鄂爾多斯盆地Y井區(qū)烴原巖特征分析及評(píng)價(jià)

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(西北大學(xué) 大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室/地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069)

1 鄂爾多斯盆地Y井區(qū)簡(jiǎn)介

Y井區(qū)位于鄂爾多斯盆地中南部(圖1)。該區(qū)域探井Y井鉆探目的主要鉆遇地層是了解古生界二疊系石千峰組、石盒子組、山西組、太原組，石炭系本溪組和奧陶系馬家溝組儲(chǔ)層發(fā)育及含油、氣情況。

鄂爾多斯盆地?zé)N源巖主要是上古生界太原組和山西組的含煤巖系，全盆地均有分布，而且分布相對(duì)較為穩(wěn)定[1]。本文結(jié)合鄂爾多斯盆地上古生界烴源巖特征、探井各種化驗(yàn)分析資料以及前人研究成果[2-5]，對(duì)本井區(qū)上古生界烴源巖特征進(jìn)行了深入的分析。

2 烴源巖類型及分布特征

Y井鉆遇地層表明縱向上共有三套巖石組合可以作為烴源巖：下古生界奧陶系馬家溝組海相泥巖和碳酸鹽巖組合；上古生界本溪組、太原組、山西組、石盒子組和石千峰組的暗色泥巖、炭質(zhì)泥巖、煤層；中生界三疊-侏羅系延長(zhǎng)組和延安組的暗色泥巖組合。由此可見，本井具有一定生成油氣能力的巖石類型主要為暗色泥巖、煤巖和碳酸鹽巖。

中生界下侏羅統(tǒng)延安組地層厚度190 m，暗色泥巖厚81 m，以深灰色泥巖為主，占延安組地層總厚度的42.63%。上三疊統(tǒng)延長(zhǎng)組地層厚度897 m，暗色泥巖厚190 m，主要為深灰色泥巖，占延長(zhǎng)組底層總厚度的21.18%。上古生界上二疊統(tǒng)石千峰組地層厚度252 m，暗色泥巖厚91 m，以暗棕色和棕紅色泥巖為主，占石千峰組地層總厚度的36.11%。中二疊統(tǒng)石盒子組地層厚度273 m，暗色泥巖厚67 m，以灰綠色、深灰色和灰黑色泥巖為主，占石盒子地層總厚的28.36%。下二疊統(tǒng)山西組總厚92 m，暗色泥巖厚49 m，以深灰色和灰黑色泥巖、炭質(zhì)泥巖為主，占山西組地層總厚的54.77%。下二疊統(tǒng)太原組在本井大部分缺失，僅保留了一薄層灰?guī)r。上石炭統(tǒng)本溪組地層厚度12 m，暗色泥巖厚厚4 m，以灰黑色炭質(zhì)泥巖為主，占本溪組地層總厚的36.37%。下古生界發(fā)育的泥巖型烴源巖主要是馬家溝組海相泥巖型烴源巖，Y井鉆遇的馬家溝組地層總厚99 m，其中暗色泥巖總厚度為14 m，以深灰色白云質(zhì)泥巖為主，占地層總厚的14.14%(圖2)。

圖1 Y井區(qū)地理及構(gòu)造位置示意圖

圖2 Y井各層段暗色泥巖厚度柱狀對(duì)比圖

煤巖在Y井中較為發(fā)育，主要見于上古生界山西組、和本溪組。其中山西組煤層厚6 m，占地層總厚度的6.68%，主要集中在山2段，煤層厚度較小,僅有一套煤層厚3 m，其余均為薄煤層。本溪組煤層厚度4 m，為連續(xù)沉積，占地層厚度比值為36%(圖3)。

圖3 Y井煤層厚度柱狀對(duì)比圖 圖4 Y井碳酸鹽巖厚度柱狀對(duì)比圖

Y井發(fā)育的碳酸鹽巖主要見于二疊系太原組、本溪組和下古生界馬家溝組。本井太原組發(fā)生缺失，僅發(fā)育一套6 m厚的碳酸鹽。本溪組碳酸鹽巖總厚度3 m，以黑色、灰色泥質(zhì)灰?guī)r為主，占地層總厚比值為27.3%。馬家溝組碳酸鹽巖總厚度為78 m，以褐灰色色白云巖、泥質(zhì)白云巖和深灰色灰?guī)r為主。占地層總厚度比值為78.79%(圖4)。

