陕北斜坡东部上古生界烃源岩地球化学特征

李 浩，任战利，陈西泮，陈玉林

(1.西北大学大陆动力学国家重点实验室/地质学系，陕西西安 710069;2.延长油田股份有限公司富县采油厂，陕西延安 716000;3.中国石油集团测井有限公司油气评价中心，陕西西安 710077)

鄂尔多斯盆地的中北部地区已发现多个大型气田［1-3］，为寻找新的天然气接替区，学者将陕北斜坡东部上古生界烃源岩作为重点研究区。陕北斜坡东部上古生界的研究和勘探程度相对较低，未进行过系统的上古生界烃源岩研究。本研究主要通过有机地球化学特征分析，对该区烃源岩进行评价。

研究区位于鄂尔多斯盆地一级构造单元陕北斜坡东部(见图1)，包含了延安市宝塔区、延长、延川、子长、子洲、靖边、富县等区县，是新的天然气富集区。本研究通过分析该区上古生界烃源岩展布、地球化学等特征，为评估该区上古生界气藏富集规律及控制因素提供可靠的评价依据。

图1 研究区地理位置Fig.1 Geographic location of study area

1 烃源岩分布特征

陕北斜坡东部上古生界泥质烃源岩在纵向上集中在石炭系—二叠系的山西组—本溪组。同时，根据前人大量的研究成果［4-6］和我们的研究，认为山西组以上地层(包括石盒子组和石千峰组)的泥岩为非有效烃源岩。

1.1 上古生界烃源岩纵向分布的特征

陕北斜坡东部上古生界烃源岩为石炭系—二叠系煤系源岩，主要包含深色泥岩、煤岩和灰岩。本溪组泥岩厚度较薄，底部有数米铝铁质泥岩。太原组的泥岩主要为暗色泥岩，顶部有部分灰岩。山西组泥岩的颜色变化频繁，部分泥岩颜色较浅。

1.2 上古生界烃源岩的分布

本研究对陕北斜坡东部上百口探井中的上古生界煤系烃源岩进行分析统计，对煤系烃源岩的厚度展布特征做了详细研究。结果显示，上古生界煤系烃源岩遍布研究区，但横向及纵向上的变化幅度很大。研究区内泥岩以灰、深灰色为主，厚度在30～120 m，东部最厚，西部次之，南部最薄，总体显示出由陕北古拗陷向渭北地区厚度降低的趋势(见图2)。区内中部煤层相对较薄，向东部与西北部厚度逐渐增加，在延长—子长一线最厚达18 m以上。煤层累计厚度6～18 m，主力煤层单层厚6～12 m。该区灰岩主要分布在太原组顶部，厚度普遍小于20 m，分布不均，仅部分井可见(见图2)。

图2 陕北斜坡东部上古生界煤系烃源岩厚度等值线图Fig.2 Source rock thickness of Upper Paleozoic in the east part of North Shaanxi Slope

2 天然气地球化学特征

研究区上古生界主力产气层为石盒子组盒8段和山西组、太原组及本溪组。本研究共分析了150个研究区上古生界天然气样品，其中天然气组分以烃类占绝对优势，其样品的烃类气体含量介于90.85% ～99.19%(摩尔分数，下同)。烃类组分中甲烷含量最高，为90.35% ～98.60%，平均为 95.14%。C2-5含量极低，为 0.3% ～1.84%，平均为0.58%，重烃含量普遍低于5%。天然气干燥系数(C1/C1-5)为98.13% ～99.68%，平均为99.40%。干燥系数高，说明天然气烃类组成主要受烃源岩的热演化程度控制，即现今烃源岩的埋藏深度大、热演化程度高，研究区上古生界天然气具有过成熟干气的特征。研究区上古生界天然气非烃组分含量较低，二氧化碳体积百分含量为0% ～8.15%，平均值2.88%;氮气体积百分含量为0.03% ～6.5%，平均值仅为1.28%(见表1)。

表1 陕北斜坡东部上古生界天然气组分特征(部分)Tab．1 The gas components characteristics of Upper Paleozoic in the east part of North Shaanxi Slope

3 烃源岩地球化学特征

3.1 有机质丰度

由于鄂尔多斯盆地煤系地层中煤岩作为优质烃源岩已经成为共识［7-8］，故本研究以煤系烃源岩中泥岩的有机质丰度为主要研究对象。鄂尔多斯盆地陕北斜坡东部上古生界煤系烃源岩热演化程度已达高—过成熟阶段，残留可溶有机质和可热解的有机质大多已经排出，有机地球化学丰度指标(如S1+S2和氯仿沥青“A”)已失去有机质丰度评价的意义。故本研究主要以煤系烃源岩中的有机碳的含量进行丰度评价。根据前人的研究成果［9-10］，结合陕北斜坡东部烃源岩的有机碳特征，提出了陕北斜坡东部石炭系—二叠系煤系地层中的泥质烃源岩的评价标准(见表2)。

本研究共分析岩心样品TOC数据66块。煤的有机碳的含量为60.18% ～86.89%，泥岩有机碳的含量在0.16% ～7.2%，平均值为1.53%。其中，山西组泥岩有机碳的含量为0.21% ～7.2%，平均值1.5%，山西组泥岩中20%样品的有机碳的含量低于评价标准的最低下限，大部分样品的有机碳的含量高于中等烃源岩级别，属于中等好的烃源岩。太原组泥岩有机碳的含量为0.44% ～2.51%，平均值为1.13%，其中81.0%的样品有机碳含量大于1.0%，属于好—非常好的烃源岩。本溪组泥岩有机碳的含量为0.16%～5.99%，平均值为2.13%，属于好—极好的烃源岩。灰岩有机碳的平均值为1.28%，是中等—好烃源岩(见表3，表4)。

