共和盆地页岩油气地球化学特征

孟元林，赵紫桐，焦金鹤，乔德武，孟凡晋，3，肖丽华，胡安文，蒋涵森，李世铭

（1.东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆 163318;2.国土资源部油气资源战略研究中心，北京 100034; 3.Department of Earth and Atmospheric Sciences，University of Houston，Houston，TX 77204-2024，USA）

共和盆地页岩油气地球化学特征

孟元林1，赵紫桐1，焦金鹤1，乔德武2，孟凡晋1，3，肖丽华1，胡安文1，蒋涵森1，李世铭1

（1.东北石油大学地球科学学院，黑龙江大庆 163318;2.国土资源部油气资源战略研究中心，北京 100034; 3.Department of Earth and Atmospheric Sciences，University of Houston，Houston，TX 77204-2024，USA）

在共和盆地万秀寺剖面下白垩统50.40 m厚的钙质泥岩和233.03 m厚的粉砂岩中，发现了良好的油气显示，从中采集46块含油钙质泥岩和粉砂岩样品，进行热解、沥青“A”族组成、饱和烃气相色谱、饱和烃色谱－质谱和同位素分析，并进行油源对比研究。结果表明:共和盆地下白垩统钙质泥岩中的油气是生成的油气没有排出并以吸附或游离状态的形式滞留其中所致;粉砂岩中的油气与下白垩统黑色泥岩和钙质泥岩具有亲缘关系，是烃源岩所生成油气就近运移并聚集的结果;无论是钙质泥岩中的烃类还是粉砂岩中的油气均具有成熟原油的特征;共和盆地下白垩统粉砂岩和钙质泥岩的含油气丰度较高，含油气总量分别为0.42和1.44 kg·t－1，具有良好的页岩油气勘探远景。

地球化学特征;贵德坳陷;页岩油气;非常规油气;共和盆地

共和盆地位于青海省东部，总面积约17 000 km2［1］。“九五”期间，中国石油与天然气集团公司在野外石油地质调查和剖面测量工程中，在共和盆地下白垩统发现了一套258.15 m厚的烃源岩［2］，并用重、磁、电资料进行了早期盆地模拟，计算了资源量［3］。笔者在下白垩统的粉砂岩和钙质泥岩内，又发现了良好的油气显示，这进一步证明共和盆地除了可能发育常规油气田外，还可能发育页岩油气藏。页岩油气是一种非常规油气，主要指暗色泥页岩以及粉砂岩中以吸附或游离状态为主要存在方式的油气聚集，其中蕴藏着巨大的勘探潜力［4-12］。笔者对共和盆地的页岩油气及其相关问题加以探讨，在共和盆地贵德坳陷万秀寺野外露头剖面的粉砂岩和泥页岩中分别取样，进行储层热解地球化学、沥青“A”族组成、饱和烃气相色谱、饱和烃色谱－质谱和同位素分析，讨论其地球化学特征。

1 地质概况

共和盆地是发育在印支褶皱系上的一个山间盆地，沉积盖层从下到上为中侏罗统、下白垩统、古近系、新近系和第四系［1］。根据其地球物理特征进一步可分为塘格木坳陷、贵德坳陷、贵南坳陷和黄河隆起4个二级构造单元（图1）。在三叠纪末的印支运动期间，古特提斯洋洋壳向南北两方向不断发生俯冲，最终导致了古特提斯洋的关闭。本区一万多米厚的二叠系和三叠系海相地层褶皱隆起，形成印支褶皱带，构成共和盆地的褶皱基底。侏罗纪中国整个西北地区处于伸展为主的构造环境，形成一系列断陷盆地，广泛发育中下侏罗统烃源岩［13］。在共和盆地的贵南坳陷有这套烃源岩出露。进入早白垩世，中国西北大部分地区发生缓慢挤压，多数山间盆地封闭，造成部分地层缺失。烃源岩仅分布在阿尔金断裂以东的蒙、甘、青地区［14］。在北祁连以北的河西走廊一带，早白垩世进入继侏罗纪后的又一个断陷高峰期，如酒泉盆地、民乐盆地、雅布赖盆地、银鄂盆地、六盘山盆地等［15］。共和地区在区域张应力的作用下，形成一系列断（坳）陷，沉积了巨厚的下白垩统地层。但共和盆地下白垩统分布在当时的深凹陷中。目前，共和盆地仅在贵德坳陷的新建平—万秀寺一带发现了下白垩统，下白垩统直接覆盖在基底之上，根据其岩性特征和颜色从下到上依次分为万一段（K1w1）、万二段（K1w2）、万三段（K1w3）和万四段（K1w3）［1］4个岩性段。万一段和万四段是一套形成于干旱炎热气候条件下的滨湖相和冲积扇砾岩和砂泥岩沉积。万二段和万三段是一套浅湖—半深湖沉积，发育黑色泥页岩、钙质泥岩、粉砂岩和砂岩［2］。

