鄂爾多斯盆地宜川地區(qū)上古生界烴源巖評(píng)價(jià)

王桂成，石東峰，，白建林，高月泉

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院，陜西 西安 710065;2.延長(zhǎng)油田股份有限公司，陜西 延安 716000)

研究區(qū)位于陜西宜川境內(nèi)，鄂爾多斯盆地陜北斜坡東南部邊緣，勘探面積1000 km2，是盆地目前勘探程度較低的地區(qū)之一。隨著近些年勘探力度的加強(qiáng)，在該地區(qū)的大多數(shù)探井見到了天然氣顯示，含氣層位包括上古生界的本溪組、山西組、石盒子組、石千峰組等所有層位，并在多口井見到工業(yè)氣流，顯示出良好的勘探遠(yuǎn)景和潛力。上古生界泥質(zhì)烴源巖縱向上主要集中在山西組－本溪組，同時(shí)根據(jù)前人大量研究成果和我們過去研究經(jīng)驗(yàn)，認(rèn)為山西組以上地層(下石盒子組、上石盒子組和石千峰組)的泥巖基本上屬于非有效烴源巖。因此，本次研究的上古生界烴源巖主要是山西組－本溪組的煤系烴源巖和深色泥巖及煤層。

1 上古生界烴源巖分布

所謂的煤系烴源巖指高度富集以高等植物為主的腐殖型有機(jī)質(zhì)的沉積巖和煤層，沉積環(huán)境以復(fù)雜的氧化還原條件下的海陸交互相和沼澤相為主，盡管在地質(zhì)演化早期(前泥盆紀(jì))，有以藻類為主的腐泥煤(藻煤)但絕大部分是以腐殖型有機(jī)質(zhì)為主的煤系，煤系源巖是煤型氣的主要來源［1］。

1.1 泥巖烴源巖

鄂爾多斯盆地上古生界泥巖遍布全區(qū)，具有廣覆型分布特點(diǎn)［2］。研究區(qū)本溪組的泥巖厚度主要分布在3.0～12.0 m之間，顯示出西北厚、東部及東北部薄的特點(diǎn)。太原組的泥巖厚度較薄，厚度分布在0.76～2.9 m之間，顯示由東向向西厚度增加的趨勢(shì)。山西組的泥巖比較發(fā)育，暗色泥巖厚度分布在22.5～56.0 m之間，顯示山西組泥巖東南方向薄、西北方向厚的趨勢(shì)。

1.2 煤巖烴源巖

煤巖在全盆地發(fā)育情況類似于泥巖［3］，據(jù)研究區(qū)煤層厚度圖可以看出，本溪組煤層厚度在2.2～3.0 m之間，整體顯示為由東向西逐漸變厚的趨勢(shì);太原組煤層一般在1.0～3.0 m之間，整體上具有由東向西逐漸變厚的趨勢(shì)，同時(shí)在研究區(qū)北部鹿川鄉(xiāng)－袁家川以北一線煤層厚度有逐漸變厚的趨勢(shì);山西組煤層厚度較大，在6.0 ～12.0 m，由東到西煤層逐漸層厚［4］。

2 上古生界煤系烴源巖地球化學(xué)特征

研究區(qū)上古生界儲(chǔ)集層發(fā)現(xiàn)的天然氣主要來自上古生界煤系地層［5］。上古生界氣源巖主要是下二疊統(tǒng)山西組煤層和暗色泥巖，上石炭統(tǒng)太原組和中石炭統(tǒng)本溪組的煤層及暗色泥巖。其中，煤系烴源巖由于有機(jī)質(zhì)豐度高，且煤層厚度大，一般為5～30 m，是天然氣最主要的源巖。暗色泥巖厚度一般為30～250 m，有機(jī)碳豐度一般在2%以上，是天然氣的第二位貢獻(xiàn)者。

