马朗凹陷低熟页岩油地球化学特征及成烃机理

吴红烛，黄志龙，杨柏松，柳 波，闫玉魁，桑廷义，文川江

1.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249

2.中国石油天然气股份有限公司对外合作部，北京 100007

3.中国石油吐哈油田分公司勘探开发研究院，新疆 哈密 839009

0 引言

页岩油是以游离（含凝析态）、吸附及溶解（可溶解于天然气、干酪根和残余水等）态等多种方式赋存于有效生烃泥页岩地层层系中且具有勘探开发意义的非气态烃类［1－2］。页岩油的概念有狭义和广义之分，广义页岩油含义与广义致密油一致［3］，还包括油页岩资源。文中的页岩油是直接产自泥页岩层，并非是产自与作为烃源岩的泥页岩具有密切关系的砂岩、粉砂岩和碳酸盐岩。因此，笔者所讨论的页岩油属于广义致密油范畴，但有别于狭义的致密油。

马朗凹陷是三塘湖盆地中央坳陷带油气最富集区带，经过20年的勘探，在二叠系芦草沟组源内及上覆侏罗系等地层中发现大量油气。芦草沟组源内油气富集规律复杂，不仅碎屑岩和碳酸盐岩储层有活跃的油气显示，而且细粒的泥质岩基质也普遍含油（尤其页理和裂缝发育时含油性更好），这种源内油气实质为页岩油，是二叠系芦草沟组烃源岩所生，也是典型的低熟油［4－7］。随着勘探程度的提高，芦草沟组高成熟度烃源岩并未显示出良好的生烃潜力，钻井接连失利。在钻井尚未钻遇的凹陷深部，芦草沟组是否存在传统有机质生油理论预示的第二生烃高峰即成熟生烃高峰［8］，是值得讨论的。

本次研究针对芦草沟组高成熟烃源岩未显示出良好勘探潜力的反常现象，在芦草沟低熟页岩油及其烃源岩地球化学特征分析的基础上，通过对源岩有机岩石学和地球化学特征的详细分析，确定马朗凹陷低熟页岩油成烃机制和演化模式。

1 源岩沉积学特征

马朗凹陷二叠系芦草沟组自下而上发育芦一段、芦二段和芦三段，为微咸－半咸水湖泊相沉积。从芦一段－芦二段－芦三段沉积时期，湖盆沉积水体经历了由浅－深－浅的演变过程。其中，芦二段湖盆面积最大，主体为半深湖－深湖相沉积，由于陆源粗碎屑输入量较少，水体咸化，岩性以灰质（或云质）泥岩、泥岩和页岩为主，颜色多呈灰黑色或灰色。在凹陷边缘物源输入方向，可见灰质砂砾岩，但砂砾岩分布范围不大。芦一段滨浅湖面积广，沉积时水体浅，常见棕红色泥岩和砂砾岩，也发育浅灰色泥岩。芦三段沉积水体较浅，发育浅灰色泥岩和凝灰质泥岩，偶见凝灰岩。

马朗凹陷芦草沟组泥岩脆性矿物体积分数较高，平均体积分数高达53%。其中，石英体积分数为20%～40%，碳酸盐总体积分数为5%～48%，长石体积分数为20%～30%，塑性黏土矿物体积分数较低。该类型储层易形成裂缝，可改造性强。灰质泥岩和云质泥岩等过渡岩性储集性能好，尤其是互层状或页理发育时，低熟页岩油最富集。芦草沟组岩石致密，孔隙度小于10%，当埋深度大于3 000m时，岩石孔隙度皆不足5%，基质也普遍含油。

2 源岩与低熟页岩油地球化学特征

2.1 源岩地球化学特征

马朗凹陷二叠系芦草沟组是一套优质烃源岩，但芦一段、芦二段和芦三段这3个层位的泥质岩有机质丰度、类型差异大。

芦一段有机碳质量分数不高，一般小于1.2%，w（氯仿沥青“A”）为0.01%～0.05%，生烃潜量（w（S1＋S2））也低，一般小于0.5mg/g（图1），为较差烃源岩。芦二段总有机碳质量分数（w（TOC））为0.05%～18.0%，90%以上的泥岩样品w（TOC）值为1.0%～12.0%，w（氯仿沥青“A”）为0.1%～1.0%，w（S1＋S2）一般大于10.0mg/g，为好烃源岩。芦草沟组三段绝大多数泥岩样品w（TOC）为1.0%～5.0%，氯仿沥青“A”质量分数与生烃潜量分布范围宽（图1），有机质丰度介于芦一段和芦二段之间。

