0 前言

冀中坳陷位于渤海湾盆地西北部，其中石炭——二叠系煤系地层的分布具有残留盆地性质，在历经了印支——燕山和喜马拉雅多期构造运动改造后，现今主要分布在坳陷东北部^[1]。研究区包括霸县凹陷的文安斜坡、武清凹陷的全部、里坦凹陷和大城凸起，总面积约7 500 km²(图 1)。区内石炭——二叠系沉积体系发育较为齐全，自下而上可以识别出滨海潮坪——沼泽、三角洲和河流三大沉积体系，上古生界内部具备良好的生、储、盖组合条件^[2]。区内中生代末期的一次生烃作用有限，古近纪以来的二次生烃作用是石炭——二叠系煤系成藏的基础^{[3, 4]}，其中火山活动对天然气的生成起到重要作用^{[5, 6]}；3 500～5 000 m的石炭——二叠系生油窗是自生自储型油气成藏的控制要素^[7]；断裂控制气藏的分布，同时主控断层对煤成油气具有疏导与封堵双重作用^[8]。综合研究认为，冀中坳陷北部源于石炭——二叠系的油气仍然有较大的勘探空间，确定文安和信安镇、泗村店、河西务潜山、葛渔城和码头潜山为煤系游离气勘探的有利地区，大城凸起为煤层气勘探的有利地区^{[9, 10]}。然而多年的勘探实践表明，区内石炭——二叠系地层勘探难度较大，除少数井(苏20、文23、文53)具有工业油气产出外，所钻井空井多，失利原因不清。

图 1 冀中坳陷前古近纪地质及研究区位置 Fig. 1 Pre-Paleogene geologic map and the location of the study area

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区内曾经开展过多次资源评价研究，但结果相差较大^{[3, 11]}，因此有必要对区内煤系烃源岩的特征及生烃情况开展进一步研究，以圈定生烃中心，探明资源总量，建议勘探部署，减小勘探的风险。本次研究基于丰富的地层厚度和岩石热解资料，通过开展热模拟实验，以期厘定区内石炭——二叠系煤系地层的生烃潜力，为进一步的资源量计算工作提供依据，为今后的油气勘探提供参考。

研究区石炭——二叠系烃源岩有机地球化学数据主要来自于中国石油华北油田勘探开发研究院的实测实验数据，包括煤系烃源岩的有机碳、氯仿沥青“A”和烃源岩热解实验。

热模拟实验煤样来自冀中坳陷大城地区3煤组，煤样的初始镜质体反射率R_o=0.74%，碳、氢、氧、氮元素的质量分数分别为72.95%、4.61%、6.54%、1.57%。本次热模拟实验主要用于反映冀中地区三叠系以后烃源岩的二次生烃潜力。前人对烃源岩生烃量的定量表征方法主要包括生烃模拟实验和盆地模拟2种，生烃模拟实验包括开放、封闭及半封闭体系3种环境。封闭体系不仅可以模拟不同热演化阶段烃源岩的生油量，还能模拟烃源岩最大生气量，成为烃源岩定量表征的主要方法之一^{[12, 13]}。本次实验体系采用封闭式体系，加温方式是分温阶对原样分别加热。实验样品颗粒大小：5~10 mm，每个样点加水量为取岩样质量的10%~20%。实验设250、300、325、350、375、400、425、450、500、550、600 ℃共11个温度点，在每个温度点下加热保持恒温24 h，反应完毕待釜内温度降至250 ℃时开始放气，实验气体收集经冷却在室温条件下完成，约20 ℃、101.325 kPa。实验中的凝析油和轻油用二氯甲烷萃取定量，残留油经加热保持氯仿抽提模拟残样获得。抽提后的残渣用于镜质体反射率及气体项目的地球化学分析。

