鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)延長組長7 烴源巖特征及評價

黃彥杰，白玉彬,2，孫兵華，黃 禮，黃昌武

（1.西安石油大學地球科學與工程學院，西安 710065；2.陜西省油氣成藏地質學重點實驗室，西安 710065；3.延長油田股份有限公司富縣采油廠，陜西延安 716000；4.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083）

0 引言

烴源巖是油氣生成的基礎。近年來，自美國成功勘探開發(fā)頁巖油后，我國含油氣盆地中頁巖油的開發(fā)也取得了較大的進展［1］。其中，鄂爾多斯盆地頁巖油資源十分豐富，與國內其他含油氣盆地相比，鄂爾多斯盆地三疊系優(yōu)質烴源巖較為發(fā)育，具有總有機碳（TOC）含量高、生排烴潛力大的特征，為頁巖油的勘探開發(fā)奠定了基礎。三疊系延長組發(fā)育北西—南東向生烴中心［2-4］，其中長7 烴源巖分布范圍最廣，尤其是長7 下部的“張家灘頁巖”是最優(yōu)質的烴源巖，為研究區(qū)的油氣聚集成藏提供了豐富的油源［3-4］。關于鄂爾多斯盆地烴源巖的研究，學者們已經(jīng)取得了較為豐碩的成果，主要集中在盆地西部和西南部［5-6］，但位于盆地東南部的富縣地區(qū)的烴源巖研究較少，長7 沉積時期的富縣地區(qū)為湖盆沉積中心，烴源巖厚度較大，且質量較好［7-8］。近年來，勘探家們在富縣地區(qū)延長組長7 烴源巖中的致密油勘探獲得重要突破。已有研究成果表明［8-11］，富縣地區(qū)三疊系油藏為典型的構造-巖性油氣藏或巖性油氣藏，儲層致密、非均質性強，探明的含油層受沉積相和儲層物性控制，具有平面上大面積連片分布和縱向上復合疊置的特征。

楊華等［12］通過研究鄂爾多斯盆地烴源巖特征認為，延長組長7 烴源巖在志丹地區(qū)最厚，向東至甘泉—富縣一帶逐漸變薄，有機質熱演化程度較高；王暉等［13］認為富縣地區(qū)延長組長7 烴源巖的下部頁巖的有機質熱演化程度相對較低，大部分頁巖仍處于生油窗期；袁媛等［14］總結了甘泉—富縣地區(qū)長7 烴源巖受沉積相帶控制，整體表現(xiàn)為“西北部較厚、向東南逐漸變薄”的特征，有機質熱演化程度較高，已處于成熟階段；賀永紅等［15］認為富縣探區(qū)長7 烴源巖呈條帶狀展布，中間較厚，兩側較薄。上述研究從宏觀上闡述了研究區(qū)烴源巖的分布特征，但未能明確富縣地區(qū)長7 烴源巖的生烴潛力，筆者在一系列地球化學指標分析的基礎上，評價富縣地區(qū)長7 烴源巖的有機質豐度、有機質類型、有機質成熟度，并結合飽和烴氣相色譜特征、生物標志化合物對其生烴潛力進行綜合評價，以期對富縣地區(qū)長7 致密油勘探具有指導意義。

1 區(qū)域地質概況

賈承造等［16］研究認為，中國中西部晚三疊世沉積均具有“大原盆、小今盆”的特點，如華北地臺區(qū)上三疊統(tǒng)延長組沉積期，湖盆水體淺，南陡北緩，南深北淺，向西開口，遠超現(xiàn)今鄂爾多斯盆地的分布范圍。

鄂爾多斯盆地是中國第二大含油氣盆地，為多旋回、多構造體系的大型沉積盆地。晚三疊世早期，盆地受印支運動影響，在南部形成了大范圍的湖泊沉積，經(jīng)歷了“早期的雛形—鼎盛時期—湖盆消亡”的演化過程［17］。在這個過程中，盆地自下而上沉積了三疊系、侏羅系及白堊系等地層，其中三疊系延長組是盆地最重要的含油層系，延長組自上而下依次劃分為長1—長10共計10 個油層組。長7 沉積時期為湖盆大面積發(fā)育的鼎盛時期，水體不斷加深，半深湖—深湖沉積大面積發(fā)育，水生生物及浮游生物大量繁盛，為烴源巖發(fā)育的良好場所。

