黃軍平，林俊峰，張雷，何文祥，李相博，徐耀輝，王雅婷，章貴松，王宏波，完顏容

(1.長江大學 油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室，湖北 武漢 430100；2.長江大學 資源與環(huán)境學院，湖北 武漢 430100；3.中國石油勘探開發(fā)研究院 西北分院，甘肅 蘭州 730020；4.河南理工大學 能源科學與工程學院，河南 焦作 454000；5.中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018)

0 引 言

儲層固體瀝青是油氣成藏和改造的產(chǎn)物，其發(fā)現(xiàn)通?？梢哉J為在地質(zhì)歷史時期存在過古油藏或發(fā)生過油氣成藏過程[1]。根據(jù)原油裂解氣的成因理論，原油或液態(tài)烴在受到高溫作用時可以發(fā)生裂解作用形成焦瀝青，同時生成大量的天然氣[2]。因此，焦瀝青的發(fā)現(xiàn)就意味著古油藏或裂解天然氣的存在。中國瀝青資源分布廣泛、儲量豐富，目前已在13個盆地(或地區(qū))發(fā)現(xiàn)了瀝青，且這13個盆地(或地區(qū))均有商業(yè)油氣流的發(fā)現(xiàn)[3]。此外，有學者認為儲層固體瀝青含量與日產(chǎn)天然氣量存在明顯的正相關關系[1]，意味著瀝青的豐度和分布可能與規(guī)模性氣田的形成和發(fā)育緊密相關。

鄂爾多斯盆地屬華北板塊西部的一個次級構造單元，是中新生代和元古代-古生代的多元復合型沉積盆地[4]。目前已成為中國最大的油氣生產(chǎn)基地，為了保證持續(xù)穩(wěn)產(chǎn)，提高資源的保有儲量，需要加強油氣勘探，亟須向深部開拓新的勘探領域，因此包括下古生界在內(nèi)的鄂爾多斯盆地深層有無勘探前景是擺在油氣地質(zhì)工作者面前一個亟待解決的問題。研究表明，鄂爾多斯盆地下古生界—中元古界發(fā)育有長城系烴源巖[5-6]、下寒武統(tǒng)高豐度海相烴源巖[7-10]和上奧陶統(tǒng)涼平組優(yōu)質(zhì)烴源巖[11]，這三套烴源巖的發(fā)育使鄂爾多斯盆地下古生界—中元古界的油氣勘探具備了物質(zhì)基礎。下古生界—中新元古界沉積時期，中國的塔里木板塊、揚子板塊和華北板塊具有相似的古氣候條件、沉積和構造背景[12]，因此包括鄂爾多斯盆地在內(nèi)的整個華北板塊南緣、塔里木盆地和四川盆地的下古生界—中新元古界可能具備相似的沉積成藏條件[13]。目前，四川盆地和塔里木盆地的寒武系—前寒武地層中大量的瀝青和油氣藏被發(fā)現(xiàn)[12]，而鄂爾多斯盆地除了在盆地西南緣奧陶系發(fā)現(xiàn)儲層瀝青外[14-15]，鮮有關于寒武系—前寒武地層中發(fā)育儲層固體瀝青的報道。那么鄂爾多斯盆地寒武系—前寒武地層是否也能像四川盆地和塔里木盆地一樣發(fā)育大量的儲層固體瀝青和古油藏？筆者通過大量的野外踏勘和巖心觀察，發(fā)現(xiàn)鄂爾多斯盆地及周緣下古生界—中元古界地層中發(fā)育大量的儲層固體瀝青?；诖耍疚耐ㄟ^對儲層固體瀝青的分布、含量、顯微特征、成熟度的研究，系統(tǒng)梳理了鄂爾多斯盆地下古生界—中元古界儲層固體瀝青的地質(zhì)特征，并初步探討其成因和古油藏的資源規(guī)模，以期對鄂爾多斯盆地寒武系—前寒武以下地層的天然氣勘探提供科學依據(jù)。

