李海華，邱歧，張彥霞，呂劍虹

（中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所）

二連盆地石炭系—二疊系烴源巖有機地球化學特征及生烴潛力

李海華，邱歧，張彥霞，呂劍虹

（中國石化石油勘探開發(fā)研究院無錫石油地質(zhì)研究所）

二連盆地海相烴源巖主要為海槽沉積的石炭系—二疊系泥巖和碳酸鹽巖。根據(jù)盆地周緣69個露頭剖面樣品的殘余有機碳含量等地球化學實驗數(shù)據(jù)，分析了石炭系—二疊系海相烴源巖的有機質(zhì)豐度、類型、熱演化程度。針對地表烴源巖樣品具有高熱演化、低豐度的地球化學特征，在有機質(zhì)豐度的熱解損失和地表風化損失校正基礎上，采用TSM盆地模擬技術計算烴源巖生烴強度。綜合分析認為，二連盆地石炭系—二疊系海相烴源巖具有低—中等級別的生烴能力。

二連盆地；石炭系；二疊系；海相地層；烴源巖；有機碳含量；生烴潛力

李海華

李海華1974年生，高級工程師。主要從事石油地質(zhì)和勘探目標優(yōu)選研究。通訊地址：214151江蘇省無錫市惠錢路210號；電話：（0510）83212735

二連盆地的油氣藏主要分布于下石炭統(tǒng)阿爾善組以及騰格爾組一段和二段，其油氣主要來源于阿爾善組和騰格爾組一段含油層系。盆地勘探早期（20世紀80年代）也曾以尋找碳酸鹽巖潛山油藏為重點，部署過多口探井，但均未能取得突破。2007—2008年于二連盆地騰格爾坳陷賽漢塔拉凹陷鉆探的賽51井終于取得了石炭系碳酸鹽巖油藏的發(fā)現(xiàn)，并獲得高產(chǎn)油流，從而開辟了二連盆地古生界基底石炭系碳酸鹽巖找油新領域［1］。為了弄清二連盆地石炭系—二疊系海相地層的勘探前景，本文通過二連盆地周緣石炭系—二疊系所取92個露頭樣品的地球化學分析資料,對其烴源條件進行初步探討。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

二連盆地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中北部，東起大興安嶺，西至烏拉特中后旗；南從陰山北麓，北到中蒙國界，東西長約1000km，南北寬20～40km，面積約10×104km2。

二連盆地的基底屬海西褶皺帶，主要由古生界變質(zhì)巖系及巖漿巖組成。晚古生代，中亞—蒙古海經(jīng)過加里東運動雙邊俯沖后，西伯利亞板塊和中國板塊的活動性大陸邊緣逐漸靠近，海盆縮?。?］。二連地區(qū)的石炭系—二疊系海相、陸相和海陸交互相均很發(fā)育，整個石炭系為深海槽，以發(fā)育巨厚硅質(zhì)碎屑巖和碳酸鹽巖為主。早石炭世為大面積淺海相沉積，為一套陸源碎屑建造和碳酸鹽巖建造；晚石炭世早期為海相沉積，主要發(fā)育淺海相碳酸鹽巖沉積，晚石炭世晚期也主要為淺海相沉積，局部地區(qū)為海陸交替相和陸相沉積；二疊系分布較為廣泛，發(fā)育海相或海陸交替相碎屑巖—碳酸鹽巖建造。早—中二疊世以淺海相沉積為主；晚二疊世早期為陸相湖泊相沉積，晚二疊世隨著地殼抬升，海水自北向南退出，整個東北地區(qū)都是陸相沉積?？傮w上二連盆地具有從石炭紀到二疊紀由海相向陸相逐漸轉(zhuǎn)變的規(guī)律［3］。

