川东南涪陵地区凉高山组湖相页岩生烃潜力评价

李 斌 ，吉 鑫，彭 军，张 昆，魏祥峰

1.西南石油大学地球科学与技术学院，四川 成都 610500；2.油气藏地质及开发工程全国重点实验室·西南石油大学，四川 成都 610500；3.中国石化勘探分公司，四川 成都 610041

引言

陆相页岩油作为中国非常规油气的重要接替领域已经受到广泛关注[1-3]。近年来，随着涪陵地区泰页1 井、平安1 井等探井在四川盆地凉高山组页岩中获得高产油气流，揭开了四川盆地陆相页岩油勘探开发的序幕[4]。前人对川东南涪陵地区凉高山组的沉积特征、构造特征等进行了研究，发现其发育三角洲－湖泊沉积环境并且区域构造稳定[2-5]，但受勘探程度的影响，对凉高山组不同沉积环境页岩的有机地化特征及生烃潜力还认识不清，制约了对凉高山组页岩的资源评价。

本文以油气地球化学和成藏动力学理论为指导，借助数值模拟手段，开展凉高山组湖相烃源岩地化特征和热演化“四史”关系研究，查明川东南地区凉高山组陆相页岩的生排烃特征和资源潜力，为该区陆相页岩油气的勘探开发提供指导。

1 区域地质概况

涪陵地区位于川东褶皱带万县复向斜带拔山寺向斜，西邻大池干复背斜、东邻方斗山复背斜，构造呈北东向延伸（图1）。凉高山组自上而下划分为凉三段、凉二段和凉一段3 个亚段，主要由灰黑色泥岩、灰色泥岩和泥质粉砂岩组成，并夹有砂岩及泥灰岩等韵律层，是涪陵地区页岩油形成及聚集的主力层段（图2）。

图1 川东南涪陵地区位置及区域地质构造图Fig.1 Location and regional geological structure of Fuling Area,southeastern Sichuan

图2 川东南涪陵地区凉高山组地层综合柱状图Fig.2 Comprehensive stratigraphic column of Lianggaoshan Formation in Fuling Area,southeastern Sichuan

凉高山组页岩广泛分布在半深湖及浅湖沉积环境（图3），纵向上烃源岩层系主要分布于凉高山组二段和凉高山组一段[2-5]。其中，凉二下亚期和凉一上亚期，盆地内各凹陷相对稳定，后期破坏较少，广泛分布了优质泥页岩。

图3 涪陵地区凉二下段 凉一上段沉积相图Fig.3 Sedimentary facies of the Lower Member of Liang 2 to the Upper Member of Liang 1 in Fuling Area

2 烃源岩有机地化特征

区域研究显示，川东南涪陵地区中侏罗统凉高山组为三角洲－湖泊沉积环境，发育灰黑色泥页岩烃源岩，具有良好的生烃条件[6]，凉高山组有效烃源岩厚度为30～70 m，多口探井在凉高山组页岩段均具有较好的油气显示。

2.1 有机质丰度

烃源岩的有机质是形成油气的物质基础，其在岩石中的含量决定了岩石的生烃能力，通常采用总有机碳含量（ITOC）、氯仿沥青“A”及岩石热解生烃潜量作为有机质丰度的评价参数[7-8]。

2.1.1 总有机碳含量

总有机碳含量指存在于有机质中的碳占岩石质量的百分比。涪陵地区9 口钻井168 个凉高山组样品分析显示，总有机碳含量在0.05%～3.58%，平均1.11%。纵向上，凉二段下亚段岩芯总有机碳含量最高，在0.32%～3.58%，平均1.57%；凉一段上亚段次之，总有机碳含量在0.22%～1.94%，平均0.81%，其余层段总有机碳含量平均值均小于0.50%。对比表明，凉二段下亚段、凉一段上亚段总有机碳含量相对较高，有机质丰度较高（表1）。

表1 涪陵地区典型井不同层段、不同沉积相总有机碳含量对比Tab.1 TOC content of different layers and different sedimentary facies of typical wells in Fuling Area

2.1.2 氯仿沥青“A”