1 儲層固體瀝青的識別與分布

1.1 儲層固體瀝青的識別

儲層固體瀝青的識別最常用的方法是有機巖石學法，即通過鑄體薄片或光片在反射光、透射光、熒光條件下進行識別，還可以利用掃描電鏡-能譜儀[16-17]等技術手段進行定量鑒定。通常，高演化階段的儲層固體瀝青基本失去了熒光特性，在鑄體薄片下觀察常常為暗色，僅通過光學特征難以確定鑄體薄片下暗色組分就是儲層固體瀝青。為了進一步確定暗色組分為儲層固體瀝青，在進行薄片觀察的同時，也需要對鑄體薄片中的暗色物質(zhì)進行激光拉曼光譜分析，一般其譜圖存在兩個明顯的特征峰，即“缺陷峰”(也稱“D峰”)和“石墨峰”(也稱“G峰”)(圖1)，這兩個特征峰是沉積有機質(zhì)的重要標志[18-19]，同時也進一步證實了薄片下暗色組分即為儲層固體瀝青。此外，電子探針和場發(fā)射掃描電鏡還能進一步確定儲層固體瀝青的元素組成。通過鄂爾多斯盆地下古生界—中元古界儲層固體瀝青中大量樣品的能譜分析(圖2)，結果表明儲層固體瀝青主要由C，O兩種元素組成，其中C原子的質(zhì)量分數(shù)通常較高，一般大于60%(圖2)[17]。

圖1 鄂爾多斯盆地下古生界—中元古界儲層固體瀝青激光拉曼光譜特征曲線

1.2 儲層固體瀝青的分布

對鉆井巖心和露頭樣品中儲層固體瀝青的分布情況進行統(tǒng)計分析，發(fā)現(xiàn)儲層固體瀝青縱向上主要分布在下古生界的奧陶系、寒武系及中元古界的薊縣系(圖3)；平面上，主要分布在鄂爾多斯盆地的南部(圖3)。具體而言，奧陶系瀝青主要分布在盆地的南部，同時西部也有一定的分布[14-15,20-22]，此外，本次研究在鄂爾多斯盆地東部偏關縣鴨子坪剖面也發(fā)現(xiàn)有奧陶系瀝青出露，儲層固體瀝青主要賦存于馬家溝組二段厚層塊狀白云巖中，呈侵染狀，分布于層面和裂隙中(圖4(a))。該剖面馬二段為一套灰黃色泥質(zhì)白云巖，下部較厚，向上變薄，夾薄層灰?guī)r；盆地南部富平九龍村剖面馬六段白云巖中也發(fā)現(xiàn)儲層固體瀝青，主要分布于裂隙和層面中，新鮮露頭聞起來有輕微油味(圖4(b))。部分巖心樣品中可以觀察到溶蝕孔洞，裂隙中分布有固體瀝青(圖4(c)(d))。結合前人研究成果[14-15]，儲層固體瀝青縱向上發(fā)育的層位較多，從上奧陶統(tǒng)平?jīng)鼋M、中奧陶統(tǒng)馬家溝組六段/克里摩里、馬五段、馬四段、馬三段、馬二段，到下奧陶統(tǒng)亮甲山組均有分布，其中以馬六段、平?jīng)鼋M最為豐富(圖3)。

值得一提的是，本次研究首次在寒武系地層中發(fā)現(xiàn)了大量的儲層固體瀝青?？v向上，儲層固體瀝青主要分布在上寒武統(tǒng)三山子組和中寒武統(tǒng)張夏組、徐莊組，其中以上寒武統(tǒng)三山子組最為豐富(圖3)；平面上，主要分布在盆地南部，盆地內(nèi)部和東北部也有分布，如在盆地東北部內(nèi)蒙古清水河縣當陽橋水庫和窩坪村剖面中，都發(fā)現(xiàn)有三山子組的儲層固體瀝青，且儲層固體瀝青主要賦存于白云巖的層面和裂縫中(圖4(e)(f))。該剖面三山子組巖性為一套淺灰色竹葉狀灰?guī)r、青灰-暗灰色灰?guī)r和白云巖。

