鄂爾多斯盆地甘泉地區(qū)上古生界烴源巖地球化學(xué)特征及生烴潛力

魏 新，唐建云，3，4，宋紅霞，陳玉寶

（1.克拉瑪依職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆克拉瑪依 834000；2.中國石油大學(xué)（北京）克拉瑪依校區(qū)，新疆克拉瑪依 834000；3.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系/大陸動力學(xué)國家重點實驗室，西安 710069；4.江西省放射性地學(xué)大數(shù)據(jù)技術(shù)工程實驗室，南昌 330013；5.中國石油吐哈油田分公司勘探開發(fā)研究院，新疆哈密 839009；6.延長油田股份有限公司，陜西延安 716005）

0 引言

鄂爾多斯盆地是我國陸上第二大沉積盆地，盆內(nèi)蘊含著豐富的油、氣、煤、鹽等多種礦產(chǎn)，素有“聚寶盆”之美譽［1-3］。在蘇里格、榆林及大牛地等地區(qū)發(fā)現(xiàn)了大型氣田，證實了盆地內(nèi)古生界具有豐富的天然氣資源。隨著天然氣勘探開發(fā)的不斷“南移東擴”，在盆地的東南部相繼發(fā)現(xiàn)了上古生界石炭系—二疊系陸相和海陸過渡相沉積的煤系烴源巖，預(yù)示著該地區(qū)可能存在氣田。油氣分布“源控論”認為，烴源巖是油氣生成的源頭和基礎(chǔ)，其生烴能力或強度直接影響油氣的分布及產(chǎn)能［4-5］?；谠摾碚?，已有眾多學(xué)者相繼投入到盆地東南緣上古生界烴源巖評價的研究中，并取得了不少成果。一種觀點認為在盆地東南緣上古生界可能發(fā)育多套烴源巖，而對烴源巖分布范圍的研究受采樣位置和樣品數(shù)量的限制，因此只能作為推測性結(jié)論，如韓文學(xué)等［6］利用鄂爾多斯盆地上古生界29 口典型井的灰?guī)r樣品對盆地南緣進行了宏觀尺度上的生烴潛力評價，證實了上古生界發(fā)育多套烴源巖；另一種觀點是在“盆地東南緣上古生界發(fā)育多套烴源巖”的前提下認為，各層系烴源巖的生烴潛力具有優(yōu)劣之分，即對油氣生成的貢獻度存在差異，如顧超等［7］利用盆地南緣旬宜區(qū)塊上古生界烴源巖樣品進行了“微觀”尺度上地詳細剖析，不僅證實該區(qū)域存在多套烴源巖，而且也證實了山西組和本溪組烴源巖均為上古生界較優(yōu)質(zhì)的烴源巖。

通過對已有鉆井巖心、巖屑、化驗分析等資料的整理分析，結(jié)合區(qū)域地質(zhì)情況，選取鄂爾多斯盆地東南緣甘泉地區(qū)上古生界本溪組和山西組典型烴源巖樣品，開展有機地球化學(xué)等多種分析測試，同時對烴源巖地球化學(xué)特征及生烴潛力進行深入探討，以期為鄂爾多斯盆地東南部上古生界烴源巖評價提供理論依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

甘泉地區(qū)位于鄂爾多斯盆地二級構(gòu)造單元陜北斜坡東南部（圖1），面積約為1.6×104km2，區(qū)內(nèi)構(gòu)造簡單，地層較為平緩，傾角整體小于1°，發(fā)育一系列鼻狀隆起。研究區(qū)上古生界底部與下古生界呈平行不整合接觸，中間缺失中—上奧陶統(tǒng)、志留系、泥盆系及下石炭統(tǒng)，頂部與中生界呈整合接觸，上古生界內(nèi)部沉積較為連續(xù)，均為整合接觸，以海陸過渡相—內(nèi)陸湖盆沉積為主。地層自下而上發(fā)育石炭系本溪組和二疊系太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組，上古生界厚度在該區(qū)比較穩(wěn)定，平面上變化較小。

圖1 甘泉地區(qū)構(gòu)造位置（a）及Y155 井上古生界巖性地層綜合柱狀圖（b）Fig.1 Location of Ganquan area（a）and stratigraphic column of Upper Paleozoic of well Y115（b）

