0 引言
渤海湾盆地黄骅坳陷油气资源勘探初期一直以新生界为烃源岩进行勘探［1-2］。20世纪90年代末，大港油田勘探开发研究院在WS1井发现与上古生界煤岩有关的油气藏显示，表明煤岩具有较好的生烃潜力及形成大型油气藏的可能［3-4］。随着对潜山内幕原生油气藏认识的不断深入，港北、歧北、乌马营等一批以上古生界煤岩为目的层系的原生油气藏逐步被发现［5-8］，揭示其具有巨大的油气资源潜力，并且与该套煤岩有关的基础地质研究也受到广泛关注。基础地质研究不仅一直指导油田现场生产，也是油气行业勘探开发力度逐步提升的基本前提。随着对原生油气藏研究的深入，在黄骅坳陷内多个地区的上古生界煤岩中发现大量早期包裹体和固体沥青［9-10］，这不仅证实了原生油气藏的存在，也标志着黄骅坳陷上古生界煤岩在基础地质研究方面取得理论突破。前人对黄骅坳陷上古生界煤岩特征及其生烃演化进行了大量研究，张津宁等［9］利用盆地模拟分析了构造运动对上古生界煤岩生烃演化的控制作用并得出中生代构造运动对上古生界煤岩一次生烃演化具有重要的控制作用；杨池银等［11］对黄骅坳陷中南部煤岩发育区煤成气地质条件进行了分析并划分了勘探有利区；朱炎铭等［12］分析了石炭系—二叠系煤成烃演化的构造作用并得出黄骅坳陷石炭系—二叠系烃源岩曾经历过3次重要的生烃作用。但是这些研究主要集中在石炭系—二叠系煤系烃源岩的地质条件、生烃演化及有利区划分等方面，未能将其进行结合。鉴于此，本文借助岩石热解、显微组分鉴定及热模拟等实验对黄骅坳陷内大港探区石炭系—二叠系煤岩的地球化学特征、显微组分及生烃潜力进行了分析，以期对该套煤岩的生烃母质、资源潜力及演化特征有一个较为系统的认识，并为研究区煤系气的开采提供较为系统的理论知识，为后续该地区油气的开采提供理论支持。
1 地质概况
黄骅坳陷地处渤海湾盆地中部，走向呈SW—NE向，沧县和埕宁2条呈NE向的隆起将其夹在中间，背部紧邻燕山褶皱带，南部被埕宁隆起所隔断（图1），是盆地内一级负向构造单元，面积约为17 000 km2，含有丰富的油气资源［13-15］。歧口凹陷、沧东凹陷等次级构造单元在坳陷内部发育。其中，歧口凹陷位于黄骅坳陷的中北部，可对其进一步划分为歧口主凹、板桥次凹、北大港潜山等小构造单元［16］。黄骅坳陷自元古代以来经历了古生代台地建造、印支期挤压、燕山期板内造山及古近纪—新近纪复杂裂陷4个演化阶段［9，17］。加里东运动［9，12］使得黄骅坳陷由稳定的海相克拉通盆地逐步演化成寒武纪—奥陶纪海相碳酸盐岩沉积建造，晚奥陶世发生抬升，地层遭受风化剥蚀，普遍缺失上奥陶世至下石炭世沉积。中—晚石炭世［5-6，9］为海陆交互相建造期，发育灰岩、碎屑岩及煤系地层；山西组沉积期大型内陆盆地已具雏形，发育夹页岩与煤层的碎屑岩沉积。黄骅坳陷内广泛发育上古生界，最大厚度为1 100 m，多为600 m。其中，煤岩主要发育于山西组和太原组，多呈整合或平行不整合接触。上古生界煤岩具有厚度大、分布广、生烃潜力大的特点，具有形成较大油气藏的潜力。
2 煤岩地球化学特征
2.1 煤岩分布
2.2 有机质丰度
有机质丰度是评价烃源岩地球化学特征的常用指标，当前有机质丰度主要利用总有机碳含量（TOC）、氯仿沥青“A”等指标进行评价。本文主要通过研究石炭系—二叠系煤岩的总有机碳含量（TOC）、氯仿沥青“A”、生烃潜量（S 1+S 2）来评价其有机质丰度。
2.2.1 总有机碳含量（TOC）
2.2.2 氯仿沥青“A”
2.3 有机质类型
2.3.1 煤岩显微组分
本文选取58个煤岩样品进行实验分析，通过在油浸反射光下对其薄片进行观察（图6），发现石炭系—二叠系煤岩有机显微组分以镜质组为主，平均含量为60.35%，惰质组为28.6%，壳质组+腐泥组一般为11.05%。其中壳质组含量变化较大，在某些地区或某些分层的煤中可达残植煤的富集程度，如孔古4井、徐井4井等，大部分地区壳质组含量通常小于10%。表明研究区具有良好的生烃物质基础和成熟条件，能满足油气大量生成对母质的需求。
