鄂尔多斯盆地枣园探区延长组长7段和长9段烃源岩评价及油源对比

2022-06-22王晓琳张小莉

吉林大学学报（地球科学版） 2022年3期

王晓琳，张小莉，王祥，曹聪

1.西北大学地质学系/大陆动力学国家重点实验室/二氧化碳捕集与封存技术国家地方联合工程研究中心，西安 710069 2.西安石油大学地球科学与工程学院，西安 710065

0 引言

烃源岩评价是油气勘探的基础性工作[1-7]，鄂尔多斯盆地内部主要发育延长组长7段(简称长7，其他段同)(张家滩页岩)和长9段(李家畔页岩)两套主力烃源岩层[8-11]。学者们已经针对这两套烃源岩做了丰富的研究工作[12-18]。前期的研究工作主要集中在盆地西部和西南部的烃源岩评价[19-30]；近年来有学者通过研究发现，鄂尔多斯盆地富县地区的长7段烃源岩已进入生油窗阶段，其为一套优质的烃源岩，具有良好的勘探潜力[19-21]。前人[23-31]做了大量油源对比的相关研究，普遍认为盆地延长组以上油气基本同源，主要是长7、长9烃源岩的贡献，多为近距离沿裂缝或砂-砂接触爬台阶式的成藏模式。

枣园探区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡中东部，北起延安枣园—柳林、南到富县，包括延安宝塔区以西、甘泉、富县全境以及宜川西部等勘探范围，勘探面积约6 587.52 km2[19-21]。从20世纪70年代年开始勘探，发现了三叠系延长组长2、长4+5、长61和长8油藏，截至目前累计探明含油面积230.38 km2，地质储量12 358.61万t，分别与北部安塞、靖边、志丹、吴起相比，探明储量不及它们的1/5[22-28]。研究[31]认为本区延长组河道砂层发育，平面上砂、泥岩间互，区域性泥岩盖层有长1、长4+5，有较好的岩性圈闭条件，典型的低渗、致密油藏又有就近优先成藏的优越条件。

本文从分析研究区原油地球化学特征入手，将原油与本区长 7 和周边长 7 优质烃源岩的地球化学特征进行对比。本次采集了研究区长7和长9的暗色泥页岩样品共50块(其中长7样品35块、长9样品15块)，以及长8、长61、长4+5产层的原油样品各10份，分别进行了有机碳测试、岩石热解分析、镜质体反射率、岩石氯仿沥青“A”及生物标志化合物分析等，并结合邻区的其他地化测试资料，对研究区的烃源岩样品和原油样品进行了综合评价和油源对比，以探究枣园探区油气来源问题，为本区油气勘探提供依据。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地是我国第二大沉积盆地，面积25×104km2。其演化经历了发育--发展--全盛--衰退消亡的过程[32-33]。根据前人[34]研究，盆地发育的鼎盛时期为中—晚三叠世延长组沉积时期和早—中侏罗世延安组沉积时期，沉积范围广。在延长组沉积时期，其发育的优质烃源岩是富烃坳陷的主体[35]。

研究区枣园探区地处鄂尔多斯盆地伊陕斜坡东南部的有利构造带上，位于延安市西部，毗邻安塞县(图1)，陕北斜坡鼻状构造比较发育，其与斜坡内部的油气藏形成密切相关，虽不发育大型断裂，但小型断裂、裂缝十分常见，是研究区油气运移的重要通道[36-38]。研究区内延安组地层剥蚀，延长组地层发育较完整，在延长组各亚组都发现较好油气显示，其中长7、长9是主力烃源岩层[31]。根据已有的研究成果，研究区油藏类型：上组合受构造影响主要为构造-岩性油藏，下组合主要是岩性油藏。一般距离烃源岩越近、河道砂体越发育、盖层越厚越连续的区域，就是油气富集的越有利区域[31]。

2 烃源岩评价

2.1 烃源岩分布

研究区在长7沉积时期是中生代晚期湖盆最宽广、最深的时期，沉积了一套半深湖-深湖相的富含大量有机质的泥页岩，这套泥页岩被称为“张家滩页岩”，厚度介于40～70 m 之间，在研究区西南部枣7井附近，泥页岩厚度可达70 m。长9沉积时期是盆地晚三叠纪湖盆发育的初始阶段，也沉积了一套较好的烃源岩，该套泥页岩被称为“李家畔页岩”[36-38]，其主要位于盆地的东南部。区内该套地层展布厚度在50～70 m 之间，尤其在枣园乡周边，长9暗色泥页岩厚度最大，为60～70 m之间，在研究区的西南面及东北面暗色泥页岩厚度也较大。

