南華北太康隆起上古生界烴源巖有機(jī)地化特征

李永杰

（中國石化華北油氣分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州 450006）

南華北地區(qū)大地構(gòu)造位置位于東秦嶺-大別山構(gòu)造帶北緣，橫跨華北地塊、華北地塊南緣構(gòu)造帶，同時(shí)緊鄰北秦嶺褶皺帶，為一在華北地臺(tái)基礎(chǔ)之上發(fā)育起來的中、新生代疊合盆地。南以欒川－確山－固始－肥中斷裂與秦嶺－大別造山帶相鄰，東以郯廬斷裂與下?lián)P子區(qū)（子板塊）接鄰，北以焦作－商丘斷裂與北華北盆地分界，西接豫西隆起區(qū)[1]。依據(jù)中新生代地層的發(fā)育和分布狀況，南華北盆地從北向南劃分為6個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元：開封坳陷、太康隆起、周口坳陷、豫西隆起、徐蚌隆起和合肥坳陷。南華北盆地的油氣勘探由來已久，但一直未有大的突破[2]。但以往油氣勘探工作主要集中在周口坳陷、開封坳陷等坳陷區(qū)，以上古生界石炭系-二疊系為主要勘探層系的太康隆起區(qū)工作程度則很低，尤其是對太康隆起烴源巖條件的認(rèn)識(shí)存在不同的多種觀點(diǎn)。周小進(jìn)[5]認(rèn)為有效烴源和油氣保存條件是尋找有效油氣藏的關(guān)鍵。林小云等[3]認(rèn)為南華北地區(qū)二疊系煤系泥巖是主要的有效烴源巖，太原組的碳酸鹽巖對生烴也有一定貢獻(xiàn)，從層位上看，有機(jī)質(zhì)豐度自下而上逐漸降低，有機(jī)質(zhì)豐度較高的層位主要為太原組、山西組和下石盒子組。高建平等[4]以有機(jī)碳作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，認(rèn)為太康隆起煤層為中等烴源巖，太原組泥巖屬中等-好級(jí)別烴源巖，山西組泥巖屬中等-差烴源巖。王榮新等[6]依據(jù)煤層有機(jī)碳含量標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)為太康隆起煤層為中等烴源巖，煤系暗色泥巖太康隆起為差烴源巖。吳偉等[7]認(rèn)為石炭-二疊系烴源巖基本屬于差烴源巖和非烴源巖。由此可見對于太康隆起烴源巖存在多種不同的認(rèn)識(shí)，本文在總結(jié)前人認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，采用最新的高成熟煤系烴源巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，依據(jù)最新巖心有機(jī)地化分析數(shù)據(jù)，重新評(píng)價(jià)太康隆起烴源巖生烴潛力。

1 沉積特征

華北石炭-二疊系沉積演化可分為三個(gè)發(fā)展階段：陸表海沉積、三角洲沉積和陸相沉積，南華北盆地上古生界自下而上發(fā)育了中石炭統(tǒng)本溪組，上石炭統(tǒng)太原組，下二疊統(tǒng)山西組和下石盒子組，以及上二疊統(tǒng)的上石盒子組和石千峰組，為一套海陸交互的砂巖、泥巖、碳酸鹽巖與煤層間互的地層，巖性多樣。太原組有一套陸表海碳酸鹽巖、濱岸碎屑巖和瀉湖鐵鋁質(zhì)巖沉積，主要由泥巖、灰?guī)r、砂巖、粉砂巖及煤層組成。山西組為最主要含煤地層之一，為一套以三角洲沉積體系為主的潮坪、瀉湖、泥炭沼澤及三角洲沉積，主要由泥巖、粉砂巖、中細(xì)砂巖夾煤層組成。

2 有機(jī)質(zhì)豐度與生烴潛力

烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度及其生烴潛力是衡量烴源巖好壞的重要標(biāo)志之一。烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度下限是指源巖生成的烴正好飽和巖石而沒有排出時(shí)源巖所對應(yīng)的有機(jī)質(zhì)豐度值，此值為劃分烴源巖和非烴源巖的重要參數(shù)。有機(jī)碳含量是評(píng)價(jià)烴源巖優(yōu)劣的重要參數(shù)之一，對于常規(guī)烴源巖是必需考慮的參數(shù)，然而對于煤系烴源巖來說，煤的有機(jī)碳含量和變質(zhì)程度呈明顯的正相關(guān)，隨著煤變質(zhì)程度的提高，有機(jī)碳含量逐漸增加，其生烴能力逐漸降低，這一點(diǎn)與常規(guī)烴源巖恰恰相反。同時(shí)煤是一種有機(jī)碳含量較高的烴源巖，利用煤的有機(jī)碳含量評(píng)價(jià)其生烴能力已無實(shí)際意義[8]。在煤的熱演化過程中，含氫支鏈斷裂形成烴類，隨著熱演化程度的增加，煤中氫含量逐漸降低，因此，煤系烴源巖中，影響其生烴能力的主要因素是氫含量而不是碳含量，制約煤的生烴能力的主要因素是氫含量，而不是碳含量[9]。因此，針對煤系烴源巖熱演化特點(diǎn)，在評(píng)價(jià)煤系烴源巖的生烴能力時(shí)，以煤中含氫量作為煤系烴源巖評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，生烴潛力隨熱演化程度增大而降低，因而熱演化程度對烴源巖生烴潛力的評(píng)價(jià)也是必須考慮的一個(gè)因素，本文采用董澤亮等[10]制定的高演化程度煤系烴源巖生烴潛力評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。