Y井區(qū)烴源巖主要是三種類型烴源巖：泥巖型、碳酸鹽巖型、煤型，其中泥巖型烴源巖在Y井區(qū)最為常見，在湖相、三角洲相、障壁海岸相等多種相類型中都有發(fā)育。碳酸鹽巖型烴源巖為Y井區(qū)發(fā)育的另一種類型的烴源巖，見于太原組、本溪組和馬家溝組，主要形成于海相和海陸交互相，該類型烴源巖在馬家溝組中占主導(dǎo)地位，是馬家溝組主要的生氣巖。據(jù)此，我們將泥巖型烴源巖和碳酸鹽巖型烴源巖做為本井區(qū)烴源巖的重點(diǎn)研究對(duì)象。

3 烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的建立

烴源巖評(píng)價(jià)中有機(jī)質(zhì)豐度常用指標(biāo)包括有機(jī)碳含量、氯仿瀝青“A”、總烴和生烴潛量等指標(biāo)。Y井上古生界和下古生界烴源巖均已進(jìn)入高成熟階段或過成熟階段，由于有機(jī)炭受熱演化程度的影響相對(duì)于其他幾個(gè)參數(shù)要小，因此本機(jī)研究中主要結(jié)合機(jī)碳含量(Toc)、熱解總烴、生烴潛量、氯仿瀝青“A”等關(guān)鍵指標(biāo)，對(duì)研究區(qū)烴源巖進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

3.1 泥巖型烴源巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

泥巖能否作為烴源巖主要對(duì)其有機(jī)碳含量的評(píng)價(jià)，看是否能達(dá)到達(dá)到烴源巖的某一臨界值。目前，國(guó)內(nèi)對(duì)泥巖型烴源巖的評(píng)價(jià)已經(jīng)已經(jīng)建立了統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，并得到廣大學(xué)者的認(rèn)可。有機(jī)質(zhì)豐度的評(píng)價(jià)在國(guó)內(nèi)目前已有相對(duì)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)[6](表1)。本井區(qū)泥巖型烴源巖按照此標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

表1 泥巖型烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度分級(jí)評(píng)價(jià)表

3.2 煤系地層中的泥巖型烴源巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

與煤層伴生的暗色泥巖型烴源巖中有機(jī)物質(zhì)主要以陸源高等植物為主，水生生物相對(duì)較少。一般來說高等植物含類脂物較少，因而富碳貧氫，水生生物富含類脂組分，因而相對(duì)富氫。煤系地層中的泥巖型烴源巖雖然其有機(jī)碳含量很高，但其生烴潛力仍然較小，以有機(jī)碳來評(píng)價(jià)煤系地層中的泥巖型烴源巖的優(yōu)劣一般相應(yīng)地提高標(biāo)準(zhǔn)，而不能簡(jiǎn)單地套用湖相泥巖烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。本井山西組、太原組和本溪組煤系地層中的泥巖型烴源巖的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)采煤系泥巖的有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)[7-8](表2)

3.3 煤巖型烴源巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

參考湖相烴源巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，提出了Y井煤巖的生烴潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)(表3)。煤巖有機(jī)碳含量很高，其生烴能力主要是取決于生烴潛量，因此在對(duì)Y井區(qū)煤巖型烴源巖評(píng)價(jià)時(shí)，不在將有機(jī)碳含量作為重點(diǎn)，而是僅作為參考。

表2 含煤地層煤系泥巖和

表3 煤巖型烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度分級(jí)評(píng)價(jià)表

3.4 碳酸鹽巖烴源巖型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于碳酸鹽巖型來說，有機(jī)質(zhì)豐度決定了其是否具備生烴能力。當(dāng)原始有機(jī)質(zhì)豐度沒有達(dá)到界限值時(shí)，生烴量能力達(dá)不到排除要求，只有原始有機(jī)質(zhì)豐度達(dá)到甚至超過界限值后，才能使產(chǎn)生的烴類排除，發(fā)生運(yùn)移和聚集。烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度下限值是指生成的烴正好飽和巖石和擴(kuò)散而沒有有效排出時(shí)生烴巖對(duì)應(yīng)的有機(jī)碳值，是烴源巖評(píng)價(jià)中的一個(gè)重要參數(shù)。因此，結(jié)合研究區(qū)實(shí)際情況，有機(jī)質(zhì)豐度的下限值依舊是判斷碳酸鹽巖型烴源巖的關(guān)鍵[9-13]。

根據(jù)Y井碳酸鹽巖型烴源巖高成熟～過成熟的演化特點(diǎn)，初步將本井烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度的下限值定為0.043%, 大于0.043%為烴源巖類，小于0.043%為非烴源巖類(表4)。