薊縣系瀝青主要分布在盆地的西南部，其中一處位于甘肅省崇信縣附近的露頭,規(guī)模較大，呈絲球形分布，較黑且污手，推測為古油藏[23]。另一處位于陜西岐山周五路剖面，在薊縣系龍家園組白云巖中也發(fā)現(xiàn)有儲層固體瀝青(圖4(h)(i))，瀝青呈脈狀充填在巖石裂隙中，污手，聞起來有輕微的油味。

綜上所述，鄂爾多斯盆地下古生界—中元古界儲層固體瀝青具有分布范圍廣、分布層位多的特征。瀝青的大量發(fā)現(xiàn)意味著盆地下古生界—中元古界在地質(zhì)歷史時期存在過大規(guī)模的油氣運聚過程，值得重視。

2 下古生界—中元古界儲層固體瀝青的地質(zhì)特征

2.1 儲層固體瀝青的含量

統(tǒng)計分析表明，奧陶系儲層固體瀝青含量整體較低，寒武系儲層固體瀝青含量整體較高，薊縣系則介于兩者間(圖5)。盆地北部奧陶系馬家溝組樣品中儲層固體瀝青質(zhì)量分數(shù)為0～5%，平均1.6%，其中上馬家溝組介于0.5%～2.0%，下馬家溝組為0.8%～2.0%[20]。盆地西部克里摩里組的瀝青質(zhì)量分數(shù)較低，介于0.2%～0.48%，桌子山組則為0.20%～0.35%，烏拉力克組的瀝青質(zhì)量分數(shù)最高可達5.37%[15]。盆地南部馬六段—平?jīng)鼋M瀝青質(zhì)量分數(shù)介于0.15%～2.38%，馬三段—馬四段瀝青質(zhì)量分數(shù)介于0.26%～0.35%[14]，而亮甲山組的瀝青質(zhì)量分數(shù)則為0.7%～1.2%[14]。顯然，本次分析的寒武系樣品中儲層固體瀝青質(zhì)量分數(shù)變化范圍較大，為0.41%～7.62%。具體而言，寒武系儲層固體瀝青質(zhì)量分數(shù)<0.5%的樣品占14%，≥0.5%～1%的樣品占14%，≥1%的樣品占72%，可見，寒武系儲層固體瀝青含量整體較高。進一步分析表明，縱向上，三山子組的瀝青質(zhì)量分數(shù)最高，為3.66%～7.62%；徐莊組次之，介于1.09%～3.00%；張夏組較低，介于0.41%～1.97%(圖5)。而中元古界薊縣系樣品較少，儲層固體瀝青質(zhì)量分數(shù)約2.21%。平面上，寒武系儲層固體瀝青的含量在盆地南部較高，向北其含量逐漸降低(圖5)。顯然，儲層固體瀝青的這種分布特征與現(xiàn)今發(fā)現(xiàn)的位于盆地南部的寒武系高豐度海相烴源巖具有較好的對應關系，也說明它們可能存在成因聯(lián)系。一般而言，地層中固體瀝青質(zhì)量分數(shù)大于0.2%，可能指示了地質(zhì)歷史上具有一定規(guī)模的古油藏存在[14]，本次發(fā)現(xiàn)的奧陶系、寒武系和薊縣系的瀝青質(zhì)量分數(shù)均大于0.2%，表明奧陶系-薊縣系在地質(zhì)歷史時期均具有良好的成藏條件，且發(fā)育有一定規(guī)模的古油氣藏。

