王志勇 孟仟祥 王作棟 王曉華 杜宏宇 呂江陵

(1.中國科學(xué)院研究生院 北京 100049;2.中國科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000; 3.中國石油吐哈油田公司勘探開發(fā)研究院 新疆哈密 839009;4.中國石油吐哈油田公司三塘湖采油廠 新疆哈密 839009)

吐哈盆地臺(tái)北凹陷侏羅系煤系源巖地球化學(xué)分類及意義①

王志勇1,3孟仟祥2王作棟2王曉華3杜宏宇3呂江陵4

(1.中國科學(xué)院研究生院 北京 100049;2.中國科學(xué)院油氣資源研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 蘭州 730000; 3.中國石油吐哈油田公司勘探開發(fā)研究院 新疆哈密 839009;4.中國石油吐哈油田公司三塘湖采油廠 新疆哈密 839009)

烴源巖的沉積環(huán)境、母源輸入與有機(jī)質(zhì)性質(zhì)有著密切聯(lián)系,吐哈盆地臺(tái)北凹陷不同層系、不同地區(qū)侏羅系煤系烴源巖由于其沉積環(huán)境、母源輸入的不同,導(dǎo)致其地球化學(xué)指標(biāo)差異;通過對(duì)源巖地球化學(xué)指標(biāo)相關(guān)性分析表明,姥植比(Pr/Ph)是反映源巖沉積氧化還原環(huán)境和水體鹽度的重要指標(biāo);C29ααα20R在C27～C29規(guī)則甾烷ααα20R中的相對(duì)含量也是反映沉積水體鹽度的重要指標(biāo)。同時(shí)發(fā)現(xiàn)源巖類型劃分的主控指標(biāo)是族組成中芳烴、瀝青質(zhì)組分含量及飽芳比、非瀝比等四項(xiàng)指標(biāo),姥植比、伽馬蠟烷指數(shù)為源巖類型劃分的次控指標(biāo),據(jù)此將臺(tái)北凹陷侏羅系煤系烴源巖劃分為三類。

吐哈盆地 煤系源巖 生物標(biāo)志化合物指標(biāo) 源巖類型

對(duì)吐哈盆地臺(tái)北凹陷侏羅系煤系源巖生烴研究,前人做了大量的工作,取得了很多富有理論和實(shí)踐意義的重要認(rèn)識(shí)。在這些理論研究的指導(dǎo)下,煤系油勘探取得了巨大的成果,發(fā)現(xiàn)并探明了一大批油氣田[1～11]。以往對(duì)原油、源巖地球化學(xué)性質(zhì)與特征的多次研究,獲得了豐富的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料。本次研究在總結(jié)前人資料的項(xiàng)目,進(jìn)行系統(tǒng)采樣,對(duì)84塊具有代表性的源巖樣品進(jìn)行全面細(xì)致的地球化學(xué)分析和研究(表1),提出吐哈盆地侏羅系煤系源巖地球化學(xué)分類的新的認(rèn)識(shí),對(duì)在盆地內(nèi)進(jìn)行進(jìn)一步油氣勘探和開發(fā)具有重要的理論和實(shí)際意義。

1 源巖樣品有機(jī)質(zhì)豐度及可溶有機(jī)質(zhì)族組成特征

源巖中有機(jī)質(zhì)是源巖成烴的物質(zhì)基礎(chǔ),其豐度大小是源巖成烴能力的決定因素,根據(jù)本次源巖樣品瀝青抽提分析結(jié)果,對(duì)源巖有機(jī)質(zhì)豐度進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1 臺(tái)北凹陷侏羅系烴源巖樣品采集及分析項(xiàng)目Table1 Samp les and analysis item s of Jurassic source rocks in Taibei Depression

