鄂爾多斯盆地鹽池—定邊地區長7段烴源巖芳烴地球化學特征

劉亞洲，剛文哲，陳果，孫晶波，姜崇

中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249

0 引言

鄂爾多斯盆地是我國油氣勘探的一個重要的含油氣盆地，石油主要分布于侏羅系延安組和三疊系延長組，其中長慶油田截止2016年底在該盆地年產油氣當量連續四年突破5 000萬噸，成為國內油氣生產的絕對主力。前人關于上三疊統延長組進行了大量研究分析表明延長組形成于淡水—微咸水湖泊沉積環境，烴源巖以處于低熟—成熟階段的長4+5—長9段的半深湖—深湖環境中的泥頁巖為主[1]，其中長7段為該盆地延長組的主力烴源巖層段[2]。即使是同一層位的烴源巖也會由于沉積環境等因素的不同而導致不同位置的烴源巖生烴潛力的差異，這直接影響著研究區的勘探前景。鹽池—定邊地區位于鄂爾多斯盆地的西北緣，勘探程度相對較低，根據研究區鉆探井位的錄井資料揭示該研究區的長8段、長9段和長4+5段具有很好的油氣顯示，并且在峰2井獲得了高產油氣流[3]。鹽池—定邊地區遠離湖盆中心，烴源巖有機地球化學特征與湖盆中心的烴源巖存在差異。芳烴作為烴源巖抽提物的一個重要組成部分，可提供豐富地質信息，包括生源母質類型、沉積環境、成熟度和油源對比，且芳烴相對于飽和烴具有更強的穩定性，在成熟度評價過程中適用范圍更廣，因此在有機質成熟度評價中顯示出其特有的優越性，對芳烴的深入研究也是對飽和烴研究的一個很好的補充和佐證[4-5]。目前對于鹽池—定邊地區長7烴源巖芳烴地球化學特征的系統研究較為薄弱，本文通過芳烴色譜—質譜實驗分析，對鹽池—定邊地區烴源巖抽提物中的芳烴生物標志化合物特征進行系統分析，從而明確研究區烴源巖的生源、沉積環境和成熟度特征，以期有助于深入認識研究區的油氣成因，為區內中生界的進一步勘探提供參考依據。

1 地質背景

鄂爾多斯盆地位于我國的中西部，是繼塔里木盆地之后的我國的第二大沉積盆地，整體形狀為一南北向延伸的矩形盆地。盆地地跨陜、甘、寧、蒙、晉五省區，面積約25×104km2，可供勘探的面積達到10×104km2以上。鄂爾多斯盆地東自呂梁山，西抵賀蘭山、六盤山，南到秦嶺，北起陰山、大青山和狼山[6-7]。根據鄂爾多斯盆地的構造特征、基底性質以及現今的構造形態，可以將鄂爾多斯盆地劃分為六個一級構造單元(圖1)，即東部晉西撓褶帶、西部天環坳陷、南部渭北隆起帶、北部伊盟隆起帶、中部伊陜斜坡帶和西緣隆起帶。盆地演化至今，雖經歷過呂梁、晉寧、加里東、海西、印支、燕山和喜山等多期構造運動疊合的影響，但盆地內構造環境相對穩定。根據前人的研究成果[8]，該盆地的構造演化史可以分為中晚元古代坳拉谷、早古生代淺海臺地、晚古生代近海平原、中生代內陸湖盆和新生代周邊斷陷五個演化階段，其中中生代內陸湖盆階段形成了該盆地最為重要的三疊系和侏羅系油藏。晚三疊世是鄂爾多斯盆地烴源巖主要發育時期，湖盆水體經歷了淺—深—淺的變化過程，在湖盆鼎盛時期深湖—半深湖相發育的泥頁巖為該盆地中生界的主力烴源巖。晚三疊世延長組根據地層的沉積特征和油層的縱向分布特征，可以將延長組分為5段10個油層組。長10到長8時期為湖盆的擴張時期，長7為湖盆的鼎盛時期，長6到長1時期為湖盆消亡時期，至此完成了湖泊的出現、發展和消亡的整個過程[9-10]。受到多重因素的影響[11-12]，長7烴源巖成為全盆最為發育的優質烴源巖。本次研究所取鹽池—定邊地區13口井16塊烴源巖樣品，井位見圖1，通過芳烴化合物組成特征和相對含量來探討研究區烴源巖的生源和沉積環境特征，選取有效的烷基萘、烷基菲和三芳甾烷等系列成熟度參數來進行烴源巖成熟度評價。

