柳河盆地鷹嘴砬子組烴源巖地球化學(xué)特征及意義

馮進(jìn)來，王秋玉，吳海光，戴春雷，馬 妍

(東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163000)

近些年來，隨著吉林油田外圍盆地勘探進(jìn)程，逐步發(fā)現(xiàn)柳河盆地有很大勘探潛力，有關(guān)學(xué)者先后對該盆地進(jìn)行了研究。孟元林等[1]通過對東北地區(qū)東部盆地群下白堊統(tǒng)烴源巖特征和頁巖氣勘探潛力進(jìn)行調(diào)查，發(fā)現(xiàn)東部盆地群下白堊統(tǒng)泥頁巖地化特征和儲層條件良好，有很好的勘探遠(yuǎn)景。藍(lán)藝植等[2]通過對柳河盆地鷹嘴砬子組沉積特征和儲層特征的分析，發(fā)現(xiàn)柳河盆地鷹嘴砬子組儲層曾發(fā)生油氣的運聚，盆地內(nèi)存在致密儲層和油氣藏。徐盛俠等[3]研究了柳河盆地?zé)N源巖、儲集層和生儲蓋組合特征，發(fā)現(xiàn)了柳河盆地具有良好的油氣成藏條件，具有一定勘探前景。因此，從前人研究來看，柳河盆地可能是一個有一定生烴潛力的盆地，然而，目前關(guān)于盆地主力生油氣層位的研究還很薄弱，影響了該區(qū)的勘探進(jìn)程。本文以柳地1井，柳地2井巖心為主要研究對象，利用有機質(zhì)熱解、總有機碳(TOC)、干酪根鏡檢、飽和烴氣相色譜(GC)和飽和烴色譜—質(zhì)譜分析(GC-MS)等實驗對烴源巖的生烴潛力和沉積環(huán)境進(jìn)行研究，從而為柳河盆地的油氣勘探提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

柳河盆地是我國松遼盆地東部外圍盆地群中的一個重要的次級沉積盆地。盆地位于東部外圍盆地群的南西位置，主要受敦密斷裂帶控制，緊鄰?fù)ɑ璧?、撫松盆地，面積約1 300 km2，呈現(xiàn)出中部窄、北東與南西寬的形態(tài)特征(見圖1)[4]。

柳河盆地為古生界和前古生界變質(zhì)巖基底，主要發(fā)育中生界下白堊統(tǒng)地層，部分還發(fā)育侏羅系地層。下白堊統(tǒng)自下而上發(fā)育果松組、鷹嘴砬子組、林子頭組和亨通山組。前人研究表明，柳河盆地屬于侏羅紀(jì)山前斷陷盆地，總共經(jīng)歷過4期火山噴發(fā)[5]。火山作用使柳河盆地被充填，火山巖在盆地中開始發(fā)育并遭受剝蝕。柳河盆地沉積相主要分為扇三角洲、湖泊相和混相3個亞相。根據(jù)野外露頭和鉆井資料顯示，柳河盆地主要巖石為含礫粗砂巖、粉砂質(zhì)泥巖和安山巖等(見圖2)[2]。

2 樣品采集及實驗方法

本次測試樣品全部來自吉林省東部外圍盆地柳河盆地柳地1井、柳地2井鷹嘴砬子組巖心。實驗所有過程均在東北石油大學(xué)地球化學(xué)實驗室完成。樣品總共49塊，其中大部分都為灰黑色泥巖。實驗內(nèi)容包括TOC測定、巖石熱解分析、干酪根鏡檢、有機元素分析、RO測定、飽和烴色譜—質(zhì)譜分析和飽和烴氣相色譜分析等。

