柴達(dá)木盆地德令哈坳陷石炭系烴源巖評(píng)價(jià)

陳迎賓，胡 燁，王彥青

(中石化石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126)

引 言

德令哈坳陷西起錫鐵山，東至沙利克山，面積約為1.5×104km2，構(gòu)造區(qū)劃屬柴達(dá)木盆地北緣(簡稱柴北緣)走滑逆沖帶東段。該區(qū)石炭系地層發(fā)育齊全、分布廣泛、厚度大且埋藏淺，是目前柴達(dá)木盆地以石炭系為烴源巖油氣勘探目的層的現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域[1-2]。由于勘探程度低，早期研究過程中采樣點(diǎn)分布局限(多集中于石灰溝地區(qū))、研究類型單一(主要針對(duì)碳酸鹽巖)，對(duì)坳陷內(nèi)各地區(qū)不同類型烴源巖缺乏深入、系統(tǒng)的研究和評(píng)價(jià)[3-4]。在德令哈地區(qū)露頭剖面實(shí)測及系統(tǒng)取樣、分析的基礎(chǔ)上，對(duì)石炭系烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度、類型及其成烴演化階段進(jìn)行了全面分析與客觀評(píng)價(jià)，對(duì)德令哈坳陷進(jìn)一步油氣遠(yuǎn)景評(píng)價(jià)及勘探部署具有重要意義。

1 石炭系發(fā)育特征

德令哈坳陷石炭系廣泛出露于歐龍布魯克山、埃姆尼克山、旺尕秀、牦牛山等老山邊緣，是柴北緣石炭系出露點(diǎn)最多、出露厚度最大、出露層位最全的地區(qū)[5]。按照最新地層劃分標(biāo)準(zhǔn)[6]，德令哈坳陷石炭系自下而上發(fā)育下石炭統(tǒng)穿山溝組(C1ch)、城墻溝組(C1c)、懷頭他拉組(C1h)及上石炭統(tǒng)克魯克組(C2k)和扎布薩尕秀組(C2z)。地震初步解釋表明，坳陷內(nèi)石炭系雖已遭受不同程度的剝蝕，但仍然大面積分布，殘余厚度為400～2 000 m，整體具有西薄東厚、北薄南厚的特點(diǎn)。其中，旺尕秀東部、歐龍布魯克南部地區(qū)石炭系殘余厚度較大，均在1 600 m 以上[7-8](圖1)。

圖1 德令哈坳陷石炭系殘余厚度

2 烴源巖有機(jī)地球化學(xué)特征及綜合評(píng)價(jià)

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

2.1.1 碳酸鹽巖有機(jī)質(zhì)豐度及評(píng)價(jià)

海相碳酸鹽巖烴源巖的等級(jí)評(píng)定，目前國內(nèi)外尚無統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。陳丕濟(jì)[9]認(rèn)為有機(jī)碳含量下限值為 0.12%，傅家謨等[10]將其定為 0.08% ～0.10%，國外有用0.20%作下限值[11]。根據(jù)德令哈坳陷石炭系碳酸鹽巖發(fā)育特征，用相對(duì)較為成熟的國內(nèi)華北地區(qū)碳酸鹽巖的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行烴源巖等級(jí)劃分與評(píng)價(jià)(表1)。

表1 石炭系碳酸鹽巖有機(jī)質(zhì)豐度與生烴潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)樣品分析結(jié)果(表2)，下石炭統(tǒng)有機(jī)碳含量為0.04% ～1.00%，生油潛量為0.01～1.03 mg/g，氯仿瀝青“A”含量為0.001 3% ～0.008 9%，總烴含量平均為0.47～5.00 mg/L。在區(qū)域上以懷頭他拉剖面最高，石灰溝剖面次之，最低為埃姆尼克山南坡(埃南)的C1h灰?guī)r，有機(jī)碳平均含量僅為0.08%，生烴潛量平均為0.02 mg/g。可見，下石炭統(tǒng)灰?guī)r多數(shù)屬非烴源巖，只有石灰溝和懷頭他拉剖面少數(shù)灰?guī)r屬中等烴源巖。

