鄂爾多斯盆地馬家溝組烴源巖受石炭系充填影響的研究

關鍵詞 鄂爾多斯盆地；馬家溝組；風化殼；石炭系充填；碳酸鹽巖烴源巖

0 引言

鄂爾多斯盆地下古生界奧陶系馬家溝組蘊含豐富的天然氣資源，是下古生界重要的勘探領域[1?3]。前人對鄂爾多斯盆地馬家溝組及上古生界做了大量研究，包括沉積特征、天然氣成因類型及來源、烴源巖特征以及成藏條件等，并取得了重要的進展和認識[4?10]。馬家溝組作為下古生界奧陶系勘探的重要接替領域，其烴源巖的客觀評價對油氣資源進一步勘探尤為重要。目前，部分學者認為奧陶系馬家溝組存在有機質豐度高的規模性有效烴源巖[11]，也有部分學者認為馬家溝組烴源巖有機質豐度相對較低，但也可作為有效的氣源巖[12?14]。筆者在研究中發現，奧陶系風化殼烴源巖主要為碳酸鹽巖和薄層泥巖或云質泥巖[13]，但在奧陶系風化殼及其鄰近的碳酸鹽巖烴源巖溶蝕孔洞和裂縫中充填石炭系泥巖，這些充填石炭系泥巖的有機碳含量明顯高于奧陶系烴源巖本身，對評價奧陶系烴源巖造成極大影響，前人的研究中并未考慮石炭系充填的影響。因此，厘清奧陶系烴源巖溶蝕孔洞和裂縫中石炭系充填的影響，對奧陶系烴源巖的客觀評價將格外重要。本文旨在根據烴源巖野外露頭、巖心、測井和地球化學參數等資料，對奧陶系溶蝕孔洞中充填的石炭系泥巖進行地質、測井和地球化學等綜合分析，研究其影響范圍，并提出一種在奧陶系海相碳酸鹽巖烴源巖評價中剔除石炭系充填影響的方法。該研究將有效指導奧陶系烴源巖的客觀評價。

1 研究區地質概況

鄂爾多斯盆地位于華北地臺西部，是發育在太古代和早元古代變質巖系結晶基底之上的具有多旋回特征的克拉通含油氣盆地，面積約為25×104 km2[15]。鄂爾多斯盆地內部根據構造特征可劃分為晉西撓褶帶、陜北斜坡帶、天環坳陷帶、伊盟隆起、渭北隆起、西緣沖斷帶6個一級構造單元。研究區主要位于鄂爾多斯盆地中東部（圖1a）。鄂爾多斯盆地中東部發育中、下奧陶統，地層抬升使得上奧陶統遭受剝蝕而缺失。中、下奧陶統為淺海相沉積，自下而上依次發育冶里組、亮甲山組和馬家溝組。馬家溝組分為馬一段至馬六段，其中馬五段又細分為馬五1—馬五10亞段（圖1b）。馬一段、馬三段和馬五段為海退期沉積，主要發育泥質白云巖、泥巖及膏鹽巖類。馬二段、馬四段和馬六段主要為海侵期，巖性以泥晶灰巖為主[13，16]。

鄂爾多斯盆地奧陶紀晚期地層抬升遭受長達幾億年的風化淋濾剝蝕，直到石炭紀再次接受沉積[17]。馬家溝組頂部形成了風化殼，馬家溝組整體不同程度地受到風化殼滲濾的影響[18?19]（圖1c），但受影響程度在東、西部區域不同。東部地層厚度大，不僅有巨厚的膏巖層，其上還有厚達200 m的鹽上地層覆蓋，故研究區東部鹽下馬五6-10 亞段未受風化作用的影響；西部靠近尖滅線附近，鹽上地層被剝蝕，鹽下地層馬五6-10亞段直接接觸石炭系本溪組，受到風化作用不同程度的影響。

