鄂尔多斯盆地盐池—定边地区长7段烃源岩芳烃地球化学特征

刘亚洲，刚文哲，陈果，孙晶波，姜崇

中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249

0 引言

鄂尔多斯盆地是我国油气勘探的一个重要的含油气盆地，石油主要分布于侏罗系延安组和三叠系延长组，其中长庆油田截止2016年底在该盆地年产油气当量连续四年突破5 000万吨，成为国内油气生产的绝对主力。前人关于上三叠统延长组进行了大量研究分析表明延长组形成于淡水—微咸水湖泊沉积环境，烃源岩以处于低熟—成熟阶段的长4+5—长9段的半深湖—深湖环境中的泥页岩为主[1]，其中长7段为该盆地延长组的主力烃源岩层段[2]。即使是同一层位的烃源岩也会由于沉积环境等因素的不同而导致不同位置的烃源岩生烃潜力的差异，这直接影响着研究区的勘探前景。盐池—定边地区位于鄂尔多斯盆地的西北缘，勘探程度相对较低，根据研究区钻探井位的录井资料揭示该研究区的长8段、长9段和长4+5段具有很好的油气显示，并且在峰2井获得了高产油气流[3]。盐池—定边地区远离湖盆中心，烃源岩有机地球化学特征与湖盆中心的烃源岩存在差异。芳烃作为烃源岩抽提物的一个重要组成部分，可提供丰富地质信息，包括生源母质类型、沉积环境、成熟度和油源对比，且芳烃相对于饱和烃具有更强的稳定性，在成熟度评价过程中适用范围更广，因此在有机质成熟度评价中显示出其特有的优越性，对芳烃的深入研究也是对饱和烃研究的一个很好的补充和佐证[4-5]。目前对于盐池—定边地区长7烃源岩芳烃地球化学特征的系统研究较为薄弱，本文通过芳烃色谱—质谱实验分析，对盐池—定边地区烃源岩抽提物中的芳烃生物标志化合物特征进行系统分析，从而明确研究区烃源岩的生源、沉积环境和成熟度特征，以期有助于深入认识研究区的油气成因，为区内中生界的进一步勘探提供参考依据。

1 地质背景

鄂尔多斯盆地位于我国的中西部，是继塔里木盆地之后的我国的第二大沉积盆地，整体形状为一南北向延伸的矩形盆地。盆地地跨陕、甘、宁、蒙、晋五省区，面积约25×104km2，可供勘探的面积达到10×104km2以上。鄂尔多斯盆地东自吕梁山，西抵贺兰山、六盘山，南到秦岭，北起阴山、大青山和狼山[6-7]。根据鄂尔多斯盆地的构造特征、基底性质以及现今的构造形态，可以将鄂尔多斯盆地划分为六个一级构造单元(图1)，即东部晋西挠褶带、西部天环坳陷、南部渭北隆起带、北部伊盟隆起带、中部伊陕斜坡带和西缘隆起带。盆地演化至今，虽经历过吕梁、晋宁、加里东、海西、印支、燕山和喜山等多期构造运动叠合的影响，但盆地内构造环境相对稳定。根据前人的研究成果[8]，该盆地的构造演化史可以分为中晚元古代坳拉谷、早古生代浅海台地、晚古生代近海平原、中生代内陆湖盆和新生代周边断陷五个演化阶段，其中中生代内陆湖盆阶段形成了该盆地最为重要的三叠系和侏罗系油藏。晚三叠世是鄂尔多斯盆地烃源岩主要发育时期，湖盆水体经历了浅—深—浅的变化过程，在湖盆鼎盛时期深湖—半深湖相发育的泥页岩为该盆地中生界的主力烃源岩。晚三叠世延长组根据地层的沉积特征和油层的纵向分布特征，可以将延长组分为5段10个油层组。长10到长8时期为湖盆的扩张时期，长7为湖盆的鼎盛时期，长6到长1时期为湖盆消亡时期，至此完成了湖泊的出现、发展和消亡的整个过程[9-10]。受到多重因素的影响[11-12]，长7烃源岩成为全盆最为发育的优质烃源岩。本次研究所取盐池—定边地区13口井16块烃源岩样品，井位见图1，通过芳烃化合物组成特征和相对含量来探讨研究区烃源岩的生源和沉积环境特征，选取有效的烷基萘、烷基菲和三芳甾烷等系列成熟度参数来进行烃源岩成熟度评价。