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

鄂爾多斯盆地宜川地區(qū)探井較少，但是，研究時(shí)間較長(zhǎng)，許多研究者也分析了大量的上古生界煤系烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度資料。由于上古生界煤系烴源巖熱演化程度已經(jīng)到達(dá)高過成熟階段，殘留可溶有機(jī)質(zhì)和可熱解的有機(jī)質(zhì)大多已經(jīng)排出，有機(jī)地球化學(xué)豐度指標(biāo)(如S1+S2和氯仿瀝青“A”)已失去指示有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)的意義［6］。因此，本次研究主要依靠分析煤系中的泥巖有機(jī)碳含量進(jìn)行豐度評(píng)價(jià)。

2.1.1 本溪組烴源巖

研究區(qū)本溪組的有機(jī)碳含量TOC值分布范圍在0.39% ～6.65%之間，平均含量 2.51%(圖 1)，按煤系泥巖生烴潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可以初步判斷研究區(qū)本溪組是一套中等的烴源巖。從研究區(qū)本溪組TOC平面展布展布圖上可以看出(圖2)，研究區(qū)本溪組有機(jī)質(zhì)豐度整體表現(xiàn)為西高東低，區(qū)內(nèi)北部壽峰鄉(xiāng)－鹿川鄉(xiāng)一線有逐漸增大趨勢(shì)，這與其沉積時(shí)期的物源方向有關(guān)。

圖1 研究區(qū)本溪組TOC分布直方圖

2.1.2 太原組烴源巖

研究區(qū)太原組的有機(jī)碳含量TOC值分布范圍在1.26% ～3.58%之間，平均含量 2.34%(圖 3)，根據(jù)煤系泥巖生烴潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，可以判斷研究區(qū)太原組是一套中等的烴源巖。研究區(qū)有機(jī)質(zhì)豐度由東向西有逐漸增大的趨勢(shì)，且高值出現(xiàn)在西北部(圖4)。

圖2 本溪組TOC平面展布圖

圖3 研究區(qū)太原組TOC分布直方圖

圖4 太原組TOC平面展布圖

2.1.3 山西組烴源巖

研究區(qū)山西組的有機(jī)碳含量TOC值分布范圍在1.23% ～2.83% 之間，平均含量 2.26%(圖 5)，按煤系烴源巖有機(jī)碳的標(biāo)準(zhǔn)，可以判斷研究區(qū)山西組是一套中等的烴源巖。研究區(qū)山西組有機(jī)質(zhì)豐度由東到西有逐漸增大的趨勢(shì)(圖6)。

圖5 研究區(qū)山西組TOC分布直方圖

圖6 山西組TOC平面展布圖

2.2 有機(jī)質(zhì)類型

本次研究結(jié)合前人在盆地東南部上古生界山西－太原組有機(jī)質(zhì)類型的研究成果［5］，主要依據(jù)氫指數(shù)(HI)、降解率(PC/TOC)等兩個(gè)方面的地球化學(xué)指標(biāo)，按照煤系地層烴源巖有機(jī)質(zhì)類型劃分標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)研究區(qū)的山西－太原組烴源層的有機(jī)質(zhì)類型作剖析研究。

根據(jù)研究區(qū)熱解參數(shù)S1+S2及IH分布頻率圖(圖7)，可以看出研究區(qū)山西組、太原組、本溪組烴源巖主要為III型干酪根。另外，氫指數(shù)與Tmax關(guān)系也被常用于劃分烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型。(圖8)為研究區(qū)HI與Tmax關(guān)系圖。從圖中可以看到，本溪組、太原組、山西組層段全部落在III型干酪根區(qū)域。