圖1 吉林省東部盆地群分布

圖2 柳河盆地綜合柱狀描述

把取回來的巖心粉碎至0.2 mm粒徑。用1‰天平稱取0.50 g，裝入坩堝，依次按順序擺放在瓷盤中。向瓷盤中緩緩加入過量5%鹽酸，放在電熱板上，溫度控制在60～80℃，溶樣2.5 h，直至反應(yīng)完全。將溶解好的樣品轉(zhuǎn)移到置于抽濾器上的坩堝里，用蒸餾水洗凈殘留的酸液；再置于70～80℃的烘箱內(nèi)干燥待用。這一過程的目的是去除無機碳。去除無機碳后，在烘干的盛有試樣的瓷坩堝中加入鐵屑助熔劑約1 g、鎢粒助熔劑約1 g，輸入試樣質(zhì)量，上機測定TOC含量。

巖心磨碎后，用0.150 mm(100目)的篩網(wǎng)進(jìn)行篩選，進(jìn)行熱解分析，隨后用索氏抽提法將樣品中的有機質(zhì)萃取出來，之后在進(jìn)行族組成分離。把族組成分離出來的飽和烴用Gas Chromatograph Clarus 500氣相色譜儀進(jìn)行飽和烴氣相色譜分析。氣相色譜條件：色譜柱為HP-5MS石英彈性毛細(xì)管柱(60 m×0.25 μm)；進(jìn)樣口溫度為300℃；檢測器溫度為310℃；載氣為氦氣；載氣流量1 mL/min；分流比為1∶10。升溫程序：初溫為80℃，恒溫0.5 min；以20℃/min升溫速率升到150℃，恒溫0.5 min；以3℃/min升溫速率升到310℃，恒溫30 min。用Clarus 500 05248700氣相色譜—質(zhì)譜儀進(jìn)行飽和烴色譜—質(zhì)譜分析。色譜條件：色譜柱為HP-5MS石英彈性毛細(xì)管柱(60 m×0.25 μm)；進(jìn)樣口溫度為300℃；檢測器溫度為310℃；載氣為氦氣；載氣流量1 mL/min。升溫程序：初溫為80℃，恒溫0.5 min；以20℃升溫速率升至150℃，恒溫0.5 min；以3℃升溫速率升至310℃，恒溫30 min。質(zhì)譜條件：掃描周期1.3 s，選擇粒子掃描。

3 烴源巖地球化學(xué)特征及意義

3.1 有機質(zhì)豐度

有機質(zhì)豐度是反映烴源巖特征的一個重要方面，有機質(zhì)豐度可以反映烴源巖生烴潛力和產(chǎn)物特征。通常TOC、氯仿瀝青“A”、S1和S2等參數(shù)是反映有機質(zhì)豐度的重要參數(shù)。在大部分情況下，烴源巖的TOC含量更容易測定，且TOC能反映沉積物中有機質(zhì)的總量[6]。根據(jù)柳地1井、柳地2井鷹嘴砬子組49個樣品測試結(jié)果顯示，柳河盆地白堊統(tǒng)鷹嘴砬子組TOC分布范圍為0.1%～1.5%，平均值為0.6%，屬于中等烴源巖，其中TOC<0.4%和TOC在0.6%～1.0%之間的烴源巖所占比例較大(見圖3)。

圖3 柳河盆地鷹嘴砬子組烴源巖TOC分布頻率

根據(jù)我國陸相烴源巖有機質(zhì)豐度評價指標(biāo)(SY/T5735-1995)，柳河盆地鷹嘴砬子組有機質(zhì)豐度為中等。從S1+S2隨深度變化分布上看(見圖4)，本區(qū)S1+S2分布并無明顯規(guī)律，S1+S2值基本都小于0.15 mg/g，分析S1，S2這兩個參數(shù)過低可能與本區(qū)有機質(zhì)成熟度有關(guān)[7]，故選取TOC作為本區(qū)有機質(zhì)豐度的主要指標(biāo)。

圖4 柳河盆地鷹嘴砬子組烴源巖S1+S2隨深度變化散點分布

3.2 有機質(zhì)類型

有機質(zhì)類型是衡量有機質(zhì)產(chǎn)烴能力的主要參數(shù)，同時也決定了主要產(chǎn)物的類型。判斷有機質(zhì)類型的方法主要是干酪根鏡檢，鏡下觀察有機質(zhì)的顯微組分，根據(jù)各顯微組分含量所占百分比來區(qū)分有機質(zhì)類型。還可以通過測量有機質(zhì)H、C、O元素含量，比較H/C，O/C的關(guān)系來區(qū)分有機質(zhì)類型。本文通過這兩種方法來判斷柳河盆地鷹嘴砬子組有機質(zhì)類型。