中侏羅統(tǒng)七克臺(tái)組(J2q)暗色泥巖氯仿瀝青“A”含量為0.01%～0.016%、總烴含量為49 X10-6～98 X 10-6,總體評(píng)價(jià)為中等-較差生油巖;族組成表現(xiàn)出烷烴、非烴組分含量較高,芳烴、瀝青質(zhì)含量較低的特點(diǎn),其飽芳比均大于3、非瀝比均大于1。中侏羅統(tǒng)三間房組(J2s)暗色泥巖氯仿瀝青“A”含量為0.009%～0.0375%、平均0.018%,總烴含量為41 X 10-6～230 X10-6、平均84 X10-6,總體評(píng)價(jià)為較差烴源巖;該組源巖樣品中多數(shù)烷烴、非烴組分含量較高,芳烴、瀝青質(zhì)含量較低,一般飽芳比、非瀝比均大于1。中下侏羅統(tǒng)水西溝群(包括西山窯組(J2x)、三工河組(J1s)、八道灣組(J1b))源巖包括暗色泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤巖,暗色泥巖平均可溶有機(jī)質(zhì)含量及總烴含量分別為0.022%、115 X10-6,總體評(píng)價(jià)為較差烴源巖;炭質(zhì)泥巖及煤巖平均可溶有機(jī)質(zhì)含量及總烴含量分別為0.86%、4 156 X 10-6,總體評(píng)價(jià)為好烴源巖。水西溝群源炭質(zhì)泥巖及煤巖芳烴、瀝青質(zhì)組分含量相對(duì)較高,暗色泥巖烷烴、非烴組分含量較高。

根據(jù)源巖有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)氯仿瀝青“A”和總烴判斷吐哈盆地臺(tái)北凹陷侏羅系主力烴源巖應(yīng)該為中侏羅統(tǒng)七克臺(tái)組(J2q)暗色泥巖和中下侏羅統(tǒng)水西溝群暗色泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤巖。

2 源巖地球化學(xué)指標(biāo)相關(guān)性分析

圖1 源巖樣品地化指標(biāo)相關(guān)分析(Ⅰ)Fig.1 The correlations of source rock geochemical parameters(Ⅰ)

對(duì)源巖進(jìn)行類型劃分,首先是確定不同類型源巖的生烴能力及生烴特征,其次是在不同類型源巖與原油間建立對(duì)應(yīng)關(guān)系。源巖類型劃分的理論依據(jù)是不同沉積環(huán)境條件下形成的源巖,其地球化學(xué)性質(zhì)必定存在一定差異[12];手段是利用各項(xiàng)地球化學(xué)指標(biāo)進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比統(tǒng)計(jì)、總結(jié)分類。對(duì)源巖樣品進(jìn)行地球化學(xué)系列分析獲取的指標(biāo)為數(shù)眾多(包括族組成、烷烴色譜、烷烴色質(zhì)等分析的數(shù)十項(xiàng)指標(biāo))、關(guān)系復(fù)雜,因此在明確指示地質(zhì)意義的指標(biāo)基礎(chǔ)上進(jìn)行相關(guān)性分析對(duì)確定源巖類型劃分指標(biāo)是十分必要的。

圖1中(a)、(b)分別表現(xiàn)了源巖樣品可溶有機(jī)質(zhì)芳烴、瀝青質(zhì)組分含量指標(biāo)及飽芳比、非瀝比指標(biāo)間具有良好的正相關(guān)關(guān)系,說明源巖芳烴、瀝青質(zhì)組分在一定程度上具有相似的成因機(jī)制,主要是受控于陸源有機(jī)質(zhì)的輸入。

(c)、(d)表現(xiàn)了源巖樣品的飽芳比、非瀝比指標(biāo)與姥植比(Pr/Ph)指標(biāo)具有一定的相關(guān)性,特別是飽芳比與姥植比(Pr/Ph)指標(biāo)有較好的相關(guān)性,反映出隨著沉積環(huán)境氧化性增強(qiáng),源巖樣品的飽芳比、非瀝比指標(biāo)逐漸降低的總體趨勢(shì);還原性越強(qiáng)則飽和烴相對(duì)豐度越高,這與有機(jī)質(zhì)氧化還原反應(yīng)程度有關(guān),氧化性越強(qiáng)芳烴相對(duì)豐度越高,氧化性增強(qiáng)有機(jī)分子被氧化為含氧化合物(非烴)的機(jī)率越高。

