准噶尔盆地侏罗系煤系烃源岩有机显微组成及意义

刘 栩，程青松

(1.长江大学 资源与环境学院，湖北 武汉 430100；2.中国石油浙江油田公司，浙江 杭州 310012)

在地球化学方面主要从有机质的丰度、类型和成熟度三个方面进行烃源岩评价[1-2]。从研究方法与评价指标看，煤系烃源岩的评价基本上沿用了我国陆相生油岩的标准。各种实验技术方法被用来评价煤的生油潜力[3]。煤系烃源岩的研究主要依据是有机显微组分中富氢组分(藻类体，孢子体，角质体等)的含量[4-7]、氢指数的高低等[8-11]。煤系烃源岩，尤其是煤层本身，与一般烃源岩具有很多不同的地质-地球化学特征，这必然将影响到其成烃作用。例如：煤与其共生的碳质泥岩有着很高的TOC和沥青“A”，按生油岩评价标准为优质生油岩[12]。但是煤的烃产率较低，按Powell的划分标准[13]：烃产率在30～50 mg/g的煤才是有效源岩，那么我国大部分的煤层不达标。但是我们在这样所谓不达标的煤层中找到了油田[14-15]。另外，传统的干酪根成烃学说并不能较好解释煤热解和热模拟实验数据与煤镜下检测数据分析结果的差异性[13，16-18]。常规有机岩石学镜检、干酪根元素分析煤系有机质应属Ⅲ型有机质，是一种较差的烃源岩；但是从可溶有机质产率、烃产率、氢指数分析，煤系烃源岩应属于Ⅰ—Ⅱ型有机质。可见腐殖煤的成煤环境较为复杂，其生烃潜力的评价也较泥岩不同。

利用有机岩石学镜检和地球化学热解两种方法评价煤系烃源岩有机质类型的结果存在矛盾，这种矛盾的成因值得深入分析。本文旨在通过对准噶尔盆地侏罗系腐殖煤系烃源岩的有机岩石学和有机地球化学特征进行分析，厘清煤系烃源岩有机质类型评价的正确方法及其内在机理。

1 地质背景

准噶尔盆地位于新疆北部，大地构造处于哈萨克斯坦古板块、西伯利亚古板块及塔里木古板块交汇处，为中国西部大型晚古生代至中新代：叠合型含油气盆地。准噶尔盆地8个腐殖煤样品，均采自准噶尔盆地南缘三工河地区的花儿沟剖面。剖面位于三工河流域的浅山带，隶属于北天山山前冲断带中的阜康断裂带。其西段北邻阜康凹陷，东段北邻吉木萨尔凹陷，采样位置如图1所示。准噶尔盆地煤系烃源岩样品自下而上分别取自八道湾组(J1b)、三工河组(J1s)和西山窑组(J2x)。八道湾组时期阜康断裂带为低位体系域的辫状河三角洲平原沉积，岩性主要为厚层砂岩、砾状砂岩、砂砾岩夹煤层和泥岩[19]；三角洲平原是三角洲的陆上沉积部分，进一步可划分为分流河道和分流间湾两种微相类型。三工河组为高位体系域的三角洲沉积，主要为砂岩、砂砾岩和泥岩夹煤线[19]。

西山窑组为高位体系域的三角洲平原沉积，主要为深灰色泥岩、砂岩夹煤层[19]。准噶尔盆地西山窑组沉积时期，三角洲平原沉积环境的分流间洼地中，植被茂密葱茏，为聚煤作用提供了丰富的物质来源。洪水季节河水溢出河道掩埋植被，在温暖潮湿的缺氧环境下，经过漫长的地质时代及生物化学作用之后形成煤[21]。

2 样品与实验分析

为了对研究区18个煤系烃源岩样品的地球化学特征进行研究。样品的岩石热解、有机碳测试、镜质体反射率检测、显微组分鉴定等实验分析在长江大学油气资源与勘查技术教育部重点实验室完成。

有机碳分析：用5%的稀盐酸去掉样品中的碳酸盐矿物，然后采用OGM-Ⅱ型仪器在900 ℃高温有氧条件下将有机质灼烧成CO2，测得有机碳含量。

岩石热解：利用Rock-Eval仪，载气为高纯N2。在300 ℃下恒温3 min，检测游离烃S1，然后以50 ℃/min的速度升温到500 ℃，恒温1 min，检测裂解烃S2。

