南祁连盆地木里坳陷油气来源分析:基于DK-9孔岩心样品热模拟实验

唐世琪，卢振权，程 斌，廖泽文，刘 晖，王 婷，范东稳，张富贵

(1.中国地质科学院 地球物理地球化学勘查研究所，河北 廊坊 065000；2.中国地质调查局 油气资源调查中心，北京 100083；3.中国科学院广州地球化学研究所 有机地球化学国家重点实验室，广东 广州 510640)

0 引 言

南祁连盆地木里坳陷是我国首个冻土区天然气水合物主要勘探区[1-2]。2013年，中国地质调查局在木里坳陷聚乎更煤矿区三露天井田部署的DK-9孔中除钻遇天然气水合物层外，还钻获厚层状含油层[3]，含油层产于362.79～370.58 m砂岩中，岩心表面呈灰褐-浅褐色，表现出大面积油浸、油染现象[4]。这是南祁连盆地首次钻获的含油层，且研究区DK8-19、DK10-16、DK10-17、DK10-18、DK11-14、DK12-13和DK13-11等多个水合物钻孔中普遍存在着不同程度的水合物与油气显示伴生现象[5-12]，这预示着南祁连盆地具有良好的油气勘探前景，有可能为国家油气安全提供新的后备选择[13]，因此有必要对已发现的油气显示进行来源分析，为该区下一步油气调查提供依据。

现有的研究主要围绕该区域的天然气水合物开展，已有的生烃潜力研究显示，南祁连盆地主要发育4套烃源岩，分别为侏罗系泥页岩、上三叠统尕勒得寺组泥岩、下二叠统草地沟组灰岩以及石炭系泥(灰)岩[14-15]。4套烃源岩整体有机质丰度较高，有机质类型以Ⅱ2型和Ⅲ型为主，有机质演化程度整体上处于成熟-过成熟阶段，部分处于未成熟阶段，生烃潜力较好[16-23]。前人曾对木里坳陷内DK-2、DK-3孔含天然气水合物层段岩心进行热模拟实验研究，推测天然气水合物气源来自深部泥岩或油页岩[24-26]，但针对油源的研究仍然较少[27]，亟须开展常规油气显示来源的相关研究。

本次研究的DK-9为水合物钻孔，深度有限，终孔深度仅为593.07 m，无法获取深部烃源岩样品信息，为进一步探究所钻获的油气显示来源，选用浅部低熟烃源岩热模拟生烃的方法来进行油源分析，以期为研究区下一步油气勘探提供依据。

1 区域地质概况

DK-9天然气水合物钻孔位于南祁连盆地木里坳陷聚乎更矿区三露天井田内(图1)，研究区海拔4 026～4 128 m，冻土厚度一般为60～95 m，最深接近120 m[28-29]，钻探揭示第四系、中侏罗统和部分上三叠统。中侏罗统由上而下包含江仓组(对应区域上的享堂组)和木里组(对应区域上的窑街组)[30-31]。江仓组(J2j)为湖泊-辫状河三角洲沉积，按岩性可分为上、下两段，上段以暗色油页岩、泥岩为主，不含煤；下段以深灰色泥岩、粉砂岩和灰色细砂岩为主，含多个薄煤层。木里组(J2m)为沼泽-辫状河沉积，分为上、下两个岩性段，上段是主要的含煤层段，发育本区主要可采煤层，岩性以深灰色泥岩、粉砂岩和灰色细砂岩、中砂岩为主；下段以灰白-灰色粉、细、中粗砂岩为主，底部砾岩发育。上三叠统以黑色粉砂岩、泥岩及薄煤层为主，与上覆中侏罗统呈低角度不整合接触。

图1 研究区区域地质简图与DK-9钻孔位置

2 样品采集与分析

本次共采集DK-9孔26组烃源岩样品及4组油气显示样品，样品采集信息见表1。对烃源岩样品进行镜质体反射率测定、岩石热解分析、索氏抽提、饱和烃组分色谱质谱分析以及全油碳同位素分析。对油气显示样品进行索氏抽提、饱和烃组分色谱质谱分析以及全油碳同位素分析。

表1 DK-9钻孔样品信息

根据测试结果选择有机质丰度高、类型好、成熟度低且具有代表性的烃源岩样品开展热模拟实验，其中，中侏罗统共选取5个样品，均为泥岩样品；上三叠统共选取5个样品，其中4个泥岩样品，1个煤样(表2)。考虑深度间隔，另选了TOC为0.45%的一个泥岩样品(DK9-M-44)，属于差烃源岩。

