王曉琳,張小莉, 王 祥 ,曹 聰
1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/二氧化碳捕集與封存技術(shù)國家地方聯(lián)合工程研究中心,西安 710069 2.西安石油大學(xué)地球科學(xué)與工程學(xué)院,西安 710065
烴源巖評(píng)價(jià)是油氣勘探的基礎(chǔ)性工作[1-7],鄂爾多斯盆地內(nèi)部主要發(fā)育延長組長7段(簡稱長7,其他段同)(張家灘頁巖)和長9段(李家畔頁巖)兩套主力烴源巖層[8-11]。學(xué)者們已經(jīng)針對(duì)這兩套烴源巖做了豐富的研究工作[12-18]。前期的研究工作主要集中在盆地西部和西南部的烴源巖評(píng)價(jià)[19-30];近年來有學(xué)者通過研究發(fā)現(xiàn),鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)的長7段烴源巖已進(jìn)入生油窗階段,其為一套優(yōu)質(zhì)的烴源巖,具有良好的勘探潛力[19-21]。前人[23-31]做了大量油源對(duì)比的相關(guān)研究,普遍認(rèn)為盆地延長組以上油氣基本同源,主要是長7、長9烴源巖的貢獻(xiàn),多為近距離沿裂縫或砂-砂接觸爬臺(tái)階式的成藏模式。
棗園探區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡中東部,北起延安棗園—柳林、南到富縣,包括延安寶塔區(qū)以西、甘泉、富縣全境以及宜川西部等勘探范圍,勘探面積約6 587.52 km2[19-21]。從20世紀(jì)70年代年開始勘探,發(fā)現(xiàn)了三疊系延長組長2、長4+5、長61和長8油藏,截至目前累計(jì)探明含油面積230.38 km2,地質(zhì)儲(chǔ)量12 358.61萬t,分別與北部安塞、靖邊、志丹、吳起相比,探明儲(chǔ)量不及它們的1/5[22-28]。研究[31]認(rèn)為本區(qū)延長組河道砂層發(fā)育,平面上砂、泥巖間互,區(qū)域性泥巖蓋層有長1、長4+5,有較好的巖性圈閉條件,典型的低滲、致密油藏又有就近優(yōu)先成藏的優(yōu)越條件。
本文從分析研究區(qū)原油地球化學(xué)特征入手,將原油與本區(qū)長 7 和周邊長 7 優(yōu)質(zhì)烴源巖的地球化學(xué)特征進(jìn)行對(duì)比。本次采集了研究區(qū)長7和長9的暗色泥頁巖樣品共50塊(其中長7樣品35塊、長9樣品15塊),以及長8、長61、長4+5產(chǎn)層的原油樣品各10份,分別進(jìn)行了有機(jī)碳測(cè)試、巖石熱解分析、鏡質(zhì)體反射率、巖石氯仿瀝青“A”及生物標(biāo)志化合物分析等,并結(jié)合鄰區(qū)的其他地化測(cè)試資料,對(duì)研究區(qū)的烴源巖樣品和原油樣品進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)和油源對(duì)比,以探究棗園探區(qū)油氣來源問題,為本區(qū)油氣勘探提供依據(jù)。
鄂爾多斯盆地是我國第二大沉積盆地,面積25×104km2。其演化經(jīng)歷了發(fā)育--發(fā)展--全盛--衰退消亡的過程[32-33]。根據(jù)前人[34]研究,盆地發(fā)育的鼎盛時(shí)期為中—晚三疊世延長組沉積時(shí)期和早—中侏羅世延安組沉積時(shí)期,沉積范圍廣。在延長組沉積時(shí)期,其發(fā)育的優(yōu)質(zhì)烴源巖是富烴坳陷的主體[35]。