上石炭統(tǒng)扎布薩尕秀組灰?guī)r以旺尕秀剖面的有機(jī)質(zhì)豐度最高。在旺尕秀108.18 m上石炭統(tǒng)(C2z)剖面采樣8塊，分析結(jié)果表明，有機(jī)碳含量為0.050% ～1.280%，平均為0.275%;生油潛量為1.15～2.04 mg/g，平均為1.19 mg/g，氯仿瀝青“A”含量為0.004 0% ～0.067 4%，平均為0.032 9%;總烴含量為305 mg/L。這些指標(biāo)在石炭系灰?guī)r中是最高的，大多數(shù)樣品達(dá)中等烴源巖等級(jí)。

2.1.2 泥巖有機(jī)質(zhì)豐度及評(píng)價(jià)

由表2可知，石灰溝地區(qū)下石炭統(tǒng)C1h泥巖有機(jī)質(zhì)豐度較低，有機(jī)碳含量為0.07% ～1.14%，平均為0.41%;生油潛量為0～0.13 mg/g，平均為 0.04 mg/g，氯仿瀝青“A”為0.000 8% ～0.002 8%，總烴含量只有0.27～0.72 mg/L。而從有機(jī)碳含量還有大于1.0%的樣品來看，主要是由于成熟度高，使氯仿瀝青“A”和總烴含量降低而淪為非烴源巖的。上石炭統(tǒng)的C2k和C2z的有機(jī)質(zhì)豐度比C1h高。C2k泥巖的有機(jī)碳平均達(dá)1.85%，但同樣也是因氯仿瀝青“A”和總烴含量太低而屬非烴源巖，僅個(gè)別可達(dá)中等烴源巖。C2z泥巖的有機(jī)質(zhì)豐度與C2k相似，歸入非烴源巖之列，只少數(shù)為差烴源巖。埃南及懷頭他拉剖面的石炭系泥巖，不論是C1h，還是C2k和C2z也都是因氯仿瀝青“A”和總烴含量太低而列入非烴源巖，少數(shù)可歸入差—中等烴源巖。旺尕秀剖面石炭系泥巖的有機(jī)質(zhì)豐度最高，C2z泥巖有機(jī)碳含量為0.38%～2.63%，平均為1.31%;生油潛量為0.43～6.13 mg/g，平均為2.15 mg/g;瀝青“A”含量為0.002 5% ～0.073 2%，平均為0.036 6%;總烴含量為97～571 mg/L，平均為275×10-6，很多巖樣達(dá)到中等烴源巖等級(jí)。

表2 石炭系碳酸鹽巖、泥巖及炭質(zhì)泥巖有機(jī)質(zhì)豐度與評(píng)價(jià)

從上述特征來看，泥巖與碳酸鹽巖是德令哈坳陷石炭系的主要烴源巖。上石炭統(tǒng)的泥巖和碳酸鹽巖的有機(jī)質(zhì)豐度高于下石炭統(tǒng)，而泥巖又高于碳酸鹽巖。由于所有樣品均來自地表露頭，受風(fēng)化作用影響較大，對(duì)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度、等級(jí)均有所影響，可以肯定地下源巖的有機(jī)質(zhì)豐度會(huì)更高。從區(qū)域上看，旺尕秀地區(qū)的上石炭統(tǒng)有機(jī)質(zhì)豐度最高，是有利烴源巖的分布區(qū)。石灰溝、懷頭他拉也是較有利的烴源巖分布區(qū)。

