鄂尔多斯盆地东南缘黄陵矿区中生代煤系烃源层构造—热演化过程与生物气生成

doi:10.11867/j.issn.1001-8166.2021.076

地球科学进展 ›› 2021, Vol. 36 ›› Issue (10): 993 -1003. doi: 10.11867/j.issn.1001-8166.2021.076

鲍园 ¹(

), 唐佳阳 ², 琚宜文 ³(

), 安超 ¹

^1.西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院，西安科技大学地质与环境学院，陕西西安 710054
^2.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西西安 710054
^3.中国科学院计算地球动力学重点实验室，中国科学院大学地球与行星科学学院，北京 100049

收稿日期:2021-01-29 修回日期:2021-07-06 出版日期:2021-10-10
通讯作者: 琚宜文 E-mail:y.bao@foxmail.com;juyw03@163.com
基金资助:
国家自然科学基金项目“低阶煤生物气化过程中微纳米孔隙与大分子结构演化及其耦合机理”(41972183);西安科技大学煤炭绿色开采地质研究院项目“鄂尔多斯盆地煤油气富集及其共伴生关系研究”(MTy2019-12)

Tectonic-Thermal Evolution and Biogas Generation of Source Rocks from the Mesozoic Coal Measures at the Huangling Mining Area， Southeastern Margin of Ordos Basin

Yuan BAO ¹( ), Jiayang TANG ², Yiwen JU ³( ), Chao AN ¹

^1.Geological Research Institute for Coal Green Mining，College of Geology and Environment，Xi'an University of Science and Technology，Xi'an 710054，China
^2.China Coal Xi'an Design Engineering Co. ，Ltd. Xi'an 710054，China
^3.Key Laboratory of Computational Geodynamics，Chinese Academy of Sciences，College of Earth and Planetary Sciences，University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

Received:2021-01-29 Revised:2021-07-06 Online:2021-10-10 Published:2021-11-19
Contact: Yiwen JU E-mail:y.bao@foxmail.com;juyw03@163.com
About author:BAO Yuan (1983-), male, Pizhou City, Jiangsu Province, Associate Professor. Research areas include unconventional petroleum and natural gas geology. E-mail: y.bao@foxmail.com
Supported by:
the National Natural Science Foundation of China "Research on the coupling mechanism and evolution of micro-nano pores and macromolecular structures of low-rank coal during the process of bioconversion"(41972183);Geological Research Institute for Coal Green Mining of Xi'an University of Science and Technology "Study on coal and gas enrichment and its co-associated relationship in Ordos basin"(MTy2019-12)

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煤系烃源层的构造—热演化过程研究对揭示煤系气的生成机制具有重要意义。为揭示鄂尔多斯盆地东南缘黄陵矿区向斜核部中生代煤系烃源层的构造—热演化过程、生排烃阶段及煤系气成因类型，根据含煤地层岩性、剩余地层现今埋深、储层孔隙度、镜质组最大反射率、甲烷碳氢同位素组成和生物甲烷产率等数据，运用Petromod 1D模拟软件与回剥反演法及EASY% R_O法对研究区煤系烃源岩的受热和生烃演化过程进行重建。研究结果表明：黄陵矿区自晚三叠世以来，煤系主要经历了3~4次“沉降—抬升”过程，其生烃演化过程可分为原生生物成因气、热成因气和次生生物成因气3个阶段。晚三叠世末期至中侏罗世早期，煤系烃源岩镜质组最大反射率演化至0.3%，对应原生生物成因气生成阶段；中侏罗世早期至早白垩世末期，煤系埋深及受热温度逐渐升高至最大值，镜质组最大反射率演化至0.67%~0.74%，热解生烃作用停止，对应热成因气生成阶段；自始新世早期至今，煤系发生抬升且埋深浅于2 077~2 148 m，受热温度低于75 ℃，对应次生生物成因气生成阶段。侏罗系延安组3号和2号煤层中甲烷碳、氢同位素组成数据和微生物降解煤岩生成生物气实验（甲烷累计产率为10.5~16.1 μmol/g）为该区存在次生生物成因气提供了直接证据。

