长岭凹陷青一段烃源岩地球化学特征及意义

于佳琦，冯进来，付 莹，陈丹丹，马 妍，姜玥晗

(1.东北石油大学 地球科学学院，黑龙江 大庆 163318； 2.大庆油田井下作业分公司，黑龙江 大庆 163311)

随着近年来非常规油气逐步发展，我国的勘探重点已呈现出由常规油藏向非常规油藏转变的趋势。松辽盆地作为我国最大的陆相含油气盆地，青一段沉积层作为松辽盆地的主力烃源岩层，油气显示广泛[1]。目前，松辽盆地南部青一段页岩油勘探面积为1.5×104km2，已有多口井进行试油并获得高产，预估资源量超过150亿t[2-4]，是非常规油气勘探开发的重点层系。然而，对于长岭凹陷青一段的非常规油气勘探刚刚处于起步阶段，对于青一段烃源岩非均质性的探讨相对薄弱，此外对于该地区青一段烃源岩地球化学特征及沉积环境的研究较少，未见大量的文献报道。本文以长岭凹陷青一段岩心为主要研究对象，利用总有机碳(TOC)、氯仿沥青“A”、干酪根镜检、干酪根碳同位素、饱和烃气相色谱(GC)和饱和烃色谱—质谱分析(GC-MS)等实验对烃源岩的基本地球化学特征和沉积环境进行研究，一方面明确南北两地区烃源岩地球化学特征及沉积环境的差异性，另一方面为泥页岩非均质性分析提供地质依据，并对长岭凹陷非常规油气勘探具有一定指导作用。

1 地质背景

长岭凹陷位于松辽盆地中央坳陷区的南部，是松辽盆地重要的生烃凹陷之一。研究区整体由3个凸起，3个次凹组成，呈东、西高、中间低、南陡北缓的向斜构造形态。凸起分别为苏公坨—北正镇断阶带、达尔罕断凸带、大老爷府—双坨子凸起带，次凹分别为长岭次洼、前神字—查干花次洼、伏龙泉次洼。自成盆期以来，研究区依次经历了初始初始断陷期、强烈断陷期、断拗转换期、稳定拗陷期和隆升剥蚀反转期5个构造演化阶段[5]。在构造作用下，依次沉积了火石岭组、沙河子组、营城组、登楼库组、青山口组、姚家组、嫩江组及明水组地层。其中，在青一段沉积期发生过大规模的湖侵事件，由此沉积了分布范围广、厚度较大且有机质含量较高的半深湖—深湖相泥页岩，其顶部发育灰黑、深灰色泥页岩，中下部发育灰色、深灰色云质粉砂岩夹少量棕红色泥岩[6]，该套层系是盆地内的主力烃源岩层系，同时也是该地区页岩油的主要勘探层系。

2 样品采集及实验方法

此次测试样品长岭凹陷青一段的泥页岩岩心样品。系统采集了区内2口井青一段共计44块泥页岩样品。一半样品来自研究区北部，另一半来自南部，在进行整体分析的基础上，进一步对比南北两地烃源岩品质差异。测试分析项目主要为TOC测定、氯仿沥青“A”测定、干酪根镜检、干酪根碳同位素、镜质体反射率测定、饱和烃色谱—质谱分析和饱和烃气相色谱分析等。有机碳含量利用Leco C744有机碳分析仪进行测定。氯仿沥青“A”含量基于索氏抽提法利用自主研发的YBS全自动多功能抽提仪进行提取并称重。将抽提后的氯仿沥青“A”经族组分分离后得到饱和烃、芳香烃，再利用GC-MS Clarus 500 色谱—质谱仪进行测试分析。将经过制备得到的干酪根湿样涂于盖玻片上，再涂聚乙烯醇等风干，再加无荧光黏合剂翻盖到载玻片上，在透射光和荧光下，利用偏光显微镜(奥林巴斯BX51)鉴定各有机显微组分。利用ISOPrime100同位素质谱仪对干酪根碳同位素进行测定。

