鄂爾多斯盆地南梁西區延長組烴源巖生物標志物特征研究

趙天林

(中陜核工業集團地質調查院有限公司，陜西 西安）（大陸動力學國家重點實驗室）

羅靜蘭，李杪

(大陸動力學國家重點實驗室(西北大學)，陜西 西安 710069)

白雪晶

(大陸動力學國家重點實驗室（西北大學），陜西 西安）710069（中石油大慶油田有限責任公司第五采油廠，黑龍江 大慶163513）

生物標志物是指存在于地殼和大氣圈中，分子結構與特定天然產物之間有明確聯系的天然有機化合物。目前已檢測出的生物標志物不下幾百種，常用的有正構烷烴、類異戊二烯烷烴、萜烷及甾烷類等。在石油地質研究中，生物標志物主要用于判別有機質類型、成熟度和古沉積環境評價等。近年來，發現生物標志物的相對穩定性突破了常規油源對比指標的局限性，在原油組群劃分、油-源精細對比、主力烴源巖厘定方面有了新的進展和應用[1,2]。

長期以來，對延長組烴源巖的研究主要集中在巖石學、測井響應特征、分布范圍以及有機地球化學分析等方面[3～6]，而對延長組下部長8～長9油層組烴源巖生物標志物研究相對較少。南梁西區位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡中西部，是長慶油田第一采油廠近年來高產勘探開發區塊之一，勘探面積約135km2(見圖1)。

延長組為該區主要的烴源巖和含油層系，屬湖泊～三角洲沉積環境。長6油層組為其主力產層，其次為長4+5油層組、長7油層組和長8油層組，同時在長3油層組、長9油層組和長10油層組亦發現零星分布的產油井，預示著良好的石油勘探開發前景[7]。由于該區是長慶油田新建產能區塊，對烴源巖生物標志物特征未開展過系統研究，從而制約了更深層次的勘探工作。為此，筆者在分析延長組烴源巖生物標志物分布特征的基礎上，系統討論了其對有機質成熟度、母質類型、沉積環境判別等的指示意義，以期為該區下一步油氣勘探提供地質依據。

圖1 鄂爾多斯盆地區域構造及采樣位置圖

1 樣品及試驗方法

該研究選取了7口井10塊延長組泥頁巖樣品，所有樣品均為井下新鮮巖樣(采樣井位見圖1)，具體采樣層位見表1。樣品的有機質抽提按常規有機地球化學方法在中國石油勘探開發研究院石油地質試驗研究中心進行。首先將泥巖樣品經凈化處理后放入恒溫干燥箱內，在40℃烘干4h以上；干燥后樣品磨碎過篩至80目以下，進行索氏抽提72h；抽提后所得可溶有機質經濃縮后加入正己烷靜置沉淀瀝青質，用硅膠、氧化鋁色層柱，分別以正己烷、二氯甲烷和甲醇作為沖洗劑，得到飽和烴、芳香烴和非烴餾分；用氣相色譜-質譜對飽和烴進行分析測試，試驗儀器為Thermo-Trace GC Ultra-DSQⅡ氣相色譜-質譜聯用儀，色譜柱為HP-5MS彈性石英毛細柱(60m×0.25mm×0.25μm)，柱始溫100℃，升溫速率4℃/min，柱終溫320℃，恒溫20min。載氣為99.999%氦氣，載氣流速1mL/min；離化方式為電子轟擊( EI，70eV)，離子源溫度250℃。

2 氯仿瀝青“A”及族組分特征

烴源巖樣品基本參數與族組成見表1，樣品中氯仿瀝青“A”質量分數分布于0.21%～0.58%，各油層組氯仿瀝青“A”質量分數差異較小，長9油層組和長7油層組烴源巖氯仿瀝青“A”質量分數相似，長6油層組烴源巖氯仿瀝青“A”質量分數與長8油層組烴源巖接近。根據陸相烴源巖有機質類型評價標準[8]，認為長6～長9油層組烴源巖有機質豐度較高，均已達到好生油巖級別。

