鄂尔多斯盆地杭锦旗地区山西组-太原组烃源岩地球化学特征对比研究及意义

张迈，宋到福，王铁冠，何发岐，张威，唐友军，蒋兴超，何秀娟

1.中国石油大学(北京)油气资源与工程全国重点实验室，北京 102249

2.中国石化华北油气分公司，河南 郑州 450000

3.长江大学资源与环境学院，湖北 武汉 430100

杭锦旗地区是鄂尔多斯盆地北部油气勘探开发的重点区块之一，截至2021年底该地区天然气探明储量已接近2 000亿方，勘探潜力巨大［1］。近年来勘探结果表明，杭锦旗地区上古生界油气主要来源于晚石炭系太原组和二叠系山西组的煤系烃源岩，前人也针对这两套烃源岩的沉积环境、平面展布特征以及生烃潜力等方面开展了大量研究并取得了一定的认识［2-6］。然而，目前对于上古生界煤系烃源岩分子地球化学方面的研究较薄弱，不同层位烃源岩之间的地球化学特征差异也缺乏对比性分析，导致山西组和太原组的烃源岩未能较好地区分开来，从而使得研究区油气来源方面的认识较为笼统，在一定程度上制约了后续的勘探工作。

笔者在前人研究的基础上，对杭锦旗地区上古生界烃源岩的地球化学特征进行剖析，对不同层位烃源岩的基本特征及生物标志化合物组成特征进行对比研究，分析其在沉积环境、有机质来源等方面的差异，并建立有效的有机地化判识指标，以期为该区后续的油源对比及油气勘探提供地球化学依据。

1 区域地质概况

杭锦旗地区位于鄂尔多斯盆地北缘，横跨伊盟隆起、伊陕斜坡和天环坳陷3个构造单元，以杭锦旗为中心，纵横跨达拉特旗、东胜、伊金霍洛旗和鄂托克旗等城市，总勘探面积约8 940 km2［7］。构造上，研究区整体为“东高西低、北高南低”的大型单斜，区内主要发育有泊尔江海子、乌兰吉林庙和三眼井3条断裂，其中以泊尔江海子断裂为界，研究区可以划分为南、北两部分［3,6,8］(见图1)。

图1 杭锦旗地区地理位置及地层分布(据文献[10])

研究区主要经历了5期构造运动：加里东构造运动、海西构造运动、印支构造运动、燕山构造运动和喜马拉雅构造运动。在加里东构造运动晚期，研究区经历了普遍的抬升和剥蚀，造成泥盆系和下石炭统的缺失。因此，研究区自下而上先后发育了上石炭统(C)、二叠系(P)、三叠系(T)、侏罗系(J)、白垩系(K)、古近系(E)、新近系(N)以及第四系(Q)，其中石炭系太原组和二叠系山西组发育的煤系烃源岩是研究区主要的油气来源［9-11］。前人研究认为，研究区南部斜坡区为烃源岩主要发育区域，而受古地貌影响，研究区北部烃源岩分布较为局限，故研究区烃源岩整体呈“南厚北薄”的展布特征。二叠系下石盒子组发育的砂岩层为研究区油气成藏提供了良好的储集条件，而其上覆地层上石盒子组广泛发育的大套泥岩则形成了较好的盖层［12］(见图1)。

2 样品采集与实验分析

本次研究在杭锦旗地区南部采集烃源岩样品25件用于进行分析比对，其中山西组烃源岩样品19件，太原组烃源岩样品6件，采集点井位分布如图1所示。各项分析实验均在中国石油大学(北京)油气资源与工程全国重点实验室内完成，涉及的实验方法及设备条件如下：

1)总有机碳测定。将烃源岩样品粉碎至粉末状(80目筛子过筛)，称取100 mg左右样品放入坩埚，加入适量稀盐酸反应至无气泡，随后蒸馏水淋滤2～3 d直至冲洗干净。将坩埚置于恒温干燥箱中烘干后放入仪器中进行总有机碳的测定，分析仪器为美国LECO公司CS230碳硫测定仪。

2)岩石热解分析。将仪器空样运行3次后用标样进行校正，随后用坩埚称取适量粉末状样品(80～100 mg)置于仪器中，初始温度300 ℃，程序升温速率50 ℃/min，获取烃源岩各项热解参数。本次分析所选仪器为OGE-Ⅱ岩石热解分析仪。

