烃源岩生物标志化合物分布特征及其地质意义——以准噶尔盆地腹部地区中二叠统下乌尔禾组为例

李博偲，李美俊,，唐友军，师肖飞，陈璇玙，陈 林，何大祥

( 1. 长江大学 非常规油气省部共建协同创新中心，湖北 武汉 430100；2. 中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室，北京 100029；3. 中国石油胜利油田分公司 勘探开发研院，山东 东营 257000 )

0 引言

准噶尔盆地存在多套含油气系统，第四次资源评价结果显示，常规及非常规石油资源量为1.0×1010t，探明率为27%，剩余待探明石油资源量约为 5.5×109t，具有油气资源勘探潜力[1-2]。腹部地区相较于盆地西北缘和东部地区地质复杂，制约盆地整体油气勘探的进程[3-5]。中二叠统下乌尔禾组为腹部地区主要含油气层系，烃源岩地球化学特征表明，下乌尔禾组有机质类型为Ⅱ2—Ⅲ型[6-9]。关于有机质丰度及有机质成熟度认识方面存在差异，根据TOC质量分数、热解参数及氯仿沥青“A”质量分数，下乌尔禾组烃源岩有机质丰度较低，成熟度为高成熟—过成熟的演化阶段[6,8,10-11]；根据样品地球化学录井资料及饱和烃生物标志化合物特征，李艳平等[12]认为有机质丰度较高，热演化阶段为低成熟—高成熟。人们研究饱和烃生物标志化合物特征较多，有关利用芳烃特征参数评价成熟度在莫西庄和中Ⅱ区块的研究较少，也未对同一层位不同区块进行横向对比[13-15]。

笔者选取准噶尔盆地腹部地区莫西庄和中Ⅱ区块烃源岩样品，采用气相色谱—质谱分析技术，基于生物标志化合物图谱特征，研究中二叠统下乌尔禾组烃源岩生物标志化合物特征，探讨有机质来源与沉积环境的地质意义，分析不同研究区块有机质热演化程度，对比莫西庄和中Ⅱ区块烃源岩特征差异，为圈定盆地腹部工区有利油气勘探目标提供依据。

1 区域地质概况

准噶尔盆地处于塔里木古板块、哈萨克斯坦古板块、西伯利亚古板块的交汇地带，隶属于哈萨克斯坦古板块，作为相对独立的区域构造单元，其范围与周边隆起的山脉多以山前断裂带接触[16]。北缘与喀拉麦里断裂带相交，南部的伊林黑比尔根山大致与盆地的边缘线平行，西抵扎伊尔山，东缘延伸至克拉美丽山和青格里底山[17](见图1(a))。准噶尔盆地腹部地区包括中央坳陷、乌伦古坳陷和陆梁隆起等构造单元[18]，基于挤压环境下发育的断裂构造背景，作为准噶尔盆地的油气富集区，存在多个生烃凹陷，其中莫西庄区块主要位于盆1井西凹陷，紧邻夏盐凸起、石西凸起、莫索湾凸起等，整体形态为北高南低的单斜构造；中Ⅱ区块主要位于东道海子凹陷，断裂极不发育，大部分为平稳地层。二叠系烃源岩是准噶尔盆地腹部地区油气藏的主要贡献层位[6,9]，其中，中二叠统下乌尔禾组地层以灰色泥岩、灰色粉砂岩、灰色砂砾岩、紫色泥岩、棕红色泥岩，以及炭质页岩为主，并伴随煤层沉积[19]。在盆地内可以划分几个厚度较大的烃源岩中心，盆1井西凹陷和沙湾凹陷烃源岩的最大厚度为200～250 m，东道海子凹陷烃源岩厚度为150～250 m[6,9]。

