陜北斜坡東部上古生界烴源巖地球化學特征

李 浩，任戰利，陳西泮，陳玉林

(1.西北大學大陸動力學國家重點實驗室/地質學系，陜西西安 710069;2.延長油田股份有限公司富縣采油廠，陜西延安 716000;3.中國石油集團測井有限公司油氣評價中心，陜西西安 710077)

鄂爾多斯盆地的中北部地區已發現多個大型氣田［1-3］，為尋找新的天然氣接替區，學者將陜北斜坡東部上古生界烴源巖作為重點研究區。陜北斜坡東部上古生界的研究和勘探程度相對較低，未進行過系統的上古生界烴源巖研究。本研究主要通過有機地球化學特征分析，對該區烴源巖進行評價。

研究區位于鄂爾多斯盆地一級構造單元陜北斜坡東部(見圖1)，包含了延安市寶塔區、延長、延川、子長、子洲、靖邊、富縣等區縣，是新的天然氣富集區。本研究通過分析該區上古生界烴源巖展布、地球化學等特征，為評估該區上古生界氣藏富集規律及控制因素提供可靠的評價依據。

圖1 研究區地理位置Fig.1 Geographic location of study area

1 烴源巖分布特征

陜北斜坡東部上古生界泥質烴源巖在縱向上集中在石炭系—二疊系的山西組—本溪組。同時，根據前人大量的研究成果［4-6］和我們的研究，認為山西組以上地層(包括石盒子組和石千峰組)的泥巖為非有效烴源巖。

1.1 上古生界烴源巖縱向分布的特征

陜北斜坡東部上古生界烴源巖為石炭系—二疊系煤系源巖，主要包含深色泥巖、煤巖和灰巖。本溪組泥巖厚度較薄，底部有數米鋁鐵質泥巖。太原組的泥巖主要為暗色泥巖，頂部有部分灰巖。山西組泥巖的顏色變化頻繁，部分泥巖顏色較淺。

1.2 上古生界烴源巖的分布

本研究對陜北斜坡東部上百口探井中的上古生界煤系烴源巖進行分析統計，對煤系烴源巖的厚度展布特征做了詳細研究。結果顯示，上古生界煤系烴源巖遍布研究區，但橫向及縱向上的變化幅度很大。研究區內泥巖以灰、深灰色為主，厚度在30～120 m，東部最厚，西部次之，南部最薄，總體顯示出由陜北古拗陷向渭北地區厚度降低的趨勢(見圖2)。區內中部煤層相對較薄，向東部與西北部厚度逐漸增加，在延長—子長一線最厚達18 m以上。煤層累計厚度6～18 m，主力煤層單層厚6～12 m。該區灰巖主要分布在太原組頂部，厚度普遍小于20 m，分布不均，僅部分井可見(見圖2)。

圖2 陜北斜坡東部上古生界煤系烴源巖厚度等值線圖Fig.2 Source rock thickness of Upper Paleozoic in the east part of North Shaanxi Slope

2 天然氣地球化學特征

研究區上古生界主力產氣層為石盒子組盒8段和山西組、太原組及本溪組。本研究共分析了150個研究區上古生界天然氣樣品，其中天然氣組分以烴類占絕對優勢，其樣品的烴類氣體含量介于90.85% ～99.19%(摩爾分數，下同)。烴類組分中甲烷含量最高，為90.35% ～98.60%，平均為 95.14%。C2-5含量極低，為 0.3% ～1.84%，平均為0.58%，重烴含量普遍低于5%。天然氣干燥系數(C1/C1-5)為98.13% ～99.68%，平均為99.40%。干燥系數高，說明天然氣烴類組成主要受烴源巖的熱演化程度控制，即現今烴源巖的埋藏深度大、熱演化程度高，研究區上古生界天然氣具有過成熟干氣的特征。研究區上古生界天然氣非烴組分含量較低，二氧化碳體積百分含量為0% ～8.15%，平均值2.88%;氮氣體積百分含量為0.03% ～6.5%，平均值僅為1.28%(見表1)。

表1 陜北斜坡東部上古生界天然氣組分特征(部分)Tab．1 The gas components characteristics of Upper Paleozoic in the east part of North Shaanxi Slope

3 烴源巖地球化學特征

3.1 有機質豐度

由于鄂爾多斯盆地煤系地層中煤巖作為優質烴源巖已經成為共識［7-8］，故本研究以煤系烴源巖中泥巖的有機質豐度為主要研究對象。鄂爾多斯盆地陜北斜坡東部上古生界煤系烴源巖熱演化程度已達高—過成熟階段，殘留可溶有機質和可熱解的有機質大多已經排出，有機地球化學豐度指標(如S1+S2和氯仿瀝青“A”)已失去有機質豐度評價的意義。故本研究主要以煤系烴源巖中的有機碳的含量進行豐度評價。根據前人的研究成果［9-10］，結合陜北斜坡東部烴源巖的有機碳特征，提出了陜北斜坡東部石炭系—二疊系煤系地層中的泥質烴源巖的評價標準(見表2)。

本研究共分析巖心樣品TOC數據66塊。煤的有機碳的含量為60.18% ～86.89%，泥巖有機碳的含量在0.16% ～7.2%，平均值為1.53%。其中，山西組泥巖有機碳的含量為0.21% ～7.2%，平均值1.5%，山西組泥巖中20%樣品的有機碳的含量低于評價標準的最低下限，大部分樣品的有機碳的含量高于中等烴源巖級別，屬于中等好的烴源巖。太原組泥巖有機碳的含量為0.44% ～2.51%，平均值為1.13%，其中81.0%的樣品有機碳含量大于1.0%，屬于好—非常好的烴源巖。本溪組泥巖有機碳的含量為0.16%～5.99%，平均值為2.13%，屬于好—極好的烴源巖。灰巖有機碳的平均值為1.28%，是中等—好烴源巖(見表3，表4)。

