準噶爾盆地侏羅系煤系烴源巖有機顯微組成及意義

劉 栩，程青松

(1.長江大學(xué) 資源與環(huán)境學(xué)院，湖北 武漢 430100；2.中國石油浙江油田公司，浙江 杭州 310012)

在地球化學(xué)方面主要從有機質(zhì)的豐度、類型和成熟度三個方面進行烴源巖評價[1-2]。從研究方法與評價指標看，煤系烴源巖的評價基本上沿用了我國陸相生油巖的標準。各種實驗技術(shù)方法被用來評價煤的生油潛力[3]。煤系烴源巖的研究主要依據(jù)是有機顯微組分中富氫組分(藻類體，孢子體，角質(zhì)體等)的含量[4-7]、氫指數(shù)的高低等[8-11]。煤系烴源巖，尤其是煤層本身，與一般烴源巖具有很多不同的地質(zhì)-地球化學(xué)特征，這必然將影響到其成烴作用。例如：煤與其共生的碳質(zhì)泥巖有著很高的TOC和瀝青“A”，按生油巖評價標準為優(yōu)質(zhì)生油巖[12]。但是煤的烴產(chǎn)率較低，按Powell的劃分標準[13]：烴產(chǎn)率在30～50 mg/g的煤才是有效源巖，那么我國大部分的煤層不達標。但是我們在這樣所謂不達標的煤層中找到了油田[14-15]。另外，傳統(tǒng)的干酪根成烴學(xué)說并不能較好解釋煤熱解和熱模擬實驗數(shù)據(jù)與煤鏡下檢測數(shù)據(jù)分析結(jié)果的差異性[13，16-18]。常規(guī)有機巖石學(xué)鏡檢、干酪根元素分析煤系有機質(zhì)應(yīng)屬Ⅲ型有機質(zhì)，是一種較差的烴源巖；但是從可溶有機質(zhì)產(chǎn)率、烴產(chǎn)率、氫指數(shù)分析，煤系烴源巖應(yīng)屬于Ⅰ—Ⅱ型有機質(zhì)?？梢姼趁旱某擅涵h(huán)境較為復(fù)雜，其生烴潛力的評價也較泥巖不同。

利用有機巖石學(xué)鏡檢和地球化學(xué)熱解兩種方法評價煤系烴源巖有機質(zhì)類型的結(jié)果存在矛盾，這種矛盾的成因值得深入分析。本文旨在通過對準噶爾盆地侏羅系腐殖煤系烴源巖的有機巖石學(xué)和有機地球化學(xué)特征進行分析，厘清煤系烴源巖有機質(zhì)類型評價的正確方法及其內(nèi)在機理。

1 地質(zhì)背景

準噶爾盆地位于新疆北部，大地構(gòu)造處于哈薩克斯坦古板塊、西伯利亞古板塊及塔里木古板塊交匯處，為中國西部大型晚古生代至中新代：疊合型含油氣盆地。準噶爾盆地8個腐殖煤樣品，均采自準噶爾盆地南緣三工河地區(qū)的花兒溝剖面。剖面位于三工河流域的淺山帶，隸屬于北天山山前沖斷帶中的阜康斷裂帶。其西段北鄰阜康凹陷，東段北鄰吉木薩爾凹陷，采樣位置如圖1所示。準噶爾盆地煤系烴源巖樣品自下而上分別取自八道灣組(J1b)、三工河組(J1s)和西山窯組(J2x)。八道灣組時期阜康斷裂帶為低位體系域的辮狀河三角洲平原沉積，巖性主要為厚層砂巖、礫狀砂巖、砂礫巖夾煤層和泥巖[19]；三角洲平原是三角洲的陸上沉積部分，進一步可劃分為分流河道和分流間灣兩種微相類型。三工河組為高位體系域的三角洲沉積，主要為砂巖、砂礫巖和泥巖夾煤線[19]。

西山窯組為高位體系域的三角洲平原沉積，主要為深灰色泥巖、砂巖夾煤層[19]。準噶爾盆地西山窯組沉積時期，三角洲平原沉積環(huán)境的分流間洼地中，植被茂密蔥蘢，為聚煤作用提供了豐富的物質(zhì)來源。洪水季節(jié)河水溢出河道掩埋植被，在溫暖潮濕的缺氧環(huán)境下，經(jīng)過漫長的地質(zhì)時代及生物化學(xué)作用之后形成煤[21]。

