四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组烃源岩分子地球化学特征

吴小奇, 周小进, 陈迎宾, 王 萍, 王彦青, 杨 俊, 曾华盛

1.页岩油气富集机理与有效开发国家重点实验室，江苏 无锡 214126；2.中国石化 石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126；3.中国石化 石油勘探开发研究院 四川地区勘探开发研究中心，成都 610041

上三叠统须家河组是四川盆地最重要的陆相层系，须家河组煤系烃源岩一方面与自身致密砂岩构成了良好的生储配置关系，另一方面也是上覆侏罗系气藏的主力气源[1-3]。川西坳陷陆相层系勘探取得了丰硕的成果，在须家河组和侏罗系先后发现了新场、成都和中江这3个天然气探明储量超过1 000×108m3的大气田，须家河组煤系是其主力烃源岩[4-5]。前人在川西坳陷须家河组天然气成藏特征[6-7]、流体地球化学特征和赋存状态[8-10]、储层形成机理[11]等方面开展了广泛的研究并取得了丰硕的成果，对烃源岩的研究主要侧重基本地球化学特征和生排烃评价[12-14]，而在分子地球化学特征方面研究较为薄弱。

分子地球化学研究在油源对比和揭示成藏机制等方面发挥了重要作用[15]。以往对四川盆地须家河组分子地球化学特征的研究主要针对海侵事件的影响和芳烃热演化特征[16-18]。沈忠民等[19]和吴小奇等[20]分别对川西坳陷LS1井须家河组芳烃成熟度指标和新场气田须家河组五段沉积环境开展了初步研究。相关研究主要针对单井或单一层系，样品主体为中低演化阶段(Ro<1.4%)，缺乏对整个川西坳陷须家河组不同层段沉积环境的综合研究，以及生标参数对成熟度响应特征分析。因此，本文基于对川西坳陷须家河组不同钻井、不同层段烃源岩分子地球化学特征的分析，探讨饱和烃与芳烃特征对烃源岩沉积环境的指示意义，揭示成熟度对化合物热稳定性及相关指标适用性的影响，为更加全面深入认识须家河组烃源岩地球化学特征提供基础信息。

1 地质背景

川西坳陷位于四川盆地西部，其东侧与川中隆起以龙泉山断裂为界，西侧为龙门山造山带。研究区位于川西坳陷中部，可以划分为大邑—安县构造带、新场构造带、梓潼凹陷、成都凹陷、知新场构造、中江—回龙构造带等6个次级构造单元(图1a)。受印支期华北板块与扬子板块碰撞以及龙门山逆冲推覆的影响，四川盆地中、上三叠统呈不整合接触(图1b)，四川盆地从海相克拉通沉积逐渐过渡为陆相沉积。川西坳陷在晚三叠世开始发生快速沉降，沉积了厚度巨大的上三叠统须家河组和侏罗系。四川盆地须家河组(T3x)自下而上被划分为一至六段，其中顶部的须六段在川西坳陷须家河组中不发育，而底部的须一段为海陆过渡相沉积，常被称为马鞍塘组(T3m)和小塘子组(T3t)，因此陆相层系仅发育须二—须五段(T3x2—T3x5)(图1b)，总厚度介于1 800～2 500 m。须家河组整体为砂岩与煤系烃源岩不等厚互层，其中烃源岩主要为暗色泥岩夹煤线，在川西坳陷内厚度主体介于400～1 000 m，且自西向东逐渐减薄[2]。

图1 四川盆地川西坳陷中部构造单元和井位分布(a)与地层柱状图(b)

川西坳陷须家河组不同层段均发育有效烃源岩，整体有机质丰度较高，平均有机碳(TOC)含量均高于1.0%；干酪根碳同位素值普遍高于-26‰，显微组分中镜质组平均含量为76.3%，整体表现出腐殖型特征；不同层段烃源岩镜质体反射率(Ro)具有一定的差异，但整体处于成熟—过成熟演化阶段[12,14]。须家河组烃源岩具有较好的生烃能力，生气强度在川西坳陷普遍超过20×108m3/km2[13]。

2 样品分析

本次工作针对川西坳陷不同构造带须家河组须二—须四段，分别采集了10个泥岩样品开展岩石热解分析，14个泥岩样品开展TOC含量、镜质体反射率和分子地球化学分析。样品的分析测试均在中国石化油气成藏重点实验室进行。岩石热解分析采用Rock-Eval 6热解仪，TOC含量和镜质体反射率测定分别采用CS-200碳硫分析仪和MPV-Ⅲ型显微光度计，利用Agilent 7890A型气相色谱仪进行饱和烃色谱分析，利用Agilent 6890/5973型色谱—质谱联用仪进行饱和烃和芳烃组分的色谱—质谱分析，测试结果见表1-表3。

