鄂尔多斯盆地中部地区三叠系延长组7段暗色泥岩烃源岩特征

张亚雄

(中国石化 石油勘探开发研究院，北京 100083)

晚三叠世，鄂尔多斯盆地延长组7段(长7段)经历了一次湖泛事件，在此期间沉积了富含有机质的黑色页岩和暗色泥岩。前人针对长7段开展了广泛而深入的工作，普遍认为，长7段是鄂尔多斯盆地的主力烃源岩[1-2]。但是，已有研究集中在盆地的西部、西南部和南部等湖盆区，对盆地中部地区的研究较少。

由于鄂尔多斯盆地中部地区靠近湖泊边缘(图1)，泥岩和页岩的厚度规模有限，针对该地区的烃源岩研究十分薄弱。有学者认为，湖泊边缘地区的有效烃源岩不发育，其油气来自湖盆中心并经过长距离的侧向运移而聚集；有学者认为，未经长距离运移的原地生成油气广泛存在[1-4]。鄂尔多斯盆地中部地区，页岩的平均厚度不足2.5 m，但该地区的暗色(深灰色以及黑色)泥岩发育。对长7段暗色泥岩开展烃源岩评价，有助于判断泥岩和页岩对油气资源的贡献，合理评价研究区的油气资源潜力。

图1 鄂尔多斯盆地中部研究区位置(a)及长7段沉积相(b)Fig.1 Location of the study area(a) and sedimentary facies of Chang 7 Member(b),central Ordos Basin

1 暗色泥岩岩石学特征

鄂尔多斯盆地中部地区靠近古湖泊边缘，由此导致长7段的埋深变化巨大；同时导致页岩的厚度较薄，而泥岩则十分发育。在岩石学特征上，研究区泥岩的颜色以灰色、深灰色以及灰黑色为主，泥岩中易保存植物化石或遗迹，个别样品可见鱼鳞(图2)[5]。研究区长7段暗色(灰黑色)泥岩与页岩的平面分布相对稳定，页岩的厚度普遍在1.0～2.5 m；暗色泥岩厚度普遍在0.5～3.5 m，多数井的厚度为1.0～2.5 m。

为了充分揭示研究区长7段泥岩的地球化学特征，本次研究基于15口重点探井采集了36块泥岩样品。其中，开展总有机碳测试、岩石热解实验的样品数均为36个；开展镜质体反射率测试的样品数为11个(另收集了25个测试数据)；开展烃类抽提及饱和烃色-质测试的样品数为20个；开展全岩X射线衍射的样品数为8个。全岩X射线衍射测试结果显示，长7段暗色泥岩的石英含量为25%～43%，平均33%；长石含量为15%～31%，平均24%；粘土矿物含量为29%～55%，平均43%。从矿物组成上看，长7段暗色泥岩的脆性矿物含量较低，粘土矿物含量较高。

图3 鄂尔多斯盆地中部长7段暗色泥岩有机质丰度特征Fig.3 Organic matter abundance in dark mudstone,Chang 7 Member,central Ordos Basina.暗色泥岩TOC分布；b.暗色泥岩生烃潜量分布

2 暗色泥岩基本地化特征

2.1 有机质丰度

常用的有机质丰度评价参数包括有机碳含量(TOC)和生烃潜量(S1+S2)等。鄂尔多斯盆地中部地区，长7段暗色泥岩的TOC最大值为9.58%，最小值为0.40%，平均值为2.39%。从TOC的分布图来看，TOC分布范围在1%～2%的样品数量最多，占样品总数的36%；TOC小于1%的样品所占比例次之，占样品总数的25%；TOC分布范围在2%～3%的样品所占比例较低，占总数的19%；TOC大于4%的样品占总数的14%；TOC分布在3%～4%的样品最少，仅占总数的6%(图3a)。整体来看，TOC小于2%的样品所占比例较大，达到样品总数的半数以上。

暗色泥岩生烃潜量主要分布在0.60～29.19 mg/g，平均值为7.65 mg/g。其中，S1+S2>6 mg/g的样品占比最大，样品数量有15个，占总数的41.67%；S1+S2分布在2～6 mg/g的样品有18个，占总数的50.00%；S1+S2分布在0.5～2.0 mg/g的样品数量最少，有3个，占总数的8.33%(图3b)。整体来看，暗色泥岩的生烃潜力较高。