图1 芦草沟组各段泥质岩样品有机质丰度统计图Fig.1 Statistical chart of Lucaogou group each interval mudstone organic matter abundance

研究区芦一段与邻近的条湖凹陷的有机质母质类型以 Ш 型为主，氢指数（IH）低（＜150mg/g），惰质组含量高，生油潜力低。芦二段泥质岩样品氢指数平均达548mg/g，60%以上的样品氢指数大于600mg/g，以I型和II1型为主（图2），有机质显微组分以富氢的腐泥组和壳质组质量分数高，总质量分数达40%以上（图3）。芦草沟组三段腐殖组和腐泥组质量分数均较高，介于芦一段和芦二段之间（图3），生烃潜力也介于二者之间。

2.2 低熟页岩油地球化学特征

与我国其他地区低熟油物理特征相似，马朗凹陷芦草沟组低熟页岩油密度和黏度均较高，其油质偏重，原油密度为0.87～0.95g/cm3，均值为0.90 g/cm3，黏度变化范围为20～2 650mPa·s，均值为437mPa·s，主要为中质稠油－稠油。且该原油饱和烃质量分数一般低于60%，芳烃质量分数为17.86%～25.74%，非烃＋沥青质总质量分数为18.58%～38.73%，饱芳比为1.95～2.96（均小于4），非沥比变化范围广，为7.03～89.19（均大于5）。原油这种相对较低饱和烃质量分数、较高“非烃＋沥青质”质量分数、低饱芳比和高非沥比的特点，是其低演化的重要标志，与成熟原油形成明显对照［9］。

从原油饱和烃色谱－质谱特征来看（图4），该低熟页岩油正构烷烃碳数分布范围为C11－C35，主峰碳分布为nC21、nC23或nC25，呈后单峰型，其高碳数部分陡坎状下降（图4）。CPI（碳优势指数）为1.27～1.44，ααα20RC29甾烷w（20S）/w（20S＋20R）为0.25～0.38，w（ββ）/w（ββ＋αα）值为0.25～0.40，重排甾烷含量不高，w（Ts）≪w（Tm）（w（Ts）/w（Ts＋Tm）为0.10～0.24），表明该原油为典型低熟油。规则甾烷ααα20RC27、ααα20RC28、ααα20RC29呈“/”型分布，4-甲基甾烷和甲藻甾烷质量分数极低，低丰度三环萜、低w（甾烷）/w（藿烷）值（0.2～0.8）及高丰度藿烷系列，显示了陆源高等植物与菌藻类混合生源的特点。w（Pr）/w（Ph）值较低（小于1.0），具有高丰度的β－胡萝卜烷和γ－蜡烷（伽玛蜡烷指数0.33～0.48），说明其生烃母质形成于咸水－半咸水还原环境。低丰度重排甾烷与本区缺氧、贫黏土的碳酸盐岩烃源岩的存在相关［10－11］。

图2 条湖、马朗凹陷芦草沟组泥质岩热解IH－Tmax对比Fig.2 Comparison of Tiaohu，Malang sag Lucaogou Group mudstone pyrolysis IH－Tmax

图3 马朗凹陷芦草沟组泥质岩干酪根镜检显微组分三角图Fig.3 Triangular chart of Malang sag Lucaogou Group mudstone kerogen maceral

3 低熟页岩油成烃机制

页岩气是指以游离和吸附状态赋存于富有机质泥页岩地层中、具有商业价值的连续分布的自生自储型非常规资源［12］，处于生油窗的特殊烃源岩则发育页岩油。马朗凹陷低熟页岩油具有低熟油和页岩油的双重特征，其成藏机理有别于常规，预示着生成该原油的烃源岩——芦草沟组泥岩，可能具有特殊母质特征和生烃演化模式。

