风化校正作用在烃源岩有机地化研究中的应用

米伟伟 ，王 腾，李 娜，郭晓丹，谢小飞

1.陕西延长石油集团研究院，陕西 西安710075

2.长安大学地球科学与资源学院，陕西 西安710061

引言

烃源岩的发育及地化特征，是决定盆地油气地质条件的物质基础[1]。前人已经在吐哈盆地烃源岩研究方面做了大量工作[2-4]，已经被证实的有效烃源岩主要是盆地中下侏罗统煤系烃源岩、中上三叠统湖相烃源岩及中上二叠统湖相烃源岩，而下二叠统烃源岩的有效性还未得到证实。有学者认为吐哈盆地下二叠统烃源岩具有较好的油气勘探前景[5-7]。目前，针对哈密拗陷中二叠世以前烃源岩的研究依然处于初期阶段，随着与哈密拗陷具有相似构造背景的吐鲁番拗陷下二叠统油气显示的发现，以及观察到哈密拗陷部分野外剖面下二叠统烃源岩的存在，推测在拗陷内部下二叠统应具有良好的勘探前景。

本文在哈密拗陷下二叠统野外剖面观察和样品采集基础上，综合运用岩石热解、有机碳测试、干酪根分析及饱和烃气相色谱等技术进行室内样品测试，并与前人分析数据相结合，利用风化校正作用对下二叠统露头烃源岩有机质丰度、有机质类型进行评价，同时探讨有机质成熟度、生源特征和原始沉积环境，以期对哈密拗陷下二叠统油气勘探提供借鉴。

1 区域地质概况

吐哈盆地位于哈萨克斯坦板块、西伯利亚板块及塔里木板块结合的三角洲地带，是一个典型叠合（多期沉积）、改造（多期变形）型盆地[8]，在北部哈尔里克山、博格达山和南部觉罗塔格山两个造山带的夹持下逐渐形成，面积约53 000 km2。盆地中部基岩隆起较高，将盆地分成西部吐鲁番拗陷、中部了墩隆起和东部哈密拗陷3 大一级构造单元（图1）。

哈密拗陷处于吐哈盆地东部，面积约占整个盆地的四分之一，拗陷地震、地质资料研究表明，下二叠统在整个拗陷内分布广泛，沉积稳定。但受早期吐哈盆地中部褶皱隆起的影响，该套地层东西向向了墩隆起超覆尖灭，向东稳定延伸，未见减薄现象；同时，在早二叠世，哈尔里克山处于后碰撞伸展构造背景，使得哈密拗陷北部地层抬升，虽然抬升幅度不大，但也导致了该套地层南部沉积厚度要大于北部[9-10]。哈密拗陷早二叠世沉积主要以一碗泉—哈参1 井和大南湖为中心[9]，基岩平均埋深约4 000 m，其中，中、新生代沉积总厚约2 700 m，其余为古生代沉积[11]。

图1 吐哈盆地构造单元划分示意图及样品采集地点Fig.1 Schematic diagram of tectonic units division and sampling site of Turpan-Hami Basin

2 下二叠统烃源岩发育特征

哈密拗陷是吐哈盆地的一级构造单元之一，多期构造运动控制并改造了拗陷内烃源岩的形成与分布。下二叠统是拗陷内烃源岩的主要分布层位，且较发育。在拗陷北部，天山乡一带的库莱剖面依尔希土组主要发育凝灰质砂泥岩、凝灰质泥岩及泥岩，水平纹层发育，厚55.85 m，占地层总厚度的91.6%，并含有淡水叶肢介化石[6，9]。在拗陷东南部，雅满苏地区下二叠统红柳河组发育少量硅质页岩[9]。

笔者在野外重点观察了大南湖剖面依尔希土组和景峡沟剖面红柳河组的烃源岩特征，前者以灰黑色泥岩、黑色炭质泥岩夹中薄层钙质细砂岩、钙质粉砂岩为主，局部可见灰岩透镜体，露头风化严重，实测烃源岩累计厚度约330 m（图2a，图2b）；后者主要见灰黑色、深灰色泥岩及灰黑色粉砂质泥岩，露头风化呈黄绿、土黄及紫红色，剖面烃源岩累计厚度大于200 m（图2c，图2d）。