2 样品和实验

本次研究在盐池—定边地区13口井的上三叠统延长组中的长7油层组共采集了16块源岩样品，岩性为深灰色、灰色泥岩。源岩样品的有机碳含量主要介于0.77%～7.17%，平均值为2.79%；生油潜量(S1+S2)大都变化在1.11～39.20 kg/t，平均值为9.03 kg/t；氯仿沥青“A”含量为0.12%～1.16%，平均值为0.48%(表1)。与有机碳含量相比，生油潜量和氯仿沥青“A”反映的有机质丰度值显得偏高，表明研究区烃源岩生成液态烃量较大的特点。源岩样品的干酪根碳同位素组成分布于-24.7‰～-30.6‰之间，变化范围较大；饱和烃含量介于12.95%～58.42%，饱和烃/芳烃比值大于1；氢指数主要介于82～491 mg/g之间，表明研究区有机质类型主要为Ⅱ1和Ⅱ2混合型有机质(图2)。所选的16块源岩样品的热解Tmax为441 ℃～455 ℃，根据范式图可以发现这些样品均属于成熟烃源岩，且正处于生油窗范围。

烃源岩样品粉碎至100目，经索氏抽提72小时，称取适量的氯仿沥青“A”放入三角瓶中，先用石油醚进行溶解、过滤，其中不能溶解的组分即为沥青质，然后用硅胶/氧化铝柱层析分离，分别用石油醚、以2∶1比例混合的二氯甲烷和石油醚、以93∶7比例混合的二氯甲烷和甲醇依次分离得到饱和烃、芳烃、非烃组分。每个组分自然风干保存，以备进入色谱—质谱分析仪检测。

图1 研究区地质构造及采样点位置图Fig.1 Geological structure of the study area showing the sampling locations

表1 盐池—定边地区烃源岩热解参数与族组成特征

图2 盐池—定边地区烃源岩有机质类型范氏图解(底图据Espitalie et al.[13])Fig.2 Van Krevelen diagram for source rocks in Yanchi-Dingbian area (based on Espitalie et al.[13])

烃源岩的芳烃组份采用常规色谱分离，分离前加入D-DBT标样。芳烃分析使用美国Agilent公司生产的7890-5975c色谱—质谱—质谱联用仪，色谱分析条件：色谱柱为HP-5MS弹性石英毛细柱(60 m×0.25 m×0.25 μm)，采用纯度为99.999%氦气作为载气，载气流速为1 mL/min，进样口温度为290 ℃，传输线温度为250 ℃，进样方式为不分流进样。升温程序：柱始温50 ℃，恒温1 min，以15 ℃/min的升温速率升至120 ℃，再以3 ℃/min的升温速率升至300 ℃，保持恒温35 min。质谱分析条件：离子源采用电子(EI)轰击，电子能量70 eV，绝对电压1 047 V，采用全扫描/选择离子采集方式，质量扫描范围m/z为50～600，扫描时间为1.8 s。化合物的定性研究是根据《气相色谱质谱法测定沉积物和原油中生物标志物》(GB/T18606—2001)为标准，化合物的定量研究是在其特征离子对应的质量色谱图中完成。根据不同系列化合物在质量色谱图中的峰面积进行相关参数比较和计算。

3 结果与讨论

3.1 芳烃宏观分布特征

图3 研究区源岩芳烃总离子流图Fig.3 The TIC of aromatic hydrocarbon of source rocks in the study area