2 樣品與實驗分析

為了對研究區(qū)18個煤系烴源巖樣品的地球化學(xué)特征進行研究。樣品的巖石熱解、有機碳測試、鏡質(zhì)體反射率檢測、顯微組分鑒定等實驗分析在長江大學(xué)油氣資源與勘查技術(shù)教育部重點實驗室完成。

有機碳分析：用5%的稀鹽酸去掉樣品中的碳酸鹽礦物，然后采用OGM-Ⅱ型儀器在900 ℃高溫有氧條件下將有機質(zhì)灼燒成CO2，測得有機碳含量。

巖石熱解：利用Rock-Eval儀，載氣為高純N2。在300 ℃下恒溫3 min，檢測游離烴S1，然后以50 ℃/min的速度升溫到500 ℃，恒溫1 min，檢測裂解烴S2。

圖1 準噶爾盆地構(gòu)造簡圖及侏羅煤系烴源巖取樣位置圖(據(jù)文獻[20])

表1 準噶爾盆地煤系烴源巖有機顯微組分中各組分的百分含量和形態(tài)有機顯微類型指數(shù)TI1

有機巖石學(xué)分析：根據(jù)ISO 7404-2(2009)標準對全巖樣品進行精細拋光制備。在標準條件下，采用Leitz MPV-III顯微光度計的反射式熒光顯微鏡系統(tǒng)進行巖石學(xué)觀察。在白光和紫外光下，采用點計數(shù)法進行顯微組分分析(每個樣品中計數(shù)300個有機物點，排除礦物質(zhì))，并對不同有機-無機顯微組分進行了分類。

3 結(jié)果

3.1 形態(tài)有機顯微類型指數(shù)TI1劃分烴源巖有機質(zhì)類型

形態(tài)有機顯微組分(鏡質(zhì)組、惰質(zhì)組、殼質(zhì)組和腐泥組)的相對百分含量，反映了沉積水體中有機質(zhì)輸入特征及保存條件。烴源巖有機顯微組分的組成特征及含量反映有機質(zhì)的類型和生烴潛力(尤其是富氫顯微組分：殼質(zhì)組和腐泥組)。如表1和圖2所示，準噶爾盆地侏羅系不同層位烴源巖的形態(tài)有機顯微組分的定量分析結(jié)果表明，其主要形態(tài)有機顯微組分為鏡質(zhì)組。

圖2 研究區(qū)煤系烴源巖樣品有機顯微組分三角圖

用形態(tài)有機顯微組分組成定量描述烴源巖的類型特點即形態(tài)顯微類型指數(shù)TI1：

TI1=(腐泥組×100+殼質(zhì)組×50-鏡質(zhì)組×75-惰質(zhì)組×100)/100

據(jù)尚慧云的劃分標準[22]：I 型干酪根，TI1≥80；Ⅱ1型干酪根，40≤TI1<80；Ⅱ2型干酪，0≤TI1<40；Ⅲ型干酪根，TI1<0。通過計算得到TI1的值(表1)：其中TI1均小于0，顯微組分的判斷結(jié)果顯示泥巖、炭質(zhì)泥巖和煤均為Ⅲ型有機質(zhì)。

如表1和圖3所示：準噶爾盆地煤系烴源巖表現(xiàn)出TI1煤< TI1炭質(zhì)泥巖< TI1泥巖的分布特征，表明巖性不同有機質(zhì)類型依然存在差異，煤的有機質(zhì)類型較炭質(zhì)泥巖差，泥巖的有機質(zhì)類型相對最好。

圖3 準噶爾盆地煤系烴源巖樣品形態(tài)顯微類型指數(shù)分布圖

3.2 熱解參數(shù)劃分有機質(zhì)類型

由表2可見，準噶爾盆地樣品鏡質(zhì)組反射率(Ro)為0.51%～0.63%，正處于低成熟階段。由表2可見煤不僅TOC含量高于泥巖，且生烴潛量“S1+S2”和氫指數(shù)HI均高于泥巖。

