柴达木盆地德令哈坳陷石炭系烃源岩评价

陈迎宾，胡 烨，王彦青

(中石化石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡 214126)

引 言

德令哈坳陷西起锡铁山，东至沙利克山，面积约为1.5×104km2，构造区划属柴达木盆地北缘(简称柴北缘)走滑逆冲带东段。该区石炭系地层发育齐全、分布广泛、厚度大且埋藏浅，是目前柴达木盆地以石炭系为烃源岩油气勘探目的层的现实领域[1-2]。由于勘探程度低，早期研究过程中采样点分布局限(多集中于石灰沟地区)、研究类型单一(主要针对碳酸盐岩)，对坳陷内各地区不同类型烃源岩缺乏深入、系统的研究和评价[3-4]。在德令哈地区露头剖面实测及系统取样、分析的基础上，对石炭系烃源岩有机质丰度、类型及其成烃演化阶段进行了全面分析与客观评价，对德令哈坳陷进一步油气远景评价及勘探部署具有重要意义。

1 石炭系发育特征

德令哈坳陷石炭系广泛出露于欧龙布鲁克山、埃姆尼克山、旺尕秀、牦牛山等老山边缘，是柴北缘石炭系出露点最多、出露厚度最大、出露层位最全的地区[5]。按照最新地层划分标准[6]，德令哈坳陷石炭系自下而上发育下石炭统穿山沟组(C1ch)、城墙沟组(C1c)、怀头他拉组(C1h)及上石炭统克鲁克组(C2k)和扎布萨尕秀组(C2z)。地震初步解释表明，坳陷内石炭系虽已遭受不同程度的剥蚀，但仍然大面积分布，残余厚度为400～2 000 m，整体具有西薄东厚、北薄南厚的特点。其中，旺尕秀东部、欧龙布鲁克南部地区石炭系残余厚度较大，均在1 600 m 以上[7-8](图1)。

图1 德令哈坳陷石炭系残余厚度

2 烃源岩有机地球化学特征及综合评价

2.1 有机质丰度

2.1.1 碳酸盐岩有机质丰度及评价

海相碳酸盐岩烃源岩的等级评定，目前国内外尚无统一的标准。陈丕济[9]认为有机碳含量下限值为 0.12%，傅家谟等[10]将其定为 0.08% ～0.10%，国外有用0.20%作下限值[11]。根据德令哈坳陷石炭系碳酸盐岩发育特征，用相对较为成熟的国内华北地区碳酸盐岩的标准进行烃源岩等级划分与评价(表1)。

表1 石炭系碳酸盐岩有机质丰度与生烃潜力评价标准

根据样品分析结果(表2)，下石炭统有机碳含量为0.04% ～1.00%，生油潜量为0.01～1.03 mg/g，氯仿沥青“A”含量为0.001 3% ～0.008 9%，总烃含量平均为0.47～5.00 mg/L。在区域上以怀头他拉剖面最高，石灰沟剖面次之，最低为埃姆尼克山南坡(埃南)的C1h灰岩，有机碳平均含量仅为0.08%，生烃潜量平均为0.02 mg/g。可见，下石炭统灰岩多数属非烃源岩，只有石灰沟和怀头他拉剖面少数灰岩属中等烃源岩。

上石炭统扎布萨尕秀组灰岩以旺尕秀剖面的有机质丰度最高。在旺尕秀108.18 m上石炭统(C2z)剖面采样8块，分析结果表明，有机碳含量为0.050% ～1.280%，平均为0.275%;生油潜量为1.15～2.04 mg/g，平均为1.19 mg/g，氯仿沥青“A”含量为0.004 0% ～0.067 4%，平均为0.032 9%;总烃含量为305 mg/L。这些指标在石炭系灰岩中是最高的，大多数样品达中等烃源岩等级。

2.1.2 泥岩有机质丰度及评价

由表2可知，石灰沟地区下石炭统C1h泥岩有机质丰度较低，有机碳含量为0.07% ～1.14%，平均为0.41%;生油潜量为0～0.13 mg/g，平均为 0.04 mg/g，氯仿沥青“A”为0.000 8% ～0.002 8%，总烃含量只有0.27～0.72 mg/L。而从有机碳含量还有大于1.0%的样品来看，主要是由于成熟度高，使氯仿沥青“A”和总烃含量降低而沦为非烃源岩的。上石炭统的C2k和C2z的有机质丰度比C1h高。C2k泥岩的有机碳平均达1.85%，但同样也是因氯仿沥青“A”和总烃含量太低而属非烃源岩，仅个别可达中等烃源岩。C2z泥岩的有机质丰度与C2k相似，归入非烃源岩之列，只少数为差烃源岩。埃南及怀头他拉剖面的石炭系泥岩，不论是C1h，还是C2k和C2z也都是因氯仿沥青“A”和总烃含量太低而列入非烃源岩，少数可归入差—中等烃源岩。旺尕秀剖面石炭系泥岩的有机质丰度最高，C2z泥岩有机碳含量为0.38%～2.63%，平均为1.31%;生油潜量为0.43～6.13 mg/g，平均为2.15 mg/g;沥青“A”含量为0.002 5% ～0.073 2%，平均为0.036 6%;总烃含量为97～571 mg/L，平均为275×10-6，很多岩样达到中等烃源岩等级。