图1 准噶尔盆地构造简图及侏罗煤系烃源岩取样位置图(据文献[20])

表1 准噶尔盆地煤系烃源岩有机显微组分中各组分的百分含量和形态有机显微类型指数TI1

有机岩石学分析：根据ISO 7404-2(2009)标准对全岩样品进行精细抛光制备。在标准条件下，采用Leitz MPV-III显微光度计的反射式荧光显微镜系统进行岩石学观察。在白光和紫外光下，采用点计数法进行显微组分分析(每个样品中计数300个有机物点，排除矿物质)，并对不同有机-无机显微组分进行了分类。

3 结果

3.1 形态有机显微类型指数TI1划分烃源岩有机质类型

形态有机显微组分(镜质组、惰质组、壳质组和腐泥组)的相对百分含量，反映了沉积水体中有机质输入特征及保存条件。烃源岩有机显微组分的组成特征及含量反映有机质的类型和生烃潜力(尤其是富氢显微组分：壳质组和腐泥组)。如表1和图2所示，准噶尔盆地侏罗系不同层位烃源岩的形态有机显微组分的定量分析结果表明，其主要形态有机显微组分为镜质组。

图2 研究区煤系烃源岩样品有机显微组分三角图

用形态有机显微组分组成定量描述烃源岩的类型特点即形态显微类型指数TI1：

TI1=(腐泥组×100+壳质组×50-镜质组×75-惰质组×100)/100

据尚慧云的划分标准[22]：I 型干酪根，TI1≥80；Ⅱ1型干酪根，40≤TI1<80；Ⅱ2型干酪，0≤TI1<40；Ⅲ型干酪根，TI1<0。通过计算得到TI1的值(表1)：其中TI1均小于0，显微组分的判断结果显示泥岩、炭质泥岩和煤均为Ⅲ型有机质。

如表1和图3所示：准噶尔盆地煤系烃源岩表现出TI1煤< TI1炭质泥岩< TI1泥岩的分布特征，表明岩性不同有机质类型依然存在差异，煤的有机质类型较炭质泥岩差，泥岩的有机质类型相对最好。

图3 准噶尔盆地煤系烃源岩样品形态显微类型指数分布图

3.2 热解参数划分有机质类型

由表2可见，准噶尔盆地样品镜质组反射率(Ro)为0.51%～0.63%，正处于低成熟阶段。由表2可见煤不仅TOC含量高于泥岩，且生烃潜量“S1+S2”和氢指数HI均高于泥岩。

表2 研究区煤系烃源岩的热解及氯仿沥青“A”参数统计表

图4 盆地煤系烃源岩的氯仿沥青“A”、降解率D、生烃潜量“S1+S2”和氢指数HI的分布

目前，有机质丰度评价指标主要有TOC、氯仿沥青“A”、氢指数“HI”、生烃潜量“S1+S2”等。煤系烃源岩的评价标准不能简单套用一般湖相泥岩的评价标准，应把热解生烃潜量作为基本评价依据[23-24]。据表2和图4可知： 除了准噶尔盆地炭质泥岩的降解率D(%)和氢指数HI(mg/g)比煤高之外，煤不仅TOC含量高于炭质泥岩和泥岩，且煤的生烃潜量“S1+S2”、氢指数“HI”、降解率“D”和氯仿沥青“A”也比炭质泥岩和泥岩高。

利用有机地球化学的热解参数“HI与Tmax”及“D与Tmax”的关系图(图5)，进一步分析研究区烃源岩的有机质类型。结果表明，煤的有机质类型优于泥岩；泥岩主要为Ⅲ型有机质，而煤主要为Ⅱ型有机质。在其他含煤盆地甚至存在有部分煤为Ⅰ型有机质。

因此综合上述分析结果可知，有机显微组分与热解参数判断有机质的类型时会存在矛盾。 这种矛盾直接影响我们对煤系烃源岩生烃能力的科学判断。

4 讨论

有机显微组分与热解参数判断有机质的类型时结果不一样，对于哪种方法得出的结论是对的，需要进一步的研究分析。类似的现象在煤系烃源岩中广泛存在，例如西湖凹陷煤系烃源岩[25]中也有类似报道。Horsfield[26]和Jasper[27]研究认为在同样的成熟度条件下，煤比泥岩有更高的氢指数，暗示了其干酪根氢组分更富集，有更好的生烃潜力。事实上，高等植物的两个主要组成部分——木质素和纤维素，以富含C、O为特征，H的含量仅为6%左右[28]。单纯考虑纤维素-木质素沉积演化形成的煤并不富氢，煤中丰富的氢元素的来源值得深入研究。