表1 高演化階段煤系烴源巖生烴潛力評(píng)價(jià)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

2.1 有機(jī)碳含量

本次研究測試的煤系泥巖包括4口井31個(gè)太原組，49個(gè)山西組樣品，太原組的煤系泥巖有機(jī)碳分布在0.17%～7.11%，其平均值為2.05%，19%的樣品有機(jī)碳含量大于3%，45%的樣品有機(jī)碳含量分布在1.5%～3.0%，23%的樣品有機(jī)碳含量分布在0.75%～1.5%，13%的樣品有機(jī)碳含量小于0.75%，這說明太原組大部分煤系泥巖樣品為較好-好烴源巖。山西組煤系泥巖有機(jī)碳分布在0.08%～3.25%，其平均值為1.18%，6%的樣品有機(jī)碳含量大于3%，31%的樣品有機(jī)碳含量分布在1.5%～3.0%，18%的樣品有機(jī)碳含量分布在0.75%～1.5%，45%的樣品有機(jī)碳含量小于0.75%，這說明山西組大部分煤系泥巖樣品為非-較差烴源巖（見圖1）。

2.2 生烴潛力（S1+S2）

4口井31個(gè)太原組煤系泥巖的S1+S2分布在0.01 mg/g～0.36 mg/g，平均值為 0.14 mg/g，29%的樣品的S1+S2分布大于0.2 mg/g，36%的樣品分布在0.1 mg/g～0.2 mg/g，19%的樣品分布在 0.05 mg/g～0.1 mg/g，16%的樣品小于0.05 mg/g，這說明太原組大部分煤系泥巖樣品為較好-好烴源巖。4口井49個(gè)山西組煤系泥巖的S1+S2分布在 0.01 mg/g～0.82 mg/g，平均值為 0.17 mg/g，22%的樣品的S1+S2分布大于0.2 mg/g，43%的樣品分布在0.1 mg/g～0.2 mg/g，10%的樣品分布在0.05 mg/g～0.1 mg/g，25%的樣品小于0.05 mg/g，這說明山西組大部分煤系泥巖樣品為較好-好烴源巖（見圖2）。

2.3 氫指數(shù)（IH）

4口井31個(gè)太原組煤系泥巖的IH分布在2.0 mg/g～14.4 mg/g，平均值為6.5 mg/g，13%的樣品的IH分布大于 10 mg/g，26%的樣品分布在 6 mg/g～10 mg/g，58%的樣品分布在2 mg/g～6 mg/g，3%的樣品小于2 mg/g，這說明太原組大部分煤系泥巖樣品為非-較差烴源巖。4口井49個(gè)山西組煤系泥巖的IH分布在2.0 mg/g～100.0 mg/g，平均值為15.8 mg/g，61%的樣品的IH分布大于10 mg/g，18%的樣品分布在 6 mg/g～10 mg/g，19%的樣品分布在2 mg/g～6 mg/g，2%的樣品小于2 mg/g，這說明山西組大部分煤系泥巖樣品為較好-好烴源巖（見圖3）。

圖1 煤系泥巖TOC分布頻率圖

圖2 煤系泥巖生烴潛量（S1+S2）分布頻率圖Ro/%

圖3 煤系泥巖氫指數(shù)（IH）分布頻率圖

圖4 Ro與深度關(guān)系圖

綜合山西組和太原組煤系泥巖的有機(jī)碳含量、生烴潛力、氫指數(shù)分布，得到的結(jié)論差別比較大，煤系烴源巖有機(jī)碳含量只能作為參考指標(biāo)，生烴潛力與氫指數(shù)評(píng)價(jià)結(jié)論也存在一定的差異，分析原因可能為：太原組泥巖有機(jī)碳含量高于山西組，生烴潛量與山西組相當(dāng)，但是山西組氫指數(shù)明顯高于太原組，這與張言貴等[11]收集的南華北盆地濟(jì)寧、徐州等煤田的低-成熟演化階段的煤系泥巖樣品的氫指數(shù)分布規(guī)律一致，山西組氫指數(shù)高于太原組，郝芳等[12]在分析南華北盆地倪丘集凹陷石炭二疊系含煤地層的有機(jī)質(zhì)特征時(shí)認(rèn)為山西組煤系地層，特別是煤層富含類脂組分，類脂組分含量大多高于10%，部分樣品高達(dá)50%以上，局部形成了殘植煤，導(dǎo)致山西組煤系泥巖氫指數(shù)高于太原組。綜合以上分析認(rèn)為采用生烴潛力指標(biāo)評(píng)價(jià)該區(qū)煤系泥巖較好，山西組和太原組煤系泥巖大部分為較好-好烴源巖。