表2 研究區(qū)煤系烴源巖的熱解及氯仿瀝青“A”參數(shù)統(tǒng)計表

圖4 盆地煤系烴源巖的氯仿瀝青“A”、降解率D、生烴潛量“S1+S2”和氫指數(shù)HI的分布

目前，有機質(zhì)豐度評價指標主要有TOC、氯仿瀝青“A”、氫指數(shù)“HI”、生烴潛量“S1+S2”等。煤系烴源巖的評價標準不能簡單套用一般湖相泥巖的評價標準，應(yīng)把熱解生烴潛量作為基本評價依據(jù)[23-24]。據(jù)表2和圖4可知： 除了準噶爾盆地炭質(zhì)泥巖的降解率D(%)和氫指數(shù)HI(mg/g)比煤高之外，煤不僅TOC含量高于炭質(zhì)泥巖和泥巖，且煤的生烴潛量“S1+S2”、氫指數(shù)“HI”、降解率“D”和氯仿瀝青“A”也比炭質(zhì)泥巖和泥巖高。

利用有機地球化學(xué)的熱解參數(shù)“HI與Tmax”及“D與Tmax”的關(guān)系圖(圖5)，進一步分析研究區(qū)烴源巖的有機質(zhì)類型。結(jié)果表明，煤的有機質(zhì)類型優(yōu)于泥巖；泥巖主要為Ⅲ型有機質(zhì)，而煤主要為Ⅱ型有機質(zhì)。在其他含煤盆地甚至存在有部分煤為Ⅰ型有機質(zhì)。

因此綜合上述分析結(jié)果可知，有機顯微組分與熱解參數(shù)判斷有機質(zhì)的類型時會存在矛盾。 這種矛盾直接影響我們對煤系烴源巖生烴能力的科學(xué)判斷。

4 討論

有機顯微組分與熱解參數(shù)判斷有機質(zhì)的類型時結(jié)果不一樣，對于哪種方法得出的結(jié)論是對的，需要進一步的研究分析。類似的現(xiàn)象在煤系烴源巖中廣泛存在，例如西湖凹陷煤系烴源巖[25]中也有類似報道。Horsfield[26]和Jasper[27]研究認為在同樣的成熟度條件下，煤比泥巖有更高的氫指數(shù)，暗示了其干酪根氫組分更富集，有更好的生烴潛力。事實上，高等植物的兩個主要組成部分——木質(zhì)素和纖維素，以富含C、O為特征，H的含量僅為6%左右[28]。單純考慮纖維素-木質(zhì)素沉積演化形成的煤并不富氫，煤中豐富的氫元素的來源值得深入研究。

圖5 研究區(qū)煤系烴源巖Tmax與HI及Tmax與D的相關(guān)關(guān)系圖

表3 研究區(qū)煤系烴源巖樣品全巖顯微組分中各組分的相對百分含量

4.1 殼質(zhì)組和腐泥組生烴

殼質(zhì)組來源于高等植物的孢子、花粉和角質(zhì)層等組織器官及植質(zhì)組織分泌物。殼質(zhì)組的主要光性特征是反射率低，具有較強的熒光性。常見的殼質(zhì)組分有：孢子體、樹脂體、角質(zhì)體、木栓質(zhì)體、熒光質(zhì)體、殼屑體。腐泥組主要是藻類及其它低等水生生物的腐泥化作用的產(chǎn)物。在一般的煤巖組分分類中，它被包含在殼質(zhì)組(穩(wěn)定組)之內(nèi)。由于其生物來源和生烴演化屬性明顯不同于來源于高等植物的殼質(zhì)組，故在烴源巖顯微組分中常將其單獨列出。腐泥組中的主要顯微組分是藻類體和無定形腐泥體。無定形腐泥體在全巖中主要以瀝青質(zhì)體和礦物瀝青基質(zhì)兩個亞組分出現(xiàn)。

如表3所示，研究區(qū)各盆地煤系烴源巖中富氫顯微組分含量均很低，普遍小于10%。可見煤中的“殼質(zhì)組+腐泥組”含量最高，炭質(zhì)泥巖次之，泥巖最低。

通常，人們認為烴源巖中最主要的生烴母質(zhì)是富氫的殼質(zhì)組和腐泥組。在湖相烴源巖的評價中腐泥組和殼質(zhì)組的多寡直接決定了其潛在生烴量和生烴能力的優(yōu)劣。本文的研究對象為腐殖煤系烴源巖，顯微組成分析的結(jié)果顯示全部烴源巖樣品均為Ⅲ型有機質(zhì)。這些煤系烴源巖中的殼質(zhì)組和腐泥組是否是主要的生烴母質(zhì)，可以通過殼質(zhì)組和腐泥組在全巖顯微組分中的相對含量與總有機碳TOC和生烴潛量“S1+S2”的相關(guān)關(guān)系來判斷。結(jié)果如圖6所示，全巖顯微組分中的“殼質(zhì)組+腐泥組”與TOC和“S1+S2”存在正相關(guān)關(guān)系，但是相關(guān)性較差。