研究區(qū)棗園探區(qū)地處鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部的有利構(gòu)造帶上,位于延安市西部,毗鄰安塞縣(圖1),陜北斜坡鼻狀構(gòu)造比較發(fā)育,其與斜坡內(nèi)部的油氣藏形成密切相關(guān),雖不發(fā)育大型斷裂,但小型斷裂、裂縫十分常見,是研究區(qū)油氣運(yùn)移的重要通道[36-38]。研究區(qū)內(nèi)延安組地層剝蝕,延長組地層發(fā)育較完整,在延長組各亞組都發(fā)現(xiàn)較好油氣顯示,其中長7、長9是主力烴源巖層[31]。根據(jù)已有的研究成果,研究區(qū)油藏類型:上組合受構(gòu)造影響主要為構(gòu)造-巖性油藏,下組合主要是巖性油藏。一般距離烴源巖越近、河道砂體越發(fā)育、蓋層越厚越連續(xù)的區(qū)域,就是油氣富集的越有利區(qū)域[31]。
研究區(qū)在長7沉積時(shí)期是中生代晚期湖盆最寬廣、最深的時(shí)期,沉積了一套半深湖-深湖相的富含大量有機(jī)質(zhì)的泥頁巖,這套泥頁巖被稱為“張家灘頁巖”,厚度介于40~70 m 之間,在研究區(qū)西南部棗7井附近,泥頁巖厚度可達(dá)70 m。長9沉積時(shí)期是盆地晚三疊紀(jì)湖盆發(fā)育的初始階段,也沉積了一套較好的烴源巖,該套泥頁巖被稱為“李家畔頁巖”[36-38],其主要位于盆地的東南部。區(qū)內(nèi)該套地層展布厚度在50~70 m 之間,尤其在棗園鄉(xiāng)周邊,長9暗色泥頁巖厚度最大,為60~70 m之間,在研究區(qū)的西南面及東北面暗色泥頁巖厚度也較大。
圖1 研究區(qū)地理位置、烴源巖厚度及油氣分布圖
通過棗園探區(qū)的典型井的長7、長9烴源巖測(cè)井曲線圖,可以看出優(yōu)質(zhì)的烴源巖基本特征為“三高一低”特征:自然伽馬(GR)高、聲波時(shí)差(AC)高、深電阻率(RD)高、自然電位(VSP)低(圖2)。研究區(qū)位于生烴中心的最前緣,是油氣運(yùn)移的指向地區(qū)[30-31],不管是垂向運(yùn)移或是側(cè)向運(yùn)移,研究區(qū)均為成藏有利地區(qū)。
有機(jī)質(zhì)評(píng)價(jià)一般采用總有機(jī)碳(TOC)質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氯仿瀝青“A”質(zhì)量分?jǐn)?shù)、生烴潛量(w(S1+S2))等指標(biāo)來判斷烴源巖生烴能力。本次根據(jù)研究區(qū)(棗園)延長組長7、長9的泥頁巖樣品,結(jié)合周邊地區(qū)樣品數(shù)據(jù)(表1),對(duì)比烴源巖生烴能力。
通過與周邊地區(qū)對(duì)比可知,研究區(qū)長7段烴源巖w(TOC)、w(氯仿瀝青“A”)、w(S1+S2)明顯比北部靖邊和南部富縣要高(圖3,表1),說明本區(qū)烴源巖生油指標(biāo)相較之下是最好的。其w(TOC)均在1.00%以上,w(S1+S2)均在5.00 mg/g以上,w(氯仿瀝青“A”)均在0.10%以上。
由表1可知:研究區(qū)長9段烴源巖w(TOC)為0.62%~3.63%,平均值為1.74%;w(S1+S2)主要集中在4.02~15.58 mg/g之間,均值為10.15 mg/g。
有機(jī)質(zhì)類型也是評(píng)價(jià)烴源巖優(yōu)劣的重要指標(biāo)(表2)之一,是判定烴源巖生烴排烴能力和烴轉(zhuǎn)化率的重要指標(biāo)。本文采用Rock-eval巖石熱解的方法,針對(duì)研究區(qū)長7(10塊樣品)、長9(11塊樣品)烴源巖進(jìn)行了氫指數(shù)(IH)、降解率(PC/TOC)、生烴潛量、烴指數(shù)(S1/TOC)、最高熱解峰溫(Tmax)、產(chǎn)率指數(shù)(IP)、有效碳指標(biāo)(PC)的測(cè)定和分析。
