鄂爾多斯盆地中部地區(qū)三疊系延長組7段暗色泥巖烴源巖特征

張亞雄

(中國石化 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

晚三疊世，鄂爾多斯盆地延長組7段(長7段)經(jīng)歷了一次湖泛事件，在此期間沉積了富含有機(jī)質(zhì)的黑色頁巖和暗色泥巖。前人針對(duì)長7段開展了廣泛而深入的工作，普遍認(rèn)為，長7段是鄂爾多斯盆地的主力烴源巖[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區(qū)，對(duì)盆地中部地區(qū)的研究較少。

由于鄂爾多斯盆地中部地區(qū)靠近湖泊邊緣(圖1)，泥巖和頁巖的厚度規(guī)模有限，針對(duì)該地區(qū)的烴源巖研究十分薄弱。有學(xué)者認(rèn)為，湖泊邊緣地區(qū)的有效烴源巖不發(fā)育，其油氣來自湖盆中心并經(jīng)過長距離的側(cè)向運(yùn)移而聚集；有學(xué)者認(rèn)為，未經(jīng)長距離運(yùn)移的原地生成油氣廣泛存在[1-4]。鄂爾多斯盆地中部地區(qū)，頁巖的平均厚度不足2.5 m，但該地區(qū)的暗色(深灰色以及黑色)泥巖發(fā)育。對(duì)長7段暗色泥巖開展烴源巖評(píng)價(jià)，有助于判斷泥巖和頁巖對(duì)油氣資源的貢獻(xiàn)，合理評(píng)價(jià)研究區(qū)的油氣資源潛力。

圖1 鄂爾多斯盆地中部研究區(qū)位置(a)及長7段沉積相(b)Fig.1 Location of the study area(a) and sedimentary facies of Chang 7 Member(b),central Ordos Basin

1 暗色泥巖巖石學(xué)特征

鄂爾多斯盆地中部地區(qū)靠近古湖泊邊緣，由此導(dǎo)致長7段的埋深變化巨大；同時(shí)導(dǎo)致頁巖的厚度較薄，而泥巖則十分發(fā)育。在巖石學(xué)特征上，研究區(qū)泥巖的顏色以灰色、深灰色以及灰黑色為主，泥巖中易保存植物化石或遺跡，個(gè)別樣品可見魚鱗(圖2)[5]。研究區(qū)長7段暗色(灰黑色)泥巖與頁巖的平面分布相對(duì)穩(wěn)定，頁巖的厚度普遍在1.0～2.5 m；暗色泥巖厚度普遍在0.5～3.5 m，多數(shù)井的厚度為1.0～2.5 m。

為了充分揭示研究區(qū)長7段泥巖的地球化學(xué)特征，本次研究基于15口重點(diǎn)探井采集了36塊泥巖樣品。其中，開展總有機(jī)碳測試、巖石熱解實(shí)驗(yàn)的樣品數(shù)均為36個(gè)；開展鏡質(zhì)體反射率測試的樣品數(shù)為11個(gè)(另收集了25個(gè)測試數(shù)據(jù))；開展烴類抽提及飽和烴色-質(zhì)測試的樣品數(shù)為20個(gè)；開展全巖X射線衍射的樣品數(shù)為8個(gè)。全巖X射線衍射測試結(jié)果顯示，長7段暗色泥巖的石英含量為25%～43%，平均33%；長石含量為15%～31%，平均24%；粘土礦物含量為29%～55%，平均43%。從礦物組成上看，長7段暗色泥巖的脆性礦物含量較低，粘土礦物含量較高。

圖3 鄂爾多斯盆地中部長7段暗色泥巖有機(jī)質(zhì)豐度特征Fig.3 Organic matter abundance in dark mudstone,Chang 7 Member,central Ordos Basina.暗色泥巖TOC分布；b.暗色泥巖生烴潛量分布