3 烃源岩地球化学特征及意义

3.1 有机质丰度

有机质丰度评价可用于表征烃源岩生烃潜力和产物，是烃源岩评价的重要参数之一。常见的反映有机质丰度的参数有总有机碳(TOC)、氯仿沥青“A”、生烃潜力S1+S2等。前人研究表明，泥质烃源岩TOC大于2%，氯仿沥青“A”大于0.2%为“最好”烃源岩；TOC为1%～2%，氯仿沥青“A”为0.1%～0.2%，为“好”烃源岩；TOC为0.6%～1.0%，氯仿沥青“A”为0.05%～0.10%，为“较好”烃源岩；TOC为0.4%～0.6%，氯仿沥青“A”为0.01%～0.05%，为“差”烃源岩；TOC小于0.4%，氯仿沥青“A”小于0.01%，为“非”烃源岩[7-9]。

此次研究中，北部氯仿沥青“A”分布范围为0.42%～1.17%，平均值为0.77%，总有机碳(TOC)分布范围为2.20%～2.75%，平均值为2.48%，北部整体属于最好烃源岩。南部氯仿沥青“A”分布范围为0.009 1%～0.548 0%，平均值为0.21%，总有机碳(TOC)分布范围为1.48%～2.09%，平均值为1.79%，南部整体属于好—最好烃源岩。通过TOC与氯仿沥青“A”相关性分析可以看出(图1)，二者相关性较高，且北部有机质丰度明显高于南部地区，2个指标评价结果基本一致，说明该指标可较好地评价有机质丰度，可信度高。

3.2 有机质类型

有机质母质类型对烃源岩生烃量及烃类的性质和组成有重要的决定意义。因此，有机质类型是衡量有机质产烃能力的参数，不同类型母质生烃的性质及生烃潜力均具有较大的差异性。开展有机质类型评价十分重要。常见的反映有机质类型的参数有干酪根显微组分、有机质氢、碳、氧元素关系、干酪根碳同位素等。此次研究中主要通过干酪根显微组分、干酪根碳同位素来判断长岭凹陷青一段有机质类型(图2)。

图1 长岭凹陷青一段烃源岩TOC与氯仿沥青“A”相关关系Fig.1 Correlation between TOC and chloroform bitumen "A" of source rocks in the first member of Qinghe Formation of Changling Depression

图2 干酪根显微组分特征Fig.2 Maceral characteristics of kerogen

干酪根镜下显微组分表明，北部青一段样品透射光下，有机质以絮状、团粒状腐泥无定形为主，见少量亮藻类体(图2(a))，反射光下，有机质含量较低以碎屑镜质体、丝质体、固体沥青为主。镜质体反光下呈灰色，丝质体亮白色具结构，固体沥青沿岩石裂缝充填。富氢次生组分黄绿色荧光(图2(c))。南部青一段样品透射光下，有机质具腐泥无定形体、均一镜质体、块状丝质体(图2(b))。反射光下，有机质以碎屑镜质体、丝质体为主。镜质体反光下呈灰色，丝质体亮白色具结构，见少量藻屑体和壳屑体，发较弱黄绿色荧光(图2(d))。

通过各显微组分含量，计算出TI类型指数：

TI=100a+80b1+50b2-75c-100d

式中，a为腐泥组百分含量；b1为树脂体百分含量；b2为孢粉体、木栓体、角质体、壳质碎屑体、腐殖无定形体、菌孢体百分含量；c为镜质组百分含量；d为惰质组百分含量。

根据四分法的TI类型指数判别标准(表1)，研究区北部样品TI指数为62.4～75.2，因此其有机质类型主要为Ⅱ1型；南部样品TI指数大多在23.4～42.4，少部分样品TI值<0，因此有机质类型为Ⅱ2-Ⅲ型，其中Ⅱ2型占绝大部分。

表1 四分法TI值界限(据SY/T 5735—1995)Tab.1 Limit of TI value of quartering method(according to SY/T 5735-1995)

烃源岩的干酪根碳同位素可反映原始物质的组成特征，与有机质母质碳同位素基本一致(表2)，是判断有机质类型的可靠指标[10-11]。

表2 干酪根碳同位素指标类型对应表(SY/T 735—1995)Tab.2 Corresponding table of kerogen carbon isotope index types(according to SY/T 735—1995) ‰