2.2 有机质类型

氢指数(HI)与最大热解温度(Tmax)是研究烃源岩地球化学特征的重要参数，利用它们能够对烃源岩的类型进行可靠识别[6-8]。对研究区36个样品进行测试。结果表明，HI最大值为559.84 mg/g，最小值为13.99 mg/g，平均值为135.69 mg/g；Tmax主要分布在435～460 ℃，平均为448.61 ℃。长7段暗色泥岩整体处于低成熟-成熟的热演化阶段。从有机质类型上看，大部分样品分布在Ⅱ2型有机质范围内，其样品数占样品总数的52.78%(共有19个样品)；Ⅲ型有机质范围内样品分布次之，占总数的22.22%(共有8个样品)；而Ⅱ1型有机质中样品占总数的13.89%(共有5个样品)；Ⅰ型有机质样品数占总数的11.11%(共有4个样品)。从样品整体分布来看，Ⅱ2型有机质和Ⅲ型有机质占主导地位，Ⅱ1型有机质较少，Ⅰ型有机质极少(图4)。

图4 鄂尔多斯盆地中部长7段暗色泥岩有机质类型Fig.4 Organic matter types in dark mudstone,Chang 7 Member,central Ordos Basin

图5 鄂尔多斯盆地中部长7段暗色泥岩的成熟度Fig.5 Thermal maturity of dark mudstone,Chang 7 Member,central Ordos Basina.基于甾烷和升藿烷参数识别成熟度；b.基于不同甾烷参数识别成熟度

2.3 有机质成熟度

在生物标志化合物中，甾烷的异构化参数ββ/(αα+ββ)与20S/(20S+20R)可以作为判断成熟度的参考，它对于未成熟到成熟热演化阶段的烃源岩十分有效[8]。长7段暗色泥岩C29甾烷ββ/(αα+ββ)的最大值为0.51，最小值为0.30，平均值为0.42；C29甾烷20S/(20S+20R)的最大值为0.63，最小值为0.30，平均值为0.51。从C29甾烷ββ/(αα+ββ)与C31升藿烷22S/(22S+22R)的分布关系上看，样品主要分布在早期生油的热演化阶段(图5a)。从C29甾烷ββ/(αα+ββ)与C29甾烷20S/(20S+20R)的分布关系上看，大部分样品分布在成熟阶段，只有两个样品位于低成熟阶段(图5b)。

镜质体反射率(Ro)是用来反映烃源岩成熟度的直接指标，受到国内外学者的一致认可[9-11]。长7段暗色泥岩Ro主要分布范围为0.73%～1.18%，平均Ro为0.98%，大体处在成熟生油气的热演化阶段(图6)。整体来看，研究区样品达到了中等热成熟的演化阶段。个别样品处于低成熟阶段，有可能是实验误差或者样品的非均质性造成的。

3 生、排烃能力及油气资源贡献

3.1 生、排烃能力

在通常情况下，烃源岩富含有机质含量，则其具有更强的生烃能力，其产油潜量也更大[12-13]。当同一套烃源岩处于相同热演化程度时，有机质含量容易表现出与游离烃含量(S1)、裂解烃含量(S2)、生烃潜量(S1+S2)正相关关系。长7段暗色泥岩，TOC与S2具有一定的正相关关系，S2随着TOC含量的增加其数值明显增大，这与上述地质规律大体相似(图7)。但是，S1与TOC基本毫无相关性(图7)。对于S1与TOC无相关性的原因，推测是由于泥岩中的微孔隙以及部分微裂缝发育差异造成的。在烃源岩的生烃和排烃过程中，游离烃在烃源岩内进行短距离运移。由此导致实验获得的S1并不能代表原地生成的烃量。尽管热演化程度处于中等水平，但从S1+S2的数值上看，研究区泥岩整体上达到了中等或者中等偏上的生烃能力。

图6 鄂尔多斯盆地中部长7段暗色泥岩镜质体反射率与埋深关系Fig.6 Vitrinite reflectance vs.burial depth,Chang 7 Member dark mudstone,central Ordos Basin