甘泉地區(qū)上古生界烴源巖為含煤巖系，主要分布于本溪組與山西組，平面上分布較為廣泛，厚度小于100 m，沉積類型屬海陸交互相沉積［8-11］，一般發(fā)育植物，腕足類生物群，烴源巖巖性主要為煤，其次為暗色泥巖［12-15］。研究區(qū)本溪組大多屬于石炭系，其巖性通常為灰—黑色炭質(zhì)泥巖，主要發(fā)育于本溪組頂部，深灰—黑色泥巖則發(fā)育于其下部。太原組一部分屬于石炭系，一部分屬二疊系，整體上具有穿時性［16-19］，上部巖性主要為灰黃色砂巖，夾有一部分煤層和炭質(zhì)泥巖，下部巖性主要為砂礫巖，底部發(fā)育一套褐灰色灰?guī)r夾部分白色石英砂巖。山西組巖性主要為深灰—黑色泥質(zhì)與砂質(zhì)泥巖，在頂部、中部以及底部均發(fā)育包含中粗顆粒砂巖和富含礫砂巖的層狀泥巖，總體厚度為20～70 m。

2 實驗方法及樣品

利用甘泉地區(qū)10 口鉆井資料及本溪組和山西組煤系泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤樣品（表1），進行了有機碳含量測定、巖石熱解分析、干酪根顯微組分鑒定及鏡質(zhì)體反射率等多項有機地球化學(xué)測試。相關(guān)實驗在中國石油勘探開發(fā)研究院石油地質(zhì)實驗研究中心完成，其中，有機碳分析使用LECO CS-230 碳硫分析儀，熱解分析使用ROCK-EVAL6 熱解儀，執(zhí)行標準為沉積巖中總有機碳的測定GB/T 19145—2003［20］和巖石熱解分析GB/T 18602—2012［21］。同時，對以往大量測試數(shù)據(jù)進行收集和整理，將2 類分析測試進行整合，對研究區(qū)烴源巖有機地球化學(xué)特征進行分析。

表1 甘泉地區(qū)上古生界自測樣品統(tǒng)計結(jié)果Table 1 Statistics of self-test samples of Upper Paleozoic in Ganquan area

3 烴源巖有機地球化學(xué)特征

3.1 有機質(zhì)豐度

有機質(zhì)豐度可采用有機碳含量（TOC）、巖石熱解參數(shù)生烴潛量（S1+S2）以及氯仿瀝青“A”等進行分析［16，20-21］。此次研究選用TOC含量及S1+S2對甘泉地區(qū)上古生界有機質(zhì)豐度進行評價。

3.1.1TOC含量

TOC含量實驗測定結(jié)果（圖2）顯示，甘泉地區(qū)本溪組暗色泥巖TOC質(zhì)量分數(shù)為0～11.9%，平均為1.9%，約41%的樣品TOC質(zhì)量分數(shù)小于0.6%，47%的樣品TOC質(zhì)量分數(shù)大于1.5%，根據(jù)含煤地層烴源巖有機質(zhì)豐度評價標準［22］，接近半數(shù)的樣品為中等或以上級別的烴源巖；煤層TOC質(zhì)量分數(shù)為0.9%～8.8%，平均為2.8%，所有樣品均為有效烴源巖，其中55%的樣品為中等或以上級別的烴源巖。山西組暗色泥巖TOC質(zhì)量分數(shù)為0～20.8%，平均約為2.7%，62%的樣品為中等或以上級別的烴源巖；煤層TOC質(zhì)量分數(shù)為1.3%～63.5%，平均為5.1%，57%的樣品為中等或以上級別的烴源巖。由此可見，研究區(qū)山西組和本溪組烴源巖整體均較好，山西組烴源巖明顯優(yōu)于本溪組，更有利于生排烴。

圖2 甘泉地區(qū)上古生界本溪組（a）與山西組（b）有機碳含量分布Fig.2 Distribution of organic carbon content of Benxi Formation（a）and Shanxi Formation（b）of Upper Paleozoic in Ganquan area