根據(jù)柳地1井、柳地2井鷹嘴砬子組46個樣品干酪根鏡檢統(tǒng)計情況看，干酪根顯微組分中，腐泥組和殼質(zhì)組含量占絕對優(yōu)勢，而惰質(zhì)組含量很少。通過干酪根顯微組分三角圖看，所有樣品顯微組分也是以腐泥組為主(見圖5)。

圖5 干酪根顯微組分三角狀

通過各顯微組分含量，計算出TI類型指數(shù)：

TI=100a+80b1+50b2-75c-100d

(1)

式(1)中，a為腐泥組百分含量，%；b1為樹脂體百分含量，%；b2為孢粉體、木栓體、角質(zhì)體、殼質(zhì)碎屑體、腐殖無定形體、菌孢體百分含量，%；c為鏡質(zhì)組百分含量，%；d為惰質(zhì)組百分含量，%。

根據(jù)TI類型指數(shù)判別標(biāo)準(zhǔn)，TI類型指數(shù)大于80為Ⅰ型干酪根。從本區(qū)TI類型指數(shù)直方圖看(見圖6)，TI類型指數(shù)大于80的樣品占所有樣品的85%，反映出柳河盆地鷹嘴砬子組干酪根類型主要是Ⅰ-Ⅱ1型，Ⅰ型占絕大部分。

有機質(zhì)類型主要為腐泥型，夾雜少量腐泥—腐殖型，為良好的生油母質(zhì)。根據(jù)氫碳氧碳原子比關(guān)系圖(見圖7)，柳河盆地鷹嘴砬子組大部分干酪根類型落在Ⅲ型附近，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可能是由于研究區(qū)內(nèi)火山作用產(chǎn)生大量熱量，而使有機質(zhì)成

圖6 柳河盆地鷹嘴砬子組干酪根TI類型指數(shù)分布

熟度過高，此時可能為殘?zhí)茧A段[8]。

圖7 柳河盆地鷹嘴砬子組干酪根H/C、O/C原子比散點分布

從圖7中可以看出：鷹嘴砬子組烴源巖RO值分布在2%以上，從另一角度證實了柳河盆地鷹嘴砬子組烴源巖處于成熟—高成熟階段。從干酪根類型上來看，柳河盆地鷹嘴砬子組有機質(zhì)主要為腐泥型，是良好生油母質(zhì)，屬于好烴源巖。

3.3 有機質(zhì)成熟度

RO值是目前應(yīng)用最廣泛，最權(quán)威的成熟度指標(biāo)。根據(jù)鏡質(zhì)體反射率統(tǒng)計關(guān)系上來看，柳河盆地鷹嘴砬子組RO分布范圍為3.16%～4.36%，平均值為3.31%，其中大部分RO值大于2%，屬于成熟—過成熟階段。由此可見，鷹嘴砬子組有機質(zhì)熱演化程度很高(見圖8)。隨著深度增加，鏡質(zhì)體反射率不斷增加，有機質(zhì)也向更成熟階段不斷演化。

圖8 柳河盆地鷹嘴砬子組烴源巖RO隨深度變化散點分布

Tmax也是有機質(zhì)成熟度重要指標(biāo)之一。從Tmax隨深度變化散點圖上看(圖9)，鷹嘴砬子組有機質(zhì)大部分分布在450～580℃，有機質(zhì)處于成熟—過成熟階段，這與鏡質(zhì)體反射率得出的結(jié)果一致。在1 100 m時，Tmax發(fā)生異常，產(chǎn)生這一異常的原因可能是該層位發(fā)育輝長巖和閃長巖，都為火成巖，經(jīng)前人研究，火成巖的發(fā)育是產(chǎn)生Tmax異常的一個重要原因[9]。綜合本區(qū)樣品有機質(zhì)成熟度，烴源巖成熟度基本都是成熟—高成熟，有良好生氣潛力。