2.2 有機(jī)質(zhì)類型

2.2.1 熱解分析參數(shù)與有機(jī)質(zhì)類型

石灰溝、歐北、穿山溝下石炭統(tǒng)及懷西上石炭統(tǒng)的63個(gè)巖樣中只有39個(gè)樣品能測出IH和Io值。根據(jù)氫(IH)、氧指數(shù)(Io)關(guān)系(圖2)，38個(gè)樣品的有機(jī)質(zhì)類型屬Ⅲ型，只有石灰溝1個(gè)泥巖樣品分布于Ⅲ型邊緣的Ⅱ型區(qū)內(nèi)。德令哈坳陷下石炭統(tǒng)主要發(fā)育廣闊臺(tái)地相沉積，有豐富的海洋生物，野外露頭中也能見到眾多的腕足、珊瑚、蜓類和藻類等海生生物化石，有機(jī)質(zhì)類型理應(yīng)屬腐泥型或混合型。上石炭統(tǒng)濱岸沼澤相、海陸交互相和臺(tái)沼相雖較發(fā)育，但既有濱岸陸生或河流輸入的陸生植物有機(jī)質(zhì)，又有海洋生物形成的有機(jī)質(zhì)，也應(yīng)屬混合型或含植物有機(jī)質(zhì)相對(duì)較多的混合型有機(jī)質(zhì)，腐殖型應(yīng)相對(duì)較少。通過對(duì)樣品熱解參數(shù)特征的分析可以發(fā)現(xiàn)，造成有機(jī)質(zhì)分布于Ⅲ型區(qū)內(nèi)的主要原因是這些地區(qū)石炭系烴源巖進(jìn)入過成熟階段，使有機(jī)質(zhì)產(chǎn)生了“腐殖化”現(xiàn)象，從而導(dǎo)致烴源巖有機(jī)質(zhì)類型變差。上述地區(qū)C1的44個(gè)巖樣、C2的19個(gè)巖樣中，有23個(gè)(C119個(gè)，約占C1的43.2%;C24個(gè)，約占C2的21.1%)巖樣沒有測出S2峰(即S2峰為零值)而只有低的S1峰，表明這些樣品只保存了少量可溶烴類S1峰，卻不存在由于酪根熱解產(chǎn)生的S2峰。也即這63個(gè)樣品在455℃內(nèi)已基本沒有可裂解的干酪根，能裂解的都已裂解成烴而運(yùn)移散失(有的S1峰很低，在0.01 mg/g也是這個(gè)原因)，只有被砂物等包裹的包體有機(jī)質(zhì)以及和礦物結(jié)合的有機(jī)質(zhì)才能在裂解時(shí)放出少量S2峰。說明這些巖樣有機(jī)質(zhì)的熱演化進(jìn)入過成熟階段，已沒有產(chǎn)油氣潛能可言。而在23個(gè)無S2峰的巖樣中，有19個(gè)測不出最高熱解峰溫(TMAX)，另有4個(gè)TMAX低于400℃，只有205～366℃，而這個(gè)溫度也是游離烴(S1峰)的裂解溫度，并不能表明它們是未成熟的巖樣;相反，從另一個(gè)側(cè)面表明，這23個(gè)巖樣干酪根的熱裂解作用已經(jīng)完成，是產(chǎn)烴已經(jīng)結(jié)束的烴源巖。同時(shí)，在63個(gè)巖樣中有39個(gè)(約占61.9%)有效碳(CP)為零值，其余的CP值也很低，這也說明干酪根的熱裂解成烴作用已經(jīng)結(jié)束，游離烴也大多運(yùn)移散失。

圖2 石炭系烴源巖氫、氧指數(shù)關(guān)系

石灰溝、歐北、穿山溝下石炭統(tǒng)及懷西上石炭統(tǒng)由于大多位處歐北、歐南和埃北大斷裂附近，動(dòng)力變質(zhì)作用比較強(qiáng)烈，有相當(dāng)部分的有機(jī)質(zhì)熱演化進(jìn)入過成熟階段，已無生油氣潛力可言。殘留的部分成熟度也很高，達(dá)到高成熟階段，生油氣潛力也不大。而根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，能測出S2峰和TMAX在430℃以上的巖樣，往往是有機(jī)碳含量高于0.1%的灰?guī)r、高于0.3%的泥巖以及炭質(zhì)泥巖和煤。旺尕秀和石灰溝的上石炭統(tǒng)有機(jī)碳含量較高，有機(jī)質(zhì)成熟度相對(duì)較低。因此，以下著重對(duì)這2個(gè)剖面的上石炭統(tǒng)烴源巖進(jìn)行研究和評(píng)價(jià)。

從圖2看到，旺尕秀上石炭統(tǒng)的8個(gè)樣中，有3個(gè)泥巖、1個(gè)煤樣落在Ⅲ型區(qū)內(nèi)，2個(gè)泥巖、2個(gè)灰?guī)r落在Ⅱ型區(qū)內(nèi)。旺尕秀巖樣的TMAX分布于433～466℃之間，多數(shù)為455～466℃之間，因 IH在450～470℃間下降最快，460～480℃間又是S2峰下降最快的階段，所以旺尕秀的上石炭統(tǒng)因S2峰和IH快速下降使有機(jī)質(zhì)類型偏向Ⅲ型而失真。石灰溝C2巖樣也是同樣的原因而多數(shù)分布于Ⅲ型區(qū)內(nèi)。由此也可以看出，氫(IH)、氧指數(shù)(IO)關(guān)系圖只能用于成熟階段，不能用于高熟和過熟階段有機(jī)質(zhì)類型的劃分。