图1 共和盆地构造单元划分Fig.1 Structural units of Gonghe Basin

2 基本地质及地球化学特征

2.1 含油样品的岩石学特征

在贵德坳陷野外露头剖面的下白垩统万二段和万三段中，发现了良好的油气显示。含油岩系由50.40 m厚的钙质泥页岩和233.03 m厚的灰绿色粉砂岩组成。钙质泥页岩为灰黑色—黑色;单层厚度为1.51～4.02 m，呈块状;含有黄铁矿结核，发育水平层理;粉砂含量很少，一般小于10%，具有黏土结构;钙质含量较高，滴稀盐酸后起泡，质坚、抗风化，在野外露头突出地表。砸开钙质泥页岩后立即有刺鼻的油气味逸出;将样品放入水中后有油花泛起和气泡冒出。粉砂岩与黑色含油钙质泥岩呈互层，新鲜面为灰绿色，形成于弱还原环境;粉砂岩共27层，单层厚1.50～3.50 m，属于厚层和块状构造，水平层理为主，偶见波状层理;有些样品含有泥质，但含量一般小于20%。在万二段和万三段中，共采集了34块钙质泥页岩样品，12块粉砂岩样品，采样地点在万秀寺（图1）。

万二段和万三段是共和盆地烃源岩发育的主要层段。万二段具有黑色泥岩和钙质泥岩两种烃源岩，有机质丰度达到了中国中—好的丰度标准［16］，生烃潜量（S1+S2）为（0.49～3.72）×10－3，最高可达7.95× 10－3;干酪根以Ⅰ型为主，兼有Ⅱ型;有机质进入大量生烃的成熟阶段，镜质体反射率（Ro）为0.7%～1.1%;万三段的烃源岩为灰色泥岩，属于中等丰度的烃源岩，（S1+S2）平均为0.57×10－3;干酪根类型为Ⅱ型;有机质主要处于成熟阶段，Ro为0.5%～1.0%［2］。

2.2 样品的热解地球化学特征与总含油气量

储层热解地球化学［17-19］主要用于油田的地球化学录井工作。本次研究将这一技术引入野外露头含油样品的储层研究。34块钙质泥页岩热解总含油气量（Pg）为0.05～3.23 kg·t－1，平均为1.44 kg ·t－1（表1），超过了美国页岩气油气藏形成的丰度标准（1.0 m3/t［6，8，12］）。12块含油粉砂岩热解的总含油气量为0.04～3.97 kg·t－1，平均为0.42 kg· t－1。轻质油、中质油、重质油所占的比例分别为8%、50%、8%，其余为沥青。

表1 钙质泥页岩总含油气量Table1 Total hydrocarbon concentration in calcareous shales and mudstones