2 样品与实验

样品采自莫西庄区块的沙15井和中Ⅱ区块的成6井，其中岩心有16件，岩屑有16件，深度为6 250.0 ～6 510.0 m(见图1(b-c))。将岩样碎至100～120目，用索氏抽提72 h获得氯仿沥青“A”，经过正己烷沉淀过滤，用充填固相层析柱(硅胶∶氧化铝=2∶3(体积比))进行族组分分离，分别依次加入正己烷、正己烷与二氯甲烷混合溶剂(正己烷∶二氯甲烷=7∶3(体积比))和二氯甲烷与甲醇混合溶剂(二氯甲烷∶甲醇=95∶5(体积比))，依次冲洗获得饱和烃、芳烃和非烃组分。

色谱—质谱实验采用安捷伦7890A-5973气相色谱—质谱联用仪，进样口温度设置为260 ℃，高纯氦载气流量为1.2 mL/min，利用美国J&W.HP-5(30 m×0.25 mm×0.25 μm)弹性石英毛细管柱，起始温度为80 ℃，以4 ℃/min升至290 ℃，恒温30 min，仪器离子源为EI源，温度为230 ℃，四极杆温度为150 ℃，电离能为70 eV，质谱与色谱接口温度为280 ℃，谱库为美国NIST02L。

热解实验采用中国石油勘探开发院生产的QCE-Ⅳ油气评价仪，称取100～120 mg 样品放入坩埚，仪器自动进样分析，快速加热至300 ℃，恒温3 min时测量游离烃S1，以50 ℃/min的升温速率升至600 ℃后，恒温l min时测量热解烃S2及最大热解峰温(tmax)，实验过程遵循GB/T 18602—2012《岩石热解分析》。

总有机碳分析采用美国LECO公司生产的CS230PCHC定碳定硫分析仪测定，称取100～120 mg 样品，加稀盐酸进行无机碳反应，去除无机碳进行总有机碳测试，实验过程遵循GB/T 19145—2022《沉积岩中总有机碳测定》。

图1 研究区区域构造位置及地层综合柱状图(据文献[6]修改)Fig.1 Comprehensive bar chart of stratum and regional structural location in the study area(modified by reference[6])

镜质体反射率实验分析采用Axio Scope Al数字显微煤岩分析系统，测试环境温度为23 ℃，相对湿度为50%，光线波长为546 nm。测试标准物质为钆镓石榴石，浸油中反射率为 1.72%，实验过程遵循SY/T 5154—2012《沉积岩中镜质体反射率测定方法》。

干酪根有机元素数据采用vario MICRO cube有机元素分析仪测定，将样品进行去无机碳处理，在粉末样品中加入5%的HCl多次搅拌，浸泡过夜除去无机碳酸盐；用中性去离子水清洗至中性(pH≈7)，烘干后分析测定有机元素含量，实验过程遵循GB/T 19143—2017《岩石有机质中碳、氢、氧、氮元素分析方法》。

3 烃源岩地球化学特征

3.1 有机质丰度

有机质是油气生成的物质基础，有机质丰度是评价烃源岩生烃潜力的基本指标。常用评价指标主要包括总有机碳质量分数(w(TOC))、氢指数(HI)及生烃潜量(S1+S2)[20-21]。莫西庄区块烃源岩w(TOC)介于0.46%～1.58%，平均为0.90%；S1+S2介于1.95～4.90 mg/g，平均为3.41 mg/g；HI为142～192 mg/g，平均为169 mg/g，样品属于中等烃源岩。中Ⅱ区块烃源岩w(TOC)为1.52%～2.80%，平均为2.01%；S1+S2介于4.99～7.30 mg/g，平均为6.15 mg/g；HI为142～251 mg/g，平均为175 mg/g，样品属于中等—好烃源岩。中Ⅱ区块w(TOC)和S1+S2优于莫西庄区块的(见图2、表1)。

图2 研究区中二叠统下乌尔禾组烃源岩S1+S2和w(TOC)关系Fig.2 Relationship between S1+S2 and w(TOC) of source rocks in Lower Wuerhe Formation of Middle Permian in the study area

表1 研究区中二叠统下乌尔禾组烃源岩地球化学数据

3.2 有机质类型

有机质类型决定烃源岩的生烃潜力及产物类型，是烃源岩评价的重要方面[22]。莫西庄与中Ⅱ区块下乌尔禾组烃源岩干酪根O/C与H/C(原子比)比较集中，O/C介于0.06～0.16，H/C介于0.94～1.25，有机质类型偏向Ⅱ型。最大热解峰温tmax与HI关系指示样品有机质类型为Ⅱ1和Ⅱ2型(见图3)。

