張邁，宋到福，王鐵冠，何發(fā)岐，張威，唐友軍，蔣興超，何秀娟

1.中國石油大學(北京)油氣資源與工程全國重點實驗室，北京 102249

2.中國石化華北油氣分公司，河南 鄭州 450000

3.長江大學資源與環(huán)境學院，湖北 武漢 430100

杭錦旗地區(qū)是鄂爾多斯盆地北部油氣勘探開發(fā)的重點區(qū)塊之一，截至2021年底該地區(qū)天然氣探明儲量已接近2 000億方，勘探潛力巨大［1］。近年來勘探結果表明，杭錦旗地區(qū)上古生界油氣主要來源于晚石炭系太原組和二疊系山西組的煤系烴源巖，前人也針對這兩套烴源巖的沉積環(huán)境、平面展布特征以及生烴潛力等方面開展了大量研究并取得了一定的認識［2-6］。然而，目前對于上古生界煤系烴源巖分子地球化學方面的研究較薄弱，不同層位烴源巖之間的地球化學特征差異也缺乏對比性分析，導致山西組和太原組的烴源巖未能較好地區(qū)分開來，從而使得研究區(qū)油氣來源方面的認識較為籠統(tǒng)，在一定程度上制約了后續(xù)的勘探工作。

筆者在前人研究的基礎上，對杭錦旗地區(qū)上古生界烴源巖的地球化學特征進行剖析，對不同層位烴源巖的基本特征及生物標志化合物組成特征進行對比研究，分析其在沉積環(huán)境、有機質來源等方面的差異，并建立有效的有機地化判識指標，以期為該區(qū)后續(xù)的油源對比及油氣勘探提供地球化學依據。

1 區(qū)域地質概況

杭錦旗地區(qū)位于鄂爾多斯盆地北緣，橫跨伊盟隆起、伊陜斜坡和天環(huán)坳陷3個構造單元，以杭錦旗為中心，縱橫跨達拉特旗、東勝、伊金霍洛旗和鄂托克旗等城市，總勘探面積約8 940 km2［7］。構造上，研究區(qū)整體為“東高西低、北高南低”的大型單斜，區(qū)內主要發(fā)育有泊爾江海子、烏蘭吉林廟和三眼井3條斷裂，其中以泊爾江海子斷裂為界，研究區(qū)可以劃分為南、北兩部分［3,6,8］(見圖1)。

圖1 杭錦旗地區(qū)地理位置及地層分布(據文獻[10])

研究區(qū)主要經歷了5期構造運動：加里東構造運動、海西構造運動、印支構造運動、燕山構造運動和喜馬拉雅構造運動。在加里東構造運動晚期，研究區(qū)經歷了普遍的抬升和剝蝕，造成泥盆系和下石炭統(tǒng)的缺失。因此，研究區(qū)自下而上先后發(fā)育了上石炭統(tǒng)(C)、二疊系(P)、三疊系(T)、侏羅系(J)、白堊系(K)、古近系(E)、新近系(N)以及第四系(Q)，其中石炭系太原組和二疊系山西組發(fā)育的煤系烴源巖是研究區(qū)主要的油氣來源［9-11］。前人研究認為，研究區(qū)南部斜坡區(qū)為烴源巖主要發(fā)育區(qū)域，而受古地貌影響，研究區(qū)北部烴源巖分布較為局限，故研究區(qū)烴源巖整體呈“南厚北薄”的展布特征。二疊系下石盒子組發(fā)育的砂巖層為研究區(qū)油氣成藏提供了良好的儲集條件，而其上覆地層上石盒子組廣泛發(fā)育的大套泥巖則形成了較好的蓋層［12］(見圖1)。

2 樣品采集與實驗分析

本次研究在杭錦旗地區(qū)南部采集烴源巖樣品25件用于進行分析比對，其中山西組烴源巖樣品19件，太原組烴源巖樣品6件，采集點井位分布如圖1所示。各項分析實驗均在中國石油大學(北京)油氣資源與工程全國重點實驗室內完成，涉及的實驗方法及設備條件如下：

