鄂尔多斯盆地长7段烃源岩有机地球化学特征

2019-01-18吴康军王艳茹贾子策范丹玲赵小瑜

重庆科技学院学报（自然科学版） 2018年6期

吴康军王艳茹关欣贾子策范丹玲赵小瑜

(1. 重庆科技学院石油与天然气工程学院，重庆 401331；2. 复杂油气田勘探开发重庆市重点实验室，重庆 401331； 3. 哈尔滨师范大学，哈尔滨 150025；4. 中石油辽河油田分公司勘探开发研究院，辽宁盘锦 124010)

1 研究区地质概况

鄂尔多斯盆地是我国重要的致密油勘探区域，目前三叠系延长组致密砂岩储层渗透率小于2×10-3μm2的油气已探明地质储量约20×108t[1]，致密油将是该盆地未来的重点开发方向。盆地三叠系延长组的致密油主要发育在长7段的湖相致密砂岩中，致密砂岩与烃源岩紧密接触。国内外学者对Williston盆地Bakken组致密油，以及准噶尔盆地、鄂尔多斯盆地、库车前陆盆地、四川盆地、松辽盆地和渤海湾盆地的致密油进行了系统分析，认为广覆式分布成熟度适中的腐泥型优质生油层是致密油形成应具备的关键条件之一[2]。鄂尔多斯盆地属克拉通沉积盆地，其主要地质特征表现为结构简单、构造平缓、沉降稳定[3]，三叠系延长组是在此构造背景下发育的内陆湖盆沉积，记录了湖盆从萌芽到消亡的整个过程。其中，在长7段沉积时期即晚三叠世湖泊发展鼎盛时期，半深湖 — 深湖中发育厚层富有机质泥页岩，与湖盆中心重力流成因致密油储层形成共生层系，在湖盆中心大面积叠置分布(见图1)。长7段泥页岩面积可达70×103km2，厚度可达50 m以上，该套泥页岩生烃、排烃能力强，是延长组致密油的主力烃源岩[4-7]。目前，国内地质学家对于研究区致密油特征的研究，更侧重于其储层特征[1,8]，而对于烃源岩特征还缺乏较全面的认识，特别是对于油页岩、暗色泥岩形成环境及地球化学特征的认识还不成系统。本次研究拟通过烃源岩评价及生物标志化合物参数分析，研究长7段泥页岩地球化学特征，探讨其母质来源和形成环境。

烃源岩颜色是其形成环境的直观表现，形成于不同沉积环境的烃源岩具有不同的颜色、类型及成分。长7段烃源岩由油页岩和暗色泥(页)岩组成，其露头剖面如图2所示。其中，油页岩常为灰黑色、黑色的泥岩，夹有少量黄褐色的页岩，同时含有多种生物化石，如介形虫、方鳞鱼、植物碎片；暗色泥岩可分为粉砂质泥岩和页岩、灰色到灰黑色的泥岩，野外剖面的泥岩多风化成片状或针状，部分泥(页)岩含有少量薄层粉砂。暗色泥岩多与油页岩共生，或厚层泥岩与薄层砂岩形成互层。

图1 鄂尔多斯盆地长7段泥页岩厚度等值线与致密油分布

图2 长7段烃源岩露头剖面

2 烃源岩生烃评价

对鄂尔多斯盆地长7段的油页岩和暗色泥岩露头、钻井样品进行采样。采样中首先考虑代表致密油分布特征的重点井位，其次考虑构造的差异性，同时兼顾各个地区沉积环境的差异。采集150块泥页岩样品，然后针对这些样品进行烃源岩地球化学分析，包括有机质抽提和分离，及饱和烃和芳烃色谱-质谱分析测试。对100多口井的测井曲线进行归一化处理，计算泥页岩厚度[9]，并运用ΔlgR法计算各井中烃源岩的总有机碳(TOC)[10]。

长7段烃源岩可分为3个亚段，从下而上分别是长73、长72和长71亚段。这3个亚段在沉积特征和地球化学方面均存在差异，其有机质丰度特征见表1。由于长7段沉积时期鄂尔多斯盆地湖盆已经发育，烃源岩主要为暗色泥岩及油页岩，因此在评价烃源岩时可依据陆相烃源岩评价标准来划分烃源岩类别。长7段各层泥页岩样品的总有机碳均大于1.0%，氯仿沥青“A”均大于0.1%，各层位的总烃质量分数均大于210×10-6，通过实验分析可知样品的生烃潜量均大于6.1 mgg，烃源岩总体评价为好。其中长73烃源岩除总烃外，其余各项地球化学指标的平均值均高于长71、长72烃源岩，因此评价为极好，对生油气的贡献最大；长72烃源岩次之，评价为很好，生油贡献次之；长71烃源岩评价为好。