從棗園延長組有機(jī)質(zhì)參數(shù)(表3)可知:長7烴源巖氫指數(shù)為136~191 mg/g,平均值為163 mg/g;降解率為14.93%~27.79%,平均值為20.63%;生烴潛量為 8.57~11.15 mg/g,平均值為9.90 mg/g;烴指數(shù)為43.53~144.14 mg/g,平均值為84.25 mg/g;最高熱解峰溫為430~459 ℃,平均值為451 ℃;產(chǎn)率指數(shù)為0.24~0.43,平均值為0.33;有效碳指標(biāo)為0.71%~0.96%,平均值為0.84%。表明研究區(qū)長7烴源巖有機(jī)質(zhì)已經(jīng)成熟,進(jìn)入生烴窗,具有極強(qiáng)的生烴能力;而且說明其烴類物質(zhì)在滿足自身的吸附后,具有較好的排烴能力。
長9烴源巖氫指數(shù)為146~186 mg/g,平均值為163 mg/g;降解率為16.86%~23.92%,平均值為19.48%;生烴潛量為 0.49~23.83 mg/g,平均值為12.09 mg/g;烴指數(shù)為50.68~141.18 mg/g,平均值為68.40 mg/g;最高熱解峰溫為453℃~461℃,平均值為456℃;產(chǎn)率指數(shù)為0.24~0.30,平均為值0.27;有效碳指標(biāo)為1.22%~1.98%,平均值為1.49%。表明該區(qū)長9烴源巖也達(dá)到了較好的標(biāo)準(zhǔn),也是本區(qū)的有效烴源巖。
從圖4可以看出:長7和長9烴源巖的巖石最高熱解峰溫處于440 ℃之上,表明烴源巖處于低成熟—成熟演化階段。通過與前人在富縣、黃陵等以及七里村油田等研究區(qū)的研究結(jié)果對(duì)比,發(fā)現(xiàn)棗園探區(qū)附近的長7烴源巖氫指數(shù)、最高熱解峰溫參數(shù)的研究結(jié)果較為準(zhǔn)確[22-30]。結(jié)合表2、表3、和圖4進(jìn)行分析,得出研究區(qū)延長組長7烴源巖以Ⅱ1-Ⅱ2型為主,少量和Ⅰ型和Ⅲ型。
鏡質(zhì)體反射率(Ro)是判斷烴源巖有機(jī)質(zhì)熱演化程度的重要指標(biāo)之一。研究區(qū)長7泥頁巖Ro值變化范圍為0.83%~1.02%,平均值0.91%;長9段泥頁巖樣品的Ro值變化范圍0.88%~1.10%,平均值為1.04%。整體上棗園探區(qū)長7、長9泥頁巖樣品鏡質(zhì)體反射率Ro隨深度的增大而增大(圖5)。
棗園探區(qū)的烴源巖層為長7和長9段,油氣主要分布在長4+5、長61和長8段儲(chǔ)層中,因此筆者依據(jù)原油(長4+5、長61、長8)及烴源巖(長7、長9)的正構(gòu)烷烴組成、類異戊二烯烷烴以及甾、萜烷組成等,通過生物標(biāo)志化合物等參數(shù)對(duì)比,研究了原油樣品的母質(zhì)類型、成熟度、沉積環(huán)境,并進(jìn)行了油油對(duì)比和油源對(duì)比,分析棗園探區(qū)的主力烴源巖層。
通過對(duì)比原油樣品與烴源巖樣品飽和烴色譜,筆者發(fā)現(xiàn)原油和烴源巖的色譜特征類似,為單峰型、前峰態(tài)。主峰碳為C21或C20,具有奇偶優(yōu)勢(shì),C21以下正構(gòu)烷烴豐度較高(圖6)。
R2.5. 2.5 m深處電阻率;RILD. 深感應(yīng)電阻率;RILM. 中感應(yīng)電阻率。