1)總有機碳測定。將烴源巖樣品粉碎至粉末狀(80目篩子過篩)，稱取100 mg左右樣品放入坩堝，加入適量稀鹽酸反應至無氣泡，隨后蒸餾水淋濾2～3 d直至沖洗干凈。將坩堝置于恒溫干燥箱中烘干后放入儀器中進行總有機碳的測定，分析儀器為美國LECO公司CS230碳硫測定儀。

2)巖石熱解分析。將儀器空樣運行3次后用標樣進行校正，隨后用坩堝稱取適量粉末狀樣品(80～100 mg)置于儀器中，初始溫度300 ℃，程序升溫速率50 ℃/min，獲取烴源巖各項熱解參數。本次分析所選儀器為OGE-Ⅱ巖石熱解分析儀。

3)可溶有機質抽提與分離。取適量粉末狀樣品裝入經抽提過的濾紙筒中包好并裝入索氏抽提器中，在底部燒瓶中裝入1/3容量的二氯甲烷，水浴恒溫連續(xù)抽提24 h后用旋轉蒸發(fā)器濃縮抽提液并置于三角瓶中，加入正己烷溶劑將瀝青質沉淀并去除。隨后，將可溶物移液至層析柱(氧化鋁硅膠質量比2∶3)中，依次加入石油醚、二氯甲烷+石油醚(體積比2∶1)和甲醇+二氯甲烷(體積比1∶9)，將飽和烴、芳烴和非烴組分分離出來。

4)GC-MS分析。實驗所用儀器型號為Agilent 6890-5975I，毛細管色譜柱為HP-5MS，載氣為氦氣，離子源溫度230 ℃，四極桿溫度150 ℃，電子能量70 eV。飽和烴升溫程序為初溫100 ℃，恒溫1 min，以4 ℃/min的升溫速率升至300 ℃，恒定15～20 min；芳烴升溫程序為初溫80 ℃，恒溫1 min，以3 ℃/min的升溫速率升至300 ℃，恒定15～20 min。

5)干酪根碳同位素分析。將干酪根樣品用4 mm×6 mm錫杯包裝好后放入自動進樣器中，隨后送入氧化爐中充分燃燒生成CO2氣體，隨載氣一同進入儀器進行碳同位素組成測定。所用儀器為MAT 253穩(wěn)定同位素質譜儀，載氣為氦氣。

3 結果與討論

3.1 烴源巖基礎地球化學特征對比

有機質豐度是衡量烴源巖生烴物質基礎的重要參數，常用的指標包括總有機碳含量(TOC，%)、可溶烴質量分數(S1，mg/g)以及熱解生烴潛量(S1+S2，mg/g)等。巖石熱解分析結果顯示，山西組和太原組煤的TOC均高于40%，炭質泥巖TOC均高于20%，說明這兩套烴源巖有機質含量均較高。PETERS和CASSA［13］根據有機質熱解烴質量分數S2與TOC的相關關系將烴源巖劃分為極好、很好、好、差和非烴源巖五大類。由圖2可知，所有烴源巖均屬于很好-極好烴源巖，具有較好的生烴潛力。通過進一步將兩個層位烴源巖的S1和S1+S2兩個參數進行對比分析發(fā)現，山西組烴源巖S1均高于2 mg/g，S1+S2大部分高于100 mg/g(占比84.21%)，而太原組烴源巖S1主要分布于0.5～2 mg/g和2～20 mg/g兩個區(qū)間，S1+S2主要分布在6～20 mg/g和20～100 mg/g兩個區(qū)間。由此可見，整體上山西組烴源巖的生烴能力比太原組烴源巖強(見圖3)。