3.2 萘系列化合物

研究区的长7烃源岩样品中普遍存在萘和多甲基取代萘系列化合物，且含量较高，该系列化合物的广泛存在也反映出陆源有机质的输入对该地区烃源岩的形成占有一定的贡献[19]。萘系列化合物的分布特征同样受到生源、成熟度的影响，因此可以用多甲基取代萘系列化合物的分布特征和相对比值来反映研究区的有机质类型和成熟度等信息。萘系列化合物在研究区源岩样品中主要有萘、甲基萘、二甲基萘、三甲基萘和四甲基萘，其中二甲基萘、三甲基萘和四甲基萘相对含量较高，而萘和甲基萘含量较低。结合所取样品的深度和萘系列化合物分布特征，还可以看出随着埋藏深度的增加，二甲基萘和三甲基萘的相对含量有所增大(图3)。根据前人研究成果[20]认为，1,2,5-TMN和1,2,5,6-TeMN化合物存在两种生物先质，即高等植物生源的五环三萜香树素或者树脂生源的二环二萜刺柏酸，因此萘系列中这两种化合物的存在可以作为陆源高等植物生源的生物标志物。研究区源岩样品普遍含有1,2,5-TMN和1,2,5,6-TeMN(表2)，且部分样品含量偏高，表明研究区源岩的生源主要以低等水生生物为主，同时部分位置含有较多的高等植物的有机质。随着有机质热演化程度的增高，热力学中不稳的α位取代基向较为稳定的β位迁移，即具有β位取代基的异构体含量相对增加[21-22]。

通过对研究区源岩样品中MNR、TNR1和TNR2参数对比研究可以发现研究区的源岩样品成熟度相差不大。利用TNR2计算的类似镜质体反射率R1介于0.77%～0.98%之间，平均值为0.86%，也反映出该研究区源岩现今处于成熟阶段。萘系列化合物参数可以定性的反映出有机质的相对热演化程度，但在利用TNR2来计算类似的镜质体反射率可能与真实的镜质体反射率存在一定的差异，还需要结合其他地球化学参数来共同判识。三甲基萘指数TMNr和四甲基萘指数TeMNr也是常有的成熟度参数，这两个参数会随着成熟度增加而增大。陈致林等[23]通过对临清坳陷中的禹城洼陷的生油岩芳烃化合物研究时，认为三甲基萘指数和四甲基萘指数可以有效地确定低—高熟整个热演化阶段原油和生油岩的成熟度，并不受运移过程分馏效应的影响，对成熟度的变化反映灵敏，高成熟的原油与源岩的这两比值都大于0.5，成熟源岩与原油的这两比值介于0.4～0.6，低熟原油与源岩这两比值介于0.3～0.5，未熟原油与源岩这两比值都小于0.4。研究区的长7烃源岩样品三甲基萘指数TMNr比值介于0.31～0.77，平均值为0.55；四甲基萘指数TeMNr比值介于0.33～0.70，平均值0.49；从研究区源岩样品的TMNr和TeMNr的交会图(图4)中可以看出，研究区源岩现今处于成熟—高成熟阶段，这与实际情况相矛盾，说明这两个比值在该地区还受其他因素(生源、沉积环境等)的影响，该参数不适合于研究区源岩成熟度评价。

表2 研究区源岩芳烃地球化学参数

注：MNR=2-MN/1-MN; TNR1=2,3,6-TMN/(1,4,6-TMN+1,3,5-TMN); TNR2=(1,3,7-TMN+2,3,6-TMN)/(1,3,5-TMN+1,3,6-TMN+1,4,6-TMN);R1=0.6×TNR2+0.4; 1,2,5-/TMN=1,2,5-TMN/1,2,5,6-TeMN=1,2,5,6-TeMN/TMNr=2,3,6-TMN/(2,3,6-TMN+1,2,5-TMN); TeMNr=(1,3,6,7-TeMN)/(1,3,6,7-TeMN+1,2,5,7-TeMN); MPI1=1.5×(2-MP+3-MP)/(P+9-MP+1-MP);R2=0.6×MPI1+0.4(Ro介于0.65%与1.35%之间); F1=(2-MP+3-MP)/(2-MP+3-MP+1-MP+9-MP); F2=2-MP/(2-MP+3-MP+1-MP+9-MP);R3=0.14×[(4,6-DMDBT)/(1,4-DMDBT)]+0.57