圖3 棗園及周邊地區(qū)延長組長7烴源巖w(TOC)(a)、w(S1+S2)(b)、w(氯仿瀝青“A”)(c)柱狀圖
表1 棗園及周邊地區(qū)延長組烴源巖w(TOC)、w(S1+S2)、w(氯仿瀝青“A”)分析數(shù)據(jù)表
表2 陸相烴源巖有機(jī)質(zhì)類型的熱解參數(shù)劃分標(biāo)準(zhǔn)[31]
研究人員一般根據(jù)主峰碳數(shù)、峰形、正構(gòu)烷烴輕/重比等參數(shù)來分析生物來源和成因。長7樣品∑C21-/∑C22+值為1.92,C21+22/C28+29值為2.34;長9樣品∑C21-/∑C22+值為1.60,C21+22/C28+29值為1.64。長4+5樣品∑C21-/∑C22+值為1.93,C21+22/C28+29值為2.17;長61樣品∑C21-/∑C22+值為1.97,C21+22/C28+29值為2.46;長8樣品∑C21-/∑C22+值為1.82,C21+22/C28+29值為1.91。根據(jù)∑C21-/∑C22+與C21+22/C28+29的相關(guān)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之間,反映低碳數(shù)的正構(gòu)烷烴占主要優(yōu)勢(shì),說明生油母質(zhì)以水生生物為主,是較好的有機(jī)質(zhì)類型。
表3 棗園南探區(qū)與鄰區(qū)延長組烴源層有機(jī)質(zhì)熱解參數(shù)表
圖4 棗園探區(qū)延長組長7、長9烴源巖IH與Tmax關(guān)系圖
將烴源巖和原油的∑C21-/∑C22+值和C21+22/C28+29值加以對(duì)比,得知:長7烴源巖樣品的∑C21-/∑C22+值和C21+22/C28+29值比長9烴源巖樣品高,表明長7烴源巖的熱演化成熟度高,長9烴源巖較低;且長8、長61、長4+5原油樣品正構(gòu)烷烴分布曲線圖和長7烴源巖樣品的正構(gòu)烷烴分布曲線圖更接近,表明長7烴源巖對(duì)油氣成藏的貢獻(xiàn)更大,長9烴源巖貢獻(xiàn)相對(duì)較小(圖7)。
姥植比(Pr/Ph)指示烴源巖生油母質(zhì)的沉積環(huán)境(氧化或還原),Pr/nC17和Ph/nC18值指示成熟度和沉積環(huán)境。長8原油樣品Pr/Ph值為0.78,Pr/nC17值為0.10,Ph/nC18值為0.13;長61原油樣品Pr/Ph值為0.85,Pr/nC17值為0.20,Ph/nC18值為0.21;而長4+5原油樣品Pr/Ph值為0.79,Pr/nC17值為0.19,Ph/nC18值為0.23(表4)。一般情況下,Pr/Ph值介于0.5~1.0指示還原環(huán)境(越接近1.0表示還原性越強(qiáng)),原油樣品中Pr/Ph值均介于0.78~0.85之間,說明其為淡水還原--強(qiáng)還原環(huán)境。由Ph/nC18與Pr/Ph交會(huì)圖(圖8a)可以分析出,長4+5、長61原油的性質(zhì)較為相近,說明二者的烴源巖具有相似的沉積環(huán)境,其中長7烴源巖貢獻(xiàn)最大。從Ph/nC18與Pr/nC17交會(huì)圖(圖8b)可分析出,長9烴源巖樣品屬于偏氧化環(huán)境,長7烴源巖樣品屬于混合型,長8、長61、長4+5原油樣品同樣屬于混合型、偏還原的環(huán)境;由此可見,原油樣品與長7烴源巖的沉積環(huán)境較為相似,說明其主要來源于長7烴源巖的貢獻(xiàn)。
3.3.1 萜烷類對(duì)比
