鄂爾多斯盆地南部延長組油頁巖地球化學(xué)特征及分布規(guī)律

鄧南濤，張枝煥，任來義，王付斌，梁全勝，李宇翔，李文浩，趙雙豐，羅夢姣

(1.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 2.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，西安 710075； 3.中國石油化工股份有限公司 華北分公司，鄭州 450006)

鄂爾多斯盆地南部延長組油頁巖地球化學(xué)特征及分布規(guī)律

鄧南濤1,2，張枝煥1，任來義2，王付斌3，梁全勝2，李宇翔3，李文浩1，趙雙豐1，羅夢姣1

(1.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 2.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，西安 710075； 3.中國石油化工股份有限公司 華北分公司，鄭州 450006)

基于對鄂爾多斯盆地南部(鎮(zhèn)涇—彬長—旬宜—富縣地區(qū))延長組不同層段暗色泥巖、碳質(zhì)泥巖及油頁巖樣品的地球化學(xué)和測井資料的對比分析，研究了油頁巖的識別標(biāo)志及其分布規(guī)律。結(jié)果表明，不同巖性樣品的生物標(biāo)志物、生烴潛力及測井電性特征差異明顯，油頁巖具有典型的地球化學(xué)和地球物理綜合識別標(biāo)志，分布受沉積環(huán)境的控制作用顯著，靠近湖盆中央的深湖—半深湖相帶是油頁巖的主要發(fā)育區(qū)。

地球化學(xué)特征；油頁巖；分布規(guī)律；延長組；鄂爾多斯盆地南部

油頁巖作為一種潛力巨大的非常規(guī)油氣資源，越來越受到人們的重視[1-5]。鄂爾多斯盆地是我國油頁巖資源最豐富的盆地之一，其南部三疊系延長組長7油層組是盆地內(nèi)油頁巖的主要產(chǎn)層，占盆地油頁巖資源總量的90%以上[6-7]；同時長7油頁巖又是延長組的主力烴源巖，它的分布和質(zhì)量對全盆地常規(guī)油氣藏的富集及分布具有重要的控制作用[8]。前人對鄂爾多斯盆地南部油頁巖的分布規(guī)律缺乏研究[9-10]。 本文系統(tǒng)采集了盆地南部延長組不同層段暗色泥巖、碳質(zhì)泥巖及油頁巖樣品，進(jìn)行了相關(guān)地球化學(xué)實驗分析，同時結(jié)合不同類型巖樣測井響應(yīng)特征，建立了油頁巖的地球化學(xué)和地球物理綜合識別標(biāo)志，揭示了長7油頁巖的空間分布規(guī)律，以期為該區(qū)油氣資源的深入勘探提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

鄂爾多斯盆地是一個沉積穩(wěn)定、坳陷遷移、扭動明顯的多旋回克拉通疊加盆地，盆地內(nèi)部構(gòu)造相對簡單，地層平緩，自中生代以來，長期穩(wěn)定發(fā)展，后期構(gòu)造變動微弱。上三疊統(tǒng)延長組的沉積經(jīng)歷了湖盆由發(fā)生、發(fā)展至消亡的整個階段，沉積了一套完整的進(jìn)積—垂向加積—退積的沉積序列組成的砂泥巖地層。延長組河流—湖泊相陸源碎屑巖層系自下而上包括第一段(長10油組) 、第二段(長9、長8油組)、第三段(長7、長6、長4+5油組) 、第四段(長3、長2油組) 、第五段(長1油組)等5個巖性段、10個油層組[11-12]。

長10—長7油層組沉積期為湖進(jìn)期，表現(xiàn)為縱向上的正旋回沉積和平面上各期岸線逐步向外擴(kuò)張的特征，其中在長7沉積期，湖盆進(jìn)入全盛時期，面積最大，幾乎覆蓋了整個盆地，湖水深度較大，南部達(dá)30～50 m，形成淺湖—半深湖相的大型生油坳陷，由于此時湖盆沉積環(huán)境穩(wěn)定，有利于有機(jī)質(zhì)的保存，因而形成了大型的油頁巖礦床，具有分布面積廣、厚度大、含油率穩(wěn)定的特點[5]。長6—長1油層組沉積期，地殼逐漸抬升，湖盆逐漸變小并最終消亡。