3.4 有機質(zhì)來源和沉積環(huán)境

3.4.1 有機質(zhì)來源

烴源巖的母質(zhì)來源以及生烴母質(zhì)的特征對烴源巖的生烴潛力和產(chǎn)物特征起著很重要的作用。一般認(rèn)為，正構(gòu)烷烴和甾烷類生物標(biāo)志化合物可以反映沉積有機質(zhì)來源和沉積環(huán)境等方面的信息。根據(jù)前人研究，奇偶優(yōu)勢不明顯的低碳數(shù)正構(gòu)烷烴可能指示藻類等水生生物來源而具有奇偶優(yōu)勢的高碳數(shù)(>C23)正構(gòu)烷烴可能指示陸源有機質(zhì)的輸入，這一特點常常被用來判斷有機質(zhì)母質(zhì)來源[10]。

圖9 柳河盆地鷹嘴砬子組烴源巖Tmax隨深度變化散點分布

本次研究的柳河盆地鷹嘴砬子組烴源巖正構(gòu)烷烴參數(shù)數(shù)據(jù)(見表1)可以看出，8個樣品的正構(gòu)烷烴碳數(shù)分布范圍主要在nC14～nC30，主峰碳基本都位于低碳數(shù)正構(gòu)烷烴，飽和烴低碳數(shù)與高碳數(shù)烴類比值在0.24～0.85，平均值為0.54，且ΣC(21+22)/ΣC(28+29)平均值在2.3，OEP在1～2之間，但OEP在這里不具有指示意義，因為OEP只對未熟—低熟階段的樣品有效，本次研究區(qū)域?qū)儆诔墒臁叱墒斓貐^(qū)，故此次不選用OEP作為母質(zhì)來源的指示參數(shù)。綜合本區(qū)烴源巖低碳數(shù)烴類含量占優(yōu)勢，再結(jié)合前人對柳河盆地沉積環(huán)境的研究，反映出本區(qū)有機質(zhì)來源主要為水生生物[11]。

表1 鷹嘴砬子組烴源巖的地球化學(xué)參數(shù)

規(guī)則甾烷是判別有機質(zhì)母質(zhì)來源的一個重要指標(biāo)。一般認(rèn)為，水生生物中富含C27甾烷，而高等植物中富含C29甾烷。本區(qū)所有樣品規(guī)則甾烷具有C27>C29>C28，C27-C28-C29呈“L”型分布，反映了樣品主要富集C27甾烷，水生生物貢獻(xiàn)較大，可能還夾雜少量陸源高等植物貢獻(xiàn)，代表本區(qū)母質(zhì)來源主要為水生生物，有機質(zhì)類型為腐泥型。從規(guī)則甾烷C27-C28-C29分布規(guī)律看，本區(qū)C27甾烷含量明顯高于C28、C29甾烷，樣品點大部分落在混合源區(qū)，但靠近浮游植物和藻類，表示研究區(qū)有機質(zhì)主要母質(zhì)來源為水生生物，陸源高等植物也有小部分貢獻(xiàn)，也能反映出本區(qū)沉積環(huán)境主要為深湖—半深湖相沉積。