表1 四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组泥岩热解参数

表2 四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组泥岩饱和烃地球化学参数

表3 四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组泥岩芳烃分子地球化学特征

本次分析的泥岩样品常规TOC含量为0.64%～2.97%(表2)，平均TOC为1.51%，均为有效烃源岩。镜质体反射率(Ro)表现出从须四—须二段逐渐增大的趋势，其中须四段泥岩Ro为1.09%～1.66%，平均为1.44%，明显低于须二、三段烃源岩的Ro值(2.25%～2.57%)(表2)，较高的成熟度也与热解样品Tmax值[482～540 ℃，平均501 ℃(表1)]特征一致。受成熟度较高影响，泥岩样品S1(0.01～0.86 mg/g，平均0.17 mg/g)和IH(22～90 mg/g，平均45 mg/g)均较低(表1)。结合前期对新场须五段相对低演化烃源岩(Ro平均为1.17%)的研究[20]，对川西坳陷须家河组烃源岩分子地球化学特征开展综合分析。

3 饱和烃生物标志物特征

3.1 正构烷烃和类异戊二烯烷烃

川西坳陷须家河组正构烷烃系列的碳数主要分布在C15—C30之间，均表现为单峰式，主峰碳数多数介于C16—C18，少量样品主峰碳数超过C20(图2)。OEP介于0.42～1.21，CPI介于0.84～1.54(表2)。在饱和烃气相色谱图上，C25以上的正构烷烃含量很低(图2)，因此计算所得CPI仅具有参考意义。

图2 四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组烃源岩饱和烃气相色谱图

在类异戊二烯烷烃组成方面，川西坳陷须二—须四段泥岩Pr/nC17和Ph/nC18比值分别为0.47～0.89和0.77～1.79；Pr/Ph比值介于0.37～0.81，平均为0.60，且与Ro没有明显的相关性(表2)，整体略低于须五段泥岩的值(0.26～1.57，平均为0.97)[20]。相对较低的Pr/Ph比值反映了须家河组烃源岩主要沉积于一般湖泊环境和缺氧盐水环境[21]。

对Ⅲ型烃源岩开展的半开放体系下高温高压热模拟实验研究表明，Pr/nC17和Ph/nC18比值随着模拟温度升高表现出先逐渐降低后突然上升的特征，这与高碳数烃类在不同温度下的裂解差异性有关[22]。川西坳陷须家河组煤系烃源岩有机质主体为Ⅲ型，部分为Ⅱ2型[2,14]，但其在Pr/nC17和Ph/nC18相关图(图3)上主体并没有表现出典型Ⅲ型有机质特征，这可能主要源自Pr/nC17和Ph/nC18比值随成熟度升高的变化差异[20]。与演化程度较低的须五段烃源岩相比，须二—四段烃源岩主体具有更高的Pr/nC17和Ph/nC18比值(图3)，与高温热模拟实验结果[22]一致，反映出成熟度的影响。然而，成熟度更高的须二、三段烃源岩Pr/nC17和Ph/nC18比值主体低于须四段烃源岩，表明类异戊二烯烷烃组成受到了成熟度之外其他因素的影响。ZHANG等[16]研究认为，镜质体反射率普遍高于1.2%的须家河组烃源岩其较高的Pr/nC17和Ph/nC18比值与柴达木盆地石炭系海陆交互相含煤烃源岩一致，反映了须家河组烃源岩可能受到海水的作用。

图3 四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组烃源岩Pr/nC17和Ph/nC18相关图

在Pr/nC17和Ph/nC18比值相关图上，须二—须四段烃源岩均表现出海相或盐湖相的特征，与须五段烃源岩主体表现出混合型的特征有明显的差异(图3)。沉积水体盐度差异对类异戊二烯烷烃组成特别是Ph/nC18和Pr/Ph比值的相对大小具有显著的影响[23]。在Pr/nC17、Ph/nC18和Pr/Ph相对组成方面，与须五段烃源岩相比，须二—须四段烃源岩Ph/nC18所占比例相对较高，Pr/Ph所占比例相对较低，表现出半咸水—咸水沉积环境的特征，与须五段主体表现出淡水湖相环境有一定的差异(图4)。

