川西坳陷高成熟煤系烃源岩分子成熟度参数的异常分布

刘四兵（“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室 （成都理工大学），四川 成都610059 中石化西南油气分公司博士后科研工作站，四川成都610081）

沈忠民 （“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室 （成都理工大学），四川 成都610059）

朱宏权，吕正祥，田 军 （中石化西南油气分公司勘探开发研究院，四川 成都610081）

李 洁 （油气资源与探测国家重点实验室；重庆页岩气研究中心，重庆400042）

川西坳陷高成熟煤系烃源岩分子成熟度参数的异常分布

刘四兵（“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室 （成都理工大学），四川 成都610059 中石化西南油气分公司博士后科研工作站，四川成都610081）

沈忠民 （“油气藏地质及开发工程”国家重点实验室 （成都理工大学），四川 成都610059）

朱宏权，吕正祥，田 军 （中石化西南油气分公司勘探开发研究院，四川 成都610081）

李 洁 （油气资源与探测国家重点实验室；重庆页岩气研究中心，重庆400042）

川西坳陷上三叠统及下侏罗统高成熟煤系烃源岩分子成熟度参数具有明显的 “逆转”特征。其演化模式表现为 “两段式”的特点，上部层位 （J1z和T3x5）和下部层位 （T3x3和T3t）烃源岩成熟度参数的变化规律具有明显差异，同时部分参数随深度的增加逐渐变小，表现出较为明显的 “逆转”现象。上部层位 （J1z和T3x5）和下部层位 （T3x3和T3t）沉积环境 （如盐度、pH值、Eh值等的变化）的差异应是其分子成熟度参数出现 “两段式”演化特征的重要因素；差向异构体热稳定性差异是造成部分分子成熟度参数 “逆转”的主要原因；煤系地层自身特点可能也是导致其 “逆转”的原因之一。不同的分子成熟度参数具有不同的热反应过程，且其对环境的敏感程度不一，因此导致不同参数具有不同的演化趋势。这一结论表明，在利用分子成熟度参数进行油源对比及成熟度评价时，沉积环境及源岩自身的热演化程度是必须考虑的重要因素，这对煤系地层的油气勘探具有一定的指导意义。

煤系烃源岩；分子成熟度参数；演化模式；逆转；沉积环境；川西坳陷

油气勘探中分子标志化合物成熟度参数常用来表征有机质的热演化程度，这主要基于这些分子成熟度参数与烃源岩热成熟度之间的线性关系［1～3］。然而，分子成熟度参数影响因素众多，如，沉积环境、矿物基质和有机质赋存状态以及热史等［3］。因此，分子成熟度参数随成熟度的变化常出现异常分布的特征，主要表现为以下几种分布特征：①由于不同差向异构体热稳定性的差异、烃源岩有机质丰度的差异以及矿物组成差异 （如白云石和磷酸盐能抑制分子成熟度参数的演化，而粘土矿物则无明显影响）等的影响，部分分子成熟度参数随烃源岩成熟度的演化表现为 “先微减小，后增大，再减小”的特征［4～6］，因此，在高－过成熟阶段，部分分子成熟度参数远低于平衡值，出现 “逆转”现象［3，7］；②由于高盐沉积环境和碳酸盐矿物的影响，分子成熟度参数的异构化进程得到了一定程度的抑制，分子成熟度参数表现为 “先增大，后变小”的模式［3］。

在川西坳陷高成熟煤系地层烃源岩中同样出现了分子成熟度参数 “逆转”的现象。笔者试图通过系统的分析资料对研究区分子成熟度参数 “逆转”的原因进行分析，这对正确理解和应用高成熟条件下煤系地层中烃源岩的分子成熟度参数具有一定的意义。

1 地质背景及样品基本特征

川西坳陷是四川盆地西部晚三叠世以来陆相盆地的深坳陷部分，为龙门山推覆构造带的沉降部分：上三叠统在台上为退覆沉积，侏罗系为河、湖相沉积。晚三叠世川西坳陷的发展可以划分成两个阶段，即早期 “须下盆”和晚期 “须上盆”阶段［8］。