烴源巖樣品的氯仿瀝青“A”組成具有“兩高兩低”的特征，即芳香烴和飽和烴質量分數較高，非烴和瀝青質質量分數較低。不同油層組的烴源巖族組成特征差別非常明顯，長9油層組烴源巖烴類質量分數平均為51.54%，長6～長8油層組烴源巖烴類質量分數普遍在73.34%以上。飽和烴除午98井長61油層樣品異常高外，具有長7>長6>長8>長9油層組的規律；芳香烴質量分數長8油層組最高，長7油層組、長9油層組和長6油層組次之。非烴和瀝青質質量分數長9油層組最高，長6油層組和長8油層組次之，長7油層組最低(見表1)。根據陸相烴源巖有機質類型評價標準[8]，綜合認為長7油層組烴源巖主要以Ⅰ型和Ⅱ1型為主；長6油層組、長8油層組烴源巖以Ⅱ1-Ⅱ2型為主，混源特征較明顯；長9油層組烴源巖以Ⅱ1型和Ⅰ型為主，部分烴源巖具有Ⅲ型干酪根性質。

表1 烴源巖樣品基本參數與族組成

注：“-”表示樣品中未檢測出該值，下同；飽/芳為飽和烴質量分數與芳香烴比值，下同。

3 生物標志化合物特征

3.1 正構烷烴

圖2 研究區延長組烴源巖正構烷烴和類異戊二烯烷烴(m/z=85)氣相色譜圖

3.2 類異戊二烯烷烴

姥植比(Pr/Ph)可作為沉積環境及介質酸堿度的重要標志。類異戊二烯烷烴數據統計顯示(見表2)，樣品Pr/Ph值分布于0.75～3.25，均值為0.86，具有較明顯的植烷優勢，表明有機質形成于弱還原～還原環境；少數長91油層樣品具姥鮫烷優勢，指示弱氧化環境。Pr/nC17、Ph/nC18值能夠較好地反映樣品中有機質的降解程度，一般降解較嚴重的樣品Pr或Ph的相對質量分數會大于其相鄰的正構烷烴。大部分樣品Pr/nC17、Ph/nC18值小于0.5，顯示了未遭受降解的特征，但午107井長71油層烴源巖Ph/nC18值為0.54，反映了該樣品可能曾遭受過輕微的降解作用。圖3為延長組烴源巖Pr/nC17與Ph/nC18關系圖，由Pr/nC17-Ph/nC18關系圖可判斷沉積環境氧化還原性，從圖3得知，泥巖樣品具有相似的氧化還原條件，絕大多數樣品分布在Ⅱ/Ⅲ型過渡相區域，少數分布在Ⅰ/Ⅱ型海相和鹽湖相區域，反映母質以混合來源為主，亦表明烴源巖沉積時為弱還原～還原環境。

表2 正構烷烴與類異戊二烯烷烴數據統計

圖3 延長組烴源巖Pr/nC17與Ph/nC18關系圖

3.3 萜烷

3.3.1二環倍半萜烷

各烴源巖樣品中均檢測出較豐富的C15～C16二環倍半萜烷系列化合物。圖4為研究區延長組烴源巖二環倍半萜烷(m/z=123)質量色譜圖。在m/z=123質量色譜圖上，C15和C16各有4個同分異構體，峰A和峰B分別對應C15補身烷的重排異構化合物4,4,8,8,9-五甲基十氫化萘和4,4,8,9,9-五甲基十氫化萘，峰C對應C15-補身烷，峰D對應C16-升補身烷。該峰群中以C16-升補身烷相對質量分數最高為特征，而不同樣品中C15-補身烷質量分數差異較大。關于二環倍半萜烷的成因目前尚無定論，普遍認為該化合物是由藿烷先質物在成巖作用早期階段的降解產物經還原或重排作用而形成[9]。

圖4 研究區延長組烴源巖二環倍半萜烷(m/z=123)質量色譜圖

表3為烴源巖中二環倍半萜烷、三環萜烷分布參數，烴源巖中二環倍半萜烷分布參數顯示，烴源巖樣品中C15-補身烷/C16-升補身烷比值分布于0.16～0.43，且各油層組樣品中該比值變化不大。而重排補身烷/補身烷、重排補身烷/C15-補身烷比值變化較大，分別為0～0.72和0～2.6，總體上以午103井、午105井長91油層烴源巖重排補身烷質量分數較高為特征。該類化合物的重排機制類似于重排藿烷，主要與黏土礦物催化及熱演化程度有關。在一定沉積條件下，熱演化程度與重排補身烷的質量分數成正比[10,11]。筆者認為，這2個樣品中二環倍半萜烷所表現出來的非均質性，一方面說明該樣品與其他樣品可能存在熱演化程度上的差異，另一方面也可能預示氧化還原環境不同和黏土礦物質量分數的差異，抑或兩者兼有。