圖2 杭錦旗地區(qū)烴源巖S2-TOC交會圖

圖3 杭錦旗地區(qū)烴源巖S1、S1+S2分布直方圖

烴源巖有機質類型是影響烴源巖生烴類型的重要因素，通常根據有機質來源將烴源巖有機質類型劃分為三類：Ⅰ型(腐泥型，來源為藻類)、Ⅱ型(過渡型，來源為藻類或陸源孢粉、樹脂)和Ⅲ型(腐殖型，來源為木質纖維或腐殖質)。常用的烴源巖有機質類型劃分方法為經典的范氏圖解法，但該方法存在分析周期較長且需要的樣品量較大等問題，故逐漸被更為簡便的S2-TOC相關圖法替代［14-15］。S2-TOC相關圖法的主要依據是氫指數IH(IH=S2/TOC×100)，LANGFORD等［16］將IH=700 mg/g和IH=200 mg/g分別作為Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型的分界線，根據其劃分方案對研究區(qū)烴源巖分析發(fā)現，山西組和太原組烴源巖均以Ⅲ型有機質為主(見圖2)。除巖石熱解數據外，烴源巖有機質抽提物族組成特征也可用于劃分烴源巖有機質類型。根據烴源巖族組分分離實驗結果，研究區(qū)烴源巖中飽和烴和芳烴的質量分數明顯較低，而非烴+瀝青質的含量則普遍較高，除個別樣品外，均高于70%，反映其有機質類型以Ⅲ型為主(見圖4)。此外，山西組和太原組烴源巖干酪根δ13C值分布范圍為-24.5‰～-22.1‰，符合Ⅲ型有機質δ13C值分布特征(>-26‰)，進一步論證了前文觀點(見表1)。

表1 杭錦旗地區(qū)烴源巖基礎地球化學特征參數統(tǒng)計表

圖4 杭錦旗地區(qū)烴源巖可溶有機質組分三角圖

Tmax是衡量烴源巖成熟度常用的化學指標。鄔立言等［17］通過統(tǒng)計歸納我國多個盆地的實例數據，建立了不同類型烴源巖Tmax與鏡質體反射率(Ro)的對應關系表(見表2)。對于Ⅲ型有機質的烴源巖而言，當Tmax低于432 ℃時，烴源巖處于未熟階段；當Tmax介于432～460 ℃和445～470 ℃時，烴源巖處于成熟-高成熟演化階段，產物分別為油和凝析油；當Tmax介于460～505 ℃時，烴源巖處于高成熟演化階段，該階段產物以濕氣為主；當Tmax高于505 ℃時，烴源巖處于過成熟演化階段，該階段的產物為干氣。根據對杭錦旗地區(qū)上古生界烴源巖Tmax的測定分析結果可知，山西組和太原組烴源巖Tmax在454～478 ℃之間，均處于成熟、高成熟演化階段，主要產生凝析油和濕氣。其中，太原組烴源巖Tmax大部分高于470 ℃，而山西組烴源巖Tmax則主要在460～470 ℃范圍內，說明太原組烴源巖成熟度整體上高于山西組烴源巖(見表2)。

表2 不同類型烴源巖Tmax與Ro對應關系表(據文獻[17]，有修改)

3.2 生物標志化合物特征對比

3.2.1 正構烷烴與類異戊二烯烴

GC-MS分析結果表明，所有烴源巖樣品正構烷烴基線均較為平直，奇碳數與偶碳數相對豐度較接近，碳優(yōu)勢指數(CPI)和奇偶優(yōu)勢指數(OEP)均接近1，表明烴源巖均已達到成熟演化階段［18-19］(見表3)。然而，不同層位烴源巖的正構烷烴分布特征之間仍存在差異。山西組烴源巖正構烷烴呈現出較為明顯的單峰態(tài)后峰型分布特征(主峰碳在nC23左右)，說明有機質來源中高等陸生植物做的貢獻相對較高；太原組烴源巖正構烷烴則多呈雙峰態(tài)分布特征(主峰碳多為nC18和nC22)，說明其有機質來源中除高等陸生植物輸入外，低等水生生物也有一定的貢獻(見圖5)。