2 暗色泥巖基本地化特征

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

常用的有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)參數(shù)包括有機(jī)碳含量(TOC)和生烴潛量(S1+S2)等。鄂爾多斯盆地中部地區(qū)，長7段暗色泥巖的TOC最大值為9.58%，最小值為0.40%，平均值為2.39%。從TOC的分布圖來看，TOC分布范圍在1%～2%的樣品數(shù)量最多，占樣品總數(shù)的36%；TOC小于1%的樣品所占比例次之，占樣品總數(shù)的25%；TOC分布范圍在2%～3%的樣品所占比例較低，占總數(shù)的19%；TOC大于4%的樣品占總數(shù)的14%；TOC分布在3%～4%的樣品最少，僅占總數(shù)的6%(圖3a)。整體來看，TOC小于2%的樣品所占比例較大，達(dá)到樣品總數(shù)的半數(shù)以上。

暗色泥巖生烴潛量主要分布在0.60～29.19 mg/g，平均值為7.65 mg/g。其中，S1+S2>6 mg/g的樣品占比最大，樣品數(shù)量有15個(gè)，占總數(shù)的41.67%；S1+S2分布在2～6 mg/g的樣品有18個(gè)，占總數(shù)的50.00%；S1+S2分布在0.5～2.0 mg/g的樣品數(shù)量最少，有3個(gè)，占總數(shù)的8.33%(圖3b)。整體來看，暗色泥巖的生烴潛力較高。

2.2 有機(jī)質(zhì)類型

氫指數(shù)(HI)與最大熱解溫度(Tmax)是研究烴源巖地球化學(xué)特征的重要參數(shù)，利用它們能夠?qū)N源巖的類型進(jìn)行可靠識(shí)別[6-8]。對(duì)研究區(qū)36個(gè)樣品進(jìn)行測試。結(jié)果表明，HI最大值為559.84 mg/g，最小值為13.99 mg/g，平均值為135.69 mg/g；Tmax主要分布在435～460 ℃，平均為448.61 ℃。長7段暗色泥巖整體處于低成熟-成熟的熱演化階段。從有機(jī)質(zhì)類型上看，大部分樣品分布在Ⅱ2型有機(jī)質(zhì)范圍內(nèi)，其樣品數(shù)占樣品總數(shù)的52.78%(共有19個(gè)樣品)；Ⅲ型有機(jī)質(zhì)范圍內(nèi)樣品分布次之，占總數(shù)的22.22%(共有8個(gè)樣品)；而Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)中樣品占總數(shù)的13.89%(共有5個(gè)樣品)；Ⅰ型有機(jī)質(zhì)樣品數(shù)占總數(shù)的11.11%(共有4個(gè)樣品)。從樣品整體分布來看，Ⅱ2型有機(jī)質(zhì)和Ⅲ型有機(jī)質(zhì)占主導(dǎo)地位，Ⅱ1型有機(jī)質(zhì)較少，Ⅰ型有機(jī)質(zhì)極少(圖4)。

圖4 鄂爾多斯盆地中部長7段暗色泥巖有機(jī)質(zhì)類型Fig.4 Organic matter types in dark mudstone,Chang 7 Member,central Ordos Basin

圖5 鄂爾多斯盆地中部長7段暗色泥巖的成熟度Fig.5 Thermal maturity of dark mudstone,Chang 7 Member,central Ordos Basina.基于甾烷和升藿烷參數(shù)識(shí)別成熟度；b.基于不同甾烷參數(shù)識(shí)別成熟度

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

在生物標(biāo)志化合物中，甾烷的異構(gòu)化參數(shù)ββ/(αα+ββ)與20S/(20S+20R)可以作為判斷成熟度的參考，它對(duì)于未成熟到成熟熱演化階段的烴源巖十分有效[8]。長7段暗色泥巖C29甾烷ββ/(αα+ββ)的最大值為0.51，最小值為0.30，平均值為0.42；C29甾烷20S/(20S+20R)的最大值為0.63，最小值為0.30，平均值為0.51。從C29甾烷ββ/(αα+ββ)與C31升藿烷22S/(22S+22R)的分布關(guān)系上看，樣品主要分布在早期生油的熱演化階段(圖5a)。從C29甾烷ββ/(αα+ββ)與C29甾烷20S/(20S+20R)的分布關(guān)系上看，大部分樣品分布在成熟階段，只有兩個(gè)樣品位于低成熟階段(圖5b)。

