鄂爾多斯盆地中部地區三疊系延長組7段暗色泥巖烴源巖特征

張亞雄

(中國石化 石油勘探開發研究院，北京 100083)

晚三疊世，鄂爾多斯盆地延長組7段(長7段)經歷了一次湖泛事件，在此期間沉積了富含有機質的黑色頁巖和暗色泥巖。前人針對長7段開展了廣泛而深入的工作，普遍認為，長7段是鄂爾多斯盆地的主力烴源巖[1-2]。但是，已有研究集中在盆地的西部、西南部和南部等湖盆區，對盆地中部地區的研究較少。

由于鄂爾多斯盆地中部地區靠近湖泊邊緣(圖1)，泥巖和頁巖的厚度規模有限，針對該地區的烴源巖研究十分薄弱。有學者認為，湖泊邊緣地區的有效烴源巖不發育，其油氣來自湖盆中心并經過長距離的側向運移而聚集；有學者認為，未經長距離運移的原地生成油氣廣泛存在[1-4]。鄂爾多斯盆地中部地區，頁巖的平均厚度不足2.5 m，但該地區的暗色(深灰色以及黑色)泥巖發育。對長7段暗色泥巖開展烴源巖評價，有助于判斷泥巖和頁巖對油氣資源的貢獻，合理評價研究區的油氣資源潛力。

圖1 鄂爾多斯盆地中部研究區位置(a)及長7段沉積相(b)Fig.1 Location of the study area(a) and sedimentary facies of Chang 7 Member(b),central Ordos Basin

1 暗色泥巖巖石學特征

鄂爾多斯盆地中部地區靠近古湖泊邊緣，由此導致長7段的埋深變化巨大；同時導致頁巖的厚度較薄，而泥巖則十分發育。在巖石學特征上，研究區泥巖的顏色以灰色、深灰色以及灰黑色為主，泥巖中易保存植物化石或遺跡，個別樣品可見魚鱗(圖2)[5]。研究區長7段暗色(灰黑色)泥巖與頁巖的平面分布相對穩定，頁巖的厚度普遍在1.0～2.5 m；暗色泥巖厚度普遍在0.5～3.5 m，多數井的厚度為1.0～2.5 m。

為了充分揭示研究區長7段泥巖的地球化學特征，本次研究基于15口重點探井采集了36塊泥巖樣品。其中，開展總有機碳測試、巖石熱解實驗的樣品數均為36個；開展鏡質體反射率測試的樣品數為11個(另收集了25個測試數據)；開展烴類抽提及飽和烴色-質測試的樣品數為20個；開展全巖X射線衍射的樣品數為8個。全巖X射線衍射測試結果顯示，長7段暗色泥巖的石英含量為25%～43%，平均33%；長石含量為15%～31%，平均24%；粘土礦物含量為29%～55%，平均43%。從礦物組成上看，長7段暗色泥巖的脆性礦物含量較低，粘土礦物含量較高。

圖3 鄂爾多斯盆地中部長7段暗色泥巖有機質豐度特征Fig.3 Organic matter abundance in dark mudstone,Chang 7 Member,central Ordos Basina.暗色泥巖TOC分布；b.暗色泥巖生烴潛量分布

2 暗色泥巖基本地化特征

2.1 有機質豐度

常用的有機質豐度評價參數包括有機碳含量(TOC)和生烴潛量(S1+S2)等。鄂爾多斯盆地中部地區，長7段暗色泥巖的TOC最大值為9.58%，最小值為0.40%，平均值為2.39%。從TOC的分布圖來看，TOC分布范圍在1%～2%的樣品數量最多，占樣品總數的36%；TOC小于1%的樣品所占比例次之，占樣品總數的25%；TOC分布范圍在2%～3%的樣品所占比例較低，占總數的19%；TOC大于4%的樣品占總數的14%；TOC分布在3%～4%的樣品最少，僅占總數的6%(圖3a)。整體來看，TOC小于2%的樣品所占比例較大，達到樣品總數的半數以上。

暗色泥巖生烴潛量主要分布在0.60～29.19 mg/g，平均值為7.65 mg/g。其中，S1+S2>6 mg/g的樣品占比最大，樣品數量有15個，占總數的41.67%；S1+S2分布在2～6 mg/g的樣品有18個，占總數的50.00%；S1+S2分布在0.5～2.0 mg/g的樣品數量最少，有3個，占總數的8.33%(圖3b)。整體來看，暗色泥巖的生烴潛力較高。