圖7 研究區(qū)S1+S2及HI頻率分布圖

圖8 研究區(qū)IH與Tmax關(guān)系圖

干酪根鏡檢與元素分析是確定有機(jī)質(zhì)類型的重要手段之一。干酪根鏡檢能直觀反映烴源巖有機(jī)質(zhì)的鏡下特征，確定有機(jī)顯微組分組成面貌及有機(jī)質(zhì)類型等。研究區(qū)各層系烴源巖鏡檢特征為:本溪組烴源巖主要以腐泥無定型為主，其次為惰質(zhì)組和鏡質(zhì)組，未發(fā)現(xiàn)殼質(zhì)組。在藍(lán)光激發(fā)下，腐泥無定型體發(fā)黃色熒光，鏡質(zhì)體無熒光，介殼碎屑呈黃色熒光。本溪組干酪根類型主要為Ⅱ2、Ⅲ型;太原組烴源巖有機(jī)顯微組分與本溪組基本相同，主要以腐泥無定型為主，其次為惰質(zhì)組和鏡質(zhì)組。在藍(lán)光激發(fā)下，腐泥無定體發(fā)黃色熒光，鏡質(zhì)體無熒光，干酪根類型主要為Ⅱ2型;山西組烴源巖有機(jī)顯微組分主要以腐泥無定型為主，其次為惰質(zhì)組和鏡質(zhì)組，無殼質(zhì)組成分。在藍(lán)光激發(fā)下，腐泥無定體發(fā)黃色熒光，鏡質(zhì)體無熒光。干酪根類型主要為Ⅱ2、Ⅲ型。

2.3 干酪根碳同位素特征

干酪根碳穩(wěn)定同位素資料可以反映有機(jī)質(zhì)類型和母源特征，一般來說，有機(jī)碳的穩(wěn)定同位素測(cè)定值與原始母質(zhì)類型有關(guān)，不同生物和有機(jī)質(zhì)的碳同位素值不同，一般以陸生植物輸入為主的干酪根碳同位素偏重，而以水生浮游生物輸入的干酪根碳同位素偏輕，基于這種認(rèn)識(shí)，可以認(rèn)為干酪根同位素能反映原始有機(jī)質(zhì)類型。大多數(shù)研究者認(rèn)為，陸生植物占δ13C值平均為 －25.5‰，木質(zhì)素占13C值為 －20‰～－25‰，湖沼高等植物占δ13C平均值為－23‰，而淡水浮游生物占 δ13C值為 －27‰ ～ －32‰。黃第藩(1998)根據(jù)我國(guó)陸相盆地不同類型干酪根與占δ13C值的分布特點(diǎn)，確定出了有機(jī)質(zhì)類型與占δ13C值分布范圍的關(guān)系，I型干酪根占δ13C＜ －27‰，Ⅱ型干酪根占 δ13C值為 －27‰ ～ －26‰，Ⅲ型干酪根占δ13C值＞－26‰。山西組碳同位素變化在－23.69～－24.87‰，以Ⅲ型干酪根生源輸入為主，與干酪根鏡檢以腐殖型成分為主比較吻合，太原組碳同位素變化在－24.51‰，以Ⅲ型干酪根生源輸入為主，本溪組碳同位素變化在－24.36‰～－25.18‰，相對(duì)變輕，以Ⅱ型—Ⅲ型干酪根生源輸入為主，這與前面干酪根鏡檢結(jié)果一致，其有機(jī)顯微組分以無定形為主，代表了水生浮游生物及陸源高等植物的供給為主。

綜上所述，綜合干酪根鏡檢資料和穩(wěn)定碳同位素資料綜合分析，認(rèn)為鄂爾多斯盆地宜川地區(qū)上古生界源巖母質(zhì)輸入具有多元性，干酪根類型多樣，總體上具有腐殖型－腐泥型特征。

2.4 有機(jī)質(zhì)成熟度

對(duì)于Ⅲ型和Ⅱ2型干酪根來講，熱解Tmax(℃)是一個(gè)十分可靠的成熟度指標(biāo)。本文采用的標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 有機(jī)質(zhì)演化程度標(biāo)準(zhǔn)(張厚福等，1999)

山西組泥巖樣品的Tmax(℃)最小值為575℃，最大值為580℃，平均值為576.25℃。絕大部分泥巖樣品的熱解Tmax值都處于大于490℃的過成熟干氣階段。因此，我們認(rèn)為研究區(qū)本溪組、太原組、山西組全部樣品已進(jìn)入高成熟～過成熟生氣階段。