2 樣品和實驗

本次研究在鹽池—定邊地區13口井的上三疊統延長組中的長7油層組共采集了16塊源巖樣品，巖性為深灰色、灰色泥巖。源巖樣品的有機碳含量主要介于0.77%～7.17%，平均值為2.79%；生油潛量(S1+S2)大都變化在1.11～39.20 kg/t，平均值為9.03 kg/t；氯仿瀝青“A”含量為0.12%～1.16%，平均值為0.48%(表1)。與有機碳含量相比，生油潛量和氯仿瀝青“A”反映的有機質豐度值顯得偏高，表明研究區烴源巖生成液態烴量較大的特點。源巖樣品的干酪根碳同位素組成分布于-24.7‰～-30.6‰之間，變化范圍較大；飽和烴含量介于12.95%～58.42%，飽和烴/芳烴比值大于1；氫指數主要介于82～491 mg/g之間，表明研究區有機質類型主要為Ⅱ1和Ⅱ2混合型有機質(圖2)。所選的16塊源巖樣品的熱解Tmax為441 ℃～455 ℃，根據范式圖可以發現這些樣品均屬于成熟烴源巖，且正處于生油窗范圍。

烴源巖樣品粉碎至100目，經索氏抽提72小時，稱取適量的氯仿瀝青“A”放入三角瓶中，先用石油醚進行溶解、過濾，其中不能溶解的組分即為瀝青質，然后用硅膠/氧化鋁柱層析分離，分別用石油醚、以2∶1比例混合的二氯甲烷和石油醚、以93∶7比例混合的二氯甲烷和甲醇依次分離得到飽和烴、芳烴、非烴組分。每個組分自然風干保存，以備進入色譜—質譜分析儀檢測。

圖1 研究區地質構造及采樣點位置圖Fig.1 Geological structure of the study area showing the sampling locations

表1 鹽池—定邊地區烴源巖熱解參數與族組成特征

圖2 鹽池—定邊地區烴源巖有機質類型范氏圖解(底圖據Espitalie et al.[13])Fig.2 Van Krevelen diagram for source rocks in Yanchi-Dingbian area (based on Espitalie et al.[13])

烴源巖的芳烴組份采用常規色譜分離，分離前加入D-DBT標樣。芳烴分析使用美國Agilent公司生產的7890-5975c色譜—質譜—質譜聯用儀，色譜分析條件：色譜柱為HP-5MS彈性石英毛細柱(60 m×0.25 m×0.25 μm)，采用純度為99.999%氦氣作為載氣，載氣流速為1 mL/min，進樣口溫度為290 ℃，傳輸線溫度為250 ℃，進樣方式為不分流進樣。升溫程序：柱始溫50 ℃，恒溫1 min，以15 ℃/min的升溫速率升至120 ℃，再以3 ℃/min的升溫速率升至300 ℃，保持恒溫35 min。質譜分析條件：離子源采用電子(EI)轟擊，電子能量70 eV，絕對電壓1 047 V，采用全掃描/選擇離子采集方式，質量掃描范圍m/z為50～600，掃描時間為1.8 s。化合物的定性研究是根據《氣相色譜質譜法測定沉積物和原油中生物標志物》(GB/T18606—2001)為標準，化合物的定量研究是在其特征離子對應的質量色譜圖中完成。根據不同系列化合物在質量色譜圖中的峰面積進行相關參數比較和計算。

3 結果與討論

3.1 芳烴宏觀分布特征

圖3 研究區源巖芳烴總離子流圖Fig.3 The TIC of aromatic hydrocarbon of source rocks in the study area

