鄂爾多斯盆地南梁西區(qū)延長(zhǎng)組烴源巖生物標(biāo)志物特征研究

趙天林

(中陜核工業(yè)集團(tuán)地質(zhì)調(diào)查院有限公司，陜西 西安）（大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室）

羅靜蘭，李杪

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

白雪晶

(大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（西北大學(xué)），陜西 西安）710069（中石油大慶油田有限責(zé)任公司第五采油廠，黑龍江 大慶163513）

生物標(biāo)志物是指存在于地殼和大氣圈中，分子結(jié)構(gòu)與特定天然產(chǎn)物之間有明確聯(lián)系的天然有機(jī)化合物。目前已檢測(cè)出的生物標(biāo)志物不下幾百種，常用的有正構(gòu)烷烴、類異戊二烯烷烴、萜烷及甾烷類等。在石油地質(zhì)研究中，生物標(biāo)志物主要用于判別有機(jī)質(zhì)類型、成熟度和古沉積環(huán)境評(píng)價(jià)等。近年來(lái)，發(fā)現(xiàn)生物標(biāo)志物的相對(duì)穩(wěn)定性突破了常規(guī)油源對(duì)比指標(biāo)的局限性，在原油組群劃分、油-源精細(xì)對(duì)比、主力烴源巖厘定方面有了新的進(jìn)展和應(yīng)用[1,2]。

長(zhǎng)期以來(lái)，對(duì)延長(zhǎng)組烴源巖的研究主要集中在巖石學(xué)、測(cè)井響應(yīng)特征、分布范圍以及有機(jī)地球化學(xué)分析等方面[3～6]，而對(duì)延長(zhǎng)組下部長(zhǎng)8～長(zhǎng)9油層組烴源巖生物標(biāo)志物研究相對(duì)較少。南梁西區(qū)位于鄂爾多斯盆地陜北斜坡中西部，是長(zhǎng)慶油田第一采油廠近年來(lái)高產(chǎn)勘探開(kāi)發(fā)區(qū)塊之一，勘探面積約135km2(見(jiàn)圖1)。

延長(zhǎng)組為該區(qū)主要的烴源巖和含油層系，屬湖泊～三角洲沉積環(huán)境。長(zhǎng)6油層組為其主力產(chǎn)層，其次為長(zhǎng)4+5油層組、長(zhǎng)7油層組和長(zhǎng)8油層組，同時(shí)在長(zhǎng)3油層組、長(zhǎng)9油層組和長(zhǎng)10油層組亦發(fā)現(xiàn)零星分布的產(chǎn)油井，預(yù)示著良好的石油勘探開(kāi)發(fā)前景[7]。由于該區(qū)是長(zhǎng)慶油田新建產(chǎn)能區(qū)塊，對(duì)烴源巖生物標(biāo)志物特征未開(kāi)展過(guò)系統(tǒng)研究，從而制約了更深層次的勘探工作。為此，筆者在分析延長(zhǎng)組烴源巖生物標(biāo)志物分布特征的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)討論了其對(duì)有機(jī)質(zhì)成熟度、母質(zhì)類型、沉積環(huán)境判別等的指示意義，以期為該區(qū)下一步油氣勘探提供地質(zhì)依據(jù)。

圖1 鄂爾多斯盆地區(qū)域構(gòu)造及采樣位置圖

1 樣品及試驗(yàn)方法

該研究選取了7口井10塊延長(zhǎng)組泥頁(yè)巖樣品，所有樣品均為井下新鮮巖樣(采樣井位見(jiàn)圖1)，具體采樣層位見(jiàn)表1。樣品的有機(jī)質(zhì)抽提按常規(guī)有機(jī)地球化學(xué)方法在中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院石油地質(zhì)試驗(yàn)研究中心進(jìn)行。首先將泥巖樣品經(jīng)凈化處理后放入恒溫干燥箱內(nèi)，在40℃烘干4h以上；干燥后樣品磨碎過(guò)篩至80目以下，進(jìn)行索氏抽提72h；抽提后所得可溶有機(jī)質(zhì)經(jīng)濃縮后加入正己烷靜置沉淀瀝青質(zhì)，用硅膠、氧化鋁色層柱，分別以正己烷、二氯甲烷和甲醇作為沖洗劑，得到飽和烴、芳香烴和非烴餾分；用氣相色譜-質(zhì)譜對(duì)飽和烴進(jìn)行分析測(cè)試，試驗(yàn)儀器為T(mén)hermo-Trace GC Ultra-DSQⅡ氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀，色譜柱為HP-5MS彈性石英毛細(xì)柱(60m×0.25mm×0.25μm)，柱始溫100℃，升溫速率4℃/min，柱終溫320℃，恒溫20min。載氣為99.999%氦氣，載氣流速1mL/min；離化方式為電子轟擊( EI，70eV)，離子源溫度250℃。