長7、長9烴源巖樣品中,三環(huán)萜烷與五環(huán)萜烷的量的比值(∑三/∑五)較低。三環(huán)萜烷中,C29三環(huán)萜烷分子分?jǐn)?shù)最高。五環(huán)萜烷中:18α(H)-三降藿烷(Ts)分子分?jǐn)?shù)較高,而17α(H)-三降藿烷(Tm)分子分?jǐn)?shù)較低;C29降藿烷分子分?jǐn)?shù)較低,C29新藿烷分子分?jǐn)?shù)較高;重排藿烷、C30藿烷分子分?jǐn)?shù)較高,伽馬蠟烷分子分?jǐn)?shù)較低(圖9),表明烴源巖為陸相淡水還原環(huán)境。長4+5、長61、長8原油樣品中:三環(huán)萜烷分子分?jǐn)?shù)大都較低,表明原油來源于陸相沉積環(huán)境的烴源巖;C30藿烷分子分?jǐn)?shù)最高,C29藿烷分子分?jǐn)?shù)次之,Ts和Tm分子分?jǐn)?shù)相當(dāng),Ts分子分?jǐn)?shù)略高于Tm,而且相比于烴源巖樣品,原油樣品C30以上的升藿烷分子分?jǐn)?shù)更高。萜烷色譜圖顯示出,長4+5、長61、長8原油和長7烴源巖相似度較好(圖9)。
圖5 棗園探區(qū)延長組長7、長9段不同樣品鏡質(zhì)體反射率分布
a. 南305,長7,泥頁巖; b. 延頁,長9,泥頁巖; c. 南305,長4+5,原油; d. 南298,長61,原油; e. 棗5,長8,原油。
圖7 棗園探區(qū)延長組原油與烴源巖抽提物的烷烴色譜對(duì)比
表4 棗園探區(qū)延長組烴源巖與原油正構(gòu)烷烴與異戊間二烯類烷烴分布特征
b底圖據(jù)文獻(xiàn)[8,22]。
a. 長7泥頁巖,萜烷;b. 長7泥頁巖,甾烷;c. 長9泥頁巖,萜烷;d. 長9泥頁巖,甾烷;e. 長4+5原油,萜烷;f. 長4+5原油,甾烷;g. 長61原油,萜烷;h. 長61原油,甾烷;i. 長8原油,萜烷;j. 長8原油,甾烷。
長4+5、長61和長8原油樣品的C31藿烷2S/(22S+22R)值分別為0.55、0.54、0.51,均在平衡值附近,表明原油已經(jīng)成熟;Ts/Tm數(shù)值也可反映成熟度,長4+5為1.21,長6為1.29,長8為2.76,均大于1.00,而且可以看出,長8原油的成熟度相比于長4+5和長61更高;C29/C30αβ藿烷和C30莫烷/C30αβ藿烷的值也可看出,長4+5和長61原油的成熟度較為接近,長8原油的成熟度比長4+5、長61原油的高。
3.3.2 甾烷類對(duì)比
原油樣品中,C27、C28、C29膽甾烷分子分?jǐn)?shù)最高,孕甾烷、升孕甾烷分子分?jǐn)?shù)也較高。烴源巖樣品的孕甾烷、升孕甾烷分子分?jǐn)?shù)較高,重排甾烷分子分?jǐn)?shù)較低,規(guī)則甾烷系列分子分?jǐn)?shù)較高。通過定量化處理后,可以看出,長4+5、長61、長8油層組原油規(guī)則甾烷中富含C29豆甾醇,與長7烴源巖相似;長9規(guī)則甾烷中富含C27而C29豆甾醇較低??傮w看來,研究區(qū)原油樣品與長7烴源巖的甾烷類化合物特征相近(圖9)。
原油樣品的C27-C28-C29甾烷的構(gòu)型都很相近,表現(xiàn)為“V”字型特征,說明長4+5、長61、長8的原油來源于湖相腐泥型有機(jī)質(zhì)。長7烴源巖樣品的甾烷構(gòu)型為“V”字型,反映其來源為湖相腐泥型。長9烴源巖的甾烷構(gòu)型為“L”型(圖9),反映其生物來源與陸相高等植物有緊密聯(lián)系。