3.1.2 生烴潛量

作為巖石熱解的重要參數(shù)之一，生烴潛量（S1+S2）亦可對有機質(zhì)豐度進行評價，其由2 個部分組成，一部分為已經(jīng)生成的烴，即可溶烴（S1），另一部分為熱解烴（S2）。分析測試結(jié)果（圖3）顯示，甘泉地區(qū)本溪組暗色泥巖的S1+S2為0.01～23.50 mg/g，其中達到中等以上級別的烴源巖占比為38%；煤層的S1+S2為0.7～31.5 mg/g，達到中等以上級別的烴源巖占比較高，可達75%。山西組暗色泥巖的S1+S2為0.23～29.5 mg/g，其中達到中等以上級別的烴源巖占比為50%；煤層的S1+S2為0.7～39.5 mg/g，其中達到中等以上級別的烴源巖占比達84%。綜上所述，研究區(qū)山西組有機質(zhì)豐度整體較高，是相對優(yōu)質(zhì)的烴源巖，且優(yōu)于本溪組烴源巖。

圖3 甘泉地區(qū)上古生界本溪組（a）與山西組（b）生烴潛量含量分布Fig.3 Distribution of hydrocarbon generation potential of Benxi Formation（a）and Shanxi Formation（b）of Upper Paleozoic in Ganquan area

3.2 有機質(zhì)類型

有機質(zhì)對生烴潛力及生烴類型的劃分具有顯著影響［13-15］。有機質(zhì)類型的劃分方法較多，目前常用的包括巖石熱解分析、干酪根顯微組分鑒定及紅外光譜法等［16-19］。由于單一的判別方法往往具有一定的缺陷和不足，因此研究中往往采用多方法進行綜合分析，進而達到準確識別有機質(zhì)類型的目的。此次研究采用干酪根顯微組分鑒定和巖石熱解分析2 種方法，對甘泉地區(qū)上古生界烴源巖有機質(zhì)類型進行判別和分析。

3.2.1 干酪根顯微組分鑒定

采用干酪根顯微組分鑒定方法，對甘泉地區(qū)上古生界本溪組86 個樣品及山西組55 個樣品的煤、泥巖、炭質(zhì)泥巖等樣品展開分析（圖4）。結(jié)果顯示，研究區(qū)本溪組大量測試樣品有機質(zhì)類型為腐殖型Ⅲ類，樣品占比約為67%；山西組有機質(zhì)類型則以腐殖型Ⅲ類為主，其次為腐泥型Ⅱ2類，占比分別約為52%和28%，是較為重要的有機質(zhì)類型（表2）。

圖4 甘泉地區(qū)上古生界泥巖鏡下照片F(xiàn)ig.4 Microscopic photos of mudstones of Upper Paleozoic in Ganquan area

表2 甘泉地區(qū)上古生界本溪組與山西組烴源巖有機質(zhì)類型Table 2 Organic matter types of source rocks of Benxi Formation and Shanxi Formation of Upper Paleozoic in Ganquan area

學(xué)界普遍認為煤的顯微組分含量與其沉積環(huán)境密不可分［13-16］。甘泉地區(qū)上古生界烴源巖為含煤巖系，沉積類型屬海陸交互相沉積，其水動力條件相對較好，氧含量比較高，測試樣品中有機質(zhì)干酪根顯微組分中惰質(zhì)組含量較高，其次為鏡質(zhì)組。惰質(zhì)組中的絲質(zhì)體部分通常是由植物的纖維和木質(zhì)組織經(jīng)過絲炭化形成，主要呈灰—黑色，外觀與木炭較為相似，顏色灰黑，同時也具有絲絹般光澤與纖維狀組織結(jié)構(gòu)，是在鏡下能明顯識別植物纖維細胞組織結(jié)構(gòu)的顯微組分。鏡質(zhì)組中的鏡質(zhì)體部分通常是陸生植物的根、莖、葉在水的還原環(huán)境下通過凝膠化形成，處于低、中煤階時，鏡質(zhì)組中的鏡質(zhì)體經(jīng)透射光呈橙色、褐色，反射光呈淺灰色。與惰質(zhì)組的組分相比，鏡質(zhì)體與殼質(zhì)組的組分含氧較高，含氫中等，含碳較低。

甘泉地區(qū)上古生界近120 個樣品的干酪根顯微組分分析結(jié)果（圖5）顯示，泥巖中絲質(zhì)體與鏡質(zhì)體普遍存在，煤巖中存在絲質(zhì)體。

圖5 甘泉地區(qū)上古生界干酪根顯微組分鏡下照片F(xiàn)ig.5 Microscopic component of kerogen of Upper Paleozoic in Ganquan area