2 氯仿瀝青“A”及族組分特征

烴源巖樣品基本參數(shù)與族組成見(jiàn)表1，樣品中氯仿瀝青“A”質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布于0.21%～0.58%，各油層組氯仿瀝青“A”質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較小，長(zhǎng)9油層組和長(zhǎng)7油層組烴源巖氯仿瀝青“A”質(zhì)量分?jǐn)?shù)相似，長(zhǎng)6油層組烴源巖氯仿瀝青“A”質(zhì)量分?jǐn)?shù)與長(zhǎng)8油層組烴源巖接近。根據(jù)陸相烴源巖有機(jī)質(zhì)類型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[8]，認(rèn)為長(zhǎng)6～長(zhǎng)9油層組烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，均已達(dá)到好生油巖級(jí)別。

烴源巖樣品的氯仿瀝青“A”組成具有“兩高兩低”的特征，即芳香烴和飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，非烴和瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。不同油層組的烴源巖族組成特征差別非常明顯，長(zhǎng)9油層組烴源巖烴類質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為51.54%，長(zhǎng)6～長(zhǎng)8油層組烴源巖烴類質(zhì)量分?jǐn)?shù)普遍在73.34%以上。飽和烴除午98井長(zhǎng)61油層樣品異常高外，具有長(zhǎng)7>長(zhǎng)6>長(zhǎng)8>長(zhǎng)9油層組的規(guī)律；芳香烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)長(zhǎng)8油層組最高，長(zhǎng)7油層組、長(zhǎng)9油層組和長(zhǎng)6油層組次之。非烴和瀝青質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)長(zhǎng)9油層組最高，長(zhǎng)6油層組和長(zhǎng)8油層組次之，長(zhǎng)7油層組最低(見(jiàn)表1)。根據(jù)陸相烴源巖有機(jī)質(zhì)類型評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[8]，綜合認(rèn)為長(zhǎng)7油層組烴源巖主要以Ⅰ型和Ⅱ1型為主；長(zhǎng)6油層組、長(zhǎng)8油層組烴源巖以Ⅱ1-Ⅱ2型為主，混源特征較明顯；長(zhǎng)9油層組烴源巖以Ⅱ1型和Ⅰ型為主，部分烴源巖具有Ⅲ型干酪根性質(zhì)。

表1 烴源巖樣品基本參數(shù)與族組成

注：“-”表示樣品中未檢測(cè)出該值，下同；飽/芳為飽和烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)與芳香烴比值，下同。

3 生物標(biāo)志化合物特征

3.1 正構(gòu)烷烴

圖2 研究區(qū)延長(zhǎng)組烴源巖正構(gòu)烷烴和類異戊二烯烷烴(m/z=85)氣相色譜圖

3.2 類異戊二烯烷烴

姥植比(Pr/Ph)可作為沉積環(huán)境及介質(zhì)酸堿度的重要標(biāo)志。類異戊二烯烷烴數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示(見(jiàn)表2)，樣品Pr/Ph值分布于0.75～3.25，均值為0.86，具有較明顯的植烷優(yōu)勢(shì)，表明有機(jī)質(zhì)形成于弱還原～還原環(huán)境；少數(shù)長(zhǎng)91油層樣品具姥鮫烷優(yōu)勢(shì)，指示弱氧化環(huán)境。Pr/nC17、Ph/nC18值能夠較好地反映樣品中有機(jī)質(zhì)的降解程度，一般降解較嚴(yán)重的樣品Pr或Ph的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)大于其相鄰的正構(gòu)烷烴。大部分樣品Pr/nC17、Ph/nC18值小于0.5，顯示了未遭受降解的特征，但午107井長(zhǎng)71油層烴源巖Ph/nC18值為0.54，反映了該樣品可能曾遭受過(guò)輕微的降解作用。圖3為延長(zhǎng)組烴源巖Pr/nC17與Ph/nC18關(guān)系圖，由Pr/nC17-Ph/nC18關(guān)系圖可判斷沉積環(huán)境氧化還原性，從圖3得知，泥巖樣品具有相似的氧化還原條件，絕大多數(shù)樣品分布在Ⅱ/Ⅲ型過(guò)渡相區(qū)域，少數(shù)分布在Ⅰ/Ⅱ型海相和鹽湖相區(qū)域，反映母質(zhì)以混合來(lái)源為主，亦表明烴源巖沉積時(shí)為弱還原～還原環(huán)境。

