鄂尔多斯盆地南梁西区延长组烃源岩生物标志物特征研究

赵天林

(中陕核工业集团地质调查院有限公司，陕西 西安）（大陆动力学国家重点实验室）

罗静兰，李杪

(大陆动力学国家重点实验室(西北大学)，陕西 西安 710069)

白雪晶

(大陆动力学国家重点实验室（西北大学），陕西 西安）710069（中石油大庆油田有限责任公司第五采油厂，黑龙江 大庆163513）

生物标志物是指存在于地壳和大气圈中，分子结构与特定天然产物之间有明确联系的天然有机化合物。目前已检测出的生物标志物不下几百种，常用的有正构烷烃、类异戊二烯烷烃、萜烷及甾烷类等。在石油地质研究中，生物标志物主要用于判别有机质类型、成熟度和古沉积环境评价等。近年来，发现生物标志物的相对稳定性突破了常规油源对比指标的局限性，在原油组群划分、油-源精细对比、主力烃源岩厘定方面有了新的进展和应用[1,2]。

长期以来，对延长组烃源岩的研究主要集中在岩石学、测井响应特征、分布范围以及有机地球化学分析等方面[3～6]，而对延长组下部长8～长9油层组烃源岩生物标志物研究相对较少。南梁西区位于鄂尔多斯盆地陕北斜坡中西部，是长庆油田第一采油厂近年来高产勘探开发区块之一，勘探面积约135km2(见图1)。

延长组为该区主要的烃源岩和含油层系，属湖泊～三角洲沉积环境。长6油层组为其主力产层，其次为长4+5油层组、长7油层组和长8油层组，同时在长3油层组、长9油层组和长10油层组亦发现零星分布的产油井，预示着良好的石油勘探开发前景[7]。由于该区是长庆油田新建产能区块，对烃源岩生物标志物特征未开展过系统研究，从而制约了更深层次的勘探工作。为此，笔者在分析延长组烃源岩生物标志物分布特征的基础上，系统讨论了其对有机质成熟度、母质类型、沉积环境判别等的指示意义，以期为该区下一步油气勘探提供地质依据。

图1 鄂尔多斯盆地区域构造及采样位置图

1 样品及试验方法

该研究选取了7口井10块延长组泥页岩样品，所有样品均为井下新鲜岩样(采样井位见图1)，具体采样层位见表1。样品的有机质抽提按常规有机地球化学方法在中国石油勘探开发研究院石油地质试验研究中心进行。首先将泥岩样品经净化处理后放入恒温干燥箱内，在40℃烘干4h以上；干燥后样品磨碎过筛至80目以下，进行索氏抽提72h；抽提后所得可溶有机质经浓缩后加入正己烷静置沉淀沥青质，用硅胶、氧化铝色层柱，分别以正己烷、二氯甲烷和甲醇作为冲洗剂，得到饱和烃、芳香烃和非烃馏分；用气相色谱-质谱对饱和烃进行分析测试，试验仪器为Thermo-Trace GC Ultra-DSQⅡ气相色谱-质谱联用仪，色谱柱为HP-5MS弹性石英毛细柱(60m×0.25mm×0.25μm)，柱始温100℃，升温速率4℃/min，柱终温320℃，恒温20min。载气为99.999%氦气，载气流速1mL/min；离化方式为电子轰击( EI，70eV)，离子源温度250℃。

2 氯仿沥青“A”及族组分特征

烃源岩样品基本参数与族组成见表1，样品中氯仿沥青“A”质量分数分布于0.21%～0.58%，各油层组氯仿沥青“A”质量分数差异较小，长9油层组和长7油层组烃源岩氯仿沥青“A”质量分数相似，长6油层组烃源岩氯仿沥青“A”质量分数与长8油层组烃源岩接近。根据陆相烃源岩有机质类型评价标准[8]，认为长6～长9油层组烃源岩有机质丰度较高，均已达到好生油岩级别。