2.3 页岩油气的成分与成熟度

在前面储层热解地球化学分析的基础上，选取6块样品，完成了沥青抽提（冷浸）、族组份分析、饱和烃气相色谱分析（表2、3）。由表2可见，除含油粉砂岩样品Jw20外，含油钙质泥岩和含油粉砂岩Jw18的沥青质（AS）和非烃（RE）含量均较低，一般小于23%;总烃（HC）含量较高，一般大于75%。造成这种现象的原因可能是Jw20样品暴露地表后遭到轻度氧化，使沥青质和非烃含量增高，这种现象在中国其他盆地也常见［20-21］。饱和烃气相色谱的分析结果也支持了这一观点（图2），Jw20样品的部分正烷烃因菌解而消失，烷烃的分布变得参差不齐。

一般来说，饱和烃气相色谱的奇偶优势（OEP）和碳优势指数（CPI）值在生油门限附近约为1.3，到大量生烃成熟阶段降低到约1.0，因此对于未遭受生物降解和氧化的原油，可以用OEP和CPI研究其成熟度［14，21］。由表3可见，除万秀剖面下白垩统一块含油粉砂岩样品Jw20的CPI大于1.3，其他样品均为成熟原油。造成这种现象的原因是Jw20样品在后期遭到了轻度氧化，其饱和烃气相色谱图变得参差不齐，OEP变大，貌似未成熟油。

已有的研究也表明，在生油门限附近，C29甾烷w（S）/w（S+R）的值约为0.25，进入大量生烃的成熟阶段时，C29甾烷w（S）/w（S+R）的值增到0.4，相应地C29w（ββ）/w（αα+ββ）的值分别为0.2和0.4［13，16，22］。Jw18和Jw20这两块样品的C29甾烷w （S）/w（S+R）分别为0.308和0.356，平均为0.332，C29w（ββ）/w（αα+ββ）分别为0.393和0.382，平均为0.388（表4）。由于甾烷具有比正构烷烃更强的抗菌解能力［20-21］，受到风化和菌解的影响较小，所以用甾烷的地化指标所得出的原油成熟度研究结果更可信。

表2 页岩油气族组分Table 2 Group com position of shale hydrocarbons

表3 共和盆地油气苗饱和烃气相色谱参数Table 3 Parameters of gas chromatogram（GC）of saturated hydrocarbon in shale hydrocarbons of Gonghe Basin

图2 下白垩统页岩油气苗和源岩典型气相色谱饱和烃碳数分布棒状图Fig.2 Saturated hydrocarbon carbon number distribution in GC of oils and source rocks in Lower Cretaceous

表4 页岩油气苗和烃源岩饱和烃甾烷部分参数Table 4 Parameters of sterane of saturated hydrocarbon in shale petroleum

3 同位素和生物标记化合物特征与油源对比

3.1 碳同位素

干酪根在热降解成烃过程中，各种键发生断裂，释放出相对分子质量较小的烃类和其他一些小分子物质。现已发现在这个过程中得到的沥青（或原油）的碳同位素δ13C与干酪根相比，其碳同位素要轻，这一差值以Δδ13C来表示，为1‰～4‰［24］，这就奠定了用同位素进行油源对比的基础。

共和盆地下白垩统含油钙质泥岩中的油气属于自生自储，其中油气苗是烃源岩所生成的油气滞留其中形成。7块含油钙质泥岩的干酪根碳同位素分布为－30.3‰～－25.2‰，平均为－28.11‰。油气苗的碳同位素为－30.8‰，比干酪根碳同位素轻－2.69‰，二者碳同位素的差异是由热演化引起的。

共和盆地贵德坳陷下白垩统共有两种含油岩层，除上述的含油钙质泥岩外，还有233.03 m厚的含油粉砂岩。一块含油粉砂岩（Jwl8）中油苗的碳同位素为－30.60‰，它与万二段下部2块泥岩、上部7块含油钙质泥岩、万三段8块泥岩中干酪根的差值Δδ13C分别为－4.00‰、－2.49‰、－2.90‰。万二段泥岩的同位素与同层位的钙质泥岩相比，其碳同位素更重，造成这种碳同位素差异的原因可能是轻度风化作用。万二段泥岩质纯，水平层理发育，抗风化能力差。在风化的过程中同化了大气中的CO2，其同位素变重。万二段的钙质泥岩含有钙质成分，本应使其碳同位素变重，高于泥岩，但由于钙质使泥岩变得坚硬，抗风化能力增强，风化作用对碳同位素的影响较小。如果考虑风化作用对碳同位素的影响，万二段泥岩的碳同位素应该更轻。从同位素的分析资料来看，这3种烃源岩均可能成为含油粉砂岩的油源。