“须下盆”阶段 （卡尼期－诺利期）的川西坳陷与西部海槽区联系密切，初期马鞍塘组－小塘子组的沉积物具有淡化海湾的特点，含较重的碳酸盐岩成分和海相生物化石［9］。须二段－三段沉积时期，逐步过渡为陆相砂、泥岩沉积。小塘子组－须三段总体显示为推进型三角洲体系，川西坳陷从海湾沉积环境逐步过渡为以河流相为主的沉积环境，最后形成了以近岸湖沼环境为主的须三段泥质岩夹粉砂岩沉积［9］。“须上盆”发展阶段始自诺利期末的 “安县运动”，此时受西部槽区隆升的影响，在坳陷西部边缘安县等地，可见须四段与下伏层之间明显的不整合接触关系。川西坳陷自此才成为一个独立的构造单元。接受了须四段、须五段砾岩、砂岩和泥质岩沉积［9］。

川西坳陷陆相碎屑岩领域依气源差异、生－储－盖组合和地质特征划分为3个成矿系统：马鞍塘组、小塘子组－须二段、须三段－须四段、须五段－侏罗系［10］。其中马鞍塘组、小塘子组、须三段、须五段为川西坳陷上三叠统的主要烃源岩层位，烃源岩主要为黑色泥页岩、碳质页岩及煤，有机质丰度高、成熟度高、有机质类型以Ⅱ、Ⅲ型为主，研究区相关的烃源岩研究基本集中在这几个层位［10，11］，研究所涉及的样品亦主要来自这些层位。样品的基本情况见表1。

图1 洛深1井Ro及Tmax与深度关系图

从表1中数据来看，研究区烃源岩成熟度高，除下侏罗统自流井组的一个样品 （洛深1井2933～2937m处）外，其余样品的镜质体反射率（Ro）值均在1%以上，最高热解峰温 （Tmax）均大于465℃，达到了高成熟阶段，且随深度增大具有明显增大的趋势。有机碳含量 （TOC）较 高，有机质类型为Ⅲ型（图1，表1）。

表1 样品基本地化特征表

2 分子成熟度参数基本特征

表2为川西坳陷烃源岩分子成熟度参数统计表。从表2中数据来看，烃源岩甾萜烷的C29甾烷20S/（20S＋20R）、C29甾烷ββ/ （ββ＋αα）、C31藿烷22S/ （22S＋22R）及 Ts/ （Ts＋Tm）分别在0.41～0.47、0.36～0.44、0.59～0.61及0.45～0.58之间。已有的研究表明，C29甾烷20S/ （20S＋20R）在0.52～0.55达到平衡状态、C29甾烷ββ/ （ββ＋αα）在0.67～0.71达到平衡状态、C31藿烷22S/ （22S＋22R）在0.57～0.60达到平衡状态［12］。从该次研究所测样品各指标的数值来看，除C31藿烷22S/（22S＋22R）达到了理论上的 “平衡状态”外，C29甾烷20S/ （20S＋20R）和C29甾烷ββ/ （ββ＋αα）明显偏低，显示并未达到 “平衡状态”，表现出明显的分子成熟度参数 “逆转”现象。

表2 烃源岩分子成熟度参数统计表

从各参数与深度的变化关系 （图2）可以看出，C29甾烷20S/（20S＋20R）和Ts/（Ts＋Tm）随深度变大明显变小，且上部层位 （J1z和T3x5）和下部层位 （T3x3和T3t）的变化趋势存在明显的差别，呈现出 “两段式”发育的特征；C29甾烷ββ/（ββ＋αα）随深度变大呈现出一个总体变小的趋势；C31藿烷22S/（22S＋22R）则表现为比值基本恒定，分布在0.60左右 （表2）。

