南华北太康隆起上古生界烃源岩有机地化特征

李永杰

（中国石化华北油气分公司勘探开发研究院，河南郑州 450006）

南华北地区大地构造位置位于东秦岭-大别山构造带北缘，横跨华北地块、华北地块南缘构造带，同时紧邻北秦岭褶皱带，为一在华北地台基础之上发育起来的中、新生代叠合盆地。南以栾川－确山－固始－肥中断裂与秦岭－大别造山带相邻，东以郯庐断裂与下扬子区（子板块）接邻，北以焦作－商丘断裂与北华北盆地分界，西接豫西隆起区[1]。依据中新生代地层的发育和分布状况，南华北盆地从北向南划分为6个一级构造单元：开封坳陷、太康隆起、周口坳陷、豫西隆起、徐蚌隆起和合肥坳陷。南华北盆地的油气勘探由来已久，但一直未有大的突破[2]。但以往油气勘探工作主要集中在周口坳陷、开封坳陷等坳陷区，以上古生界石炭系-二叠系为主要勘探层系的太康隆起区工作程度则很低，尤其是对太康隆起烃源岩条件的认识存在不同的多种观点。周小进[5]认为有效烃源和油气保存条件是寻找有效油气藏的关键。林小云等[3]认为南华北地区二叠系煤系泥岩是主要的有效烃源岩，太原组的碳酸盐岩对生烃也有一定贡献，从层位上看，有机质丰度自下而上逐渐降低，有机质丰度较高的层位主要为太原组、山西组和下石盒子组。高建平等[4]以有机碳作为评价指标，认为太康隆起煤层为中等烃源岩，太原组泥岩属中等-好级别烃源岩，山西组泥岩属中等-差烃源岩。王荣新等[6]依据煤层有机碳含量标准认为太康隆起煤层为中等烃源岩，煤系暗色泥岩太康隆起为差烃源岩。吴伟等[7]认为石炭-二叠系烃源岩基本属于差烃源岩和非烃源岩。由此可见对于太康隆起烃源岩存在多种不同的认识，本文在总结前人认识的基础上，采用最新的高成熟煤系烃源岩评价标准，依据最新岩心有机地化分析数据，重新评价太康隆起烃源岩生烃潜力。

1 沉积特征

华北石炭-二叠系沉积演化可分为三个发展阶段：陆表海沉积、三角洲沉积和陆相沉积，南华北盆地上古生界自下而上发育了中石炭统本溪组，上石炭统太原组，下二叠统山西组和下石盒子组，以及上二叠统的上石盒子组和石千峰组，为一套海陆交互的砂岩、泥岩、碳酸盐岩与煤层间互的地层，岩性多样。太原组有一套陆表海碳酸盐岩、滨岸碎屑岩和泻湖铁铝质岩沉积，主要由泥岩、灰岩、砂岩、粉砂岩及煤层组成。山西组为最主要含煤地层之一，为一套以三角洲沉积体系为主的潮坪、泻湖、泥炭沼泽及三角洲沉积，主要由泥岩、粉砂岩、中细砂岩夹煤层组成。

2 有机质丰度与生烃潜力

烃源岩的有机质丰度及其生烃潜力是衡量烃源岩好坏的重要标志之一。烃源岩有机质丰度下限是指源岩生成的烃正好饱和岩石而没有排出时源岩所对应的有机质丰度值，此值为划分烃源岩和非烃源岩的重要参数。有机碳含量是评价烃源岩优劣的重要参数之一，对于常规烃源岩是必需考虑的参数，然而对于煤系烃源岩来说，煤的有机碳含量和变质程度呈明显的正相关，随着煤变质程度的提高，有机碳含量逐渐增加，其生烃能力逐渐降低，这一点与常规烃源岩恰恰相反。同时煤是一种有机碳含量较高的烃源岩，利用煤的有机碳含量评价其生烃能力已无实际意义[8]。在煤的热演化过程中，含氢支链断裂形成烃类，随着热演化程度的增加，煤中氢含量逐渐降低，因此，煤系烃源岩中，影响其生烃能力的主要因素是氢含量而不是碳含量，制约煤的生烃能力的主要因素是氢含量，而不是碳含量[9]。因此，针对煤系烃源岩热演化特点，在评价煤系烃源岩的生烃能力时，以煤中含氢量作为煤系烃源岩评价指标之一，生烃潜力随热演化程度增大而降低，因而热演化程度对烃源岩生烃潜力的评价也是必须考虑的一个因素，本文采用董泽亮等[10]制定的高演化程度煤系烃源岩生烃潜力评价标准（见表1）。