烃源岩的排烃能力可以通过生烃潜力指数，即IHGP的变化特征来进行表征[14]。从研究区样品分析来看，有机质IHGP指数主要分布在43.79～4 515.21 mg/g，平均值为571.38 mg/g 。为了显示数据的整体规律，3个大于2 000 mg/g的数据在图上未画出(图8)。依据生烃潜力法的判识原理，生烃潜力指数随热演化程度的增大表现为先增大后降低的趋势，趋势的拐点为排烃门限。考虑到样品的非均质性，往往对样品的生烃潜力指数数值进行加权平均，然后确定残留烃趋势线[15]。长7段暗色泥岩排烃门限的深度大约为1 250 m，即暗色泥岩在该深度开始大量排烃；随深度的增大，烃源岩的排烃率逐渐增大。

图7 鄂尔多斯盆地中部长7段泥岩热解参数与TOC关系Fig.7 Pyrolysis parameters vs.TOC,Chang 7 Member dark mudstone,central Ordos Basina. S1与TOC相关关系；b. S2与TOC相关关系

图8 鄂尔多斯盆地中部长7段暗色泥岩热解参数与埋深关系Fig.8 Pyrolysis parameters vs.burial depth,Chang 7 Member dark mudstone,central Ordos Basina.油饱和度参数与埋深相关关系；b.生烃潜力指数与埋深相关关系

基于长7段暗色泥岩的排烃率变化，结合研究区暗色泥岩的空间展布及基本参数，即可获得烃源岩的单层排烃效率、残留烃量、排烃量等信息。不同的埋深段，长7段暗色泥岩的排烃效率不同，排烃效率在20%～75%变化(表1)。研究区长7段泥岩的生烃量总计7.93×108t，排烃量总计3.37×108t，残留烃量总计4.56×108t，综合排烃效率总计42.50%。

3.2 泥岩对油气资源的贡献

相对于其他层位而言，长7段为主力烃源岩，其暗色泥岩和页岩为延长组及其他地层提供了充足的油气来源[16]。可以认为，暗色泥岩和页岩对油气资源的贡献程度也即是它们各自的排烃贡献大小。由于研究区长7段页岩较薄且厚度分布稳定，无法采用生烃潜力法来判断其排烃程度。基于此，本文特采用岩石的热解参数来定量判断暗色泥岩和页岩的排烃程度。

在数学模型的建立上，需要作以下假定，即岩石的现今生烃能力大体可以反映其原始生烃能力。也即是说，岩石的现今生烃能力(即裂解烃S2)与岩石的原始生烃能力(即游离烃S1，裂解烃S2，排出烃Se)呈正相关关系。则数学模型如下：

表1 鄂尔多斯盆地中部长7段暗色泥岩排烃特征Table 1 Hydrocarbon expulsion characteristics of dark mudstone,Chang 7 Member,central Ordos Basin

(1)

式中：S1页代表页岩的游离烃含量，mg/g；S2页代表页岩的热解烃含量，mg/g；Se页代表也页岩的排出烃含量，mg/g；S1泥代表暗色泥岩的游离烃含量，mg/g；S2泥代表暗色泥岩的裂解烃含量，mg/g；Se泥代表暗色泥岩的排出烃含量，mg/g。

基于本文对暗色泥岩的热解参数统计，S1泥=3.05 mg/g，S2泥=4.99 mg/g；基于研究区20个页岩的统计，S1页=5.41 mg/g，S2页=8.47 mg/g。利用上述数学模型和参数采用单纯形法(本次在具体计算中采用Lingo单纯形法软件)进行求解。由此获得S2页为0.31 mg/g，S2泥为0.17 mg/g。由此可见，单位质量页岩的排烃能力大致是单位质量暗色泥岩排烃能力的1.8倍，页岩明显具有更好的排烃能力。对于暗色泥岩与页岩的排烃能力差异，部分研究者认为与页岩的裂缝(尤其是层理缝)发育息息相关[2-4]。鄂尔多斯盆地中部地区，由于长7段暗色泥岩的厚度略大于页岩(或者与页岩大致相当)，因此可近似认为，长7段暗色泥岩与页岩对研究区油气资源的贡献比为1 ∶1.8。

