川中油气区金华地区大安寨段及须五段烃源岩生物标志物特征和生源构成

张吉振，唐友军，洪海涛，李美俊，卢晓林，吴长江，何大祥，黄亚浩，潘珂，杨孝勇

1.非常规油气省部共建协同创新中心(长江大学)，湖北 武汉 430100 2.油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学)，湖北 武汉 430100 3.长江大学资源与环境学院，湖北 武汉 430100 4.中国石油西南油气田分公司，四川 成都 610041 5.中国石油西南油田分公司勘探开发研究院，四川 成都 610041 6.油气资源与探测国家重点实验室(中国石油大学(北京))，北京 102249

四川盆地侏罗系具有较长的勘探开发历史，先后经历了5个阶段的勘探开发进程，已发现多个大型油田，为稳定我国原油供给，应对能源挑战做出了重要贡献[1-4]。早期勘探目标主要为盆地西南部构造圈闭，发现了平落坝、白马庙、苏码头等构造背景下的岩性圈闭气藏[5-7]；目前常规油气资源逐渐向深层、超深层迈进，给油气资源的稳产、上产带来挑战。然而，非常规油气资源的发展和进步为我国应对能源挑战带来希望，近年来，川中油气区侏罗系致密油气资源勘探在秋林、金华、八角场一带取得重要突破，为实现四川盆地油气资源增产增储提供重要支撑[8-10]。

四川盆地侏罗系油气资源主要集中于盆地中部(川中油气区)，其中金华地区地层发育多套供烃层位，储层分类评价较困难，主力烃源岩层位及各烃源岩层位供烃贡献比例不甚明确，不利于致密油气资源富集规律的探究、有利储层的优选评价及有利区的优选[11-14]。对烃源岩进行地球化学分析可以为储层评价、油源对比提供重要科学依据，为此，笔者基于饱和烃气相色谱、色谱-质谱等技术，对川中油气区金华地区自流井组大安寨段和须家河组五段(以下简称须五段)2套主要供烃层位的烃源岩样品的生物标志化合物特征进行研究(见图1)，对比分析了不同层位烃源岩的有机质类型、热演化程度、沉积环境和生源构成，为研究区侏罗系油气资源储层分析评价和有利区优选提供了科学依据。

图1 川中油气区取样井位分布图(据文献[15-17]整理编绘)Fig. 1 The distribution map of sampling wells in central Sichuan oil and gas region (It was compiled and edited according to the literature [15-17])

1 地质背景

四川盆地的演化经历古生代-中三叠世克拉通和晚三叠世-新生代陆相前陆盆地两大阶段[15]。四川盆地是中国西南部重要的含油气盆地，在寒武纪、奥陶纪、志留纪等经历了多期复杂构造运动，形成了四面造山带的构造格局[16，17]。整个四川盆地堆积了晚三叠世须家河组至侏罗系巨厚的陆相地层，最大厚度可达11000余米，总体特征为西厚东薄、北厚南薄。

须家河组分为6个岩性层段，从下到上依次为须一段～须六段(见图2)。须一段、须三段、须五段以湖泊沉积为主，且含丰富的植物化石，含煤层，是须家河组的主要气源岩；须二段、须四段、须六段以三角洲沉积为主，含少量的植物化石，间夹煤线，是主要的储集层。侏罗系自下而上划分为自流井组、凉高山组、沙溪庙组、遂宁组和蓬莱镇组等多套地层[14-16]。

自流井组大安寨段岩性以泥灰岩、砂泥岩为主，主要发育湖泊沉积体系，往盆地边缘厚度减薄，为滨岸环境沉积。大安寨段湖盆发展经历了水进拓展期、最大进水期、水退萎缩期3个阶段，湖盆震荡导致湖水大范围的收缩与拓展，使页岩和介壳灰岩频繁交互，为生储组合提供了较为有利的条件[15-17]。

图2 四川盆地中生界地层综合柱状剖面图Fig. 2 The comprehensive columnar section of Mesozoic stratum in Sichuan Basin