由于鄂爾多斯盆地不同地區(qū)沉積構(gòu)造演化史不同，上古生界煤系烴源巖熱成熟度變化大。鄂爾多斯盆地富縣一帶上古生界烴源巖Ro達(dá)2.5%以上，以其為中心向四周降Ro低。盆地東北部熱成熟度最低(Ro＜1.0%)，北部的伊盟隆起和西部逆沖帶上古生界含煤地層演化程度較低，Ro值0.5% ～0.84%。天環(huán)坳陷北端和渭北隆起區(qū)相對(duì)中等，Ro值1.7% ～2.09%左右。盆地西緣天環(huán)坳陷中部Ro在2.0%左右。但在西南部由于埋藏較深，Ro最高可達(dá)3.5%以上。同時(shí)，在相當(dāng)于慶陽－黃陵－韓城隆起區(qū)，上古生界煤系烴源巖鏡質(zhì)體反射率為低值帶。

本次研究測(cè)試了10個(gè)干酪根樣品鏡質(zhì)體反射率，其中本溪組有機(jī)質(zhì)熱演化成熟度最高，Ro已經(jīng)達(dá)到2.64% ～2.75%，干酪根已經(jīng)為過成熟演化階段，太原組熱演化成熟度也較高，達(dá)到 Ro為2.67%，山西組熱演化成熟度也較高，Ro在2.55% ～2.67%，總體上，本溪組、太原組、山西組的干酪根均已經(jīng)達(dá)到過成熟演化階段。

3 結(jié)論

3.1 本溪組烴源巖綜合評(píng)價(jià)

(1)研究區(qū)本溪組煤層較薄，煤層厚度在1.05～3.1 m之間，平均厚度1.84 m，煤層厚度由西向東厚度逐漸降低。泥巖有機(jī)質(zhì)豐度在 0.39% ～6.65%之間，平均含量2.51%，煤層有機(jī)質(zhì)豐度在76.41% ～83.83%，平均含量 80.12%;

(2)本溪組泥巖樣品的干酪根母質(zhì)類型主體屬腐殖型干酪根，即Ⅲ型干酪根;

(3)研究區(qū)熱成熟度演化較高，Ro大于2.5%，Tmax為490℃以上，表明本溪組泥巖已達(dá)到過成熟階段。

本溪組暗色泥巖及煤層屬中等—好氣源巖。

3.2 太原組烴源巖綜合評(píng)價(jià)

(1)研究區(qū)太原組暗色泥巖展布厚度在0.76～2.9 m之間，顯示由東向向西厚度增加的趨勢(shì);煤層厚度在1.05～3.1 m 之間，平均厚度1.84 m，煤層厚度由東南向向北西向厚度逐漸增加;泥巖有機(jī)質(zhì)豐度在1.23% ～2.83%之間，平均含量2.26%，煤層有機(jī)質(zhì)豐度在80.75% ～82.56%之間，平均含量81.66%;

(2)太原組泥巖樣品的干酪根顯微組分以鏡質(zhì)組為主，次為絲質(zhì)組，顯示干酪根母質(zhì)為腐殖型，即Ⅲ型干酪根;

(3)研究區(qū)熱成熟度演化較高，Ro基本大于2.5%，Tmax為490℃以上，表明太原組泥巖已達(dá)到過成熟階段。

太原組暗色泥巖及煤層屬中等好氣源巖。

3.3 山西組烴源巖綜合評(píng)價(jià)

(1)山西組的泥巖比較發(fā)育，暗色泥巖厚度分布在22.5～56.0 m之間，顯示山西組泥巖大致由北西向到東南向厚度增加的趨勢(shì);煤巖厚度在8.85～12.32 m之間，平均厚度9.19 m，顯示煤層厚度由東向西厚度逐漸降低的趨勢(shì);泥巖有機(jī)質(zhì)豐度在1.23% ～2.83%之間，平均含量2.26%，煤層有機(jī)質(zhì)豐度在 70.88% ～74.44%，平均含量 72.66%;

(2)山西組泥巖樣品的干酪根顯微組分以鏡質(zhì)組為主，次為絲質(zhì)組，顯示干酪根母質(zhì)為腐殖型，即Ⅲ型干酪根;

(3)研究區(qū)熱成熟度演化較高，Ro基本大于2.5%，Tmax為490℃以上，表明山西組泥巖已達(dá)到過成熟階段。

山西組暗色泥巖及煤層為好氣源巖。

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