图4 研究区源岩TMNr和TeMNr相互关系图Fig.4 The correlation between TMNr and TeMNr of source rocks from the study area

3.3 菲系列化合物

菲系列化合物主要用于原油和烃源岩的成熟度评价，其中的个别化合物具有生源和沉积环境的指示意义。研究区烃源岩样品中共检测出菲、甲基菲、乙基菲、二甲基菲、三甲基菲和惹烯等系列化合物(图3)。研究区烷基菲系列化合物相对丰度由小到大依次为：乙基菲<惹烯<三甲基菲<二甲基菲<甲基菲。作为典型的陆源高等植物的生物标志化合物惹烯在所分析的样品中含量相对较高，该化合物虽然可能有其他来源，但目前通常认为是由松香酸和海松酸通过部分降解而来[24-25]。这些烃源岩样品中惹烯的含量相对较高，可能与该研究区的沉积环境具有较强的氧化性有关，因为惹烯一般形成于含氧环境中[26]。

在有机质热演化过程中，菲系列化合物甲基化、甲基重排及脱甲基化作用主要受到热力学作用控制，而受到沉积环境影响相对较小，热稳定性强的异构体含量相对增加而热稳定性差的异构体含量相对减少。Radkeetal.[27]最早提出利用菲和甲基菲的相对含量来计算成熟度参数甲基菲指数，并用甲基菲指数来换算等效的镜质体反射率。在此基础之上，国内外学者进行了大量的实验研究和论证，用于解决烃源岩与原油的成熟度评价的问题。研究区的源岩甲基菲指数(MPI1)主要介于0.78～0.88，对应的等效镜质体反射率R2介于0.82%～0.93%，综合该参数也可以定性的看出研究区烃源岩现今正处于成熟阶段。Kvalheimetal.[28]提出利用甲基菲比值F1和F2来对源岩和原油进行成熟度评价，包建平等[29]在此研究的基础之上，提出源岩低熟阶段F1小于0.4、F2小于0.27，成熟阶段F1介于0.40～0.55、F2介于0.27～0.35，高熟阶段F1大于0.55、F2大于0.35。研究区源岩样品的甲基菲比值F1介于0.42～0.54、F2介于0.22～0.28，与已有的评价标准相矛盾。因而该甲基菲比值可能受到其他因素的影响不适合在该研究区进行源岩成熟度判识。

3.4 三芴系列化合物

三芴系列化合物是芳烃地球化学研究中最为常见的一类指标，既可以用于指示源岩或者原油形成时的沉积环境，又可以用于油源对比以及油油对比中。在陆相淡水、微咸水湖相中的烃源岩或者原油中芴相对含量较高，在沼泽相煤或者煤成油中氧芴相对含量较高，在盐湖相或者海相碳酸盐烃源岩中硫芴相对含量较高[30-31]。从图5三芴系列组成三角图中可以看出，芴含量较高(57.36%～65.09%)，其次是氧芴含量(20.71%～34.29%)，硫芴含量相对最低(8.35%～17.09%)，表明研究区的长7烃源岩形成于滨浅湖的沉积环境。该沉积环境有别于沼泽环境，沼泽相的煤系烃源岩也主要分布于Ⅳ区内，但该类烃源岩主要分布在“三芴”系列组成中氧芴系列相对含量大于50%的Ⅳ区的右下方。结合Pr/Ph和w(硫芴系列)/w(氧芴系列)相关关系图(图6)也可以看出研究区的长7烃源岩形成于弱氧化—弱还原的沉积环境中。

图5 三芴系列相对含量三角图Fig.5 Triangular plots of relative contents of fluorenes(F), dibenzothiophene(SF) and dibenzofuran(OF) of source rocks from the study area