2.1 烃源岩类型划分标准

冀中坳陷东北部石炭——二叠系残余地层厚度0~1 300 m，气源岩包括暗色泥岩、炭质泥岩和煤岩^[14]，然而由于煤岩、炭质泥岩、暗色泥岩的有机碳含量划分界线尚无正式标准，评价其生烃潜力的标准更无定论。何生等^[6]将煤岩有机碳质量分数(w(TOC))定为>30%，炭质泥岩w(TOC)定为30%~10%，暗色泥岩w(TOC)定为<10%。陈建平等^[15]研究认为我国西北地区诸多盆地煤岩的w(TOC)一般都高于40%；而暗色泥岩的w(TOC)在6%左右时，热解生烃潜量增大速度开始变缓，w(TOC)大于5%以后氢指数降低。因此，他认为炭质泥岩应是w(TOC)为6%～40%的介于暗色泥岩和煤岩之间的岩石。秦建中等^[16]按岩石学分类和命名原则将w(TOC)为8％～30％，或有机质体积分数为25％～50％的岩石称之为炭质泥岩。文献^[17]将煤系地层中w(TOC)<6%的泥、页岩称为暗色泥岩，w(TOC)为6%～40%的泥、页岩称为炭质泥岩，w(TOC)>40%为煤岩。文献^[18]将w(TOC)小于10%的称为暗色泥岩。笔者统计了冀中坳陷东北部地区石炭——二叠系707个样品的w(TOC)分布情况(图 2)，编制了热解氢指数(I_H)和生烃潜量w(S₁+S₂)关系图(图 3)及生烃潜量和w(TOC)单对数关系图(图 4)。在图 2上可以看出，w(TOC)值与样品数量分布存在两个明显的拐点，即w(TOC)值为10%和40%；在图 3上以w(TOC)值为10%和40%作图，暗色泥岩、炭质泥岩和煤岩也有良好的区分；在图 4上，w(TOC)值小于10%时，生烃潜量随w(TOC)快速上升，w(TOC)值为10%~40%时缓慢上升，w(TOC)值大于40%时，生烃潜量值基本不变。此外，参考前人的标准中分界的共有值，本次研究将w(TOC)小于10%的称作暗色泥岩，w(TOC)为10%~40%的称为炭质泥岩，w(TOC)大于40%的称作煤岩。按本分类方案，总体来说，暗色泥岩总体具有高I_H、低生烃潜量(S₁+S₂)的特征；且随着生烃潜量增加，泥岩I_H值快速升高，炭质泥岩I_H值随生烃潜量(S₁+S₂)增加的速度次之，煤岩I_H值随生烃潜量(S₁+S₂)增加的速度最低。

图 2 冀中坳陷东北部煤系烃源岩w(TOC)分布情况 Fig. 2 Contents of TOC distribution of the source rocks in the northeast of Jizhong depression

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图 3 冀中坳陷东北部煤系烃源岩热解氢指数和生烃潜量关系 Fig. 3 IH vs. contents of (S1+S2) plot of the coal strata source rocks in the study area

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图 4 冀中坳陷东北部煤系生烃潜力w(S1+S2)和w(TOC)关系 Fig. 4 Contents of (S1+S2) vs. contents of TOC of coal strata in the study area

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研究区泥岩总厚度为19~725 m，总体具有东厚西薄的特征，大城凸起北部和里坦凹陷最厚，最厚处超过600 m，由于研究区西部地层遭到剥蚀，泥岩厚度减薄到不足50 m(图 5A)。煤岩层厚度0~63 m，总体具有西厚东薄的特征，分别在别古庄西、胜芳西、文安西和卧佛堂北形成了几个厚度中心，厚度中心煤层厚度一般超过32 m(图 5B)。区内苏68、桐9、永1、大4、苏18、永19、苏16、大8井所在位置煤层厚度较薄，一般小于10 m。

图 5 冀中东北部煤系泥岩(A)和煤岩(B)厚度分布 Fig. 5 Thickness distribution of C-P mudstone(A) and coal seam(B) in the northeast of Jingzhong depression

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统计结果表明，区内w(TOC)变化较大，变化于0.1%～95%，据曹代勇^[18]和秦建中等^[16]的评价标准，泥岩中好、中、差、非油源岩分别占样品总数的12.62%、11.49%、16.74%、34.18%；炭质泥岩占样品总数的18%；煤岩中w(TOC)为40%～60%的样品最多，占样品总数的6.67%。

区内热解生烃潜量值为0.04 ~212.48 mg/g，而当w(TOC)值大于6%时，泥岩的生烃潜量值均大于5 mg/g,煤岩的生烃潜量一般大于40 mg/g(图 4)。热解生烃潜量大于6.0 mg/g的样品占总样品数的34.45%。

区内氯仿沥青“A”质量分数共有175个统计值，变化范围为0.005%～5.025%，平均为0.342%，其中0.05%～0.15%区间内样品数量最多，占样品总数的32.18%。煤系暗色泥岩的氯仿沥青“A”质量分数总体小于0.4%；炭质泥岩氯仿沥青“A”质量分数总体小于2.5%，大部分数值小于0.5%；煤岩的氯仿沥青“A”质量分数总体小于6%，分布较分散(图 6)。w(氯仿沥青“A”)和w(TOC)总体上呈双对数关系，相关性稍差。

图 6 冀中凹陷东北部煤系w(TOC)与w(氯仿沥青“A”)关系 Fig. 6 Contents of A vs. Contents of TOC of coal strata in the study area