水生生物与陆源高等植物的母质来源，其正构烷烃碳同位素有一定差异，陆源生物相对更富重碳，这与陆源植物进行光合作用利用了不同的碳源有关[12]。研究区北部样品干酪根碳同位素分布在-30.75‰～ -27.5‰，平均-28.65‰，表明有机质类型为Ⅱ1型；南部样品干酪根碳同位素分布在-30.75‰～ -27.5‰，平均-28.65‰，表明有机质类型为Ⅱ1型；样品干酪根碳同位素分布在-29.9‰～ -24.77‰，平均-27.52‰，表明有机质类型主要为Ⅱ1-Ⅱ2型(图3)。干酪根碳同位素与干酪根显微组分数值指示结果基本一致。

3.3 有机质成熟度

有机质成熟度的评价有利于判断烃源岩的生烃类型及生烃潜力预测。有机质成熟度的评价方法较多，包括有镜质体反射率、干酪根热解法、生物标志化合物等方法。其中，镜质体反射率值是应用最广泛的成熟度指标。一般地，Ro值小于0.5%，处于未成熟阶段，Ro值介于0.5%～1.15%，处于成熟阶段，Ro值介于1.15%～2.0%，处于高成熟阶段，Ro值大于2%，处于过成熟阶段。研究区北部烃源岩样品Ro值介于0.71%～1.36%，平均值为1.25%，处于成熟—高成熟阶段。南部烃源岩样品Ro值介于0.62%～1.2%，平均值为1.12%，处于成熟—高成熟阶段，主要为成熟阶段。由此可见，青一段有机质热演化程度较高，且北部地区成熟度高于南部地区(图4)。

图3 长岭凹陷青一段烃源岩干酪根碳同位素频率分布直方图Fig.3 Distribution histogram of kerogen carbon isotope frequency of source rocks in the first member of Qingling Formation，Changling Depression

图4 长岭凹陷青一段烃源岩镜质体反射率与深度关系Fig.4 Relationship between vitrinite reflectance and depth of source rocks in the first member of Qingling Formation，Changling Depression

随深度增加，镜质体反射率不断增加，有机质也向更成熟阶段不断演化，表明该地区有机质成熟度主要受控于热演化的影响。此外，生物标志化合物比值也可作为有机质成熟度良好的判别指标。由图5可知，南、北部样品均落在了成熟—高成熟区域，与镜质体反射率判识结果一致，该地区青一段烃源岩具有较好的生气潜力。

图5 长岭凹陷青一段烃源岩生物标志化合物判识Fig.5 Identification of biomarkers in source rocks of the first member of Qingling Formation

3.4 有机质来源和沉积环境

3.4.1 有机质来源

(1)正构烷烃。有机质母质来源可为古湖泊水体中生物的发育情况提供证据。生物标志化合物中蕴含丰富的沉积物来源方面的信息，是判断有机质母质来源的重要指标。常通过正构烷烃、甾类化合物、萜类化合物、类异戊二烯烷烃等指标进行分析。一般地，若正构烷烃的主峰碳介于nC15—nC19，且饱和烃色谱峰型表现为前峰型时，反映有机质母质来源主要贡献为藻类等低等水生生物；若正构烷烃的主峰碳介于nC25—nC33，且饱和烃色谱峰型表现为后峰型时，反映有机质母质来源主要贡献为陆源高等植物；饱和烃色谱图为双峰型时，反映母质具有低等生物和高等植物的混合来源[13-16]。研究区北部烃源岩样品的正构烃碳数总体在nC15—nC33均有分布，主峰碳主要为nC17、nC18，饱和烃低碳数与高碳数烃类(∑C21-/∑C22+)比值介于0.48～0.61，平均值为0.55，色谱图主要为后峰高的单峰型以及双峰型，表明其母质来源为混源输入，且水生生物输入为主。南部烃源岩样品的正构烃碳数总体在nC14—nC31均有分布，主峰碳主要为nC15、nC16、nC17，饱和烃低碳数与高碳数烃类(∑C21-/∑C22+)比值介于0.65～0.81，平均值为0.67，色谱图主要为后峰高的单峰型，表明其母质来源以水生生物输入为主(图6)。此外，前人常利用(nC21+nC22)/(nC28+nC29)判断有机质母质来源[17]，当比值为0.6～1.2时，表明有机质母质来源为高等陆源植物贡献；当比值为1.5～5.0时，表明有机质母质来源为水生生物贡献。研究区北部烃源岩样品数值为1.77～2.14，平均值为1.91，表明水生生物输入为主，而南部数值主要为0.83～2.67，跨度较大，说明母质来源为混源背景。