圖6 研究區(qū)煤系烴源巖全巖顯微組分中“腐泥組+殼質(zhì)組”含量與總有機碳TOC以及生烴潛量“S1+S2”的相關(guān)圖

圖7 研究區(qū)煤系烴源巖全巖顯微組分中鏡質(zhì)組與TOC及“S1+S2”相關(guān)圖

4.2 鏡質(zhì)組生烴

鏡質(zhì)組是烴源巖中的主要顯微組分之一，主要由高等植物木質(zhì)纖維組織的凝膠化作用過程形成。凝膠化作用程度的差異，決定了原始植物細胞結(jié)構(gòu)的保存情況。由表3數(shù)據(jù)分析可知，煤巖的全巖顯微組分中鏡質(zhì)組含量極高，炭質(zhì)泥巖和泥巖的全巖顯微組分中鏡質(zhì)組含量較低。

通過鏡質(zhì)組在全巖顯微組分中的相對含量與總有機碳TOC和生烴潛量“S1+S2”的相關(guān)關(guān)系來判斷。全巖顯微組分中的“鏡質(zhì)組”與TOC和“S1+S2”存在正相關(guān)關(guān)系，且相關(guān)性好。對比圖6，我們可清楚地發(fā)現(xiàn)，煤系烴源巖中鏡質(zhì)組具有更重要的生烴貢獻。

綜合分析表明，煤系烴源巖中鏡質(zhì)組是主要的生烴貢獻者。在傳統(tǒng)的陸相烴源巖生烴評價中認為鏡質(zhì)組不生烴，因此在TI1計算公式中鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組都是不生烴的組分。實際上由圖7可知，煤系烴源巖中的鏡質(zhì)組是生烴的，熱解法雖然不能精確計算各組分生烴貢獻量，但是生烴總量能得到反映。這就是熱解法與顯微指數(shù)類型法在判斷有機質(zhì)類型時產(chǎn)生矛盾的原因。

4.3 基質(zhì)鏡質(zhì)體生烴

為了便于討論，本論文將鏡質(zhì)組劃分為結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體、基質(zhì)鏡質(zhì)體、均質(zhì)鏡質(zhì)體和鏡屑體四類。其中結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和鏡屑體屬于貧氫鏡質(zhì)組，基質(zhì)鏡質(zhì)體和均質(zhì)鏡質(zhì)體屬于富氫鏡質(zhì)組。研究區(qū)各盆地腐殖煤系烴源巖鏡質(zhì)組中的結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體、基質(zhì)鏡質(zhì)體、均質(zhì)鏡質(zhì)體和鏡屑體在全巖顯微組分中的百分含量，以及結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體、基質(zhì)鏡質(zhì)體、均質(zhì)鏡質(zhì)體和鏡屑體在鏡質(zhì)組中的相對百分含量統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如表4所示。

如表4所示，鏡質(zhì)組內(nèi)組成中，鏡屑體和結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體所占百分比較低，而基質(zhì)+均質(zhì)鏡質(zhì)體則占絕對優(yōu)勢。綜合來看，如圖8所示，研究區(qū)樣品中均表現(xiàn)出煤和炭質(zhì)泥巖中“基質(zhì)+均質(zhì)”鏡質(zhì)體相對含量高，鏡屑體含量低，泥巖鏡屑體含量高，“基質(zhì)+均質(zhì)”鏡質(zhì)體相對含量低的特征。鏡屑體的含量高低，直觀地反映了陸源有機質(zhì)搬運距離的遠近。

如表4所示，全巖顯微組分中“基質(zhì)+均質(zhì)”鏡質(zhì)體含量相對較高，而鏡屑體和結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體含量較低，結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體是指鏡質(zhì)組中具有原始植物細胞結(jié)構(gòu)的部分，特指植物細胞壁部分，細胞腔圓形、橢圓形直至線形，胞腔內(nèi)有充填物或中空，充填物可以是無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體、樹脂體、滲出瀝青體、微粒體、粘土礦物、碳酸鹽巖、黃鐵礦等。結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體的反射率一般略高于無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體。