3.2 甾烷类化合物

在甾烷类化合物组成方面，川西坳陷须家河组泥岩中重排甾烷含量较低、规则甾烷含量相对较高(图5)。C27和C29规则甾烷(αααR)主体分别来自低等水生生物、藻类和高等植物，因而可以根据二者相对比例或C27—C29规则甾烷分布模式来判定生源输入[24]。尽管须家河组泥岩沉积水体环境的差异(图4)会导致生源输入存在一定的差异，但C29/C27规则甾烷比值也明显受到了成熟度的影响[20]。

图4 四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组烃源岩Pr/nC17、Ph/nC18和Pr/Ph三角图

图5 四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组烃源岩甾烷(m/z 217)和萜烷(m/z 191)质量色谱图

须五段烃源岩沉积环境整体较为一致，以淡水湖相为主(图4)，Ro整体较低(<1.3%)[20]，且C29/C27规则甾烷比值随Ro升高从大于2.5快速降低到1左右(图6)。这表明在中低演化程度(Ro<1.3%)下，须家河组烃源岩C29/C27规则甾烷比值变化明显受到了成熟度的控制。须二—须四段烃源岩整体形成于半咸水—咸水环境(图4)，除个别样品外，Ro整体较高且变化范围较广(主体为1.32%～2.57%)，但其C29/C27规则甾烷变化明显收窄(主体为0.78～1.13)，二者不具有明显的相关性(图6)，且纵向(如梓潼凹陷须二—须四段烃源岩)和横向(如新场构造带、成都凹陷和梓潼凹陷须四段烃源岩)对比均显示出一致的C29/C27规则甾烷比值。这表明在相对高演化阶段(Ro≥1.3%)，C29/C27规则甾烷比值变化对成熟度变化不敏感。因此，须二—须四段与须五段烃源岩C29/C27规则甾烷比值的差异主要缘自沉积环境和生源差异(图3-4)的影响。

图6 四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组烃源岩Ro和C29/C27规则甾烷比值相关图

此外，川西须二—须四段烃源岩C29ααα20S/(20S+20R)比值为0.47～0.54，C29αββ/(αββ+ααα)比值为0.38～0.45(表2)，表明甾烷异构化作用均达到了成熟阶段的平衡，与须五段烃源岩[20]特征一致。

3.3 萜烷类化合物

C19—C26三环萜烷(TT)系列在烃源岩中普遍存在，其中煤系烃源岩中C19TT—C26TT其相对丰度随碳数增大逐渐降低，且C24四环萜烷(C24TeT)相对丰度远高于相邻的C26TT；而湖相烃源岩中C19TT—C26TT系列常以C21TT或C23TT为主峰呈近似正态分布[25]。川西须家河组泥岩三环萜烷多数具有C23TT优势分布(图5)，表现出典型湖相烃源岩的特征。TS1井须二段样品具有C20TT优势分布，且随碳数增大丰度逐渐降低(图5d)，与煤系烃源岩具有一定的类似特征。不同地区须二—须四段烃源岩C24TeT/C26TT比值基本一致，介于0.44～0.57(表2)，与湖相烃源岩特征一致。须家河组泥岩Ts/Tm比值介于0.43～0.96(表2)，C30藿烷含量明显高于C29藿烷含量，且随着碳数的增加，高碳数(C30—C35)藿烷化合物的含量逐渐降低(图5)。

由于伽马蜡烷的形成与水体分层紧密相关[26]，而盐度较高会导致水体发生分层现象，因而伽马蜡烷含量较高往往指示了沉积水体盐度较高。川西须家河组泥岩伽马蜡烷/C30藿烷比值介于0.16～0.23(表2)，平均为0.19，相对较高的该比值表明须家河组沉积期水体盐度相对较高。目前对该期较高水体盐度的原因仍存在一定争议，如饱和烃与芳烃化合物地球化学特征反映了其可能是受到了海侵事件的影响[16-17]，而基于沉积体系演化特征分析则认为须家河组沉积水体长期盐度较高可能缘自中下三叠统雷口坡组—嘉陵江组膏岩与盐岩的溶蚀与输入[27]。

4 芳烃化合物组成

4.1 菲系列

菲及其烷基取代物的分布和组成往往受沉积环境、成熟度等影响。对甲基菲(MP)异构体而言，富含菌类和藻类的半咸水—咸水环境有利于形成9-甲基菲(9-MP)，而以高等植物为主要生源的弱氧化—弱还原环境中1-甲基菲(1-MP)比9-MP丰富[28]。川西须三、四段泥岩9-MP/1-MP分别介于1.16～1.26和1.21～1.41(表3，图7)，分布范围略窄于新场须五段泥岩的范围(1.14～1.58[20])。9-MP/1-MP与Ro没有明显的相关性(图8)，9-MP/1-MP低于1.3的样品在须三、四、五段均有分布。这表明川西须家河组泥岩菲的烷基取代物除了受成熟度的一定影响外，沉积环境也发挥了重要作用。整体较高的9-MP/1-MP比值反映其沉积于半咸水—咸水环境，富含菌类和藻类等低等生物，与类异戊二烯烷烃组成指示结果(图3-4)一致。