2.2 有機質類型

氫指數(HI)與最大熱解溫度(Tmax)是研究烴源巖地球化學特征的重要參數，利用它們能夠對烴源巖的類型進行可靠識別[6-8]。對研究區36個樣品進行測試。結果表明，HI最大值為559.84 mg/g，最小值為13.99 mg/g，平均值為135.69 mg/g；Tmax主要分布在435～460 ℃，平均為448.61 ℃。長7段暗色泥巖整體處于低成熟-成熟的熱演化階段。從有機質類型上看，大部分樣品分布在Ⅱ2型有機質范圍內，其樣品數占樣品總數的52.78%(共有19個樣品)；Ⅲ型有機質范圍內樣品分布次之，占總數的22.22%(共有8個樣品)；而Ⅱ1型有機質中樣品占總數的13.89%(共有5個樣品)；Ⅰ型有機質樣品數占總數的11.11%(共有4個樣品)。從樣品整體分布來看，Ⅱ2型有機質和Ⅲ型有機質占主導地位，Ⅱ1型有機質較少，Ⅰ型有機質極少(圖4)。

圖4 鄂爾多斯盆地中部長7段暗色泥巖有機質類型Fig.4 Organic matter types in dark mudstone,Chang 7 Member,central Ordos Basin

圖5 鄂爾多斯盆地中部長7段暗色泥巖的成熟度Fig.5 Thermal maturity of dark mudstone,Chang 7 Member,central Ordos Basina.基于甾烷和升藿烷參數識別成熟度；b.基于不同甾烷參數識別成熟度

2.3 有機質成熟度

在生物標志化合物中，甾烷的異構化參數ββ/(αα+ββ)與20S/(20S+20R)可以作為判斷成熟度的參考，它對于未成熟到成熟熱演化階段的烴源巖十分有效[8]。長7段暗色泥巖C29甾烷ββ/(αα+ββ)的最大值為0.51，最小值為0.30，平均值為0.42；C29甾烷20S/(20S+20R)的最大值為0.63，最小值為0.30，平均值為0.51。從C29甾烷ββ/(αα+ββ)與C31升藿烷22S/(22S+22R)的分布關系上看，樣品主要分布在早期生油的熱演化階段(圖5a)。從C29甾烷ββ/(αα+ββ)與C29甾烷20S/(20S+20R)的分布關系上看，大部分樣品分布在成熟階段，只有兩個樣品位于低成熟階段(圖5b)。

鏡質體反射率(Ro)是用來反映烴源巖成熟度的直接指標，受到國內外學者的一致認可[9-11]。長7段暗色泥巖Ro主要分布范圍為0.73%～1.18%，平均Ro為0.98%，大體處在成熟生油氣的熱演化階段(圖6)。整體來看，研究區樣品達到了中等熱成熟的演化階段。個別樣品處于低成熟階段，有可能是實驗誤差或者樣品的非均質性造成的。

3 生、排烴能力及油氣資源貢獻

3.1 生、排烴能力

在通常情況下，烴源巖富含有機質含量，則其具有更強的生烴能力，其產油潛量也更大[12-13]。當同一套烴源巖處于相同熱演化程度時，有機質含量容易表現出與游離烴含量(S1)、裂解烴含量(S2)、生烴潛量(S1+S2)正相關關系。長7段暗色泥巖，TOC與S2具有一定的正相關關系，S2隨著TOC含量的增加其數值明顯增大，這與上述地質規律大體相似(圖7)。但是，S1與TOC基本毫無相關性(圖7)。對于S1與TOC無相關性的原因，推測是由于泥巖中的微孔隙以及部分微裂縫發育差異造成的。在烴源巖的生烴和排烴過程中，游離烴在烴源巖內進行短距離運移。由此導致實驗獲得的S1并不能代表原地生成的烴量。盡管熱演化程度處于中等水平，但從S1+S2的數值上看，研究區泥巖整體上達到了中等或者中等偏上的生烴能力。

圖6 鄂爾多斯盆地中部長7段暗色泥巖鏡質體反射率與埋深關系Fig.6 Vitrinite reflectance vs.burial depth,Chang 7 Member dark mudstone,central Ordos Basin