表4 研究區(qū)煤系烴源巖中4類鏡質(zhì)體在全巖顯微組分中的百分含量和在鏡質(zhì)組中的相對含量

注：括號內(nèi)為平均值。

圖8 研究區(qū)各盆地煤系烴源巖鏡質(zhì)組內(nèi)組成三角圖

從圖9可見，隨著結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體含量的增加，烴源巖中的TOC含量呈現(xiàn)出增大的趨勢，但是生烴潛量S1+S2反而呈現(xiàn)出降低的趨勢。這表明結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體雖然是重要的有機質(zhì)，但卻不是生烴貢獻者。

由圖10可見，研究區(qū)煤系烴源巖中的鏡屑體與煤系烴源巖中的泥巖、炭質(zhì)泥巖的TOC有較好的相關(guān)性，與煤的相關(guān)性較差，這是由于泥巖和炭質(zhì)泥巖中鏡屑體含量較高，而煤中鏡屑體含量低。煤系烴源巖中鏡屑體與生烴潛量S1+S2呈現(xiàn)出負相關(guān)關(guān)系。表明鏡屑體也不是生烴貢獻者。

無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體在反射光和透射光下都不顯示原始植物細胞結(jié)構(gòu)。形態(tài)多樣，呈條帶狀、團塊狀、基質(zhì)或無定形等。如果是在煤中可進一步劃分為均質(zhì)鏡質(zhì)體、基質(zhì)鏡質(zhì)體、膠質(zhì)鏡質(zhì)體和團塊鏡質(zhì)體等。

無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體的反射率略低于結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體。在堿性還原環(huán)境或強凝膠化作用下，菌、藻類等低等生源物質(zhì)可進入鏡質(zhì)體的結(jié)構(gòu)。增加鏡質(zhì)體的富氫程度，“改良”鏡質(zhì)組的性質(zhì)，導(dǎo)致鏡質(zhì)組的熒光性增強，相應(yīng)地，反射率也受到“抑制”現(xiàn)象。

從圖11可見，研究區(qū)各盆地煤系烴源巖全巖顯微組分中的“基質(zhì)+均質(zhì)”鏡質(zhì)體與TOC和生烴潛力S1+S2均呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。表明鏡質(zhì)組中的基質(zhì)+均質(zhì)鏡質(zhì)體為主要生烴貢獻者。

圖9 準噶爾盆地煤系烴源巖中結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體與TOC及S1+S2的關(guān)系

圖10 準噶爾盆地煤系烴源巖全巖顯微組分中鏡屑體與TOC及S1+S2的相關(guān)圖

圖11 準噶爾盆地煤系烴源巖中“基質(zhì)+均質(zhì)”鏡質(zhì)體與TOC及S1+S2的相關(guān)關(guān)系

因此，鏡質(zhì)組中的主要生烴部分為基質(zhì)+均質(zhì)鏡質(zhì)體。

5 結(jié)論

1)在準噶爾盆地低熟的煤系烴源巖中，熱解法和顯微類型指數(shù)法進行有機質(zhì)類型劃分時，會得到互相矛盾的結(jié)論。熱解法判斷結(jié)果顯示，煤的有機質(zhì)類型最好、炭質(zhì)泥巖次之、泥巖最差；有機顯微類型指數(shù)法判斷結(jié)果顯示，泥巖有機質(zhì)類型最好、炭質(zhì)泥巖次之、煤最差。

2)煤系烴源巖中傳統(tǒng)富氫顯微組分“腐泥組+殼質(zhì)組”與TOC及“S1+S2”的相關(guān)性較差。而傳統(tǒng)不生烴組分鏡質(zhì)組與TOC及“S1+S2”的相關(guān)性好。結(jié)果表明，傳統(tǒng)認為不生烴的鏡質(zhì)組在煤系烴源巖中具有重要的生烴貢獻，而鏡質(zhì)組中又以“基質(zhì)+均質(zhì)”鏡質(zhì)體為主要生烴組分。

3)有機顯微指數(shù)類型法和熱解法判斷有機質(zhì)類型矛盾的關(guān)鍵在于，是否把鏡質(zhì)組看作生烴物質(zhì)。傳統(tǒng)的陸相烴源巖生烴評價中認為鏡質(zhì)組不生烴，但是本研究發(fā)現(xiàn)煤系烴源巖中鏡質(zhì)組是重要的生烴物質(zhì)。因此進行煤系烴源巖的生烴評價時，熱解法更加準確且經(jīng)濟。