表4 碳酸鹽巖型烴源巖烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度分級(jí)評(píng)價(jià)表

4 烴源巖特征分析

沉積巖中的有機(jī)質(zhì)是烴類生成的物質(zhì)基礎(chǔ)，是決定巖石生烴能力的主要因素。鄂爾多斯盆地?zé)N源巖相關(guān)研究較為豐富生，烴源巖發(fā)育特征以及生烴情況較為清楚[14-17]。認(rèn)為鄂爾多斯盆地的烴源巖整體有3套：下古生界海相碳酸鹽巖、上古生界海陸過渡相碎屑巖、中生界湖沼碎屑巖。本次評(píng)價(jià)對(duì)重點(diǎn)層位下古生界馬家溝組白云質(zhì)泥巖和上古生界石盒子組暗色泥巖、山西組的暗色泥巖進(jìn)行烴源巖評(píng)價(jià)。對(duì)于其它巖層(如石千峰組暗色泥巖，山西組煤層，太原組灰?guī)r和本溪組灰?guī)r)根據(jù)其它井的研究資料做歸納。

4.1 有機(jī)質(zhì)豐度

石盒子組暗色泥巖樣品有機(jī)炭含量平均為1.92%，生烴潛量(S1+S2)平均為0.41 mg/g，氯仿瀝青“A”含量平均為0.0022%(表5)，屬于中等較好的烴源巖。

山西組暗色泥巖樣品有機(jī)炭含量平均為1.13%；生烴潛量(S1+S2)平均為0.375 mg/g。氯仿瀝青“A”含量平均為0.001 7%。值得關(guān)注的是氯仿瀝青“A”與有機(jī)碳含量相關(guān)性較好，總體屬于烴源巖范疇，部分樣品達(dá)到好級(jí)別。

馬家溝組5塊泥巖樣品有機(jī)炭含量平均為0.524%；生烴潛量(S1+S2)平均為0.196 mg/g。氯仿瀝青“A”含量平均為0.001 52%(表5)，總體屬于烴源巖范疇。

表5 Y井上古界各層位有機(jī)質(zhì)豐度分析統(tǒng)計(jì)表

*注：最小值～最大值 平均值

4.2 有機(jī)質(zhì)類型

4.2.1 干酪根顯微組分特征

干酪根很少是由某一種顯微組分單一組成，可以根據(jù)四種顯微組分在干酪根中所占的比例進(jìn)行有機(jī)質(zhì)類型劃分。常用的方法有兩種：一種是根據(jù)求得的顯微組分百分含量直接劃分干酪根類型；另一種是在鏡下求出干酪根的顯微組分百分含量之后，計(jì)算類型指數(shù)“T”，以不同的T值劃分干酪根類型[18-19]。

類型指數(shù)：

式中：A為腐泥組含量(%)；B為殼質(zhì)組含量(%)；C為鏡質(zhì)組含量(%)；D為惰質(zhì)組含量(%)。

類型劃分標(biāo)準(zhǔn) ：腐泥形(I)：T≥80～100；混合型(Ⅱ)：T=80～0；腐殖腐泥型(Ⅱ1)：T=80～40；腐泥腐殖型(Ⅱ2)：T=40～0；腐殖型(Ⅲ)：T≤0～-100。

Y井古生界暗色泥巖有機(jī)質(zhì)以混合型干酪根為主。其中腐泥組含量3%～64%，殼質(zhì)組含量高達(dá)35%～85%，鏡質(zhì)組1%～39%，不含惰質(zhì)組組分(表6)。根據(jù)各顯微組分計(jì)算出的類型指數(shù)介于2～81之間，由此可判斷本井烴源巖有機(jī)質(zhì)基本屬腐殖腐泥型(Ⅱ1型)和腐泥腐殖型(Ⅱ2型)。

馬家溝組樣品由干酪根顯微組分鑒定試驗(yàn)可以觀察到樣品中只含有腐泥無定形體，類型劃分為腐泥形(I)。

4.2.2 干酪根元素組成分析

隨著溫度和壓力的增加，沉積有機(jī)質(zhì)變得不穩(wěn)定，大多數(shù)含氧化合物不及飽含氫化合物穩(wěn)定，氧首先形成氣體(CO2、H2O)逸出。由于有機(jī)質(zhì)熱演化程度過高，O/C原子比-H/C原子比范氏圖難以確定有機(jī)質(zhì)類型。相對(duì)而言，H/C原子比比較穩(wěn)定，所以本井可選擇H/C來劃分有機(jī)質(zhì)類型。I型：H/C介于1.25～1.75；Ⅱ型：H/C介于0.65～1.25；Ⅲ型：H/C介于0.46～0.93。本井古生界樣品干酪根元素組成中，C元素含量為7.42%～79.19%，H元素含量0.51%～3.11%，H/C介于0.39～1.21之間，有機(jī)質(zhì)類型以腐殖形干酪根和混合性干酪根為主。