(e)表現(xiàn)出隨沉積環(huán)境氧化性增強(qiáng)(Pr/Ph)而增大,沉積水體鹽度降低(伽馬蠟烷指數(shù)減小)的大致趨勢(shì)。值得注意的是“O”內(nèi)的三個(gè)顯著偏離整體趨勢(shì)數(shù)據(jù)點(diǎn),這三塊樣品f中也表現(xiàn)出顯著偏離整體趨勢(shì);分析認(rèn)為這種偏離可能并非偶然因素:可能是在半深水體系的水源注入?yún)^(qū)域(前緣),沉積環(huán)境的氧化還原性仍為弱氧化-弱還原,由于水源注入造成水體鹽度降低及陸源有機(jī)質(zhì)的更多輸入。

(f)表現(xiàn)了C29ααα20R%(在C27～C29規(guī)則甾烷ααα20R中的相對(duì)含量,下同)與姥植比(Pr/Ph)呈良好的正相關(guān),以往的研究認(rèn)為甾烷ααα20R向甾烷ααα20S轉(zhuǎn)化主要受控于熱作用;(f)顯示,甾烷這種異體構(gòu)型轉(zhuǎn)化也受控于沉積環(huán)境的氧化還原程度,即強(qiáng)氧化環(huán)境有利于生物構(gòu)型R向地質(zhì)構(gòu)型S的轉(zhuǎn)化。

圖2中(a)(d)表現(xiàn)了C29ααα20R甾烷指標(biāo)與伽馬蠟烷指數(shù)、三環(huán)萜烷/三萜烷的相關(guān)性,甚至C29ααα20R%與伽馬蠟烷指數(shù)、三環(huán)萜烷/三萜烷均具有很好的負(fù)相關(guān)關(guān)系。對(duì)此現(xiàn)象的合理解釋是源巖有機(jī)質(zhì)中陸源有機(jī)質(zhì)輸入主要依賴于沉積體系中的水流注入,而水流注入的充沛與否直接影響沉積水體的鹽度;水源充沛注入的條件下,沉積水體鹽度較低,隨水流注入沉積體系的陸源有機(jī)質(zhì)則更加豐富。就是說有機(jī)質(zhì)沉積環(huán)境鹽度越高,甾烷生物構(gòu)型R向地質(zhì)構(gòu)型S的轉(zhuǎn)化越慢。

圖2中(b)(c)分別表現(xiàn)了三環(huán)萜烷/三萜烷指標(biāo)與姥植比(Pr/Ph)、伽馬蠟烷指數(shù)相關(guān)關(guān)系。其中三環(huán)萜烷/三萜烷指標(biāo)與伽馬蠟烷指數(shù)具有一定正相關(guān)關(guān)系,與姥植比(Pr/Ph)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,表明在淡水氧化環(huán)境中,姥植比(Pr/Ph)高而三環(huán)萜烷和伽馬蠟烷含量低;咸化還原環(huán)境則正好相反。

3 源巖類型劃分依據(jù)及劃分結(jié)果

3.1 源巖類型劃分依據(jù)

針對(duì)源巖類型劃分目的,劃分依據(jù)的確定首先要有利于區(qū)別源巖的生烴性質(zhì),其次是能區(qū)別不同類型源巖形成的沉積環(huán)境。在此原則下,結(jié)合前述對(duì)指標(biāo)的相關(guān)分析,選取以下指標(biāo)作為源巖類型劃分的依據(jù)指標(biāo)(圖2)。

主控指標(biāo)——族組成中芳烴、瀝青質(zhì)組分含量及飽芳比、非瀝比等四項(xiàng)指標(biāo);該系列指標(biāo)不僅是源巖生烴產(chǎn)物性質(zhì)的直觀體現(xiàn),而且也受到沉積環(huán)境控制作用的影響,比如飽芳比指標(biāo)與姥植比(Pr/Ph)指標(biāo)就存在一定的相關(guān)關(guān)系。

次控指標(biāo)——姥植比(Pr/Ph)與伽馬蠟烷指數(shù)。這兩個(gè)指標(biāo)從不同側(cè)面反映源巖的沉積環(huán)境條件[13-17],對(duì)沉積環(huán)境的表征得到了廣泛的應(yīng)用。樣品的其他多項(xiàng)指標(biāo)與此兩項(xiàng)指標(biāo)都具有不同程度的關(guān)聯(lián)關(guān)系,在源巖類型劃分時(shí)要綜合考慮。

