鄂尔多斯盆地南部过成熟煤系烃源岩晚期生烃

《Energies》：Late-Stage Hydrocarbon Generation in Overmature Coal-Measure Source Rocks of the Southern Ordos Basin

　　

鄂尔多斯盆地上古生界二叠系太原组和山西组是致密砂岩气的主要烃源岩序列。核心问题在于过成熟阶段生气过程的不确定性。为明确煤、碳质泥岩和暗色泥岩的生烃过程及潜力，研究人员整合了盆地模拟与生烃热模拟实验。利用PetroMod软件以及实测的镜质体反射率（Ro）、总有机碳（TOC）、最大热解峰温（Tmax）和生烃潜力（S1 + S2）数据，定量重建了南部鄂尔多斯盆地的埋藏史、热史、成熟度史和烃类演化史。结果表明，主生油窗集中在400 °C，气产率从350 °C到700 °C持续上升，无峰值，表明煤和碳质泥岩在极端高温条件下仍具有可观的生烃潜力。结合生烃率、岩石密度和TOC数据，煤被确定为南部鄂尔多斯盆地的主要烃源岩。该研究为克拉通盆地致密气勘探提供了科学依据，增强了对煤系烃源岩生气的认识，并为油气资源评价提供了新视角。

**论文解读：鄂尔多斯盆地南部过成熟煤系烃源岩晚期生烃——基于盆地模拟与热模拟实验的综合研究**

**研究背景与科学问题**

鄂尔多斯盆地是中国典型克拉通盆地，其上古生界二叠系太原组和山西组是该盆地致密砂岩气的核心烃源岩层系。随着勘探向深层延伸，传统认识认为烃源岩进入过成熟阶段（Ro > 2.0%）后生烃潜力已基本耗尽（“枯竭”状态），但近年来模拟实验和实际勘探表明，过成熟煤系烃源岩可能仍保有显著的生气能力，其生气上限从传统的Ro=2.5%拓展至约5%Ro等效值。然而，针对南部鄂尔多斯盆地这一具体区域，存在以下关键问题尚未解决：（1）过成熟阶段生气过程具有不确定性，缺乏对煤、碳质泥岩和暗色泥岩三种煤系烃源岩在极端高温（>600 °C）下生烃行为的系统对比；（2）已有热模拟实验样本类别不足、未取自目标层位、实验最高温度不足以揭示晚期生气特征；（3）缺少盆地模拟与超高温封闭系统实验的系统整合，难以定量重建时间-温度依赖的生烃历史并识别主导烃源岩类型。因此，开展本研究旨在明确南部鄂尔多斯盆地过成熟煤系烃源岩的晚期生烃潜力及其主控因素，为致密气资源评价提供科学依据。该论文发表于《Energies》。

**研究内容与主要结论**

研究人员选取南部鄂尔多斯盆地富县区块的XF1201井和长武区块的CT101井作为代表，首先利用PetroMod软件（2012版，斯伦贝谢）重建了各井的埋藏史、热史和成熟度历史，并通过实测镜质体反射率（Ro）、总有机碳（TOC）、最大热解峰温（Tmax）和生烃潜力（S1 + S2）数据校准模型。随后，针对从渤海湾盆地黄骅坳陷埕宁隆起采集的低成熟（Ro≈0.61%–0.64%）煤、碳质泥岩和暗色泥岩样品（因其与鄂尔多斯盆地南部煤系沉积环境及有机质类型（III型干酪根）相似），开展了封闭式高温高压高压釜热模拟实验，温度范围350–700 °C（步长50 °C，恒温12 h），定量收集了气态和液态烃类产物。通过生烃动力学分析，将实验温度与等效成熟度（Ro）相关联，结合盆地模拟结果，定量重建了高成熟至过成熟煤系烃源岩的生烃历史，并识别出贡献晚期生烃的主导源岩类型。