3.3 有机质成熟度

有机质成熟度是有机质的热演化程度，只有在成熟度达到生烃门限时，才能生成较多烃类物质[23-24]。镜质体反射率(Ro)是判断有机质成熟度的最直观指标[24]。莫西庄区块下乌尔禾组烃源岩样品Ro为1.27%～1.39%，平均为1.32%；中Ⅱ区块下乌尔禾组烃源岩样品Ro为1.31%～1.47%，平均为1.37%。研究区样品表现成熟—高成熟的特征，中Ⅱ区块有机质成熟度整体高于莫西庄区块的。

4 生物标志化合物

生物标志化合物的分布和组成特征可以反映烃源岩的沉积环境、母质来源及成熟度等信息[25]。考虑岩心样品比岩屑样品能更好地保留原始地球化学信息，主要基于岩心样品中链烷烃、萜烷类、甾烷类、菲系列、三芴系列、三芳甾烷系列等生物标志化合物的分布与组成特征，探讨准噶尔盆地腹部地区莫西庄和中Ⅱ区块烃源岩的母质来源、沉积环境和有机质成熟度。

4.1 饱和烃系列

4.1.1 链烷烃系列

链烷烃系列包括正构烷烃系列和类异戊二烯烷烃，能有效反映地质信息[26]。莫西庄区块烃源岩正构烷烃优势碳数分布在nC16～nC20之间，呈前高后低双峰型(见图4(a-d))，轻烃与重烃比(∑nC21-/∑nC22+)介于1.32～1.42，平均为1.37，奇偶优势(OEP)和碳优势(CPI)指数低于1.15；中Ⅱ区块烃源岩正构烷烃优势碳数分布在nC25～nC29之间，呈前低后高双峰型(见图4(e-h))，∑nC21-/∑nC22+较低，低于1，OEP和CPI接近1，没有明显的奇偶碳优势分布。

图3 研究区中二叠统下乌尔禾组烃源岩有机质类型评价Fig.3 Evaluation of organic matter types in Lower Wuerhe Formation source rocks of Middle Permian in the study area

图4 研究区中二叠统下乌尔禾组烃源岩样品正构烷烃气相色谱特征(m/z=85)Fig.4 Gas chromatogram of n-alkanes in source rocks of Lower Wuerhe Formation of Middle Permian in the study area(m/z=85)

莫西庄区块烃源岩姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)较为丰富，Pr/Ph高于1.4，姥鲛烷具有明显优势，Pr/nC17与Ph/nC18分别介于0.38～0.41、0.14～0.19；中Ⅱ区块烃源岩Pr/Ph相对较低，集中在1.0附近，Pr/nC17与Ph/nC18分别介于0.31～0.37、0.28～0.39(见表2)。

表2 研究区中二叠统下乌尔禾组烃源岩饱和烃特征参数

4.1.2 萜烷系列

研究区样品检测到较为丰富的三环萜烷系列化合物，莫西庄区块烃源岩样品C19～C23三环萜烷分布以C23TT为主峰，质量分数介于35%～40%(见图5(a-d))，C19+20TT和C23TT质量分数分别介于25%～30%及30%～38%；中Ⅱ区块烃源岩样品C19～C23三环萜烷分布以C21TT为主峰，质量分数超过35%，C19+20TT和C23TT质量分数分别介于35%～40%及20%～30%(见图5(e-h))。

图5 研究区中二叠统下乌尔禾组烃源岩萜烷质量色谱特征(m/z=191)Fig.5 Terpane mass chromatogram in Lower Wuerhe Formation of Middle Permian in the study area(m/z=191)