表1 鄂尔多斯盆地延长组长7段烃源岩有机质丰度特征

生油岩的有机质类型与母质来源有密切关系，它也是评价生油岩的重要指标。常用的方法主要包括有机显微组分和生油岩热解分析法。长71、长72烃源岩显微组分中矿物沥青基质含量较多，分别平均占总量的60.53%和57.33%；长73烃源岩中壳质组及矿物沥青基质的含量比较多，分别平均占总量的38.41%和31.74%。依据各显微组分的相对含量，将长7段烃源岩划分为不同的类型：长71烃源岩以Ⅱ2型为主，有少量的Ⅲ 型和Ⅱ1型；长72烃源岩以Ⅱ2型为主，有少量的Ⅱ1型；长73烃源岩为Ⅱ1型 — Ⅱ2型。一般认为，HI(氢指数)越高，烃源岩的有机质类型越好。当HI>500 mgg时，为Ⅰ 型干酪根；HI介于350～500 mgg时，为Ⅱ1型干酪根；HI介于100～350 mgg时，为Ⅱ2型干酪根；HI<100 mgg时，为Ⅲ 型干酪根。长7段各层烃源岩主要为Ⅱ1型 — Ⅱ2型，少量的为Ⅰ型和Ⅲ型。其中，长71烃源岩以Ⅱ1型 — Ⅱ2型为主，少量的为Ⅰ 型，有部分低等生物混入；埋藏较深的长72和长73烃源岩以Ⅱ1型为主。

镜质体反射率(Ro)是表征烃源岩成熟度的常用指标。岩石热解最高峰温度(Tmax)、饱和烃成分、正构烷烃分布及奇偶优势、甾萜烷生物标志化合物等指标，也可以用来判断有机质向石油转化的热演化程度。鄂尔多斯盆地延长组长7段烃源岩的Ro介于0.46% ～ 1.35%，平均为0.86%。其中，长71烃源岩Ro稍低，介于0.60%～1.10%，平均为0.85%，这可能与埋藏的深度有关。随着埋藏深度的增加，长72烃源岩Ro介于0.45%～1.09%，平均为0.84%；长73烃源岩Ro最高，介于0.66%～1.17%，平均为0.86%。整体上看，长7段烃源岩大部分Ro介于0.75%～1.32%(见图3)。三环萜烷五环萜烷、莫烷C30藿烷、重排甾烷规则甾烷及Ts(Ts+Tm)的比值均能反映烃源岩的成熟度。根据各参数与Ro的相关性(见图4)可知，各参数比值均随着成熟度的升高而增大。莫烷C30藿烷比值主要分布于0.04～0.15，少部分样品的莫烷C30藿烷比值大于0.15，说明烃源岩样品主要处于成熟阶段，个别处于过成熟阶段。

3 烃源岩的形成环境及母质来源

图3 长7段烃源岩Ro分布图

图4 长7段烃源岩生物标志化合物比值与Ro的关系

3.1 S含量、碳同位素特征

沉积物中有机碳与黄铁矿中硫元素的比值可以作为盐度指标。由于长7烃源岩中含有一定量的黄铁矿，且不含硫酸盐矿物，因此可以用泥岩中的全硫含量来近似代替黄铁矿中的硫。长7段烃源岩的总有机碳与S含量呈较好的线性关系，大体上S含量小于6%，符合非海相淡水沉积环境烃源岩的标准，表明此处烃源岩主要形成于淡水环境。以总有机碳5%、S含量2%为界线进行判断：低于此数值的区域内，暗色泥岩占多数；高于此数值的区域内以油页岩为主，即油页岩的S含量明显高于暗色泥岩，说明油页岩形成于还原环境(见图5)。

通常，不同生物和有机质的碳同位素值不同。多数学者认为，陆生高等植物的δ13C平均值为-25.5‰，湖沼高等植物的δ13C稍低(平均-23.0‰)，而淡水浮游生物的δ13C较高(-32.0‰～-27.0‰)。由延长组油页岩与暗色泥岩的干酪根碳同位素统计数据可知，两种烃源岩的δ13C值均集中分布于-29.5‰～-29.0‰(见图6)，表明生源母质均为淡水的浮游生物。但部分暗色泥岩的δ13C大于-28.5‰，略高于淡水浮游生物的δ13C值，其生源母质中可能混有少量陆生高等植物的成分。