图2 研究区烃源岩野外露头Fig.2 Outcrop of the hydrocarbon source rocks in the study area

3 样品采集与测试分析

为了分析研究区烃源岩有机地化特征，共采集哈密拗陷下二叠统露头烃源岩样品18 个，其中，大南湖地区依尔希土组15 个，景峡沟地区红柳河组3个，样品主要为泥岩和炭质泥岩。这两个剖面露头清楚，但地表风化作用比较严重，为防止样品受表层风化物过度污染，每次采样均剥离表面风化层，尽量减少风化污染作用的干扰，确保样品质量。

所有样品测试均在长江大学油气资源与勘探技术教育部重点实验室完成，包括有机碳、热解、氯仿沥青“A”提取、干酪根族组分及饱和烃气相色谱分析等。其中，有机碳含量使用CS-230 碳硫测定仪进行测定；氯仿沥青“A”含量通过索氏抽提法利用氯仿溶剂进行抽提获得；族组分采用层析注法进行分离、定量；岩石热解数据通过法国石油研究院Rock-evalIII 生油岩分析仪进行测定；饱和烃组成主要利用美国惠普HP6890-II 气相色谱仪进行测量分析。

本文将测试数据与前人[6，12]分析数据相结合，并且考虑风化作用的干扰影响，对哈密拗陷下二叠统烃源岩有机地球化学特征进行系统评价。

4 烃源岩有机地化特征

4.1 烃源岩有机质丰度

烃源岩中有足够的有机质才可以生产油气，因此，有机质丰度是评价烃源岩生烃能力的重要参数之一[13-14]。不同沉积环境的烃源岩通常采用不同标准进行评价[15]。本文主要参照石油行业标准[16]对哈密拗陷下二叠统烃源岩有机质丰度进行评价。目前，常用的有机质丰度指标主要包括有机碳含量、氯仿沥青“A”含量、热解S1+S2和总烃等[17-18]。

本次在研究区所收集的有机质丰度数据都是露头样品，在抬升地表之前受热演化程度高，在抬升地表之后，又受到昼夜或冬夏温差大、地表水渗透、风的冲刷、氧化作用和暴露时间较长等风化作用的影响，对有机质丰度指标产生了不同程度的影响。虽然有机碳的抗风化能力相对较强，但露头烃源岩样品有机碳含量还是有一定程度的降低[19]，相对于可溶有机质氯仿沥青“A”、总烃及生烃潜力受地表风化和成熟度影响极大[20-21]，有机碳依然可以作为评价烃源岩的主要指标。为了更好地评价有机质丰度，必须考虑地表风化作用的影响，经常会对露头烃源岩有机碳含量和生烃潜力进行恢复。

前人曾经对羌塘盆地东部、重庆北碚地区、柴达木盆地北缘、沁水盆地、西宁盆地小峡沟地区及川西北中坝地区做过大量风化对比试验，计算出泥岩有机碳风化系数（地下新鲜样品有机碳含量与地面风化样品有机碳含量的比值）平均为1.99，泥岩生烃潜力风化系数平均为13.00[22-26]。哈密拗陷下二叠统缺少钻井岩芯资料，无法得到较为准确的地下新鲜样品与地面风化样品的风化系数。

本文考虑到吐鲁番拗陷与哈密拗陷构造演化的相似性，将两个拗陷二叠系泥岩样品的测试数据与前人[12，25]数据相结合，通过地下岩芯样品比地面风化样品得到风化系数，同时综合各种地质因素，参考其他盆地泥岩风化系数取值，认为哈密拗陷下二叠统烃源岩有机碳含量风化系数取1.30、生烃潜力风化系数取3 较为合适。哈密拗陷下二叠统烃源岩有机质丰度统计与分析结果见表1。

表1 哈密拗陷下二叠统烃源岩有机质丰度Tab.1 Organic abundance of Lower Permian source rock in Hami Depression

大南湖地区依尔希土组泥岩有机碳含量校正前为0.510%∼1.140%，平均为0.920%（图3a），风化校正后平均值为1.196%，为中—好烃源岩，其中，80% 的样品校正后达到好烃源岩类别。而据苗建宇大南湖地区分析数据显示，有机碳含量校正前为1.330%∼10.400%，平均为5.900%，恢复校正前后都属于很好的烃源岩[12]。景峡沟地区红柳河组泥岩有机碳含量测试数据校正前与大南湖地区测试数据校正前基本相似，有机碳含量为0.570%∼0.950%，平均0.740%（图3b），有机碳含量达到烃源岩评价的下限值0.400%[26-28]，风化校正后为0.740%∼1.240%，平均0.970%，属于中—好烃源岩。据高岗对库莱地区依尔希土组粉砂质泥岩和泥岩样品分析数据[25]显示，粉砂质泥岩和泥岩样品有机碳含量校正前平均为2.020%和1.690%，以中—好烃源岩为主，通过恢复校正后以很好烃源岩为主；同样，据苗建宇在库莱地区依尔希土组的分析数据显示，有机碳含量校正前为2.350%∼4.050%，平均3.210%，不用恢复已经属于很好烃源岩类别[12]。生烃潜力在整个研究区偏低，只有苗建宇少部分数据达到烃源岩评价的下限，评价属于差烃源岩。所以，受风化作用影响较大的可溶有机质含量只能作为有机质丰度评价的辅助指标。