3.1 生烃母质及其成因剖析

低熟油气的形成是与一定的地质环境因素（生源母质、古沉积环境条件、沉积特征等）紧密相关的。生烃母质和沉积－成岩环境条件的差异导致了低熟源岩生烃物质基础的差异，从而使低熟源岩具有不同的生烃机理和生烃潜力。

低熟油理论指出，低温早期生烃母质（如树脂体、富硫大分子等）是形成低熟油的物质基础［13］。在荧光显微镜下，研究区芦草沟组泥质岩显微组分包括结构镜质组（图5a）、无结构镜质组（图5b）、树脂体（图5c）和无定形组（矿物沥青基质）。在泥岩和灰质（或云质）泥岩中，发强黄绿色荧光的无定形组（矿物沥青基质）丰富（图5d，e，f），其质量分数与有机碳成正相关（图6）；也可见树脂体发育，但体积分数并不高。这些荧光特征明显的无定形组和树脂体多为富氢显微组分，即前文提及的腐泥组分（或I型有机质），是芦草沟组的主要生油母质［8］。在有机质类型方面，与松辽盆地青山口组低熟烃源岩类似，马朗凹陷低熟页岩油富集层芦二段源岩，有机质以I型和II1型为主，有机显微组分中富氢的腐泥组和壳质组质量分数高，平均质量分数达54.3%，这种类型的有机质以类脂化合物为主，直链烷烃多，热解所需热能低，能较早进入生油门限。

图4 芦草沟组低熟页岩油生标谱图特征Fig.4 Biomarker GC-MS of Lucaogou Group low maturity shale oil

芦草沟组泥质岩基质中，无定形体（或称矿物沥青基质）多呈较均匀状分布，尤其是泥页岩中呈层分布（图5c，d），表明其为原生有机质，即这些矿物沥青基质应是沉积过程中进入矿物中的“原生”①王铁冠，张林晔，钟宁宁，等.临清坳陷（东部）石油勘探地球化学综合研究.1992.②王铁冠，于志海，钟宁宁，等.板桥地区烃源岩有机显微组合特征、成烃机制与评价.1992.有机质显微颗粒［14］。为消除泥页岩中滞留烃的影响，选取泥质岩样品，进行抽提前后w（TOC）对比，发现泥质岩抽提前后w（TOC）变化不大（图7），进一步证明了芦草沟组泥质岩中异常高丰度有机质不是滞留烃，而是原生沉积成因。烃源岩（主要指泥质岩）w（TOC）与腐泥组分（主要是矿物沥青质）质量分数呈正相关性（图6），也说明了烃源岩中矿物沥青基质的原生性。

低熟页岩油和源岩可溶组分具有明确的生源构成、沉积－成岩环境等地球化学意义。与本区低熟页岩油相似，芦草沟组泥岩可溶馏分中正构烷烃也呈单峰型，主峰碳为nC23或nC25，高碳数烷烃呈陡坎状下降，质量分数较低，中等碳数正构烷烃质量分数高，反映中高等植物蜡质生源的贡献。通常，蜡质易水解，在低温下便能形成C＋22正构烷烃，无须高活化能。芦草沟组源岩和低熟页岩油都含有丰富的细菌生源标志物，即藿烷系列化合物，在总离子流图上，藿烷系列绝对丰度异常高（图4），m/z＝191谱图上三环萜烷质量分数低，甾烷/藿烷比值小于0.9，显示细菌生源贡献大。无独有偶，板桥凹陷沙一段和德南洼陷沙三段、沙四段低熟源岩也都表现出该特征［9，13］。这种高丰度细菌生源输入生物标志物表明芦草沟组源岩中的有机质可能经历了细菌的改造作用。王志勇［7］、杜宏宇［15］对二叠系芦草沟组烃源岩地化特征进行研究后指出，该烃源岩抽提物中含微量C－25降藿烷，有机质沉积早期有细菌改造作用存在［8］。沉积有机质由于遭受细菌等微生物的改造作用后碳同位素会变轻，从而导致芦草沟组源岩所生的低熟页岩油的全油碳同位素异常轻（小于－31.0‰），因此，芦草沟组源岩中富氢组分与微生物（主要是细菌）活动密切相关。被细菌改造过的有机质，多留下原始物质的类脂化合物馏分和细菌的类脂化合物，该有机质不仅类型好，而且细菌等微生物的这种降解改造作用会使生烃组分活化能大大降低，能促使其在低温早熟阶段生烃。