2 石炭系充填特征及識別

2.1 石炭系充填特征

對研究區170余塊巖心樣品觀察和測試分析發現，鄂爾多斯盆地下古生界奧陶系風化殼地層溶洞和裂縫中普遍充填上古生界石炭系煤系泥巖，并在野外露頭、巖心和測井中具有明顯的特征。山西西硙口奧陶系野外露頭顯示（圖2），下古生界碳酸鹽巖溶洞和裂縫中充填大量的石炭系泥巖，與奧陶系碳酸鹽巖相比，充填的石炭系泥巖顏色明顯較深，且沿著溶洞和裂縫規律分布。

鉆井巖心也顯示具有溶洞充填的典型特征（圖3），巖心中有明顯的泥質充填結構，溶洞充填石炭系巖心特征表現在基質為奧陶系碳酸鹽巖，呈不規則角礫狀，有的顆粒邊緣可以對接，但顆粒間為黑色泥巖，顯示充填特征。

2.2 單井特征及測井識別

下古生界奧陶系風化殼及鄰近層段地層溶洞和裂縫充填的石炭系煤系泥巖，除露頭與巖心有明顯的石炭系泥巖充填特征外，測井曲線上也具有明顯的響應特征[20]。研究區靠近奧陶系尖滅線的井，大部分在下古生界靠近風化殼頂部的地層中（主要為馬五1—馬五5亞段）發現受石炭系充填影響的層段，其特征為泥質含量高、GR測井曲線出現異常高尖峰、刺狀，明顯異于上、下地層（圖4）。由于東部鹽下地層有較厚的上覆膏鹽巖，且距風化殼頂部較遠，一般未受石炭系充填影響，受石炭系充填影響的地層主要分布在西部靠近奧陶系尖滅線附近。

單井烴源巖綜合柱狀圖顯示（圖5），下古生界奧陶系巖性可劃分為3種，分別為石炭系充填泥巖、奧陶系自生泥巖和奧陶系碳酸鹽巖。石炭系充填泥巖出現在奧陶系碳酸鹽巖溶蝕孔洞和裂縫中，主要分布在靠近風化殼頂界地層，其泥巖為灰黑色或黑色，呈不規則充填狀，TOC含量明顯高于其他巖性；奧陶系自生泥巖主要分布在馬五6亞段及下伏地層，為灰黑色或黑色，呈平行紋層狀或薄夾層狀，TOC含量也明顯高于碳酸鹽巖；奧陶系碳酸鹽巖以灰白色或灰色白云巖、泥質白云巖、含云灰巖為主，分布范圍廣，TOC含量明顯低于前兩者[13]。

2.3 烴源巖地球化學特征

已有研究表明，上古生界石炭系烴源巖為腐殖型烴源巖，而下古生界碳酸鹽巖烴源巖為腐泥型[14，21?22]。因此，奧陶系充填的石炭系泥巖與奧陶系自生烴源巖地球化學特征應具有明顯差異。由于研究區烴源巖大都處于高過成熟階段，巖石熱解參數已不能有效區分兩者，故本文采用干酪根碳同位素和生物標志化合物來識別石炭系充填泥巖。充填泥巖干酪根碳同位素與奧陶系烴源巖具有明顯差異（圖6），充填泥巖干酪根碳同位素值介于-27.5‰～-22‰，而奧陶系自生泥巖夾層和奧陶系碳酸鹽巖烴源巖干酪根碳同位素值相近，介于-30.4‰～-25.5‰，明顯較充填泥巖干酪根碳同位素輕。

奧陶系馬家溝組不同類型泥巖的生物標志化合物特征（圖7）具有明顯的相似性，但不同類型又具有明顯的差異。相似性主要體現在總離子流圖（TIC）均呈雙峰型，C20、C21、C23三環萜烷呈上升型，且相對含量明顯高于C30藿烷；差異性表現在奧陶系碳酸鹽巖溶洞中充填的石炭系泥巖飽和烴分子組成具有明顯的后峰優勢特征（圖7b），與上古生界石炭系本溪組泥巖色譜質譜圖具有相似特征（圖7a）；而下古生界奧陶系自生泥巖的飽和烴分子組成具有明顯的前峰優勢特征（圖7c）。表明奧陶系充填的泥巖與石炭系泥巖具有很好的可對比性，進一步證明奧陶系碳酸鹽巖烴源巖受石炭系充填影響。