图3 研究区有机碳测试数据直方图Fig.3 The test data of organic carbon in the study area

可以看出，经过恢复校正后，整个拗陷下二叠统烃源岩有机碳含量都很高，属于好很好类别，并且库莱地区烃源岩的有机质丰度要高于大南湖和景峡沟地区。

4.2 烃源岩有机质类型

烃源岩有机质类型不同决定了烃源岩的生烃能力和生成产物的不同，因此，研究烃源岩的有机质类型是烃源岩评价的关键因素之一[27]。一般将有机质划分为4 类：I 型—腐泥型，有机质生油能力高；II1型腐殖腐泥型；II2型腐泥腐殖型；III 型—腐殖型，有机质生油能力差，且以生气为主[27，30]。针对哈密拗陷下二叠统烃源岩特点，主要从干酪根元素及氯仿沥青“A”等方面进行有机质类型分析。

4.2.1 干酪根元素分析

研究区下二叠统烃源岩样品中碳元素含量为29.300%∼62.250%，平均为48.020%；氢元素含量很低，为1.600%∼3.500%，平均为2.440%，与氢元素含量相比，氧元素含量较高，最大值为6.450%，最小值为4.100%，平均为5.270%。

为了更好地评价有机质类型，需要对受风化作用影响的H/C 原子比及O/C 原子比进行校正。前人已经对不同盆地的H/C 原子比及O/C 原子比受风化作用影响做了大量对比研究，计算出泥岩H/C 原子比的校正系数平均为1.08，O/C 原子比的校正系数平均为0.64[23-25]。本文在综合分析吐鲁番拗陷、哈密拗陷二叠系烃源岩样品H/C 原子比、O/C 原子比的基础上，考虑露头烃源岩样品受到昼夜或冬夏温差大、风的冲刷及暴露地表时间较长等风化作用的影响，同时参考其他盆地对H/C 原子比、O/C 原子比风化系数的取值，认为将哈密拗陷下二叠统烃源岩H/C 原子比、O/C 原子比风化系数分别取8.30和0.60 较为合适。

研究区下二叠统烃源岩样品校正前H/C 原子比为0.027∼0.056，平均为0.045；O/C 原子比为0.098∼0.140，平均为0.799。校正后，H/C 原子比为0.222∼0.467，平均为0.372；O/C 原子比为0.059∼0.084，平均为0.069。图4 为研究区下二叠统烃源岩样品干酪根H/C 原子比、O/C 原子比校正前后范氏图，可以看出，校正前样品投点在范氏图下方，超出有机质类型判识边界（虚线），无法对样品进行有机质类型的判识，分析原因可能是烃源岩抬升地表后受风化作用严重，并且未抬升前热演化程度较高所致。经过干酪根H/C 原子比、O/C 原子比校正以后，样品有机质类型很靠近II2和III 型曲线。前人对研究区下二叠统烃源岩样品干酪根元素分析认为依尔希土组以III型干酪根为主[12]，与本次校正结果较匹配。

图4 研究区干酪根H/C 原子比、O/C 原子比校正前后关系图Fig.4 The relationship between H/C and O/C before and after correction in the study area

4.2.2 氯仿沥青“A”族组分分析

烃源岩有机质类型的差异在其产物族组分上有所反映[29-30]。可溶有机质氯仿沥青“A”由饱和烃、芳香烃、胶质和沥青质组成。不同组分抵抗风化作用的能力不同，其中，风化作用对饱和烃含量影响较大，对沥青质有一定的影响，对芳香烃和胶质的影响较弱[25]。腐殖型（III 型）有机质以较高的芳香烃和沥青质含量、低饱芳比（饱和烃/芳香烃）及生油能力差为特征；腐泥型（I 型）有机质则相反。因此，利用芳香烃含量和饱芳比等可以划分烃源岩有机质类型。