表3 烴源巖中二環倍半萜烷、三環萜烷分布參數

3.3.2三環萜烷

圖5為延長組烴源巖萜烷(m/z=191)質量色譜圖，從圖5可以看出，樣品抽提物中三環萜烷碳數分布較為完整，從C19～C30均有分布，呈倒“V”字型分布，低碳數(C19～C21)化合物稍占優勢，C25以后各峰的相對峰值明顯降低，這種分布特征與我國淡水～微咸水古環境地質樣品相似[12]。Peters研究指出，淡水環境與咸水環境相比不容易產生三環萜類化合物[13]。研究所測樣品中三環萜烷質量分數均較低，這也進一步表明烴源巖沉積環境以淡水沉積為主。

圖5 研究區延長組烴源巖萜烷(m/z=191)質量色譜圖

C19～21/C23～24值常作為母源參數，用來比較藻類脂質體和不同原核生物對母源的貢獻[13]。由表3得知，大部分烴源巖樣品檢測出C19、C20、C21，且呈上升階梯狀分布； C19～21三環萜烷/C23～24三環萜烷值除午103井長91油層烴源巖為5.10外，多數分布于0.7～1.58，總體反映了樣品有機質原始母質以混合來源為主，陸源高等植物豐富，低等水生生物及菌藻類貢獻也較大。

3.3.3霍烷類化合物

升霍烷指數(C35/C31～35)可用于指示沉積環境的古鹽度。表4中，長6～長9油層組樣品C35/C31～35值分布于0.02～0.05，其中長91油層烴源巖中未檢測出C35藿烷。長9～長8油層組樣品均值為0.025，顯示為微咸水相的淡水環境；長7油層組樣品均值為0.033，稍高于長9油層組、長8油層組樣品，揭示長7油層組沉積期水體鹽度略有增加；而長61油層樣品均值可達0.045，屬于淡水～微咸水環境，局部為半咸水環境。總體而言，自長9～長6油層組沉積期，湖盆水體鹽度略有增加。

3.4 甾類化合物

3.4.1規則甾烷及孕甾烷

長6～長9油層組樣品中規則甾烷總體上以C28和C29略占優勢為特征，C27質量分數相對較少，部分長6、長7油層組樣品C27>C29>C28。∑(C27+C28)>∑C29，表明母質來源具雙重性。圖6為 C19～21/C23～24三環萜烷與C27～29ααα20R甾烷關系圖。從圖6可知，午103井長91油層泥巖樣品該比值最小，規則甾烷C27-C28-C29呈反“L”型分布，以陸源高等植物輸入為主，這與之前討論的三環帖烷C19～21/ C23～24異常高值相對應；其余樣品規則甾烷C27-C28-C29均呈“V”字型或偏“V”字型分布(見圖7)。C27～29ααα20R規則甾烷三角圖顯示(見圖8)，絕大多數樣品分布在混源區，僅少數長6、長9油層組樣品分布在浮游植物區。孕甾烷和升孕甾烷質量分數與母質來源關系密切，∑(孕甾烷+升孕甾烷)/∑C29ααα20R值反映生源構成，長6～長8油層組樣品相對質量分數分布于0.42～2.55，均值為1.16，說明低等水生生物貢獻較大；長9油層組烴源巖相對質量分數分布于0.29～1.89，均值為0.88，孕甾烷和升孕甾烷質量分數相對較低，反映陸源高等植物貢獻較大(見表4)。

表4 烴源巖中萜烷、甾烷類分布參數

注：Ts/Tm為18α(H)C27三降藿烷與17α(H)C27三降藿烷質量分數比，反映成熟度；C31αβ22S/22(R+S)為C31-17α-藿烷22S重排立體異構體與22R和22S重排立體異構體混合物質量分數比值，成熟度指標；升藿烷指數為C35與(C31至C35升藿烷質量分數之比，反映氧化還原性指標，也可以反映古鹽度；C29ααα20S/20(S+R)為C29甾烷系列中S構型與S和R混合構型比值，C29ββ/(ββ+αα)為低穩定型的ββ型與穩定型的βα型比值，兩者均反映成熟度；A為∑(孕甾烷+升孕甾烷)/∑C29ααα20R相對質量分數，反映生源構成；B為重排甾烷與規則甾烷比值，用于判斷烴源巖的沉積條件。