2 样品及试验方法

研究样品采自川中油气区取样井的大安寨段和须五段2套地层的烃源岩，共计27块岩心样品。将采集的烃源岩样品进行预处理，先进行粉碎处理，再将粉末样品放入烤箱进行烘干，然后基于传统的索氏提取法提取72h。气相色谱分析试验过程依据中国石油天然气行业标准《天然气的组成分析 气相色谱法》(GB/T 13610—2014)，采用美国安捷伦公司生产的7890A色谱仪进行，该仪器配备热导检测器和火焰离子化检测器(FID)。烘箱温度设定为以4℃/min的速率从40℃升高到300℃，然后在300℃下保持20min。使用带有50m×0.25mm熔融石英毛细管柱的GC-MS(气相色谱-质谱)分析仪，气相色谱仪直接连接到离子源(电子能量电离电压70eV，发射电流100mA，界面温度250℃)。数据采集系统的选定离子监测功能允许对特定离子进行监测，如正构烷烃(m/z85)、三环萜烷和藿烷(m/z191)和甾烷(m/z217)。通过测量m/z191和m/z217色谱图的峰高，计算三环萜烷和甾烷的相对丰度。载气为氦气，流速为1.1mL/min。

3 分子生物标志化合物特征

3.1 正构烷烃与植烷系列

正构烷烃是烃源岩的一种主要化学组分，具有多种成因和来源，其组成和碳数分布能够反映有机质类型、沉积环境性质和热演化程度。正构烷烃主峰碳数(Cmax)和碳优势指数(CPI)等可以作为有效的地球化学参数指标。地质沉积物中正构烷烃的来源可以通过地球化学参数指标Cmax、CPI、奇偶优势指数(OEP)来进行判别[18-20]。

植烷系列化合物中的姥植比(Pr/Ph)是常用于确定沉积环境氧化还原性的有效地球化学指标。由于姥鲛烷是氧化环境产物，而植烷是还原环境产物，因此Pr/Ph>1，且该值越高，其成烃古环境氧化程度越高，同时表明古环境水体越浅(沼泽、湿地、海陆交互相等)，常称之为姥鲛烷优势[21-23]；Pr/Ph<1，且该值越低，其成烃古环境还原程度越强，同时表明古环境水体深(淡水、咸水湖相和海相)，称之为植烷优势[21-23]。

注：TIC为总离子流色谱图。图3 川中油气区金华地区大安寨段和须五段烃源岩正构烷烃分布特征Fig. 3 Distribution characteristics of n-alkanes of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

图4 川中油气区金华地区大安寨段和须五段烃源岩 Ph/nC18-Pr/nC17关系图Fig. 4 Relationship diagram of Ph/nC18-Pr/nC17 of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

3.2 三环萜烷系列

三环萜烷在石油和沉积有机质中广泛分布，指示低等生物藻类的贡献，而其分布特征则与沉积环境的性质密切相关。C19和C20三环萜烷(C19+20TT)可能来自二萜类先质，反映高等植物生源贡献；海相、咸水湖相烃源岩及相关原油常表现出C23三环萜烷(C23TT)占优势的特征；淡水湖相烃源岩及相关原油常表现以C21三环萜烷(C21TT)为主[24，25]。大安寨段烃源岩的三环萜烷系列化合物的分布特征与须五段烃源岩不同，C19+20TT占有绝对的优势，C23TT次之(见图5)。

图5 川中油气区金华地区大安寨段和须五段烃源岩C19+20TT、C21TT 和C23TT相对含量三角图版Fig. 5 Triangle chart of relative content of C19+20TT, C21TT and C23TT of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

图6为研究区大安寨段和须五段烃源岩萜烷系列分布特征，可以看出， PL10井大安寨段烃源岩的C24四环萜烷的丰度低于C26三环萜烷，表明PL10井区大安寨段烃源岩的沉积环境较为恒定；而X28井大安寨段烃源岩的C24四环萜烷的丰度高于C26三环萜烷，表明X28井区受须五段烃源母质影响，沉积环境处于一种过渡渐变的环境；须五段烃源岩大部分样品的萜烷系列分布是以C23为主峰的近正态分布，C19+20TT含量较低，C24四环萜烷的丰度高于C26三环萜烷，C19三环萜烷显著低于大安寨段，表明须五段烃源岩的沉积环境与大安寨段有较大差异。