4.1.3 甾烷系列

研究区莫西庄和中Ⅱ区块烃源岩样品检测到C27～C29规则甾烷，莫西庄区块烃源岩样品甾类化合物呈“V”型分布(见图6(a-d))，C27/C29介于0.73～0.79，平均为0.77，表现为C27≈C29>C28；中Ⅱ区块烃源岩样品C27、C28和C29规则甾烷大致呈上升型或反“L”型分布(见图6(e-h))，以C29规则甾烷为主，C27/C29低于0.50，表现为C29>C27>C28。

图6 研究区中二叠统下乌尔禾组烃源岩甾烷质量色谱特征(m/z=217)Fig.6 Chromatogram of sterane quality of source rocks in Lower Wuerhe Formation of Middle Permian in the study area(m/z=217)

4.2 芳烃系列

4.2.1 菲系列

在各种沉积环境、母质来源与不同的成熟度烃源岩中检测到烷基菲及其同系物[27]。甲基菲常见1-甲基菲(1-MP)、2-甲基菲(2-MP)、3-甲基菲(3-MP)和9-甲基菲(9-MP)4种异构体。随成熟度的增加，9-MP和1-MP转化为3-MP和2-MP。莫西庄和中Ⅱ区块烃源岩样品甲基菲系列化合物展布为2-MP>3-MP>9-MP>1-MP(见图7)。

研究区中二叠统下乌尔禾组烃源岩芳烃系列化合物参数见表3。由表3可知，莫西庄区块烃源岩样品MPI-1和MPI-2分别为0.57～0.67、0.44～0.55；中Ⅱ区块烃源岩样品MPI-1和MPI-2相对较高，分别为1.29～1.36、1.24～1.29。

图7 研究区中二叠统下乌尔禾组烃源岩甲基菲系列化合物质量色谱特征(m/z=192)Fig.7 Chromatographic characteristics of methyl phenanthrene series compounds in the source rocks of Lower Wuerhe Formation of Middle Permian in the study area(m/z=192)

表3 研究区中二叠统下乌尔禾组烃源岩芳烃系列化合物参数

4.2.2 三芴系列

常用三芴系列化合物的组成特征表征烃源岩沉积环境。高丰度的二苯并呋喃富集于沼泽相原油和煤成油；高丰度的二苯并噻吩指示海相碳酸盐岩或水体出现明显咸化条件下的烃源岩；淡水或微咸水体中常具有较高丰度的芴[28-29]。样品中有一定丰度的三芴化合物，莫西庄区块烃源岩样品芴的质量分数在45%～55%之间，二苯并呋喃的质量分数介于25%～35%，二苯并噻吩质量分数较低，低于20%；中Ⅱ区块烃源岩样品三芴系列化合物主要以芴为主，芴的质量分数为55%～60%，二苯并呋喃质量分数介于25%～30%，二苯并噻吩质量分数为15%。

4.2.3 三芳甾烷系列

三芳甾烷由成熟的单芳甾烷芳构化作用产生，常用于区分不同来源的有机物[30]。莫西庄区块烃源岩样品展布为C2620R+C2720S丰度最高，C2820S、C2820R及C2720R丰度几乎均衡，C2620S丰度最低。中Ⅱ区块烃源岩样品展布为C2620R+C2720S>C2820S>C2820R>C2720R>C2620S，明显与莫西庄区块的展布不同(见图8)，说明母质来源的变化可以与饱和烃的特征相互印证。

图8 研究区中二叠统下乌尔禾组烃源岩三芳甾系列化合物质量色谱特征(m/z=213)Fig.8 Chromatographic characteristics of triaromatic steroids compounds in the source rocks of Lower Wuerhe Formation of Middle Permian in the study area(m/z=213)

5 地质意义

5.1 母质来源

正构烷烃系列化合物的碳数分布作为重要的地球化学指标，反映母质生物类群的差异。正构烷烃优势碳数分布在nC15～nC21之间，反映母源岩来源于低等浮游生物及藻类；对于来源于高等植物的有机质，正构烷烃优势碳峰主要集中在nC24～nC35之间[31]。莫西庄区块烃源岩样品正构烷烃优势碳数分布在nC16～nC20之间，主要以低等浮游生物及藻类输入为主；中Ⅱ区块烃源岩样品正构烷烃优势碳数分布在nC25～nC29之间，有机质主要来源于陆源高等植物，低等水生生物贡献相对较少。