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最高热解峰温(T_max)-氢指数(I_H)分类图(图 7A)显示，煤岩的大部分参数点在Ⅱ₁、Ⅱ₂、Ⅲ₁、Ⅲ₂型母质区内均有分布；炭质泥岩的分布范围与煤岩的基本相当；总体上暗色泥岩的I_H比煤岩和炭质泥岩I_H低得多，主要分布在Ⅲ₁、Ⅲ₂型母质区内，且大多数样品分布在Ⅲ₂型区。从烃源岩热解氢指数和氧指数(I_O)关系(图 7B)上可以看出，煤岩和炭质泥岩的氢指数普遍大于氧指数，氧指数一般小于50，主要分布在Ⅱ₂、Ⅲ₁型母质区，而暗色泥岩的氧指数相对较高，主要分布在Ⅲ₂型母质区。由此可见，冀中东北部石炭系煤岩干酪根类型多为Ⅲ₁型，具有相对较高的生烃能力，而且煤岩好于炭质泥岩，炭质泥岩又优于暗色泥岩。

图 7 冀中东北部煤系烃源岩热解氢指数和最高热解峰温(A)及氧指数(B)关系图 Fig. 7 IH vs. Tmax plot(A) and IH vs. IO plot(B) of the coal strata source rocks in the study area

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通过单井分析，针对未受火成岩侵入影响的斜坡区，有机质R_o随埋深的变化公式为

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根据煤岩R_o测试数据，结合埋深资料，通过式(1)估算武清凹陷深部的成熟度值，绘制研究区太原组和山西组R_o等值线图(图 8)。图 8显示冀中坳陷东北部太原组存在两个高值中心，一个在研究区北部武清凹陷的深部，另一个在文安斜坡苏401-苏8-文古4井一带的火成岩侵入区。此外，太原组的R_o等值线变化总体上显示了凸起区高于斜坡区的趋势。由于石炭纪侵入岩，单层厚度为1～45 m，大多数在10～30 m，其上下热力影响范围有限^[18]，除研究区北部武清凹陷埋藏较深、山西组烃源岩处于成熟——高成熟阶段外，研究区中、南部大部分地区烃源岩处在低成熟阶段，受“温度梯度折射”影响^[19]，总体上仍具有凸起部位成熟度高于斜坡部位的特征。

A.太原组；B.山西组。 图 8 冀中坳陷东北部太原组、山西组镜质体反射率等值线图 Fig. 8 Vitrinite reflectance contour maps of Taiyuan and Shanxi Formation in the study area

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热模拟实验每个温度点对应的R_o值见表 1。由于在样品系列的R_o中，只有最小值即原始样品的R_o值与实际地质条件的R_o一致，其余R_o由于是实验条件下的结果，均与地质条件有差异，因此需要对R_o进行校正。笔者采用高岗等^{[20, 21]}建立的校正模型，将最高产油率对应的R_o值校正到1%，校正结果见表 1。根据校正后的R_o值及其对应的生油、气量建立散点图(图 9和图 10)，可以将它们分别简化为三个分段的线性函数(式(2)和式(3))作为冀中地区煤岩二次生烃基础模型，结合实际的烃源岩成熟度开展计算。

图 9 3-6煤层热模拟实验生成烃气量随Ro变化图 Fig. 9 Gas generation vs. Ro plot of the thermal simulation of the 3-6 coal seam

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图 10 3-6煤层热模拟实验排出油(轻油+凝析油)随Ro变化图 Fig. 10 Oil drainage (light and condensate oil) vs. Ro plot of the thermal simulation of the 3-6 coal seam

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4 生烃量计算

本次计算借助surfer 10，垂向上山西组和太原组分开计算；平面上将研究区划分为4 619个计算单元(1 301.7 m×1 321.5 m)，根据地层测井厚度数据、成熟度数据和w(TOC)数据，使用克里金方法为每个计算单元赋值进行计算。由于本区内泥岩的干酪根类型和煤岩一样，主要为Ⅲ型干酪根，因此泥岩烃源岩的生烃强度也按照煤岩热模拟的生烃模型来计算。根据生烃模型，分别根据式(4)、式(5)、式(6)计算煤岩和泥岩的生油、气强度：

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1)厘定了冀中坳陷东北部石炭——二叠系煤系暗色泥岩、炭质泥岩和煤岩的划分标准，分别以w(TOC)为10%和40%为划分界限。

2)有机质丰度和类型分析表明，冀中坳陷东北部石炭——二叠系烃源岩干酪根类型以Ⅲ型为主，为中等偏差的油源岩和好的气源岩，且煤岩好于炭质泥岩，炭质泥岩又优于暗色泥岩。

3)研究区有机质R_o值为0.6%～3.8%，武清凹陷代表的深成变质作用区，苏4-苏8-苏23-文古4，葛8-大参1代表的两个岩浆热作用变质区，三者为研究区的三个成熟度高值区。有机质成熟度，太原组高于山西组。

4)结合热模拟实验结果，建立了研究区石炭——二叠系烃源岩体积法生烃计算模型，按层位(石炭系、二叠系)，分类别(泥岩、煤岩)计算出研究区生气总量为39 777.11 亿m³，总排出油为119.14 亿t。