富縣地區(qū)位于鄂爾多斯盆地東南部，面積約為350 km2［圖1（a）］。在差異壓實作用下，構造上具有“東高西低”的特點，局部地區(qū)發(fā)育低幅度鼻狀構造，斷裂發(fā)育不明顯。晚三疊世長7 沉積時期，湖盆快速擴張，在南部形成大型湖泊，富縣地區(qū)位于沉積中心，普遍發(fā)育半深湖—深湖亞相泥頁巖，該套優(yōu)質烴源巖的發(fā)育為延長組油氣藏的形成提供了良好的物質基礎。

圖1 鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)的地理位置（a）和長7 頁巖厚度等值線圖（b）Fig.1 Geographical location（a）and shale thickness isogram of Chang 7（b）in Fuxian area，Ordos Basin

2 烴源巖分布特征

2.1 縱向測井響應特征

頁巖也可作為油氣吸附的重要載體，頁巖中的有機質是烴類形成的物質基礎，高有機質含量是油氣富集的前提條件［18］。有機質含量高的烴源巖或飽含油的烴源巖在測井曲線上與非烴源巖具有較大的差異［19］，因此，可用測井曲線組合法［20］來定性識別烴源巖。一般來講，巖層中富含的有機質含量越高，測井曲線表現(xiàn)出的異常值就越大。Passey等［21］認為烴源巖在測井曲線上主要表現(xiàn)為“高自然伽馬、低密度、高聲波時差、高電阻率”的特征。黃晨等［22］、朱振宇等［23］均認為，測井曲線對烴源巖的響應主要表現(xiàn)為“高自然伽馬、低密度測井、高聲波時差、高電阻率”特征。

鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)發(fā)育長7 油層組中下部的長73富有機質頁巖，俗稱“張家灘頁巖”，其在測井曲線上表現(xiàn)出“高伽馬、低電位、高聲波時差和高電阻”的“三高一低”特征［18］（圖2）。長7 油層組上部的長71、長72小層為半深湖—深湖亞相沉積，也常可見頁巖和暗色泥巖發(fā)育，富有機質泥頁巖與不含有機質泥頁巖在測井曲線上較易區(qū)分。

2.2 平面分布特征

富縣地區(qū)長7 烴源巖頂面埋深多為1 340～1 630 m，西部地區(qū)埋深相對較大，多大于1 470 m，東部地區(qū)埋深相對較淺，約為1 400 m。平面上烴源巖厚度變化較大［圖1（b）］，最厚可超過80 m，最薄處小于25 m，多數(shù)為40～60 m。沉積中心位于中部及西北部，平均厚度大于45 m，最大值為82 m；西南部及中部偏北地區(qū)的烴源巖厚度相對較薄，多小于30 m，具有大面積、廣覆式的分布特征。

圖2 富縣地區(qū)富有機質烴源巖在測井曲線上的響應特征Fig.2 Response characteristics of organic-rich source rocks on logging curves in Fuxian area

3 烴源巖地球化學特征

3.1 有機質豐度

有機質豐度是評價烴源巖優(yōu)劣及生烴能力的重要指標［24］。通常用TOC、氯仿瀝青“A”、生烴潛量（S1+S2）等指標來評價烴源巖的有機質豐度。鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)長7 黑色泥頁巖的有機地球化學分析結果表明（表1），TOC 質量分數(shù)為0.39%～7.62%，平均為5.06%；氯仿瀝青“A”質量分數(shù)為0.17%～0.53%，平均為0.41%；S1+S2為1.40～23.03 mg/g，平均為13.1 mg/g。根據(jù)“陸相烴源巖地球化學評價方法”［25］，可將富縣地區(qū)長7 暗色泥頁巖劃歸為“好烴源巖”類別。

劉巖等［26］對鄂爾多斯盆地長7 烴源巖進行研究后認為，TOC 含量在姬源—華池—宜君一線含量最高，向四周呈環(huán)狀遞減，富縣地區(qū)烴源巖中TOC質量分數(shù)為4%～7%。結合研究區(qū)烴源巖平面分布特征可知，富縣地區(qū)西北部及中部地區(qū)的烴源巖厚度較大，TOC 含量在平面上的分布差異性較小。