3)可溶有机质抽提与分离。取适量粉末状样品装入经抽提过的滤纸筒中包好并装入索氏抽提器中，在底部烧瓶中装入1/3容量的二氯甲烷，水浴恒温连续抽提24 h后用旋转蒸发器浓缩抽提液并置于三角瓶中，加入正己烷溶剂将沥青质沉淀并去除。随后，将可溶物移液至层析柱(氧化铝硅胶质量比2∶3)中，依次加入石油醚、二氯甲烷+石油醚(体积比2∶1)和甲醇+二氯甲烷(体积比1∶9)，将饱和烃、芳烃和非烃组分分离出来。

4)GC-MS分析。实验所用仪器型号为Agilent 6890-5975I，毛细管色谱柱为HP-5MS，载气为氦气，离子源温度230 ℃，四极杆温度150 ℃，电子能量70 eV。饱和烃升温程序为初温100 ℃，恒温1 min，以4 ℃/min的升温速率升至300 ℃，恒定15～20 min；芳烃升温程序为初温80 ℃，恒温1 min，以3 ℃/min的升温速率升至300 ℃，恒定15～20 min。

5)干酪根碳同位素分析。将干酪根样品用4 mm×6 mm锡杯包装好后放入自动进样器中，随后送入氧化炉中充分燃烧生成CO2气体，随载气一同进入仪器进行碳同位素组成测定。所用仪器为MAT 253稳定同位素质谱仪，载气为氦气。

3 结果与讨论

3.1 烃源岩基础地球化学特征对比

有机质丰度是衡量烃源岩生烃物质基础的重要参数，常用的指标包括总有机碳含量(TOC，%)、可溶烃质量分数(S1，mg/g)以及热解生烃潜量(S1+S2，mg/g)等。岩石热解分析结果显示，山西组和太原组煤的TOC均高于40%，炭质泥岩TOC均高于20%，说明这两套烃源岩有机质含量均较高。PETERS和CASSA［13］根据有机质热解烃质量分数S2与TOC的相关关系将烃源岩划分为极好、很好、好、差和非烃源岩五大类。由图2可知，所有烃源岩均属于很好-极好烃源岩，具有较好的生烃潜力。通过进一步将两个层位烃源岩的S1和S1+S2两个参数进行对比分析发现，山西组烃源岩S1均高于2 mg/g，S1+S2大部分高于100 mg/g(占比84.21%)，而太原组烃源岩S1主要分布于0.5～2 mg/g和2～20 mg/g两个区间，S1+S2主要分布在6～20 mg/g和20～100 mg/g两个区间。由此可见，整体上山西组烃源岩的生烃能力比太原组烃源岩强(见图3)。

图2 杭锦旗地区烃源岩S2-TOC交会图

图3 杭锦旗地区烃源岩S1、S1+S2分布直方图

烃源岩有机质类型是影响烃源岩生烃类型的重要因素，通常根据有机质来源将烃源岩有机质类型划分为三类：Ⅰ型(腐泥型，来源为藻类)、Ⅱ型(过渡型，来源为藻类或陆源孢粉、树脂)和Ⅲ型(腐殖型，来源为木质纤维或腐殖质)。常用的烃源岩有机质类型划分方法为经典的范氏图解法，但该方法存在分析周期较长且需要的样品量较大等问题，故逐渐被更为简便的S2-TOC相关图法替代［14-15］。S2-TOC相关图法的主要依据是氢指数IH(IH=S2/TOC×100)，LANGFORD等［16］将IH=700 mg/g和IH=200 mg/g分别作为Ⅰ型、Ⅱ型和Ⅲ型的分界线，根据其划分方案对研究区烃源岩分析发现，山西组和太原组烃源岩均以Ⅲ型有机质为主(见图2)。除岩石热解数据外，烃源岩有机质抽提物族组成特征也可用于划分烃源岩有机质类型。根据烃源岩族组分分离实验结果，研究区烃源岩中饱和烃和芳烃的质量分数明显较低，而非烃+沥青质的含量则普遍较高，除个别样品外，均高于70%，反映其有机质类型以Ⅲ型为主(见图4)。此外，山西组和太原组烃源岩干酪根δ13C值分布范围为-24.5‰～-22.1‰，符合Ⅲ型有机质δ13C值分布特征(>-26‰)，进一步论证了前文观点(见表1)。