图1 研究区地理位置、烃源岩厚度及油气分布图

通过枣园探区的典型井的长7、长9烃源岩测井曲线图，可以看出优质的烃源岩基本特征为“三高一低”特征：自然伽马(GR)高、声波时差(AC)高、深电阻率(RD)高、自然电位(VSP)低(图2)。研究区位于生烃中心的最前缘，是油气运移的指向地区[30-31]，不管是垂向运移或是侧向运移，研究区均为成藏有利地区。

2.2 有机质丰度评价

有机质评价一般采用总有机碳(TOC)质量分数、氯仿沥青“A”质量分数、生烃潜量(w(S1+S2))等指标来判断烃源岩生烃能力。本次根据研究区(枣园)延长组长7、长9的泥页岩样品，结合周边地区样品数据(表1)，对比烃源岩生烃能力。

通过与周边地区对比可知，研究区长7段烃源岩w(TOC)、w(氯仿沥青“A”)、w(S1+S2)明显比北部靖边和南部富县要高(图3，表1)，说明本区烃源岩生油指标相较之下是最好的。其w(TOC)均在1.00%以上，w(S1+S2)均在5.00 mg/g以上，w(氯仿沥青“A”)均在0.10%以上。

由表1可知：研究区长9段烃源岩w(TOC)为0.62%～3.63%，平均值为1.74%；w(S1+S2)主要集中在4.02～15.58 mg/g之间，均值为10.15 mg/g。

2.3 有机质类型和热演化成熟度

有机质类型也是评价烃源岩优劣的重要指标(表2)之一，是判定烃源岩生烃排烃能力和烃转化率的重要指标。本文采用Rock-eval岩石热解的方法，针对研究区长7(10块样品)、长9(11块样品)烃源岩进行了氢指数(IH)、降解率(PC/TOC)、生烃潜量、烃指数(S1/TOC)、最高热解峰温(Tmax)、产率指数(IP)、有效碳指标(PC)的测定和分析。

从枣园延长组有机质参数(表3)可知：长7烃源岩氢指数为136～191 mg/g，平均值为163 mg/g；降解率为14.93%～27.79%，平均值为20.63%；生烃潜量为 8.57～11.15 mg/g，平均值为9.90 mg/g；烃指数为43.53～144.14 mg/g，平均值为84.25 mg/g；最高热解峰温为430～459 ℃，平均值为451 ℃；产率指数为0.24～0.43，平均值为0.33；有效碳指标为0.71%～0.96%，平均值为0.84%。表明研究区长7烃源岩有机质已经成熟，进入生烃窗，具有极强的生烃能力；而且说明其烃类物质在满足自身的吸附后，具有较好的排烃能力。

长9烃源岩氢指数为146～186 mg/g，平均值为163 mg/g；降解率为16.86%～23.92%，平均值为19.48%；生烃潜量为 0.49～23.83 mg/g，平均值为12.09 mg/g；烃指数为50.68～141.18 mg/g，平均值为68.40 mg/g；最高热解峰温为453℃～461℃，平均值为456℃；产率指数为0.24～0.30，平均为值0.27；有效碳指标为1.22%～1.98%，平均值为1.49%。表明该区长9烃源岩也达到了较好的标准，也是本区的有效烃源岩。

从图4可以看出：长7和长9烃源岩的岩石最高热解峰温处于440 ℃之上，表明烃源岩处于低成熟—成熟演化阶段。通过与前人在富县、黄陵等以及七里村油田等研究区的研究结果对比，发现枣园探区附近的长7烃源岩氢指数、最高热解峰温参数的研究结果较为准确[22-30]。结合表2、表3、和图4进行分析，得出研究区延长组长7烃源岩以Ⅱ1-Ⅱ2型为主，少量和Ⅰ型和Ⅲ型。

镜质体反射率(Ro)是判断烃源岩有机质热演化程度的重要指标之一。研究区长7泥页岩Ro值变化范围为0.83%～1.02%，平均值0.91%；长9段泥页岩样品的Ro值变化范围0.88%～1.10%，平均值为1.04%。整体上枣园探区长7、长9泥页岩样品镜质体反射率Ro随深度的增大而增大(图5)。

3 油源对比

枣园探区的烃源岩层为长7和长9段，油气主要分布在长4+5、长61和长8段储层中，因此笔者依据原油(长4+5、长61、长8)及烃源岩(长7、长9)的正构烷烃组成、类异戊二烯烷烃以及甾、萜烷组成等，通过生物标志化合物等参数对比，研究了原油样品的母质类型、成熟度、沉积环境，并进行了油油对比和油源对比，分析枣园探区的主力烃源岩层。

3.1 正构烷烃对比

通过对比原油样品与烃源岩样品饱和烃色谱，笔者发现原油和烃源岩的色谱特征类似，为单峰型、前峰态。主峰碳为C21或C20，具有奇偶优势，C21以下正构烷烃丰度较高(图6)。