关键词: 煤系, 烃源岩, 构造—热演化, 次生生物成因气, 黄陵矿区

Research on the tectonic and thermal evolution of coal measures' source rocks is of great significance for revealing the generation mechanism of coal-measures gas. To reveal the process of tectonic-thermal evolution， the stage of hydrocarbon generation and expulsion， and the genetic types of the coal-measure gas， the thermal and hydrocarbon generation evolution histories of the source rocks in the Mesozoic coal measures in the Huangling mining area were studied in this paper， based on the data of lithology， buried depth， porosity， maximum vitrinite reflectance， carbon and hydrogen isotopic compositions of methane and biogas yield and with the use of the methods of Petromod 1D simulation， back-stripping inversion， and EASY% R_O. The results show that the Mesozoic coal measures experience thrice-quartic "subsidence-uplift" stages in the Huangling mining area since the beginning sedimentation at the Late Triassic. The hydrocarbon generation process can be divided into three phases. The first stage is the primary biogas generation period during the Late Triassic to the early middle Jurassic. The maximum vitrinite reflectance evolved to 0.3%. In the second period of thermogenic gas generation during the early Middle Jurassic to late Early Cretaceous， the burial depth and thermal temperature of the coal measures continuously increased to the highest level at the end of the Early Cretaceous. The maximum vitrinite reflectance evolved to 0.67%~ 0.74%. In the third period of secondary biogas generation during Early Eocene so far， the coal measures' burial depth is uplifted to 2 077~2 148 m， and the thermal temperature is decreased to less than 75 ℃. The data of the carbon and hydrogen isotopic composition of methane and the accumulatively generated methane amount of 10.5~16.1 μmol/g during the experiment of microbial degradation No. 2 and No. 3 coal provide evidence for the occurrence of secondary biogenic gas in the Huangling mining area.

Key words: Coal measures, Source rock, Tectonic-thermal evolution, Secondary biogenic gas, Huangling mining area

中图分类号:

P618.13

图1 鄂尔多斯盆地区域构造（a）、黄陵矿区二号煤矿井田构造（b）^{［

12
］}及其含煤地层综合柱状图（c）

Fig. 1 Tectonic maps of the Ordos Basin （a） and No.2 coal mine in the Huangling mining area （b）^{［

12
］} as well as column chart of coal measures （c） in the Huangling mining area

表1 鄂尔多斯盆地东南缘黄陵矿区 R113井计算含煤地层信息

Table 1 Calculation result of coal measures based on Well R113 in the Huangling mining area of southeastern margin of Ordos Basin

地质年代/Ma	地层		井田厚度/m	地层厚度/m	埋深/m	沉积物骨架厚度/m
地质年代/Ma	组	代号	井田厚度/m	地层厚度/m	埋深/m	沉积物骨架厚度/m
3	马兰组	Q₃m	0~200	43	43	24
110	洛河组	K₁l	0~348	185	228	105
170	直罗组	J₂z²	33~140	91	319	53
170	直罗组	J₂z¹	24~101	83	402	49
175	延安组	J₂y	0~188	97	499	58
199	富县组	J₁f	0~85	14	513	14
206	瓦窑堡组	T₃w	>20	37	550	22

表1 鄂尔多斯盆地东南缘黄陵矿区 R113井计算含煤地层信息

Table 1 Calculation result of coal measures based on Well R113 in the Huangling mining area of southeastern margin of Ordos Basin

地质年代/Ma	地层		井田厚度/m	地层厚度/m	埋深/m	沉积物骨架厚度/m
地质年代/Ma	组	代号	井田厚度/m	地层厚度/m	埋深/m	沉积物骨架厚度/m
3	马兰组	Q₃m	0~200	43	43	24
110	洛河组	K₁l	0~348	185	228	105
170	直罗组	J₂z²	33~140	91	319	53
170	直罗组	J₂z¹	24~101	83	402	49
175	延安组	J₂y	0~188	97	499	58
199	富县组	J₁f	0~85	14	513	14
206	瓦窑堡组	T₃w	>20	37	550	22