3 剔除石炭系充填影響的方法及結果

3.1 剔除石炭系充填影響的方法

為了進一步研究石炭系泥巖充填影響的深度范圍，將研究區170個樣品分為石炭系泥質充填、奧陶系碳酸鹽巖和奧陶系自生泥巖3類，并繪制了實測TOC含量與距風化殼頂距離關系圖（圖8），其中，石炭系泥質充填樣品有機碳含量整體偏高，基本上都大于0.2%，最高可達0.61%，巖樣基本分布在距風化殼頂100 m以內；奧陶系自生泥巖分布深度范圍較廣，其有機碳含量較石炭系充填樣品低，TOC含量介于0.2%～0.4%；奧陶系碳酸鹽巖有機碳含量明顯偏低，絕大多數樣品小于0.2%，因此將石炭系的影響范圍定為距離風化殼頂部約100 m。

根據單井不同層位預測TOC含量平均值與距風化殼頂距離的關系圖（圖9），奧陶系馬家溝組各層段預測TOC含量均值與距風化殼頂距離均呈負相關關系，即隨著距風化殼頂距離的增加，烴源巖的TOC含量逐漸減小。圖9顯示，馬五1—馬五5亞段距離風化殼頂部較近，基本都受到石炭系泥質充填的影響，而馬五6—馬五10亞段距離風化殼頂部小于100 m的部分也受到石炭系充填的影響，且層位越深，受影響越小。當距風化殼頂部距離小于100 m時，部分井預測平均TOC數值明顯偏離趨勢線，本文將這部分TOC含量異常歸因于受石炭系泥質充填的影響，并取趨勢線上的數值作為未受石炭系影響的碳酸鹽巖的TOC含量。在奧陶系烴源巖評價時，可將距風化殼頂部小于100 m 內的異常值校正到整體的趨勢線上。

3.2 石炭系充填影響范圍及校正結果

通過對研究區單井測井響應和有機碳分布規律分析，認為石炭系充填的影響范圍約為100 m，進而確定了不同層位石炭系影響的平面范圍，其中馬五6亞段和馬五7亞段的石炭系影響的平面分布如圖10所示。石炭系影響的范圍主要集中在研究區地層尖滅線附近，呈環帶狀分布，且不同位置石炭系影響的范圍有所差異。

以馬五7 亞段為例，預測TOC 平面分布圖（圖11a）顯示華池附近TOC含量異常高。根據馬五7亞段TOC含量與距風化殼頂部距離關系，對異常值進行校正，校正后預測TOC含量平面分布特征如圖11b所示。可以看出，校正后華池地區附近的TOC異常點消失（圖11b），TOC平面圖更加符合地質規律。石炭系充填影響TOC異常值的校正，使奧陶系烴源巖評價更加客觀。

4 結論

（1） 鄂爾多斯盆地下古生界奧陶系馬家溝組風化殼及其鄰近層段烴源巖溶洞和裂縫中明顯充填石炭系泥巖。在野外露頭和巖心上表現為溶洞、裂縫中充填石炭系泥巖，測井特征表現為GR曲線異常高尖峰、刺狀，明顯異于上、下地層。

（2） 下古生界奧陶系碳酸鹽巖溶洞和裂縫中充填的石炭系泥巖干酪根碳同位素明顯比奧陶系自生烴源巖重；飽和烴分子組成具有明顯的后峰優勢特征，與石炭系本溪組泥巖具有相似特征，而奧陶系自生泥巖具有明顯的前峰優勢特征。

（3） 確定石炭系泥質充填影響范圍為距離風化殼頂面之下100 m 左右，主要位于馬五1—馬五6 亞段，平面上主要呈環帶狀分布在奧陶系尖滅線附近。下古生界烴源巖有機碳含量與距風化殼頂部距離呈明顯的線性關系，據此可對石炭系泥質充填影響的TOC異常值進行校正。