氯仿沥青“A”反映岩石中可溶有机质的含量，通常用占岩石质量的百分比来表示，中国中生代－新生代湖相主力烃源岩的氯仿沥青“A”一般在0.100%以上[9]。对涪陵地区不同沉积环境的28 个页岩样品进行统计，发现凉高山组页岩氯仿沥青“A”值分布在0.008%～1.930%，其中，9 个滨湖相样品的平均为0.120%，10 个浅湖相样品的平均为0.230%，9 个半深湖相样品的平均为0.680%，整体平均为0.340%，整体为良好烃源岩，且随着水体变深，氯仿沥青“A”的值逐渐增大（图4）。

图4 凉高山组实测氯仿沥青“A”含量Fig.4 Content of chloroform asphalt “A” in Lianggaoshan Formation

岩石Rock-Eval 热解仪分析得到的S1和S2分别为残留烃和裂解烃，可以反映烃源岩有机质丰度[10]。从涪陵地区凉高山组30 个烃源岩样品热解结果（图5）可以看出，10 个滨湖相页岩样品的岩石平均生烃潜量为3.32 mg/g，10 个浅湖相页岩样品的岩石平均生烃潜量为4.22 mg/g，而10 个半深湖相页岩样品的平均生烃潜量最大，为4.69 mg/g，整体来看，川东南涪陵地区凉高山组不同沉积环境页岩生烃潜量的平均值为4.08 mg/g，为中等烃源岩。

图5 凉高山组不同沉积环境页岩生烃潜量直方图Fig.5 Hydrocarbon generation potential of shale in different sedimentary environments of Lianggaoshan Formation

2.2 有机质类型

2.2.1 显微组分

显微组分特征是划分有机质类型的重要依据。涪陵地区凉高山组页岩有机质显微组分以壳质组、镜质组和惰质组为主。以涪陵地区TY1 井凉二段－凉一段的烃源岩样品为例，镜下显示其有机质以镜质组和惰质组为主，且存在少量固体沥青。其中，镜质组具有较清晰的木质结构，在显微镜下呈现板块状、不规则或规则的条带状，颜色大多为橙红色至红褐色，透明至半透明（图6a，图6b）；惰质组在显微镜透射光下为黑色不透明，呈现断块状、碎片状和卵圆状（图6c，图6d）；壳质组在显微镜下呈现细长带状，外缘平滑，内缘呈锯齿状、波纹状（图6e，图6f）。沥青在显微镜下呈现多种状态：有些矿物沥青基质几乎无荧光，有些则呈较弱荧光，有些固体沥青沿岩石裂缝充填（图6g，图6h），矿物沥青基质中见少量壳质组。

图6 TY1 井凉二段一 凉一段页岩岩芯及薄片显微照片Fig.6 Microscopic photos of shale core and thin sheet of Liang 2 and Liang 1 Member of Well TY1

对涪陵地区凉高山组19 个页岩样品进行显微组分定量分析，采用式（1）计算T值

式中：

T—T值，%；

A－腐泥组含量，%；

B－壳质组含量，%；

C—镜质组含量，%；

D－惰质组含量，%。

这些样品的T值见图7，可以看出，涪陵地区凉高山组页岩干酪根类型以II1型和II2型为主，少量I 型和III 型，表明沉积演化过程中存在多种类型生源母质的混合。其中，II1型和II2型干酪根主要来源于浮游生物（以浮游植物为主）和微生物的混合物，生油生气潜力中等，主要发育在半深湖沉积环境，而III 型干酪根多发育在浅湖和滨湖环境中。

图7 凉高山组页岩干酪根T 值Fig.7 Kerogen T value of shale of Lianggaoshan Formation

2.2.2 岩石热解

岩石热解是判识烃源岩有机质类型的重要依据之一。通常烃源岩的热演化程度越高，残余干酪根的可降解碳就越少，P2峰值减小，且P2峰最高点对应的最大热解峰温（Tmax）越大，因此，最大热解峰温是良好的成熟度参数。此外，氢指数、氧指数与干酪根的元素组成也有重要关系，可以借助氢指数和最大热解峰温的交会图、氢氧指数交会图来划分干酪根的类型。

对涪陵地区凉高山组62 个泥页岩样品的最大热解峰温、氢指数和氧指数进行测定，绘制最大热解峰温与氢指数交会图及氢氧指数交会图（图8），可以看出，泥页岩氢指数在39～246 mg/g，多数样品分布在II1和II2型区间，少量在III 型分布区。

