長嶺凹陷青一段烴源巖地球化學特征及意義

于佳琦，馮進來，付 瑩，陳丹丹，馬 妍，姜玥晗

(1.東北石油大學 地球科學學院，黑龍江 大慶 163318； 2.大慶油田井下作業分公司，黑龍江 大慶 163311)

隨著近年來非常規油氣逐步發展，我國的勘探重點已呈現出由常規油藏向非常規油藏轉變的趨勢。松遼盆地作為我國最大的陸相含油氣盆地，青一段沉積層作為松遼盆地的主力烴源巖層，油氣顯示廣泛[1]。目前，松遼盆地南部青一段頁巖油勘探面積為1.5×104km2，已有多口井進行試油并獲得高產，預估資源量超過150億t[2-4]，是非常規油氣勘探開發的重點層系。然而，對于長嶺凹陷青一段的非常規油氣勘探剛剛處于起步階段，對于青一段烴源巖非均質性的探討相對薄弱，此外對于該地區青一段烴源巖地球化學特征及沉積環境的研究較少，未見大量的文獻報道。本文以長嶺凹陷青一段巖心為主要研究對象，利用總有機碳(TOC)、氯仿瀝青“A”、干酪根鏡檢、干酪根碳同位素、飽和烴氣相色譜(GC)和飽和烴色譜—質譜分析(GC-MS)等實驗對烴源巖的基本地球化學特征和沉積環境進行研究，一方面明確南北兩地區烴源巖地球化學特征及沉積環境的差異性，另一方面為泥頁巖非均質性分析提供地質依據，并對長嶺凹陷非常規油氣勘探具有一定指導作用。

1 地質背景

長嶺凹陷位于松遼盆地中央坳陷區的南部，是松遼盆地重要的生烴凹陷之一。研究區整體由3個凸起，3個次凹組成，呈東、西高、中間低、南陡北緩的向斜構造形態。凸起分別為蘇公坨—北正鎮斷階帶、達爾罕斷凸帶、大老爺府—雙坨子凸起帶，次凹分別為長嶺次洼、前神字—查干花次洼、伏龍泉次洼。自成盆期以來，研究區依次經歷了初始初始斷陷期、強烈斷陷期、斷拗轉換期、穩定拗陷期和隆升剝蝕反轉期5個構造演化階段[5]。在構造作用下，依次沉積了火石嶺組、沙河子組、營城組、登樓庫組、青山口組、姚家組、嫩江組及明水組地層。其中，在青一段沉積期發生過大規模的湖侵事件，由此沉積了分布范圍廣、厚度較大且有機質含量較高的半深湖—深湖相泥頁巖，其頂部發育灰黑、深灰色泥頁巖，中下部發育灰色、深灰色云質粉砂巖夾少量棕紅色泥巖[6]，該套層系是盆地內的主力烴源巖層系，同時也是該地區頁巖油的主要勘探層系。

2 樣品采集及實驗方法

此次測試樣品長嶺凹陷青一段的泥頁巖巖心樣品。系統采集了區內2口井青一段共計44塊泥頁巖樣品。一半樣品來自研究區北部，另一半來自南部，在進行整體分析的基礎上，進一步對比南北兩地烴源巖品質差異。測試分析項目主要為TOC測定、氯仿瀝青“A”測定、干酪根鏡檢、干酪根碳同位素、鏡質體反射率測定、飽和烴色譜—質譜分析和飽和烴氣相色譜分析等。有機碳含量利用Leco C744有機碳分析儀進行測定。氯仿瀝青“A”含量基于索氏抽提法利用自主研發的YBS全自動多功能抽提儀進行提取并稱重。將抽提后的氯仿瀝青“A”經族組分分離后得到飽和烴、芳香烴，再利用GC-MS Clarus 500 色譜—質譜儀進行測試分析。將經過制備得到的干酪根濕樣涂于蓋玻片上，再涂聚乙烯醇等風干，再加無熒光黏合劑翻蓋到載玻片上，在透射光和熒光下，利用偏光顯微鏡(奧林巴斯BX51)鑒定各有機顯微組分。利用ISOPrime100同位素質譜儀對干酪根碳同位素進行測定。