图5 马朗凹陷芦草沟组泥质岩全岩显微组分镜下特征Fig.5 Maceral microscopic characteristics of Malang sag Lucaogou Group argillaceous rock total rock

芦草沟组低熟页岩油的形成不仅与低熟源岩生烃母质息息相关，而且还与源岩的沉积环境紧密相连。德南洼陷、金湖凹陷和海安凹陷的低熟烃源岩和低熟油都富集β－胡萝卜烷系列，沉积于强还原－咸化水介质下。芦草沟组低熟页岩油及源岩可溶馏分，也具有高丰度伽玛蜡和β－胡萝卜烷及较低的w（Pr）/w（Ph）值（小于1.0），各种生物构型甾烷较发育（图4），属强还原环境和咸化水介质条件下细菌和陆源有机质母质成因。前人［16］研究也证实芦草沟组沉积环境为咸水－半咸水湖相环境。这种强还原咸水－半咸水环境有利于类脂物的保存和生烃转化，为芦草沟组富氢无定形组分富集和高丰度有机碳的形成创造了条件。芦草沟组半咸化湖相生油岩的热解峰温多为425～440℃，比正常湖相泥岩低。

图6 马朗凹陷芦草沟组源岩有机质显微组分与w（TOC）关系图Fig.6 Relationship between organic matter maceral and w（TOC）of Malang sag Lucaogou Group source rock

图7 马朗凹陷不同岩性样品抽提前后有机碳w（TOC）对比直方图Fig.7 w（TOC）contrast histogram of Malang sag different lithologic samples before and after extraction

3.2 有机质演化标志及演化阶段划分

马朗凹陷芦草沟组现已发现的低熟油统计数据表明，芦草沟组低熟页岩油富集层段的埋深皆大于2 100m，说明低熟页岩油的形成需要达到一定的埋深和演化阶段。

三塘湖盆地马朗凹陷芦草沟组绝大部分泥质岩镜质体反射率（Ro）实测数据分布在0.5%～0.9%，部分样品超过0.9%，最高值小于2.0%（图8），总体处于低熟－早成熟阶段。Tmax一般小于440℃，荧光镜下，泥质岩中无定形组分和树脂体皆为中等－强黄绿色荧光（图5），也反映源岩热演化程度不高。

图8 马朗凹陷芦草沟组泥质岩Ro直方图Fig.8 Rohistogram of Malang sag Lucaogou Group mudstone

甾萜生物标志化合物的一个重要应用在于确定烃源岩成熟度。从马朗凹陷芦草沟组源岩可溶馏分生物标志物成熟度参数来看，w（Ts）≪w（Tm），C29ααα甾烷w（20S）/w（20S＋20R）为0.2～0.45，w（ββ）/w（αα＋ββ）值大多数为0.2～0.4，其孕甾烷系列和重排甾烷质量分数也不高，表明研究区马朗凹陷芦草沟组烃源岩多处于低成熟演化阶段（图9），这些特征与芦草沟组低熟页岩油的成熟度是相吻合的。C31藿烷异构体值w（22S）/w（22S＋22R）与（古）埋深关系也显示芦草沟组烃源岩主要处于低成熟－临界成熟阶段，现今埋深大于2 300m（对应K末2 750m），样品该比值基本达到平衡值（约0.6），浅于2 300m的大部分样品C31藿烷w（22S）/w（22S＋22R）值为0.2～0.4，远未达到演化终点，即2 300m为下文提及的低成熟阶段与成熟早期之间的界限（图10）。