鏡質(zhì)體反射率(Ro)是用來反映烴源巖成熟度的直接指標(biāo)，受到國內(nèi)外學(xué)者的一致認(rèn)可[9-11]。長7段暗色泥巖Ro主要分布范圍為0.73%～1.18%，平均Ro為0.98%，大體處在成熟生油氣的熱演化階段(圖6)。整體來看，研究區(qū)樣品達(dá)到了中等熱成熟的演化階段。個(gè)別樣品處于低成熟階段，有可能是實(shí)驗(yàn)誤差或者樣品的非均質(zhì)性造成的。

3 生、排烴能力及油氣資源貢獻(xiàn)

3.1 生、排烴能力

在通常情況下，烴源巖富含有機(jī)質(zhì)含量，則其具有更強(qiáng)的生烴能力，其產(chǎn)油潛量也更大[12-13]。當(dāng)同一套烴源巖處于相同熱演化程度時(shí)，有機(jī)質(zhì)含量容易表現(xiàn)出與游離烴含量(S1)、裂解烴含量(S2)、生烴潛量(S1+S2)正相關(guān)關(guān)系。長7段暗色泥巖，TOC與S2具有一定的正相關(guān)關(guān)系，S2隨著TOC含量的增加其數(shù)值明顯增大，這與上述地質(zhì)規(guī)律大體相似(圖7)。但是，S1與TOC基本毫無相關(guān)性(圖7)。對(duì)于S1與TOC無相關(guān)性的原因，推測是由于泥巖中的微孔隙以及部分微裂縫發(fā)育差異造成的。在烴源巖的生烴和排烴過程中，游離烴在烴源巖內(nèi)進(jìn)行短距離運(yùn)移。由此導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)獲得的S1并不能代表原地生成的烴量。盡管熱演化程度處于中等水平，但從S1+S2的數(shù)值上看，研究區(qū)泥巖整體上達(dá)到了中等或者中等偏上的生烴能力。

圖6 鄂爾多斯盆地中部長7段暗色泥巖鏡質(zhì)體反射率與埋深關(guān)系Fig.6 Vitrinite reflectance vs.burial depth,Chang 7 Member dark mudstone,central Ordos Basin

烴源巖的排烴能力可以通過生烴潛力指數(shù)，即IHGP的變化特征來進(jìn)行表征[14]。從研究區(qū)樣品分析來看，有機(jī)質(zhì)IHGP指數(shù)主要分布在43.79～4 515.21 mg/g，平均值為571.38 mg/g 。為了顯示數(shù)據(jù)的整體規(guī)律，3個(gè)大于2 000 mg/g的數(shù)據(jù)在圖上未畫出(圖8)。依據(jù)生烴潛力法的判識(shí)原理，生烴潛力指數(shù)隨熱演化程度的增大表現(xiàn)為先增大后降低的趨勢(shì)，趨勢(shì)的拐點(diǎn)為排烴門限。考慮到樣品的非均質(zhì)性，往往對(duì)樣品的生烴潛力指數(shù)數(shù)值進(jìn)行加權(quán)平均，然后確定殘留烴趨勢(shì)線[15]。長7段暗色泥巖排烴門限的深度大約為1 250 m，即暗色泥巖在該深度開始大量排烴；隨深度的增大，烴源巖的排烴率逐漸增大。

圖7 鄂爾多斯盆地中部長7段泥巖熱解參數(shù)與TOC關(guān)系Fig.7 Pyrolysis parameters vs.TOC,Chang 7 Member dark mudstone,central Ordos Basina. S1與TOC相關(guān)關(guān)系；b. S2與TOC相關(guān)關(guān)系

圖8 鄂爾多斯盆地中部長7段暗色泥巖熱解參數(shù)與埋深關(guān)系Fig.8 Pyrolysis parameters vs.burial depth,Chang 7 Member dark mudstone,central Ordos Basina.油飽和度參數(shù)與埋深相關(guān)關(guān)系；b.生烴潛力指數(shù)與埋深相關(guān)關(guān)系

基于長7段暗色泥巖的排烴率變化，結(jié)合研究區(qū)暗色泥巖的空間展布及基本參數(shù)，即可獲得烴源巖的單層排烴效率、殘留烴量、排烴量等信息。不同的埋深段，長7段暗色泥巖的排烴效率不同，排烴效率在20%～75%變化(表1)。研究區(qū)長7段泥巖的生烴量總計(jì)7.93×108t，排烴量總計(jì)3.37×108t，殘留烴量總計(jì)4.56×108t，綜合排烴效率總計(jì)42.50%。