3.2 饱和烃气相色谱

图2是共和盆地下白垩统页岩油气和源岩典型气相色谱饱和烃碳数分布棒状图。由图2可见，粉砂岩Jw18原油和万二段含油钙质泥岩（P13、P21）、万二段黑色泥岩（G9）、万三段灰色泥岩（G11）的饱和烃碳数分布呈前单峰，峰形尖锐、偏度和尖度较大，它们的碳数分布棒状图特征相似，说明有一定的亲缘关系。Jw20的饱和烃碳数分布棒状图特征与其他5块样品不同，是样品受到轻度降解的结果。

3.3 萜烷

五环三萜烷在热演化过程和后期风化过程中，其稳定性较好，是油源对比的理想指标。由图3可见，取自万秀寺剖面下白垩统含油粉砂岩（Jwl8、Jw20）抽体物的m/z191质量色谱图与泥岩（G28、G30）抽提物的质量色谱图相似，具有明显的相关性，而且油苗的成熟度略低于烃源岩的成熟度，无论从层位上还是从五环三萜烷的分布特征上，均表明含油粉砂岩中的油均来自其附近的泥岩层。

图3 页岩油气与烃源岩萜烷m/z191质量色谱图Fig.3 m/z191 mass chromatogram of shale hydrocarbons and source rocks

3.4 甾烷

图4是共和盆地下白垩统源岩和油气苗的规则甾烷和重排甾烷指纹分布图，该图更清楚地展示了油、岩之间的异同。图4中C27、R-C27分别代表C27规则甾烷和C27重排甾烷。由图4可见，共和盆地油气苗和烃源岩的指纹图均很相似，有着相同的甾烷分布特征，而且烃源岩成熟度略高于含油粉砂岩油苗的成熟度，Jw18、Jw20中αααC29甾烷w（S）/w （S+R）值分别为0.308和0.356，烃源岩样品αααC29甾烷w（S）/w（S+R）值为0.393～0.415（表4），它们具有良好的相关性。

图4 页岩油气苗与烃源岩规则甾烷和重排甾烷（R）指纹分布Fig.4 Fingerprint distribution of steranes and rearranged steranes in shale hydrocarbons and source rocks

4 结论

（1）共和盆地下白垩统发育50.40 m厚的钙质泥页岩和233.03 m厚的含油粉砂岩，其含油气总量分别为0.42和1.44 kg·t－1，超过了美国页岩油气藏形成的丰度标准，具有良好的页岩油气勘探远景。

（2）含油钙质泥岩中的油气苗属于自生自储，其中油气是烃源岩所生成的油气以吸附或游离状态滞留其中所致。

（3）粉砂岩中的油气与下白垩统泥岩和钙质泥岩具有亲缘关系，是烃源岩所生成油气就近运移、聚集的结果。

［1］青海省地质矿产局.青海省区域地质志［M］.北京:地质出版社，1991:178-227.

［2］孟元林，肖丽华，侯创业，等.青海共和盆地下白垩统烃源岩地球化学特征及其生油意义［J］.岩石学报，1999，15（4）:630-637.

MENG Yuan-lin，XIAO Li-hua，HOU Chuang-ye，et al.Geochemical characteristics of Lower Cretaceous source rocks in Gonghe Basin of Qinghai and its importance for petroleum generation［J］.Acta Petrologica Sinica，1999，15（4）:630-637.

［3］MENG Yuan-lin，XIAO Li-hua，ZHANG Jing.Basin modeling by gravity，magnetics and electrical information and its app lication［C］//LIU B J，LIS T.Basin analysis，global sedimentary geology and sedimentology.The Netherlands:VSP，1997:197-207.

