内蒙古西乌旗地区下二叠统寿山沟组泥页岩有机地球化学特征——以MXD1井为例

崔新宇 , 施立志, 张永生, 张晓凯, 汪 彪 , 罗立艳

1)中国地质科学院, 北京 100037; 2)中国地质大学(北京), 北京 100083;3)中国石油集团东方地球物理勘探有限责任公司华北物探处2150地震队, 河北任丘 062552

长期以来, 兴蒙构造带的石炭—二叠系被认为是陆壳的变质基底, 不具备生烃潜力, 因此对该层系的研究较少(张永生等, 2011; 韩春元等, 2011; 陈树旺等, 2013)。然而近些年开展的石炭系—二叠系基础地质调查研究表明, 兴蒙构造带的石炭—二叠系地层并没有经历大规模区域变质, 并且在二叠系寿山沟组、哲斯组、林西组等多套地层中发现厚层暗色泥页岩, 具有较好的生烃潜力和生储盖组合,有望成为继中生代侏罗—白垩系之后的北方油气战略勘探区的接替新层系(张兴洲等, 2008; 任收麦等,2013; 公繁浩等, 2013; 卢进才等, 2018)。

西乌旗地区位于二连盆地的寿山沟组沉积中心区域, 下二叠统寿山沟组暗色泥页岩层厚度巨大、分布广泛, 对平面上寿山沟组露头的有机岩石学方面的研究表明, 该组具有较好的油气勘探前景(李海华等, 2010; 陈树旺等, 2013; 任收麦等,2013)。为了探明二连盆地寿山沟组的潜在油气规模,在北方新区、新层系的油气勘探中取得突破, 中国地质科学院矿产资源研究所在西乌旗地区钻探了MXD1井(施立志等, 2020)。该井钻遇寿山沟组二段的巨厚黑色泥页岩, 累计视厚度达 998 m, 有效烃源岩有机碳含量达到 0.4%～1.05%, 成熟度高, 有3段明显气测异常, 经过对烃源岩生烃潜力的初步评价, 认为该层段具有较好的生气条件(施立志等,2020)。

而前人研究主要关注地表露头上寿山沟组泥页岩的生烃潜力, 对于该段的有机地球化学特征研究程度较低, 并且平面上的烃源岩容易受到风化或污染, 可能会使分析结果等受到影响。因此本文在MXD1井对寿山沟组二段的深灰色至灰黑色泥页岩样品进行了系统的采样, 进行了有机地球化学分析,对烃源岩的沉积环境、母质来源、有机质类型等方面特征进行了探究, 并进一步探究了寿山沟组二段泥页岩的生烃潜力。这为二连盆地的新层系油气勘探提供了一些有机地球化学方面的依据, 对于兴蒙构造带石炭二叠系的油气勘探工作也有一定的参考价值。

1 地质背景

MXD1井处于二连盆地东部的布冷乌拉向斜中,为一套轴向为北东东—南西西的复式向斜(施立志等, 2020)。二连盆地位于兴蒙构造带东段, 总面积约 10×104km2, 大地构造环境属于宝力道岛弧(图1)(Xiao et al., 2003; 潘晓明, 2018)。研究区所出露地层的时代主要为晚古生代中期到中生代晚期(图2), 构造地层格架受到北部的贺根山断裂带和锡林浩特陆块北缘控制, 呈条带状北东向展布。研究区地层(图 2)自下而上为石炭—二叠系的阿木山组(CPa)、本巴图组(CPb); 二叠系寿山沟组(P1ss)、大石寨组(P2ds)、哲斯组(P2zs); 侏罗系红旗组(J1h)、白音高老组(J3b); 白垩系梅勒图组(K1m)。

图1 研究区大地构造背景示意图(据Xiao, 2003修改)Fig.1 Schematic map of the geotectonic background of the study area (modified after Xiao, 2003)