2 樣品與實驗

烴源巖樣品采自鄂爾多斯盆地南部鎮(zhèn)涇、彬長、旬宜、富縣4個勘探區(qū)塊的延長組不同層段，巖性包括油頁巖、暗色泥巖和碳質(zhì)泥巖。每個區(qū)塊盡量根據(jù)構(gòu)造、油藏分布特征及泥巖分布特征進(jìn)行取樣，盡量做到樣品對區(qū)塊平面和縱向趨勢的控制，選取代表井，對重點層位密集取樣，兼顧其他層位(圖1，表1)。

樣品分析工作在中國石油大學(xué)(北京)重質(zhì)油國家重點實驗室和油氣資源與探測國家重點實驗室完成。主要開展了烴源巖樣品的熱解分析、有機(jī)碳和顯微組分的測定，選擇部分具代表性的樣品進(jìn)行氯仿瀝青“A”萃取和族組分分離，并對飽和烴餾分進(jìn)行氣相色譜—質(zhì)譜分析。氣相色譜—質(zhì)譜分析采用Finnigan公司DSQ型GC-MS分析系統(tǒng)，色譜—質(zhì)譜分析條件為：載氣為99.999 9%的氦氣，進(jìn)樣口溫度為300 ℃，傳輸線溫度為300 ℃，色譜柱為HP-5MS彈性石英毛細(xì)柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)，升溫程序為初溫50 ℃(恒溫1 min)，20 ℃開始以20 ℃/min升溫至120 ℃，以4 ℃/min升溫至250 ℃，再以3 ℃/min升溫至310 ℃，保持30 min，載氣流速為1 mL/min，采用EI(70 eV)電子轟擊方式，燈絲電流為100 μA，倍增器電壓為1 200 eV，全掃描。

表1 鄂爾多斯盆地南部不同類型烴源巖樣品分布Table 1 Sample distribution of different source rocks in southern Ordos Basin 塊

圖1 鄂爾多斯盆地南部研究區(qū)地理位置及取樣井分布Fig.1 Geographic location and well distribution in study area, southern Ordos Basin

3 長7油頁巖地球化學(xué)特征

3.1生油潛力及品質(zhì)評價

野外露頭和巖心觀察表明，該區(qū)油頁巖十分發(fā)育，厚度可達(dá)13～30 m，垂向上連續(xù)分布，中間夾有濁流沉積成因的薄層砂巖，有機(jī)質(zhì)豐度非常高；長7油頁巖常為灰黑色、黑色，也有少量黃褐色油頁巖，其中含介形蟲、方鱗魚等動物化石，少量植物碎片化石[13]。巖石薄片、光學(xué)顯微鏡、掃描電鏡觀察顯示，長7油頁巖富含莓狀黃鐵礦及膠磷礦，陸源碎屑和粘土礦物的相對含量較低[14]。以上特征表明油頁巖中有機(jī)質(zhì)豐富，形成時水體環(huán)境較為安靜，具有半深湖—深湖亞相的沉積特征。

油頁巖鏡質(zhì)體反射率Ro值為0.53%～0.76%(表2)，處于低成熟階段；其他巖性樣品Ro為0.59%～1.02%，基本都處于低—成熟階段。不同巖性樣品生油潛力差異較為明顯，其中油頁巖TOC值為3.7%～22.5%；生烴潛量(S1+S2)值為23.1～120.1 mg/g，有機(jī)質(zhì)類型最好，以Ⅰ型為主，部分為Ⅱ1型，生油潛力最大；暗色泥巖TOC值為0.6%～5.9%，S1+S2為0.4～32.9 mg/g，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1和Ⅱ2型為主，生油潛力中等；碳質(zhì)泥巖TOC值為6.3%～10.1%，S1+S2為0.4～4.5 mg/g，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型為主，生油潛力較差(表2，圖2)。