3.2 萘系列化合物

研究區的長7烴源巖樣品中普遍存在萘和多甲基取代萘系列化合物，且含量較高，該系列化合物的廣泛存在也反映出陸源有機質的輸入對該地區烴源巖的形成占有一定的貢獻[19]。萘系列化合物的分布特征同樣受到生源、成熟度的影響，因此可以用多甲基取代萘系列化合物的分布特征和相對比值來反映研究區的有機質類型和成熟度等信息。萘系列化合物在研究區源巖樣品中主要有萘、甲基萘、二甲基萘、三甲基萘和四甲基萘，其中二甲基萘、三甲基萘和四甲基萘相對含量較高，而萘和甲基萘含量較低。結合所取樣品的深度和萘系列化合物分布特征，還可以看出隨著埋藏深度的增加，二甲基萘和三甲基萘的相對含量有所增大(圖3)。根據前人研究成果[20]認為，1,2,5-TMN和1,2,5,6-TeMN化合物存在兩種生物先質，即高等植物生源的五環三萜香樹素或者樹脂生源的二環二萜刺柏酸，因此萘系列中這兩種化合物的存在可以作為陸源高等植物生源的生物標志物。研究區源巖樣品普遍含有1,2,5-TMN和1,2,5,6-TeMN(表2)，且部分樣品含量偏高，表明研究區源巖的生源主要以低等水生生物為主，同時部分位置含有較多的高等植物的有機質。隨著有機質熱演化程度的增高，熱力學中不穩的α位取代基向較為穩定的β位遷移，即具有β位取代基的異構體含量相對增加[21-22]。

通過對研究區源巖樣品中MNR、TNR1和TNR2參數對比研究可以發現研究區的源巖樣品成熟度相差不大。利用TNR2計算的類似鏡質體反射率R1介于0.77%～0.98%之間，平均值為0.86%，也反映出該研究區源巖現今處于成熟階段。萘系列化合物參數可以定性的反映出有機質的相對熱演化程度，但在利用TNR2來計算類似的鏡質體反射率可能與真實的鏡質體反射率存在一定的差異，還需要結合其他地球化學參數來共同判識。三甲基萘指數TMNr和四甲基萘指數TeMNr也是常有的成熟度參數，這兩個參數會隨著成熟度增加而增大。陳致林等[23]通過對臨清坳陷中的禹城洼陷的生油巖芳烴化合物研究時，認為三甲基萘指數和四甲基萘指數可以有效地確定低—高熟整個熱演化階段原油和生油巖的成熟度，并不受運移過程分餾效應的影響，對成熟度的變化反映靈敏，高成熟的原油與源巖的這兩比值都大于0.5，成熟源巖與原油的這兩比值介于0.4～0.6，低熟原油與源巖這兩比值介于0.3～0.5，未熟原油與源巖這兩比值都小于0.4。研究區的長7烴源巖樣品三甲基萘指數TMNr比值介于0.31～0.77，平均值為0.55；四甲基萘指數TeMNr比值介于0.33～0.70，平均值0.49；從研究區源巖樣品的TMNr和TeMNr的交會圖(圖4)中可以看出，研究區源巖現今處于成熟—高成熟階段，這與實際情況相矛盾，說明這兩個比值在該地區還受其他因素(生源、沉積環境等)的影響，該參數不適合于研究區源巖成熟度評價。

表2 研究區源巖芳烴地球化學參數

注：MNR=2-MN/1-MN; TNR1=2,3,6-TMN/(1,4,6-TMN+1,3,5-TMN); TNR2=(1,3,7-TMN+2,3,6-TMN)/(1,3,5-TMN+1,3,6-TMN+1,4,6-TMN);R1=0.6×TNR2+0.4; 1,2,5-/TMN=1,2,5-TMN/1,2,5,6-TeMN=1,2,5,6-TeMN/TMNr=2,3,6-TMN/(2,3,6-TMN+1,2,5-TMN); TeMNr=(1,3,6,7-TeMN)/(1,3,6,7-TeMN+1,2,5,7-TeMN); MPI1=1.5×(2-MP+3-MP)/(P+9-MP+1-MP);R2=0.6×MPI1+0.4(Ro介于0.65%與1.35%之間); F1=(2-MP+3-MP)/(2-MP+3-MP+1-MP+9-MP); F2=2-MP/(2-MP+3-MP+1-MP+9-MP);R3=0.14×[(4,6-DMDBT)/(1,4-DMDBT)]+0.57