二叠系寿山沟组广泛分布于西乌旗等地(韩春元等, 2011), 总体上是一套巨厚的浅海-半深海相泥页岩, 出露面积约 460 km2, 北东向展布, 与下伏的本巴图组、阿木山组和上覆的大石寨组均为平行不整合关系(图2)。寿山沟组组可以分为两段: 一段(P1ss1)是海相低位体系域, 主体为灰黄色-灰黑色粗碎屑岩;二段(P1ss2)是海进-海退体系域, 主体为黑色泥岩和粉砂岩(宋鹏, 2014)。该组含有大量海相动物化石,包括 Retichlaria(网格贝)、Brachythyris(腕孔贝)、Rhombotrypella(拟菱穴苔藓虫)、Fenestella(窗格苔藓虫)、Stenopora(窄管苔藓虫)、Calamites(卢木)、Rhipidomella(扇房贝)以及珊瑚、海百合、螺等(鲍庆中等, 2006; 高小跃, 2009; 宋鹏, 2014)。郑月娟等(2018)通过碎屑锆石U-Pb测年, 得到西乌旗寿山沟组的沉积下限为～289 Ma, 相当于早二叠世Artinskian期; 侵入寿山沟组的前进场和达青二长花岗岩的岩浆锆石年龄限定寿山沟组沉积上限为～280 Ma, 据此可以确定寿山沟组的主体沉积年代为早二叠世Artinskian期至Sakmarian晚期(张晓飞等, 2018)。

图2 研究区地层分布图Fig.2 Stratigraphic distribution map of the study area

MXD1井仅钻遇第四系松散沉积物和下二叠统寿山沟组二段, 该段主要为夹少量灰岩透镜体的深灰色泥页岩, 底部含有一层安山岩夹层, 沉积相为半深海相。

2 样品与分析

本文中所选样品均采于MXD1井, 为西乌旗地区上二叠统寿山沟组二段的泥页岩, 岩芯深度范围为302～1200 m。MXD1井寿山沟组二段泥页岩的总体特点为颜色较深, 粒度细, 节理裂隙较发育, 在节理裂隙中常含有钙质或硅质脉体。泥岩中常见粉砂质薄纹层, 其中偶尔可见细粒黄铁矿, 在 500 m处可见少量沥青质渗出, 少数层段有轻微的板岩化,板理面为黑色、玻璃光泽, 表面有薄片状的白云母或黄铁矿。

本文所采的样品均为黑色-深灰色泥岩或页岩,有轻微的板岩化, 裂隙较发育, 通常有少量钙质或硅质脉体沿裂隙或顺层侵位(图3)。本文针对MXD1井岩芯样品进行了总有机碳、镜质体反射率、饱和烃和芳烃气相色谱—质谱的分析测试工作。总有机碳检测在温度21℃、湿度 72%RH环境下进行, 检测设备及编号为CS—230碳硫分析仪617-100-800,检测依据为GB /T 19145—2003《沉积岩中总有机碳的测定》。镜质体反射率检测在23℃、湿度 50%RH环境下进行, 检测设备及编号为 Zeiss Axio Scope.A1/J&M MSP 200, 检测依据为 SY/T 5124—2012《沉积岩中镜质体反射率测定方法》。饱和烃和芳烃气相色谱—质谱检测在21℃、湿度72%RH环境下进行, 检测设备为 HP6890N GC/5975I MSD,编号 US10615059/US61633045, 检测依据为GB/T 18606—2001。

图3 MXD1井寿山沟组泥页岩岩芯照片Fig.3 Photos of mudstone-shale core samples from Shoushangou Formation

3 有机地球化学特征

3.1 有机母质来源

本文使用正构烷烃、萜烷和甾烷系列化合物的分布特征作为生物标志物对寿山沟组二段有机质来源进行判断。整体上看, 各泥页岩样品没有发现明显的生物降解痕迹, 正构烷烃比较完整, 并且在色谱-质谱图中均能识别出丰富的姥鲛烷和植烷、甾烷和萜烷等, 说明烃源岩中的有机质没有遭受强烈的生物降解作用, 可以使用生物标志物来对烃源岩的沉积环境进行分析和判断(李文奇等, 2020; 卢双舫,2008)。而MXD1井泥页岩样品的镜质体反射率Ro为 2.06%～3.89%, 成熟度为高成熟-过成熟, 残余有机碳含量较低, 为 0.10%～0.85%, 样品中的饱和烃系列化合物如正构烷烃、甾烷、萜烷的相对含量受到一定的岩石热演化的影响, 仅能定性的对古沉积环境和有机质类型进行判断。