图5 长7段烃源岩TOC与S含量的关系

3.2 生物标志化合物特征

图7 长7段烃源岩正构烷烃碳数分布

岩性正构烷烃12345类异戊二烯烃678油页岩C15-C172.40～9.005.40(16)3.60～6.006.70(16)1.00～1.101.10(16)1.00～1.101.00(16)0.70～1.201.00(16)0.05～0.400.20(16)0.10～0.800.30(16)暗色泥岩C15-C201.20～7.003.20(13)2.30～7.004.40(13)1.00～1.101.10(13)1.00～1.101.00(13)0.40～1.601.00(13)0.08～0.500.26(13)0.10～0.50 0.20(13)

(2) 类异戊二烯烷烃特征。姥鲛烷(Pr)、植烷(Ph)及二者比值，通常可以用来判别沉积环境的氧化-还原条件，是有机质保存的重要指标，但是这个指标在高 — 过成熟度的样品中应慎用。一般情况下，姥鲛烷占优势代表较氧化环境，而植烷占优势则代表较还原环境。PrPh比值小于0.5表示强还原环境，PrPh比值介于0.5～1.0表示还原环境，PrPh比值介于1.0～2.0表示弱还原-弱氧化环境，PrPh比值大于2.0表示氧化环境。PrnC17可以指示水体深浅：PrnC17小于0.5为开放性水体，如海水、半咸水和淡水；PrnC17大于1.0为典型的沼泽环境，水生植物繁盛；PrnC17介于0.5～1.0为过渡环境。PrnC17与PhnC18的相关性可以指示有机质来源及有机质的生物降解程度。细菌降解较严重的样品，其姥鲛烷或植烷的值会大于其相邻的正构烷烃(nC17、nC18)[12]。

长7段烃源岩的气相色谱分析结果表明(见表2)，油页岩和暗色泥岩的PrPh平均值都为1，表明长7段烃源岩均处于还原环境，为淡水沉积[13]。同时，长7段烃源岩正构烷烃的低碳数部分完整，而且PrnC17和PhnC18比值均小于1，说明烃源岩受生物降解不严重。因此，可根据PrnC17与PhnC18交会图判断沉积环境的氧化还原性及烃源岩的有机质类型。油页岩均落在还原区域，而暗色泥岩则有少量落在弱还原区域，说明油页岩沉积时水体为还原环境；而位于长7段油层组上部的暗色泥岩沉积，由于湖水退却收缩，水体渐变为弱还原的环境(见图8)。

图8 长7段烃源岩PrnC17与PhnC18交会图

(3) 萜类化合物特征。萜类化合物中最常用的生物标志化合物是伽马蜡烷和藿烷。伽马蜡烷常被用来指示沉积环境的盐度，高丰度常指示咸水环境[14]。延长组长7段烃源岩的伽马蜡烷相对含量均很低，油页岩与暗色泥岩的伽玛蜡烷C30藿烷的平均值均为0.1左右，代表淡水沉积环境(见表3)。长7段烃源岩样品的藿烷含量很丰富，大部分样品表现为C30藿烷占优势，个别样品为C30重排藿烷占优势(见图9)。油页岩样品中，C29降藿烷含量大于C30重排藿烷，而暗色泥岩中C29降藿烷含量小于C30重排藿烷。C30重排藿烷可能与细菌类母质的来源有密切关系，其含量高低受沉积环境的控制，藿烷的重排易在氧化至弱氧化的沉积环境和酸性介质及黏土矿物的催化作用下发生[15]。C30重排藿烷含量低，说明油页岩处于较还原的沉积环境。

表3 鄂尔多斯盆地延长组长7段烃源岩萜、甾类化合物分布

图9 鄂尔多斯盆地延长组长73页岩藿烷系列化合物分布

(4) 甾类化合物特征。甾烷化合物的结构组成和某些特征分子能提供有机质生物来源及古沉积环境等方面的信息。C29甾烷的高含量代表陆源高等植物为主要来源，C27甾烷的高含量代表水生生物为主要来源。延长组长7段烃源岩中检测出的甾类化合物中孕甾烷、升孕甾烷及C27— C29规则甾烷的含量较高(见图10)。长7段油页岩和暗色泥岩样品的ααα20RC27C29比值均大于1，甾烷的生物标志化合物谱图上甾烷ααα20RC27、C28、C29呈近“V”型或“L”型分布，这表明长7段烃源岩主要来源于低等水生生物。另外，孕甾烷和升孕甾烷的高含量特征也指示着有机质来源于低等水生生物。