表1 杭锦旗地区烃源岩基础地球化学特征参数统计表

图4 杭锦旗地区烃源岩可溶有机质组分三角图

Tmax是衡量烃源岩成熟度常用的化学指标。邬立言等［17］通过统计归纳我国多个盆地的实例数据，建立了不同类型烃源岩Tmax与镜质体反射率(Ro)的对应关系表(见表2)。对于Ⅲ型有机质的烃源岩而言，当Tmax低于432 ℃时，烃源岩处于未熟阶段；当Tmax介于432～460 ℃和445～470 ℃时，烃源岩处于成熟-高成熟演化阶段，产物分别为油和凝析油；当Tmax介于460～505 ℃时，烃源岩处于高成熟演化阶段，该阶段产物以湿气为主；当Tmax高于505 ℃时，烃源岩处于过成熟演化阶段，该阶段的产物为干气。根据对杭锦旗地区上古生界烃源岩Tmax的测定分析结果可知，山西组和太原组烃源岩Tmax在454～478 ℃之间，均处于成熟、高成熟演化阶段，主要产生凝析油和湿气。其中，太原组烃源岩Tmax大部分高于470 ℃，而山西组烃源岩Tmax则主要在460～470 ℃范围内，说明太原组烃源岩成熟度整体上高于山西组烃源岩(见表2)。

表2 不同类型烃源岩Tmax与Ro对应关系表(据文献[17]，有修改)

3.2 生物标志化合物特征对比

3.2.1 正构烷烃与类异戊二烯烃

GC-MS分析结果表明，所有烃源岩样品正构烷烃基线均较为平直，奇碳数与偶碳数相对丰度较接近，碳优势指数(CPI)和奇偶优势指数(OEP)均接近1，表明烃源岩均已达到成熟演化阶段［18-19］(见表3)。然而，不同层位烃源岩的正构烷烃分布特征之间仍存在差异。山西组烃源岩正构烷烃呈现出较为明显的单峰态后峰型分布特征(主峰碳在nC23左右)，说明有机质来源中高等陆生植物做的贡献相对较高；太原组烃源岩正构烷烃则多呈双峰态分布特征(主峰碳多为nC18和nC22)，说明其有机质来源中除高等陆生植物输入外，低等水生生物也有一定的贡献(见图5)。

图6 山西组、太原组Pr/nC17-Ph/nC18交会图

表3 山西组、太原组烃源岩生物标志化合物参数统计表

图5 山西组、太原组烃源岩m/z 85质量色谱图

姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)均来自于植醇，其比值(Pr/Ph)能反映烃源岩形成环境的氧化还原性。通常Pr/Ph<1.0反映还原性沉积环境，而Pr/Ph>3.0则多出现于氧化环境中［20］。本次研究所分析的烃源岩样品中，山西组烃源岩均呈现出较为明显的姥鲛烷优势(Pr/Ph为0.73～1.73，大部分高于1.0)，说明其可能形成于偏氧化的环境；太原组烃源岩中植烷丰度则普遍较姥鲛烷高(Pr/Ph为0.29～0.48)，说明其沉积环境相对偏还原(见图5，表3)。此外，沉积环境的氧化还原性也可以通过Pr/nC17与Ph/nC18的相关关系来表征［21-22］。通过将两个层位烃源岩的Pr/nC17与Ph/nC18进行交会分析发现，山西组烃源岩样品点主要分布于偏氧化-氧化环境区间，而太原组烃源岩样品点则主要落在偏还原-还原环境区间，这与前文所分析结论相符(见图6)。