表2 正構(gòu)烷烴與類異戊二烯烷烴數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

圖3 延長(zhǎng)組烴源巖Pr/nC17與Ph/nC18關(guān)系圖

3.3 萜烷

3.3.1二環(huán)倍半萜烷

各烴源巖樣品中均檢測(cè)出較豐富的C15～C16二環(huán)倍半萜烷系列化合物。圖4為研究區(qū)延長(zhǎng)組烴源巖二環(huán)倍半萜烷(m/z=123)質(zhì)量色譜圖。在m/z=123質(zhì)量色譜圖上，C15和C16各有4個(gè)同分異構(gòu)體，峰A和峰B分別對(duì)應(yīng)C15補(bǔ)身烷的重排異構(gòu)化合物4,4,8,8,9-五甲基十氫化萘和4,4,8,9,9-五甲基十氫化萘，峰C對(duì)應(yīng)C15-補(bǔ)身烷，峰D對(duì)應(yīng)C16-升補(bǔ)身烷。該峰群中以C16-升補(bǔ)身烷相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為特征，而不同樣品中C15-補(bǔ)身烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)差異較大。關(guān)于二環(huán)倍半萜烷的成因目前尚無(wú)定論，普遍認(rèn)為該化合物是由藿烷先質(zhì)物在成巖作用早期階段的降解產(chǎn)物經(jīng)還原或重排作用而形成[9]。

圖4 研究區(qū)延長(zhǎng)組烴源巖二環(huán)倍半萜烷(m/z=123)質(zhì)量色譜圖

表3為烴源巖中二環(huán)倍半萜烷、三環(huán)萜烷分布參數(shù)，烴源巖中二環(huán)倍半萜烷分布參數(shù)顯示，烴源巖樣品中C15-補(bǔ)身烷/C16-升補(bǔ)身烷比值分布于0.16～0.43，且各油層組樣品中該比值變化不大。而重排補(bǔ)身烷/補(bǔ)身烷、重排補(bǔ)身烷/C15-補(bǔ)身烷比值變化較大，分別為0～0.72和0～2.6，總體上以午103井、午105井長(zhǎng)91油層烴源巖重排補(bǔ)身烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高為特征。該類化合物的重排機(jī)制類似于重排藿烷，主要與黏土礦物催化及熱演化程度有關(guān)。在一定沉積條件下，熱演化程度與重排補(bǔ)身烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)成正比[10,11]。筆者認(rèn)為，這2個(gè)樣品中二環(huán)倍半萜烷所表現(xiàn)出來(lái)的非均質(zhì)性，一方面說(shuō)明該樣品與其他樣品可能存在熱演化程度上的差異，另一方面也可能預(yù)示氧化還原環(huán)境不同和黏土礦物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的差異，抑或兩者兼有。

表3 烴源巖中二環(huán)倍半萜烷、三環(huán)萜烷分布參數(shù)

3.3.2三環(huán)萜烷

圖5為延長(zhǎng)組烴源巖萜烷(m/z=191)質(zhì)量色譜圖，從圖5可以看出，樣品抽提物中三環(huán)萜烷碳數(shù)分布較為完整，從C19～C30均有分布，呈倒“V”字型分布，低碳數(shù)(C19～C21)化合物稍占優(yōu)勢(shì)，C25以后各峰的相對(duì)峰值明顯降低，這種分布特征與我國(guó)淡水～微咸水古環(huán)境地質(zhì)樣品相似[12]。Peters研究指出，淡水環(huán)境與咸水環(huán)境相比不容易產(chǎn)生三環(huán)萜類化合物[13]。研究所測(cè)樣品中三環(huán)萜烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較低，這也進(jìn)一步表明烴源巖沉積環(huán)境以淡水沉積為主。

圖5 研究區(qū)延長(zhǎng)組烴源巖萜烷(m/z=191)質(zhì)量色譜圖

C19～21/C23～24值常作為母源參數(shù)，用來(lái)比較藻類脂質(zhì)體和不同原核生物對(duì)母源的貢獻(xiàn)[13]。由表3得知，大部分烴源巖樣品檢測(cè)出C19、C20、C21，且呈上升階梯狀分布； C19～21三環(huán)萜烷/C23～24三環(huán)萜烷值除午103井長(zhǎng)91油層烴源巖為5.10外，多數(shù)分布于0.7～1.58，總體反映了樣品有機(jī)質(zhì)原始母質(zhì)以混合來(lái)源為主，陸源高等植物豐富，低等水生生物及菌藻類貢獻(xiàn)也較大。