圖5 鄂爾多斯盆地寒武系儲層固體瀝青含量分布特征

2.2 儲層固體瀝青的顯微特征

顯微鏡下觀察表明，白云巖、灰?guī)r中的儲層固體瀝青主要以充填-半充填狀分布于晶間孔、溶孔中，也有部分樣品以條帶狀分布于微裂縫中，僅極個別砂巖樣品中儲層瀝青分布于粒間孔中(圖6)。具體而言，奧陶系的儲層固體瀝青主要分布于細晶白云巖、中-粗晶白云巖和泥晶灰?guī)r的晶間孔、溶蝕孔隙和縫合線中，呈充填-半充填狀。寒武系的儲層固體瀝青主要分布于粉晶白云巖、灰?guī)r的裂縫及晶間孔和砂巖的粒間孔中，而中元古界薊縣系的儲層固體瀝青則主要分布于硅質(zhì)白云巖、含硅質(zhì)條帶白云巖、薄層狀泥晶或粉晶白云巖的層間、溶蝕孔隙和裂縫中，總體呈半充滿狀態(tài)。

圖6 鄂爾多斯盆地下古生界—中元古界儲層固體瀝青體積分數(shù)分布

熒光顯微鏡下，發(fā)現(xiàn)奧陶系-薊縣系儲層固體瀝青的熒光特征存在著較為明顯的差異。總體而言，主要有兩類熒光特征：一類熒光微弱，呈淡褐色，部分奧陶系儲層固體瀝青呈此特征；另一類不發(fā)熒光，熒光顯微鏡下為暗色，寒武系和薊縣系的儲層固體瀝青大多呈此特征(圖6)。奇怪的是，位于盆地內(nèi)部桃59井中寒武統(tǒng)徐莊組砂巖中的瀝青較為特殊，其熒光較亮，呈黃橙色熒光，推測可能與其長期處于烏審旗隆起，熱演化程度總體不高有關(圖6(d))。

不同成因的儲層固體瀝青在顯微鏡下具有不同的特征，原油裂解形成的焦瀝青通常具有一定的外觀形態(tài)，邊界清晰，反射率較高[16,24-25]，而生物降解等冷變質(zhì)作用形成的瀝青一般呈分散狀，形態(tài)不規(guī)則，在單偏光下呈黑色-黑褐色，反射光下一般呈灰黑色，反射率通常不高[16,24-25]。顯微特征表明，鄂爾多斯盆地及周緣下古生界—中元古界孔隙或裂縫內(nèi)暗色組分大多為儲層固體瀝青，瀝青充填度較高，總體與巖石顆粒呈鑲嵌接觸，表明原來可能為古油藏。此外，儲層固體瀝青樣品在顯微鏡下具有清晰的邊界，說明其可能主要為原油熱裂解作用形成的焦瀝青(圖6)。

2.3 儲層固體瀝青的成熟度

瀝青成熟度的研究對于油氣成藏條件的分析具有重要意義，也有助于分析油氣的運移和成藏期次[14,26]，進而確定瀝青的成因類型。一般而言，研究瀝青成熟度的手段主要有測定瀝青反射率、測試瀝青的激光拉曼光譜參數(shù)以及分析瀝青中的特征生物標志化合物等。

鄂爾多斯盆地奧陶系和薊縣系儲層固體瀝青熱演化程度總體較高，如中央隆起帶儲層固體瀝青的反射率為2.5%～3.15%[21]；盆地南部瀝青反射率更高，為3.0%～7.5%[14]；盆地西部瀝青反射率則為1.96%～4.57%[15]。這一特征與鄂爾多斯盆地地溫場的分布特征較為吻合[27]。盆地西南緣更深層的薊縣系瀝青反射率為2.7%～3.6%[23]。準確測定古老地層的熱演化成熟度一直以來是石油地質(zhì)研究面臨的難題[28]，僅從文獻報道的數(shù)據(jù)看，奧陶系儲層瀝青反射率比下伏的薊縣系高，似乎不符合地質(zhì)規(guī)律，推測可能與高演化階段儲層瀝青的各向異性及測試誤差有關，但可以確認的是，下古生界—中元古界儲層固體瀝青演化程度較高，達到了高—過成熟階段。