由于C29ααα20R%與伽馬蠟烷指數(shù)具有很好的相關(guān)性,反映出源巖母質(zhì)輸入受水源注入影響,即可能存在湖相水源注入?yún)^(qū)域C29ααα20R%正異常或咸水沼澤(水源注入不足)C29ααα20R%負(fù)異常的情況,因此C27、28、29規(guī)則甾烷內(nèi)組成指標(biāo)將不用于源巖類型劃分,可作為參考指標(biāo)。

3.2 樣品類型劃分及特征總結(jié)

根據(jù)對(duì)源巖樣品類型劃分依據(jù)指標(biāo)及其它特征指標(biāo)的詳細(xì)分析、比較,在“主控分區(qū)、次控定型、輔助校正、參考無矛盾”的原則下,對(duì)研究樣品進(jìn)行了較為細(xì)致合理的類型劃分,源巖樣品可劃分為以下三種類型(圖3、4)。

湖相泥巖:該類型源巖巖性主要為暗色泥巖,在中下侏羅統(tǒng)、下二疊統(tǒng)層位中均有分布;根據(jù)樣品各項(xiàng)地球化學(xué)性質(zhì)可確定樣品形成的沉積環(huán)境基本都是淺-半深湖相(微咸水)。該類源巖樣品族組成具有低芳烴、高飽芳比(>2)、非瀝比(>0.7)的總體特征;在生物標(biāo)志物構(gòu)成上具有低姥植比(Pr/Ph<3)、低C24-四環(huán)萜烷/C26-三環(huán)萜烷(<10)及相對(duì)較高的伽馬蠟烷指數(shù)(>0.1)、三環(huán)萜烷/三萜烷(> 0.08),甾烷組成中一般C27ααα20R甾烷高于10%、C29ααα20R甾烷低于60%等系列特征。

圖3 臺(tái)北凹陷烴源巖飽芳比與非瀝比關(guān)系Fig.3 The correlation of saturated hydrocarbon/aromatic hydrocarbon and non-hydrocarbon/asphaltene of source rocks,Taibei Depression

煤沼源巖:該類型源巖巖性主要為煤、炭質(zhì)泥巖及部分暗色泥巖;主要分布在水西溝群地層,七克臺(tái)、三間房組分布很少;根據(jù)樣品各項(xiàng)地球化學(xué)性質(zhì)可確定樣品形成的沉積環(huán)境基本都是氧化性強(qiáng)的成煤沼澤。該類源巖樣品族組成具有高芳烴(>13%)、瀝青質(zhì)(>20%),低飽芳比(<2)、非瀝比(<1)的總體特征;在生物標(biāo)志物構(gòu)成上具有高姥植比(Pr/Ph> 3)、高C24-四環(huán)萜烷/C26-三環(huán)萜烷(>1)及低伽馬蠟烷指數(shù)(<0.1)、三環(huán)萜烷/三萜烷(<0.08),甾烷組成中一般 C27ααα20R甾烷低于 15%、C29ααα20R甾烷高于60%等系列特征。

圖4 臺(tái)北凹陷烴源巖伽馬蠟烷指數(shù)與姥植比關(guān)系Fig.4 The correlation of saturated gammacerane ratio and Pr/Ph of source rocks,Taibei Depression

湖沼源巖:該類型源巖巖性為暗色泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤;主要分布在水西溝群地層,七克臺(tái)、三間房組幾乎沒有;該類型樣品在某些方面具有一些湖相特征性質(zhì),但另一些方面又表現(xiàn)出煤沼成因特征,推測(cè)該類樣品形成的沉積環(huán)境可能是湖泊與沼澤的交替過渡相帶。總體上該類型源巖樣品的各項(xiàng)特征指標(biāo)多處在湖相與煤沼類型的過渡區(qū)域。