3 烴源巖地球化學特征及意義

3.1 有機質豐度

有機質豐度評價可用于表征烴源巖生烴潛力和產物，是烴源巖評價的重要參數之一。常見的反映有機質豐度的參數有總有機碳(TOC)、氯仿瀝青“A”、生烴潛力S1+S2等。前人研究表明，泥質烴源巖TOC大于2%，氯仿瀝青“A”大于0.2%為“最好”烴源巖；TOC為1%～2%，氯仿瀝青“A”為0.1%～0.2%，為“好”烴源巖；TOC為0.6%～1.0%，氯仿瀝青“A”為0.05%～0.10%，為“較好”烴源巖；TOC為0.4%～0.6%，氯仿瀝青“A”為0.01%～0.05%，為“差”烴源巖；TOC小于0.4%，氯仿瀝青“A”小于0.01%，為“非”烴源巖[7-9]。

此次研究中，北部氯仿瀝青“A”分布范圍為0.42%～1.17%，平均值為0.77%，總有機碳(TOC)分布范圍為2.20%～2.75%，平均值為2.48%，北部整體屬于最好烴源巖。南部氯仿瀝青“A”分布范圍為0.009 1%～0.548 0%，平均值為0.21%，總有機碳(TOC)分布范圍為1.48%～2.09%，平均值為1.79%，南部整體屬于好—最好烴源巖。通過TOC與氯仿瀝青“A”相關性分析可以看出(圖1)，二者相關性較高，且北部有機質豐度明顯高于南部地區，2個指標評價結果基本一致，說明該指標可較好地評價有機質豐度，可信度高。

3.2 有機質類型

有機質母質類型對烴源巖生烴量及烴類的性質和組成有重要的決定意義。因此，有機質類型是衡量有機質產烴能力的參數，不同類型母質生烴的性質及生烴潛力均具有較大的差異性。開展有機質類型評價十分重要。常見的反映有機質類型的參數有干酪根顯微組分、有機質氫、碳、氧元素關系、干酪根碳同位素等。此次研究中主要通過干酪根顯微組分、干酪根碳同位素來判斷長嶺凹陷青一段有機質類型(圖2)。

圖1 長嶺凹陷青一段烴源巖TOC與氯仿瀝青“A”相關關系Fig.1 Correlation between TOC and chloroform bitumen "A" of source rocks in the first member of Qinghe Formation of Changling Depression

圖2 干酪根顯微組分特征Fig.2 Maceral characteristics of kerogen

干酪根鏡下顯微組分表明，北部青一段樣品透射光下，有機質以絮狀、團粒狀腐泥無定形為主，見少量亮藻類體(圖2(a))，反射光下，有機質含量較低以碎屑鏡質體、絲質體、固體瀝青為主。鏡質體反光下呈灰色，絲質體亮白色具結構，固體瀝青沿巖石裂縫充填。富氫次生組分黃綠色熒光(圖2(c))。南部青一段樣品透射光下，有機質具腐泥無定形體、均一鏡質體、塊狀絲質體(圖2(b))。反射光下，有機質以碎屑鏡質體、絲質體為主。鏡質體反光下呈灰色，絲質體亮白色具結構，見少量藻屑體和殼屑體，發較弱黃綠色熒光(圖2(d))。

通過各顯微組分含量，計算出TI類型指數：

TI=100a+80b1+50b2-75c-100d

式中，a為腐泥組百分含量；b1為樹脂體百分含量；b2為孢粉體、木栓體、角質體、殼質碎屑體、腐殖無定形體、菌孢體百分含量；c為鏡質組百分含量；d為惰質組百分含量。

根據四分法的TI類型指數判別標準(表1)，研究區北部樣品TI指數為62.4～75.2，因此其有機質類型主要為Ⅱ1型；南部樣品TI指數大多在23.4～42.4，少部分樣品TI值<0，因此有機質類型為Ⅱ2-Ⅲ型，其中Ⅱ2型占絕大部分。

表1 四分法TI值界限(據SY/T 5735—1995)Tab.1 Limit of TI value of quartering method(according to SY/T 5735-1995)

烴源巖的干酪根碳同位素可反映原始物質的組成特征，與有機質母質碳同位素基本一致(表2)，是判斷有機質類型的可靠指標[10-11]。

表2 干酪根碳同位素指標類型對應表(SY/T 735—1995)Tab.2 Corresponding table of kerogen carbon isotope index types(according to SY/T 735—1995) ‰