甾烷系列化合物中C27、C28、C29规则甾烷的相对丰度指示烃源岩有机质的母源输入，C27规则甾烷来源于低等水生生物和藻类，C29甾烷来源于藻类和陆源高等植物[20]。莫西庄区块烃源岩样品规则甾烷化合物呈“V”型分布，结合C27/C29指标参数，指示母质组成具有陆源高等植物和藻类双重输入特征，主要以低等浮游生物及藻类输入为主；中Ⅱ区块烃源岩C27、C28和C29规则甾烷大致呈上升型分布，以C29规则甾烷为主，C27/C29较低，指示母质来源主要以陆源高等植物为主，低等水生生物贡献相对较少。

5.2 热演化

甾烷成熟度参数C29-20S/(20S+20R)和C29-αββ/(ααα+βββ)是烃源岩热演化研究常用的成熟度指标[31]。莫西庄区块烃源岩样品C29-20S/(20S+20R)介于0.45～0.50，平均为0.47，C29-αββ/(ααα+βββ)介于0.45～0.50，平均为0.48(见图9(a)、表2)；中Ⅱ区块烃源岩样品C29-20S/(20S+20R)介于0.52～0.54，平均为0.53，C29-αββ/(ααα+βββ)介于0.53～0.57，平均为0.55，相比莫西庄区块样品更接近热演化平衡值。

甲基菲指数是广泛使用的芳香烃成熟度参数[27]。莫西庄区块烃源岩样品MPI-1和MPI-2平均分别为0.61和0.50，中Ⅱ区块烃源岩样品MPI-1和MPI-2相对较高，平均分别为1.32和1.27。甲基菲比值F1和F2也可较好地指示烃源岩热演化程度[23]，莫西庄区块烃源岩样品F1、F2平均分别为0.35和0.51，中Ⅱ区块烃源岩样品F1与F2平均分别为0.37和0.61，指示莫西庄和中Ⅱ区块烃源岩存在较明显的成熟度差异，中Ⅱ区块高于莫西庄区块的(见图9(b)、表3)。

图9 研究区中二叠统下乌尔禾组烃源岩成熟度评价Fig.9 Maturity parameter evaluation of source rocks in Lower Wuerhe Formation of Middle Permian in the study area

4-甲基二苯并噻吩/1-甲基二苯并噻吩可以用来指示热演化程度，随成熟度的增高，其值逐渐增大，展布受沉积环境、母质输入及有机质类型等因素的影响，在一定程度上影响参数的有效性。选用甲基二苯并噻吩分布指数(MDBI)作为成熟度评价参数。莫西庄区块烃源岩样品MDBI平均为0.36；中Ⅱ区块烃源岩样品MDBI平均为0.44，指示中Ⅱ区块样品热演化程度略高于莫西庄区块的(见表3)。

三芳甾烷与经典甾烷成熟度参数表现很好的一致性，随成熟度的增加，三芳甾烷成熟度参数相应升高[23]。莫西庄区块烃源岩样品C28-TAS20S/(20S+20R)平均为0.52；中Ⅱ区块烃源岩样品C28-TAS20S/(20S+20R)平均为0.62，证实中Ⅱ区块样品成熟度略高于莫西庄区块的。

根据Ro、饱和烃生物标志化合物中的OEP和CPI指数、甾类化合物成熟度参数C29-20S/(20S+20R)和C29-αββ/(ααα+βββ)，准噶尔盆地腹部地区烃源岩达到成熟的演化阶段。结合芳烃生物标志化合物中甲基菲指数、甲基菲比值、甲基二苯并噻吩分布指数及三芳甾烷成熟度参数，中Ⅱ区块烃源岩热演化程度高于莫西庄区块的，达到高成熟阶段。原因是莫西庄区块所处盆1井西凹陷经历车莫古隆起调整后，受南倾北抬格局影响及侏罗系、白垩系等多期改造，使中二叠统下乌尔禾组烃源岩部分出露地表，热演化过程遭受破坏；中Ⅱ区块所处东道海子凹陷大部分为平稳地层，经历的后期改造条件相对较弱，对热演化过程影响较小[32-33]。