表2 陜北斜坡東部上古生界泥質烴源巖有機質豐度評價標準表Tab．2 Organic abundance evaluation criterion of Upper Paleozoic mudstone of study area

表3 陜北斜坡東部上古生界烴源巖地球化學參數表Tab．3 Geochemical characteristics of Upper Paleozoic source rock in the east part of North Shaanxi Slope

通過繪制陜北斜坡東部上古生界煤系地層烴源巖有機碳等值線圖(見圖3)，可見研究區有機碳值總體呈現南低北高的特點，僅在研究區南部黃陵—黃龍地區有機碳低于0.5%，其北部地區都達差烴源巖級別之上，而中部地區有機碳的含量可達3.0%。

表4 陜北斜坡東部山西組—本溪組泥質烴源巖地球化學參數表Tab．4 Geochemical characteristics of Shanxi to Benxi formation mudstonein the east part of North Shaanxi Slope

3.2 有機質類型

3.2.1 干酪根組分特征 本研究共分析干酪根組分樣品15塊，其中10塊為Ⅲ型干酪根，4塊Ⅱ2型干酪根，僅有1塊太原組泥巖為Ⅰ型干酪根(見表5)。其中，煤巖均為Ⅲ型干酪根，鏡質組含量高達80%之上。泥巖以Ⅲ型干酪根為主，泥巖的干酪根主要成分為鏡質組，殼質組和惰質組含量較低。需要指出的是，部分泥巖樣品干酪根中腐泥組含量比較高，這說明上古生界泥質烴源巖干酪根類型不僅有Ⅲ型，而且還有Ⅱ2型和Ⅰ型，從而表明泥質烴源巖母巖來源并非都來自陸源生物，還有一定量的水生生物輸入。

圖3 陜北斜坡東部上古生界煤系地層TOC與Ro等值線圖Fig.3 TOC and Ro isolines of autogenic coal source rock in the east part of North Shaanxi Slope

3.2.2 干酪根碳同位素特征 按照干酪根δ13CPDB評價標準［11］，研究區干酪根碳同位素樣品中共有Ⅲ型干酪根12塊(山西組5塊，太原組3塊，本溪組4塊)，其他3塊為Ⅱ1型干酪根、Ⅱ2型干酪根(見表6)。研究結果表明，該區有機質類型以腐殖型為主，同時還有部分腐泥-腐殖型、腐殖-腐泥型，這說明母質主要來源陸生植物的同時還有少量水生生物輸入。

干酪根鏡檢資料和碳同位素資料研究表明，陜北斜坡東部上古生界干酪根類型總體上具有腐殖型的特征，源巖母質輸入具有多元性。

3.3 有機質成熟度特征

3.3.1 鏡質體反射率特征 陜北斜坡東部上古生界鏡質體反射率平面特征顯示(見圖3，表3)，研究區上古生界烴源巖在陜北斜坡東部大部分地區已經進入高成熟階段(Ro＞2.0%)，南部富縣—延長一帶熱演化程度較高，Ro＞3.0%以上有機質普遍處于過成熟干氣階段;周緣呈環帶狀逐漸降低，至東南部黃龍和東北部綏德—子洲一帶，Ro降低到2.0%。

3.3.2 飽和烴色譜分析 通過研究該區D33井的飽和烴色譜圖，其主峰碳主要為 C25，nC(21+22)/nC(28+29)為 3.9，Pr/Ph 為 0.17，CPI為1.25，OEP值為1.04，奇偶優勢不明顯，這說明烴源巖形成于強還原環境［12］，烴源巖處于過成熟階段(見圖4)。

圖4 D33井太原組飽和烴色譜圖(3 226.7 m)Fig.4 Gas chromatograms of the saturated hydrocarbons of Taiyuan formation in D33 Well

4 結論

1)陜北斜坡東部上古生界氣藏天然氣組分以烴類氣體為主，甲烷為烴類氣體的主要組分，其含量均超過90%;非烴氣體含量極低，主要是二氧化碳和氮氣;氣體的重烴含量不高，干燥系數較高，氣藏總體上偏干。

2)研究區煤層有機碳的含量表現為高值，累積厚度6～18 m，有機碳范圍60.20% ～86.89%，是研究區上古生界天然氣最主要的源巖。泥巖厚度一般為30～120 m，有機碳范圍0.16% ～7.2%，是天然氣的第二位供應者。其中，山西組泥巖屬于中等—好的烴源巖，太原組泥巖屬于好—非常好的烴源巖，本溪組泥巖屬于好—極好的烴源巖。灰巖厚度較薄，有機碳平均值為1.28%，是中等—好烴源巖。

表5 陜北斜坡東部上古生界烴源巖干酪根組分分析結果Tab．5 The microcomposition of kerogen source rock of Upper Paleozoic in the east part of North Shaanxi Slope

表6 陜北斜坡東部上古生界干酪跟碳同位素分析表(部分)Tab．6 The part of carbon isotope δ13CPDB of Upper Paleozoic in the east part of North Shaanxi Slope

續表6

3)陜北斜坡東部上古生界源巖母質輸入具有多元性，煤和暗色泥巖的有機質類型以腐殖型為主。上古生界烴源巖Ro多大于2.0%，已進入過成熟—干氣階段。

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