗纪长期处于隆起状态，三叠系及二叠系部分被剥蚀，随后沉积了1000～2500m侏罗－白垩系，古生界现今埋深（图6-38）5000～10000m，燕山期具备二次生烃，但主要沉降期和生烃期为古近纪，原型地区包括黄口凹陷、成武凹陷和鱼台凹陷。
图6-38 黄口凹陷埋藏史图
根据上述分析，开封坳陷发育区石炭－二叠系烃源岩的二次生烃有利区是中牟凹陷、黄口凹陷、民权凹陷、成武凹陷和鱼台凹陷。由于济源凹陷主要生烃期在印支期，目前烃源岩因过成熟而丧失生烃能力，成为古生界油气勘探的不利地区。