正构烷烃记录了烃源岩中有机质的母质类型、来源、沉积环境、风化程度等重要信息, 是判断有机质来源的重要手段(李文奇等, 2020)。其中藻类和细菌对于正构烷烃的贡献具有奇偶优势不明显、碳数较少(主要是 nC15～nC21)的特征, 并且藻类的贡献通常以C15或C17为主峰; 而陆源植物在正构烷烃谱图中的特点是碳数较多, 以nC23～nC35为主, 在一般还原条件下具有奇碳优势, 在强还原条件下具有偶数碳优势(卢双舫, 2008)。

寿山沟组二段泥页岩具有非常相近的正构烷烃色谱参数与分布特征。通过 m/z=85色谱图可知(图 4), 正构烷烃系列化合物以单峰型前峰态为主,偶尔可见双峰型前峰态, 峰型完整, 碳数范围C12～C65, 主峰碳分布范围为C16～C23, 大多数为C17,中低碳数正构烷烃没有明显的奇偶优势, C23以上的奇偶优势较明显; C21－/C22+值为 0.95～8.45, 平均3.29; C21+22/C28+29值为 2.47～18.81, 平均值为 7.38,轻碳优势非常明显; 指标 Pr/nC17、Ph/nC18对生物降解、沉积环境的氧化还原性、成熟度特征均有反映, Pr/nC17值为0.29～0.82, 平均0.51, Ph/nC18值为0.28～1.05, 平均0.57(表1), 这些指标暗示了寿山沟组二段泥页岩的有机母质可能以海藻、水生浮游生物等为主, 有少量陆源有机质的加入(杨云飞,2018)。经过 Ph/nC18-Pr/nC17投图(图 5)可以得知, 寿山沟组泥页岩有机质类型以 II1型为主, 含有少量I型, 为海相沉积(张磊和张敏, 2009; 王志峰和包建平, 2017)。

图4 MXD1井暗色泥岩样品正构烷烃特征图Fig.4 Normal alkane characteristics of dark mudstone in Shoushanggou Formation, Well MXD1

表1 MXD1井寿山沟组暗色泥岩正构烷烃参数表Table 1 Normal alkane parameters of dark mudstone of Shoushangou Formation in Well MXD1

图5 MXD1井暗色泥岩Ph/nC18-Pr/nC17图Fig.5 Ph/nC18-Pr/nC17 of dark mudstone in Well MXD1

寿山沟组二段烃源岩的碳优势指数(CPI)为1.20～1.49, 平均 1.32, 这表明 C23以上的正构烷烃具有明显的奇数碳优势, 体现了研究区寿山沟组二段泥页岩具有明显的陆源有机质的贡献, 有机质来源为海陆混源, 并且该段的沉积环境为一般的还原环境, 符合海相环境特征(张磊和张敏, 2009)。

甾烷化合物主要来源于真核生物的甾醇, 是判断烃源岩母质生源的重要生物标志物。在生烃过程中, 生物体中的 C27-C28-C29正常甾醇会分别转化为ααα(20R)C27-C28-C29规则甾烷。其中, C29正常甾醇主要来源于陆生高等植物, 而 C27正常甾醇主要来源于水生浮游生物和藻类。因此烃源岩中ααα(20R)C27-C28-C29甾烷的相对含量有效的体现了有机质母质中陆源高等植物和水生生物的相对比例, 进而可以反映烃源岩的形成环境(卢双舫,2008)。

MXD1井寿山沟组二段的甾烷化合物分布特征相似, 以C27、C28、C29规则甾烷、孕甾烷、升孕甾烷和重排甾烷为主。(孕甾烷+升孕甾烷)/ααα(20R)C29为 0.29～1.30, 平均 0.82, 规则甾烷呈正的“L型”分布(图6), ααα(20R)C27甾烷含量最高, 占 30.66%～44.19%, ααα(20R)C28含量最低,占 29.09%～34.05%, ααα(20R)C29含量 26.73%～37.89%, 指示低等水生生物的贡献较多。并且ααα(20R)C27-C28-C29-MAS甾烷相对含量三角图(图7)显示MXD1井烃源岩的有机质类为II型, 有机质母质来源具有低等水生生物和陆源高等植物的双重贡献, 以低等水生浮游生物为优势生源。