［4］JARVIED M，HILLR J，RUBLE TE，etal.Unconventional shale-gas systems，the Mississippian Barnett shale of north-central Texas as onemodel for thermogenic shalegas assessment［J］.AAPG Bulletin，2007，91（4）:475-499.

［5］ROSSD JK，BUSTIN R M.Characterizing the shale gas resource potential of Devonian-Mississippian strata in the Western Canada sedimentary basin:application of an integrated formation evaluation［J］.AAPG Bulletin，2008，92 （1）:87-125.

［6］MILAN K.Database gathers Europe shale data［J］.AAPG explorer，2009，30（11）:10.

［7］RODRIGUEZ N，PHILP R P.Geochemical characterization of gases from the Mississippian Barnett Shale，Fort Worth Basin，Texas［J］.AAPG Bulletin，2010，94（11）: 1641-1656.

［8］张金川，金之钧，袁明生.页岩气成藏机理和分布［J］.天然气工业，2004，24（7）:15-18.

ZHANG Jin-chuan，JIN Zhi-jun，YUAN Ming-sheng.Reservoiringmechanism of shale gas and its distribution［J］.Natural Gas Industry，2004，24（7）:15-18.

［9］李世臻，乔德武，冯志刚，等.世界页岩气勘探开发现状及对中国的启示［J］.地质通报，2010，29（6）:918-924.

LIShi-zhen，QIAO De-wu，FENG Zhi-gang，et al.The status of worldwide shale gas exploration and its suggestion for China［J］.Geological Bulletin of China，2010，29 （6）:918-924.

［10］胡文瑞.中国非常规天然气资源开发与利用［J］.大庆石油学院学报，2010，34（5）:9-16.

HU Wen-rui.Development and utilization of non-conventional natural gas resources in China［J］.Journal of Daqing Petroleum Institute，2010，34（5）:9-16.

［11］郭岭，姜在兴，姜文利.页岩气储层的形成条件与储层的地质研究内容［J］.地质通报，2011，30（2/3）: 385-392.

GUO Ling，JIANG Zai-xing，JIANGWen-li.Formation condition of gas-bearing shale reservoir and its geological research target［J］.Geological Bulletin of China，2011，30（2/3）:385-392.

［12］李玉喜，乔德武，姜文利，等.页岩气量和页岩气地质评价综述［J］.地质通报，2011，30（2/3）:308-317.

LIYu-xi，QIAO De-wu，JIANGWen-li，et al.Gas content of gas-bearing shale and its geological evaluation summary［J］.Geological Bulletin of China，2011，30（2/ 3）:308-317.

［13］陈建平，赵长毅，王兆云.西北地区侏罗系煤系烃源岩和油气地球化学特征［J］.地质论评，1998，44 （2）:149-159.

CHEN Jian-ping，ZHAO Chang-yi，WANG Zhao-yun.Organic geochemical characteristics of oil，gas and source rocks of Jurassic coal measures in Northwestern China［J］.Geological Review，1998，44（2）:149-159.

［14］胡见义，黄第藩.中国陆相石油地质理论基础［M］.北京:石油工业出版社，1991:195-200.

［15］王昌桂.中国西北侏罗系油气成藏特征［J］.地学前缘，2000，7（4）:487-495.

WANG Chang-gui.Characteristics of Jurassic reservoirs in northwest China［J］.Earth Science Frontiers，2000，7（4）:487-495.

［16］黄飞，辛茂安.SY/T5735-1995中华人民共和国石油天然气行业标准并陆相烃源岩地球化学评价方法［S］.北京:石油工业出版社，1996:1-19.

［17］李玉桓，邬立言.储油岩热解地球化学录井评价技术［M］.北京:石油工业出版社，1993:71-131.

［18］肖丽华，孟元林，高大岭，等.地化录井中一种新的生、排烃量计算方法［J］.石油实验地质，1998，20 （1）:98-101.