2 烴源巖有機質(zhì)豐度

2.1 殘余有機碳含量

在二連盆地周緣露頭剖面所采92個石炭系—二疊系烴源巖樣品中選取了69個樣品作分析，其中碳酸鹽巖樣品23個，泥巖樣品46個。根據(jù)樣品的有機質(zhì)豐度分析結(jié)果，烴源巖中可溶有機質(zhì)含量很低(一般小于10×10-6)。23個碳酸鹽巖烴源巖樣品的殘余有機碳含量為0.01%～0.30%，平均值為0.06%。約73%樣品的殘余有機碳含量低于0.05%，殘余有機碳含量大于0.30%的樣品數(shù)約占4%（圖1a）；46個泥巖樣品的殘余有機碳含量在0.18%～2.01%之間，平均值為0.93%，殘余有機碳含量大于1.00%的樣品數(shù)約占49%（圖1b）。

圖1 二連地區(qū)露頭剖面石炭系—二疊系烴源巖殘余有機碳（TOC殘）頻數(shù)分布圖

從總體上看，碳酸鹽巖烴源巖的殘余有機碳含量相對較低，泥巖烴源巖的殘余有機碳含量較高。從層位上看,碳酸鹽巖烴源巖殘余有機碳含量相對較高的層位是下二疊統(tǒng)和中二疊統(tǒng)，其次是下石炭統(tǒng)和上石炭統(tǒng)；泥巖烴源巖殘余有機碳含量相對較高的層位是上二疊統(tǒng)、中二疊統(tǒng)及下石炭統(tǒng)，其次是下二疊統(tǒng)與上石炭統(tǒng)(圖2)。下二疊統(tǒng)碳酸鹽巖烴源巖的殘余有機碳含量在0.01%～0.22%之間，平均值為0.078%；中二疊統(tǒng)碳酸鹽巖烴源巖的殘余有機碳含量在0.02%～0.30%之間，平均值為0.08%（圖2a）。上二疊統(tǒng)泥巖烴源巖樣品中的殘余有機碳含量在0.72%～1.30%之間，平均值為1.01%；中二疊統(tǒng)泥巖烴源巖的殘余有機碳含量在0.55%～1.26%之間，平均值為0.91%，而下二疊統(tǒng)泥巖烴源巖的殘余有機碳含量在0.20%～1.01%之間,平均值為0.61%；上石炭統(tǒng)泥巖烴源巖的殘余有機碳含量在0.17%～0.64%之間,平均值為0.34%；下石炭統(tǒng)泥巖烴源巖的殘余有機碳含量在0.42%～1.46%之間，平均值為1.14%（圖2b）。

圖2 二連地區(qū)露頭剖面石炭系—二疊系烴源巖不同時代殘余有機碳（TOC殘）含量對比圖

從平面上看,位于二連盆地北緣露頭的碳酸鹽巖烴源巖的殘余有機碳含量相對較低,而南部露頭區(qū)的殘余有機碳含量相對較高；位于二連盆地南緣露頭的泥巖烴源巖的殘余有機碳含量相對較低,而北部露頭區(qū)的殘余有機碳含量相對較高。

2.2 原始有機碳含量恢復

二連盆地海相烴源巖由于熱演化程度高以及地表長期風化作用的影響，殘余有機碳含量難以反映出烴源巖的原始有機質(zhì)豐度。因此，需要對殘余有機碳含量進行恢復，其中包括對有機質(zhì)熱解作用損失量的恢復和有機質(zhì)地表風化作用損失量的恢復。

2.2.1 有機質(zhì)熱解作用損失量的恢復系數(shù)

烴源巖有機質(zhì)在隨著成熟度增加不斷裂解過程中，由于烴類產(chǎn)物的排出而使有機碳含量降低。有機質(zhì)熱解作用損失量的恢復，是根據(jù)干酪根降解成烴理論，建立有機質(zhì)豐度指標隨成熟度的變化關系,然后通過這種關系，根據(jù)碳酸鹽巖烴源巖目前的有機質(zhì)豐度、類型和成熟度反推某一階段的有機質(zhì)豐度。國內(nèi)許多學者在這方面做了大量研究工作［4－6］。根據(jù)干酪根成烴理論，有機質(zhì)的產(chǎn)烴率與其類型和成熟度有關。有機質(zhì)的類型越好，成熟度合適，其產(chǎn)烴率也就越高?？紤]到二連盆地周緣地區(qū)泥盆系、石炭系、二疊系和下三疊統(tǒng)烴源巖的有機質(zhì)類型和熱演化程度，故有機碳熱解損失量的恢復系數(shù)取為1.25～1.82之間。