3 讨 论

川西坳陷上部层位 （J1z和T3x5）和下部层位 （T3x3和T3t）烃源岩分子成熟度参数随深度变化体现出的差异 （“两段式”发育）可能更多地反映了沉积环境的影响。因为对于研究区来说，安县运动造成的川西坳陷须四段和须三段之间的剥蚀仅在坳陷西北部地区表现明显［3］，而对洛深1井所在的坳陷南部地区影响很小 （剥蚀厚度可能在100m左右），如此小的剥蚀厚度所造成的热历史的改变是很难对分子成熟度参数造成如此大的影响的；而从研究区上三叠统的沉积环境演变可知：从小塘子组－须三段－须五段川西坳陷从海湾沉积环境逐步过渡为以河、湖相为主的沉积环境，上部层位 （J1z和T3x5）和下部层位 （T3x3和T3t）的沉积环境存在明显差异。大量的研究也证实，沉积环境对分子标志化合物的演化可以产生很大的影响［13，14］。因此上部层位 （J1z和T3x5）和下部层位 （T3x3和T3t）沉积环境 （如盐度、pH值、Eh值等的变化）的差异应是其分子成熟度参数出现 “两段式”演化特征的重要因素。

图2 分子成熟度参数与深度关系

众多研究表明，分子成熟度参数在较高成熟度阶段出现 “逆转”的原因主要有两点：一是认为与烃源岩中的碳酸盐岩含量有关。当烃源岩中碳酸盐岩含量达到一定含量时，将使分子成熟度参数变小，即出现 “逆转”现象，但在碳酸盐岩含量相对较低时，其对分子成熟度参数将不能起到抑制作用，反而会导致分子成熟度参数的增 大［3，15～18］。 二 是 热 模 拟试验证实［4，7，19］，分子成熟度参数可能与参数中不同差向异构体的热稳定性有关，由于20S构型化合物的热稳定性低于20R构型化合物，因此，随着分子标志化合物的裂解及芳构化，20S构型的化合物相对于20R构型的化合物减少速度更快，从而导致C29甾烷20S/ （20S＋20R）在成熟－高成熟阶段出现 “逆转”。与之类似，C29甾烷ββ/（ββ＋αα）以 及 Ts/ （Ts＋Tm）等分子成熟度参数可能也具有类似的由差向异构体热稳定性差异导致的 “逆转”现象。

从研究所取样品的全岩X衍射分析的碳酸盐岩含量和各分子成熟度参数的关系图 （图3）来看，川西坳陷煤系烃源岩具有普遍较低的碳酸盐岩含量，绝大部分样品碳酸盐矿物含量在10%以下。C29甾烷20S/（20S＋20R）、C29甾烷ββ/（ββ＋αα）与碳酸盐岩含量基本无明显的相关关系，显示碳酸盐岩含量对这两种分子成熟度的演化无明显控制作用；C31藿烷22S/（22S＋22R）与碳酸盐岩含量呈一定的负相关关系，碳酸盐矿物含量在10%以上的样品该比值相对较低，显示了在碳酸盐矿物达到一定含量的情况下，其对该分子成熟度参数具有一定的控制作用；与之相反的是，Ts/（Ts＋Tm）随碳酸盐岩含量的增大而增大，且碳酸盐矿物含量相对最高的样品该比值也相对最高，说明碳酸盐矿物含量对各参数的演化具有不同的影响。在一定含量的情况下，对某些参数可能起到抑制作用，而对某些参数则起到了催化作用。总的来说，研究区大部分样品各参数与碳酸盐矿物含量之间基本无相关关系，因此碳酸盐矿物含量的变化并非研究区分子成熟度参数纵向规律变化的主要原因。