此外，本文也對奧陶系-薊縣系儲層固體瀝青樣品進行了激光拉曼光譜分析(圖1)，根據(jù)激光拉曼參數(shù)與瀝青反射率的換算公式[29]，得到薊縣系的等效瀝青反射率，為3.88%，寒武系為3.1%～3.36%，奧陶系(盆地南部)瀝青反射率為3.17%～3.42%，這一分析結果與反射率隨著深度增加而增大的地質(zhì)規(guī)律基本吻合，說明激光拉曼光譜分析的數(shù)據(jù)較為可靠。再結合瀝青反射率與鏡質(zhì)體反射率的換算公式[30]，可以得到薊縣系瀝青的等效鏡質(zhì)體反射率，為2.8%，寒武系為2.32%～2.48%，奧陶系(盆地南部)則為2.6%～2.51%，均反映了儲層固體瀝青經(jīng)歷的熱演化程度較高，從而進一步證實了下古生界—中元古界瀝青為焦瀝青的結論。

3 儲層固體瀝青的成因探討與資源潛力

不同成因的瀝青，具有不同的地質(zhì)意義。例如生物降解成因的瀝青，表明瀝青在地質(zhì)歷史時期經(jīng)歷過淺埋藏，烴類物質(zhì)受到生物降解的影響，原油裂解氣的產(chǎn)率明顯減小[31-32]；又如正常原油裂解成因的焦瀝青，伴隨焦瀝青的形成則會生成大量的原油裂解氣[2]。綜合考慮儲層固體瀝青的地質(zhì)特征，認為鄂爾多斯盆地下古生界—中元古界儲層固體瀝青基本為原油在高溫條件下發(fā)生裂解作用而形成的焦瀝青。與冷變質(zhì)作用形成的瀝青有較大區(qū)別，主要表現(xiàn)在瀝青的成熟度、顯微特征和經(jīng)歷的最高古地溫等幾個方面。首先，冷變質(zhì)作用形成的瀝青反射率比熱成因焦瀝青反射率低很多[33]，而鄂爾多斯盆地下古生界—中元古界儲層固體瀝青的等效鏡質(zhì)體反射率介于2.32%～2.80%間，達到了過成熟演化階段；其次，在顯微鏡下，儲層固體瀝青具有清晰的邊界，熒光下主要為黑色(圖6)；最后，根據(jù)瀝青的等效鏡質(zhì)體反射率與溫度的關系，利用換算公式Tmax=(ln(Ro%)+ 1.68)/0.012 4[34]估算其經(jīng)歷的溫度，達到了203～220 ℃，高于油藏中原油開始裂解的溫度(160～190 ℃)[35]。據(jù)此，可以認為鄂爾多斯盆地下古生界—中元古界儲層固體瀝青為原油裂解形成的焦瀝青。

古油藏中的原油在裂解時會生成大量的天然氣，同時形成一定數(shù)量的固體瀝青。通常，生成1 kg焦瀝青的同時對應生成約9～19 m3的天然氣[14]?；诖?，本次研究重點分析了寒武系古油藏的分布范圍，認為三山子組古油藏分布范圍較大，在旬探1井—淳探1井一帶，厚度較薄，約為2 m，但瀝青含量較高，平均體積分數(shù)達5.64%。張夏組古油藏則分布在麟探1井—靈1井一帶，平均厚度約7 m(表1)。而對于中寒武統(tǒng)徐莊組古油藏，目前僅見于桃59井，分布孤立，故本研究未將其列入計算。經(jīng)綜合估算，盆地南部寒武系原油裂解氣量為8.47×1012～1.789×1013m3。薊縣系儲層固體瀝青僅見于盆地西南部兩處露頭，樣品點較少，也未對其進行估算，但其產(chǎn)氣量也應該相當可觀。結合張春林等[14]對鄂爾多斯盆地南部奧陶系儲層固體瀝青伴生的原油裂解氣估算，鄂爾多斯盆地南部下古生界—中元古界原油裂解氣總量為1.207×1013～2.559×1013m3。