烴源巖的排烴能力可以通過生烴潛力指數，即IHGP的變化特征來進行表征[14]。從研究區樣品分析來看，有機質IHGP指數主要分布在43.79～4 515.21 mg/g，平均值為571.38 mg/g 。為了顯示數據的整體規律，3個大于2 000 mg/g的數據在圖上未畫出(圖8)。依據生烴潛力法的判識原理，生烴潛力指數隨熱演化程度的增大表現為先增大后降低的趨勢，趨勢的拐點為排烴門限。考慮到樣品的非均質性，往往對樣品的生烴潛力指數數值進行加權平均，然后確定殘留烴趨勢線[15]。長7段暗色泥巖排烴門限的深度大約為1 250 m，即暗色泥巖在該深度開始大量排烴；隨深度的增大，烴源巖的排烴率逐漸增大。

圖7 鄂爾多斯盆地中部長7段泥巖熱解參數與TOC關系Fig.7 Pyrolysis parameters vs.TOC,Chang 7 Member dark mudstone,central Ordos Basina. S1與TOC相關關系；b. S2與TOC相關關系

圖8 鄂爾多斯盆地中部長7段暗色泥巖熱解參數與埋深關系Fig.8 Pyrolysis parameters vs.burial depth,Chang 7 Member dark mudstone,central Ordos Basina.油飽和度參數與埋深相關關系；b.生烴潛力指數與埋深相關關系

基于長7段暗色泥巖的排烴率變化，結合研究區暗色泥巖的空間展布及基本參數，即可獲得烴源巖的單層排烴效率、殘留烴量、排烴量等信息。不同的埋深段，長7段暗色泥巖的排烴效率不同，排烴效率在20%～75%變化(表1)。研究區長7段泥巖的生烴量總計7.93×108t，排烴量總計3.37×108t，殘留烴量總計4.56×108t，綜合排烴效率總計42.50%。

3.2 泥巖對油氣資源的貢獻

相對于其他層位而言，長7段為主力烴源巖，其暗色泥巖和頁巖為延長組及其他地層提供了充足的油氣來源[16]。可以認為，暗色泥巖和頁巖對油氣資源的貢獻程度也即是它們各自的排烴貢獻大小。由于研究區長7段頁巖較薄且厚度分布穩定，無法采用生烴潛力法來判斷其排烴程度。基于此，本文特采用巖石的熱解參數來定量判斷暗色泥巖和頁巖的排烴程度。

在數學模型的建立上，需要作以下假定，即巖石的現今生烴能力大體可以反映其原始生烴能力。也即是說，巖石的現今生烴能力(即裂解烴S2)與巖石的原始生烴能力(即游離烴S1，裂解烴S2，排出烴Se)呈正相關關系。則數學模型如下：

表1 鄂爾多斯盆地中部長7段暗色泥巖排烴特征Table 1 Hydrocarbon expulsion characteristics of dark mudstone,Chang 7 Member,central Ordos Basin

(1)

式中：S1頁代表頁巖的游離烴含量，mg/g；S2頁代表頁巖的熱解烴含量，mg/g；Se頁代表也頁巖的排出烴含量，mg/g；S1泥代表暗色泥巖的游離烴含量，mg/g；S2泥代表暗色泥巖的裂解烴含量，mg/g；Se泥代表暗色泥巖的排出烴含量，mg/g。

基于本文對暗色泥巖的熱解參數統計，S1泥=3.05 mg/g，S2泥=4.99 mg/g；基于研究區20個頁巖的統計，S1頁=5.41 mg/g，S2頁=8.47 mg/g。利用上述數學模型和參數采用單純形法(本次在具體計算中采用Lingo單純形法軟件)進行求解。由此獲得S2頁為0.31 mg/g，S2泥為0.17 mg/g。由此可見，單位質量頁巖的排烴能力大致是單位質量暗色泥巖排烴能力的1.8倍，頁巖明顯具有更好的排烴能力。對于暗色泥巖與頁巖的排烴能力差異，部分研究者認為與頁巖的裂縫(尤其是層理縫)發育息息相關[2-4]。鄂爾多斯盆地中部地區，由于長7段暗色泥巖的厚度略大于頁巖(或者與頁巖大致相當)，因此可近似認為，長7段暗色泥巖與頁巖對研究區油氣資源的貢獻比為1 ∶1.8。