4.2.3 干酪根碳同位素組成

干酪根碳同位素組成能反映有機(jī)質(zhì)的生源組成，取決于有機(jī)質(zhì)的組成。一般認(rèn)為，I型：δ13C<-27.5‰；Ⅱ1型：δ13C=-26.0‰～-27.5‰；Ⅱ2型：δ13C=-24.5‰～-26.0‰；Ⅲ型：δ13C>-20.0‰～-24.5‰。

暗色泥巖樣品干酪根碳同位素平均為-24.09‰，大部分樣品點(diǎn)落在Ⅱ2區(qū)域和Ⅲ型區(qū)域。

表6 Y井有機(jī)質(zhì)類型統(tǒng)計(jì)表

圖5 Y井古生界烴源巖族組分三角圖

4.2.4 可溶有機(jī)質(zhì)族組成特征

氯仿瀝青“A”的族組成研究，是可溶有機(jī)質(zhì)類型研究常用的方法，其族組成包括飽和烴、芳香烴、非烴和瀝青質(zhì)4種成分，相對(duì)含量反映了生烴母質(zhì)類型和演化程度。因此，根據(jù)三大族組分相對(duì)含量和飽和烴特征，即可進(jìn)行類型劃分。

Y井古生界樣品飽和烴含量為7.89%～28%，芳香烴含量8%～21.05%，非烴和瀝青質(zhì)含量53.33%～65.79%(圖5)。三大族組分中，非烴和瀝青質(zhì)相對(duì)含量比飽和烴最高。從族組分特征上可以看出，有機(jī)質(zhì)類型更接近于腐殖腐泥型有機(jī)質(zhì)。

4.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

4.3.1 有機(jī)質(zhì)的Tmax(℃)分析

Tmax(℃)是在巖石熱解分析過程中，干酪根樣品達(dá)到最大生烴率時(shí)的溫度，是重要的成熟度參數(shù)。依據(jù)Tmax值判定生油巖的成熟度是比較簡(jiǎn)易可行的方法。一般而言，Tmax<440℃，干酪根處于未成熟階段；440℃～460℃為成熟階段；460℃～490℃為高成熟階段；Tmax>490℃，干酪根過成熟。

Y井的Tmax值在428℃～535℃間，在一定程度上有隨深度增大而增大的趨勢(shì)(表7)。具體表現(xiàn)為石盒子組4個(gè)烴源巖樣品的Tmax(℃)值分析結(jié)果顯示，Tmax(℃)范圍為428℃～521℃，平均值可達(dá)477℃。山西組6個(gè)烴源巖樣品的Tmax(℃)范圍為466℃～518℃，平均值為499℃。馬家溝組5個(gè)烴源巖樣品的Tmax(℃)范圍為476℃～535℃，平均值為509℃。整體上已處于高成熟凝析油濕氣階段～過成熟干氣階段。

表7 Y井有機(jī)質(zhì)成熟度研究統(tǒng)計(jì)表

4.3.2 鏡質(zhì)體反射率(Ro)分析

鏡質(zhì)組反射率主要取決于成巖作用，熱變質(zhì)作用與鏡質(zhì)組反射率成正相關(guān)性。本井上古生界暗色泥巖樣品的鏡質(zhì)組反射率為2.186～2.773(表4-11)，在一定程度上表明，本井上古生界烴源巖基本處于大量成氣的熱演化階段，下古生界馬家溝泥巖樣品的鏡質(zhì)體反射率為2.551～2.773，有機(jī)質(zhì)成熟度很高，已進(jìn)入過成熟干氣階段。

4.3.3 H/C比

本井古生界的樣品H/C比大多數(shù)小于0.69，僅有少數(shù)山西組樣品和馬家溝組樣品H/C比超過了0.69(表7)。依照根據(jù)H/C比劃分有機(jī)質(zhì)演化程度的標(biāo)準(zhǔn)(表8)，本井大多數(shù)有機(jī)質(zhì)處于過成熟干氣階段和高成熟凝析油濕氣階段，石盒子組盒4段部分層位和馬家溝組馬五1段處于生物化學(xué)生氣階段。