水生生物與陸源高等植物的母質來源，其正構烷烴碳同位素有一定差異，陸源生物相對更富重碳，這與陸源植物進行光合作用利用了不同的碳源有關[12]。研究區北部樣品干酪根碳同位素分布在-30.75‰～ -27.5‰，平均-28.65‰，表明有機質類型為Ⅱ1型；南部樣品干酪根碳同位素分布在-30.75‰～ -27.5‰，平均-28.65‰，表明有機質類型為Ⅱ1型；樣品干酪根碳同位素分布在-29.9‰～ -24.77‰，平均-27.52‰，表明有機質類型主要為Ⅱ1-Ⅱ2型(圖3)。干酪根碳同位素與干酪根顯微組分數值指示結果基本一致。

3.3 有機質成熟度

有機質成熟度的評價有利于判斷烴源巖的生烴類型及生烴潛力預測。有機質成熟度的評價方法較多，包括有鏡質體反射率、干酪根熱解法、生物標志化合物等方法。其中，鏡質體反射率值是應用最廣泛的成熟度指標。一般地，Ro值小于0.5%，處于未成熟階段，Ro值介于0.5%～1.15%，處于成熟階段，Ro值介于1.15%～2.0%，處于高成熟階段，Ro值大于2%，處于過成熟階段。研究區北部烴源巖樣品Ro值介于0.71%～1.36%，平均值為1.25%，處于成熟—高成熟階段。南部烴源巖樣品Ro值介于0.62%～1.2%，平均值為1.12%，處于成熟—高成熟階段，主要為成熟階段。由此可見，青一段有機質熱演化程度較高，且北部地區成熟度高于南部地區(圖4)。

圖3 長嶺凹陷青一段烴源巖干酪根碳同位素頻率分布直方圖Fig.3 Distribution histogram of kerogen carbon isotope frequency of source rocks in the first member of Qingling Formation，Changling Depression

圖4 長嶺凹陷青一段烴源巖鏡質體反射率與深度關系Fig.4 Relationship between vitrinite reflectance and depth of source rocks in the first member of Qingling Formation，Changling Depression

隨深度增加，鏡質體反射率不斷增加，有機質也向更成熟階段不斷演化，表明該地區有機質成熟度主要受控于熱演化的影響。此外，生物標志化合物比值也可作為有機質成熟度良好的判別指標。由圖5可知，南、北部樣品均落在了成熟—高成熟區域，與鏡質體反射率判識結果一致，該地區青一段烴源巖具有較好的生氣潛力。

圖5 長嶺凹陷青一段烴源巖生物標志化合物判識Fig.5 Identification of biomarkers in source rocks of the first member of Qingling Formation

3.4 有機質來源和沉積環境

3.4.1 有機質來源

(1)正構烷烴。有機質母質來源可為古湖泊水體中生物的發育情況提供證據。生物標志化合物中蘊含豐富的沉積物來源方面的信息，是判斷有機質母質來源的重要指標。常通過正構烷烴、甾類化合物、萜類化合物、類異戊二烯烷烴等指標進行分析。一般地，若正構烷烴的主峰碳介于nC15—nC19，且飽和烴色譜峰型表現為前峰型時，反映有機質母質來源主要貢獻為藻類等低等水生生物；若正構烷烴的主峰碳介于nC25—nC33，且飽和烴色譜峰型表現為后峰型時，反映有機質母質來源主要貢獻為陸源高等植物；飽和烴色譜圖為雙峰型時，反映母質具有低等生物和高等植物的混合來源[13-16]。研究區北部烴源巖樣品的正構烴碳數總體在nC15—nC33均有分布，主峰碳主要為nC17、nC18，飽和烴低碳數與高碳數烴類(∑C21-/∑C22+)比值介于0.48～0.61，平均值為0.55，色譜圖主要為后峰高的單峰型以及雙峰型，表明其母質來源為混源輸入，且水生生物輸入為主。南部烴源巖樣品的正構烴碳數總體在nC14—nC31均有分布，主峰碳主要為nC15、nC16、nC17，飽和烴低碳數與高碳數烴類(∑C21-/∑C22+)比值介于0.65～0.81，平均值為0.67，色譜圖主要為后峰高的單峰型，表明其母質來源以水生生物輸入為主(圖6)。此外，前人常利用(nC21+nC22)/(nC28+nC29)判斷有機質母質來源[17]，當比值為0.6～1.2時，表明有機質母質來源為高等陸源植物貢獻；當比值為1.5～5.0時，表明有機質母質來源為水生生物貢獻。研究區北部烴源巖樣品數值為1.77～2.14，平均值為1.91，表明水生生物輸入為主，而南部數值主要為0.83～2.67，跨度較大，說明母質來源為混源背景。