图5 研究区煤系烃源岩Tmax与HI及Tmax与D的相关关系图

表3 研究区煤系烃源岩样品全岩显微组分中各组分的相对百分含量

4.1 壳质组和腐泥组生烃

壳质组来源于高等植物的孢子、花粉和角质层等组织器官及植质组织分泌物。壳质组的主要光性特征是反射率低，具有较强的荧光性。常见的壳质组分有：孢子体、树脂体、角质体、木栓质体、荧光质体、壳屑体。腐泥组主要是藻类及其它低等水生生物的腐泥化作用的产物。在一般的煤岩组分分类中，它被包含在壳质组(稳定组)之内。由于其生物来源和生烃演化属性明显不同于来源于高等植物的壳质组，故在烃源岩显微组分中常将其单独列出。腐泥组中的主要显微组分是藻类体和无定形腐泥体。无定形腐泥体在全岩中主要以沥青质体和矿物沥青基质两个亚组分出现。

如表3所示，研究区各盆地煤系烃源岩中富氢显微组分含量均很低，普遍小于10%。可见煤中的“壳质组+腐泥组”含量最高，炭质泥岩次之，泥岩最低。

通常，人们认为烃源岩中最主要的生烃母质是富氢的壳质组和腐泥组。在湖相烃源岩的评价中腐泥组和壳质组的多寡直接决定了其潜在生烃量和生烃能力的优劣。本文的研究对象为腐殖煤系烃源岩，显微组成分析的结果显示全部烃源岩样品均为Ⅲ型有机质。这些煤系烃源岩中的壳质组和腐泥组是否是主要的生烃母质，可以通过壳质组和腐泥组在全岩显微组分中的相对含量与总有机碳TOC和生烃潜量“S1+S2”的相关关系来判断。结果如图6所示，全岩显微组分中的“壳质组+腐泥组”与TOC和“S1+S2”存在正相关关系，但是相关性较差。

图6 研究区煤系烃源岩全岩显微组分中“腐泥组+壳质组”含量与总有机碳TOC以及生烃潜量“S1+S2”的相关图

图7 研究区煤系烃源岩全岩显微组分中镜质组与TOC及“S1+S2”相关图

4.2 镜质组生烃

镜质组是烃源岩中的主要显微组分之一，主要由高等植物木质纤维组织的凝胶化作用过程形成。凝胶化作用程度的差异，决定了原始植物细胞结构的保存情况。由表3数据分析可知，煤岩的全岩显微组分中镜质组含量极高，炭质泥岩和泥岩的全岩显微组分中镜质组含量较低。

通过镜质组在全岩显微组分中的相对含量与总有机碳TOC和生烃潜量“S1+S2”的相关关系来判断。全岩显微组分中的“镜质组”与TOC和“S1+S2”存在正相关关系，且相关性好。对比图6，我们可清楚地发现，煤系烃源岩中镜质组具有更重要的生烃贡献。

综合分析表明，煤系烃源岩中镜质组是主要的生烃贡献者。在传统的陆相烃源岩生烃评价中认为镜质组不生烃，因此在TI1计算公式中镜质组和惰质组都是不生烃的组分。实际上由图7可知，煤系烃源岩中的镜质组是生烃的，热解法虽然不能精确计算各组分生烃贡献量，但是生烃总量能得到反映。这就是热解法与显微指数类型法在判断有机质类型时产生矛盾的原因。

4.3 基质镜质体生烃

为了便于讨论，本论文将镜质组划分为结构镜质体、基质镜质体、均质镜质体和镜屑体四类。其中结构镜质体和镜屑体属于贫氢镜质组，基质镜质体和均质镜质体属于富氢镜质组。研究区各盆地腐殖煤系烃源岩镜质组中的结构镜质体、基质镜质体、均质镜质体和镜屑体在全岩显微组分中的百分含量，以及结构镜质体、基质镜质体、均质镜质体和镜屑体在镜质组中的相对百分含量统计数据，如表4所示。

