鄂爾多斯盆地棗園探區延長組長7段和長9段烴源巖評價及油源對比

王曉琳，張小莉， 王 祥 ，曹 聰

1.西北大學地質學系/大陸動力學國家重點實驗室/二氧化碳捕集與封存技術國家地方聯合工程研究中心，西安 710069 2.西安石油大學地球科學與工程學院，西安 710065

0 引言

烴源巖評價是油氣勘探的基礎性工作[1-7]，鄂爾多斯盆地內部主要發育延長組長7段(簡稱長7，其他段同)(張家灘頁巖)和長9段(李家畔頁巖)兩套主力烴源巖層[8-11]。學者們已經針對這兩套烴源巖做了豐富的研究工作[12-18]。前期的研究工作主要集中在盆地西部和西南部的烴源巖評價[19-30]；近年來有學者通過研究發現，鄂爾多斯盆地富縣地區的長7段烴源巖已進入生油窗階段，其為一套優質的烴源巖，具有良好的勘探潛力[19-21]。前人[23-31]做了大量油源對比的相關研究，普遍認為盆地延長組以上油氣基本同源，主要是長7、長9烴源巖的貢獻，多為近距離沿裂縫或砂-砂接觸爬臺階式的成藏模式。

棗園探區位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡中東部，北起延安棗園—柳林、南到富縣，包括延安寶塔區以西、甘泉、富縣全境以及宜川西部等勘探范圍，勘探面積約6 587.52 km2[19-21]。從20世紀70年代年開始勘探，發現了三疊系延長組長2、長4+5、長61和長8油藏，截至目前累計探明含油面積230.38 km2，地質儲量12 358.61萬t，分別與北部安塞、靖邊、志丹、吳起相比，探明儲量不及它們的1/5[22-28]。研究[31]認為本區延長組河道砂層發育，平面上砂、泥巖間互，區域性泥巖蓋層有長1、長4+5，有較好的巖性圈閉條件，典型的低滲、致密油藏又有就近優先成藏的優越條件。

本文從分析研究區原油地球化學特征入手，將原油與本區長 7 和周邊長 7 優質烴源巖的地球化學特征進行對比。本次采集了研究區長7和長9的暗色泥頁巖樣品共50塊(其中長7樣品35塊、長9樣品15塊)，以及長8、長61、長4+5產層的原油樣品各10份，分別進行了有機碳測試、巖石熱解分析、鏡質體反射率、巖石氯仿瀝青“A”及生物標志化合物分析等，并結合鄰區的其他地化測試資料，對研究區的烴源巖樣品和原油樣品進行了綜合評價和油源對比，以探究棗園探區油氣來源問題，為本區油氣勘探提供依據。

1 區域地質概況

鄂爾多斯盆地是我國第二大沉積盆地，面積25×104km2。其演化經歷了發育--發展--全盛--衰退消亡的過程[32-33]。根據前人[34]研究，盆地發育的鼎盛時期為中—晚三疊世延長組沉積時期和早—中侏羅世延安組沉積時期，沉積范圍廣。在延長組沉積時期，其發育的優質烴源巖是富烴坳陷的主體[35]。

研究區棗園探區地處鄂爾多斯盆地伊陜斜坡東南部的有利構造帶上，位于延安市西部，毗鄰安塞縣(圖1)，陜北斜坡鼻狀構造比較發育，其與斜坡內部的油氣藏形成密切相關，雖不發育大型斷裂，但小型斷裂、裂縫十分常見，是研究區油氣運移的重要通道[36-38]。研究區內延安組地層剝蝕，延長組地層發育較完整，在延長組各亞組都發現較好油氣顯示，其中長7、長9是主力烴源巖層[31]。根據已有的研究成果，研究區油藏類型：上組合受構造影響主要為構造-巖性油藏，下組合主要是巖性油藏。一般距離烴源巖越近、河道砂體越發育、蓋層越厚越連續的區域，就是油氣富集的越有利區域[31]。