表1 高演化阶段煤系烃源岩生烃潜力评价分级标准

2.1 有机碳含量

本次研究测试的煤系泥岩包括4口井31个太原组，49个山西组样品，太原组的煤系泥岩有机碳分布在0.17%～7.11%，其平均值为2.05%，19%的样品有机碳含量大于3%，45%的样品有机碳含量分布在1.5%～3.0%，23%的样品有机碳含量分布在0.75%～1.5%，13%的样品有机碳含量小于0.75%，这说明太原组大部分煤系泥岩样品为较好-好烃源岩。山西组煤系泥岩有机碳分布在0.08%～3.25%，其平均值为1.18%，6%的样品有机碳含量大于3%，31%的样品有机碳含量分布在1.5%～3.0%，18%的样品有机碳含量分布在0.75%～1.5%，45%的样品有机碳含量小于0.75%，这说明山西组大部分煤系泥岩样品为非-较差烃源岩（见图1）。

2.2 生烃潜力（S1+S2）

4口井31个太原组煤系泥岩的S1+S2分布在0.01 mg/g～0.36 mg/g，平均值为 0.14 mg/g，29%的样品的S1+S2分布大于0.2 mg/g，36%的样品分布在0.1 mg/g～0.2 mg/g，19%的样品分布在 0.05 mg/g～0.1 mg/g，16%的样品小于0.05 mg/g，这说明太原组大部分煤系泥岩样品为较好-好烃源岩。4口井49个山西组煤系泥岩的S1+S2分布在 0.01 mg/g～0.82 mg/g，平均值为 0.17 mg/g，22%的样品的S1+S2分布大于0.2 mg/g，43%的样品分布在0.1 mg/g～0.2 mg/g，10%的样品分布在0.05 mg/g～0.1 mg/g，25%的样品小于0.05 mg/g，这说明山西组大部分煤系泥岩样品为较好-好烃源岩（见图2）。

2.3 氢指数（IH）

4口井31个太原组煤系泥岩的IH分布在2.0 mg/g～14.4 mg/g，平均值为6.5 mg/g，13%的样品的IH分布大于 10 mg/g，26%的样品分布在 6 mg/g～10 mg/g，58%的样品分布在2 mg/g～6 mg/g，3%的样品小于2 mg/g，这说明太原组大部分煤系泥岩样品为非-较差烃源岩。4口井49个山西组煤系泥岩的IH分布在2.0 mg/g～100.0 mg/g，平均值为15.8 mg/g，61%的样品的IH分布大于10 mg/g，18%的样品分布在 6 mg/g～10 mg/g，19%的样品分布在2 mg/g～6 mg/g，2%的样品小于2 mg/g，这说明山西组大部分煤系泥岩样品为较好-好烃源岩（见图3）。