XIAO Li-hua，MENG Yuan-lin，GAODa-ling，etal.A new calculation method for hydrocarbon generation and discharge amount in geochemical logging［J］.Petroleum Geology Experiment，1998，20（1）:98-101.

［19］孟元林，肖丽华，张庆昌，等.地化录井油气层判别模型及其在科尔沁油田的应用［J］.石油实验地质，2000，22（1）:74-76.

MENG Yuan-lin，XIAO Li-hua，ZHANG Qing-chang，et al.A newmodel for distinguishing hydrocarbon reservoirs in geochemical logging and its application to keerqing oil filed［J］.Experimental Petroleum Geology，2000，22（1）:74-76.

［20］孟元林，肖丽华，杨俊生，等.风化作用对西宁盆地野外露头有机质性质的影响及校正［J］.地球化学，1999，28（1）:42-50.

MENG Yuan-lin，XIAO Li-hua，YANG Jun-sheng，et al.Influences ofweathering on organicmatter of outcrop and correcting mothods in xining Basin［J］.Chinese Journal of Geochemistry，1999，28（1）:42-50.

［21］程克明等.烃源岩地球化学［M］.北京:科学出版社，1998.

［22］陈义才.石油与天然气有机地球化学［M］.北京:科学出版社，2007.

［23］PETERSK E，MOLDWAN JM.The biomarker guide: interpreting molecular fossils in petroleum and ancient sediments［M］.New Jersey:Prentice Hall，Englewood Cliffs，1993.

［24］TISSOT B P，WELTE D H.Petroleum formation and occurrence［M］.Berlin:Springer-verlag，1989.

Geochem ical characteristics of the shale hydrocarbon in Gonghe Basin

MENG Yuan-lin1，ZHAO Zi-tong1，JIAO Jin-he1，QIAO De-wu2，MENG Fan-jin1，3，XIAO Li-hua1，HU An-wen1，JIANG Han-sen1，LIShi-ming1

（1.College of Geosciences，Northeast Petroleum University，Daqing 163318，China; 2.Strategic Research Center of Oil and Gas Resources，Ministry of Land and Resources，Beijing 100034，China; 3.Department of Earth and Atmospheric Sciences，University of Houston，Houston，TX 77204-2024，USA）

Hydrocarbon seeps were discovered in 50.40 m thick calcareousmudstones and 233.03 m thick siltstones of the Lower Cretaceous in Wanxiusioutcrop，Gonghe Basin.forty-six calcareousmudstone and siltstone sampleswere collected and the tests including pyrolysis，the group composition of chloroform asphalt"A"，the gas chromatogram of saturated hydrocarbon，the gas chromatography-mass spectrormetry of saturated hydrocarbon and isotope were carried out，and oil-source correlation was researched.The results show that the hydrocarbons in the form of absorption and free state in the calcareousmudstones of the Lower Cretaceous are generated and retained in the calcareous mudstones.And the hydrocarbons in the siltstones are related to the blackmudstonesand the calcareousmudstones of the Lower Cretaceous.The hydrocarbonsgenerated by the source rocksmigrate into the siltstones and accumulate nearby.The hydrocarbons both in the calcareousmudstones and in the siltstonesaremature oil.Gonghe Basin is rich in oiland gas resources in the Lower Cretaceouswith total hydrocarbon content of 0.42 kg·t－1in siltstone and total hydrocarbon content of1.44 kg·t－1in calcareousmudstone，which shows a great exploration potential of shale gas and oil in the basin.

geochemical characteristics;Guide depression;shale oil and gas;unconventionally oil and gas;Gonghe Basin

TE 132

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2012.05.006

1673-5005（2012）05-0032-06

2012－02－08

全国油气资源战略选区调查与评价国家专项（2009GYXQ13）;国家自然科学基金项目（40872076）

孟元林（1960－），男（汉族），山西忻州人，教授，博士，主要从事石油地质学研究。

（编辑 徐会永）