4 結(jié)論

(1)姥植比(Pr/Ph)是反映源巖沉積氧化還原環(huán)境和水體鹽度的重要指標(biāo);Pr/Ph值增大,源巖樣品中的飽芳比、非瀝比指標(biāo)逐漸降低,反映沉積水體變淺、氧化性增強(qiáng),有利于生物構(gòu)型R向地質(zhì)構(gòu)型S的轉(zhuǎn)化。C29ααα20R在C27～C29規(guī)則甾烷ααα20R中的相對(duì)含量也是反映節(jié)目單沉積水體鹽度的重要指標(biāo);以往的認(rèn)為甾烷ααα20R向甾烷ααα20S轉(zhuǎn)化主要受控于熱作用,本次研究發(fā)現(xiàn)甾烷這種異體構(gòu)型轉(zhuǎn)化也受控于沉積環(huán)境的氧化還原程度,即強(qiáng)氧化環(huán)境有利于生物構(gòu)型R向地質(zhì)構(gòu)型S的轉(zhuǎn)化。

(2)臺(tái)北凹陷侏羅系煤系源巖類型劃分的主控指標(biāo)是族組成中芳烴、瀝青質(zhì)組分含量及飽芳比、非瀝比等四項(xiàng)指標(biāo);姥植比(Pr/Ph)與伽馬蠟烷指數(shù)為確定源巖類型劃分的次控指標(biāo),姥植比(Pr/Ph)與伽馬蠟烷指數(shù)反映源巖的沉積環(huán)境條件,源巖類型劃分的次控指標(biāo)。C27,28,29規(guī)則甾烷組成指標(biāo)可作為參考指標(biāo)。

(3)將臺(tái)北凹陷侏羅系煤系烴源巖劃分為三類;湖相源巖巖性主要為暗色泥巖,在中下侏羅統(tǒng)中均有分布,其沉積環(huán)境基本都是淺-半深湖相(微咸水)。煤沼源巖巖性主要為煤、炭質(zhì)泥巖及部分暗色泥巖,主要分布在水西溝群,七克臺(tái)、三間房組分布很少,其形成的沉積環(huán)境為氧化性強(qiáng)的成煤沼澤。湖沼源巖巖性為暗色泥巖、炭質(zhì)泥巖及煤,主要分布在水西溝群,七克臺(tái)、三間房組幾乎沒有,該類型樣品在某些方面具有一些湖相特征性質(zhì),但另一些方面又表現(xiàn)出煤沼成因特征,總體上該類型源巖樣品的各項(xiàng)特征指標(biāo)多處在湖相與煤沼類型的過渡區(qū)域。

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Geochem ical Classification and Significance of Jurassic Coal-Bearing Source Rocks in Taibei Depression,Turpan-Ham i Basin

WANG Zhi-yong1,3MENG Qian-xiang2WANG Zuo-dong2WANG Xiao-hua3DU Hong-yu3LU Jiang-ling4
(1.Graduate School of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100039; 2.Key Laboratory of Petroleum Resources Research,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000; 3.Research Institute of Turpan-Ham i Oil-field Company,Ham i,Xinjiang,839009; 4.Santanghu Oil Production Plant of Turpan-Ham i Oil-field Company,Ham i,Xinjiang 839009)

The sedimentary environments and the original inputs of source rocks close related with the nature of the organicmatter,in different layers and different regions of Taibei Depression,Turpan-Hami Basin,due to the differences of the depositional environments and the original inputs of Jurassic coal-bearing source rocks,result in differences of the geochemical index.The analysis of geochemical indicators of source rocks showing that Pr/Ph and C29ααα20R relative contentare important indicators of redox environmentand the salinity of water.At the same time,we found that themain indicators of the type of source rocks are aromatic hydrocarbon and asphaltene contents in the group composition of soluble organicmatter,the ratio of saturated hydrocarbon and aromatic hydrocarbon,also the ratio of nonhydrocarbon and asphaltene.Pr/Ph,gammacerane index are secondary indicators of classification of source rocks.The Jurassic coal-bearing source rocks can be classfied into three categories by the above index in Taibei Depression.

Turpan-Hami Basin;coal-bearing source rocks;biomarkers index;type of source rock

王志勇 男 1966年出生 高級(jí)工程師 油氣地球化學(xué) E-mail:wangzy877@sohu.com

P593

A

1000-0550(2010)06-1238-06

①國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):40972099)資助。

2009-11-10;收修改稿日期:2009-12-11