图7 四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组烃源岩芳烃总离子流(TIC)与甲基菲(m/z 192)质量色谱图

图8 四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组烃源岩Ro与9-MP/1-MP相关图

甲基菲指数MPI1[1.5(2-MP+3-MP)/(P+1-MP+9-MP)]受热演化程度的控制，在成熟度为1.35%前后表现出两阶段线性变化特征[29]。前人对川西坳陷成熟阶段须家河组烃源岩的研究发现，其MPI1值与深度和成熟度均呈正相关[19-20]。综合成熟与高—过成熟阶段样品的分析发现，川西须家河组烃源岩MPI1与成熟度之间同样表现出两阶段线性变化特征：当Ro低于1.35%时，Ro=0.39×MPI1+0.79；当Ro达到1.35%之后，Ro=-0.91MPI1+2.81(图9a)。

甲基菲分布分数F1[(2-MP+3-MP)/(1-MP+2-MP+3-MP+9-MP)]也是表征成熟度的常用参数[30]。新场地区须五段成熟阶段的烃源岩样品其F1与Ro也表现出明显的正相关[20]。川西须家河组烃源岩F1整体也表现出两阶段线性变化的特征：当Ro低于1.35%时，Ro=0.83F1+0.69；当Ro达到1.35%之后，Ro=-8.44F1+8.40(图9b)。

图9 四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组烃源岩Ro和MPI1(a)及F1(b)相关图

4.2 “三芴”系列

芳烃的“三芴”系列即芴(F)、氧芴(OF)和硫芴(SF)系列的分布受沉积环境的控制，因而其相对组成常被用来指示沉积环境[31-32]。四川盆地须家河组烃源岩“三芴”系列具有高硫芴与芴、低氧芴的特征，尽管有学者认为可能与曾经遭受过海侵作用有关[17]，但成熟度较高的川西坳陷须家河组烃源岩具有明显较低的氧芴含量[16]，也可能与氧芴的热稳定性相对较低[33]有关。川西新场气田须家河组五段烃源岩F/SF和OF/SF比值随成熟度增大而逐渐降低，反映出“三芴”系列的相对含量受成熟度控制较为明显[20]。

川西坳陷须家河组烃源岩在“三芴”系列分布图(图10)上表现出不同的特征，其中须五段烃源岩主体表现出煤系烃源岩的特征，而须三和须四段样品则多数具有明显偏低的氧芴相对含量，与典型煤系烃源岩有明显差异，甚至部分样品硫芴相对含量较高，表现出盐湖相泥质烃源岩的特征(图10)。川西须三、四段烃源岩主体沉积于半咸水—咸水环境，与典型盐湖相烃源岩有明显不同(图4)，因此较高的硫芴相对含量可能主要缘自较高的成熟度。

图10 四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组烃源岩“三芴”系列三角图

须家河组烃源岩OF/SF和F/SF比值均与Ro表现出明显的负相关性(图11)。当Ro<1.3%时，OF/SF比值随Ro增大而逐渐降低；当Ro≥1.3%时，OF/SF比值基本小于0.2，即氧芴相对含量明显较低(图11a)。F/SF比值同样随着Ro增大而逐渐降低，当Ro≥1.3%时，F/SF比值普遍小于1，即硫芴相对含量高于芴的相对含量(图11b)。由此可见，部分样品“三芴”系列中硫芴相对含量较高，甚至在三角图上落在盐湖相泥质烃源岩区域(图10)，主要是受成熟度较高的影响。因此，对高—过成熟阶段(Ro≥1.3%)的烃源岩而言，利用“三芴”系列分布三角图进行沉积环境判识容易失真。

图11 四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组烃源岩Ro与OF/SF(a)和F/SF(b)比值相关图

4.3 二苯并噻吩和二苯并呋喃类

二苯并噻吩和二苯并呋喃类化合物的含量往往与沉积环境相关[34]，DBT/Phen(二苯并噻吩/菲)和MDBTs/MDBFs(甲基二苯并噻吩/甲基二苯并呋喃)常与Pr/Ph比值一起被用于揭示烃源岩沉积环境[33,35]。DBT/Phen受成熟度影响不明显[20]，但MDBTs/MDBFs受成熟度控制，主要是由于二苯并呋喃类化合物的热稳定性相对较低[34]。