3.3.3霍烷類化合物

升霍烷指數(shù)(C35/C31～35)可用于指示沉積環(huán)境的古鹽度。表4中，長(zhǎng)6～長(zhǎng)9油層組樣品C35/C31～35值分布于0.02～0.05，其中長(zhǎng)91油層烴源巖中未檢測(cè)出C35藿烷。長(zhǎng)9～長(zhǎng)8油層組樣品均值為0.025，顯示為微咸水相的淡水環(huán)境；長(zhǎng)7油層組樣品均值為0.033，稍高于長(zhǎng)9油層組、長(zhǎng)8油層組樣品，揭示長(zhǎng)7油層組沉積期水體鹽度略有增加；而長(zhǎng)61油層樣品均值可達(dá)0.045，屬于淡水～微咸水環(huán)境，局部為半咸水環(huán)境。總體而言，自長(zhǎng)9～長(zhǎng)6油層組沉積期，湖盆水體鹽度略有增加。

3.4 甾類化合物

3.4.1規(guī)則甾烷及孕甾烷

長(zhǎng)6～長(zhǎng)9油層組樣品中規(guī)則甾烷總體上以C28和C29略占優(yōu)勢(shì)為特征，C27質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較少，部分長(zhǎng)6、長(zhǎng)7油層組樣品C27>C29>C28。∑(C27+C28)>∑C29，表明母質(zhì)來(lái)源具雙重性。圖6為 C19～21/C23～24三環(huán)萜烷與C27～29ααα20R甾烷關(guān)系圖。從圖6可知，午103井長(zhǎng)91油層泥巖樣品該比值最小，規(guī)則甾烷C27-C28-C29呈反“L”型分布，以陸源高等植物輸入為主，這與之前討論的三環(huán)帖烷C19～21/ C23～24異常高值相對(duì)應(yīng)；其余樣品規(guī)則甾烷C27-C28-C29均呈“V”字型或偏“V”字型分布(見(jiàn)圖7)。C27～29ααα20R規(guī)則甾烷三角圖顯示(見(jiàn)圖8)，絕大多數(shù)樣品分布在混源區(qū)，僅少數(shù)長(zhǎng)6、長(zhǎng)9油層組樣品分布在浮游植物區(qū)。孕甾烷和升孕甾烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)與母質(zhì)來(lái)源關(guān)系密切，∑(孕甾烷+升孕甾烷)/∑C29ααα20R值反映生源構(gòu)成，長(zhǎng)6～長(zhǎng)8油層組樣品相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布于0.42～2.55，均值為1.16，說(shuō)明低等水生生物貢獻(xiàn)較大；長(zhǎng)9油層組烴源巖相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布于0.29～1.89，均值為0.88，孕甾烷和升孕甾烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較低，反映陸源高等植物貢獻(xiàn)較大(見(jiàn)表4)。

表4 烴源巖中萜烷、甾烷類分布參數(shù)

注：Ts/Tm為18α(H)C27三降藿烷與17α(H)C27三降藿烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)比，反映成熟度；C31αβ22S/22(R+S)為C31-17α-藿烷22S重排立體異構(gòu)體與22R和22S重排立體異構(gòu)體混合物質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值，成熟度指標(biāo)；升藿烷指數(shù)為C35與(C31至C35升藿烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比，反映氧化還原性指標(biāo)，也可以反映古鹽度；C29ααα20S/20(S+R)為C29甾烷系列中S構(gòu)型與S和R混合構(gòu)型比值，C29ββ/(ββ+αα)為低穩(wěn)定型的ββ型與穩(wěn)定型的βα型比值，兩者均反映成熟度；A為∑(孕甾烷+升孕甾烷)/∑C29ααα20R相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，反映生源構(gòu)成；B為重排甾烷與規(guī)則甾烷比值，用于判斷烴源巖的沉積條件。

圖6 C19～21/C23～24三環(huán)萜烷與C27～29ααα20R甾烷關(guān)系圖

圖7 研究區(qū)延長(zhǎng)組烴源巖甾烷(m/z=217)質(zhì)量色譜圖

Ⅰ-陸生生物；Ⅱ-浮游植物；Ⅲ-藻類；Ⅳ-混合來(lái)源；Ⅴ-陸生植物為主；Ⅵ-浮游植物為主；Ⅶ-藻類為主。圖8 甾族C27～29ααα20R關(guān)系三角圖