表2 热模拟实验样品基本特征

热模拟实验采用封闭体系下的恒温加热法，压力状态为真空。具体实验步骤如下：(1) 泥岩样品研磨至60目，煤样研磨至直径2～3 mm，将样品分别进行索氏抽提(二氯甲烷72 h)，保留残渣，烘干备用。(2)称取第一步的残渣样品0.5～5 g(样品重量随温度升高而减少)，装入玻璃管中，然后真空封闭。(3)在选取DK9-M-53样品做过不同温度的模拟试验后，最终设定5个温度点，将同一模拟温度的10组样品放于马弗炉中，首先加热到设定温度，然后恒温一定时间(300 ℃、350 ℃、390 ℃恒温72 h，410 ℃、460 ℃ 恒温48 h) ，恒温时间结束后，使样品自然冷却。(4) 将样品取出，再次进行索氏抽提，获取其在不同温度点下生成的液态烃，对液态烃进行族组分分离(硅胶∶氧化铝=2∶1)，对其中的饱和烃组分进行色谱质谱分析。

色谱质谱分析采用Thermo Fisher公司的DSQⅡ与Trace GC Ultra 联用系统。色谱条件：HP-1MS 色谱柱(60 m×0.32 mm×0.25 μm)，载气为氦气，恒流：1.2 mL/min。质谱条件：EI模式，离子源70 eV，离子源温度260 ℃，质量扫描范围为50～650道尔顿。升温程序：起始温度80 ℃，保留4 min；然后以4 ℃/min升温至295 ℃(保留30 min)。以上测试均在中国科学院广州地球化学研究所有机地球化学国家重点实验室完成。

3 结果与讨论

3.1 油气显示特征

3.1.1 饱和烃特征

在4组油气显示样品的饱和烃色谱图(图2(a))中，正构烷烃均呈单峰型分布，碳数相对较高，主峰碳在nC20—nC23之间，可能反映了油气显示母质有高等植物的输入。其中DK9-O-01与后三组(DK9-O-9、DK9-O-18、DK9-O-19)有较大的差异，主要表现在：DK9-O-01饱和烃TIC谱图呈明显的“鼓包”状，但具相对较完整的正构烷烃分布，表明DK9-O-01号油气显示遭受到一定的生物降解作用，之后又经历过后期的原油充注[27]；正构烷烃的碳数范围为nC16—nC31，Pr/Ph比值为1.42(表3)。后三组油气显示未遭受生物降解作用的改造，正构烷烃碳数范围主要在nC12—nC36之间，Pr/Ph比值在0.92～1.11之间。

图2 DK-9孔油气显示正构烷烃(a)、萜烷(b)和甾烷(c)特征

表3 DK-9孔油气显示的部分生物标志化合物参数

3.1.2 萜烷特征

在萜烷分布特征图(图2(b))上，4组油气显示均以五环萜烷为主，以C30藿烷为主峰。4组样品抽提物中均检测到17α(H)-15α-甲基-重排藿烷(C30RH)和18α(H)-17α-甲基-30-降新藿烷(C29Ts)，其中，新藿烷与C29降藿烷共溢出。不同的是，DK9-O-01抽提物萜烷中三环、四环萜烷有一定的分布，主要为C19—C24三环萜烷和C24四环萜烷；DK9-O-01中C30RH/C29(H+Ts)比值为0.51，而在另外三组油气显示中介于0.07～0.09之间；DK9-O-01中Ts/(Ts+Tm)比值也较后三组油气显示高(表3)。

有研究[32-34]认为， C30RH重排藿烷和新藿烷(C29Ts)的形成与黏土矿物的催化作用有关，陆相原油、陆相烃源岩和煤中常检测到C30RH重排藿烷，因此其被作为一种可能的陆源生物标志化合物[35-36]。结合油气显示样品抽提物正构烷烃呈高碳数分布特征，推测油气显示母质有陆源高等植物输入，同时母质生成的烃类受到黏土矿物的影响。DK9-O-01中C30R/C29(H+Ts)比值明显大于其他三组样品，可能是受到生源、岩性和岩石组成、沉积或成岩环境(氧化还原性)和热成熟度等因素的影响[37]。

在成熟度方面，Ts/(Ts+Tm)、C30RH/C29Ts、三环萜烷/17α(H)-藿烷比值在一定程度上均可以反映沉积有机质的成熟度状况[34]。虽然Ts、C29Ts和C30RH重排藿烷可能受到黏土矿物的影响，但总体上这三个参数在DK9-O-01中的比值最大，另外三组则差别不大，推测DK9-O-01样品油气显示的成熟度略高，另外三组油气显示成熟度状况基本一致。