圖4 研究區源巖TMNr和TeMNr相互關系圖Fig.4 The correlation between TMNr and TeMNr of source rocks from the study area

3.3 菲系列化合物

菲系列化合物主要用于原油和烴源巖的成熟度評價，其中的個別化合物具有生源和沉積環境的指示意義。研究區烴源巖樣品中共檢測出菲、甲基菲、乙基菲、二甲基菲、三甲基菲和惹烯等系列化合物(圖3)。研究區烷基菲系列化合物相對豐度由小到大依次為：乙基菲<惹烯<三甲基菲<二甲基菲<甲基菲。作為典型的陸源高等植物的生物標志化合物惹烯在所分析的樣品中含量相對較高，該化合物雖然可能有其他來源，但目前通常認為是由松香酸和海松酸通過部分降解而來[24-25]。這些烴源巖樣品中惹烯的含量相對較高，可能與該研究區的沉積環境具有較強的氧化性有關，因為惹烯一般形成于含氧環境中[26]。

在有機質熱演化過程中，菲系列化合物甲基化、甲基重排及脫甲基化作用主要受到熱力學作用控制，而受到沉積環境影響相對較小，熱穩定性強的異構體含量相對增加而熱穩定性差的異構體含量相對減少。Radkeetal.[27]最早提出利用菲和甲基菲的相對含量來計算成熟度參數甲基菲指數，并用甲基菲指數來換算等效的鏡質體反射率。在此基礎之上，國內外學者進行了大量的實驗研究和論證，用于解決烴源巖與原油的成熟度評價的問題。研究區的源巖甲基菲指數(MPI1)主要介于0.78～0.88，對應的等效鏡質體反射率R2介于0.82%～0.93%，綜合該參數也可以定性的看出研究區烴源巖現今正處于成熟階段。Kvalheimetal.[28]提出利用甲基菲比值F1和F2來對源巖和原油進行成熟度評價，包建平等[29]在此研究的基礎之上，提出源巖低熟階段F1小于0.4、F2小于0.27，成熟階段F1介于0.40～0.55、F2介于0.27～0.35，高熟階段F1大于0.55、F2大于0.35。研究區源巖樣品的甲基菲比值F1介于0.42～0.54、F2介于0.22～0.28，與已有的評價標準相矛盾。因而該甲基菲比值可能受到其他因素的影響不適合在該研究區進行源巖成熟度判識。

3.4 三芴系列化合物

三芴系列化合物是芳烴地球化學研究中最為常見的一類指標，既可以用于指示源巖或者原油形成時的沉積環境，又可以用于油源對比以及油油對比中。在陸相淡水、微咸水湖相中的烴源巖或者原油中芴相對含量較高，在沼澤相煤或者煤成油中氧芴相對含量較高，在鹽湖相或者海相碳酸鹽烴源巖中硫芴相對含量較高[30-31]。從圖5三芴系列組成三角圖中可以看出，芴含量較高(57.36%～65.09%)，其次是氧芴含量(20.71%～34.29%)，硫芴含量相對最低(8.35%～17.09%)，表明研究區的長7烴源巖形成于濱淺湖的沉積環境。該沉積環境有別于沼澤環境，沼澤相的煤系烴源巖也主要分布于Ⅳ區內，但該類烴源巖主要分布在“三芴”系列組成中氧芴系列相對含量大于50%的Ⅳ區的右下方。結合Pr/Ph和w(硫芴系列)/w(氧芴系列)相關關系圖(圖6)也可以看出研究區的長7烴源巖形成于弱氧化—弱還原的沉積環境中。

圖5 三芴系列相對含量三角圖Fig.5 Triangular plots of relative contents of fluorenes(F), dibenzothiophene(SF) and dibenzofuran(OF) of source rocks from the study area