Mackenzie最早提出用C29ββ/(ββ+αα)和C29ααα20S/20(S+R)來(lái)計(jì)算有機(jī)質(zhì)成熟度[16]。Seifert W K認(rèn)為C29ββ/(ββ+αα)平衡點(diǎn)為0.67～0.71(鏡質(zhì)體反射率Ro約為0.9%左右)，其進(jìn)入生油窗值為0.25(Ro約為0.6%左右)；C29ααα20S/20(S+R) 平衡點(diǎn)為0.52～0.55(Ro約為0.8%左右)[15]。長(zhǎng)6～長(zhǎng)9油層組烴源巖C29ββ/(ββ+αα)值分布于0.51～0.66，均已大大高于生油門(mén)限值，但未達(dá)到熱演化平衡值0.67～0.71；C29ααα20S/20(S+R)值分布于0.45～0.62，平均值為0.56，除午107井長(zhǎng)61油層烴源巖、午103-100井長(zhǎng)73油層烴源巖、午98井長(zhǎng)81油層烴源巖以及午103井長(zhǎng)91油層烴源巖外，其余長(zhǎng)6～長(zhǎng)9油層組烴源巖該值已超過(guò)平衡點(diǎn)，失去指示成熟度意義(見(jiàn)表4)。

3.4.2重排甾烷

烴源巖樣品中重排甾烷總體上質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，∑重排甾烷/∑規(guī)則甾烷分布于0.06～0.54，重排甾烷主要為C27重排甾烷(見(jiàn)表4)。通常認(rèn)為，重排甾烷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與有機(jī)質(zhì)的成熟度和源巖黏土礦物的酸性催化作用有關(guān)[17]，林金輝進(jìn)一步指出氧化環(huán)境更易于重排甾烷的形成[18]。成熟度參數(shù)顯示所有長(zhǎng)6～長(zhǎng)9油層組烴源巖均已達(dá)到成熟階段，而午103井長(zhǎng)91油層烴源巖相對(duì)較高的重排甾烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)可能與其所處的氧化還原環(huán)境及由此引起的黏土礦物差異性催化作用有關(guān)。地質(zhì)分析認(rèn)為[6,7]，長(zhǎng)91油層期為半深湖-淺湖亞相的弱還原～弱氧化環(huán)境，其富氧程度明顯好于長(zhǎng)6～長(zhǎng)7油層組期深湖-半深湖亞相的還原環(huán)境，并且地層中富含黏土礦物。因此，該樣品中相對(duì)較高質(zhì)量分?jǐn)?shù)的重排甾烷主要受控于該期弱氧化沉積環(huán)境和較豐富黏土礦物的綜合作用，有機(jī)質(zhì)成熟度影響可能是次要的。

4 結(jié)論

1)氯仿瀝青“A”及族組分特征顯示延長(zhǎng)組烴源巖均已達(dá)到好烴源巖標(biāo)準(zhǔn)，以長(zhǎng)7油層組有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為特征；族組成反映長(zhǎng)7油層組有機(jī)質(zhì)類型最好，長(zhǎng)9油層組次之，其次為長(zhǎng)6、長(zhǎng)8油層組。

2)烴源巖樣品富含正構(gòu)烷烴、類異戊二烯烷烴、萜類化合物和甾類化合物。正構(gòu)烷烴呈單峰型分布，具有低碳數(shù)優(yōu)勢(shì)，輕烴組分占有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)；奇偶優(yōu)勢(shì)指數(shù)(IOEP)值接近1.0，碳優(yōu)勢(shì)指數(shù)(ICPI)分布于0.95～1.24，無(wú)明顯的奇偶碳數(shù)分布。

3)姥植比(Pr/Ph)值分布于0.75～1.25，具有植烷優(yōu)勢(shì)，顯示缺氧的弱還原～還原環(huán)境；少數(shù)長(zhǎng)91樣品具姥鮫烷優(yōu)勢(shì)，指示弱氧化環(huán)境。

4)生物標(biāo)志物參數(shù)顯示，原始有機(jī)質(zhì)母質(zhì)構(gòu)成中，既有豐富的菌藻類等低等水生生物，也有一定比例的陸源高等植物混合輸入的特點(diǎn)；長(zhǎng)6～長(zhǎng)8油層組烴源巖有機(jī)質(zhì)來(lái)源相似，以菌藻類等水生生物占優(yōu)勢(shì)；部分長(zhǎng)9油層組成烴母質(zhì)則以陸生高等植物輸入為主。

5)C31αβ22S/22(S+R)、C29ββ/(ββ+αα)和C29ααα20S/20(S+R)等參數(shù)顯示，延長(zhǎng)組烴源巖普遍進(jìn)入成熟階段。