R2.5. 2.5 m深处电阻率；RILD. 深感应电阻率；RILM. 中感应电阻率。

图3 枣园及周边地区延长组长7烃源岩w(TOC)(a)、w(S1+S2)(b)、w(氯仿沥青“A”)(c)柱状图

表1 枣园及周边地区延长组烃源岩w(TOC)、w(S1+S2)、w(氯仿沥青“A”)分析数据表

表2 陆相烃源岩有机质类型的热解参数划分标准[31]

研究人员一般根据主峰碳数、峰形、正构烷烃轻/重比等参数来分析生物来源和成因。长7样品∑C21-/∑C22+值为1.92，C21+22/C28+29值为2.34；长9样品∑C21-/∑C22+值为1.60，C21+22/C28+29值为1.64。长4+5样品∑C21-/∑C22+值为1.93，C21+22/C28+29值为2.17；长61样品∑C21-/∑C22+值为1.97，C21+22/C28+29值为2.46；长8样品∑C21-/∑C22+值为1.82，C21+22/C28+29值为1.91。根据∑C21-/∑C22+与C21+22/C28+29的相关分析可知：∑C21-/∑C22+值、C21+22/C28+29值均大于1.00，且基本介于1.00～2.00之间，反映低碳数的正构烷烃占主要优势，说明生油母质以水生生物为主，是较好的有机质类型。

表3 枣园南探区与邻区延长组烃源层有机质热解参数表

图4 枣园探区延长组长7、长9烃源岩IH与Tmax关系图

将烃源岩和原油的∑C21-/∑C22+值和C21+22/C28+29值加以对比，得知：长7烃源岩样品的∑C21-/∑C22+值和C21+22/C28+29值比长9烃源岩样品高，表明长7烃源岩的热演化成熟度高，长9烃源岩较低；且长8、长61、长4+5原油样品正构烷烃分布曲线图和长7烃源岩样品的正构烷烃分布曲线图更接近，表明长7烃源岩对油气成藏的贡献更大，长9烃源岩贡献相对较小(图7)。

3.2 类异戊二烯烷烃对比

姥植比(Pr/Ph)指示烃源岩生油母质的沉积环境(氧化或还原)，Pr/nC17和Ph/nC18值指示成熟度和沉积环境。长8原油样品Pr/Ph值为0.78，Pr/nC17值为0.10，Ph/nC18值为0.13；长61原油样品Pr/Ph值为0.85，Pr/nC17值为0.20，Ph/nC18值为0.21；而长4+5原油样品Pr/Ph值为0.79，Pr/nC17值为0.19，Ph/nC18值为0.23(表4)。一般情况下，Pr/Ph值介于0.5～1.0指示还原环境(越接近1.0表示还原性越强)，原油样品中Pr/Ph值均介于0.78～0.85之间，说明其为淡水还原--强还原环境。由Ph/nC18与Pr/Ph交会图(图8a)可以分析出，长4+5、长61原油的性质较为相近，说明二者的烃源岩具有相似的沉积环境，其中长7烃源岩贡献最大。从Ph/nC18与Pr/nC17交会图(图8b)可分析出，长9烃源岩样品属于偏氧化环境，长7烃源岩样品属于混合型，长8、长61、长4+5原油样品同样属于混合型、偏还原的环境；由此可见，原油样品与长7烃源岩的沉积环境较为相似，说明其主要来源于长7烃源岩的贡献。

3.3 萜、甾烷类对比

3.3.1 萜烷类对比

长7、长9烃源岩样品中，三环萜烷与五环萜烷的量的比值(∑三/∑五)较低。三环萜烷中，C29三环萜烷分子分数最高。五环萜烷中：18α(H)-三降藿烷(Ts)分子分数较高，而17α(H)-三降藿烷(Tm)分子分数较低；C29降藿烷分子分数较低，C29新藿烷分子分数较高；重排藿烷、C30藿烷分子分数较高，伽马蜡烷分子分数较低(图9)，表明烃源岩为陆相淡水还原环境。长4+5、长61、长8原油样品中：三环萜烷分子分数大都较低，表明原油来源于陆相沉积环境的烃源岩；C30藿烷分子分数最高，C29藿烷分子分数次之，Ts和Tm分子分数相当，Ts分子分数略高于Tm，而且相比于烃源岩样品，原油样品C30以上的升藿烷分子分数更高。萜烷色谱图显示出，长4+5、长61、长8原油和长7烃源岩相似度较好(图9)。