表1 鄂爾多斯盆地南緣寒武系原油熱裂解生氣量估算表

4 油氣勘探意義

鄂爾多斯盆地奧陶系、寒武系和薊縣系儲層固體瀝青普遍發(fā)育，特別是首次在寒武系地層中發(fā)現(xiàn)大量的儲層固體瀝青，對鄂爾多斯盆地下古生界—元古界的油氣勘探具有重要意義。

一方面，儲層固體瀝青的存在暗示下古生界—中新元古界地層中可能分布潛在的烴源巖。從分布看，奧陶系儲層固體瀝青的來源可能與平?jīng)鼋M烴源巖有關[11]。近期發(fā)現(xiàn)的下寒武統(tǒng)高豐度海相烴源巖可能對本研究發(fā)現(xiàn)的下古生界—中元古界儲層固體瀝青的貢獻較大。從熱演化程度看，本研究發(fā)現(xiàn)的寒武系儲層固體瀝青與下寒武高豐度海相烴源巖的熱演化程度相似[10,36]，推測寒武系瀝青的來源可能與這套高豐度海相烴源巖的分布有關，進而揭示了寒武系可能存在自生自儲型的成藏組合類型。對于薊縣系儲層固體瀝青的來源，其抽提物的生物標志物特征[23]與長城系烴源巖的生物標志物特征相似，說明其可能來源于長城系烴源巖[6]。

另一方面，鄂爾多斯盆地南部儲層固體瀝青的大量發(fā)現(xiàn)表明盆地奧陶系、寒武系及薊縣系地層具備形成大中型天然氣田的資源條件，同時也揭示了鄂爾多斯盆地深部可能存在新的勘探領域。目前，所發(fā)現(xiàn)的儲層固體瀝青的熱演化程度普遍較高，等效鏡質(zhì)體反射率達為2.32%～2.80%。如此多層位、大面積的高成熟度瀝青的發(fā)現(xiàn)，預示存在著大量原油裂解氣的生成，初步估算其產(chǎn)氣量約1.207×1013～2.559×1013m3。此外，已有研究表明，靖邊氣田天然氣中有奧陶系古油藏原油裂解氣的貢獻[11,15]。因此，盆地南部伴隨著奧陶系、寒武系和薊縣系儲層固體瀝青的形成而生成的大量天然氣必將成為今后鄂爾多斯盆地深層重要的勘探領域。另外，在盆地北部錦 13井中元古界測試獲得23 970 m3/d天然氣流，也為深層領域具有重大勘探前景提供了另一佐證[5]。

5 結 論

鄂爾多斯盆地下古生界—中元古界地層中發(fā)育有大量的儲層固體瀝青，說明盆地深層可能發(fā)育潛在的烴源巖。根據(jù)烴源巖的分布特征，可知分布于盆地南部下寒武統(tǒng)的高豐度海相烴源巖和分布于裂陷槽內(nèi)長城系烴源巖，可能分別是寒武系和薊縣系儲層固體瀝青的主要貢獻者。瀝青的鏡下特征和成熟度研究，進一步表明下古生界—中元古界地層中發(fā)育的儲層固體瀝青主要為原油裂解形成的焦瀝青，預示著鄂爾多斯盆地深層可能存在大量油型裂解氣。本文通過對儲層固體瀝青的系統(tǒng)研究，為鄂爾多斯盆地下古生界—元古界尋找深部大型天然氣田提供了科學依據(jù)。

致謝：感謝中國石油長慶油田勘探開發(fā)研究院袁效奇高級工程師在野外工作中的幫助。感謝中國石油天然氣集團公司油藏描述重點實驗室王璞、茍迎春和惠媛媛在薄片觀察、電子探針和場發(fā)射掃描電鏡分析中給予的幫助。同時，中國石油長慶油田分公司勘探開發(fā)研究院魏新善、孫六一、包洪平、任軍峰等領導和專家提供了幫助和指導，在此致以衷心感謝！感謝評審專家提出的寶貴意見！