烃源岩样品的氯仿沥青“A”组成具有“两高两低”的特征，即芳香烃和饱和烃质量分数较高，非烃和沥青质质量分数较低。不同油层组的烃源岩族组成特征差别非常明显，长9油层组烃源岩烃类质量分数平均为51.54%，长6～长8油层组烃源岩烃类质量分数普遍在73.34%以上。饱和烃除午98井长61油层样品异常高外，具有长7>长6>长8>长9油层组的规律；芳香烃质量分数长8油层组最高，长7油层组、长9油层组和长6油层组次之。非烃和沥青质质量分数长9油层组最高，长6油层组和长8油层组次之，长7油层组最低(见表1)。根据陆相烃源岩有机质类型评价标准[8]，综合认为长7油层组烃源岩主要以Ⅰ型和Ⅱ1型为主；长6油层组、长8油层组烃源岩以Ⅱ1-Ⅱ2型为主，混源特征较明显；长9油层组烃源岩以Ⅱ1型和Ⅰ型为主，部分烃源岩具有Ⅲ型干酪根性质。

表1 烃源岩样品基本参数与族组成

注：“-”表示样品中未检测出该值，下同；饱/芳为饱和烃质量分数与芳香烃比值，下同。

3 生物标志化合物特征

3.1 正构烷烃

图2 研究区延长组烃源岩正构烷烃和类异戊二烯烷烃(m/z=85)气相色谱图

3.2 类异戊二烯烷烃

姥植比(Pr/Ph)可作为沉积环境及介质酸碱度的重要标志。类异戊二烯烷烃数据统计显示(见表2)，样品Pr/Ph值分布于0.75～3.25，均值为0.86，具有较明显的植烷优势，表明有机质形成于弱还原～还原环境；少数长91油层样品具姥鲛烷优势，指示弱氧化环境。Pr/nC17、Ph/nC18值能够较好地反映样品中有机质的降解程度，一般降解较严重的样品Pr或Ph的相对质量分数会大于其相邻的正构烷烃。大部分样品Pr/nC17、Ph/nC18值小于0.5，显示了未遭受降解的特征，但午107井长71油层烃源岩Ph/nC18值为0.54，反映了该样品可能曾遭受过轻微的降解作用。图3为延长组烃源岩Pr/nC17与Ph/nC18关系图，由Pr/nC17-Ph/nC18关系图可判断沉积环境氧化还原性，从图3得知，泥岩样品具有相似的氧化还原条件，绝大多数样品分布在Ⅱ/Ⅲ型过渡相区域，少数分布在Ⅰ/Ⅱ型海相和盐湖相区域，反映母质以混合来源为主，亦表明烃源岩沉积时为弱还原～还原环境。

表2 正构烷烃与类异戊二烯烷烃数据统计

图3 延长组烃源岩Pr/nC17与Ph/nC18关系图

3.3 萜烷

3.3.1二环倍半萜烷

各烃源岩样品中均检测出较丰富的C15～C16二环倍半萜烷系列化合物。图4为研究区延长组烃源岩二环倍半萜烷(m/z=123)质量色谱图。在m/z=123质量色谱图上，C15和C16各有4个同分异构体，峰A和峰B分别对应C15补身烷的重排异构化合物4,4,8,8,9-五甲基十氢化萘和4,4,8,9,9-五甲基十氢化萘，峰C对应C15-补身烷，峰D对应C16-升补身烷。该峰群中以C16-升补身烷相对质量分数最高为特征，而不同样品中C15-补身烷质量分数差异较大。关于二环倍半萜烷的成因目前尚无定论，普遍认为该化合物是由藿烷先质物在成岩作用早期阶段的降解产物经还原或重排作用而形成[9]。

图4 研究区延长组烃源岩二环倍半萜烷(m/z=123)质量色谱图

表3为烃源岩中二环倍半萜烷、三环萜烷分布参数，烃源岩中二环倍半萜烷分布参数显示，烃源岩样品中C15-补身烷/C16-升补身烷比值分布于0.16～0.43，且各油层组样品中该比值变化不大。而重排补身烷/补身烷、重排补身烷/C15-补身烷比值变化较大，分别为0～0.72和0～2.6，总体上以午103井、午105井长91油层烃源岩重排补身烷质量分数较高为特征。该类化合物的重排机制类似于重排藿烷，主要与黏土矿物催化及热演化程度有关。在一定沉积条件下，热演化程度与重排补身烷的质量分数成正比[10,11]。笔者认为，这2个样品中二环倍半萜烷所表现出来的非均质性，一方面说明该样品与其他样品可能存在热演化程度上的差异，另一方面也可能预示氧化还原环境不同和黏土矿物质量分数的差异，抑或两者兼有。