3.3 藿烷系列

石油和沉积有机质中的藿烷系列来自原核生物的细胞膜，是主要的三萜类生物标志化合物。越靠近湖盆边缘，沉积的陆源有机质越多，泥岩抽提物C30D(降藿烷)相对含量越高。大安寨段烃源岩抽提物饱和烃中检测出丰富的藿烷系列(见图7)，普遍出现早洗脱重排藿烷(C30E)。其中，大安寨段烃源岩的C30D/C30H(藿烷系列化合物)和C30E/C30H的变化范围大，比值最高可达11.07。该次研究发现研究区大安寨段和须五段烃源岩重排藿烷系列含量与有机质丰度具有一定的正相关关系。此外，绝大多数烃源岩中伽马蜡烷的含量低，表明大安寨段沉积时期存在多期湖水涨退的旋回和区域性或间歇性湖盆咸化[26]。须五段烃源岩从C29αβ藿烷到C35αβ藿烷系列发育较为完整，以C30αβ藿烷系列为主峰，C29～C35αβ藿烷系列随着碳序升高其丰度逐渐降低。C30D和C30E的含量普遍较低，表明须五段烃源岩沉积时期，海相有机质供给较少[27]。

图6 川中油气区金华地区大安寨段和须五段烃源岩萜烷系列分布特征Fig. 6 Distribution characteristics of terpane series of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

图7 川中油气区金华地区大安寨段和须五段烃源岩藿烷系列分布特征Fig. 7 Distribution characteristics of hopane series of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

3.4 甾烷系列

C27-29甾烷的分布与组成特征不仅与原始生烃母质关系密切，而且还受控于沉积环境的性质(如水体古盐度的高低和氧化还原性)及烃源岩的岩性，其异构体比值还能判断原油的成熟度[26-28]。一般而言，C27和C28甾烷主要来源于低等生物藻类，而C29甾烷与陆源有机质有关。此外，高盐度、强还原的沉积环境中形成的烃源岩与所生原油常贫重排甾烷，而淡水、偏氧化的沉积环境形成的烃源岩常明显富含重排甾烷[28]。研究区烃源岩甾烷分布与组成特征差异较小，规则甾烷分布均呈C27>C28、C28

注：化合物符号“R”、“S”分别代表手型碳原子的异构化形态为R型和S型。图8 川中油气区金华地区大安寨段和须五段烃源岩甾烷系列分布特征Fig. 8 Distribution characteristics of sterane series of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

图9 川中油气区金华地区大安寨段和须五段烃源岩C27-28-29甾烷碳数 组成关系图Fig. 9 Diagram of carbon number composition of C27-28-29 steranes of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

3.5 芳烃系列

芳烃化合物是烃源岩中沉积有机质的热演化产物。相对于常规的生物标志物，它们包含着更为特殊的地球化学信息，被广泛应用于判识有机质生源及其沉积环境和确定热演化程度[29]。常见有萘系列、菲系列、“三芴”、联苯等等。该次研究在充分分析芳香烃色谱色质数据后，筛选出芳烃系列中芘和萤蒽类烷基同系物参数、三芳甾类系列参数来刻画烃源岩的地球化学特征：芘和萤蒽类烷基同系物主要来源于煤、石油、矿物燃料以及植物燃烧产物。

研究区大安寨段烃源岩抽提物中含有丰富的芘和萤蒽类化合物。在m/z216质量色谱图上检测出甲基芘(MPy)及其同系物甲基萤蒽(MFla)，大安寨段烃源岩MFla/MPy整体较低(介于0.042～0.30之间)(见图10)；须五段烃源岩中芘和萤蒽类化合物呈现出与大安寨段完全不同的分布特征，MFla丰度占有绝对优势，MFla/MPy介于0.80～1.78之间(见图10)。

图10 川中油气区金华地区大安寨段和须五段烃源岩甲基芘系列分布Fig. 10 Distribution of methyl pyrene series of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

三芳甾烷系列化合物主要包括以m/z231为基峰的三芳甾烷系列和以m/z245为基峰的甲基三芳甾烷系列、三芳甲藻甾烷，它们是生物体内具有甾类骨架的前身物，如甾烯(烷)醇、酮在成岩和热演化过程中发生脱官能团形成甾烯[30]，然后脱氢经单芳甾类发生进一步芳构化作用后的产物，如C27单芳甾可以转化成为C26三芳甾烷，因此C26-C27-C28三芳甾烷相对含量同样可以用来判识原油有机质的生源构成[31,32]。但是，常规芳烃色谱-质谱(GC-MS)分析得到的m/z231质量色谱图上，C26R和C27S三芳甾烷往往共流出，所以该参数并没有得到广泛应用。研究区大安寨段和须五段烃源岩样品中检测出丰富的三芳甾烷，大安寨段和须五段烃源岩C27/C2820R TAS(C27-20R/C28-20R)均较低(见图11)。