4 生烃有机质来源

多数情况下，低碳正构烷烃(C25)来源于高等植物[17-18]。研究区泥岩样品，正构烷烃的碳数分布都呈现“单峰型”形态，主峰碳集中分布于C16到C23之间，基本上没有奇偶碳优势，C19以上正构烷烃的含量高于C19以下正构烷烃的含量(图9)。研究区正构烷烃的上述特征表明，陆地来源的高等植物对生烃有机质具有较大的贡献。如前所述，研究区有机质类型主要为Ⅱ2型和Ⅲ型，就其根本原因在于，有机质的来源具有大量陆地来源的高等植物。

基于规则甾烷和姥植比(Pr/Ph)等参数也可以判断有机质的来源[17-18]。由于C27规则甾烷大多来源于低等植物和藻类，C29规则甾烷则大多来源于陆生高等植物，因此可以利用规则甾烷判断生烃有机质的来源。研究区泥岩样品中，C27，C28和C29规则甾烷含量呈“V”型和反“L”型分布；C27，C28和C29规则甾烷的相对丰度分别25.25%，30.32%和44.43%(平均数值)，三者呈逐渐增大的变化趋势。由此可见，高等植物对生烃有机质的来源具有较高贡献。此外，研究区暗色泥岩的Pr/Ph分布范围为1.23～2.28，平均值为1.63；C27/C29规则甾烷含量分布范围为0.40～1.20，平均值为0.60。上述数值表明长7段暗色泥岩的沉积背景为弱还原-弱氧化的沉积环境；长7段暗色泥岩的物质组成既有水生藻类，又有陆地植物。同时，Pr/nC17分布范围为0.17～0.55，平均值为0.28；Ph/nC18分布范围为0.09～0.29，平均值为0.15。上述数值同样表明，长7段暗色泥岩的物质来源为混合相来源，它既包括陆地生物的输入，还包括了水体生物的贡献(图10)。

此外，长7段暗色泥岩的C27规则甾烷含量最大值为41%，最小值为19%，平均值为26%；C28规则甾烷含量最大值为25%，最小值为16%，平均值为32%；C29规则甾烷含量最大值为53%，最小值为33%，平均值为43%。从规则甾烷的三端元分布来看，暗色泥岩的物质来源也为混合来源，即浮游生物和陆地植物的混合(图11)。全世界范围而言，大量的陆相烃源岩可以形成于上述的沉积背景[19-30]。因此，长7段暗色泥岩具备形成烃源岩的沉积背景条件。前人的研究还表明，晚三叠世火山活动强烈，这对陆源有机质的输入起到了关键作用[30]。

5 结论

1) 长7段暗色泥岩发育于弱还原-弱氧化的沉积环境、物质来源为浮游生物和陆地植物的混合来源。其生烃有机质包括陆源性输入来源和水体有机质来源，但陆源性输入有机质是主要来源。

图9 鄂尔多斯盆地中部长7段暗色泥岩饱和烃-质谱特征Fig.9 Chromatin characteristics of saturated hydrocarbon,Chang 7 Member dark mudstone,central Ordos Basin

图10 鄂尔多斯盆地中部长7段暗色泥岩沉积环境Fig.10 Sedimentary environment of dark mudstone,Chang 7 Member,central Ordos Basina. C27/C29规则甾烷与Pr/Ph关系；b. Pr/nC17与Ph/nC18关系

图11 鄂尔多斯盆地中部长7段暗色泥岩物质来源特征Fig.11 Material sources of dark mudstone,Chang 7 Member,central Ordos Basin

2) 长7段暗色泥岩的有机质丰度较高，TOC含量平均值2.39%；有机质以Ⅱ2型和Ⅲ型有机质为主；生烃潜力好，S1+S2的平均值7.65 mg/g；热演化适中，Ro的平均值为0.98%。生烃量总计7.93×108t，排烃量总计3.37×108t，残留烃量总计4.56×108t，综合排烃效率总计42.50%。长7段暗色泥岩与页岩对研究区油气资源的贡献比为1 ∶1.8。整体而言，长7段暗色泥岩对油气资源具有重要的贡献。