表2 石炭系碳酸盐岩、泥岩及炭质泥岩有机质丰度与评价

从上述特征来看，泥岩与碳酸盐岩是德令哈坳陷石炭系的主要烃源岩。上石炭统的泥岩和碳酸盐岩的有机质丰度高于下石炭统，而泥岩又高于碳酸盐岩。由于所有样品均来自地表露头，受风化作用影响较大，对烃源岩有机质丰度、等级均有所影响，可以肯定地下源岩的有机质丰度会更高。从区域上看，旺尕秀地区的上石炭统有机质丰度最高，是有利烃源岩的分布区。石灰沟、怀头他拉也是较有利的烃源岩分布区。

2.2 有机质类型

2.2.1 热解分析参数与有机质类型

石灰沟、欧北、穿山沟下石炭统及怀西上石炭统的63个岩样中只有39个样品能测出IH和Io值。根据氢(IH)、氧指数(Io)关系(图2)，38个样品的有机质类型属Ⅲ型，只有石灰沟1个泥岩样品分布于Ⅲ型边缘的Ⅱ型区内。德令哈坳陷下石炭统主要发育广阔台地相沉积，有丰富的海洋生物，野外露头中也能见到众多的腕足、珊瑚、蜓类和藻类等海生生物化石，有机质类型理应属腐泥型或混合型。上石炭统滨岸沼泽相、海陆交互相和台沼相虽较发育，但既有滨岸陆生或河流输入的陆生植物有机质，又有海洋生物形成的有机质，也应属混合型或含植物有机质相对较多的混合型有机质，腐殖型应相对较少。通过对样品热解参数特征的分析可以发现，造成有机质分布于Ⅲ型区内的主要原因是这些地区石炭系烃源岩进入过成熟阶段，使有机质产生了“腐殖化”现象，从而导致烃源岩有机质类型变差。上述地区C1的44个岩样、C2的19个岩样中，有23个(C119个，约占C1的43.2%;C24个，约占C2的21.1%)岩样没有测出S2峰(即S2峰为零值)而只有低的S1峰，表明这些样品只保存了少量可溶烃类S1峰，却不存在由于酪根热解产生的S2峰。也即这63个样品在455℃内已基本没有可裂解的干酪根，能裂解的都已裂解成烃而运移散失(有的S1峰很低，在0.01 mg/g也是这个原因)，只有被砂物等包裹的包体有机质以及和矿物结合的有机质才能在裂解时放出少量S2峰。说明这些岩样有机质的热演化进入过成熟阶段，已没有产油气潜能可言。而在23个无S2峰的岩样中，有19个测不出最高热解峰温(TMAX)，另有4个TMAX低于400℃，只有205～366℃，而这个温度也是游离烃(S1峰)的裂解温度，并不能表明它们是未成熟的岩样;相反，从另一个侧面表明，这23个岩样干酪根的热裂解作用已经完成，是产烃已经结束的烃源岩。同时，在63个岩样中有39个(约占61.9%)有效碳(CP)为零值，其余的CP值也很低，这也说明干酪根的热裂解成烃作用已经结束，游离烃也大多运移散失。

图2 石炭系烃源岩氢、氧指数关系

石灰沟、欧北、穿山沟下石炭统及怀西上石炭统由于大多位处欧北、欧南和埃北大断裂附近，动力变质作用比较强烈，有相当部分的有机质热演化进入过成熟阶段，已无生油气潜力可言。残留的部分成熟度也很高，达到高成熟阶段，生油气潜力也不大。而根据实验结果，能测出S2峰和TMAX在430℃以上的岩样，往往是有机碳含量高于0.1%的灰岩、高于0.3%的泥岩以及炭质泥岩和煤。旺尕秀和石灰沟的上石炭统有机碳含量较高，有机质成熟度相对较低。因此，以下着重对这2个剖面的上石炭统烃源岩进行研究和评价。

从图2看到，旺尕秀上石炭统的8个样中，有3个泥岩、1个煤样落在Ⅲ型区内，2个泥岩、2个灰岩落在Ⅱ型区内。旺尕秀岩样的TMAX分布于433～466℃之间，多数为455～466℃之间，因 IH在450～470℃间下降最快，460～480℃间又是S2峰下降最快的阶段，所以旺尕秀的上石炭统因S2峰和IH快速下降使有机质类型偏向Ⅲ型而失真。石灰沟C2岩样也是同样的原因而多数分布于Ⅲ型区内。由此也可以看出，氢(IH)、氧指数(IO)关系图只能用于成熟阶段，不能用于高熟和过熟阶段有机质类型的划分。