綜上可知，Y井上古生界的烴源巖的熱演化程度較高，已經(jīng)處于高成熟凝析油濕氣～過成熟干氣階段，即已處于大量成氣的熱演化階段。

表8 有機(jī)質(zhì)演化程度階段劃分評(píng)價(jià)表

5 烴源巖綜合評(píng)價(jià)

基于鄂爾多斯盆已有研究，認(rèn)為鄂爾多斯盆地上古生界的烴源巖分布呈兩側(cè)厚、中間薄而穩(wěn)定的特征。本井山西組和太原組煤層發(fā)育，有機(jī)質(zhì)豐度、生烴潛能(S1+S2)指標(biāo)也很好，也應(yīng)當(dāng)是上古生界主要的氣源巖。

縱觀Y井上古生界烴源巖的各種特征，可以得出以下認(rèn)識(shí)：

(1)從有機(jī)質(zhì)成熟度上來看，本井區(qū)上古生界的烴源巖已經(jīng)處于了大量成氣的熱演化階段，因此烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度以及其所處的沉積環(huán)境無疑成為了評(píng)價(jià)其生氣潛能的最重要的指標(biāo)。從烴源巖有機(jī)碳含量來看，石盒子組和本山西組的暗色泥巖、馬家溝組的深色灰?guī)r總體上已達(dá)烴源巖生烴級(jí)別，其中石盒子組暗色泥巖烴源巖屬于中等較好烴源巖，山西組暗色泥巖、馬家溝組碳酸鹽巖總體屬于烴源巖范疇。

(2)本井上古生界的烴源巖已經(jīng)大部分進(jìn)入了過成熟干氣階段，即已屬于過成熟烴源巖，該種烴源巖中，由于有機(jī)質(zhì)熱演化程度高，主要通過有機(jī)碳含量評(píng)價(jià)烴源巖標(biāo)準(zhǔn)，并綜合考慮氯仿瀝青“A”以及生烴潛能(S1+S2)的值進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。本井的氯仿瀝青“A”含量和生烴潛能(S1+S2)雖然普遍較低，但其分布仍具有一定的規(guī)律，不難看出，二者與烴源巖有機(jī)碳含量具有較好的一致性，表現(xiàn)為有機(jī)碳含量高，則其氯仿瀝青“A”含量和生烴潛能(S1+S2)一般也較高。

(3)一般認(rèn)為還原和低能的環(huán)境有利于天然氣生成，鄂爾多斯盆地在古生界經(jīng)歷了由海相沉積到陸相沉積的過渡，其沉積環(huán)境比較復(fù)雜。干酪根類型和其有機(jī)質(zhì)碳同位素δ13C的含量可以在一定程度上反映地層所處的沉積環(huán)境特點(diǎn)。根據(jù)干酪根、元素、碳同位素以及可溶有機(jī)質(zhì)組成的特征，綜合判定本井上古生界有機(jī)質(zhì)應(yīng)屬于混合型，含少量腐殖型(Ⅲ)有機(jī)質(zhì)。

(4)通過Tmax和Ro綜合分析，研究區(qū)上古生界馬家溝組和山西組烴源巖基本已進(jìn)入高成熟凝析油濕氣～過成熟干氣階段；下古生界奧陶系烴源巖處于生物化學(xué)生氣階段。

6 結(jié)語

(1)Y井區(qū)的烴源巖分為泥巖型、煤型和碳酸鹽巖型三種類型的烴源巖，泥巖型烴源巖和碳酸鹽巖型烴源巖是本井區(qū)主要烴源巖類型。

(2)Y井區(qū)上古生界和下古生界烴源巖均已進(jìn)入高成熟階段或過成熟階段，基于已有評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及研究區(qū)特點(diǎn)，以有機(jī)碳含量為主，輔以結(jié)合熱解總烴、生烴潛量及氯仿瀝青“A”，對(duì)研究區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。

(3)從有機(jī)質(zhì)成熟度上來看，Y井區(qū)上古生界的烴源巖已經(jīng)處于了大量成氣的熱演化階段，從烴源巖有機(jī)碳含量來看，石盒子組暗色泥巖屬于中等較好烴源巖，山西組暗色泥巖和馬家溝組碳酸鹽巖屬于烴源巖范疇。

(4)通過最大熱解峰溫(Tmax)和鏡質(zhì)體反射率綜合分析，Y井區(qū)上古生界馬家溝組和山西組烴源巖已進(jìn)入高成熟凝析油濕氣～過成熟干氣階段；下古生界奧陶系烴源巖處于生物化學(xué)生氣階段。