表1 富縣地區(qū)長7 烴源巖有機質地球化學特征Table 1 Geochemical characteristics of organic matter of Chang 7 source rock in Fuxian area

3.2 有機質類型

烴源巖生烴潛力和烴類產物的特征與烴源巖中的有機質類型緊密相關［14］。通過分析富縣地區(qū)長7烴源巖的有機質顯微組分、熱解參數(shù)、氯仿瀝青“A”族組分等指標，可綜合判定長7 烴源巖有機質母質類型以Ⅰ～Ⅱ1型為主。

3.2.1 干酪根顯微組分

烴源巖干酪根有機顯微組分能反映出母質沉積時的特征、類型、沉積環(huán)境及熱演化特征［14］。通過長7 烴源巖干酪根有機顯微組分特征可以得出（表2），富縣地區(qū)長7 烴源巖干酪根的腐泥組含量最高，其次為鏡質組，但鏡質組含量不高，其體積分數(shù)僅占5%，基本不含殼質組及惰質組，表明其母質類型為低等水生生物。通過有機質類型指數(shù)Ti的計算可劃分出干酪根類型［27］。計算公式為：Ti=［（φ（腐泥組）×100＋φ（殼質組）×50-φ（鏡質組）×75-φ（惰質組）×100）］/100，當Ti＞80 時可將其劃分為Ⅰ型，當80＞Ti＞40時可將其劃分為Ⅱ1型，當40＞Ti＞0時可將其劃分為Ⅱ2型；當Ti＜0 時可將其劃分為Ⅲ型。計算結果顯示，富縣地區(qū)長7 烴源巖干酪根類型為Ⅰ型干酪根。

表2 富縣地區(qū)長7 烴源巖干酪根有機顯微組分Table 2 Organic microscopic composition of kerogen of Chang 7 source rock in Fuxian area

3.2.2 烴源巖熱解參數(shù)

可用烴源巖熱解參數(shù)來劃分其母質類型，這一劃分方法在烴源巖的低熟—中等成熟階段均較為有效［28］。以巖石最大熱解峰溫（Tmax）為橫坐標、氫指數(shù)為縱坐標進行相關關系投點（圖3），根據(jù)有機質類型劃分圖版可以得出，富縣地區(qū)長7 烴源巖為Ⅰ—Ⅱ1型，有機質類型總體較好，以生油為主。

3.2.3 可溶有機質族組分

烴源巖可溶有機質族組分可反映烴源巖的母質類型。富縣地區(qū)長7 烴源巖可溶有機質族組分數(shù)據(jù)顯示（表3）：飽和烴的質量分數(shù)為21.17%～44.04%，芳烴的質量分數(shù)為6.16%～22.01%，瀝青質的質量分數(shù)為24.19%～54.79%，非烴的質量分數(shù)為8.71%～19.78%，“飽芳比”為1.27～3.52。族組分特征表現(xiàn)為飽和烴、芳烴、非烴等含量均較低，瀝青質含量較高，“飽芳比”低，根據(jù)這一特征可將其劃歸為Ⅱ1～Ⅱ2型干酪根。隨著烴源巖成熟度的增加，烴源巖持續(xù)排烴，導致烴源巖中輕烴組分降低，烴源巖成熟過程中也會發(fā)生輕烴組分散失。因此，通過可溶有機質判斷有機質類型與其他方法的判斷結果具有一定差異，可起到輔助參考作用［28］。

圖3 富縣地區(qū)長7 黑色泥頁巖氫指數(shù)和Tmax有機質類型劃分Fig.3 Hydrogen index and Tmaxorganic matter type division of Chang 7 black mud shale in Fuxian area

綜上所述，根據(jù)不同地球化學指標所判別的有機質類型特征，可以得出富縣地區(qū)長7 烴源巖的有機質類型主要為Ⅰ—Ⅱ1型，含部分Ⅱ2型。有機質類型較好，生烴潛力較大。

表3 富縣地區(qū)長7 烴源巖可溶有機質組分與有機質類型劃分Table 3 Composition of soluble organic matter and classification of organic matter types of Chang 7 source rock in Fuxian area

3.3 有機質成熟度

有機質成熟度是評價烴源巖的重要指標之一。其中鏡質體反射率（Ro）、Tmax均是反映有機質熱演化程度的常用指標［14］。根據(jù)這2 個參數(shù)的分析測試數(shù)據(jù)可以判斷，富縣地區(qū)長7 烴源巖已進入成熟階段，處于生油階段。