主要结论包括：（1）早白垩世（约140–100 Ma）区域构造热事件（深部热活动增强与岩石圈减薄）导致富县地区镜质体反射率达到3.63%，长武地区为2.13%，富县进入生气阶段比长武早约29 Ma，进入过成熟阶段早约19 Ma；（2）在700 °C实验温度下，煤、碳质泥岩和暗色泥岩的有机碳转化率分别为19.57%、26.08%和77.06%，暗色泥岩已基本耗尽可裂解组分，而煤和碳质泥岩仍保留显著生烃潜力，其残余干酪根或早期重烃可在超高温下进一步裂解生气；（3）煤的生气强度在富县和长武分别达2.90×10?和1.52×10? m3 km^?2，对总生烃贡献占比约68.3%和66.1%，是南部鄂尔多斯盆地最重要烃源岩。

**主要关键技术方法**

（1）**盆地数值模拟**：采用PetroMod软件，建立地层框架模型（基于钻井与录井数据）、岩性模型（基于测井曲线和岩性剖面）、热流模型（引用前人研究结果及全球古沉积物-水界面温度（paleo-SWIT）模型）、成熟度模型（EASY %Ro模型）。关键输入参数包括地质年代、地层厚度、岩性体积分数、古热流（富县井早白垩世峰值87.2 mW/m2，长武井66.2 mW/m2）、三期剥蚀厚度（晚三叠世、晚侏罗世、早白垩世末）及古地表温度。模拟结果用实测Ro值校准。

（2）**生烃热模拟实验**：采用封闭式高温高压高压釜系统，对低成熟煤（TOC=55.9%）、碳质泥岩（TOC=9.5%）和暗色泥岩（TOC=2.1%）三种样品（来自渤海湾盆地黄骅坳陷埕宁隆起，太原组底部，深度1684–1690 m），以20 °C/h速率从室温升至8个目标温度（350 °C至700 °C），每个温度点恒温12 h，定量收集气态烃（体积测量）和液态烃（索氏抽提称量），同时测定各温度下样品的Rock-Eval参数（S1, S2, Tmax）和Ro值。

**研究结果**

**4.1 盆地模拟结果：埋藏史、热史和成熟度史**

（1）**埋藏史**：南部鄂尔多斯盆地自早二叠世（~299 Ma）快速沉降，至晚三叠世末及晚侏罗世经历两次小幅抬升；早白垩世初（~145 Ma）再次快速沉降，于早白垩世末（~100 Ma）达到最大埋深（约4600 m，古地温>200 °C），随后大规模隆升剥蚀。

（2）**热史与成熟度史**：富县井（XF1201）在早白垩世热流从64.4 mW/m2升至87.2 mW/m2，Ro从1.22%迅速增至3.63%；长武井（CT101）热流从52.6 mW/m2升至66.2 mW/m2，Ro从0.96%增至2.13%。热成熟度在100 Ma达到峰值后基本不变。

（3）**平面分布**：现今Ro图显示富县地区源岩Ro普遍>3.5%，为热异常中心；长武地区Ro在2.0%–2.5%之间。

**4.2 生烃热模拟结果**

（1）**源岩评价参数与成熟度演化**：暗色泥岩氢指数（HI）高于煤和碳质泥岩；煤和碳质泥岩为III型干酪根，暗色泥岩为II?-III型干酪根。随温度升高，三种岩性TOC和S1+S2下降。通过煤的Ro数据拟合获得实验温度T（°C）与Ro的关系式：Ro = ?1.347×10^?7T3 + 2.0994×10^?4T2 ? 9.4779×10^?2T + 14.064（R2=0.9994）。

（2）**生烃过程**：350 °C以下油气生成极少；400 °C（Ro≈1.12%）油产率迅速攀升，进入主生油窗；煤和碳质泥岩油产率在400 °C后急剧下降，暗色泥岩仅小幅下降。气产率从300 °C至700 °C单调递增无峰值。700 °C时煤和碳质泥岩气产率分别为1271和1378 mL/g，暗色泥岩仅674 mL/g。

（3）**天然气生成比率**：以单位TOC计，暗色泥岩在过成熟阶段产气率更高（700 °C时1433 mL/g TOC）；以单位样品质量计，碳质泥岩和煤产气率更高（198和211 mL/g样品），因其TOC含量高。