图7（a）为山西组煤层有机显微组分分布：北大港潜山镜质组含量最高，平均值为71.46%，徐黑潜山镜质组最低，为41%；徐黑潜山壳质组含量最高，为33.83%，北大港潜山最低，为8.24%；惰质组在不同地区含量相差不大，多为20%~30%。
图7（b）为太原组煤层有机显微组分分布：在整个研究区内，镜质组所占比例最高且均匀分布，平均值为70.8%；其次为惰质组，其中王官屯地区含量最高，均值为35.6%；壳质组最少，一般分布少于15%。
研究区石炭系—二叠系煤系烃源岩镜质组含量分布见图8（a）：镜质组含量为50%~80%，且东部含量高于西部；以孔西潜山为界，越靠近歧口凹陷煤层镜质组含量越高，直至歧口凹陷煤系烃源岩镜质组含量可达80%。与研究区中部相比，南部地区煤系烃源岩镜质组含量较高。
研究区石炭系—二叠系煤系烃源岩惰质组含量一般为20%~40%。且歧口凹陷煤系烃源岩为惰质组高值区，为30%，而在歧口凹陷东西两侧则存在越远离歧口凹陷，煤系烃源岩惰质组含量越小的特征。北大港潜山煤系烃源岩惰质组含量一般为20%，孔店潜山则为10%~20%。研究区南部惰质组含量存在从徐黑凸起向南皮凹陷、吴桥凹陷以及中区逐渐增加的趋势［图8（b）］。
研究区石炭系—二叠系煤系烃源岩中壳质组含量为15%~20%。在研究区中部，壳质组含量呈现西高东低的趋势，北大港潜山煤系烃源岩壳质组含量一般为15%。从孔店潜山往东，煤系烃源岩中壳质组含量存在减小的趋势，至歧口凹陷煤系烃源岩壳质组含量为10%~15%。在研究区南部，徐黑凸起煤层中壳质组含量≥20%。自徐黑凸起向西，烃源岩中壳质组含量逐步降低，南皮凹陷、吴桥凹陷煤层中壳质组含量≤15%［图8（c）］。
2.3.2 有机质类型划分
本文针对烃源岩有机质类型研究采用三类四分法，即分为Ⅰ型、Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型［19］。利用氢指数（I H）与最高热解峰温（T max）的关系及有机岩石学方法对烃源岩有机质类型进行划分。
2.3.2.1 氢指数（I H）与最高热解峰温（T max）
研究区烃源岩氢指数（I H=S 2/TOC×100）与热解峰峰顶温度（T max）关系见图9。通过煤的T max—I H指数分布图可以发现北大港潜山、埕海潜山和孔店潜山烃源岩有机质类型主要为Ⅱ2型—Ⅲ型干酪根，徐黑潜山的有机质类型主要为Ⅱ1型—Ⅱ2型干酪根，生烃阶段处于生油窗阶段；总体分析研究区有机质类型以Ⅱ2型—Ⅲ型干酪根为主，但由于演化程度处于成熟阶段，所以大部分地区有机质主要以生油为主。
2.3.2.2 有机质类型岩石学评价
表1 有机质类型划分Table 1 Classification of organic matter types |
| 类型 | ∑HP | ∑OP | 成烃特征 |
|---|---|---|---|
| Ⅰ | 550~620 | >550 | 油，少量气 |
| Ⅱ1 | 550~400 | 550~300 | 油为主，气少 |
| Ⅱ2 | 400~150 | 300~100 | 气为主，油少 |
| Ⅲ | <150 | <100 | 气为主，油少 |
∑HP=∑(Xi·HPi )/100
∑OP=∑(Xj·OPj )/100
式中：Xi 代表第i类生烃母质的百分含量；HPi 、OPi 分别为第i类生烃母质对应的HP和OP值。