3.3 生烃机制及模式

前已述及，芦草沟组烃源岩是以细菌和中高等植物混合生源输入为主，原始有机质经历了细菌等微生物降解改造作用，形成以细菌的类脂化合物和原始物质的类脂化合物馏分的大量残留，这类有机质多为富氢组分，生油潜力大，且生烃活化能低，利于早熟生烃。同时，荧光镜下的树脂体和源岩、原油饱和烃馏分中所反映的中高等植物蜡质生源，都是形成低熟油的母质。因此，芦草沟组低熟页岩油是以生物类脂化合物和细菌改造生烃机制为主的低温早熟页岩油。该源岩氯仿沥青“A”转化率高，多为5%～20%。

图9 马朗凹陷芦草沟组源岩可溶有机质C29规则甾烷w（20S）/w（20S＋20R）-w（ββ）/w（αα＋ββ）关系Fig.9 Relationship between w（20S）/w（20S＋20R）and w（ββ）/w（αα＋ββ）of Malang sag Lucaogou Group source rock dissoluble organic matter C29regular sterane

综合分析马朗凹陷芦草沟组烃源岩有机质转化率、镜质反射率等实测数据，发现芦草沟组在埋藏深度1 800～2 900m，烃源岩生烃潜力w（S1）/w（S1＋S2）和w（氯仿沥青“A”）/w（TOC）值都达到最大，出现生烃高峰，该深度段即为芦草沟组主生油带，深于或浅于主生油带，烃源岩生烃潜力急剧降低。以镜质体反射率和生标成熟度参数（C31藿烷w（22S）/w（22S＋22R）、C29甾烷w（ββ）/w（αα＋ββ））作为源岩成熟划分标准，建立马朗凹陷芦草沟组生烃模式（图10）：在未成熟阶段，烃源岩埋深小于1 500m，其Ro小于0.5%，饱和烃C31藿烷w（22S）/w（22S＋22R）未达到演化终点（0.6），w（S1）/w（S1＋S2）和w（氯仿沥青“A”）/w（TOC）值低；低成熟－成熟早期阶段，烃源岩埋深为1 500～3 200m，Ro为0.5%～0.8%，w（S1）/w（S1＋S2）和w（氯仿沥青“A”）/w（TOC）值高，以饱和烃C31藿烷w（22S）/w（22S＋22R）纵向上演化转折点（约2 300m）为界，把低成熟阶段和成熟早期阶段分开；成熟阶段，烃源岩埋深大于3 200m，烃源岩Ro大于0.8%，饱和烃C31藿烷w（22S）/w（22S＋22R）约为0.6，达到演化终点，w（S1）/w（S1＋S2）和w（氯仿沥青“A”）/w（TOC）值快速降低。

上述模式显示，研究区3 000m以下源岩处于成熟演化阶段，但并未出现有机质热降解生烃的成熟主带，即芦草沟组烃源岩主生油带略早于传统有机生油理论中的生油主带，这与芦草沟组特有的生油母质和形成环境是有关联的。为验证此模式的准确性，并证明成熟主带是否存在，本次选取马41井低熟泥质岩样品（埋深1 809m，实测Ro＝0.51%），进行了热生烃模拟实验。模拟实验结果表明，产油高峰出现的温度为300～345℃（图11），运用Easy%Ro模型计算，该产油高峰对应的Ro为0.51%～0.87%，与上述生烃模式基本吻合。

图10 马朗凹陷芦草沟组泥质岩成熟度演化阶段划分图Fig.10 Maturity evolution stage division plan of Malang sag Lucaogou Group mudstone

图11 马41井芦草沟组泥质岩热模拟实验Fig.11 Thermal simulation experiment of well Ma 41 Lucaogou Group mudstone