3.1.3 甾烷特征

在甾烷的分布特征方面，4组油气显示规则甾烷基本呈现“V”形或不对称的“V”形分布(图2(c))，均检测到重排甾烷，主要以13β,17α-C27重排甾烷的20S和20R两种构型为主，其中20S构型的相对浓度大于20R构型。但是DK9-O-01号样品在甾烷分布特征上与另外三组样品的差异也比较明显，主要表现在： DK9-O-01中C27重排甾烷的相对含量高于另外三组；DK9-O-01样品中C27—C29规则甾烷的ααα构型的相对浓度明显低于另外三组；DK9-O-01号样品中C29-ββ/(αα+ββ)规则甾烷比值为0.63，而在另外三组中介于0.40～0.41之间(表3)。

重排甾烷主要是成岩作用早期阶段由甾醇形成的甾烯，在黏土矿物酸性催化作用下发生碳骨架重排转变而来[38]，氧化或酸性环境可以有效促进重排甾烯的形成[39-40]，C27重排甾烷的检测再次表明了母岩生烃过程中黏土矿物的催化效应。C29规则甾烷ββ/(αα+ββ)和αααC29规则甾烷的20S/(20S+20R)比值可以作为成熟度参数指标[34]，αααC29规则甾烷的20S/(20S+20R)比值为0.50，代表了甾烷异构化参数的平衡值[41]，本次4组油气显示样品基本上高于0.50，说明4组油气显示均为成熟原油，DK9-O-01油气显示成熟度略高于后三组油气显示，与上文推测一致。

综上所述，DK-9孔4组油气显示样品的母质存在高等植物输入，沉积于富含黏土矿物的氧化-亚氧化条件，且均为成熟原油。受到生物降解作用和黏土矿物不同催化程度的影响，油气显示明显分为两种类型，第Ⅰ类为DK9-O-01组油气显示，这类油气显示在遭受生物降解作用，后期又有油气的充注。第 Ⅱ 类油气显示为DK9-O-09、 DK9-O-18 、DK9-O-19三组，这类油气显示没有遭受生物降解的改造，成熟度稍低于第Ⅰ类。

3.2 烃源岩油源对比

根据现有26个烃源岩样品抽提物的生物标志物特征，大致上可以将本次烃源岩样品分为三类。

第Ⅰ类：深度为163.30～207.42 m，编号为DK9-M-008—DK9-M-16；第Ⅱ类：深度为207.42～348.50 m，编号为DK9-M-18—DK9-M-39；第Ⅲ类：深度为357.90～586.50 m，编号为DK9-M-41—DK9-C-008。三类源岩差异主要表现在正构烷烃碳数范围和主峰碳、Ts/(Ts+Tm)比值、五环萜烷形态、重排甾烷相对含量、规则甾烷分布模式等方面的不同(图3，以DK9-M-10、DK9-M-18和DK9-M-42为例)。

图3 DK-9孔烃源岩样品正构烷烃(a)、萜烷(b)、甾烷(c)特征

烃源岩样品抽提物全油碳同位素值整体在约210 m和350 m处存在两处转折点(图4)，同样对应上述三种烃源岩类型。从正构烷烃、萜烷和甾烷特征以及全油碳同位素来看，DK9-O-01号油气显示与第 Ⅰ 类烃源岩相似；DK9-O-09、DK9-O-18、DK9-O-19三组油气显示与第Ⅱ类烃源岩更相似(与第Ⅲ类烃源岩相比)。初步推断第Ⅰ类油气显示与第Ⅰ类烃源岩同源，第Ⅱ类油气显示可能主要与第Ⅱ类烃源岩同源，此外可能还有第Ⅲ类烃源岩或更深层烃源岩的贡献。

图4 DK-9孔烃源岩与油气显示全油碳同位素与深度关系图

3.3 热模拟实验油源对比

热模拟实验主要是通过增加温度来补偿漫长的地质时间，实验室模拟条件必然不能完全复制自然地质条件下的生烃过程，但是无论什么条件下，干酪根大分子骨架上键合的生物标志化合物都会随着干酪根降解程度的增加而不断被释放出来，且不同沉积环境的有机质有着与之相匹配的特殊生物标志化合物，例如C30RH重排藿烷、新藿烷(C29Ts)、重排甾烷等，利用这些具有专属性(如母质、沉积环境、矿物组成等)的生物标志物来开展油源对比是一种新的尝试，也是对传统油源对比的补充。

3.3.1 中侏罗统样品

由于热模拟样品在温度逐渐升高的过程中，饱和烃异构化严重，故暂不对其饱和烃特征进行对比。

中侏罗统5组泥岩样品热模拟结果显示，样品在不同温度下的萜烷特征(图5(a)，以DK9-M-26样品为例)表现为，样品300～350 ℃之间萜烷特征变化不大，主要表现为Tm 含量较高，原因可能是其与C30四环三萜烷共析出；C29藿烷含量一般高于C30藿烷，且新藿烷与C29藿烷共溢出现象不明显。在350～390 ℃之间，萜烷特征发生突变，可见在390 ℃温度点下，Tm向Ts转化；C29藿烷含量低于C30藿烷，且开始出现新藿烷与C29藿烷共溢出现象。在之后的410～460 ℃之间，萜烷特征基本保持不变。