圖6 C19～21/C23～24三環萜烷與C27～29ααα20R甾烷關系圖

圖7 研究區延長組烴源巖甾烷(m/z=217)質量色譜圖

Ⅰ-陸生生物；Ⅱ-浮游植物；Ⅲ-藻類；Ⅳ-混合來源；Ⅴ-陸生植物為主；Ⅵ-浮游植物為主；Ⅶ-藻類為主。圖8 甾族C27～29ααα20R關系三角圖

Mackenzie最早提出用C29ββ/(ββ+αα)和C29ααα20S/20(S+R)來計算有機質成熟度[16]。Seifert W K認為C29ββ/(ββ+αα)平衡點為0.67～0.71(鏡質體反射率Ro約為0.9%左右)，其進入生油窗值為0.25(Ro約為0.6%左右)；C29ααα20S/20(S+R) 平衡點為0.52～0.55(Ro約為0.8%左右)[15]。長6～長9油層組烴源巖C29ββ/(ββ+αα)值分布于0.51～0.66，均已大大高于生油門限值，但未達到熱演化平衡值0.67～0.71；C29ααα20S/20(S+R)值分布于0.45～0.62，平均值為0.56，除午107井長61油層烴源巖、午103-100井長73油層烴源巖、午98井長81油層烴源巖以及午103井長91油層烴源巖外，其余長6～長9油層組烴源巖該值已超過平衡點，失去指示成熟度意義(見表4)。

3.4.2重排甾烷

烴源巖樣品中重排甾烷總體上質量分數較低，∑重排甾烷/∑規則甾烷分布于0.06～0.54，重排甾烷主要為C27重排甾烷(見表4)。通常認為，重排甾烷的質量分數與有機質的成熟度和源巖黏土礦物的酸性催化作用有關[17]，林金輝進一步指出氧化環境更易于重排甾烷的形成[18]。成熟度參數顯示所有長6～長9油層組烴源巖均已達到成熟階段，而午103井長91油層烴源巖相對較高的重排甾烷質量分數可能與其所處的氧化還原環境及由此引起的黏土礦物差異性催化作用有關。地質分析認為[6,7]，長91油層期為半深湖-淺湖亞相的弱還原～弱氧化環境，其富氧程度明顯好于長6～長7油層組期深湖-半深湖亞相的還原環境，并且地層中富含黏土礦物。因此，該樣品中相對較高質量分數的重排甾烷主要受控于該期弱氧化沉積環境和較豐富黏土礦物的綜合作用，有機質成熟度影響可能是次要的。

4 結論

1)氯仿瀝青“A”及族組分特征顯示延長組烴源巖均已達到好烴源巖標準，以長7油層組有機質質量分數最高為特征；族組成反映長7油層組有機質類型最好，長9油層組次之，其次為長6、長8油層組。

2)烴源巖樣品富含正構烷烴、類異戊二烯烷烴、萜類化合物和甾類化合物。正構烷烴呈單峰型分布，具有低碳數優勢，輕烴組分占有絕對優勢；奇偶優勢指數(IOEP)值接近1.0，碳優勢指數(ICPI)分布于0.95～1.24，無明顯的奇偶碳數分布。

3)姥植比(Pr/Ph)值分布于0.75～1.25，具有植烷優勢，顯示缺氧的弱還原～還原環境；少數長91樣品具姥鮫烷優勢，指示弱氧化環境。

4)生物標志物參數顯示，原始有機質母質構成中，既有豐富的菌藻類等低等水生生物，也有一定比例的陸源高等植物混合輸入的特點；長6～長8油層組烴源巖有機質來源相似，以菌藻類等水生生物占優勢；部分長9油層組成烴母質則以陸生高等植物輸入為主。

5)C31αβ22S/22(S+R)、C29ββ/(ββ+αα)和C29ααα20S/20(S+R)等參數顯示，延長組烴源巖普遍進入成熟階段。