含油率是油頁巖礦工業(yè)評價的關(guān)鍵參數(shù)，它與烴源巖評價常用參數(shù)中的生烴潛量、有機(jī)碳、氯仿瀝青“A”的含量具有較好的相關(guān)性，可以據(jù)此建立相關(guān)含油率計算公式對油頁巖品質(zhì)進(jìn)行評價[15]。一般認(rèn)為含油率為3.5 %是區(qū)分油頁巖礦和非礦的界限，當(dāng)含油率分別為3.5%,5%,10%時，代表油頁巖品質(zhì)分別為低等、中等、優(yōu)質(zhì)[17]，計算可知研究區(qū)油頁巖含油率介于3.9%～10.3%之間，表明研究區(qū)油頁巖多達(dá)到中等或優(yōu)質(zhì)油頁巖礦品級，具有較高的開采價值。

圖2 鄂爾多斯盆地南部延長組 不同巖性烴源巖有機(jī)質(zhì)類型Fig.2 Organic matter types of different lithologic source rocks from Yanchang Formation in southern Ordos Basin

3.2生物標(biāo)志物組成特征與形成環(huán)境

從圖3a可以看出油頁巖生物標(biāo)志物一般具有如下特征：正構(gòu)烷烴碳數(shù)分布呈單峰態(tài)前峰型，Pr/Ph值介于0.79～1.29之間，平均值為1.06，表明該類烴源巖形成于強(qiáng)還原—弱氧化的環(huán)境中；含有β胡蘿卜烷；ααα20RC27、ααα20RC28、ααα20RC29甾烷相對含量主要呈“V”形或“L”形分布，表明其生源輸入中藻類等水生生物的貢獻(xiàn)較大，重排甾烷/規(guī)則甾烷分布在0.05～0.14之間；五環(huán)三萜烷烴類化合物中C30藿烷豐度最高，C30重排藿烷含量很低，C29降藿烷含量中等—較高；8β(H)-補(bǔ)身烷含量高，且高于8α(H)-補(bǔ)身烷含量，8β(H)-升補(bǔ)身烷/8β(H)-補(bǔ)身烷值小于2且介于1.09～1.95之間，平均值為1.63；Ts含量低于Tm或略高于Tm，伽馬蠟烷含量較低；C30重排藿烷/C30藿烷值介于0.07～0.29之間，C30重排藿烷/C29降藿烷值介于0.13～0.82之間，C30重排藿烷/C29Ts介于0.51～0.82之間。成熟度參數(shù)C31升藿烷22S/(22S+22R)值介于0.54～0.58之間，C29甾烷ααα20S/(20S+20R)值介于0.42～0.47，C29甾烷ββ/(ββ+αα)值介于0.45～0.59之間，表明烴源巖處于低熟—成熟階段。

表2 鄂爾多斯盆地南部延長組不同巖性烴源巖生油潛力對比Table 2 Comparison of hydrocarbon generation potential of differentlithologic source rocks from Yanchang Formation in southern Ordos Basin

圖3 鄂爾多斯盆地南部延長組不同巖性烴源巖飽和烴生物標(biāo)志物質(zhì)量色譜Fig.3 Mass chromatograms of saturated hydrocarbon biomarkers of different lithologic source rocks from Yanchang Formation in southern Ordos Basin 表3 鄂爾多斯盆地延長組不同巖性源巖生標(biāo)參數(shù)及沉積環(huán)境Table 3 Geochemical characteristics and sedimentary environment of differentlithologic source rocks from Yanchang Formation in southern Ordos Basin

源巖類型Pr/PhC30重排藿烷/C30藿烷Ts/(Ts+Tm)伽馬蠟烷/C30藿烷ααα20RC27/C298β(H)-升補(bǔ)身烷/8β(H)-補(bǔ)身烷沉積環(huán)境油頁巖1．060．150．590．0661．251．54 深湖相、還原的淡水環(huán)境暗色泥巖1．180．760．700．1721．033．29 深湖—半深湖相、還原—弱還原的淡水—微咸水環(huán)境碳質(zhì)泥巖2．780．160．210．0910．918．78 三角洲前緣相、氧化的淡水—微咸水環(huán)境