Ro是有效加熱時間和溫度的函數(shù)，具有不可逆性［30］。因此，Ro是干酪根熱演化階段和成熟度的最佳參數(shù)，其值越大，則熱演化程度越高［31-32］。富縣地區(qū)長7 烴源巖中有機質的鏡質體反射率為0.70%～0.79%，平均為0.76%，開始進入生油高峰。

Tmax隨著其熱演化程度的增加而不斷變大，且Tmax和Ro之間存在良好的相關性［30］。因此，利用Tmax判別有機質熱演化程度可以作為Ro的補充，也是分析烴源巖有機質成熟度的良好指標。富縣地區(qū)長7 烴源巖的Tmax值為444～457 ℃，平均為451.7 ℃，達到成熟階段。

3.4 飽和烴氣相色譜特征

富縣地區(qū)長7 烴源巖的飽和烴色譜峰型顯示正構烷烴整體呈單峰分布，主峰碳位于低碳數(shù)一端，除FX120 井第一塊長71樣品主峰碳為C21，其余主峰碳分布在C15～C17，反映了烴源巖沉積母質類型以水生生物為主（圖4）。碳優(yōu)勢指數(shù)（CPI）為1.04～1.13，平均為1.08（表4）；奇偶優(yōu)勢比值（OEP）為1.01～1.03，平均為1.02，反映了黑色泥頁巖正構烷烴奇偶或偶奇優(yōu)勢消失，達到成熟階段，開始進入生烴門限。nC21-/nC22+比值為0.80～3.42，平均為2.43，反映了烴源巖正構烷烴以單峰為主，低碳數(shù)組分占優(yōu)勢，顯示母質類型以水生生物為主，有機質類型好；（nC21+nC22）/（nC28+nC29）值為1.97～4.54，平均為3.63，表明母質沉積環(huán)境為還原環(huán)境，烴源巖熱演化程度高，達到成熟階段［33］。

姥植比（Pr/Ph）可用于判斷烴源巖沉積時的氧化還原條件［34］。一般在缺氧條件或強還原條件下，有機質生成植烷，在氧化條件下生成姥鮫烷，即當Pr/Ph＜0.8 時可判斷為強還原環(huán)境，當0.8＜Pr/Ph＜3.0 時可判斷為還原環(huán)境，當Pr/Ph＞3.0 時可判斷為氧化環(huán)境［35］。梅博文等［36］研究了咸水深湖相富有機質黑色泥頁巖的有機地球化學特征，發(fā)現(xiàn)其Pr/Ph 值為0.2～0.8，CPI＜1，原油表現(xiàn)為植烷優(yōu)勢，沉積環(huán)境為強還原條件；微咸水深湖相富有機質黑色泥頁巖的Pr/Ph 值為0.8～2.8，CPI≥1，原油姥鮫烷或植烷優(yōu)勢消失，反映了沉積環(huán)境為還原條件。富縣地區(qū)長7 烴源巖各個樣品的Pr/Ph，Pr/nC17，Ph/nC18值基本相當（表4），Pr/Ph為0.84～1.62，平均為1.37；Pr/nC17為0.14～0.45，平均為0.21；Ph/nC18為0.10～0.44，平均為0.17，反映出有機質演化程度較高，沉積環(huán)境以還原環(huán)境為主。

圖4 富縣地區(qū)長7 烴源巖的飽和烴氣相色譜圖Fig.4 Gas chromatogram of saturated hydrocarbons of Chang 7 source rock in Fuxian area

表4 富縣地區(qū)長7 烴源巖飽和烴色譜參數(shù)Table 4 Chromatographic parameters of saturated hydrocarbons of Chang 7 source rock in Fuxian area

3.5 甾烷及萜烷生物標志化合物特征

3.5.1 萜烷分布特征

富縣地區(qū)長7 烴源巖萜類化合物特征為：五環(huán)三萜烷含量高，其中以18α（H）-C27三降藿烷（Ts）最為突出，其次為C30-藿烷和C30-降藿烷（圖5）。伽馬蠟烷含量通常能很好地反映古水體鹽度，常用伽馬蠟烷指數(shù)即“伽馬蠟烷/C30H”表示其相對含量［35］。