3.2.2 巖石熱解分析

甘泉地區(qū)上古生界烴源巖巖石熱解實驗（本溪組選用8 口井16 個樣品，山西組選用19 口井68個樣品）結(jié)果表明，本溪組熱解最高峰溫（Tmax）為434.4～473.4 ℃，平均為454.7 ℃，降解潛率（D）為0.9%～34.9%，平均為5.6%，氫指數(shù)（HI）為9.0～715.5 mg/（g·TOC），平均值為126.5 mg/（g·TOC）；山西組熱解最高峰溫為413.0～479.6 ℃，平均為447.0 ℃，降解潛率為0.5%～40.0%，平均為7.4%，氫指數(shù)為8.5～588.0 mg/（g·TOC），平均為124.7 mg/（g·TOC）?？傮w而言，本溪組熱解最高峰溫整體高于山西組，而降解潛率及氫指數(shù)整體低于山西組。選用熱解最高峰溫（Tmax）與降解潛率（D）、熱解最高峰溫（Tmax）與氫指數(shù)（HI）圖版（圖6a—6d），對有機質(zhì)類型進行判定。Tmax-D有機質(zhì)類型劃分圖版顯示，樣品點在各類型有機質(zhì)區(qū)間均有分布，但就本溪組而言，絕大多數(shù)（占比約為66.7%）有機質(zhì)類型為腐殖型Ⅲ類，山西組的有機質(zhì)類型則以腐殖型Ⅲ類、腐泥-腐殖型Ⅱ2為主。由Tmax-HI有機質(zhì)類型劃分圖版可以觀察到與Tmax-D有機質(zhì)類型劃分圖版相似的情況，即本溪組絕大多數(shù)（占比約為60.0%）有機質(zhì)類型為腐殖型Ⅲ類，而山西組的有機質(zhì)類型則多為腐殖型Ⅲ類，其次為腐泥-腐殖型Ⅱ2，樣品占比分別為50.8%與20.0%。

圖6 甘泉地區(qū)上古生界本溪組與山西組有機質(zhì)類型Fig.6 Organic matter types of Benxi Formation and Shanxi Formation of Upper Paleozoic in Ganquan area

綜上所述，通過巖石熱解分析和干酪根顯微組分鑒定分析，甘泉地區(qū)上古生界本溪組有機質(zhì)類型以腐殖型Ⅲ類為主，而山西組則多為腐殖型Ⅲ類和腐泥-腐殖型Ⅱ2類。

3.3 有機質(zhì)成熟度

有機質(zhì)成熟度決定了油氣生成特征及產(chǎn)量，其通常可采用鏡質(zhì)體反射率（Ro）、巖石熱解參數(shù)Tmax等指標進行評價［23-25］。隨著熱演化程度的升高，甘泉地區(qū)上古生界本溪組與山西組鏡質(zhì)體反射率（Ro）及巖石熱解參數(shù)Tmax會逐漸增大（圖7、圖8）。通過確定烴源巖鏡質(zhì)體反射率及巖石熱解參數(shù)，對有機質(zhì)成熟度進行評價（表3）。

圖7 甘泉地區(qū)上古生界本溪組與山西組鏡質(zhì)體深度與反射率的關(guān)系Fig.7 Relationship between depth and vitrinite reflectance of Benxi Formation and Shanxi Formation of Upper Paleozoic in Ganquan area

圖8 甘泉地區(qū)上古生界本溪組與山西組有機質(zhì)成熟度統(tǒng)計Fig.8 Histogram of organic matter maturity of Benxi Formation and Shanxi Formation of Upper Paleozoic in Ganquan area

表3 有機質(zhì)成熟度劃分方法Table 3 Classification method of organic matter maturity

4 烴源巖分布及生烴潛力分析

4.1 烴源巖分布

對甘泉地區(qū)上古生界本溪組86 個樣品及山西組55 個樣品中煤、泥巖、炭質(zhì)泥巖的統(tǒng)計結(jié)果顯示，本溪組煤厚度為1～5 m，炭質(zhì)泥巖和泥巖厚度為3～52 m，烴源巖累計厚度為5～55 m，主要為10～23 m，烴源巖在平面上呈現(xiàn)出“廣覆式”特征分布；山西組煤層厚度為2～7 m，炭質(zhì)泥巖和泥巖厚度為39～120 m，烴源巖累計厚度整體較大，為42～125 m，主要為50～80 m，在整個研究區(qū)均有分布。綜上所述，上古生界各層系烴源巖在整個研究區(qū)均有分布，山西組烴源巖累計厚度比本溪組更大，對油氣生成更為有利。