图3 分子成熟度参数与碳酸盐岩含量关系

在碳酸盐矿物迟缓效应基本可以排除的情况下，笔者认为，第2种解释可能更符合研究区的实际情况。从该次研究的烃源岩样品的成熟度来看，样品均达到了高成熟阶段，在这一阶段，由于差向异构体热稳定性差异的影响，C29甾烷20S/（20S＋20R）表现出随深度增大逐渐减小的趋势，Ts/（Ts＋Tm）也表现出与其高度相似的变化趋势，说明Ts和Tm可能也存在有与之类似的差向异构体热稳定性差异；而C29甾烷ββ/（ββ＋αα）参数上下层位的变化趋势基本一致，可能说明该参数对引起其他参数演化趋势出现差异 （即上下层位的 “两段式”演化特征）的环境变化因素反应相对 “迟钝”，受该因素影响较小，而主要体现出差向异构体热稳定性差异；C31藿烷22S/（22S＋22R）的演化趋势与其他几类分子化合物参数的演化趋势明显不一 （图2），其比值相对恒定，分布在0.60左右，同时，该比值基本达到了理论上的 “平衡状态”。这可能是由于C31藿烷22R向22S的转化活化能较低，在相对较早的成岩作用阶段即基本完成了其异构化过程，达到热力学平衡，进入生烃门限后，温度的增加对其异构体比值影响较小，从而表现为随深度变化基本恒定。

另外，模拟试验证实，岩石类型不同，也可造成分子成熟度参数的差异。如，褐煤的分子成熟度参数在相同温阶条件下低于油页岩［20］。因此，研究区煤系烃源岩特征可能也是造成其分子成熟度参数相对偏低的原因之一。

4 结 论

1）川西坳陷煤系烃源岩分子成熟度参数纵向上呈现 “两段式”演化的特征，同时分子成熟度参数呈现明显的 “逆转”现象。

2）上部层位 （J1z和T3x5）和下部层位 （T3x3和T3t）沉积环境 （如盐度、pH值、Eh值等的变化）的差异是分子成熟度参数出现 “两段式”演化特征的重要因素。差向异构体热稳定性差异是造成部分分子成熟度参数 “逆转”的主要原因，煤系地层自身特点可能也是导致其 “逆转”的原因之一。

3）不同的分子成熟度参数具有不同的热反应过程，且其对环境的敏感程度不一，因此导致不同参数之间具有不同的演化趋势。在利用分子成熟度参数进行油源对比及成熟度评价时，沉积环境及烃源岩自身的热演化程度是必须考虑的重要因素。

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The Abnormal Distribution of Molecular Maturity Parameters of Coal Measure Source Rocks with High Maturity in West Sichuan Depression

LIU Si－bing，SHEN Zhong－min，ZHU Hong－quan，LU Zheng－xiang，TIAN Jun，LI Jie（First Author's Address：State Key Laboratory of Oil and Gas Reservoirs Geology and Exploitation，Chengdu University of Technology，Chengdu610059，Sichuan，China；Postdoctoral Research Working Station of Southwest Petroleum Company，SINOPEC，Chengdu610081，Sichuan，China）

The high molecular maturity parameters of source rocks in the Upper Triassic and Lower Jurassic of West Sichuan Depression presented the character of obvious“reversion”.Its evolutional mode had the feature of“two intervals”，the changing rules of maturity parameters of source rocks had obvious differences between upper formation（J1z and T3x5）and lower formation（T3x3and T3t），and some maturity parameter decreases with the increase of depth which appear the“reversion”.The differences of sedimentary environment（such as salinity，Ph，Eh）between upper formation（J1z and T3x5）and lower formation（T3x3and T3t）are dominant factors for molecular maturity parameter with appearance of“two intervals”，the difference of heat stability of isomers was the main reason causing the“reversion”for some of the molecule maturity parameters，and the self－feature of coal measure strata might be one of factors causing its“reversion”.Different molecular maturity parameters presented different thermal reaction processes，and it had the different sensibilities to environment.So it caused the different parameters with different evolutionary trends.The result indicates that the sedimentary environment and the thermal evolution degree of source rocks are important factors，when the molecular maturity parameters are used to make the comparison of oil source and the evaluation of the maturity.It provides a guidance for coal measure strata exploration.

coal measure source rock；molecular maturity parameter；evolution mode；reversion；sedimentary environment；West Sichuan Depression

TE122.1

A

1000－9752 （2012）02－0001－06

2011－08－02

国家自然科学基金项目 （41172119）。

刘四兵 （1981－），男，2004年大学毕业，博士 （后），现主要从事油气成藏方面的研究工作。

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