图8 凉高山组页岩最大热解峰温与氢指数交会图及氢氧指数交会图Fig.8 Intersection map of Tmax-IHI and hydrogen-oxygen index of shale of Lianggaoshan Formation

2.3 有机质成熟度

有机质成熟度是表征烃源岩中有机质经历的热演化程度，通常采用镜质体反射率（Ro）表示[11-12]。对涪陵地区凉高山组27 个泥页岩样品的镜质体反射率进行测定，镜质体反射率分布于0.98%～1.46%，主要在1.22%～1.38%，平均1.32%，烃源岩大多处于成熟—高成熟演化阶段（图9）。

图9 凉高山组页岩实测镜质体反射率值分布频率Fig.9 Frequency distribution histogram of measured Ro value of shale of Lianggaoshan Formation

统计不同沉积环境的27 个泥页岩样品的镜质体反射率发现，滨湖相泥页岩的镜质体反射率最低，平均值为1.15%，烃源岩处于成熟阶段；浅湖相泥页岩的镜质体反射率略高于滨湖相，平均值为1.24%，处于成熟阶段；而半深湖相泥页岩的镜质体反射率最高，平均值为1.39%，处于高成熟阶段（图10）。

图10 凉高山组不同沉积环境页岩实测镜质体反射率Fig.10 Measured Ro values of shale of Lianggaoshan Formation in different sedimentary environments

3 生烃动力学模拟

生排烃过程恢复对准确认识烃源岩的热演化史及评价生烃潜力有着重要意义[13-14]。学者通常采用物理模拟取得相应的排烃参数，但模拟存在时间长、费用高及模拟有效性不足等缺陷，而建立有效的动力学模型并开展动力学过程的数值模拟在行业内应用较为广泛[15]。

3.1 初始有机碳恢复

由于岩石中的有机质经历了漫长的演化历史，原始的有机质丰度已无法确定，实测的有机碳含量实质上是残余的有机碳含量。有学者认为，在高成熟阶段，现今残余有机碳含量可能只有原来的二分之一，所以要对残余有机碳含量进行恢复从而得到初始总有机碳含量[15]。对烃源岩初始有机碳恢复的方法较多，通过干酪根类型进行估算是较为常用的手段[16]，当从成熟烃源岩样品中测得氢指数和总有机碳含量值，初始总有机碳含量值就可以通过式（2）进行重构

式中：

ITOC0—初始总有机碳含量，%；

p—碳占所生成石油的比例，通常取83%；

IHI—氢指数，mg/g；

ITOC—实测总有机碳含量，%；

IHI0—初始氢指数，mg/g；

TR—转化系数，%。

经过恢复后的涪陵地区6 口单井凉高山组页岩初始总有机碳含量如表2 所示，可以看出，涪陵地区凉高山组初始总有机碳含量最低为1.71%，最高为2.47%，平均初始总有机碳含量为2.24%，表明该区凉高山组页岩有机质丰度较高。涪陵地区凉高山组初始氢指数最低为135 mg/g，最高为241 mg/g，平均初始氢指数值为204 mg/g。

表2 凉高山组部分井总有机碳含量和氢指数Tab.2 Current and initial ITOC and IHI values of some wells of Lianggaoshan Formation

3.2 生烃动力学模型

烃源岩热演化生烃过程是一个在热力学作用下的化学反应过程，是生烃评价的关键因素[17]。目前，生烃动力学模型建立的方法较多，如体积动力学法、油气动力学法及组分动力学法等[17]，本次研究采用体积动力学法[16-18]，根据湖相烃源岩的初始有机碳和氢指数以及油气转化率等关键参数建立相应的生烃动力学模型。其中，有机质的油气转化率参考了实际生产资料，包括XL101、TL202 和TY1 等3 口工业油气井的产能（表3），根据式（3）和式（4）建立了凉高山组II1型、II2型和III 型生烃动力学模型（图11），为烃源岩生排烃量的模拟提供了准确依据。

表3 部分单井凉高山组产能数据统计表Tab.3 Statistics of productivity data of some wells of Lianggaoshan Formation in Fuling Area

图11 凉高山组生烃动力学模型（开放体系）Fig.11 The hydrocarbon kinetic model of Lianggaoshan Formation（Open system）