通过对黄骅坳陷石炭系—二叠系18口井进行采样，并利用有机岩石学方法对其有机质类型进行评价，共获得72个有效数据，并以此作出其频率分布直方图，如图10所示，Ⅲ型有机质最多（48个）；Ⅰ型有机质最少（2个）。结果表明有机质类型以Ⅲ型为主，北大港潜山和埕海潜山部分地区存在Ⅱ2型干酪根，即干酪根以生气为主。
2.4 有机质成熟度
本文运用镜质体反射率（R O）对有机质成熟度进行评价。基于本实验结果与前人研究资料进行统计，绘制石炭系—二叠系烃源岩R O与井深关系图（图11），研究区钻至上古生界的钻井，其石炭系—二叠系煤系烃源岩镜质体反射率（R O）一般为0.5%~1.3%，R O平面分布特征见图12。乌马营潜山内的乌深1井是研究区内钻至石炭系的最深井，其镜质体反射率R O值为1.53%，乌马营地区R O值为0.85%~1.53%，平均值为1.17%，其镜质体反射率处于成熟阶段且随着深度的增加呈良好的线性关系；徐黑潜山R O值为0.47%~1.38%，平均值为0.72%，受岩浆岩体的作用，徐7井和徐12井在相同的埋深处镜质体反射率值较同层位的煤岩大；孔店潜山R O值为0.35%~1.72%，平均值为0.87%；北大港潜山R O值介于0.46%~1.48%之间，平均值为0.81%。
图11 大港探区不同凹陷区石炭系—二叠系烃源岩R O与井深关系Fig.11 Relationship between R O and well depth of Permo-Carboniferous source rocks in different sag areas of Dagang exploration area |
综合分析，研究区煤岩的镜质体反射率主要介于0.50%~1.50%之间，即烃源岩从低成熟到高成熟都有分布，主要集中在低成熟—成熟阶段。其中，孔店潜山、北大港潜山以及埕海潜山煤系烃源岩已进入生油窗，达到成熟阶段，是较好的油气成藏区；乌马营潜山石炭系—二叠系煤系烃源岩则达到高—过成熟阶段，有利于天然气的大量生成。
3 生烃特性
3.1 生烃潜量（S 1+S 2）
本文采用岩石热解实验对研究区内72个样品进行生烃潜量分析。结果表明：研究区山西组煤岩生烃潜量一般为70~120 mg/g，其中埕海潜山和南皮凹陷为高值区，二者山西组煤岩生烃潜量≥70 mg/g，北大港潜山为60~100 mg/g，孔店潜山山西组煤岩生烃潜山为60~80 mg/g［图13（a）］。
研究区太原组煤系烃源岩中生烃潜量一般为70~120 mg/g，其中徐黑潜山和北大港潜山为高值区，孔西潜山山西组煤岩生烃潜量一般为70~90 mg/g，埕海潜山山西组煤岩生烃潜量一般为60~90 mg/g，相对于太原组生烃潜量较低。徐黑潜山太原组煤岩生烃潜量为70~120 mg/g，北大港潜山太原组煤岩生烃潜量为70~140 mg/g［图13（b）］。
综合分析发现，研究区整体表现出较好的生烃潜力，其中太原组煤岩生烃潜量整体较山西组生烃潜量高；石炭系—二叠系煤岩生烃潜量的高值区分布于徐黑潜山和北大港潜山，孔店潜山相对较低。
3.2 热模拟实验
热模拟实验是进行烃源岩生烃潜力分析的重要方法，不仅可以确定烃源岩的生烃能力，还可以知晓烃源岩的大量生烃期，被广泛用于烃源岩地球化学特征及对比研究［22］。
本文研究选用密闭容器加水热模拟的方法。共选择7个温度点：250 ℃、300 ℃、350 ℃、375 ℃、400 ℃、450 ℃和500 ℃。当水淹没样品时停止加水。分别对气态产物和液态产物进行收集并测定，液态产物包括岩石颗粒表面所吸附的和岩石残渣抽提所得以及釜壁、液面的全部液态产物。
本次实验选用研究区孔古8井太原组的煤岩样品，配置多份，每份100 mg，煤岩显微组分以镜质组为主，含量为59.9%，惰质组为27.1%，壳质组为13%，是该地区典型的煤岩。