4.2 生烴潛力分析

依據(jù)甘泉地區(qū)上古生界本溪組86 個樣品及山西組55 個樣品的有機質(zhì)類型、TOC含量、生烴潛量、成熟度分析結(jié)果以及烴源巖分布累計厚度，綜合分析認為：①本溪組烴源巖有機質(zhì)類型以腐殖型Ⅲ類為主，接近半數(shù)樣品的TOC含量為中等及以上，接近半數(shù)樣品的生烴潛量（S1+S2）達中等及以上，處于高成熟至過成熟階段，處于大量生氣熱演化階段，同時，烴源巖在平面上廣泛分布，累計厚度主要為10～20 m，整體具有較高的生烴潛力。②山西組烴源巖以腐殖型Ⅲ類和腐泥型Ⅱ2類為主，占比大于70%，約60%以上樣品的TOC含量為中等或以上，半數(shù)以上樣品的S1+S2達中等及以上，整體處于高成熟至過成熟階段，同時，烴源巖累計厚度主要為50～80 m，最大可達125 m，且在平面上均有分布，具有較強的生烴潛力，整體而言優(yōu)于本溪組烴源巖。綜上所述，甘泉地區(qū)上古生界具有良好的天然氣勘探開發(fā)潛力，應(yīng)進一步加強開發(fā)，尋找優(yōu)勢產(chǎn)區(qū)。此外，甘泉地區(qū)上古生界山西組生烴潛力更優(yōu)，為下一步勘探的接替層位。

5 討論

鄂爾多斯盆地內(nèi)部烴源巖地球化學(xué)特征差異明顯，不同地區(qū)上古生界烴源巖的地球化學(xué)特征不同［20-25］。呂劍虹等［26］對大牛地氣田上古生界烴源巖評價后認為，有機質(zhì)類型以Ⅲ型干酪根為主，烴源巖演化成熟度較高，鏡質(zhì)體反射率約為1.5%。胡維強等［27］對臨興地區(qū)上古生界烴源巖的研究表明，該區(qū)上古生界烴源巖主要是煤巖和暗色泥巖，有機質(zhì)豐度較高，干酪根屬于Ⅲ型，鏡質(zhì)體反射率為1.00%～1.30%，平均為1.16%，整體處于成熟—高成熟階段。李浩等［28］對陜北斜坡東部上古生界烴源巖的分析表明，泥巖有機質(zhì)類型均為腐殖型Ⅲ類。王偉力等［29］對鄂爾多斯盆地東部地區(qū)上古生界烴源巖進行討論后認為，該區(qū)鏡質(zhì)體反射率（Ro）普遍大于3，處于過成熟階段。此次研究的甘泉地區(qū)地區(qū)上古生界烴源巖熱演化程度較高，鏡質(zhì)體反射率Ro為2.03%～4.23%，主要為2.03%～3.10%，明顯處于過成熟階段，有利于天然氣的生成，這為鄂爾多斯盆地南部天然氣的勘探開發(fā)提供了有利條件。

6 結(jié)論

（1）甘泉地區(qū)上古生界烴源巖主要分布于本溪組及山西組，巖性主要為煤，暗色泥巖次之。本溪組烴源巖有機質(zhì)類型主要為腐殖型Ⅲ類，而山西組則多為腐殖型Ⅲ類，其次為腐泥-腐殖型Ⅱ2類；山西組有機質(zhì)豐度較高，中等及以上級別的烴源巖含量占比高，是較好的烴源巖，而本溪組相對略差；上古生界有機質(zhì)成熟度處于高成熟至過成熟階段，開始大量生氣，隨著深度的增加，熱演化程度隨之逐步升高。

（2）甘泉地區(qū)上古生界烴源巖與周緣地區(qū)具有明顯差異，山西組和本溪組烴源巖分布廣泛，累計厚度均較大，為較優(yōu)質(zhì)烴源巖，其中山西組烴源巖有機質(zhì)豐度高，以腐殖型Ⅲ類和腐泥-腐殖型Ⅱ2類為主，整體處于高成熟至過成熟階段，生烴潛力較好，整體優(yōu)于本溪組。