式中：mo—实际生油质量，kg；

V—烃源岩体积，m3；

ϕ—孔隙度，%；

ρr—岩石密度，kg/m3；

y—生成石油的相对质量，g/kg；

ko—生油质量占生烃总质量的比值，%；

mg—实际生气质量，kg；

kg—生气质量占生烃总质量的比值，%。

3.3 热史模型

镜质体反射率约束下的热史模型是有机质热演化恢复的约束条件。本次研究对6 口关键井各取5 个样品进行Ro实测值与模拟Ro曲线拟合[19]，从标定结果来看，拟合程度较高，模拟结果接近实际（图12），热演化过程符合地质背景。

图12 涪陵地区单井镜质体反射率拟合曲线与实测值Fig.12 Fitting curve and measured value of single well Ro in Fuling Area

涪陵地区单井凉高山组页岩热演化模拟发现，研究区凉高山组页岩整体在侏罗世晚期开始成熟生烃，中侏罗世 早白垩世早期（139.0 Ma）为低成熟－成熟阶段，烃源岩处于生油窗阶段，早白垩世早期（139.0 Ma）－早白垩世晚期（117.5～11.0 Ma），烃源岩处于湿气—凝析气阶段（图13）。受不同地区构造演化的强度影响，凉高山组页岩热演化程度存在一定差异。

图13 涪陵地区单井凉高山组页岩热演化史图Fig.13 Thermal evolution history of shale in Lianggaoshan Formation of single well in Fuling Area

4 生烃潜力评价

4.1 页岩生烃转化率

评价烃源岩生烃潜力的主要指标有生烃转化率、产烃率和生烃总量。其中，生烃转化率指的是能生成烃类的有机质占有机质总量的比值[20-22]。前人对II 型和III 型干酪根的体积动力学的研究表明，当转化系数为0.5 时，达到排烃临界点[15，23-24]。对研究区FY1 井、FY4 井、FY5 井、TL7 井、TL601井和YX1 井生排烃史进行模拟，得到这6 口井的页岩生烃转化率（图14）。

图14 涪陵地区单井凉高山组页岩生烃转化率Fig.14 Hydrocarbon generation conversion rate of shale in Lianggaoshan Formation of single well in Fuling Area

模拟结果表明，涪陵地区凉高山组页岩从燕山运动晚期（171.0 Ma）开始生烃，达到最大生烃转化率的时间和最大生烃转化率存在差异，其中，滨湖相页岩生烃转化率于燕山运动晚期（115.0 Ma）达到最大，为65%；浅湖相页岩生烃转化率于燕山运动中期（145.0 Ma）达到最大，其最大转化率为96.5%；而半深湖相页岩生烃转化率于155.0 Ma 达到最大，为98.2%。总体来看，涪陵地区凉高山组页岩生烃转化率为65.0%～98.2%，平均为92.1%，生烃转化率较高。其中，滨湖相页岩的生烃转化率低，浅湖相和半深湖相的生烃转化率高。

4.2 页岩产烃率

产烃率指烃源岩生成烃类的速率，是盆地模拟计算油气资源的一项非常重要的参数[24-26]。涪陵地区凉高山组页岩产烃率模拟结果显示，凉高山组页岩产烃具有“单峰”型特征，从燕山运动晚期（171.0 Ma）开始产烃，其中，滨湖相泥岩于燕山运动中期（155.0 Ma）达到产烃高峰，而浅湖相页岩和半深湖页岩均于161.0 Ma 达到产烃高峰。

不同沉积环境页岩的最大产烃率存在差异，其中，滨湖相页岩最大产烃率仅为5.15 mg/（g·Ma）；浅湖相泥页岩的最大产烃率高于滨湖相页岩，在16.59～16.91 mg/（g·Ma）；而半深湖相页岩的最大产烃率最高，为17.40～18.50 mg/（g·Ma）。

总体来看，涪陵地区凉高山组页岩的最大产烃率的平均值在15.48 mg/（g·Ma），生烃时间持续25.0～40.0 Ma（图15）。

图15 涪陵地区单井凉高山组页岩产烃率Fig.15 Source rock hydrocarbon production rate of shale in Lianggaoshan Formation of single well in Fuling Area