3.2 泥巖對(duì)油氣資源的貢獻(xiàn)

相對(duì)于其他層位而言，長7段為主力烴源巖，其暗色泥巖和頁巖為延長組及其他地層提供了充足的油氣來源[16]。可以認(rèn)為，暗色泥巖和頁巖對(duì)油氣資源的貢獻(xiàn)程度也即是它們各自的排烴貢獻(xiàn)大小。由于研究區(qū)長7段頁巖較薄且厚度分布穩(wěn)定，無法采用生烴潛力法來判斷其排烴程度。基于此，本文特采用巖石的熱解參數(shù)來定量判斷暗色泥巖和頁巖的排烴程度。

在數(shù)學(xué)模型的建立上，需要作以下假定，即巖石的現(xiàn)今生烴能力大體可以反映其原始生烴能力。也即是說，巖石的現(xiàn)今生烴能力(即裂解烴S2)與巖石的原始生烴能力(即游離烴S1，裂解烴S2，排出烴Se)呈正相關(guān)關(guān)系。則數(shù)學(xué)模型如下：

表1 鄂爾多斯盆地中部長7段暗色泥巖排烴特征Table 1 Hydrocarbon expulsion characteristics of dark mudstone,Chang 7 Member,central Ordos Basin

(1)

式中：S1頁代表頁巖的游離烴含量，mg/g；S2頁代表頁巖的熱解烴含量，mg/g；Se頁代表也頁巖的排出烴含量，mg/g；S1泥代表暗色泥巖的游離烴含量，mg/g；S2泥代表暗色泥巖的裂解烴含量，mg/g；Se泥代表暗色泥巖的排出烴含量，mg/g。

基于本文對(duì)暗色泥巖的熱解參數(shù)統(tǒng)計(jì)，S1泥=3.05 mg/g，S2泥=4.99 mg/g；基于研究區(qū)20個(gè)頁巖的統(tǒng)計(jì)，S1頁=5.41 mg/g，S2頁=8.47 mg/g。利用上述數(shù)學(xué)模型和參數(shù)采用單純形法(本次在具體計(jì)算中采用Lingo單純形法軟件)進(jìn)行求解。由此獲得S2頁為0.31 mg/g，S2泥為0.17 mg/g。由此可見，單位質(zhì)量頁巖的排烴能力大致是單位質(zhì)量暗色泥巖排烴能力的1.8倍，頁巖明顯具有更好的排烴能力。對(duì)于暗色泥巖與頁巖的排烴能力差異，部分研究者認(rèn)為與頁巖的裂縫(尤其是層理縫)發(fā)育息息相關(guān)[2-4]。鄂爾多斯盆地中部地區(qū)，由于長7段暗色泥巖的厚度略大于頁巖(或者與頁巖大致相當(dāng))，因此可近似認(rèn)為，長7段暗色泥巖與頁巖對(duì)研究區(qū)油氣資源的貢獻(xiàn)比為1 ∶1.8。

4 生烴有機(jī)質(zhì)來源

多數(shù)情況下，低碳正構(gòu)烷烴(C25)來源于高等植物[17-18]。研究區(qū)泥巖樣品，正構(gòu)烷烴的碳數(shù)分布都呈現(xiàn)“單峰型”形態(tài)，主峰碳集中分布于C16到C23之間，基本上沒有奇偶碳優(yōu)勢(shì)，C19以上正構(gòu)烷烴的含量高于C19以下正構(gòu)烷烴的含量(圖9)。研究區(qū)正構(gòu)烷烴的上述特征表明，陸地來源的高等植物對(duì)生烴有機(jī)質(zhì)具有較大的貢獻(xiàn)。如前所述，研究區(qū)有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ2型和Ⅲ型，就其根本原因在于，有機(jī)質(zhì)的來源具有大量陸地來源的高等植物。