表3 烃源岩中二环倍半萜烷、三环萜烷分布参数

3.3.2三环萜烷

图5为延长组烃源岩萜烷(m/z=191)质量色谱图，从图5可以看出，样品抽提物中三环萜烷碳数分布较为完整，从C19～C30均有分布，呈倒“V”字型分布，低碳数(C19～C21)化合物稍占优势，C25以后各峰的相对峰值明显降低，这种分布特征与我国淡水～微咸水古环境地质样品相似[12]。Peters研究指出，淡水环境与咸水环境相比不容易产生三环萜类化合物[13]。研究所测样品中三环萜烷质量分数均较低，这也进一步表明烃源岩沉积环境以淡水沉积为主。

图5 研究区延长组烃源岩萜烷(m/z=191)质量色谱图

C19～21/C23～24值常作为母源参数，用来比较藻类脂质体和不同原核生物对母源的贡献[13]。由表3得知，大部分烃源岩样品检测出C19、C20、C21，且呈上升阶梯状分布； C19～21三环萜烷/C23～24三环萜烷值除午103井长91油层烃源岩为5.10外，多数分布于0.7～1.58，总体反映了样品有机质原始母质以混合来源为主，陆源高等植物丰富，低等水生生物及菌藻类贡献也较大。

3.3.3霍烷类化合物

升霍烷指数(C35/C31～35)可用于指示沉积环境的古盐度。表4中，长6～长9油层组样品C35/C31～35值分布于0.02～0.05，其中长91油层烃源岩中未检测出C35藿烷。长9～长8油层组样品均值为0.025，显示为微咸水相的淡水环境；长7油层组样品均值为0.033，稍高于长9油层组、长8油层组样品，揭示长7油层组沉积期水体盐度略有增加；而长61油层样品均值可达0.045，属于淡水～微咸水环境，局部为半咸水环境。总体而言，自长9～长6油层组沉积期，湖盆水体盐度略有增加。

3.4 甾类化合物

3.4.1规则甾烷及孕甾烷

长6～长9油层组样品中规则甾烷总体上以C28和C29略占优势为特征，C27质量分数相对较少，部分长6、长7油层组样品C27>C29>C28。∑(C27+C28)>∑C29，表明母质来源具双重性。图6为 C19～21/C23～24三环萜烷与C27～29ααα20R甾烷关系图。从图6可知，午103井长91油层泥岩样品该比值最小，规则甾烷C27-C28-C29呈反“L”型分布，以陆源高等植物输入为主，这与之前讨论的三环帖烷C19～21/ C23～24异常高值相对应；其余样品规则甾烷C27-C28-C29均呈“V”字型或偏“V”字型分布(见图7)。C27～29ααα20R规则甾烷三角图显示(见图8)，绝大多数样品分布在混源区，仅少数长6、长9油层组样品分布在浮游植物区。孕甾烷和升孕甾烷质量分数与母质来源关系密切，∑(孕甾烷+升孕甾烷)/∑C29ααα20R值反映生源构成，长6～长8油层组样品相对质量分数分布于0.42～2.55，均值为1.16，说明低等水生生物贡献较大；长9油层组烃源岩相对质量分数分布于0.29～1.89，均值为0.88，孕甾烷和升孕甾烷质量分数相对较低，反映陆源高等植物贡献较大(见表4)。

表4 烃源岩中萜烷、甾烷类分布参数

注：Ts/Tm为18α(H)C27三降藿烷与17α(H)C27三降藿烷质量分数比，反映成熟度；C31αβ22S/22(R+S)为C31-17α-藿烷22S重排立体异构体与22R和22S重排立体异构体混合物质量分数比值，成熟度指标；升藿烷指数为C35与(C31至C35升藿烷质量分数之比，反映氧化还原性指标，也可以反映古盐度；C29ααα20S/20(S+R)为C29甾烷系列中S构型与S和R混合构型比值，C29ββ/(ββ+αα)为低稳定型的ββ型与稳定型的βα型比值，两者均反映成熟度；A为∑(孕甾烷+升孕甾烷)/∑C29ααα20R相对质量分数，反映生源构成；B为重排甾烷与规则甾烷比值，用于判断烃源岩的沉积条件。