根据SY/T 5735—1995[16]中氯仿沥青“A”族组分划分有机质类型的方法，对研究区下二叠统烃源岩进行分类。哈密拗陷下二叠统烃源岩中氯仿沥青“A”族组分有机质分类见表2。可以看出，大南湖地区依尔希土组芳香烃值为16.000%∼50.000%，平均26.890%。其中，33% 样品的芳香烃值大于20.000%，表现出III 型母质类型，其余样品均为II2型。景峡沟地区红柳河组芳香烃值为20.000%∼36.840%，平均30.060%，芳香烃值表现出了III 型母质类型为主的特征。同时考虑饱芳比，研究区所有样品的比值都在0.75∼1.25，其中，1.00∼1.25 样品数占优，所以，依据饱芳比判断，研究区具有II2型为主，III 型次之的有机质特征。虽然饱和烃和非烃+沥青质的百分含量受到风化作用影响较大，作为辅助评价指标，也反映出II2有机质特征。

表2 烃源岩氯仿沥青“A”族组分有机质分类表Tab.2 Classification of Chloroform Asphalt“A”constituents organic matter in source rocks

哈密拗陷下二叠统库莱地区依尔希土组烃源岩显微组分以腐泥组+壳质组和镜质组占主要地位，惰质组含量很低，其中，腐泥组+壳质组含量平均为51%，镜质组含量平均为47%。按有机质类型指数=（腐泥组×100+壳质组×50-镜质组×75-惰质组×100）/100 来计算[31]，库莱地区依尔希土组烃源岩类型指数平均为4.75，应属于II2型母质类型。

尽管风化作用对哈密拗陷下二叠统烃源岩有机质类型影响很大，给划分干酪根类型带来了一定难度，但依据测试资料，同时结合前人分析数据综合评价认为，哈密拗陷有机质类型主体以腐泥腐殖型干酪根（II2）为主，少部分为腐殖型（III），但是向拗陷沉积中心腐泥质含量增加，可能出现腐殖腐泥型干酪根（II1）及腐泥型干酪根（I）。

Pim-1蛋白主要表达于癌细胞胞浆中，少数表达于细胞核中，表现为棕黄色或深棕色的颗粒沉积(图1)。122例癌组织、相对应的癌旁组织及85例正常肝组织中，Pim-1的总阳性表达率分别为88.5%、73.0%、69.4%，差异有统计学意义(χ2=13.2530，P=0.0013)。与癌旁组织及正常肝组织比较，癌组织中Pim-1蛋白的总阳性率显著上升，差异有统计学意义(P<0.05)(表1)；但癌旁组织和正常肝组织中的总阳性率无统计学差异(P>0.05)。提示Pim-1蛋白在PHC组织中的表达量显著升高，其总阳性率为PHC组织>癌旁组织>正常肝组织。

4.3 烃源岩热演化特征

烃源岩有机质成熟度是衡量烃源岩实际能力的重要指标之一，也是评价某个地区或某一层系生烃量及资源前景的重要依据[32]。研究认为，风化作用对热解峰温和镜质体反射率影响相对较小。本文选择热解峰温作为主要评价指标，同时参考前人文献数据资料，多角度对烃源岩成熟度进行分析研究。

大南湖地区依尔希土组烃源岩样品热解峰温数值相对稳定，在500∼530°C（图5）。依据陆相烃源岩有机质成烃热演化阶段划分[18]，该套烃源岩属于高成熟阶段中期。景峡沟地区红柳河组烃源岩样品热解峰温变化范围较大，在446∼530°C，平均值为491°C（图5），该套烃源岩可划分为高成熟阶段低—中期。库莱地区依尔希土组露头烃源岩镜质体反射率平均为1.65%，热解峰温在495∼577°C，平均值为536°C，同样属于高成熟烃源岩[12]。

综上可见，哈密拗陷下二叠统露头烃源岩演化程度较高，总体达到了高成熟阶段，应该以生气为主。由此推测在拗陷中心部位下二叠统烃源岩埋藏深度较大，将达到更高的成熟阶段，生气潜力高。

图5 研究区有机质成熟度直方图Fig.5 The organic matter maturity of the hydrocarbon source rocks in the study area