图6 MXD1井寿山沟组二段不同深度甾烷(m/z=217)质谱图Fig.6 Sterane (MZ =217) mass spectrometry at different depths in the 2nd member of Shoushangou Formation, Well MXD1

图7 西乌旗MXD1井寿山沟组二段(ααα20R)C27-C28-C29甾烷图解Fig.7 Illustration of C27-C28-C29 sterane in the second member of Shoushangou Formation, Well MXD1

MXD1井寿山沟组二段烃源岩样品的萜烷组成特征也十分相似(图 8), 表明烃源岩的有机质母质来源比较一致。泥页岩样品的三环萜烷丰度较高,三环萜烷/17α-藿烷为 1.29～4.16, 平均 2.42(表 3),反映藻类对生源的主要贡献特征(Peter et al., 2005;李文奇等, 2020; 王强等, 2014)。

图8 MXD1井寿山沟组暗色泥岩萜烷特征Fig.8 Terpane characteristics of dark mudstone in Shoushangou Formation, Well MXD1

通过芳烃色谱-质谱分析, 可知寿山沟组二段泥页岩中的芳烃化合物以萘、菲、二苯并呋喃、芴、TA、联苯、三芳甾、二苯并噻吩、芘、䓛为主。泥页岩样品中的荧蒽、苯并荧蒽、芘等稠环芳烃类化合物表明寿山沟组二段泥页岩的有机质母质来源也具有一定的高等植物的贡献。

综合以上生物标志物的组合, 可以判断 MXD1井寿山沟组二段烃源岩为海相、还原环境, 有机质来源以水生藻类与浮游生物为主, 并有一定的陆源植物贡献, 母质类型为II型。

3.2 有机母质形成环境

伽马蜡烷抗生物降解能力强, 主要来源于一种仅生活在分层水体环境的喜盐微生物纤毛虫, 是指示母岩沉积成岩过程中水体盐度和水体分层情况的重要标志物(张立平等, 1999)。本文中烃源岩中的伽马蜡烷含量中等, 伽马蜡烷/C30藿烷的值为0.12～0.26, 平均 0.17, 反映了寿山沟组二段的沉积环境中水体盐度较高。

Pr/Ph是判识烃源岩母质沉积成岩过程中氧化还原环境的重要指标, 目前普遍认为, Pr/Ph＜0.5为强还原性膏盐环境, Pr/Ph为 0.5～1时为还原环境,Pr/Ph＞2为偏氧化环境。寿山沟组二段泥页岩有机质Pr/Ph值为0.43～0.72, 平均值0.58(表2), 植烷占明显优势, 指示沉积环境Eh较低, 为还原环境。

表2 MXD1井寿山沟组二段暗色泥岩萜烷特征参数表Table 2 Terpane characteristic parameters of dark mudstone of the second member of Shoushangou Formation, Well MXD1

表3 三甲基萘成熟度参数Table 3 Trimethylnaphthalene maturity parameters

前人在区域上寿山沟组二段发现了大量海相动物化石如苔藓虫、腕足类、珊瑚、海百合、螺等,有力的证明了寿山沟组二段为海相。其中苔藓虫类包括 Prismopora sp.(菱孔苔藓虫属)、Stenopora sp.(窄管苔藓虫属)、Rhombotrypella(拟菱穴苔藓虫)、Fenestella(窗格苔藓虫)、Cancrinilla、koninckiana等; 腕足类包括 Retichlaria(网格贝)、Brachythyris(腕孔贝)、Rhipidomella(扇房贝)(鲍庆中等, 2006; 高小跃, 2009; 宋鹏, 2014)。

样品的伽马蜡烷/C30藿烷的值较高, Pr/Ph值较低, 生物标志物具有海相特征, 印证了前人对寿山沟组二段沉积环境为海相的判断, 得到了有机母质沉积环境为海相、还原环境的结论。