三芳甲藻甾烷来自于甲藻甾烷，从结构上来讲与4,23,24-三甲基胆甾醇有关，作为一类重要的表征年代的生物标志物，一般认为三芳甲藻甾烷主要出现自早侏罗纪时期，其生物前驱物与沟鞭藻类有关。PETERS等[33]认为三芳甲藻甾烷主要富集于中生代之后的样品中，古生代海相有机质及原油中因含量低于检测极限而无法识别，但是，后来陆续有学者研究发现，即使在早古生代亦有三芳甲藻甾烷类化合物的出现，尤其是寒武纪时期三芳甲藻甾烷相对含量很高。TDSI(三芳甲藻甾烷指数)被用来表示样品中三芳甲藻甾烷的相对含量(TDSI=三芳甲藻甾烷/(三芳甲藻甾烷+3-甲基-24-乙基三芳甲藻甾烷))。研究区大安寨段和须五段烃源岩样品中检测出丰富的三芳甲藻甾烷，且2套烃源岩三芳甾烷分布特征相差不大，TDSI总体介于0.38～0.92之间，多数处于0.5～0.85之间(见图12)。

3.6 不同层位烃源岩分子地球化学特征对比

不同层位烃源岩的分子地球化学特征记录着各自在生源、沉积环境及成熟度等方面的信息。研究区大安寨段和须五段烃源岩的分子地球化学特征差异较为显著。由于四川盆地烃源岩本身非均质性较强，特征较为复杂，很难用单一2种参数对烃源岩特征进行区分。因此该次研究选取了Pr/Ph、C19+20TT/C23TT、C30E/C30H、C30D/C30H、C27D/C27R、C27/C28TAS等参数对大安寨段和须五段烃源岩地球化学特征进行了描述(见图13)，以期为油源对比提供依据。由图13可以看出，大安寨段烃源岩地球化学特征总体上呈现中等Pr/Ph，中等C19+20TT/C23TT，中等C30D/C30H、C30E/C30H，高C27D/C27R，相对低C27/C28TAS；须五段烃源岩总体上呈现低-中等Pr/Ph，低C19+20TT/C23TT、C30D/C30H、C30E/C30H，中等C27D/C27R，相对高C27/C28TAS。

注：图中数字代表TDSI参考值。图12 川中油气区金华地区大安寨段和须五段烃源岩甲基三芳甾烷和三芳甲藻甾烷分布特征Fig. 12 Distribution characteristics of methyltriarylstane and triarylsterone of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

图13 川中油气区金华地区大安寨段和须五段烃源岩地化特征折线图Fig. 13 The line chart of geochemical characteristics of source rocks of Da′anzhai member and Xujiahe 5 member in Jinhua area of central Sichuan oil and gas region

4 烃源岩生源构成

生物标志化合物可以直接反映出不同类型的生源特征，综合多种生物标志化合物组合特征，可以较为有效地反映出烃源岩中有机质的生源构成信息[33-35]。有机质的生源类型主要包括高等植物生源、水生菌藻生源、细菌生源等主要类型。根据多种生物标志化合物反映出的生源信息进行相对百分含量计算，可以获取烃源岩有机质的生源构成参数，为揭示烃源岩的母质来源提供直接证据。

大安寨段烃源岩菌藻类生源占32.4%～55.2%(平均48.2%)，高等植物生源占39.5%～62.1%(平均47.4%)，细菌类生源占2.2%～5.6% (平均4.4%)，显示出丰富的水生菌藻类和陆生高等植物混源输入为主的特征。须五段烃源岩高等植物生源占48.0%～66.4%(平均57.2%)，菌藻类生源占31.4%～49.5%(平均40.4%)，细菌类生源占2.3%～2.5%(平均2.4%)，显示出陆源高等植物生源为主的特征。

5 结论

1)大安寨段烃源岩地球化学特征总体上呈现中等Pr/Ph，中等C19+20TT/C23TT，中等C30D/C30H、C30E/C30H，高C27D/C27R，相对低C27/C28TAS。须五段烃源岩总体上呈现低-中等Pr/Ph，低C19+20TT/C23TT、C30D/C30H、C30E/C30H，中等C27D/C27R，相对高C27/C28TAS。

2)大安寨段烃源岩以水生菌藻类和陆生高等植物混源输入为主，须五段烃源岩以陆源高等植物生源为主。