表2 不同温度下煤岩加水热模拟产物Table 2 Simulation products of coal rocks under different temperatures |
| 模拟温度 /℃ | 残留油 /mg | 凝析油 /mg | 轻质油 /mg | 排出油 /mg | 累积产烃量 /mg |
|---|---|---|---|---|---|
| 250 | 212.28 | 17.42 | 3.92 | 21.34 | 236.67 |
| 300 | 409.21 | 87.18 | 22.55 | 109.73 | 559.61 |
| 350 | 335.49 | 308.63 | 115.51 | 424.14 | 1 015.29 |
| 375 | 170.61 | 342.19 | 62.82 | 405.01 | 1 263.69 |
| 400 | 76.38 | 311.68 | 53.8 | 365.48 | 1 654.48 |
| 450 | 13.56 | 164.66 | 18.83 | 183.49 | 2 490.26 |
| 500 | 3.36 | 36 | 3.66 | 39.66 | 2 724.04 |
表3 煤岩热解气成分百分含量表Table 3 Percentage content of thermal desorption gas in coal rocks |
| 模拟温度 /℃ | CO2/% | H2/% | 烃气 /% | 非烃气 /% | CH4/% | （C2—C6） /% |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 250 | 46.2 | 3.8 | 1.2 | 98.8 | 0.1 | 1.2 |
| 300 | 66.1 | 6.1 | 11.8 | 88.2 | 5.4 | 6.4 |
| 350 | 47.9 | 9.5 | 30.9 | 69.1 | 11.0 | 19.9 |
| 375 | 32.8 | 10.1 | 45.5 | 54.5 | 16.3 | 29.2 |
| 400 | 32.5 | 8.6 | 50.9 | 49.1 | 21.1 | 29.8 |
| 450 | 21.2 | 7.1 | 60.6 | 39.4 | 37.9 | 22.7 |
| 500 | 20.8 | 8.0 | 60.8 | 39.2 | 52.1 | 8.7 |
据图15可以发现：随着温度的增加，烃类气体所占比重不断增加。当热解温度小于350 ℃，烃类气体所占比例约为30%；非烃类气体的含量较大，约为70%，且烃类气体所占比例随着温度的增加而逐步增大，油产量也相应增加；当热解温度介于300~500 ℃之间时，非烃类气体的百分比大幅降低，且烃类气体产率逐渐减小，CO2含量也随之下降，但是烃类气体在该阶段百分含量变大，其中C2—C5重烃气百分比较多，油产量逐渐减少；当热解温度高于450 ℃时各类气体基本趋于稳定，变化较小。
4 结论
（1）黄骅坳陷石炭系—二叠系煤系烃源岩有机质类型以Ⅱ2型和Ⅲ型为主，有机质丰度高且处于成熟阶段，局部地区受岩浆作用出现高成熟阶段的特征。
（2）石炭系—二叠系煤系烃源岩有机显微组分具有以镜质组含量为主、惰质组次之的特征。其中镜质组平均含量为60.35%，惰质组为28.6%，壳质组+腐泥组平均含量为11.05%，并且存在部分地区富氢的壳质组分含量较高。
（3）通过对不同类型有机显微组分和不同类型烃源岩生烃特性研究，揭示了黄骅坳陷上古生界煤岩具有良好的生烃潜力及以生气为主、生油为辅的特点。
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