由于煤層分析樣品較少，太原組3個(gè)樣品，山西組7個(gè)樣品，太原組煤層有機(jī)碳含量28%～55%，山西組煤層有機(jī)碳含量17%～89%，生烴潛力（S1+S2）太原組2.8 mg/g～6.33 mg/g，山西組 1.74 mg/g～8.97 mg/g，氫指數(shù)（IH）太原組 5.04 mg/g～22 mg/g，山西組 4.38 mg/g～45 mg/g，大部分煤層為較好-好烴源巖。

3 有機(jī)質(zhì)類型

除有機(jī)質(zhì)豐度外，烴源巖的好壞與有機(jī)質(zhì)類型具有重要關(guān)系，不同類型的母質(zhì)生烴的性質(zhì)也不同。有機(jī)質(zhì)類型是反應(yīng)有機(jī)質(zhì)質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，對于有機(jī)質(zhì)類型的評(píng)價(jià)，應(yīng)著眼于生成烴類的能力和有機(jī)質(zhì)的富氫組分的含量，在干酪根中有效的氫枯竭之后，即使還含有剩余的碳，生烴作用也會(huì)停止。隨著烴類的生成，干酪根的H/C原子比逐漸降低，不同類型干酪根的H/C原子比與O/C原子比趨于接近，在高演化階段，已不能用H/C原子比和O/C原子比的Van Krevelen圖來區(qū)分有機(jī)質(zhì)類型。而干酪根顯微組分組成和干酪根碳穩(wěn)定同位素值是區(qū)分母質(zhì)類型的重要指標(biāo)，而干酪根的碳穩(wěn)定同位素值隨演化程度基本上沒有太大的變化，因此成為揭示原始母質(zhì)類型的極好指標(biāo)。

通過干酪根鏡檢觀察，山西組和太原組泥巖干酪根顯微組分以鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組為主（見表3），無殼質(zhì)組、腐泥組，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型，通過干酪根碳同位素分析，干酪根碳同位素介于-25.56‰～-20.57‰（見表2），按照戴金星碳同位素劃分有機(jī)質(zhì)類型標(biāo)準(zhǔn)，均為Ⅲ型干酪根。

表2 干酪根碳同位素表

表3 山西-太原組煤系泥巖干酪根顯微組分

表3 山西-太原組煤系泥巖干酪根顯微組分（續(xù)表）

4 有機(jī)質(zhì)成熟度

具有較高有機(jī)質(zhì)豐度和好的類型烴源巖，在達(dá)到一定的熱演化程度才能開始大量生烴[13]。因此有機(jī)質(zhì)成熟度也是評(píng)價(jià)烴源巖是否有效的一個(gè)重要指標(biāo)。目前判斷有機(jī)質(zhì)成熟度的方法有很多，例如：鏡質(zhì)體反射率（Ro）、巖石熱解峰溫（Tmax）、奇偶優(yōu)勢指數(shù)（OEP）、干酪根紅外光譜、可溶有機(jī)質(zhì)的演化、孢粉顏色指數(shù)（SCI）和熱變指數(shù)（TAI）以及生物標(biāo)志化合物等。本次對3口井多個(gè)樣品的Ro測試分析結(jié)果表明（見圖4），山西組和太原組Ro為2.36%～3.8%，3口井的Ro值差距較大，上古生界不同地區(qū)的熱演化程度差別極大，空間上極不均一，但是均達(dá)到了高-過成熟演化階段，對于該地區(qū)熱演化程度的差異原因，前人做了較多的研究。

5 結(jié)論

南華北盆地石炭-二疊系太原組、山西組發(fā)育煤層、煤系泥巖烴源巖，太原組煤系泥巖有機(jī)碳含量高于山西組，但是山西組泥巖氫指數(shù)高于太原組，是由于山西組煤系泥巖干酪根類脂組分含量較高，依據(jù)生烴潛量（S1+S2）評(píng)價(jià)有機(jī)質(zhì)豐度，生烴潛量較高，大部分達(dá)到較好-好烴源巖標(biāo)準(zhǔn)，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型干酪根，熱演化程度高，達(dá)到了成熟-過成熟生產(chǎn)干氣階段。