圖3b、c給出了延長組暗色泥巖和碳質(zhì)泥巖的生物標(biāo)志物的分布特征，從中可以看出油頁巖、暗色泥巖、碳質(zhì)泥巖的生物標(biāo)志物特征差異較為明顯。從反映形成環(huán)境的主要生物標(biāo)志物參數(shù)(表3)可以更直觀地看出它們的差別，即油頁巖主要為深湖相沉積，形成于還原的淡水環(huán)境下，有機(jī)質(zhì)母源以水生低等生物為主；暗色泥巖主要為深湖—半深湖沉積，形成于還原—弱還原的淡水—微咸水環(huán)境下，有機(jī)質(zhì)母源以水生低等生物為主，有少量陸源高等植物的輸入；碳質(zhì)泥巖主要為三角洲前緣相沉積，形成于氧化的淡水—微咸水環(huán)境下，有機(jī)質(zhì)母源中高等植物貢獻(xiàn)較大。

4 長7油頁巖識別標(biāo)志及分布規(guī)律

油頁巖有其獨有的特征：1)由于沉積環(huán)境和生源的差別，不同巖性樣品的生物標(biāo)志物特征存在一定的差別，因此可以依據(jù)與之相關(guān)的生物標(biāo)志物參數(shù)區(qū)分不同類型的巖性樣品。2)不同類型巖樣的生油潛力存在差別，對應(yīng)的常規(guī)地球化學(xué)評價參數(shù)w(TOC)、S1+S2、IH、(S1+S2)/TOC存在明顯的區(qū)分度。3)油頁巖含有豐富的有機(jī)質(zhì)，可以吸附地層中的鈾，鈾含量與有機(jī)質(zhì)含量有一定的正相關(guān)關(guān)系，因此其放射性較高，自然伽馬測井值比一般非烴源巖的高；富含有機(jī)質(zhì)的泥巖層，由于導(dǎo)電性較差的干酪根和油氣的出現(xiàn)，其電阻率總是比不含有機(jī)質(zhì)的同樣巖性的地層電阻率高；由于有機(jī)質(zhì)的密度較小而粘土質(zhì)礦物的骨架密度相對較大，因此當(dāng)泥巖取代巖石骨架時就會使地層密度減??；地層中含有機(jī)質(zhì)或油氣時由于干酪根(或油氣)的聲波時差大于巖石骨架聲波時差，就會造成地層聲波時差增加，這些油頁巖的物理性質(zhì)是建立油頁巖測井識別標(biāo)志的理論基礎(chǔ)[16-19]。

因此，根據(jù)以上3點建立了鄂爾多斯盆地南部延長組長7油頁巖的生物標(biāo)志物參數(shù)—常規(guī)地球化學(xué)評價參數(shù)—測井電性參數(shù)綜合識別標(biāo)志(表4，圖4)。

通過建立的油頁巖測井識別標(biāo)志，可以利用鄂爾多斯盆地大量的石油鉆孔測井資料進(jìn)行油頁巖的識別和解釋評價，以此開展油頁巖的空間分布的相關(guān)統(tǒng)計和分析。

彬長、旬宜地區(qū)長7油層組油頁巖鉆遇率較高，全井段皆發(fā)育油頁巖，旬宜地區(qū)中上部油頁巖平均厚度5.6 m，下部平均厚度10.8 m，彬長地區(qū)中上部油頁巖平均厚度2.5 m，下部平均厚度10.6 m。鎮(zhèn)涇地區(qū)油頁巖主要分布在長7油層組底部，油頁巖平均厚度3.9 m。富縣地區(qū)油頁巖鉆遇率很低，油頁巖不太發(fā)育，長7油頁巖平均厚度只有2.6 m，說明這個區(qū)塊沉積環(huán)境變化較大，僅局部存在較好的油頁巖。

表4 鄂爾多斯盆地南部延長組長7油頁巖識別標(biāo)志Table 4 Identification mark of Chang7 oil shale fromYanchang Formation in southern Ordos Basin

從平面上來看(圖5)，鄂爾多斯南部長7油頁巖厚度范圍為10～40 m，其分布受沉積環(huán)境的控制，深湖相沉積環(huán)境形成的油頁巖具有厚度大、品質(zhì)好的特點；淺湖和三角洲相沉積環(huán)境形成的油頁巖分布范圍較廣，但厚度較小，品質(zhì)相對較差。彬長地區(qū)、旬宜地區(qū)北部及富縣地區(qū)西南部油頁巖相對發(fā)育，厚度較大(約30 m)，品質(zhì)較好。