图5 枣园探区延长组长7、长9段不同样品镜质体反射率分布

a. 南305，长7，泥页岩； b. 延页，长9，泥页岩； c. 南305，长4+5，原油； d. 南298，长61，原油； e. 枣5，长8，原油。

图7 枣园探区延长组原油与烃源岩抽提物的烷烃色谱对比

表4 枣园探区延长组烃源岩与原油正构烷烃与异戊间二烯类烷烃分布特征

b底图据文献[8,22]。

a. 长7泥页岩，萜烷；b. 长7泥页岩，甾烷；c. 长9泥页岩，萜烷；d. 长9泥页岩，甾烷；e. 长4+5原油，萜烷；f. 长4+5原油，甾烷；g. 长61原油，萜烷；h. 长61原油，甾烷；i. 长8原油，萜烷；j. 长8原油，甾烷。

长4+5、长61和长8原油样品的C31藿烷2S/(22S+22R)值分别为0.55、0.54、0.51，均在平衡值附近，表明原油已经成熟；Ts/Tm数值也可反映成熟度，长4+5为1.21，长6为1.29，长8为2.76，均大于1.00，而且可以看出，长8原油的成熟度相比于长4+5和长61更高；C29/C30αβ藿烷和C30莫烷/C30αβ藿烷的值也可看出，长4+5和长61原油的成熟度较为接近，长8原油的成熟度比长4+5、长61原油的高。

3.3.2 甾烷类对比

原油样品中，C27、C28、C29胆甾烷分子分数最高，孕甾烷、升孕甾烷分子分数也较高。烃源岩样品的孕甾烷、升孕甾烷分子分数较高，重排甾烷分子分数较低，规则甾烷系列分子分数较高。通过定量化处理后，可以看出，长4+5、长61、长8油层组原油规则甾烷中富含C29豆甾醇，与长7烃源岩相似；长9规则甾烷中富含C27而C29豆甾醇较低。总体看来，研究区原油样品与长7烃源岩的甾烷类化合物特征相近(图9)。

原油样品的C27-C28-C29甾烷的构型都很相近，表现为“V”字型特征，说明长4+5、长61、长8的原油来源于湖相腐泥型有机质。长7烃源岩样品的甾烷构型为“V”字型，反映其来源为湖相腐泥型。长9烃源岩的甾烷构型为“L”型(图9)，反映其生物来源与陆相高等植物有紧密联系。

长4+5与长61原油的规则甾烷丰度分布的指纹非常相似，说明它们来自于同一套陆相淡水湖泊烃源岩(图10)。全部油样中，均表现出C29甾烷相对分子分数高的特征，几乎所有原油的甾烷相对组成聚类在一起，形成一个较为密集的点群，反映其烃源岩与原油在生源构成和沉积环境上有较强的一致性。高丰度重排藿烷系列的存在可能与特定的沉积环境有关[39-40]。原油样品和烃源岩样品C30RH/C29Ts(C30重排藿烷/C29新藿烷)与C29H/C30H(C29藿烷/C30藿烷)交会图(图11)可以看出，原油样品的C30RH/C29Ts值较小(<2),反映其为淡水还原的沉积环境。

图10 枣园探区延长组原油与烃源岩规则甾烷指纹对比

图11 枣园探区延长组原油与烃源岩C30RH/C29Ts与C29H/C30H相关图

甾烷异构化参数αααC2920S/(20S+20R)和C29ββ/(ββ+αα)值是常用的成熟度指标，由表5可知：长8原油样品的αααC2920S/(20S+20R)值为0.53，C29ββ/(ββ+αα)值为0.54；长4+5样品与长61样品的αααC2920S/(20S+20R)和C29ββ/(ββ+αα)值较为接近，且长61原油的成熟度略高于长4+5。C21+22/Reg((孕甾烷+升孕甾烷)/规则甾烷)也可反映原油成熟度，可以看出长4+5、长61和长8原油的C21+22/Reg值分别为0.05、0.06和0.04；长4+5原油的Dia/Reg(重排甾烷/规则甾烷)值为0.17、长61原油为0.16、长8原油为0.23，可以看出长4+5和长61和长8原油较为相似，且都已经进入生烃窗，属于中等—偏低成熟原油。

根据甾萜烷的蛛网图(图12)可知：长7、长9烃源岩样品和长4+5、长61、长8原油样品的油源对比结果相似度较高。枣园地区长4+5、长61的原油均属于同一原油族群，长61原油属中等成熟油、长4+5原油属中等—低成熟油。说明长4+5原油是长7烃源岩早期生成的原油优先排出的结果，垂直运移方向是先充注长61层段砂岩储层；然后随着后期生成的烃类的不断排出，促使早期占据长6储层的原油向上部的长4+5储层运移，后期生成的原油占据长61储层。而且生物标志物的各项指标显示的结果表明，长61原油成熟度比长4+5原油成熟度高，其是原油运移分异的结果。