2.2.2 有機質(zhì)地表風化作用損失量的校正系數(shù)

烴源巖被構(gòu)造作用抬升到地表以后經(jīng)受漫長時間的淡水淋濾、自然揮發(fā)、生物降解和氧化作用的影響，不同程度地降低了有機質(zhì)的含量和改變了有機質(zhì)的性質(zhì)。因此,采用地表樣品進行烴源巖地化評價時，必須要考慮風化作用的影響。

據(jù)譙漢生等［7］利用松遼盆地不同層位、不同相帶三口淺鉆井的取心資料，得到石灰?guī)r與泥巖烴源巖有機碳的風化恢復系數(shù)分別為1.63和1.3～1.61。地表烴源巖風化作用的影響因素較多,就烴源巖本身而言,其巖性越致密，抗風化能力就越強；而有機質(zhì)類型差和熱演化程度高，有機質(zhì)中的固定碳含量就越高，也相對更穩(wěn)定。

眾所周知，烴源巖的有機質(zhì)主要由干酪根組成，而干酪根是一種不溶性的相對穩(wěn)定的有機質(zhì)，尤其是進入高—過成熟階段，干酪根化學性質(zhì)更穩(wěn)定，不容易被風化。因此，考慮到二連盆地周緣地區(qū)烴源巖的有機質(zhì)類型和成熟度特征，綜合前人研究成果，認為研究區(qū)烴源巖地表樣品的風化校正系數(shù)在1.25～1.65之間較合理，對有機質(zhì)類型好和成熟度相對低者取其高值，相反則取其低值。

2.2.3 原始有機碳含量

根據(jù)以上有機質(zhì)熱解作用損失量的恢復系數(shù)和風化校正系數(shù)的綜合分析，結(jié)合松遼盆地周緣地區(qū)烴源巖的有機質(zhì)類型和成熟度特征，對各剖面不同層位烴源巖的原始有機碳含量進行恢復計算。通過恢復,原始有機碳含量是殘余有機碳含量的2～2.4倍,約50%的碳酸鹽巖樣品的原始有機碳含量在0.10%～0.30%之間，40%樣品的原始有機碳含量在0.30%～0.70%之間；泥巖烴源巖的原始有機碳含量達到0.50%～2.00%之間。

3 有機質(zhì)類型

二連盆地石炭系、二疊系烴源巖的有機物質(zhì)基本源于藻類等低等水生生物和菌類,陸源高等生物相對較少。由于烴源巖的有機質(zhì)豐度較低、熱演化程度較高，樣品中可分離的干酪根數(shù)量很少，給干酪根類型的鏡下鑒定以及干酪根的元素、同位素分析帶來了很大困難。根據(jù)部分樣品中干酪根的掃描電鏡觀察，石炭系和二疊系的樣品以團絮狀為主，屬于混合型干酪根。

通過二連盆地10個泥巖烴源巖和7個碳酸鹽巖烴源巖干酪根碳同位素分析，二疊系和石炭系的碳酸鹽巖、泥巖烴源巖干酪根的碳同位素都比較重(－24.9‰～－19.2‰之間)，主要為Ⅲ型干酪根，這可能與成熟度高和地表風化作用有一定關系；從研究區(qū)烴源巖的有機顯微組分看，石炭系—二疊系的泥巖和碳酸鹽巖有機顯微組分全為鏡質(zhì)組和少量惰質(zhì)組，也主要顯示Ⅲ型干酪根的特征，這種結(jié)果顯然是烴源巖受到很高的熱演化及變質(zhì)作用所致。另外，根據(jù)生物標志物Pr/nC17和Ph/nC18數(shù)據(jù)判斷，二連地區(qū)野外樣品有機質(zhì)類型主要為Ⅱ2型有機質(zhì)，少量Ⅱ1和Ⅲ型（圖3）；根據(jù)C27、C28、C29三種5α甾烷三角組成關系來判斷，二連地區(qū)野外樣品有機質(zhì)類型均較好，主要為Ⅱ1型有機質(zhì)（圖4）。