如表4所示，镜质组内组成中，镜屑体和结构镜质体所占百分比较低，而基质+均质镜质体则占绝对优势。综合来看，如图8所示，研究区样品中均表现出煤和炭质泥岩中“基质+均质”镜质体相对含量高，镜屑体含量低，泥岩镜屑体含量高，“基质+均质”镜质体相对含量低的特征。镜屑体的含量高低，直观地反映了陆源有机质搬运距离的远近。

如表4所示，全岩显微组分中“基质+均质”镜质体含量相对较高，而镜屑体和结构镜质体含量较低，结构镜质体是指镜质组中具有原始植物细胞结构的部分，特指植物细胞壁部分，细胞腔圆形、椭圆形直至线形，胞腔内有充填物或中空，充填物可以是无结构镜质体、树脂体、渗出沥青体、微粒体、粘土矿物、碳酸盐岩、黄铁矿等。结构镜质体的反射率一般略高于无结构镜质体。

表4 研究区煤系烃源岩中4类镜质体在全岩显微组分中的百分含量和在镜质组中的相对含量

注：括号内为平均值。

图8 研究区各盆地煤系烃源岩镜质组内组成三角图

从图9可见，随着结构镜质体含量的增加，烃源岩中的TOC含量呈现出增大的趋势，但是生烃潜量S1+S2反而呈现出降低的趋势。这表明结构镜质体虽然是重要的有机质，但却不是生烃贡献者。

由图10可见，研究区煤系烃源岩中的镜屑体与煤系烃源岩中的泥岩、炭质泥岩的TOC有较好的相关性，与煤的相关性较差，这是由于泥岩和炭质泥岩中镜屑体含量较高，而煤中镜屑体含量低。煤系烃源岩中镜屑体与生烃潜量S1+S2呈现出负相关关系。表明镜屑体也不是生烃贡献者。

无结构镜质体在反射光和透射光下都不显示原始植物细胞结构。形态多样，呈条带状、团块状、基质或无定形等。如果是在煤中可进一步划分为均质镜质体、基质镜质体、胶质镜质体和团块镜质体等。

无结构镜质体的反射率略低于结构镜质体。在碱性还原环境或强凝胶化作用下，菌、藻类等低等生源物质可进入镜质体的结构。增加镜质体的富氢程度，“改良”镜质组的性质，导致镜质组的荧光性增强，相应地，反射率也受到“抑制”现象。

从图11可见，研究区各盆地煤系烃源岩全岩显微组分中的“基质+均质”镜质体与TOC和生烃潜力S1+S2均呈现正相关关系。表明镜质组中的基质+均质镜质体为主要生烃贡献者。

图9 准噶尔盆地煤系烃源岩中结构镜质体与TOC及S1+S2的关系

图10 准噶尔盆地煤系烃源岩全岩显微组分中镜屑体与TOC及S1+S2的相关图

图11 准噶尔盆地煤系烃源岩中“基质+均质”镜质体与TOC及S1+S2的相关关系

因此，镜质组中的主要生烃部分为基质+均质镜质体。

5 结论

1)在准噶尔盆地低熟的煤系烃源岩中，热解法和显微类型指数法进行有机质类型划分时，会得到互相矛盾的结论。热解法判断结果显示，煤的有机质类型最好、炭质泥岩次之、泥岩最差；有机显微类型指数法判断结果显示，泥岩有机质类型最好、炭质泥岩次之、煤最差。

2)煤系烃源岩中传统富氢显微组分“腐泥组+壳质组”与TOC及“S1+S2”的相关性较差。而传统不生烃组分镜质组与TOC及“S1+S2”的相关性好。结果表明，传统认为不生烃的镜质组在煤系烃源岩中具有重要的生烃贡献，而镜质组中又以“基质+均质”镜质体为主要生烃组分。

3)有机显微指数类型法和热解法判断有机质类型矛盾的关键在于，是否把镜质组看作生烃物质。传统的陆相烃源岩生烃评价中认为镜质组不生烃，但是本研究发现煤系烃源岩中镜质组是重要的生烃物质。因此进行煤系烃源岩的生烃评价时，热解法更加准确且经济。