5.3 沉积环境

常用Pr/Ph表征有机质沉积环境水体的氧化还原性，在还原的水体环境中，表现为明显的植烷优势，在氧化的水体环境中，姥鲛烷占据明显优势[25]。莫西庄区块烃源岩样品Pr/Ph介于1.47～1.69，中Ⅱ区块烃源岩样品Pr/Ph介于0.83～0.95，指示下乌尔禾组烃源岩形成于缺氧—贫氧的沉积水体环境。

三环萜烷系列化合物的相对丰度及参数在判识沉积环境方面具有很好的指向性，海相与咸水湖相的样品具有C23TT优势，淡水湖相烃源岩主要以 C21TT为主，沼泽相烃源岩具有明显的C19+20TT优势，河流/三角洲相样品主要分布于过渡带[34]。莫西庄区块烃源岩具有明显的C23TT优势，中Ⅱ区块烃源岩除具有C21TT优势外，C23TT丰度也比较高(见图10(a))，二者沉积环境存在差异，莫西庄区块烃源岩较中Ⅱ区块的水体沉积环境盐度高。

二苯并噻吩(DBT)和菲(Phen)是沉积有机质的成岩演化产物，二者相对丰度主要受沉积环境控制[35]。莫西庄与中Ⅱ区块烃源岩样品的DBT/Phen在0.02～0.03之间(见图10(c))，指示烃源岩有机质沉积环境主要为盐度较低的淡水湖相，证实利用Pr/Ph、三芴相对丰度判别准噶尔盆地腹部地区中二叠统下乌尔禾组烃源岩沉积环境的有效性。

图10 研究区中二叠统下乌尔禾组烃源岩沉积环境评价Fig.10 Evaluation of sedimentary environment parameters of source rocks in Lower Wuerhe Formation of Middle Permian in the study area

5.4 烃源岩生物标志化合物参数

建立区分准噶尔盆地莫西庄和中Ⅱ区块中二叠统下乌尔禾组烃源岩的典型生物标志化合物的组合参数。莫西庄区块烃源岩具有高Pr/Ph、高∑nC21-/∑nC22+、中等C27/C29、低MPI-1、低MPI-2、C23TT占优势的特征；中Ⅱ区块烃源岩具有低Pr/Ph、低∑nC21-/∑nC22+、低C27/C29、高MPI-1、高MPI-2、C21TT占优势的特征(见图11)。生物标志化合物参数的差异反映不同区块烃源岩的母源来源、热演化程度及沉积环境的差异，为准噶尔盆地腹部地区二叠系烃源岩评价及后期的油源对比提供参考。

图11 研究区中二叠统下乌尔禾组烃源岩生物标志化合物参数组合Fig.11 Comparison of biomarker parameter combinations in source rocks in Lower Wuerhe Formation of Middle Permian in the study area

6 结论

(1)准噶尔盆地腹部地区中二叠统下乌尔禾组烃源岩属于中等—好烃源岩；有机质类型以Ⅱ型为主，达到成熟生油气阶段，具有良好的生烃潜力。

(2)研究区中二叠统下乌尔禾组烃源岩具有两种不同的生物标志化合物组合模式，莫西庄区块烃源岩为Pr/Ph和∑nC21-/∑nC22+分布高，C27/C29分布中等、MPI-1和MPI-2分布低及C23TT占优势；中Ⅱ区块烃源岩为Pr/Ph、∑nC21-/∑nC22+和C27/C29分布低、MPI-1和MPI-2分布高及C21TT占优势。生物标志化合物参数的差异反映不同区块烃源岩的母源来源、热演化程度及沉积环境的差异。

(3)研究区中二叠统下乌尔禾组烃源岩具有非均质性发育特点，中Ⅱ区块烃源岩丰度及成熟度更高，并且处于平稳地层，经历的后期改造条件相对较弱，应加强对中Ⅱ区块下乌尔禾组烃源岩的勘探力度。