川西坳陷须家河组烃源岩DBT/Phen比值介于0.07～0.21，主体介于0.07～0.11，且不同层段不同成熟度烃源岩的DBT/Phen比值基本一致，均表现出贫硫湖相或一般湖相的特征(图12a)，且与成熟度没有明显的相关性。须家河组烃源岩MDBTs/MDBFs比值介于0.21～39.11，指示的沉积环境类型较为广泛(图12b)；该比值与Ro具有明显的正相关性(图13a)，反映出成熟度的明显影响，这可能与MDBFs受热发生裂解有关。由此可见，对于Ro≥1.3%的样品如川西须三、四段烃源岩，其MDBTs/MDBFs比值受成熟度影响明显增大，甚至表现出海相碳酸盐岩的特征(图12b)，与实际情况不符，因而不能直接用于反映沉积环境。

图12 四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组烃源岩DBT/Phen与Pr/Ph(a)和MDBTs/MDBFs与Pr/Ph(b)相关图

4-/1-MDBT(甲基二苯并噻吩)比值受到有机相和成熟度的双重控制[36]，如川北须家河组烃源岩4-/1-MDBT比值在Ro=1.8%前后分别表现出增大和降低的趋势，且在Ro值接近的条件下，煤的4-/1-MDBT比值明显高于泥岩[18]。川西须家河组泥岩4-/1-MDBT比值随Ro增大同样表现出两阶段变化的特征，在Ro=1.6%前后，二者分别表现出正相关和负相关关系(图13b)，表明4-/1-MDBT比值受到了成熟度的明显影响。

图13 四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组烃源岩Ro与MDBTs/MDBFs(a)和4-/1-MDBT(b)相关图

甲基二苯并噻吩分布指数MDBI[4-MDBT/(DBT+1-MDBT+2-MDBT+3-MDBT+4-MDBT)]受有机质类型和沉积环境影响较小，其主要受热力作用控制，在Ro为0.67%～1.22%内是可靠的成熟度定量标尺(Ro=1.33MDBI+0.48)，且尤其适合Ⅱ2和Ⅲ型有机质[37]。对川西坳陷须家河组泥质烃源岩而言，MDBI与Ro的相关性表现出明显的两阶段差异演化特征：在Ro<1.35%范围内，MDBI随着Ro升高而逐渐增大(Ro=1.75MDBI+0.52，R2=0.60)；当Ro≥1.35%时，MDBI随着Ro升高而逐渐降低，二者表现出负相关(Ro=-6.08MDBI+4.08，R2=0.83)(图14a)。由此可见，MDBI与Ro尽管具有较好的相关性，可以作为有效的成熟度标尺，但具有明显的两阶段演化特征。

图14 四川盆地川西坳陷上三叠统须家河组烃源岩Ro与MDBI(a)及3-/1-MCH(b)相关图

4.4 甲基系列

5 结论

(1)川西坳陷须家河组泥质烃源岩三环萜烷主体具有C23优势分布，二苯并噻吩/菲比值主体介于0.07～0.11，整体表现出湖相烃源岩的特征。相对较高的伽马蜡烷/C30藿烷比值(0.16～0.23)和9-/1-甲基菲比值(1.16～1.41)表明须家河组沉积时水体盐度相对较高。类异戊二烯烷烃组成反映了须二—须四段泥质烃源岩整体沉积于半咸水—咸水环境，与须五段主体表现出淡水湖相环境有一定差异。

(3)受化合物热稳定性差异的影响，C29αααR/C27αααR、氧芴/硫芴、芴/硫芴、甲基二苯并噻吩/甲基二苯并呋喃等比值受成熟度影响较为明显，当Ro≥1.3%时相关指标会失真。因此，对川西坳陷须家河组高—过成熟阶段(Ro≥1.3%)的烃源岩样品，应谨慎使用C27—C29规则甾烷分布模式、“三芴”系列相对组成和甲基二苯并噻吩/甲基二苯并呋喃比值来判识沉积环境或有机质输入。

致谢：感谢刘光祥教授和黎华继高级工程师对相关工作的悉心指导！感谢审稿专家对初稿提出的宝贵修改意见！样品采集得到了中国石化西南油气分公司的大力协助，实验分析得到了中国石化油气成藏重点实验室的支持，在此深表谢意！