表2 陕北斜坡东部上古生界泥质烃源岩有机质丰度评价标准表Tab．2 Organic abundance evaluation criterion of Upper Paleozoic mudstone of study area

表3 陕北斜坡东部上古生界烃源岩地球化学参数表Tab．3 Geochemical characteristics of Upper Paleozoic source rock in the east part of North Shaanxi Slope

通过绘制陕北斜坡东部上古生界煤系地层烃源岩有机碳等值线图(见图3)，可见研究区有机碳值总体呈现南低北高的特点，仅在研究区南部黄陵—黄龙地区有机碳低于0.5%，其北部地区都达差烃源岩级别之上，而中部地区有机碳的含量可达3.0%。

表4 陕北斜坡东部山西组—本溪组泥质烃源岩地球化学参数表Tab．4 Geochemical characteristics of Shanxi to Benxi formation mudstonein the east part of North Shaanxi Slope

3.2 有机质类型

3.2.1 干酪根组分特征 本研究共分析干酪根组分样品15块，其中10块为Ⅲ型干酪根，4块Ⅱ2型干酪根，仅有1块太原组泥岩为Ⅰ型干酪根(见表5)。其中，煤岩均为Ⅲ型干酪根，镜质组含量高达80%之上。泥岩以Ⅲ型干酪根为主，泥岩的干酪根主要成分为镜质组，壳质组和惰质组含量较低。需要指出的是，部分泥岩样品干酪根中腐泥组含量比较高，这说明上古生界泥质烃源岩干酪根类型不仅有Ⅲ型，而且还有Ⅱ2型和Ⅰ型，从而表明泥质烃源岩母岩来源并非都来自陆源生物，还有一定量的水生生物输入。

图3 陕北斜坡东部上古生界煤系地层TOC与Ro等值线图Fig.3 TOC and Ro isolines of autogenic coal source rock in the east part of North Shaanxi Slope

3.2.2 干酪根碳同位素特征 按照干酪根δ13CPDB评价标准［11］，研究区干酪根碳同位素样品中共有Ⅲ型干酪根12块(山西组5块，太原组3块，本溪组4块)，其他3块为Ⅱ1型干酪根、Ⅱ2型干酪根(见表6)。研究结果表明，该区有机质类型以腐殖型为主，同时还有部分腐泥-腐殖型、腐殖-腐泥型，这说明母质主要来源陆生植物的同时还有少量水生生物输入。

干酪根镜检资料和碳同位素资料研究表明，陕北斜坡东部上古生界干酪根类型总体上具有腐殖型的特征，源岩母质输入具有多元性。

3.3 有机质成熟度特征

3.3.1 镜质体反射率特征 陕北斜坡东部上古生界镜质体反射率平面特征显示(见图3，表3)，研究区上古生界烃源岩在陕北斜坡东部大部分地区已经进入高成熟阶段(Ro＞2.0%)，南部富县—延长一带热演化程度较高，Ro＞3.0%以上有机质普遍处于过成熟干气阶段;周缘呈环带状逐渐降低，至东南部黄龙和东北部绥德—子洲一带，Ro降低到2.0%。

3.3.2 饱和烃色谱分析 通过研究该区D33井的饱和烃色谱图，其主峰碳主要为 C25，nC(21+22)/nC(28+29)为 3.9，Pr/Ph 为 0.17，CPI为1.25，OEP值为1.04，奇偶优势不明显，这说明烃源岩形成于强还原环境［12］，烃源岩处于过成熟阶段(见图4)。

图4 D33井太原组饱和烃色谱图(3 226.7 m)Fig.4 Gas chromatograms of the saturated hydrocarbons of Taiyuan formation in D33 Well

4 结论

1)陕北斜坡东部上古生界气藏天然气组分以烃类气体为主，甲烷为烃类气体的主要组分，其含量均超过90%;非烃气体含量极低，主要是二氧化碳和氮气;气体的重烃含量不高，干燥系数较高，气藏总体上偏干。

2)研究区煤层有机碳的含量表现为高值，累积厚度6～18 m，有机碳范围60.20% ～86.89%，是研究区上古生界天然气最主要的源岩。泥岩厚度一般为30～120 m，有机碳范围0.16% ～7.2%，是天然气的第二位供应者。其中，山西组泥岩属于中等—好的烃源岩，太原组泥岩属于好—非常好的烃源岩，本溪组泥岩属于好—极好的烃源岩。灰岩厚度较薄，有机碳平均值为1.28%，是中等—好烃源岩。

表5 陕北斜坡东部上古生界烃源岩干酪根组分分析结果Tab．5 The microcomposition of kerogen source rock of Upper Paleozoic in the east part of North Shaanxi Slope

表6 陕北斜坡东部上古生界干酪跟碳同位素分析表(部分)Tab．6 The part of carbon isotope δ13CPDB of Upper Paleozoic in the east part of North Shaanxi Slope

续表6

3)陕北斜坡东部上古生界源岩母质输入具有多元性，煤和暗色泥岩的有机质类型以腐殖型为主。上古生界烃源岩Ro多大于2.0%，已进入过成熟—干气阶段。

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