图6 源岩Pr/Ph与w(硫芴系列)/w(氧芴系列)关系图Fig.6 The relationship between pristine/phytane and w(dibenzothiophene)/w(dibenzofuran) of source rocks

烷基二苯并噻吩分子结构对称，具有高度的热稳定性和抗生物降解能力，在各个时代的地层中都有广泛的分布，是常用的烃源岩热演化程度评价参数，可用于低熟—高熟阶段的成熟度评价。在有机质热演化过程中，相对稳定的二苯并噻吩系列化合物异构体相对增加而不稳定的二苯并噻吩系列化合物异构体相对减少。Radkeetal.[19]提出甲基二苯并噻吩参数(4-MDBT/1-MDBT)，4-MDBT相对于1-MDBT热稳定性更高，且随着热演化程度的升高该比值增大。研究区长7烃源岩4-MDBT/1-MDBT相对丰度比值介于2.71～5.77之间，平均值为4.39，表明该地区的烃源岩现今处于成熟阶段。Chakhmakhchevetal.[31]研究发现二甲基二苯并噻吩中4,6-DMDBT相对含量随着热演化程度的增加而增加，1，4-DMDBT相对含量随着热演化程度的增加而减少，因而可以用4,6-DMDBT和1,4-DMDBT的比值来评价烃源岩的成熟度。罗健等[32]通过对烷基二苯并噻吩的系统研究，建立了利用二甲基二苯并噻吩来求去等效的镜质体反射率R3经验公式。研究区的长7烃源岩等效镜质体反射率R3介于0.67%～0.78%，平均值为0.73%，属于成熟阶段的范畴，与前面其他参数得出的结论相一致。

3.5 三芳甾烷系列化合物

现今对三芳甾烷系列化合物研究相对较多，该系列化合物既可用于成熟度评价，又可用于指示生源和沉积环境。三芳甾烷在有机质热演化过程中不断发生着高碳数向低碳数转化，致使低碳数三芳甾烷相对增加。芳香甾烷随着成熟度增加，伴随着发生着芳构化及断侧链等作用，且主要发生在生烃门限以下，并可以一直持续到湿气阶段[32-34]。盐池—定边地区长7烃源岩中都检测出了三芳甾烷(m/z231)和甲基三芳甾烷(m/z245)系列化合物(图7)。利用三芳甾烷系列化合物来评价成熟度的参数众多，考虑到一些异构体共逸而难以进行有效区分，本文选用C2820S/(20S+20R)-TAS进行源岩成熟度评价。研究区源岩C2820S/(20S+20R)-TAS比值介于0.48～0.59，平均值为0.56，表明该研究区源岩成熟度相差不大，且主要处于成熟阶段。该参数与前面成熟度评价参数相吻合，表明该参数在研究区是一个可靠的成熟度评价参数。

3.6 其他多环芳烃系列化合物

图7 研究区源岩三芳甾烷及甲基三芳甾烷质量色谱图Fig.7 Mass chromatograms of triaromatic steroid methyl triaromatic steroid of source rocks in the study area

4 结论

(1) 根据芳烃色谱分布特征图可以看出，研究区源岩以二环和三环芳烃类化合物为主，而四环和五环芳烃类化合物含量较低，反映出研究区长7烃源岩现今处于成熟阶段。结合埋藏深度还可以看出，随着埋藏深度的增加，主峰碳由高碳数向低碳数转变，表现出烷基萘系列化合物的含量相对增加。

(3) 通过对研究区源岩芳烃中烷基萘、烷基菲、烷基二苯并噻吩、三芳甾烷和其他多环芳烃成熟度参数的评价，表明研究区的源岩现今处于成熟阶段。其中二甲基萘指数(TNR2)、甲基菲指数(MPI1)和二甲基二苯并噻吩比值(4,6-DMDBT/1,4-DMDBT)求取的等效镜质体反射率(R1、R2和R3)虽然存在一定的差异，但能定性地反映出源岩的热演化程度，该参数存在差异可能是由于不同系列化合物受到生源和沉积环境的影响不同所造成的。