2.2.2 干酪根的元素組成與有機(jī)質(zhì)類型

氫氧和氧碳原子比值表明，旺尕秀剖面C2的氫氧比值為0.47～0.74;氧碳比值為0.06～0.22，石灰溝剖面C2的氫氧比值為0.40～0.65;氧碳比值為0.08～0.18，均屬Ⅲ1型和Ⅲ2型干酪根。這主要是因有機(jī)質(zhì)熱演化程度的增高，使氫的百分含量降低，碳的百分含量增高，從而使氫碳原子比值偏低落在Ⅲ型區(qū)內(nèi)，并不是原始有機(jī)質(zhì)類型的反映。

2.2.3 干酪根的碳同位素與有機(jī)質(zhì)類型

旺尕秀剖面C2樣品干酪根的δ13C‰值，除煤樣是-21.49‰，為Ⅲ2型有機(jī)質(zhì)外，泥巖、炭質(zhì)泥巖均屬Ⅲ1—Ⅱ型有機(jī)質(zhì)，灰?guī)r樣為-28.62‰，進(jìn)入Ⅰ型有機(jī)質(zhì)。石灰溝剖面C2樣品干酪根碳同位素δ13C‰值為-22.2‰～-29.9‰，煤和炭質(zhì)泥巖屬Ⅲ1型，泥巖、灰?guī)r多屬Ⅲ1—Ⅱ型，個(gè)別灰?guī)r為Ⅰ型有機(jī)質(zhì)。干酪根碳同位素δ13C‰值也會(huì)因有機(jī)質(zhì)的成熟度增高而變重，不過這些數(shù)值反映了旺尕秀和石灰溝上石炭統(tǒng)烴源巖有機(jī)質(zhì)類型的真實(shí)面貌。

2.3 有機(jī)質(zhì)的成熟度及其成烴演化階段

有機(jī)質(zhì)的成熟程度和成烴演化階段是油氣形成潛能評(píng)價(jià)的一項(xiàng)主要因素，也是決定油氣勘探成功率的一項(xiàng)關(guān)鍵因素。前已述及，德令哈坳陷石炭系露頭有相當(dāng)部分的下石炭統(tǒng)，甚至部分上石炭統(tǒng)(C2k)有機(jī)質(zhì)熱演化進(jìn)入過成熟階段，已無生油氣潛力可言。因此，德令哈坳陷石炭系是否還有成熟度較低、具有生烴潛力的烴源巖成為大家關(guān)注的焦點(diǎn)。通過石灰溝及旺尕秀上石炭統(tǒng)露頭剖面的生物標(biāo)志化合物(表3)來探討其熱演化特征。

表3 旺尕秀及石灰溝剖面上石炭統(tǒng)烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度參數(shù)

從氯仿瀝青“A”的烴族組成上來看，旺尕秀剖面的 C2z都有瀝青質(zhì)組分，含量在 2.79% ～59.56%間分布;石灰溝剖面的C2k和C2z大多數(shù)沒有瀝青質(zhì)組分，僅各有1個(gè)煤樣(均采自礦坑)有瀝青質(zhì)組分，說明絕大多數(shù)已向烴類轉(zhuǎn)化，使得烴類含量增加。

兩剖面上石炭統(tǒng)的鏈烷烴CPI值和OEP值分別為1.01～1.06和1.02～1.24，表明正烷烴的奇偶優(yōu)勢已經(jīng)消失，是成熟有機(jī)質(zhì)的特征。

石灰溝甾烷成熟度參數(shù)C2920R/20(R+S)與C29ββ/(αα +ββ)分別為 0.41 ～0.57 和 0.32 ～0.69;旺尕秀剖面這兩項(xiàng)比值分別為0.25～0.52和0.39～0.60。除SH-79煤樣達(dá)到高成熟階段外，其余有機(jī)質(zhì)都分布于成熟區(qū)內(nèi)。旺尕秀地區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)的成熟度仍低于石灰溝地區(qū)。不過甾烷的成熟度參數(shù)在Ro＜1.35%以下時(shí)比較可靠，當(dāng)Ro＞1.35%時(shí)就不能真實(shí)反映有機(jī)質(zhì)的成熟度。