3.2.2 三环萜烷、四环萜烷与藿烷系列

三环萜烷与四环萜烷是重要的生物标志化合物，它们在不同性质的烃源岩中的组成特征存在明显差异。三环萜烷系列通常被认为可能来源于原核生物细胞膜，但高丰度的三环萜烷分布特征也可能与一些海相藻类(如Tasmania藻)的贡献有关［23-24］。低碳数的三环萜烷系列化合物(如C19TT和C20TT)可能来源于二萜类先质，通常代表着高等陆生植物的输入，而以低等水生生物输入为主的淡水湖相烃源岩中则常以C21三环萜烷(C21TT)为主，因此常用(C19TT+C20TT)/C21TT来反映不同有机质的输入［25-26］。山西组烃源岩三环萜烷系列化合物整体相对含量较高，且C19TT和C20TT相对于C21TT的丰度较高，(C19TT+C20TT)/C21TT为1.95～3.89，说明其母质主要来源于高等陆生植物；太原组烃源岩三环萜烷系列化合物整体相对含量较低，且C19TT和C20TT相对于C21TT的丰度也较低，(C19TT+C20TT)/C21TT为0.82～2.55，反映其母质除了高等陆生植物的贡献外还有低等水生生物的贡献(见图7、图8，表3)。

图8 山西组、太原组(C19TT+C20TT)/C21TT-C24TeT /C26TT交会图

图7 山西组、太原组烃源岩m/z 191质量色谱图

四环萜烷一般与陆源有机输入有关，通常将C24四环萜烷(C24TeT)与C26三环萜烷(C26TT)的相对含量关系作为判识有机质来源的指标［27-28］。山西组烃源岩中C24TeT相对含量普遍较C26TT高(C24TeT/C26TT为0.57～2.66，大部分高于1.00)，反映高等陆生植物对其母质来源的贡献较大；太原组烃源岩中C24TeT含量相对C26TT而言则较为适中(C24TeT/C26TT为0.53～1.10)，说明其母质来源中也有着较多的低等水生生物输入(见图8，表3)。

藿烷系列化合物主要来源于原核生物或细菌，在原油和烃源岩中普遍存在［29-30］。山西组和太原组烃源岩中藿烷系列化合物分布较完整，规则藿烷中C30藿烷(C30H)占优势，C31以上化合物丰度较低，且随碳数增高呈递减型分布，呈现出典型湖相烃源岩的分布特征。此外，所有样品中均检测到一定含量的伽马蜡烷，但其相对含量较低(Ga/C30H主要分布于0.12～0.30)，说明其可能沉积于淡水环境［31］(见图7，表3)。

3.2.3 甾烷系列

山西组和太原组烃源岩的甾烷系列分布较完整，其中C27～C29规则甾烷(C27R、C28R、C29R)是该系列的主要组成部分，其次为重排甾烷。通常C27甾烷优势指示有机质以低等水生生物输入为主，而C29甾烷优势则指示有机质以高等陆生植物输入为主［32-33］。山西组C27、C28、C29规则甾烷相对含量分别为18.07%～27.30%、27.26%～36.36%和37.49%～49.46%；太原组C27、C28、C29规则甾烷相对含量则分别为20.73%～28.71%、33.47%～40.14%和37.67%～40.79%(见表3)。从分布特征上看，山西组、太原组烃源岩C27、C28、C29规则甾烷均呈不对称“V”型分布，反映有机质来源中既有高等陆生植物的输入也有低等水生生物的输入。但山西组烃源岩中C29规则甾烷相对含量均高于C27规则甾烷(C27R/C29R为0.58～0.94)，说明其有机质来源中高等陆生植物输入占比更高；而太原组烃源岩中C27规则甾烷相对含量则与C29规则甾烷相近，甚至高于C29规则甾烷(C27R/C29R为0.89～1.07)，反映其有机质来源中低等水生生物的贡献可能更高(见图9)。从C27-C28-C29规则甾烷三角图中可知，山西组和太原组烃源岩数据点均落在Ⅲ区，进一步证实了两个层位烃源岩来源为混合源的观点。对比分析两个层位数据点的分布情况可以发现，山西组烃源岩数据点相对更靠近Ⅱ区(陆生植物为主)，而太原组烃源岩数据点则相对更靠近Ⅶ区(浮游植物为主)，说明前者可能有更高的高等陆生植物贡献，而后者来自低等水生生物的贡献可能性更高(见图10)。