圖6 山西組、太原組Pr/nC17-Ph/nC18交會圖

表3 山西組、太原組烴源巖生物標志化合物參數統(tǒng)計表

圖5 山西組、太原組烴源巖m/z 85質量色譜圖

姥鮫烷(Pr)和植烷(Ph)均來自于植醇，其比值(Pr/Ph)能反映烴源巖形成環(huán)境的氧化還原性。通常Pr/Ph<1.0反映還原性沉積環(huán)境，而Pr/Ph>3.0則多出現于氧化環(huán)境中［20］。本次研究所分析的烴源巖樣品中，山西組烴源巖均呈現出較為明顯的姥鮫烷優(yōu)勢(Pr/Ph為0.73～1.73，大部分高于1.0)，說明其可能形成于偏氧化的環(huán)境；太原組烴源巖中植烷豐度則普遍較姥鮫烷高(Pr/Ph為0.29～0.48)，說明其沉積環(huán)境相對偏還原(見圖5，表3)。此外，沉積環(huán)境的氧化還原性也可以通過Pr/nC17與Ph/nC18的相關關系來表征［21-22］。通過將兩個層位烴源巖的Pr/nC17與Ph/nC18進行交會分析發(fā)現，山西組烴源巖樣品點主要分布于偏氧化-氧化環(huán)境區(qū)間，而太原組烴源巖樣品點則主要落在偏還原-還原環(huán)境區(qū)間，這與前文所分析結論相符(見圖6)。

3.2.2 三環(huán)萜烷、四環(huán)萜烷與藿烷系列

三環(huán)萜烷與四環(huán)萜烷是重要的生物標志化合物，它們在不同性質的烴源巖中的組成特征存在明顯差異。三環(huán)萜烷系列通常被認為可能來源于原核生物細胞膜，但高豐度的三環(huán)萜烷分布特征也可能與一些海相藻類(如Tasmania藻)的貢獻有關［23-24］。低碳數的三環(huán)萜烷系列化合物(如C19TT和C20TT)可能來源于二萜類先質，通常代表著高等陸生植物的輸入，而以低等水生生物輸入為主的淡水湖相烴源巖中則常以C21三環(huán)萜烷(C21TT)為主，因此常用(C19TT+C20TT)/C21TT來反映不同有機質的輸入［25-26］。山西組烴源巖三環(huán)萜烷系列化合物整體相對含量較高，且C19TT和C20TT相對于C21TT的豐度較高，(C19TT+C20TT)/C21TT為1.95～3.89，說明其母質主要來源于高等陸生植物；太原組烴源巖三環(huán)萜烷系列化合物整體相對含量較低，且C19TT和C20TT相對于C21TT的豐度也較低，(C19TT+C20TT)/C21TT為0.82～2.55，反映其母質除了高等陸生植物的貢獻外還有低等水生生物的貢獻(見圖7、圖8，表3)。

圖8 山西組、太原組(C19TT+C20TT)/C21TT-C24TeT /C26TT交會圖

圖7 山西組、太原組烴源巖m/z 191質量色譜圖

四環(huán)萜烷一般與陸源有機輸入有關，通常將C24四環(huán)萜烷(C24TeT)與C26三環(huán)萜烷(C26TT)的相對含量關系作為判識有機質來源的指標［27-28］。山西組烴源巖中C24TeT相對含量普遍較C26TT高(C24TeT/C26TT為0.57～2.66，大部分高于1.00)，反映高等陸生植物對其母質來源的貢獻較大；太原組烴源巖中C24TeT含量相對C26TT而言則較為適中(C24TeT/C26TT為0.53～1.10)，說明其母質來源中也有著較多的低等水生生物輸入(見圖8，表3)。