图6 长岭凹陷青一段烃源岩沉积环境分析Fig.6 Sedimentary environment analysis of source rocks in first member of Qinghe Formation in Changling Depression

(2)甾烷类化合物。烃源岩重的甾烷类是一种具有烷基侧链的四环化合物，其前身是由藻类浮游动植物及高等植物的甾酸衍生而来，一旦形成性质较为稳定，基本不会发生相互转化。因此，甾烷可以作为判断有机质母质来源的可靠指标[18]。一般地，水生生物富含C27和C28甾烷的生物前驱物C27和C28甾醇，而陆源高等植物富含C29甾烷的生物前驱物C29甾醇，因此高含量的C27和C28甾烷指示低等水生生物的生源，反之，指示陆源高等植物的输入[19]。研究区北部规则甾烷具有C27>C29>C28多成 “L”形分布，C27甾烷优势明显，表明有机质母质来源多为水生生物，盆地原生来源相对强。南部地区样品C27、C29甾烷相对含量相差不明显，多呈“V”形分布(图7)，表明有机质母质来源多为混源输入。以上各指标判识结果相互印证，具有一致性。

图7 长岭凹陷青一段烃源岩m/z217质量色谱Fig.7 m/z217 mass chromatogram of source rocks in first member of Qingling Formation，Changling Depression

3.4.2 沉积环境

生物标志化合物中，姥鲛烷、植烷以及姥植比(Pr/Ph)是有机地化中划分沉积环境的常用手段[20]。一般来讲，姥鲛烷是氧化环境的产物，植烷是还原环境的产物，当Pr/Ph>1时，表征水体成烃古环境为偏氧化环境，同时表明水体深度较浅(沼泽、海陆过渡相等)，当Pr/Ph<1时，表征水体成烃古环境为偏还原环境，同时表明水体深度较深(深湖—半深湖相)。研究区北部青一段Pr/Ph值为0.50～1.01，平均值为0.76，植烷优势明显，表明北部地区水体偏还原环境，有利于有机质的埋藏保存。南部青一段Pr/Ph值为0.88～1.56，平均值为1.21，姥鲛烷优势明显，表明南部地区水体为弱还原—氧化环境。

伽马蜡烷是一种C30—三萜烷，通常被认为来源于生长在分层水体含氧和缺氧带之间的原生动物中(如食菌的纤毛虫等)[21]，而水体分层多是与高盐度有关，因此其相对丰度可指示沉积水体咸度与分层特征[12]，常利用GI指数(伽马蜡烷/C30藿烷值)进行定量的判断。研究区北部青一段伽马蜡烷指数(Ga/C30H)值为0.38～0.62，平均值为0.51，南部青一段伽马蜡烷指数(Ga/C30H)值为0.25～0.42，平均值为0.33，表明北部水体古盐度高于南部地区，有利于水体分层形成还原性的水体环境，进而有效地保存有机质。

正是由于北部地区以水生生物贡献为主要的母质来源，且水体盐度较高，形成了分层水体的古沉积环境，为有机质的富集提供了良好的条件，因此北部地区的有机质类型及有机质丰度均好于南部地区，为勘探有利区。

4 结论

(1)长岭凹陷青一段烃源岩氯仿沥青“A”及TOC表明，整体为最好烃源岩，北部地区有机质丰度高于南部地区。通过干酪根显微组分及干酪根碳同位素分析表明，研究区北部有机质类型为Ⅱ1型，南部有机质类型为Ⅱ2-Ⅲ型。镜质体反射率测试分析表明青一段整体处于成熟—高成熟阶段。

(2)正构烷烃及甾类化合物表明长岭凹陷青一段烃源岩北部有机质母质来源主要为水生生物(如浮游植物和藻类)，而南部地区属于混源输入。有机质主要为腐泥型，为良好的生油母质。

(3)通过姥植比及GI指数(伽马蜡烷/C30藿烷值)分析，表明北部地区古水体盐度高于北部，属于偏还原性的沉积环境，而南部地区盐度相对较低，属于弱还原—氧化环境。

(4)长岭凹陷北部的有机质类型及有机质丰度均好于南部地区，其古沉积环境条件有利于成烃，有良好的生油气潜力，为勘探有利区。

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