2 烴源巖評價

2.1 烴源巖分布

研究區在長7沉積時期是中生代晚期湖盆最寬廣、最深的時期，沉積了一套半深湖-深湖相的富含大量有機質的泥頁巖，這套泥頁巖被稱為“張家灘頁巖”，厚度介于40～70 m 之間，在研究區西南部棗7井附近，泥頁巖厚度可達70 m。長9沉積時期是盆地晚三疊紀湖盆發育的初始階段，也沉積了一套較好的烴源巖，該套泥頁巖被稱為“李家畔頁巖”[36-38]，其主要位于盆地的東南部。區內該套地層展布厚度在50～70 m 之間，尤其在棗園鄉周邊，長9暗色泥頁巖厚度最大，為60～70 m之間，在研究區的西南面及東北面暗色泥頁巖厚度也較大。

圖1 研究區地理位置、烴源巖厚度及油氣分布圖

通過棗園探區的典型井的長7、長9烴源巖測井曲線圖，可以看出優質的烴源巖基本特征為“三高一低”特征：自然伽馬(GR)高、聲波時差(AC)高、深電阻率(RD)高、自然電位(VSP)低(圖2)。研究區位于生烴中心的最前緣，是油氣運移的指向地區[30-31]，不管是垂向運移或是側向運移，研究區均為成藏有利地區。

2.2 有機質豐度評價

有機質評價一般采用總有機碳(TOC)質量分數、氯仿瀝青“A”質量分數、生烴潛量(w(S1+S2))等指標來判斷烴源巖生烴能力。本次根據研究區(棗園)延長組長7、長9的泥頁巖樣品，結合周邊地區樣品數據(表1)，對比烴源巖生烴能力。

通過與周邊地區對比可知，研究區長7段烴源巖w(TOC)、w(氯仿瀝青“A”)、w(S1+S2)明顯比北部靖邊和南部富縣要高(圖3，表1)，說明本區烴源巖生油指標相較之下是最好的。其w(TOC)均在1.00%以上，w(S1+S2)均在5.00 mg/g以上，w(氯仿瀝青“A”)均在0.10%以上。

由表1可知：研究區長9段烴源巖w(TOC)為0.62%～3.63%，平均值為1.74%；w(S1+S2)主要集中在4.02～15.58 mg/g之間，均值為10.15 mg/g。

2.3 有機質類型和熱演化成熟度

有機質類型也是評價烴源巖優劣的重要指標(表2)之一，是判定烴源巖生烴排烴能力和烴轉化率的重要指標。本文采用Rock-eval巖石熱解的方法，針對研究區長7(10塊樣品)、長9(11塊樣品)烴源巖進行了氫指數(IH)、降解率(PC/TOC)、生烴潛量、烴指數(S1/TOC)、最高熱解峰溫(Tmax)、產率指數(IP)、有效碳指標(PC)的測定和分析。

從棗園延長組有機質參數(表3)可知：長7烴源巖氫指數為136～191 mg/g，平均值為163 mg/g；降解率為14.93%～27.79%，平均值為20.63%；生烴潛量為 8.57～11.15 mg/g，平均值為9.90 mg/g；烴指數為43.53～144.14 mg/g，平均值為84.25 mg/g；最高熱解峰溫為430～459 ℃，平均值為451 ℃；產率指數為0.24～0.43，平均值為0.33；有效碳指標為0.71%～0.96%，平均值為0.84%。表明研究區長7烴源巖有機質已經成熟，進入生烴窗，具有極強的生烴能力；而且說明其烴類物質在滿足自身的吸附后，具有較好的排烴能力。

長9烴源巖氫指數為146～186 mg/g，平均值為163 mg/g；降解率為16.86%～23.92%，平均值為19.48%；生烴潛量為 0.49～23.83 mg/g，平均值為12.09 mg/g；烴指數為50.68～141.18 mg/g，平均值為68.40 mg/g；最高熱解峰溫為453℃～461℃，平均值為456℃；產率指數為0.24～0.30，平均為值0.27；有效碳指標為1.22%～1.98%，平均值為1.49%。表明該區長9烴源巖也達到了較好的標準，也是本區的有效烴源巖。