藿烷系列化合物主要來源于原核生物或細菌，在原油和烴源巖中普遍存在［29-30］。山西組和太原組烴源巖中藿烷系列化合物分布較完整，規(guī)則藿烷中C30藿烷(C30H)占優(yōu)勢，C31以上化合物豐度較低，且隨碳數增高呈遞減型分布，呈現出典型湖相烴源巖的分布特征。此外，所有樣品中均檢測到一定含量的伽馬蠟烷，但其相對含量較低(Ga/C30H主要分布于0.12～0.30)，說明其可能沉積于淡水環(huán)境［31］(見圖7，表3)。

3.2.3 甾烷系列

山西組和太原組烴源巖的甾烷系列分布較完整，其中C27～C29規(guī)則甾烷(C27R、C28R、C29R)是該系列的主要組成部分，其次為重排甾烷。通常C27甾烷優(yōu)勢指示有機質以低等水生生物輸入為主，而C29甾烷優(yōu)勢則指示有機質以高等陸生植物輸入為主［32-33］。山西組C27、C28、C29規(guī)則甾烷相對含量分別為18.07%～27.30%、27.26%～36.36%和37.49%～49.46%；太原組C27、C28、C29規(guī)則甾烷相對含量則分別為20.73%～28.71%、33.47%～40.14%和37.67%～40.79%(見表3)。從分布特征上看，山西組、太原組烴源巖C27、C28、C29規(guī)則甾烷均呈不對稱“V”型分布，反映有機質來源中既有高等陸生植物的輸入也有低等水生生物的輸入。但山西組烴源巖中C29規(guī)則甾烷相對含量均高于C27規(guī)則甾烷(C27R/C29R為0.58～0.94)，說明其有機質來源中高等陸生植物輸入占比更高；而太原組烴源巖中C27規(guī)則甾烷相對含量則與C29規(guī)則甾烷相近，甚至高于C29規(guī)則甾烷(C27R/C29R為0.89～1.07)，反映其有機質來源中低等水生生物的貢獻可能更高(見圖9)。從C27-C28-C29規(guī)則甾烷三角圖中可知，山西組和太原組烴源巖數據點均落在Ⅲ區(qū)，進一步證實了兩個層位烴源巖來源為混合源的觀點。對比分析兩個層位數據點的分布情況可以發(fā)現，山西組烴源巖數據點相對更靠近Ⅱ區(qū)(陸生植物為主)，而太原組烴源巖數據點則相對更靠近Ⅶ區(qū)(浮游植物為主)，說明前者可能有更高的高等陸生植物貢獻，而后者來自低等水生生物的貢獻可能性更高(見圖10)。

圖9 山西組、太原組烴源巖m/z 217質量色譜圖

圖10 烴源巖C27-C28-C29規(guī)則甾烷三角圖

3.2.4 芳烴系列

除飽和烴外，芳烴中也有不少能夠反映烴源巖沉積環(huán)境的生物標志化合物參數。“三芴系列”通常指芳烴中的芴(F)系列、硫芴(SF)系列和氧芴(OF)系列，它們具有相似的結構骨架，在還原性較強的環(huán)境中F會更多地向SF轉化，而在氧化性較強的環(huán)境中F則會更多地向OF轉化，因此F、OF和SF的相關關系常用于判斷沉積環(huán)境的氧化還原性［34］。李水福等［35］建立了ΣSF/(ΣSF+ΣF)-ΣOF/(ΣOF+ΣF)判識圖版來識別有機質的形成環(huán)境，由圖11可知，山西組烴源巖OF含量相對較高，可能形成于氧化環(huán)境中，而太原組烴源巖SF含量相對較高，形成環(huán)境還原性相對較強。