3.3 有机质成熟度特征

芳烃系列化合物中的三甲基萘在反映Ro＞1.0%的高成熟度烃源岩的成熟度方面具有明显优势。在热演化过程中, 1,3,5-三甲基萘和 1,4,6-三甲基萘会发生重排作用逐渐减少, 而稳定的 2,3,6-三甲基萘和 1,3,7-三甲基萘的含量几乎不变。因此三甲基萘参数 TMNr1、TMNr2会随着热演化程度的增加而不断增大, 与Ro成正相关关系(赵文等, 2016; 陈治军等, 2020)(图 9)。MXD1井寿山沟组二段样品的TMNr1为0.75～2.66, 平均1.76; TMNr2为0.59～1.37,平均1.07(表4), 对应的成熟度均为成熟-过成熟。

表4 MXD1井寿山沟组二段成熟度参数汇总表Table 4 Summary of maturity parameters for the 2nd member of Shoushangou Formation, Well MXD1

图9 甾烷异构化特征成熟度判别图Fig.9 Discriminant diagram of sterane isomerization characteristic maturity

藿烷的异构化特征也是反映成熟度的重要指标。随着成熟度的升高, βα构型的莫烷会向着αβ构型藿烷转化, 藿烷侧链上的的R构型会向S构型转化, Tm会比Ts更快的降解(Peter et al., 2005)。MXD1井寿山沟组二段泥页岩的 βαC30莫烷/αβC30藿烷值为 0.125～0.194,平均0.146; C31升藿烷22S/(22S+22R)比值为 0.575～0.603, 平均 0.587;Ts/Tm为0.929～1.483, 平均1.112, 指示寿山沟组二段有机质的成熟度较高。

C29甾烷异构化特征也是衡量有机质成熟度的重要指标。C29甾烷的αββ/(ααα+αββ)值 为0.355～0.421, 平均0.376; C29甾烷的 20S/(20S+20R)为0.314～0.398, 平均0.362 (图10)。而三芳甾是甾烷热解的最后阶段产物, 对高成熟度烃源岩的成熟度反映较好(Mackenzieas et al., 1981; 常象春,2017)。MXD1井寿山沟组二段烃源岩的TAS(20S)C26/C28比值较高,为0.206～3.195;TAS(20R)C27/C28比值较高, 范围 1.050～3.052, 表明烃源岩成熟度较高。

MXD1井寿山沟组二段泥页岩的正构烷烃奇偶优势指数(OEP)为 0.86～1.17, 平均 1.03(表 4), 反映烃源岩有机质成熟度较高。

菲系列化合物对于成熟度较高的烃源岩的成熟度判断也具有优势。菲系列化合物在中低成熟阶段的化学反应主要为重排作用, 到了高成熟度阶段则以去甲基作用为主要化学反应, 各类甲基菲转化为菲(卢双舫, 2008; 王保忠等, 2019; Zhu et al.,2019)。寿山沟组烃源岩菲含量高, 菲/菲系列为8.0%～52.9%, 平均为 26.6%; 表示岩石热演化程度较高, 以去甲基作用为主要化学反应; Rc范围1.80～2.17, 平均值2.03, 也反映了较高的成熟度。

因此, 根据烃源岩样本中的甲基萘、正构烷烃、藿烷系列化合物、甾烷系列化合物、三芳甾、菲系列化合物等生物标志物特征均可以得到 MXD1井寿山沟组二段样品的成熟度很高。

4 生烃潜力分析

总有机质含量和成熟度是评价烃源岩生烃潜力的关键指标。有机碳含量和镜质体反射率对总有机质含量和成熟度的反映具有重要意义。MXD1井上二叠统寿山沟组二段样品总有机碳含量(TOC)的检测结果为 0.10%～0.85%, 平均 0.30%。镜质体反射率(Ro)较高, 为 2.06%～3.89%, 平均 2.93%, 反映有机质成熟度为成熟-过成熟(图10)。

图10 MXD1井综合柱状图Fig.10 Composite columnar section of Well MXD1

而对于高成熟度的海相烃源岩, 有机碳在生烃期间大量消耗, 因此测得的总有机碳丰度值远低于原始的总有机碳丰度, 容易低估烃源岩的生烃潜力。在热解过程中, 生烃母质的降解生烃和热蒸发作用会导致最高峰温(Tmax)、氯仿沥青“A”、生烃潜量(S1+S2)等指标失效。因此在高成熟度海相烃源岩的生烃潜力评价过程中, 需要结合成熟度和有机质类型, 对原始总有机碳含量进行恢复, 才能得到客观、合理的评价结果(秦建中等, 2007; 夏新宇等,1998; 佩波, 2002)。