5 結(jié)論

1)由于沉積環(huán)境和生源輸入的差異，造成鄂爾多斯盆地南部地區(qū)延長組不同巖性樣品(油頁巖、暗色泥巖、碳質(zhì)泥巖)的生烴潛力、生物標(biāo)志物特征及地球物理特征存在較大差異，為有效識別油頁巖提供了依據(jù)。

2)鄂爾多斯盆地南部地區(qū)長7油頁巖具典型生物標(biāo)志物—常規(guī)地化—測井電性特征三方面的識別標(biāo)志，即Pr/Phlt;2，8β(H)-升補(bǔ)身烷/8β(H)-補(bǔ)身烷lt;2，8β(H)-補(bǔ)身烷/8α(H)-補(bǔ)身烷gt;1，w(TOC)gt;3.5%，(S1+S2)gt;20 mg/g，IHgt;450 mg/g，GRgt;170 API，ACgt;280 μs/m，RTgt;30 Ω·m，CNLgt;27%。

3)鄂爾多斯盆地南部地區(qū)延長組油頁巖厚度范圍為10～40m，彬長、旬宜地區(qū)油頁巖品質(zhì)較好，在全井段皆發(fā)育油頁巖，油頁巖單井平均厚度約15 m；鎮(zhèn)涇地區(qū)次之，在長7油層組底部發(fā)育油頁巖，油頁巖平均厚度3.9 m；富縣地區(qū)最差，僅在西南部局部發(fā)育有較好的油頁巖，油頁巖平均厚度2.6 m。

圖4 鄂爾多斯盆地南部延長組不同巖性烴源巖典型參數(shù)相關(guān)圖Fig.4 Correlation of typical parameters of different lithologic source rocks from Yanchang Formation in southern Ordos Basin

圖5 鄂爾多斯盆地南部延長組長7油頁巖厚度平面分布Fig.5 Plane distribution of thickness of Chang7 oil shale from Yanchang Formation in southern Ordos Basin

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(編輯徐文明)

GeochemicalcharacteristicsanddistributionrulesofoilshalefromYanchangFormation,SouthernOrdosBasin

Deng Nantao1,2, Zhang Zhihuan1, Ren Laiyi2, Wang Fubin3, Liang Quansheng2,Li Yuxiang3, Li Wenhao1, Zhao Shuangfeng1, Luo Mengjiao1

(1.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourcesandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum(Beijing),Beijing102249,China; 2.ResearchInstituteofShaanxiYanchangPetroleum(Group)Co.Ltd,Xi’an,Shaanxi710075,China; 3.SINOPECNorthChinaCompany,Zhenzhou,Henan450006,China)

Based on the geochemical features and logging data of dark mudstone, carbonate mudstone and oil shale samples from different layers of the Yanchang Formation in the southern Ordos Basin (including Zhengjing, Binchang, Xunyi and Fuxian areas), the identification markers and distribution characteristics of oil shale have been investigated. The result shows that there are significant differences in biomarker characteristics, hydrocarbon gene-ration potential and logging electrical characteristics. Oil shale has typical geochemical and geophysical composite identification marks. The distribution of oil shale is significantly controlled by sedimentary environment. Deep or semi-deep lacustrine facies which is near to the center of lake basin is the main development zone for oil shale.

geochemical characteristics; oil shale; distribution rule; Yanchang Formation; southern Ordos Basin

1001-6112(2013)04-0432-06

10.11781/sysydz201304432

TE122.1+13

A

2013-01-28；

2013-05-20。

鄧南濤(1983—)，男，博士，從事油氣成因機(jī)理與分布預(yù)測相關(guān)研究。E-mail: dengnt2009@vip.qq.com。

國家重大專項基金“鄂南低滲油藏成藏模式與勘探目標(biāo)評價”(2011ZX05002-001-003)和中國石化專項基金“鄂南中生界生烴條件及油源對比研究”(G13KJ-11-ZS-QT-ZJ-0005)資助。