图9 山西组、太原组烃源岩m/z 217质量色谱图

图10 烃源岩C27-C28-C29规则甾烷三角图

3.2.4 芳烃系列

除饱和烃外，芳烃中也有不少能够反映烃源岩沉积环境的生物标志化合物参数。“三芴系列”通常指芳烃中的芴(F)系列、硫芴(SF)系列和氧芴(OF)系列，它们具有相似的结构骨架，在还原性较强的环境中F会更多地向SF转化，而在氧化性较强的环境中F则会更多地向OF转化，因此F、OF和SF的相关关系常用于判断沉积环境的氧化还原性［34］。李水福等［35］建立了ΣSF/(ΣSF+ΣF)-ΣOF/(ΣOF+ΣF)判识图版来识别有机质的形成环境，由图11可知，山西组烃源岩OF含量相对较高，可能形成于氧化环境中，而太原组烃源岩SF含量相对较高，形成环境还原性相对较强。

图11 烃源岩三芴系列识别沉积环境图

此外，硫芴与菲的比值(SF/P)也常用来识别沉积环境。HUGHES等［36］通过SF/P与Pr/Ph两个参数将有机质沉积环境划分为5类：海相碳酸盐岩、海相碳酸盐岩或泥灰岩、深湖-半深湖相、浅湖相和河流-三角洲相。山西组烃源岩数据点主要落在浅湖相区间内，而太原组烃源岩数据点则全部落在深湖-半深湖相区间内，进一步证明了太原组烃源岩形成环境还原性较山西组强(见图12)。

图12 烃源岩SF/P-Pr/Ph识别沉积环境

4 建立有机地化特征判识指标

明确油气来源是油气勘探开发的关键，而区分不同烃源岩之间的差异、判识不同类型烃源岩是开展油源对比工作的基础。本次研究通过Pr/Ph、(C19TT+C20TT)/C21TT、C24TeT/C26TT、C27R/C29R以及ΣOF/(ΣOF+ΣF)等参数建立了有机地化特征判识指标，将杭锦旗地区山西组和太原组两套烃源岩区分开来(见表4)。烃源岩判识指标的建立对研究区油气成因类型判识具有指示意义，通过分析原油生物标志化合物特征，结合相应的判识指标，可以更加明确地判断各层位烃源岩对其所做的贡献。在此基础上，进一步结合烃源岩展布及输导体系特征，可以对研究区油气运移成藏有更加清晰的认识。因此，建立不同层位烃源岩有机地化特征判识指标对研究区油源判识乃至后续油气勘探开发均有着重要的意义。

表4 山西组、太原组烃源岩有机地化特征判识指标

5 结束语

山西组和太原组烃源岩均具有较高的有机质丰度，属于好-极好烃源岩。其中，山西组烃源岩的生烃潜力整体上较太原组烃源岩好，而太原组烃源岩成熟度则整体上比山西组烃源岩高。此外，两套烃源岩干酪根同位素均偏重，且抽提物中非烃+沥青质含量较高，呈现Ⅲ型烃源岩的特征。

生物标志化合物组合特征表明，两个层位的烃源岩均已达到成熟演化阶段，形成于淡水湖相环境，有机质来源于高等陆生植物和低等水生生物的共同贡献，且遭受生物降解的程度较低。但经进一步对比发现，不同层位在生物标志化合物组成上也有着一定的差异，具体表现为：山西组烃源岩正构烷烃呈单峰态后峰型分布，姥植比较高，三环萜烷系列化合物整体含量高且(C19TT+C20TT)/C21TT较高，C24TeT相对于C26TT的含量较高，C29规则甾烷普遍高于C27规则甾烷，“三芴系列”中氧芴含量高，指示其形成环境为氧化-偏氧化环境，有机质来源中高等陆生植物输入较多；太原组烃源岩正构烷烃多呈双峰态分布，姥植比较低，三环萜烷系列化合物整体含量较低且(C19TT+C20TT)/C21TT低，C24TeT相对于C26TT的含量较适中，C27规则甾烷相对含量与C29规则甾烷相近或略高于后者，“三芴系列”中硫芴含量高，反映其沉积环境还原性相对较强，有机质来源中低等水生生物的贡献更多。

基于两套烃源岩在生物标志化合物组合特征上的差异，本次研究选取Pr/Ph、(C19TT+C20TT)/C21TT、C24TeT/C26TT、C27R/C29R以及ΣOF/(ΣOF+ΣF)建立了相应的有机地化判识指标。上述指标能较好地将山西组和太原组烃源岩区分开来，对研究区后续的油气勘探工作有着较重要的意义。