样品在不同温度点下甾烷特征同样显示(图5(b))，在300～350 ℃之间样品甾烷特征变化不大，主要表现为C27重排甾烷含量较少， C29规则甾烷略占优势。同样，在350～390 ℃之间，甾烷特征发生突变，在390 ℃温度点下，C27重排甾烷含量明显增大, C27与C28规则甾烷相对含量增加，规则甾烷基本呈“V”形分布。在之后的410～460 ℃之间，萜烷特征基本保持不变。

图5 DK-9孔中侏罗统样品在不同温度点下萜烷(a)与甾烷(b)特征

对中侏罗统样品在5个温度点下生成液态烃的饱和烃色谱质谱分析结果显示，其萜烷和甾烷特征在300～350 ℃之间变化不大，均在350～390 ℃之间发生突变，且在之后的390～460 ℃之间趋于稳定。将5组样品在不同温度点下的生物标志化合物参数与油气显示样品进行对比(图6)，结果显示，自390 ℃ 起，第Ⅱ类油气显示各项生物标志化合物参数开始与热模拟样品生物标志物参数吻合。由此推断，中侏罗统样品在390 ℃以上产出的液态烃类与第Ⅱ类油气显示相当。

图6 不同温度点下DK-9孔中侏罗统样品与油气显示生标特征对比图

3.3.2 上三叠统样品

上三叠统4组泥岩、1组煤岩样品热模拟结果显示，样品在不同温度点下萜烷特征(图7(a)，以DK9-M-55样品为例)表现为，样品300～390 ℃之间萜烷特征变化不大，主要表现为Tm含量较高，C29藿烷含量大多高于C30藿烷，且未见新藿烷与C29藿烷共溢出现象。在390～410 ℃之间，萜烷特征发生突变，在410 ℃温度点下，Ts与Tm含量趋于平均，C29藿烷含量低于C30藿烷，开始出现新藿烷与C29藿烷共溢出现象。且在410～460 ℃温度段内，萜烷特征基本保持不变。

图7 DK-9孔上三叠统试验样品在不同温度点下萜烷(a)与甾烷(b)特征

样品在不同温度点下甾烷特征同样显示(图7(b))，在300～390 ℃之间样品甾烷特征变化不大，主要表现为C27重排甾烷基本不可见或含量较少， C29规则甾烷明显占优势。同样，在390～410 ℃之间，甾烷特征发生突变。在410 ℃温度点下，C27重排甾烷含量明显增大, C27与C28规则甾烷相对含量增加，规则甾烷基本呈“V”形分布。在410～460 ℃温度段内，甾烷特征基本保持不变。

上三叠统样品在5个温度点下生成液态烃的饱和烃色谱质谱分析结果显示，其萜烷和甾烷特征在300～390 ℃之间变化不大，在390～410 ℃之间均发生突变，且在410～460 ℃之间趋于稳定。将5组上三叠统样品在不同温度点下生物标志化合物参数与油气显示样品进行对比(图8)，结果显示，自410 ℃ 起，第Ⅱ类油气显示各项生物标志化合物参数开始与上三叠统样品热模拟生物标志物参数吻合。由此推断，上三叠统样品在410 ℃以上产出的液态烃类与第Ⅱ类油气显示相当。以上实验结果说明，第Ⅱ类油气显示的母质来源既与中侏罗统烃源岩有关，又与上三叠统烃源岩有关。

图8 不同温度下DK-9孔上三叠统样品与油气显示生标特征对比图

4 结 论

(1)DK-9孔4组油气显示样品可分为两种类型，第Ⅰ类油气显示遭受生物降解作用，成熟度稍高；第Ⅱ类油气显示没有遭受生物降解的改造，成熟度稍低于第Ⅰ类。

(2)抽提物有机地球化学特征显示DK-9孔烃源岩样品可分为三种类型，第Ⅰ类对应深度163.30～207.42 m，第Ⅱ类对应深度207.42～348.50 m，第Ⅲ类对应深度357.90～586.50 m。

(3)常规油源对比和烃源岩热模拟实验对比结果显示，第Ⅰ类油气显示主要与第Ⅰ类烃源岩同源，第Ⅱ类油气显示主要与第Ⅱ类烃源岩同源，此外可能还有第Ⅲ类烃源岩或更深层烃源岩的贡献，即其母质来源既与中侏罗统烃源岩有关又与上三叠统烃源岩有关。