**讨论部分总结**

**5.1 南部鄂尔多斯盆地生烃历史**

基于盆地模拟，富县井在约242 Ma（Ro≈0.5%）开始生油，约214 Ma（Ro≈0.8%）开始生气，约164 Ma（Ro≈1.12%）达到生油高峰，约135 Ma（Ro≈1.3%）生油终止；约122 Ma（Ro≈2.0%）进入过成熟阶段。长武井生油始于约239 Ma，生气始于约185 Ma，生油高峰在约127 Ma（Ro≈1.12%），约121 Ma（Ro≈1.3%）生油终止，约103 Ma（Ro≈2.0%）进入过成熟阶段。早白垩世构造热事件（140–100 Ma）导致富县地区生气和过成熟早于长武地区。该事件与盆地深部热活动及岩石圈减薄有关，由前人锆石U-Pb测年（黑石头沟玄武岩，126.7±2.4 Ma）及地温计研究支持。

**5.2 过成熟源岩生气潜力**

暗色泥岩S1+S2在700 °C降至0.29 mg HC/g rock（几乎耗尽），而煤和碳质泥岩S1+S2仍有3.80和2.97 mg HC/g rock，表明其残余生烃潜力。有机碳转化率计算表明，从500 °C到700 °C，煤转化率从7.3%升至19.6%，碳质泥岩从7.7%升至26.1%，暗色泥岩从15.5%升至77.1%。暗色泥岩高转化率归因于其可裂解有机质比例高（>70%）及粘土矿物、黄铁矿的催化作用；煤和碳质泥岩因惰质组比例高，超高温下仍保留未转化可裂解组分。

**5.3 煤系烃源岩生烃机理**

传统“干酪根热降解-热裂解生烃”模型认为过成熟阶段生烃潜力急剧下降至“枯竭”。本实验显示煤和碳质泥岩在700 °C时有机碳转化率仅约20%–26%，表明其残余干酪根或早期重烃可在超高温下进一步裂解生天然气。晚期生烃主要来自残留干酪根、早期累积重烃和活性显微组分的二次裂解；镜质组是高-过成熟阶段持续生气的主要贡献者，惰质组仅极高温下微弱裂解，壳质组在早期几乎完全消耗。产物以甲烷为主的干气。

**5.4 煤系烃源岩生烃能力差异**

利用公式计算生气强度（单位面积1 m厚源岩生气量）。在富县地区（对应600 °C等效成熟度），煤、碳质泥岩和暗色泥岩的生气强度分别为2.90×10?、1.14×10?和0.21×10? m3 km^?2；在长武地区（对应500 °C等效成熟度）分别为1.52×10?、0.62×10?和0.16×10? m3 km^?2。虽然煤的单位TOC产气率较低，但其极高的TOC含量（平均68.55 wt.%）使其总生气强度最大，在富县和长武分别贡献68.3%和66.1%的生烃量，是南部鄂尔多斯盆地主导烃源岩。

**结论翻译**

（1）南部鄂尔多斯盆地在中三叠世末，由于地层持续沉降和地温逐步升高开始生油，晚三叠世末开始生气。早白垩世地层加速沉降，地层温度快速上升。在约140 Ma至约100 Ma期间，一次区域构造热事件——归因于深部盆地热活动增强和以富县地区为中心的岩石圈减薄——导致该地区比长武地区早约29 Ma进入生气阶段，且早约19 Ma达到过成熟热演化阶段。两个地区在晚三叠世和早白垩世均出现生烃高峰。

（2）在700 °C时，煤、碳质泥岩和暗色泥岩的有机碳转化率分别为19.57%、26.08%和77.06%，而暗色泥岩的总生烃潜力（S1 + S2）仅为0.29 mg HC/g rock。这表明在超高温条件下，暗色泥岩中的可裂解组分已基本消耗，仅剩少量惰性组分。然而，煤和碳质泥岩仍保留显著的生烃潜力。残余干酪根或早期生成的重烃可进一步裂解生成天然气；此外，煤和碳质泥岩中的部分惰性显微组分在超高温条件下仍可发生裂解。

（3）南部鄂尔多斯盆地煤、碳质泥岩和暗色泥岩的生气强度存在显著差异。在富县地区，煤、碳质泥岩和暗色泥岩的生气强度分别为2.90×10?、1.14×10?和0.21×10? m3 km^?2。在长武地区，它们的生气强度分别为1.52×10?、0.62×10?和0.16×10? m3 km^?2。煤是最重要的烃源岩，在富县和长武地区分别贡献约68.3%和66.1%的总生烃量。