表2 黄陵矿区 R113井主要地层不同时期埋深恢复结果

Table 2 Results of burial depth at different periods of the main formation at Well R113 in the Huangling mining area

层号	地层	现今埋深/m	古地层埋深/m
层号	地层	现今埋深/m	剥去A层	剥去B层	剥去C层	剥去D层	剥去E层	剥去F层
A	Q₃m	43	0	0	0	0	0	0
B	K₁l	228	186	0	0	0	0	0
C	J₂z²	319	278	95	0	0	0	0
D	J₂z¹	402	362	181	87	0	0	0
E	J₂y	499	460	281	189	103	0	0
F	J₁f	513	483	305	213	128	25	0
G	T₃w	550	520	343	251	167	64	39

表2 黄陵矿区 R113井主要地层不同时期埋深恢复结果

Table 2 Results of burial depth at different periods of the main formation at Well R113 in the Huangling mining area

层号	地层	现今埋深/m	古地层埋深/m
层号	地层	现今埋深/m	剥去A层	剥去B层	剥去C层	剥去D层	剥去E层	剥去F层
A	Q₃m	43	0	0	0	0	0	0
B	K₁l	228	186	0	0	0	0	0
C	J₂z²	319	278	95	0	0	0	0
D	J₂z¹	402	362	181	87	0	0	0
E	J₂y	499	460	281	189	103	0	0
F	J₁f	513	483	305	213	128	25	0
G	T₃w	550	520	343	251	167	64	39

图2 黄陵矿区R113井地层回剥柱状剖面图

Fig. 2 Restriated columnar profile of Well R113 in the Huangling mining area

图3 黄陵矿区中生代煤系构造—埋藏演化历史曲线

Fig. 3 Calibration curve of evolution of tectonic-burial history of Mesozoic coal measures in the Huangling mining area

图4 黄陵矿区煤系抬升速率（a）与沉积速率（b）直方图

Fig. 4 Histogram of lifting rate （a） and sedimentation rate （b） of coal measures in the Huangling mining area

图5 黄陵矿区煤系烃源岩受热史演化曲线

Fig. 5 Evolution curve of the thermal history of coal measure source rock in the Huangling mining area

图6 黄陵矿区煤系烃源岩成熟史演化曲线

Fig. 6 Evolution curve of mature history of coal measure source rock in the Huangling mining area

表3 煤系烃源岩中甲烷碳氢同位素测定表

Table 3 Methane carbon and hydrogen isotopes determination result of source rock in coal measures

碳氢同位素	3号煤层采样			2号煤层采样
碳氢同位素	点1	点2	点3	点1	点2	点3
δ¹³C_CH $4$ /‰	-60.6	-54.7	-58.3	-70.3	-52.2	-61.3
δD_CH $4$ /‰	-251.2	-264.4	-265.7	-255.1	-267.8	-240.4

表3 煤系烃源岩中甲烷碳氢同位素测定表

Table 3 Methane carbon and hydrogen isotopes determination result of source rock in coal measures

碳氢同位素	3号煤层采样			2号煤层采样
碳氢同位素	点1	点2	点3	点1	点2	点3
δ¹³C_CH $4$ /‰	-60.6	-54.7	-58.3	-70.3	-52.2	-61.3
δD_CH $4$ /‰	-251.2	-264.4	-265.7	-255.1	-267.8	-240.4

图7 煤层气体的δ¹³C_CH $4$ -δD_CH $4$ 关系图^{［

1
］}

Fig. 7 Relationship of carbon and hydrogen isotopes of coalbed methane^{［

1
］}

图7 煤层气体的δ¹³C_CH $4$ -δD_CH $4$ 关系图^{［

1
］}

Fig. 7 Relationship of carbon and hydrogen isotopes of coalbed methane^{［

1
］}

图8 模拟产出生物甲烷累计产量变化曲线
图中数据点为3个平行样的平均值

Fig. 8 Evolution curve of biogenic methane cumulative yield during the process of biodegradation
The data points are the average values of the three parallel samples in the figure

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