4 生烴有機質來源

多數情況下，低碳正構烷烴(C25)來源于高等植物[17-18]。研究區泥巖樣品，正構烷烴的碳數分布都呈現“單峰型”形態，主峰碳集中分布于C16到C23之間，基本上沒有奇偶碳優勢，C19以上正構烷烴的含量高于C19以下正構烷烴的含量(圖9)。研究區正構烷烴的上述特征表明，陸地來源的高等植物對生烴有機質具有較大的貢獻。如前所述，研究區有機質類型主要為Ⅱ2型和Ⅲ型，就其根本原因在于，有機質的來源具有大量陸地來源的高等植物。

基于規則甾烷和姥植比(Pr/Ph)等參數也可以判斷有機質的來源[17-18]。由于C27規則甾烷大多來源于低等植物和藻類，C29規則甾烷則大多來源于陸生高等植物，因此可以利用規則甾烷判斷生烴有機質的來源。研究區泥巖樣品中，C27，C28和C29規則甾烷含量呈“V”型和反“L”型分布；C27，C28和C29規則甾烷的相對豐度分別25.25%，30.32%和44.43%(平均數值)，三者呈逐漸增大的變化趨勢。由此可見，高等植物對生烴有機質的來源具有較高貢獻。此外，研究區暗色泥巖的Pr/Ph分布范圍為1.23～2.28，平均值為1.63；C27/C29規則甾烷含量分布范圍為0.40～1.20，平均值為0.60。上述數值表明長7段暗色泥巖的沉積背景為弱還原-弱氧化的沉積環境；長7段暗色泥巖的物質組成既有水生藻類，又有陸地植物。同時，Pr/nC17分布范圍為0.17～0.55，平均值為0.28；Ph/nC18分布范圍為0.09～0.29，平均值為0.15。上述數值同樣表明，長7段暗色泥巖的物質來源為混合相來源，它既包括陸地生物的輸入，還包括了水體生物的貢獻(圖10)。

此外，長7段暗色泥巖的C27規則甾烷含量最大值為41%，最小值為19%，平均值為26%；C28規則甾烷含量最大值為25%，最小值為16%，平均值為32%；C29規則甾烷含量最大值為53%，最小值為33%，平均值為43%。從規則甾烷的三端元分布來看，暗色泥巖的物質來源也為混合來源，即浮游生物和陸地植物的混合(圖11)。全世界范圍而言，大量的陸相烴源巖可以形成于上述的沉積背景[19-30]。因此，長7段暗色泥巖具備形成烴源巖的沉積背景條件。前人的研究還表明，晚三疊世火山活動強烈，這對陸源有機質的輸入起到了關鍵作用[30]。

5 結論

1) 長7段暗色泥巖發育于弱還原-弱氧化的沉積環境、物質來源為浮游生物和陸地植物的混合來源。其生烴有機質包括陸源性輸入來源和水體有機質來源，但陸源性輸入有機質是主要來源。

圖9 鄂爾多斯盆地中部長7段暗色泥巖飽和烴-質譜特征Fig.9 Chromatin characteristics of saturated hydrocarbon,Chang 7 Member dark mudstone,central Ordos Basin

圖10 鄂爾多斯盆地中部長7段暗色泥巖沉積環境Fig.10 Sedimentary environment of dark mudstone,Chang 7 Member,central Ordos Basina. C27/C29規則甾烷與Pr/Ph關系；b. Pr/nC17與Ph/nC18關系

圖11 鄂爾多斯盆地中部長7段暗色泥巖物質來源特征Fig.11 Material sources of dark mudstone,Chang 7 Member,central Ordos Basin

2) 長7段暗色泥巖的有機質豐度較高，TOC含量平均值2.39%；有機質以Ⅱ2型和Ⅲ型有機質為主；生烴潛力好，S1+S2的平均值7.65 mg/g；熱演化適中，Ro的平均值為0.98%。生烴量總計7.93×108t，排烴量總計3.37×108t，殘留烴量總計4.56×108t，綜合排烴效率總計42.50%。長7段暗色泥巖與頁巖對研究區油氣資源的貢獻比為1 ∶1.8。整體而言，長7段暗色泥巖對油氣資源具有重要的貢獻。