圖6 長嶺凹陷青一段烴源巖沉積環境分析Fig.6 Sedimentary environment analysis of source rocks in first member of Qinghe Formation in Changling Depression

(2)甾烷類化合物。烴源巖重的甾烷類是一種具有烷基側鏈的四環化合物，其前身是由藻類浮游動植物及高等植物的甾酸衍生而來，一旦形成性質較為穩定，基本不會發生相互轉化。因此，甾烷可以作為判斷有機質母質來源的可靠指標[18]。一般地，水生生物富含C27和C28甾烷的生物前驅物C27和C28甾醇，而陸源高等植物富含C29甾烷的生物前驅物C29甾醇，因此高含量的C27和C28甾烷指示低等水生生物的生源，反之，指示陸源高等植物的輸入[19]。研究區北部規則甾烷具有C27>C29>C28多成 “L”形分布，C27甾烷優勢明顯，表明有機質母質來源多為水生生物，盆地原生來源相對強。南部地區樣品C27、C29甾烷相對含量相差不明顯，多呈“V”形分布(圖7)，表明有機質母質來源多為混源輸入。以上各指標判識結果相互印證，具有一致性。

圖7 長嶺凹陷青一段烴源巖m/z217質量色譜Fig.7 m/z217 mass chromatogram of source rocks in first member of Qingling Formation，Changling Depression

3.4.2 沉積環境

生物標志化合物中，姥鮫烷、植烷以及姥植比(Pr/Ph)是有機地化中劃分沉積環境的常用手段[20]。一般來講，姥鮫烷是氧化環境的產物，植烷是還原環境的產物，當Pr/Ph>1時，表征水體成烴古環境為偏氧化環境，同時表明水體深度較淺(沼澤、海陸過渡相等)，當Pr/Ph<1時，表征水體成烴古環境為偏還原環境，同時表明水體深度較深(深湖—半深湖相)。研究區北部青一段Pr/Ph值為0.50～1.01，平均值為0.76，植烷優勢明顯，表明北部地區水體偏還原環境，有利于有機質的埋藏保存。南部青一段Pr/Ph值為0.88～1.56，平均值為1.21，姥鮫烷優勢明顯，表明南部地區水體為弱還原—氧化環境。

伽馬蠟烷是一種C30—三萜烷，通常被認為來源于生長在分層水體含氧和缺氧帶之間的原生動物中(如食菌的纖毛蟲等)[21]，而水體分層多是與高鹽度有關，因此其相對豐度可指示沉積水體咸度與分層特征[12]，常利用GI指數(伽馬蠟烷/C30藿烷值)進行定量的判斷。研究區北部青一段伽馬蠟烷指數(Ga/C30H)值為0.38～0.62，平均值為0.51，南部青一段伽馬蠟烷指數(Ga/C30H)值為0.25～0.42，平均值為0.33，表明北部水體古鹽度高于南部地區，有利于水體分層形成還原性的水體環境，進而有效地保存有機質。

正是由于北部地區以水生生物貢獻為主要的母質來源，且水體鹽度較高，形成了分層水體的古沉積環境，為有機質的富集提供了良好的條件，因此北部地區的有機質類型及有機質豐度均好于南部地區，為勘探有利區。

4 結論

(1)長嶺凹陷青一段烴源巖氯仿瀝青“A”及TOC表明，整體為最好烴源巖，北部地區有機質豐度高于南部地區。通過干酪根顯微組分及干酪根碳同位素分析表明，研究區北部有機質類型為Ⅱ1型，南部有機質類型為Ⅱ2-Ⅲ型。鏡質體反射率測試分析表明青一段整體處于成熟—高成熟階段。

(2)正構烷烴及甾類化合物表明長嶺凹陷青一段烴源巖北部有機質母質來源主要為水生生物(如浮游植物和藻類)，而南部地區屬于混源輸入。有機質主要為腐泥型，為良好的生油母質。

(3)通過姥植比及GI指數(伽馬蠟烷/C30藿烷值)分析，表明北部地區古水體鹽度高于北部，屬于偏還原性的沉積環境，而南部地區鹽度相對較低，屬于弱還原—氧化環境。

(4)長嶺凹陷北部的有機質類型及有機質豐度均好于南部地區，其古沉積環境條件有利于成烴，有良好的生油氣潛力，為勘探有利區。

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