從圖4可以看出：長7和長9烴源巖的巖石最高熱解峰溫處于440 ℃之上，表明烴源巖處于低成熟—成熟演化階段。通過與前人在富縣、黃陵等以及七里村油田等研究區的研究結果對比，發現棗園探區附近的長7烴源巖氫指數、最高熱解峰溫參數的研究結果較為準確[22-30]。結合表2、表3、和圖4進行分析，得出研究區延長組長7烴源巖以Ⅱ1-Ⅱ2型為主，少量和Ⅰ型和Ⅲ型。

鏡質體反射率(Ro)是判斷烴源巖有機質熱演化程度的重要指標之一。研究區長7泥頁巖Ro值變化范圍為0.83%～1.02%，平均值0.91%；長9段泥頁巖樣品的Ro值變化范圍0.88%～1.10%，平均值為1.04%。整體上棗園探區長7、長9泥頁巖樣品鏡質體反射率Ro隨深度的增大而增大(圖5)。

3 油源對比

棗園探區的烴源巖層為長7和長9段，油氣主要分布在長4+5、長61和長8段儲層中，因此筆者依據原油(長4+5、長61、長8)及烴源巖(長7、長9)的正構烷烴組成、類異戊二烯烷烴以及甾、萜烷組成等，通過生物標志化合物等參數對比，研究了原油樣品的母質類型、成熟度、沉積環境，并進行了油油對比和油源對比，分析棗園探區的主力烴源巖層。

3.1 正構烷烴對比

通過對比原油樣品與烴源巖樣品飽和烴色譜，筆者發現原油和烴源巖的色譜特征類似，為單峰型、前峰態。主峰碳為C21或C20，具有奇偶優勢，C21以下正構烷烴豐度較高(圖6)。

R2.5. 2.5 m深處電阻率；RILD. 深感應電阻率；RILM. 中感應電阻率。

圖3 棗園及周邊地區延長組長7烴源巖w(TOC)(a)、w(S1+S2)(b)、w(氯仿瀝青“A”)(c)柱狀圖

表1 棗園及周邊地區延長組烴源巖w(TOC)、w(S1+S2)、w(氯仿瀝青“A”)分析數據表

表2 陸相烴源巖有機質類型的熱解參數劃分標準[31]

研究人員一般根據主峰碳數、峰形、正構烷烴輕/重比等參數來分析生物來源和成因。長7樣品∑C21-/∑C22+值為1.92，C21+22/C28+29值為2.34；長9樣品∑C21-/∑C22+值為1.60，C21+22/C28+29值為1.64。長4+5樣品∑C21-/∑C22+值為1.93，C21+22/C28+29值為2.17；長61樣品∑C21-/∑C22+值為1.97，C21+22/C28+29值為2.46；長8樣品∑C21-/∑C22+值為1.82，C21+22/C28+29值為1.91。根據∑C21-/∑C22+與C21+22/C28+29的相關分析可知：∑C21-/∑C22+值、C21+22/C28+29值均大于1.00，且基本介于1.00～2.00之間，反映低碳數的正構烷烴占主要優勢，說明生油母質以水生生物為主，是較好的有機質類型。

表3 棗園南探區與鄰區延長組烴源層有機質熱解參數表

圖4 棗園探區延長組長7、長9烴源巖IH與Tmax關系圖

將烴源巖和原油的∑C21-/∑C22+值和C21+22/C28+29值加以對比，得知：長7烴源巖樣品的∑C21-/∑C22+值和C21+22/C28+29值比長9烴源巖樣品高，表明長7烴源巖的熱演化成熟度高，長9烴源巖較低；且長8、長61、長4+5原油樣品正構烷烴分布曲線圖和長7烴源巖樣品的正構烷烴分布曲線圖更接近，表明長7烴源巖對油氣成藏的貢獻更大，長9烴源巖貢獻相對較小(圖7)。