圖3 二連地區(qū)露頭剖面石炭系—二疊系烴源巖

圖4 二連地區(qū)露頭剖面石炭系—二疊系烴源巖

綜合以上分析并充分考慮高演化對烴源巖類型降級的影響因素，認為二連地區(qū)石炭系—二疊系烴源巖的有機質(zhì)類型主要為Ⅱ型，甚至有可能存在少量Ⅰ型干酪根，說明有機質(zhì)先體為混源型有機質(zhì)。

4 生物標志化合物

二連地區(qū)野外樣品的分析結(jié)果顯示，石炭系和二疊系樣品的正構(gòu)烷烴碳數(shù)分布樣式有單峰（主要）和雙峰兩種類型（圖5），主峰碳主要為nC18，個別為nC16（表1）。其中，雙峰型呈不對稱狀，前峰（nC18）遠大于后峰（nC22或nC23），二者最高峰值相差2～5倍。大部分樣品的正構(gòu)烷烴碳數(shù)分布形式均呈前峰型單峰分布，且野外樣品的（C21+C22）/（C28+C29）值普遍偏高，大部分樣品的值都大于1.50，最高達17.65（表1）。這些都說明其母質(zhì)來源比較單一，主要是低等水生生物和細菌的貢獻；其中部分樣品主峰碳為nC18，但從譜圖上看有輕微的雙峰型分布形式（圖5），這是因為藻類在高溫熱解階段可產(chǎn)生較大濃度的蠟質(zhì)烴，會導致其正構(gòu)烷烴呈雙峰型分布。

據(jù)表1數(shù)據(jù)分析，不管是石炭系還是二疊系，Pr/Ph值均遠小于1，最小值為0.291，最大值為0.736，下石炭統(tǒng)平均值為0.602，上石炭統(tǒng)平均值為0.522，下二疊統(tǒng)為0.470，中二疊統(tǒng)為0.550，上二疊統(tǒng)為0.600，都表現(xiàn)出了明顯的植烷優(yōu)勢，反映了有機質(zhì)沉積時沉積環(huán)境主要是強還原的偏堿性的咸水沉積環(huán)境，在這種沉積環(huán)境下有利于有機質(zhì)的保存。

表1 二連地區(qū)石炭系—二疊系野外樣品正構(gòu)烷烴及類異戊二烯烷烴參數(shù)

圖5 烴源巖可溶有機質(zhì)的正構(gòu)烷烴分布圖

一般認為C27甾烷生源主要為水生浮游生物，C28甾烷主要與硅藻類有關，C29甾烷的生源主要來源于高等植物。在所分析的石炭系—二疊系二連地區(qū)野外樣品中，普遍出現(xiàn)nC27甾烷優(yōu)勢，C28和C29甾烷含量相對很低，其順序是C27＞C29＞C28。而C27、C28、C2920R構(gòu)成以“L”型為主和少量“V”型為輔的特征，整體反映出有機質(zhì)生源為水生浮游生物為主、沉積水體較淺的沉積環(huán)境（表2），所以，甾烷的不同優(yōu)勢組合代表了不同的生物來源，也代表了不同的水深，如果是C27甾烷優(yōu)勢，就代表以水生浮游生物為母源的沉積環(huán)境。另外，樣品中普遍檢測到孕甾烷和升孕甾烷，但相對含量不是很高，反映了烴源巖的沉積環(huán)境以還原沉積環(huán)境為特征。

表2 二連地區(qū)石炭系—二疊系野外樣品甾烷參數(shù)表

從二連地區(qū)野外樣品中普遍檢測到三環(huán)萜烷的分布，每個樣品中都有一定含量的伽馬蠟烷，伽馬蠟烷/C30藿烷指數(shù)分布范圍在0.11～0.15之間，含量較低（表2），一般認為伽馬蠟烷通常是超鹽環(huán)境中細菌作用的產(chǎn)物，這些都表明沉積物主要形成于淡水—微咸水的沉積環(huán)境中。Tm/Ts和莫烷/藿烷參數(shù)指標同樣能夠指示沉積環(huán)境，Tm/Ts分布范圍為0.80～0.98，下石炭統(tǒng)平均為0.88，上石炭統(tǒng)平均為0.85，均小于1.00，莫烷/藿烷分布范圍為0.09～0.14，這些都說明沉積物主要形成于較還原的沉積環(huán)境。