4.4 烃源岩饱和烃地球化学特征

4.4.1 正构烷烃地球化学特征

正构烷烃是烃源岩氯仿沥青“A”中饱和烃的优势组分，其分布组成不仅可以反映烃源岩原始生烃母质的性质及沉积环境，还能反映烃源岩中有机质经历的热演化程度[33]。通过对烃源岩样品的饱和烃气相色谱分析（表3，图6），哈密拗陷下二叠统烃源岩样品正构烷烃碳数nC16以前相对丰度很低，并且生物降解作用形成的UCM 峰（鼓包）明显，表明露头烃源岩样品受到生物降解作用的影响较大。但是各样品抽提物的饱和烃组成大致相似，正构烷烃的碳数分布范围较大，呈现前低后高的双峰分布形态，有机质来源为混源型，但以陆源高等植物输入为主，有机质易于生气。奇偶优势比（OPE 值）在0.90∼1.06，不显示奇偶优势，反映热演化程度较高。轻重烃比值（ΣnC−21/ΣnC+22）很低，平均0.39，这种正构烷烃的分布特征反映有机质受陆源生物影响较大。

表3 下二叠统饱和烃色谱参数统计Tab.3 Statistics of saturated hydrocarbon in GC analysis parameters from Lower Permian

图6 研究区烃源岩饱和烃气相色谱图Fig.6 Gas chromatograms of saturated hydrocarbons of source rock in the study area

4.4.2 类异戊二烯烃地球化学特征

类异戊二烯烃中，植烷（Ph）和姥鲛烷（Pr）是最常用的表征沉积环境的生物标志化合物[34]。一般情况下，Pr/Ph＜1.00 指示缺氧还原沉积环境，Pr/Ph＞1.00 指示氧化环境。Pr/Ph 值大致和水体盐度呈负相关关系，强烈的植烷优势可作为可靠的高盐度环境指标。高盐度环境不仅有利于增强还原条件，也有利于喜盐性细菌的繁衍，从而提供植烷的补充来源，有助于形成高植烷优势，使Pr/Ph 值显著降低[35]。样品中的Pr/Ph 集中在0.29∼0.44，平均为0.34，反映出哈密拗陷下二叠统烃源岩具有强烈的植烷优势，沉积环境还原性较强，水体盐度较高。

Pr/nC17值和Ph/nC18值可用作分析烃源岩原始沉积时的水体性质，确定干酪根类型[36-37]。一般未遭受降解影响的有机质的Pr/nC17值和Ph/nC18值很低（0.10∼0.50），而降解较严重的样品Pr/nC17值和Ph/nC18值增大。

研究区烃源岩Pr/nC17值和Ph/nC18值分别分布在0.78∼1.13 和1.39∼1.50（表3），显然，样品都遭受了不同程度的风化降解影响。通过投点全部样品（图中红色）落在了高盐、强还原环境内（图7），说明沉积期水体半封闭，为微咸水咸水湖相沉积。

图7 研究区烃源岩Pr/nC17 与Ph/nC18 关系图Fig.7 Relationship between Pr/nC17 and Ph/nC18 in the study area

但是图7 中干酪根类型属于I、II 型，这显然与前文的有机质类型划分存在差异，分析原因可能是泥岩在热演化过程中及有机质风化降解过程中，Pr遭遇了一定程度的奇数碳降解稀释，或者向更稳定的同分异构体发生了转化所致。

5 结论

（1）哈密拗陷下二叠统烃源岩样品有机碳含量主体在0.080%∼10.400%，不同地区样品的有机碳含量差别较大，且露头样品受风化作用严重，风化校正前有机质丰度评价基本属于中好的烃源岩，对露头样品有机碳风化校正后，有机碳含量主体在0.104%∼13.520%，达到好很好的烃源岩类别，有机质丰度高；有机质类型以腐泥腐殖型（II2）为主，少部分为腐殖型（III），但是向沉积中心方向可能过渡为腐殖腐泥型（II2）或腐泥型（I）；下二叠统烃源岩中90%的样品热解峰温大于500°C，库莱地区烃源岩镜质体反射率平均为1.65%，整个拗陷下二叠统烃源岩有机质热演化属于高成熟阶段。

（2）哈密拗陷下二叠统烃源岩正构烷烃分布呈现前低后高的双峰形态，轻重烃比很低，在0.17∼0.73，说明有机质来源为混源型，但主要以陆源高等植物输入占优，以生气为主，生油为辅。OPE 值接近于1，反映热演化程度高。Pr/Ph 比值为0.29∼0.44，显示水体环境还原性较强，盐度较高，应属于半封闭水体。