總體來說，石灰溝、旺尕秀的上石炭統(tǒng)烴源巖都已成熟，石灰溝地區(qū)成熟度相對(duì)高于旺尕秀地區(qū)。石灰溝地區(qū)處于高成熟早期至過成熟階段，這與其處于歐龍布魯克山邊緣構(gòu)造作用較強(qiáng)有關(guān)。旺尕秀地區(qū)處于成熟階段的后期—高成熟階段早期，有的還處在大量成烴階段。因此，對(duì)德令哈坳陷石炭系的生油氣潛力評(píng)價(jià)不能一概而論，應(yīng)根據(jù)其所處構(gòu)造位置分別對(duì)待。尤其在坳陷內(nèi)部構(gòu)造作用較弱的地區(qū)，如石炭系殘余沉積厚度較大的歐南、旺尕秀東部，應(yīng)當(dāng)存在有機(jī)質(zhì)成熟度較低、尚有較好生烴潛力的烴源巖。

3 結(jié)論

目前對(duì)于德令哈坳陷石炭系烴源巖只能局限于露頭樣品的研究，而這些露頭大多處于老山邊緣，受構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響較為強(qiáng)烈，有機(jī)質(zhì)的高成熟度給烴源巖的評(píng)價(jià)帶來一定程度的困難。但通過研究表明，上石炭統(tǒng)烴源巖是德令哈坳陷石炭系中最具潛力的源巖類型與生油氣層系。

(1)德令哈坳陷的石炭系，尤其是上石炭統(tǒng)具有與鄂爾多斯盆地相似的煤系地層，且其碳酸鹽巖及泥巖有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好、成熟度相對(duì)較低，是該區(qū)很有潛力的一套烴源巖。

(2)德令哈坳陷勘探程度低，以石炭系為烴源巖的油氣勘探更是處于起步階段，從旺尕秀上石炭統(tǒng)烴源巖樣品成熟度來看，坳陷內(nèi)一定會(huì)存在成熟度低、具有較好生烴潛力的烴源巖。因此，對(duì)于德令哈坳陷石炭系應(yīng)繼續(xù)予以重視并加大研究和勘探力度。

[1]甘貴元，嚴(yán)曉蘭，趙東升.柴達(dá)木盆地德令哈斷陷石油地質(zhì)特征及勘探前景[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，2006，28(5):499-503.

[2]甘貴元，姚熙海，陳海濤.柴達(dá)木盆地德令哈斷陷油氣運(yùn)聚特征[J]. 新疆石油地質(zhì)，2007，28(3):279-281.

[3]彭德華，陳啟林，陳迎賓.柴達(dá)木盆地德令哈坳陷基本地質(zhì)特征與油氣資源潛力評(píng)價(jià)[J].中國石油勘探，2006，11(6):45-50.

[4]段宏亮，鐘建華，王志坤，等.柴達(dá)木盆地東部石炭系烴源巖評(píng)價(jià)[J]. 地質(zhì)通報(bào)，2006，25(9):1135-1142.

[5]李守軍，張洪.柴達(dá)木盆地石炭系地層特征與分布[J]. 地質(zhì)科技情報(bào)，2000，19(1):1-4.

[6]王訓(xùn)練，高金漢，張海軍，等.柴達(dá)木盆地北緣石炭系頂、底界線再認(rèn)識(shí)[J]. 地學(xué)前，2002，9(3):65-72.

[7]萬傳治，樂幸福，陳迎賓.柴達(dá)木盆地東部地區(qū)石炭系分布規(guī)律與生烴潛力評(píng)價(jià)[J].天然氣地球科學(xué)，2006，17(5):663-667.

[8]楊平，胡勇.柴達(dá)木盆地石炭紀(jì)古生態(tài)與沉積環(huán)境[J]. 新疆石油地質(zhì)，2006，27(3):280-284.

[9]陳丕濟(jì).碳酸鹽巖生油地球化學(xué)中的幾個(gè)問題[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì)，1985，7(1):3-12.

[10]傅家謨，劉德漢.碳酸鹽巖有機(jī)質(zhì)熱演化特征及油氣評(píng)價(jià)[J]. 石油學(xué)報(bào)，1982，3(1):1-9.

[11]Teichmuller M.Organic petrology of source rocks，history and state of the art[J].Org.Geochem.，1986，10(1/2/3):581-599.