圖11 烴源巖三芴系列識別沉積環(huán)境圖

此外，硫芴與菲的比值(SF/P)也常用來識別沉積環(huán)境。HUGHES等［36］通過SF/P與Pr/Ph兩個參數將有機質沉積環(huán)境劃分為5類：海相碳酸鹽巖、海相碳酸鹽巖或泥灰?guī)r、深湖-半深湖相、淺湖相和河流-三角洲相。山西組烴源巖數據點主要落在淺湖相區(qū)間內，而太原組烴源巖數據點則全部落在深湖-半深湖相區(qū)間內，進一步證明了太原組烴源巖形成環(huán)境還原性較山西組強(見圖12)。

圖12 烴源巖SF/P-Pr/Ph識別沉積環(huán)境

4 建立有機地化特征判識指標

明確油氣來源是油氣勘探開發(fā)的關鍵，而區(qū)分不同烴源巖之間的差異、判識不同類型烴源巖是開展油源對比工作的基礎。本次研究通過Pr/Ph、(C19TT+C20TT)/C21TT、C24TeT/C26TT、C27R/C29R以及ΣOF/(ΣOF+ΣF)等參數建立了有機地化特征判識指標，將杭錦旗地區(qū)山西組和太原組兩套烴源巖區(qū)分開來(見表4)。烴源巖判識指標的建立對研究區(qū)油氣成因類型判識具有指示意義，通過分析原油生物標志化合物特征，結合相應的判識指標，可以更加明確地判斷各層位烴源巖對其所做的貢獻。在此基礎上，進一步結合烴源巖展布及輸導體系特征，可以對研究區(qū)油氣運移成藏有更加清晰的認識。因此，建立不同層位烴源巖有機地化特征判識指標對研究區(qū)油源判識乃至后續(xù)油氣勘探開發(fā)均有著重要的意義。

表4 山西組、太原組烴源巖有機地化特征判識指標

5 結束語

山西組和太原組烴源巖均具有較高的有機質豐度，屬于好-極好烴源巖。其中，山西組烴源巖的生烴潛力整體上較太原組烴源巖好，而太原組烴源巖成熟度則整體上比山西組烴源巖高。此外，兩套烴源巖干酪根同位素均偏重，且抽提物中非烴+瀝青質含量較高，呈現Ⅲ型烴源巖的特征。

生物標志化合物組合特征表明，兩個層位的烴源巖均已達到成熟演化階段，形成于淡水湖相環(huán)境，有機質來源于高等陸生植物和低等水生生物的共同貢獻，且遭受生物降解的程度較低。但經進一步對比發(fā)現，不同層位在生物標志化合物組成上也有著一定的差異，具體表現為：山西組烴源巖正構烷烴呈單峰態(tài)后峰型分布，姥植比較高，三環(huán)萜烷系列化合物整體含量高且(C19TT+C20TT)/C21TT較高，C24TeT相對于C26TT的含量較高，C29規(guī)則甾烷普遍高于C27規(guī)則甾烷，“三芴系列”中氧芴含量高，指示其形成環(huán)境為氧化-偏氧化環(huán)境，有機質來源中高等陸生植物輸入較多；太原組烴源巖正構烷烴多呈雙峰態(tài)分布，姥植比較低，三環(huán)萜烷系列化合物整體含量較低且(C19TT+C20TT)/C21TT低，C24TeT相對于C26TT的含量較適中，C27規(guī)則甾烷相對含量與C29規(guī)則甾烷相近或略高于后者，“三芴系列”中硫芴含量高，反映其沉積環(huán)境還原性相對較強，有機質來源中低等水生生物的貢獻更多。

基于兩套烴源巖在生物標志化合物組合特征上的差異，本次研究選取Pr/Ph、(C19TT+C20TT)/C21TT、C24TeT/C26TT、C27R/C29R以及ΣOF/(ΣOF+ΣF)建立了相應的有機地化判識指標。上述指標能較好地將山西組和太原組烴源巖區(qū)分開來，對研究區(qū)后續(xù)的油氣勘探工作有著較重要的意義。