從以上分析可知，二連地區(qū)石炭系—二疊系沉積環(huán)境主要為淺海相沉積環(huán)境，其母質(zhì)主要來源于低等水生生物和細菌的貢獻，沉積水體主要為較還原、水體鹽度較大的咸水沉積環(huán)境，這些條件對優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成非常有利。但烴源巖后期可能遭受生物降解作用，對烴源巖的質(zhì)量有所影響［8］。

5 有機質(zhì)成熟度

碳酸鹽巖烴源巖中缺乏陸相高等植物來源的鏡質(zhì)體，一般采用海相鏡質(zhì)體或原生瀝青來代替。海相鏡質(zhì)體主要由藻類、菌藻類等海洋低等水生生物經(jīng)過海洋腐植化作用而形成［9］。由于研究區(qū)碳酸鹽巖烴源巖的干酪根含量較低,鏡下測點較少，而且海相鏡質(zhì)體與原生瀝青顆粒不易區(qū)分開，因此暫時未對實測的反射率進行換算。

根據(jù)二連地區(qū)石炭系—二疊系野外樣品分析，石炭系泥巖烴源巖鏡質(zhì)體反射率（Ro）平均為2.02%,二疊系泥巖烴源巖Ro平均為2.12%,石炭系碳酸鹽巖烴源巖Ro平均為1.77%，二疊系碳酸鹽巖烴源巖Ro平均為1.76%；石炭系樣品中ααα-C29S/(S+R)參數(shù)分布于0.433～0.572之間，平均值為0.51,二疊系樣品中ααα-C29S/(S+R)參數(shù)分布于0.444～0.572之間，平均值為0.51,都基本上已達到平衡終點。從表1可以看出，OEP都遠遠小于1，這些都表明石炭系—二疊系烴源巖均已達到成熟—過成熟階段。

6 烴源巖生烴潛力分析

本文利用TSM盆地模擬技術對二連盆地賽漢塔拉凹陷的石炭系—二疊系烴源巖進行數(shù)值定量模擬，以揭示石炭系—二疊系烴源巖的埋藏史、熱史及生烴史的演化過程，動態(tài)反映地質(zhì)作用對石炭系—二疊系烴源巖生烴演化過程的控制，定量分析不同階段不同烴源巖的生烴強度和生烴量。

模擬計算結(jié)果表明，賽漢塔拉凹陷在石炭紀—二疊紀期間，石灰?guī)r階段生烴量為0.19×1012m3，平均生烴強度為0.85×108m3/km2；泥巖階段生烴量為0.17×1012m3，平均生烴強度為0.76×108m3/km2。侏羅紀期間，石灰?guī)r階段生烴量為0.032×1012m3，平均生烴強度為0.14×108m3/km2；泥巖階段生烴量為0.36× 1012m3，平均生烴強度為1.6×108m3/km2。早白堊世—晚白堊世期間，石炭系—二疊系石灰?guī)r階段生烴量為0.004×1012m3，平均生烴強度為0.02×108m3/km2；泥巖階段生烴量為0.021×1012m3，平均生烴強度為0.09×108m3/km2。

分析賽漢塔拉凹陷石炭系—二疊系石灰?guī)r的生烴貢獻，石炭紀—二疊紀晚期石灰?guī)r生烴量（0.19× 1012m3）占石灰?guī)r總生烴量的84.82%；侏羅紀期間石灰?guī)r生烴量（0.032×1012m3）占石灰?guī)r總生烴量的14.29%；白堊紀期間石灰?guī)r生烴量（0.004×1012m3）占總生烴量的1.79%。這些數(shù)據(jù)明顯表明，石炭系—二疊系石灰?guī)r在石炭紀—二疊紀末的時候已經(jīng)達到生烴高峰。賽漢塔拉凹陷石炭系—二疊系泥巖的生烴量統(tǒng)計表明，石炭紀—二疊紀沉積晚期生烴量（0.17×1012m3）占泥巖總生烴量的30.91%；侏羅紀期間泥巖生烴量（0.36×1012m3）占泥巖總生烴量的65.45%；晚白堊世末泥巖生烴量（0.021×1012m3）占泥巖總生烴量的3.82%。這些數(shù)據(jù)表明，泥巖烴源巖在侏羅紀生烴量最大。