3.4 低熟页岩油富集的基本条件

低熟页岩油是与页岩气具有相类似富集机理的另一种非常规资源，在页岩气富集核心区，烃源岩w（TOC）一般大于2.0%［17－18］，那么低熟页岩油形成与富集，是否会对源岩有机质丰度提出更高要求呢？马朗凹陷二叠系勘探成果揭示，在取心井段中，芦一段基本无油气显示，芦二段油气显示最为活跃，现今已发现的低熟页岩油主要富集于芦草沟组二段。芦草沟组低熟页岩油的这种分布与该源岩有机质质量分数及其富集特征是密切相关的，从有机碳、热解生烃潜量和氯仿沥青“A”3个方面评价来看，芦草沟组这三层位的泥质岩有机质丰度差异大。芦一段w（TOC）一般小于1.2%，w（氯仿沥青“A”）和w（（S1＋S2））都不高，有机质丰度总体偏低，缺少低熟页岩油富集的物质基础，这是芦一段不发育低熟页岩油根本原因；芦二段泥岩样品平均w（TOC）高达4.87%，平均w（氯仿沥青“A”）为0.35%，w（（S1＋S2））平均值为19.06mg/g，其有机质丰度远高于我国陆相好烃源岩评价标准，参照王铁冠等［13］提出的低熟源岩有机质丰度分级评价标准，研究区芦草沟组二段为好低熟烃源岩，芦三段为较好低熟烃源岩，这两段最有利于低熟页岩油的富集，以芦二段最优。此外，源岩有机质丰度高，有机质生烃残留孔则发育，这有利于低熟页岩油的储集，因此，相比之下，芦二段会更富集低熟页岩油。

从富集机理上讲，低熟页岩油是一种源内滞留油，这种滞留油要具有开采价值，只有满足一定标准才行，源岩有机质类型越好，生油潜力越大，则更有利于低熟页岩油的形成和富集。研究区芦二段沉积时水体深，主要发育半深－深湖相灰质泥岩、泥岩和页岩沉积，沉积水体为半咸水强还原环境，这种沉积环境保存了高丰度有机质，这些有机质经历过细菌等微生物改造作用，以I型和II1型为主（图3），有机质显微组分中富氢的腐泥组和壳质组质量分数高（图4），因此该层段泥岩生油潜力大，这是芦二段成为低熟页岩油最富集层位的重要原因之一。而马朗凹陷芦一段与邻近的条湖凹陷有机质类型以Ш型为主，惰质组质量分数高，生油潜力小，致使马朗凹陷芦一段勘探至今，仍无重大发现。

根据芦草沟组有机质生烃演化模型不难看出，芦草沟组页岩油富集段为处于主生烃带的半深湖－深湖灰质泥岩、页岩相带，处于该演化阶段的源岩生烃量大，源内滞留的页岩油含量高，尤其在断裂不发育地区或远离断层井段的灰质（或云质）泥岩、页岩中，页岩油运移阻力大，其富集程度更高［19－20］；而芦三段由于埋藏较浅，源岩生烃量较小，页岩油富集量低。此外，芦草沟组泥岩脆性矿物（主要为石英、长石和碳酸盐岩）体积分数高，塑性黏土矿物体积分数较低，易于形成裂缝和溶蚀孔等次生储集空间［21］，这也是芦草沟组发育页岩油的有利条件之一。

综上所述，有机质丰度高、类型好、处于生烃高峰是芦草沟组低熟页岩油富集的基本条件。

4 结论

1）芦草沟组细粒岩发育，岩石致密，基质普遍含油，此原油即为页岩油。该页岩油具有高密度、高黏度、低饱芳比和高非沥比特点，原油CPI为1.27～1.44，奇偶优势较明显，C29甾烷异构化参数w（20S）/w（20S＋20R）、w（ββ）/w（αα＋ββ）均为0.2～0.4，w（Ts）≪w（Tm），显示低熟原油特征；原油低w（Pr）/w（Ph）（＜1.0）、高伽玛蜡烷和β－胡萝卜烷，说明其生油母岩——芦草沟组烃源岩沉积环境为半咸水强还原环境。

2）芦草沟组富氢无定形体是低熟页岩油主要生烃母质，具有原生沉积成因和低温早熟生烃特征。该母质是经历细菌改造作用形成的，导致芦草沟组烃源岩演化具有特殊规律：纵向上，烃源岩生烃主峰带为1 800～2 900m，对应Ro为0.55%～0.75%（即低熟－成熟早期阶段），浅于或深于该主生烃带，烃源岩生烃能力都明显降低。低熟页岩油富集层位——芦草沟二段，即处于主生烃带范围。

3）芦草沟组烃源岩Ro多为0.5%～0.9%，处于低熟－成熟早期阶段，热演化成熟度适宜，且源岩有机质丰度高，类型好，以I型和II1型为主，是马朗凹陷低熟页岩油富集的基本条件。

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