3.2 類異戊二烯烷烴對比

姥植比(Pr/Ph)指示烴源巖生油母質的沉積環境(氧化或還原)，Pr/nC17和Ph/nC18值指示成熟度和沉積環境。長8原油樣品Pr/Ph值為0.78，Pr/nC17值為0.10，Ph/nC18值為0.13；長61原油樣品Pr/Ph值為0.85，Pr/nC17值為0.20，Ph/nC18值為0.21；而長4+5原油樣品Pr/Ph值為0.79，Pr/nC17值為0.19，Ph/nC18值為0.23(表4)。一般情況下，Pr/Ph值介于0.5～1.0指示還原環境(越接近1.0表示還原性越強)，原油樣品中Pr/Ph值均介于0.78～0.85之間，說明其為淡水還原--強還原環境。由Ph/nC18與Pr/Ph交會圖(圖8a)可以分析出，長4+5、長61原油的性質較為相近，說明二者的烴源巖具有相似的沉積環境，其中長7烴源巖貢獻最大。從Ph/nC18與Pr/nC17交會圖(圖8b)可分析出，長9烴源巖樣品屬于偏氧化環境，長7烴源巖樣品屬于混合型，長8、長61、長4+5原油樣品同樣屬于混合型、偏還原的環境；由此可見，原油樣品與長7烴源巖的沉積環境較為相似，說明其主要來源于長7烴源巖的貢獻。

3.3 萜、甾烷類對比

3.3.1 萜烷類對比

長7、長9烴源巖樣品中，三環萜烷與五環萜烷的量的比值(∑三/∑五)較低。三環萜烷中，C29三環萜烷分子分數最高。五環萜烷中：18α(H)-三降藿烷(Ts)分子分數較高，而17α(H)-三降藿烷(Tm)分子分數較低；C29降藿烷分子分數較低，C29新藿烷分子分數較高；重排藿烷、C30藿烷分子分數較高，伽馬蠟烷分子分數較低(圖9)，表明烴源巖為陸相淡水還原環境。長4+5、長61、長8原油樣品中：三環萜烷分子分數大都較低，表明原油來源于陸相沉積環境的烴源巖；C30藿烷分子分數最高，C29藿烷分子分數次之，Ts和Tm分子分數相當，Ts分子分數略高于Tm，而且相比于烴源巖樣品，原油樣品C30以上的升藿烷分子分數更高。萜烷色譜圖顯示出，長4+5、長61、長8原油和長7烴源巖相似度較好(圖9)。

圖5 棗園探區延長組長7、長9段不同樣品鏡質體反射率分布

a. 南305，長7，泥頁巖； b. 延頁，長9，泥頁巖； c. 南305，長4+5，原油； d. 南298，長61，原油； e. 棗5，長8，原油。

圖7 棗園探區延長組原油與烴源巖抽提物的烷烴色譜對比

表4 棗園探區延長組烴源巖與原油正構烷烴與異戊間二烯類烷烴分布特征

b底圖據文獻[8,22]。

a. 長7泥頁巖，萜烷；b. 長7泥頁巖，甾烷；c. 長9泥頁巖，萜烷；d. 長9泥頁巖，甾烷；e. 長4+5原油，萜烷；f. 長4+5原油，甾烷；g. 長61原油，萜烷；h. 長61原油，甾烷；i. 長8原油，萜烷；j. 長8原油，甾烷。

長4+5、長61和長8原油樣品的C31藿烷2S/(22S+22R)值分別為0.55、0.54、0.51，均在平衡值附近，表明原油已經成熟；Ts/Tm數值也可反映成熟度，長4+5為1.21，長6為1.29，長8為2.76，均大于1.00，而且可以看出，長8原油的成熟度相比于長4+5和長61更高；C29/C30αβ藿烷和C30莫烷/C30αβ藿烷的值也可看出，長4+5和長61原油的成熟度較為接近，長8原油的成熟度比長4+5、長61原油的高。

3.3.2 甾烷類對比

原油樣品中，C27、C28、C29膽甾烷分子分數最高，孕甾烷、升孕甾烷分子分數也較高。烴源巖樣品的孕甾烷、升孕甾烷分子分數較高，重排甾烷分子分數較低，規則甾烷系列分子分數較高。通過定量化處理后，可以看出，長4+5、長61、長8油層組原油規則甾烷中富含C29豆甾醇，與長7烴源巖相似；長9規則甾烷中富含C27而C29豆甾醇較低。總體看來，研究區原油樣品與長7烴源巖的甾烷類化合物特征相近(圖9)。