富縣地區(qū)長7 烴源巖伽馬蠟烷含量總體較低（圖5），伽馬蠟烷/C30H 為0.12～0.13，數(shù)值較低，表明烴源巖沉積時水體鹽度較低，淡水供給充分（表5）。Ts/Tm 為1.59～6.30，平均為4.57，顯示長7 烴源巖成熟度高。Andrew 等［37］通過研究認為，若沉積時水體富含大量黏土礦物，則黏土礦物的酸性催化會使Ts 含量急劇增加，對Ts/Tm 值產生影響。因此，Ts/Tm 值可作為輔助參數(shù)判斷烴源巖的成熟度。

白玉彬等［38］認為C31藿烷22S/（22R+22S）參數(shù)的平衡點為0.57～0.60，當該值為0.50～0.54時，表明烴源巖進入生油階段；當該值為0.57～0.62時，表明烴源巖已過成熟或處于生氣階段。富縣地區(qū)長7烴源巖的C31藿烷22S/（22R+22S）值為0.40～0.57，平均為0.52，當該參數(shù)為0.50～0.54時，表明烴源巖已進入成熟生油階段。

圖5 富縣地區(qū)長7 烴源巖典型井mz/191 和mz/217 質量色譜圖Fig.5 Mass chromatogram of mz/191 and mz/217 of typical wells of Chang 7 source rock in Fuxian area

表5 富縣地區(qū)長7 烴源巖生物標志化合物特征Table 5 Characteristics of biomarker compound parameters of Chang 7 source rock in Fuxian area

3.5.2 甾烷分布特征

富縣地區(qū)長7 烴源巖的規(guī)則甾烷αααRC27-C28-C29構型均表現(xiàn)為“V”字型分布，即C27＞C28＜C29，表明其母質類型以湖相腐泥型為主；其中孕甾烷和升孕甾烷峰型高，表明母質類型主要為低等水生生物（圖5）。生物標志化合物參數(shù)也能反映出烴源巖有機質的成熟度［39］。C29甾烷ββ/（ββ+αα）的平衡點為0.67～0.71，當該值約為0.25 時，表明有機質進入生油階段；C29甾烷20S/（20S+20R）的平衡點為0.52～0.55，相當于Ro為0.8%左右［40］。富縣地區(qū)長7烴源巖的20RC29αββ/（αββ+ααα）為0.57～0.65，平均為0.62，αααC2920S/（20S+20R）為0.30～0.55，平均為0.49（表5）。這些生物標志化合物均顯示有機質已經(jīng)達到成熟標準。

4 烴源巖的綜合評價

鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)長7 烴源巖在平面上廣泛發(fā)育，且具有有機質豐度高、類型好、成熟度高的特征，其“TOC”及氯仿瀝青“A”均達到好烴源巖標準，以Ⅰ—Ⅱ1型干酪根為主，生油能力強，鏡質體反射率平均為0.76%，Tmax平均為451.7 ℃，均達到成熟階段。其中最優(yōu)質的烴源巖為長7 下部的張家灘頁巖，分布廣且厚度大，平均厚度大于45 m，中部及西北部烴源巖較為發(fā)育。長6—長8 油層組致密油的大規(guī)模富集主要得益于長7 優(yōu)質烴源巖為其提供的良好油源基礎［38，41-42］。因此，富縣地區(qū)西北部及中部的烴源巖厚度較大的區(qū)域為致密油有利勘探區(qū)。

5 結論

（1）鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)延長組長7 烴源巖的平均厚度大于45 m，平面上廣泛分布；TOC 質量分數(shù)平均為5.06%，氯仿瀝青“A”質量分數(shù)平均為0.41%，S1+S2平均為13.1 mg/g，有機質類型以Ⅰ—Ⅱ1型為主，Ro平均為0.76%，巖石最大熱解峰溫平均為451.7 ℃，反映了有機質豐度高、類型好，且處于成熟階段，烴源巖已進入生油窗階段，生物標志化合物顯示其形成于低鹽度的陸相還原環(huán)境，母質類型以低等水生生物為主。

（2）鄂爾多斯盆地富縣地區(qū)延長組長7烴源巖的生烴潛力大，為長6—長8 油氣藏的主要油氣來源，其西北部及中部的較厚區(qū)域為下一步致密油勘探的有利區(qū)。