4.3 烃源岩生烃量

生烃量指的是单元体积的烃源岩生成的烃类总量[25-27]。对涪陵地区凉高山组页岩进行生烃量模拟，可以看出，不同沉积环境的烃源岩的生烃量也存在差异，其中，滨湖相泥岩的单元体积（单元体积=1 km2×43.8 m，43.8 m 为凉高山烃源岩平均有效厚度）生烃总量最低，仅为63.0×104t；浅湖相泥岩的单元体积生烃总量在（115.0～120.0）×104t，平均为117.5×104t；而半深湖相泥岩的单元体积生烃总量最大，为（137.0～144.0）×104t，平均为141.0×104t。涪陵地区凉高山组页岩的平均单元体积生烃总量为120.5×104t；单元体积生油量为（19.0～86.0）×104t，平均60.8×104t；单元体积生气量为（44.0～73.0）×104t，平均59.7×104t（图16）。

图16 涪陵地区单井凉高山组页岩生烃量Fig.16 Hydrocarbon production of shale in Lianggaoshan Formation of single well in Fuling Area

4.4 生烃潜力综合评价

参考陆相泥质烃源岩评价标准[8]，可以看出，涪陵地区凉高山组不同沉积相带页岩的生烃潜力存在明显差异，其中，III 型泥页岩生烃潜力最小，其生烃转化率为65.0%，最大产烃率为5.15 mg/（g·Ma），单元生烃总量为65.0×104t，主要发育在滨湖相中；II2型泥页岩生烃潜力高于III 型泥页岩，生烃转化率为96.5%，最大产烃率为16.75 mg/（g·Ma），单元生烃总量平均为117.5×104t，其主要发育在浅湖相中；II1泥页岩生烃潜力最大，生烃转化率为98.2%，最大产烃率为18.10 mg/（g·Ma），单元生烃总量平均为141.0×104t，主要发育在半深湖相中（表4）。可以看出，半深湖相泥页岩是最优质的烃源岩，在涪陵地区主要分布于TL7－YX1－TY1 井区，是该区最有利的陆相页岩油富集区。浅湖相泥页岩次之，在涪陵地区主要分布于FY4—FY5－TL202 井区。滨湖相泥页岩最差，在涪陵地区主要分布在FY1－XL1－XL3 井区。

5 结论

1）涪陵地区凉高山组优质页岩主要分布在凉二下亚段和凉一上亚段，总有机碳含量平均值分别为1.57%和0.81%，氯仿沥青“A”含量在0.008%～1.930%，岩石热解生烃潜量为2.63～5.59 mg/g，具备良好的生烃物质基础。有机质类型主要为II1型和II2型，还存在少量I 型和III 型，镜质体反射率为0.98%～1.46%，处于成熟—高成熟演化阶段，生烃条件较好。

2）采用干酪根类型法恢复了涪陵地区凉高山组II1型页岩的初始平均总有机碳含量为2.44%，初始氢指数为239 mg/g；II2型页岩的初始总有机碳含量为2.20%，初始氢指数为185 mg/g；III 型页岩的初始总有机碳含量为1.71%，初始氢指数为135 mg/g，表明该区凉高山组页岩有机质丰度较高。

3）采用体积动力学原理建立了3 种生烃动力学模型，分别是川东南涪陵地区凉高山组II1型生烃动力学模型、II2型生烃动力学模型及III 型生烃动力学模型。模拟结果表明，涪陵地区凉高山组页岩平均生烃转化率为92.1%，生烃转化率较高；生烃具有“单峰”特征，最大产烃率平均为15.48 mg/（g·Ma）；烃源岩平均单元体积生烃总量为120.5×104t，其中，单元体积生油总量平均为60.8×104t，单元体积生气总量平均为59.7×104t。

4）凉高山组页岩生烃潜力受沉积环境影响：从滨湖－浅湖—半深湖，生烃转化率、最大产烃率和生烃总量呈现逐渐增加的趋势。其中，半深湖相泥页岩是最优质的烃源岩，其岩性为黑灰－灰黑色泥岩，有机质类型以II1型为主，生烃转化率为98.2%，最大产烃率为18.50 mg（/g·Ma），生烃总量为144 ×104t，在涪陵地区主要分布于TL7YX1－TY1 井区，是该区最有利的陆相页岩油富集区。