原油樣品的C27-C28-C29甾烷的構型都很相近，表現為“V”字型特征，說明長4+5、長61、長8的原油來源于湖相腐泥型有機質。長7烴源巖樣品的甾烷構型為“V”字型，反映其來源為湖相腐泥型。長9烴源巖的甾烷構型為“L”型(圖9)，反映其生物來源與陸相高等植物有緊密聯系。

長4+5與長61原油的規則甾烷豐度分布的指紋非常相似，說明它們來自于同一套陸相淡水湖泊烴源巖(圖10)。全部油樣中，均表現出C29甾烷相對分子分數高的特征，幾乎所有原油的甾烷相對組成聚類在一起，形成一個較為密集的點群，反映其烴源巖與原油在生源構成和沉積環境上有較強的一致性。高豐度重排藿烷系列的存在可能與特定的沉積環境有關[39-40]。原油樣品和烴源巖樣品C30RH/C29Ts(C30重排藿烷/C29新藿烷)與C29H/C30H(C29藿烷/C30藿烷)交會圖(圖11)可以看出，原油樣品的C30RH/C29Ts值較小(<2),反映其為淡水還原的沉積環境。

圖10 棗園探區延長組原油與烴源巖規則甾烷指紋對比

圖11 棗園探區延長組原油與烴源巖C30RH/C29Ts與C29H/C30H相關圖

甾烷異構化參數αααC2920S/(20S+20R)和C29ββ/(ββ+αα)值是常用的成熟度指標，由表5可知：長8原油樣品的αααC2920S/(20S+20R)值為0.53，C29ββ/(ββ+αα)值為0.54；長4+5樣品與長61樣品的αααC2920S/(20S+20R)和C29ββ/(ββ+αα)值較為接近，且長61原油的成熟度略高于長4+5。C21+22/Reg((孕甾烷+升孕甾烷)/規則甾烷)也可反映原油成熟度，可以看出長4+5、長61和長8原油的C21+22/Reg值分別為0.05、0.06和0.04；長4+5原油的Dia/Reg(重排甾烷/規則甾烷)值為0.17、長61原油為0.16、長8原油為0.23，可以看出長4+5和長61和長8原油較為相似，且都已經進入生烴窗，屬于中等—偏低成熟原油。

根據甾萜烷的蛛網圖(圖12)可知：長7、長9烴源巖樣品和長4+5、長61、長8原油樣品的油源對比結果相似度較高。棗園地區長4+5、長61的原油均屬于同一原油族群，長61原油屬中等成熟油、長4+5原油屬中等—低成熟油。說明長4+5原油是長7烴源巖早期生成的原油優先排出的結果，垂直運移方向是先充注長61層段砂巖儲層；然后隨著后期生成的烴類的不斷排出，促使早期占據長6儲層的原油向上部的長4+5儲層運移，后期生成的原油占據長61儲層。而且生物標志物的各項指標顯示的結果表明，長61原油成熟度比長4+5原油成熟度高，其是原油運移分異的結果。

表5 棗園探區延長組烴源巖與原油甾、萜烷參數

圖12 棗園探區延長組原油與烴源巖甾、萜烷特征參數蛛網圖

4 結論

1)研究區主要發育長7、長9兩套烴源巖，長7段烴源巖w(TOC)平均值為4.38%，有機質類型主要為Ⅱ1-Ⅱ2型，長9段烴源巖w(TOC)平均值為1.74%，有機質類型為Ⅱ2型。長7烴源巖優于長9烴源巖，為研究區主要的烴源巖。

2)通過分析研究區長7、長9烴源巖樣品和長4+5、長61、長8原油樣品的飽和烴色譜、甾烷、萜烷色譜特征和生標對比，結果表明：長4+5、長61、長8原油均處于成熟階段，且長8原油成熟度最高，長4+5最低；烴源巖屬于淡水還原環境，生源主要為低等水生生物、且含有部分高等植物。

3)研究區位于盆地中心，具有得天獨厚的油源條件。通過油源對比，棗園探區延長組長4+5、長61、長8油層原油主要來自于長7段暗色泥頁巖，長9段暗色泥頁巖也可提供少量烴源。