長4+5與長61原油的規(guī)則甾烷豐度分布的指紋非常相似,說明它們來自于同一套陸相淡水湖泊烴源巖(圖10)。全部油樣中,均表現(xiàn)出C29甾烷相對(duì)分子分?jǐn)?shù)高的特征,幾乎所有原油的甾烷相對(duì)組成聚類在一起,形成一個(gè)較為密集的點(diǎn)群,反映其烴源巖與原油在生源構(gòu)成和沉積環(huán)境上有較強(qiáng)的一致性。高豐度重排藿烷系列的存在可能與特定的沉積環(huán)境有關(guān)[39-40]。原油樣品和烴源巖樣品C30RH/C29Ts(C30重排藿烷/C29新藿烷)與C29H/C30H(C29藿烷/C30藿烷)交會(huì)圖(圖11)可以看出,原油樣品的C30RH/C29Ts值較小(<2),反映其為淡水還原的沉積環(huán)境。
圖10 棗園探區(qū)延長組原油與烴源巖規(guī)則甾烷指紋對(duì)比
圖11 棗園探區(qū)延長組原油與烴源巖C30RH/C29Ts與C29H/C30H相關(guān)圖
甾烷異構(gòu)化參數(shù)αααC2920S/(20S+20R)和C29ββ/(ββ+αα)值是常用的成熟度指標(biāo),由表5可知:長8原油樣品的αααC2920S/(20S+20R)值為0.53,C29ββ/(ββ+αα)值為0.54;長4+5樣品與長61樣品的αααC2920S/(20S+20R)和C29ββ/(ββ+αα)值較為接近,且長61原油的成熟度略高于長4+5。C21+22/Reg((孕甾烷+升孕甾烷)/規(guī)則甾烷)也可反映原油成熟度,可以看出長4+5、長61和長8原油的C21+22/Reg值分別為0.05、0.06和0.04;長4+5原油的Dia/Reg(重排甾烷/規(guī)則甾烷)值為0.17、長61原油為0.16、長8原油為0.23,可以看出長4+5和長61和長8原油較為相似,且都已經(jīng)進(jìn)入生烴窗,屬于中等—偏低成熟原油。
根據(jù)甾萜烷的蛛網(wǎng)圖(圖12)可知:長7、長9烴源巖樣品和長4+5、長61、長8原油樣品的油源對(duì)比結(jié)果相似度較高。棗園地區(qū)長4+5、長61的原油均屬于同一原油族群,長61原油屬中等成熟油、長4+5原油屬中等—低成熟油。說明長4+5原油是長7烴源巖早期生成的原油優(yōu)先排出的結(jié)果,垂直運(yùn)移方向是先充注長61層段砂巖儲(chǔ)層;然后隨著后期生成的烴類的不斷排出,促使早期占據(jù)長6儲(chǔ)層的原油向上部的長4+5儲(chǔ)層運(yùn)移,后期生成的原油占據(jù)長61儲(chǔ)層。而且生物標(biāo)志物的各項(xiàng)指標(biāo)顯示的結(jié)果表明,長61原油成熟度比長4+5原油成熟度高,其是原油運(yùn)移分異的結(jié)果。
表5 棗園探區(qū)延長組烴源巖與原油甾、萜烷參數(shù)
圖12 棗園探區(qū)延長組原油與烴源巖甾、萜烷特征參數(shù)蛛網(wǎng)圖
1)研究區(qū)主要發(fā)育長7、長9兩套烴源巖,長7段烴源巖w(TOC)平均值為4.38%,有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ1-Ⅱ2型,長9段烴源巖w(TOC)平均值為1.74%,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2型。長7烴源巖優(yōu)于長9烴源巖,為研究區(qū)主要的烴源巖。
2)通過分析研究區(qū)長7、長9烴源巖樣品和長4+5、長61、長8原油樣品的飽和烴色譜、甾烷、萜烷色譜特征和生標(biāo)對(duì)比,結(jié)果表明:長4+5、長61、長8原油均處于成熟階段,且長8原油成熟度最高,長4+5最低;烴源巖屬于淡水還原環(huán)境,生源主要為低等水生生物、且含有部分高等植物。
3)研究區(qū)位于盆地中心,具有得天獨(dú)厚的油源條件。通過油源對(duì)比,棗園探區(qū)延長組長4+5、長61、長8油層原油主要來自于長7段暗色泥頁巖,長9段暗色泥頁巖也可提供少量烴源。