图6 C19～21/C23～24三环萜烷与C27～29ααα20R甾烷关系图

图7 研究区延长组烃源岩甾烷(m/z=217)质量色谱图

Ⅰ-陆生生物；Ⅱ-浮游植物；Ⅲ-藻类；Ⅳ-混合来源；Ⅴ-陆生植物为主；Ⅵ-浮游植物为主；Ⅶ-藻类为主。图8 甾族C27～29ααα20R关系三角图

Mackenzie最早提出用C29ββ/(ββ+αα)和C29ααα20S/20(S+R)来计算有机质成熟度[16]。Seifert W K认为C29ββ/(ββ+αα)平衡点为0.67～0.71(镜质体反射率Ro约为0.9%左右)，其进入生油窗值为0.25(Ro约为0.6%左右)；C29ααα20S/20(S+R) 平衡点为0.52～0.55(Ro约为0.8%左右)[15]。长6～长9油层组烃源岩C29ββ/(ββ+αα)值分布于0.51～0.66，均已大大高于生油门限值，但未达到热演化平衡值0.67～0.71；C29ααα20S/20(S+R)值分布于0.45～0.62，平均值为0.56，除午107井长61油层烃源岩、午103-100井长73油层烃源岩、午98井长81油层烃源岩以及午103井长91油层烃源岩外，其余长6～长9油层组烃源岩该值已超过平衡点，失去指示成熟度意义(见表4)。

3.4.2重排甾烷

烃源岩样品中重排甾烷总体上质量分数较低，∑重排甾烷/∑规则甾烷分布于0.06～0.54，重排甾烷主要为C27重排甾烷(见表4)。通常认为，重排甾烷的质量分数与有机质的成熟度和源岩黏土矿物的酸性催化作用有关[17]，林金辉进一步指出氧化环境更易于重排甾烷的形成[18]。成熟度参数显示所有长6～长9油层组烃源岩均已达到成熟阶段，而午103井长91油层烃源岩相对较高的重排甾烷质量分数可能与其所处的氧化还原环境及由此引起的黏土矿物差异性催化作用有关。地质分析认为[6,7]，长91油层期为半深湖-浅湖亚相的弱还原～弱氧化环境，其富氧程度明显好于长6～长7油层组期深湖-半深湖亚相的还原环境，并且地层中富含黏土矿物。因此，该样品中相对较高质量分数的重排甾烷主要受控于该期弱氧化沉积环境和较丰富黏土矿物的综合作用，有机质成熟度影响可能是次要的。

4 结论

1)氯仿沥青“A”及族组分特征显示延长组烃源岩均已达到好烃源岩标准，以长7油层组有机质质量分数最高为特征；族组成反映长7油层组有机质类型最好，长9油层组次之，其次为长6、长8油层组。

2)烃源岩样品富含正构烷烃、类异戊二烯烷烃、萜类化合物和甾类化合物。正构烷烃呈单峰型分布，具有低碳数优势，轻烃组分占有绝对优势；奇偶优势指数(IOEP)值接近1.0，碳优势指数(ICPI)分布于0.95～1.24，无明显的奇偶碳数分布。

3)姥植比(Pr/Ph)值分布于0.75～1.25，具有植烷优势，显示缺氧的弱还原～还原环境；少数长91样品具姥鲛烷优势，指示弱氧化环境。

4)生物标志物参数显示，原始有机质母质构成中，既有丰富的菌藻类等低等水生生物，也有一定比例的陆源高等植物混合输入的特点；长6～长8油层组烃源岩有机质来源相似，以菌藻类等水生生物占优势；部分长9油层组成烃母质则以陆生高等植物输入为主。

5)C31αβ22S/22(S+R)、C29ββ/(ββ+αα)和C29ααα20S/20(S+R)等参数显示，延长组烃源岩普遍进入成熟阶段。