图1 煤系泥岩TOC分布频率图

图2 煤系泥岩生烃潜量（S1+S2）分布频率图Ro/%

图3 煤系泥岩氢指数（IH）分布频率图

图4 Ro与深度关系图

综合山西组和太原组煤系泥岩的有机碳含量、生烃潜力、氢指数分布，得到的结论差别比较大，煤系烃源岩有机碳含量只能作为参考指标，生烃潜力与氢指数评价结论也存在一定的差异，分析原因可能为：太原组泥岩有机碳含量高于山西组，生烃潜量与山西组相当，但是山西组氢指数明显高于太原组，这与张言贵等[11]收集的南华北盆地济宁、徐州等煤田的低-成熟演化阶段的煤系泥岩样品的氢指数分布规律一致，山西组氢指数高于太原组，郝芳等[12]在分析南华北盆地倪丘集凹陷石炭二叠系含煤地层的有机质特征时认为山西组煤系地层，特别是煤层富含类脂组分，类脂组分含量大多高于10%，部分样品高达50%以上，局部形成了残植煤，导致山西组煤系泥岩氢指数高于太原组。综合以上分析认为采用生烃潜力指标评价该区煤系泥岩较好，山西组和太原组煤系泥岩大部分为较好-好烃源岩。

由于煤层分析样品较少，太原组3个样品，山西组7个样品，太原组煤层有机碳含量28%～55%，山西组煤层有机碳含量17%～89%，生烃潜力（S1+S2）太原组2.8 mg/g～6.33 mg/g，山西组 1.74 mg/g～8.97 mg/g，氢指数（IH）太原组 5.04 mg/g～22 mg/g，山西组 4.38 mg/g～45 mg/g，大部分煤层为较好-好烃源岩。

3 有机质类型

除有机质丰度外，烃源岩的好坏与有机质类型具有重要关系，不同类型的母质生烃的性质也不同。有机质类型是反应有机质质量好坏的重要指标，对于有机质类型的评价，应着眼于生成烃类的能力和有机质的富氢组分的含量，在干酪根中有效的氢枯竭之后，即使还含有剩余的碳，生烃作用也会停止。随着烃类的生成，干酪根的H/C原子比逐渐降低，不同类型干酪根的H/C原子比与O/C原子比趋于接近，在高演化阶段，已不能用H/C原子比和O/C原子比的Van Krevelen图来区分有机质类型。而干酪根显微组分组成和干酪根碳稳定同位素值是区分母质类型的重要指标，而干酪根的碳稳定同位素值随演化程度基本上没有太大的变化，因此成为揭示原始母质类型的极好指标。

通过干酪根镜检观察，山西组和太原组泥岩干酪根显微组分以镜质组、惰质组为主（见表3），无壳质组、腐泥组，有机质类型为Ⅲ型，通过干酪根碳同位素分析，干酪根碳同位素介于-25.56‰～-20.57‰（见表2），按照戴金星碳同位素划分有机质类型标准，均为Ⅲ型干酪根。

表2 干酪根碳同位素表

表3 山西-太原组煤系泥岩干酪根显微组分

表3 山西-太原组煤系泥岩干酪根显微组分（续表）

4 有机质成熟度

具有较高有机质丰度和好的类型烃源岩，在达到一定的热演化程度才能开始大量生烃[13]。因此有机质成熟度也是评价烃源岩是否有效的一个重要指标。目前判断有机质成熟度的方法有很多，例如：镜质体反射率（Ro）、岩石热解峰温（Tmax）、奇偶优势指数（OEP）、干酪根红外光谱、可溶有机质的演化、孢粉颜色指数（SCI）和热变指数（TAI）以及生物标志化合物等。本次对3口井多个样品的Ro测试分析结果表明（见图4），山西组和太原组Ro为2.36%～3.8%，3口井的Ro值差距较大，上古生界不同地区的热演化程度差别极大，空间上极不均一，但是均达到了高-过成熟演化阶段，对于该地区热演化程度的差异原因，前人做了较多的研究。

5 结论

南华北盆地石炭-二叠系太原组、山西组发育煤层、煤系泥岩烃源岩，太原组煤系泥岩有机碳含量高于山西组，但是山西组泥岩氢指数高于太原组，是由于山西组煤系泥岩干酪根类脂组分含量较高，依据生烃潜量（S1+S2）评价有机质丰度，生烃潜量较高，大部分达到较好-好烃源岩标准，有机质类型为Ⅲ型干酪根，热演化程度高，达到了成熟-过成熟生产干气阶段。