綜合分析本區(qū)母質(zhì)來源主要為水生生物，主要為浮游植物，夾雜少量陸源高等植物，有機質(zhì)類型主要為腐泥型。

3.4.2 沉積環(huán)境

生物標(biāo)志化合物是指示沉積環(huán)境的重要指標(biāo)。類異戊二烯烷烴中，分布最廣泛和最常用的化合物是Pr(姥鮫烷)和Ph(植烷)。一般用姥鮫烷與植烷的比值(Pr/Ph)來指示有機質(zhì)氧化—還原沉積環(huán)境環(huán)境。柳河盆地鷹嘴砬子組有7組樣品飽和烴氣相色譜檢測出姥鮫烷(Pr)植烷(Ph)，且Pr/Ph值大部分分布在1～2之間，為弱還原環(huán)境。根據(jù)Pr/nC17-Ph/nC18分布規(guī)律(見圖10)，2個樣品落在陸相環(huán)境內(nèi)，有3個樣品落在還原環(huán)境，反映出柳河盆地鷹嘴砬子組烴源巖主要為海相和鹽湖相沉積，有機質(zhì)類型為Ⅰ-Ⅱ型，為還原環(huán)境下的產(chǎn)物。但有2個樣品點沒有落在判別圖版內(nèi)，分析其原因，成熟度會在一定程度上影響Pr/Ph，由于本區(qū)樣品成熟度相對較高，所以Pr/Ph只作為指示本區(qū)氧化還原環(huán)境的一個側(cè)面指標(biāo)。

圖10 Pr/nC17-Ph/nC18判別

藿烷類化合物作為沉積物分布最廣泛的一類生物標(biāo)志化合物在油氣地球化學(xué)研究中有很重要的地位。通過前人的研究發(fā)現(xiàn)，Ts、Tm與沉積環(huán)境有很大聯(lián)系，一般來說，Tm在還原環(huán)境中有廣泛分布，相反Ts在氧化環(huán)境中占絕對優(yōu)勢[12]。本區(qū)樣品Tm/Ts接近于1，說明本區(qū)處于弱氧化—弱還原沉積環(huán)境，一定程度上偏向還原環(huán)境。這與姥鮫烷、植烷指示氧化還原環(huán)境結(jié)果基本一致。

Ts和Tm除了指示有機質(zhì)沉積環(huán)境，還常常被用來指示成熟度。柳河盆地鷹嘴砬子組8個樣品Ts/(Ts+Tm)值都在0.5附近(見表1)，表明烴源巖處于成熟階段。這與之前RO、Tmax和甾烷類化合物判斷有機質(zhì)成熟度結(jié)果一致。

伽馬蠟烷/C30藿烷是反映沉積環(huán)境鹽度的一個重要指標(biāo)，一般認(rèn)為伽馬蠟烷/C30藿烷<0.25為淡水環(huán)境，0.25～0.5之間為咸水環(huán)境，>0.5為超咸水環(huán)境，本區(qū)樣品伽馬蠟烷/C30藿烷平均值為0.225，反映主要沉積環(huán)境為淡水環(huán)境(見圖11～12)。

圖11 鷹嘴砬子組烴源巖萜烷(m/z 191) 譜圖

圖12 鷹嘴砬子組烴源巖甾烷(m/z 217)譜圖

綜合前人的研究評價本區(qū)沉積環(huán)境，為弱氧化—弱還原淡水深湖—半深湖環(huán)境。

4 結(jié) 論

1)柳河盆地鷹嘴砬子組烴源巖TOC反映有機質(zhì)豐度中等，干酪根鏡檢和H/C、O/C關(guān)系反映有機質(zhì)類型主要為Ⅰ-Ⅱ2型，RO值、Tmax和ααα-C2920S/(20S+20R)和C29ββ/(ββ+αα)關(guān)系反映有機質(zhì)處于成熟—高成熟階段，為良好烴源巖。

2)烴源巖飽和烴色譜—質(zhì)譜C27-C28-C29規(guī)則甾烷呈“L”型分布，指示本區(qū)母質(zhì)來源主要為水生生物(如浮游植物和藻類)，陸源高等植物也有少量貢獻(xiàn)，有機質(zhì)主要為腐泥型，為良好的生油母質(zhì)。

3)烴源巖飽和烴低碳數(shù)正構(gòu)烷烴占優(yōu)勢，Pr/Ph在1～2之間，Ts/(Tm+Ts)在0.5左右，伽馬蠟烷/C30藿烷在0.23，反映出本區(qū)沉積環(huán)境主要為弱還原淡水沉積環(huán)境。

4)柳河盆地鷹嘴砬子組有良好生油氣潛力，可能為主力烴源巖，有一定的勘探價值。