基于規(guī)則甾烷和姥植比(Pr/Ph)等參數(shù)也可以判斷有機(jī)質(zhì)的來源[17-18]。由于C27規(guī)則甾烷大多來源于低等植物和藻類，C29規(guī)則甾烷則大多來源于陸生高等植物，因此可以利用規(guī)則甾烷判斷生烴有機(jī)質(zhì)的來源。研究區(qū)泥巖樣品中，C27，C28和C29規(guī)則甾烷含量呈“V”型和反“L”型分布；C27，C28和C29規(guī)則甾烷的相對(duì)豐度分別25.25%，30.32%和44.43%(平均數(shù)值)，三者呈逐漸增大的變化趨勢(shì)。由此可見，高等植物對(duì)生烴有機(jī)質(zhì)的來源具有較高貢獻(xiàn)。此外，研究區(qū)暗色泥巖的Pr/Ph分布范圍為1.23～2.28，平均值為1.63；C27/C29規(guī)則甾烷含量分布范圍為0.40～1.20，平均值為0.60。上述數(shù)值表明長7段暗色泥巖的沉積背景為弱還原-弱氧化的沉積環(huán)境；長7段暗色泥巖的物質(zhì)組成既有水生藻類，又有陸地植物。同時(shí)，Pr/nC17分布范圍為0.17～0.55，平均值為0.28；Ph/nC18分布范圍為0.09～0.29，平均值為0.15。上述數(shù)值同樣表明，長7段暗色泥巖的物質(zhì)來源為混合相來源，它既包括陸地生物的輸入，還包括了水體生物的貢獻(xiàn)(圖10)。

此外，長7段暗色泥巖的C27規(guī)則甾烷含量最大值為41%，最小值為19%，平均值為26%；C28規(guī)則甾烷含量最大值為25%，最小值為16%，平均值為32%；C29規(guī)則甾烷含量最大值為53%，最小值為33%，平均值為43%。從規(guī)則甾烷的三端元分布來看，暗色泥巖的物質(zhì)來源也為混合來源，即浮游生物和陸地植物的混合(圖11)。全世界范圍而言，大量的陸相烴源巖可以形成于上述的沉積背景[19-30]。因此，長7段暗色泥巖具備形成烴源巖的沉積背景條件。前人的研究還表明，晚三疊世火山活動(dòng)強(qiáng)烈，這對(duì)陸源有機(jī)質(zhì)的輸入起到了關(guān)鍵作用[30]。

5 結(jié)論

1) 長7段暗色泥巖發(fā)育于弱還原-弱氧化的沉積環(huán)境、物質(zhì)來源為浮游生物和陸地植物的混合來源。其生烴有機(jī)質(zhì)包括陸源性輸入來源和水體有機(jī)質(zhì)來源，但陸源性輸入有機(jī)質(zhì)是主要來源。

圖9 鄂爾多斯盆地中部長7段暗色泥巖飽和烴-質(zhì)譜特征Fig.9 Chromatin characteristics of saturated hydrocarbon,Chang 7 Member dark mudstone,central Ordos Basin

圖10 鄂爾多斯盆地中部長7段暗色泥巖沉積環(huán)境Fig.10 Sedimentary environment of dark mudstone,Chang 7 Member,central Ordos Basina. C27/C29規(guī)則甾烷與Pr/Ph關(guān)系；b. Pr/nC17與Ph/nC18關(guān)系

圖11 鄂爾多斯盆地中部長7段暗色泥巖物質(zhì)來源特征Fig.11 Material sources of dark mudstone,Chang 7 Member,central Ordos Basin

2) 長7段暗色泥巖的有機(jī)質(zhì)豐度較高，TOC含量平均值2.39%；有機(jī)質(zhì)以Ⅱ2型和Ⅲ型有機(jī)質(zhì)為主；生烴潛力好，S1+S2的平均值7.65 mg/g；熱演化適中，Ro的平均值為0.98%。生烴量總計(jì)7.93×108t，排烴量總計(jì)3.37×108t，殘留烴量總計(jì)4.56×108t，綜合排烴效率總計(jì)42.50%。長7段暗色泥巖與頁巖對(duì)研究區(qū)油氣資源的貢獻(xiàn)比為1 ∶1.8。整體而言，長7段暗色泥巖對(duì)油氣資源具有重要的貢獻(xiàn)。