2.2.2 干酪根的元素组成与有机质类型

氢氧和氧碳原子比值表明，旺尕秀剖面C2的氢氧比值为0.47～0.74;氧碳比值为0.06～0.22，石灰沟剖面C2的氢氧比值为0.40～0.65;氧碳比值为0.08～0.18，均属Ⅲ1型和Ⅲ2型干酪根。这主要是因有机质热演化程度的增高，使氢的百分含量降低，碳的百分含量增高，从而使氢碳原子比值偏低落在Ⅲ型区内，并不是原始有机质类型的反映。

2.2.3 干酪根的碳同位素与有机质类型

旺尕秀剖面C2样品干酪根的δ13C‰值，除煤样是-21.49‰，为Ⅲ2型有机质外，泥岩、炭质泥岩均属Ⅲ1—Ⅱ型有机质，灰岩样为-28.62‰，进入Ⅰ型有机质。石灰沟剖面C2样品干酪根碳同位素δ13C‰值为-22.2‰～-29.9‰，煤和炭质泥岩属Ⅲ1型，泥岩、灰岩多属Ⅲ1—Ⅱ型，个别灰岩为Ⅰ型有机质。干酪根碳同位素δ13C‰值也会因有机质的成熟度增高而变重，不过这些数值反映了旺尕秀和石灰沟上石炭统烃源岩有机质类型的真实面貌。

2.3 有机质的成熟度及其成烃演化阶段

有机质的成熟程度和成烃演化阶段是油气形成潜能评价的一项主要因素，也是决定油气勘探成功率的一项关键因素。前已述及，德令哈坳陷石炭系露头有相当部分的下石炭统，甚至部分上石炭统(C2k)有机质热演化进入过成熟阶段，已无生油气潜力可言。因此，德令哈坳陷石炭系是否还有成熟度较低、具有生烃潜力的烃源岩成为大家关注的焦点。通过石灰沟及旺尕秀上石炭统露头剖面的生物标志化合物(表3)来探讨其热演化特征。

表3 旺尕秀及石灰沟剖面上石炭统烃源岩有机质成熟度参数

从氯仿沥青“A”的烃族组成上来看，旺尕秀剖面的 C2z都有沥青质组分，含量在 2.79% ～59.56%间分布;石灰沟剖面的C2k和C2z大多数没有沥青质组分，仅各有1个煤样(均采自矿坑)有沥青质组分，说明绝大多数已向烃类转化，使得烃类含量增加。

两剖面上石炭统的链烷烃CPI值和OEP值分别为1.01～1.06和1.02～1.24，表明正烷烃的奇偶优势已经消失，是成熟有机质的特征。

石灰沟甾烷成熟度参数C2920R/20(R+S)与C29ββ/(αα +ββ)分别为 0.41 ～0.57 和 0.32 ～0.69;旺尕秀剖面这两项比值分别为0.25～0.52和0.39～0.60。除SH-79煤样达到高成熟阶段外，其余有机质都分布于成熟区内。旺尕秀地区烃源岩有机质的成熟度仍低于石灰沟地区。不过甾烷的成熟度参数在Ro＜1.35%以下时比较可靠，当Ro＞1.35%时就不能真实反映有机质的成熟度。

总体来说，石灰沟、旺尕秀的上石炭统烃源岩都已成熟，石灰沟地区成熟度相对高于旺尕秀地区。石灰沟地区处于高成熟早期至过成熟阶段，这与其处于欧龙布鲁克山边缘构造作用较强有关。旺尕秀地区处于成熟阶段的后期—高成熟阶段早期，有的还处在大量成烃阶段。因此，对德令哈坳陷石炭系的生油气潜力评价不能一概而论，应根据其所处构造位置分别对待。尤其在坳陷内部构造作用较弱的地区，如石炭系残余沉积厚度较大的欧南、旺尕秀东部，应当存在有机质成熟度较低、尚有较好生烃潜力的烃源岩。

3 结论

目前对于德令哈坳陷石炭系烃源岩只能局限于露头样品的研究，而这些露头大多处于老山边缘，受构造运动影响较为强烈，有机质的高成熟度给烃源岩的评价带来一定程度的困难。但通过研究表明，上石炭统烃源岩是德令哈坳陷石炭系中最具潜力的源岩类型与生油气层系。

(1)德令哈坳陷的石炭系，尤其是上石炭统具有与鄂尔多斯盆地相似的煤系地层，且其碳酸盐岩及泥岩有机质丰度高、类型好、成熟度相对较低，是该区很有潜力的一套烃源岩。

(2)德令哈坳陷勘探程度低，以石炭系为烃源岩的油气勘探更是处于起步阶段，从旺尕秀上石炭统烃源岩样品成熟度来看，坳陷内一定会存在成熟度低、具有较好生烃潜力的烃源岩。因此，对于德令哈坳陷石炭系应继续予以重视并加大研究和勘探力度。

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