二連盆地石炭系—二疊系烴源巖主要為混合型。通過有機質(zhì)熱解作用損失量恢復和風化作用校正后,二連盆地周緣地區(qū)碳酸鹽巖烴源巖的原始有機碳含量大多數(shù)在0.10%～0.70%之間。根據(jù)郝石生等［10］和程克明等［11］提出的有機質(zhì)豐度評價指標,烴源巖原始有機碳含量主要屬于差—較好的級別(表3)。泥巖烴源巖的原始有機碳含量在0.50%～2.00%之間,也屬于差—較好的烴源巖。從烴源巖的潛力指數(shù)來看,二連盆地海相烴源巖總的生烴強度比較低,期望值為34.6×104t/km2(相當于SPI為0.346)。

按照縱向排油系統(tǒng)和橫向排油系統(tǒng)的潛力指數(shù)評價標準,烴源巖的充載能力都屬于低等級別。綜合有機質(zhì)類型、有機質(zhì)豐度和源巖潛力指數(shù)評價結(jié)果,筆者認為就目前資料分析研究結(jié)果而言,二連盆地石炭系—二疊系的生烴能力屬于低—中等。但是值得注意的是,由于部分樣品可能來源于臺地相區(qū),而在二連盆地槽盆相區(qū)烴源巖往往比較發(fā)育,因此,實際生烴條件可能會相對較好。

表3 二連盆地海相烴源巖評價結(jié)果［10－11］

7 結(jié)論

（1）二連盆地周緣露頭剖面烴源巖熱演化程度達到高—過成熟階段,有機質(zhì)主要為混合型。碳酸鹽巖烴源巖的殘余有機碳含量較低,經(jīng)過熱演化作用和地表風化作用恢復后,原始有機碳含量一般在0.10%～0.70%之間，總體上屬于高演化低豐度的烴源巖。

（2）二連盆地海相烴源巖總的生烴強度比較低,期望值為34.6×104t/km2。綜合有機質(zhì)類型、有機質(zhì)豐度和源巖潛力指數(shù)評價結(jié)果,烴源巖的生烴能力屬于低—中等。

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編輯：趙國憲

Organic Geochemistry Characteristics and Hydrocarbon Generation Potential of Carboniferous-Permian Marine Source Rocks in Erlian Basin

Li Haihua,Qiu Qi,Zhang Yanxia,Lü Jianhong

The marine hydrocarbon source rocks in Erlian Basin are mainly composed of argillaceous rocks and carbonate rocks deposited in a trough environment.According to the data of experimental geochemistry such as residualTOC,carbon isotope of kerogen(δ13C)and GC-MS analysis of hydrocarbon in outcrop samples from basin margin,the abundance,types and thermal evolution extent of organic matter from Carboniferous-Permian marine source rocks are presented.The TSM basin modeling technology was applied to calculate hydrocarbon-generating intensity on the basis of thermolysis loss of organic matter abundance and correction of surface weathering loss, and combined with the geochemistry characteristics of hydrocarbon samples with high thermal evolution and low abundance.By the integrated analysis of geochemistry characteristics and hydrocarbon-generating intensity,it is included that Carboniferous-Permian source rocks in Erlian Basin have low-to medium-graded hydrocarbongenerating potential.

Carboniferous;Permian;Marine formation;Source rocks;Organic carbon content;Hydrocarbon generating potential;Erlian Basin

book=23,ebook=53

TE125.2

A

1672-9854(2010)-04-0023-07

2010-02-01；改回日期：2010-03-10

本文為中國石油化工股份有限公司北方海相前瞻項目（編號GBFKT-07-YJ-014）

Li Haihua：male,Senior Engineer.Add：Wuxi Institute of Petroleum Geology,SINOPEC Research Institute of Petroleum Exploration and Production,210 Huiqian Rd.,Wuxi,Jiangsu 214151 China