寿山沟组二段泥页岩氢指数(HI)很低, 为2～23 mg/g; S1+S2值较低, 为 0.02～0.09 mg/g; S2/S1值较低, 平均0.85; 而II1型有机质的原始氢指数很高, 与样品的测试值相矛盾。而氧化作用和有机质的热解都可能导致氢指数降低。样品的姥植比、伽马蜡烷值等生物标志物特征表明生烃母质的沉积-埋藏环境是还原性的, 可以排除氧化作用对氢指数的影响, 因此可以判断导致样品氢指数降低的原因是有机质的热解。有机质的热解过程会导致总有机碳丰度的降低, 需要恢复而MXD1井的样品的原始总有机碳值才能合理地对寿山沟组二段的生烃潜力进行评价。

有机质丰度的恢复有两类方法, 一类是实验法,通过对低成熟的同类型烃源岩进行加热, 模拟生烃过程, 得到各阶段的生烃量, 从而换算出有机质恢复系数。寿山沟组二段烃源岩样品成熟度均较高,无法通过实验法换算有机碳恢复系数。因此本文采用理论计算和类比的方式得到烃源岩的有机碳恢复系数(夏新宇等, 1998; Lu et al., 2019)。MXD1井泥页岩中的有机质类型为II1型, 形成和保存环境为稳定的还原环境, 具备生烃-排烃条件, 因此能够通过理论计算的方式恢复其原始有机碳含量。

通过理论计算的方式, 夏新宇等(1998)建立了不同类型烃源岩的恢复系数标准, 其中高成熟-过成熟的 II1型有机质的恢复系数为 1.72～1.85。取最低值1.72, 算得MXD1井样品的“原始有机碳”含量为0.17%～1.46%, 平均值为0.51%。

根据海相 II1型烃源岩总有机碳含量划分标准,TOC小于0.3%的为非烃源岩, 0.3%～0.5%的为差烃源岩, 0.5%～1%为中等烃源岩, 1.0%～1.8%为好烃源岩(佩波, 2002; 陈安定, 2005; 刘华等, 2006), 根据该标准, MXD1井的烃源岩总体上可达到中等烃源岩的水平。720 m以下的平均原始有机碳含量平均值可以达到0.54%, 为中等烃源岩; 在1050 m附近有少量好烃源岩; 720 m以上为差烃源岩。因此综合评价认为 MXD1井所在区域寿山沟组二段不同深度泥页岩样品有机质丰度为中等, 具备一定的油气勘探潜力。

5 结论

(1)本文通过正构烷烃、甾烷和萜烷参数对MXD1井沉积环境和有机质类型进行了定性判断。规则甾烷相对含量、碳优势指数(CPI)值、三环萜烷/17α-藿烷值特征表明, 该段的沉积环境为咸水、还原环境, 生源以水生藻类与浮游生物为主, 并有一定的陆源植物贡献, 印证了该段为海相沉积环境的判断。并且正构烷烃的峰型峰态、Pr/nC17值与Ph/nC18值相对关系和规则甾烷相对含量共同表明有机质类型主要为II型。

(2)芳烃中三甲基萘、菲、三芳甾特征和饱和烃中藿烷、甾烷、正构烷烃的分布特征和指标共同表明烃源岩成熟度高, 镜质体反射率Ro平均为2.93%,可以判断有机质成熟度为高成熟-过成熟, 有利于天然气的形成。

(3)样品残余有机碳含量为0.10%～0.85%, 经过原始有机碳恢复可以得到原始总有机碳含量为0.17%～1.46%, 表明 MXD1井寿山沟组二段的部分泥页岩层段可达到中等到较好烃源岩的水平。综合评价认为内蒙古西乌旗地区寿山沟组二段烃源岩具有中等的生烃潜力。

Acknowledgements:

This study was supported by China Geological Survey (No.DD20190099), and National Natural Science Foundation of China (No.41572098).