圖6 源巖Pr/Ph與w(硫芴系列)/w(氧芴系列)關系圖Fig.6 The relationship between pristine/phytane and w(dibenzothiophene)/w(dibenzofuran) of source rocks

烷基二苯并噻吩分子結構對稱，具有高度的熱穩定性和抗生物降解能力，在各個時代的地層中都有廣泛的分布，是常用的烴源巖熱演化程度評價參數，可用于低熟—高熟階段的成熟度評價。在有機質熱演化過程中，相對穩定的二苯并噻吩系列化合物異構體相對增加而不穩定的二苯并噻吩系列化合物異構體相對減少。Radkeetal.[19]提出甲基二苯并噻吩參數(4-MDBT/1-MDBT)，4-MDBT相對于1-MDBT熱穩定性更高，且隨著熱演化程度的升高該比值增大。研究區長7烴源巖4-MDBT/1-MDBT相對豐度比值介于2.71～5.77之間，平均值為4.39，表明該地區的烴源巖現今處于成熟階段。Chakhmakhchevetal.[31]研究發現二甲基二苯并噻吩中4,6-DMDBT相對含量隨著熱演化程度的增加而增加，1，4-DMDBT相對含量隨著熱演化程度的增加而減少，因而可以用4,6-DMDBT和1,4-DMDBT的比值來評價烴源巖的成熟度。羅健等[32]通過對烷基二苯并噻吩的系統研究，建立了利用二甲基二苯并噻吩來求去等效的鏡質體反射率R3經驗公式。研究區的長7烴源巖等效鏡質體反射率R3介于0.67%～0.78%，平均值為0.73%，屬于成熟階段的范疇，與前面其他參數得出的結論相一致。

3.5 三芳甾烷系列化合物

現今對三芳甾烷系列化合物研究相對較多，該系列化合物既可用于成熟度評價，又可用于指示生源和沉積環境。三芳甾烷在有機質熱演化過程中不斷發生著高碳數向低碳數轉化，致使低碳數三芳甾烷相對增加。芳香甾烷隨著成熟度增加，伴隨著發生著芳構化及斷側鏈等作用，且主要發生在生烴門限以下，并可以一直持續到濕氣階段[32-34]。鹽池—定邊地區長7烴源巖中都檢測出了三芳甾烷(m/z231)和甲基三芳甾烷(m/z245)系列化合物(圖7)。利用三芳甾烷系列化合物來評價成熟度的參數眾多，考慮到一些異構體共逸而難以進行有效區分，本文選用C2820S/(20S+20R)-TAS進行源巖成熟度評價。研究區源巖C2820S/(20S+20R)-TAS比值介于0.48～0.59，平均值為0.56，表明該研究區源巖成熟度相差不大，且主要處于成熟階段。該參數與前面成熟度評價參數相吻合，表明該參數在研究區是一個可靠的成熟度評價參數。

3.6 其他多環芳烴系列化合物

圖7 研究區源巖三芳甾烷及甲基三芳甾烷質量色譜圖Fig.7 Mass chromatograms of triaromatic steroid methyl triaromatic steroid of source rocks in the study area

4 結論

(1) 根據芳烴色譜分布特征圖可以看出，研究區源巖以二環和三環芳烴類化合物為主，而四環和五環芳烴類化合物含量較低，反映出研究區長7烴源巖現今處于成熟階段。結合埋藏深度還可以看出，隨著埋藏深度的增加，主峰碳由高碳數向低碳數轉變，表現出烷基萘系列化合物的含量相對增加。

(3) 通過對研究區源巖芳烴中烷基萘、烷基菲、烷基二苯并噻吩、三芳甾烷和其他多環芳烴成熟度參數的評價，表明研究區的源巖現今處于成熟階段。其中二甲基萘指數(TNR2)、甲基菲指數(MPI1)和二甲基二苯并噻吩比值(4,6-DMDBT/1,4-DMDBT)求取的等效鏡質體反射率(R1、R2和R3)雖然存在一定的差異，但能定性地反映出源巖的熱演化程度，該參數存在差異可能是由于不同系列化合物受到生源和沉積環境的影響不同所造成的。