臨清坳陷東部太原組煤系烴源巖沉積有機相分析

張　亮　金　強

文章編號：1006-6535(2009)02-0023-04

摘要：臨清坳陷東部太原組煤系是1套良好的生油源巖，其生油潛力主要取決于沉積有機相。根據(jù)沉積學(xué)和有機地球化學(xué)特征，對其有機相類型和縱向分布規(guī)律進行了研究：太原組中部湖成沼澤腐泥-腐植煤相和濱淺湖—沼澤腐植泥相為煤成烴的主要源區(qū)；太原組頂、底部均以濱海沼澤腐植煤相沉積為主，生烴潛力較?。话肷詈獪\湖腐泥相縱向上分布較少，生烴貢獻小。烴源巖綜合分析為解決石炭—二疊系煤系源巖生油研究提供了重要資料。

關(guān)鍵詞：煤系烴源巖；沉積有機相；太原組；臨清坳陷

中圖分類號：TE122.1

文獻標識碼：A

引 言

有機相源于煤相，現(xiàn)已獨立并涵蓋了煤相，即煤相可以看成是有機相的一種特殊類型^[1]。相同沉積環(huán)境和氧化-還原條件下，有相似的生源構(gòu)成、相似的生烴潛力和有機質(zhì)組成的生物相態(tài)，稱之為有機相^[2]。不同煤沼有機相由于煤巖形成的顯微組分不同，生烴潛力也不同^[3]。石炭—二疊煤系為華北地區(qū)重要烴源巖之一，臨清坳陷東部地區(qū)自高古4井二疊系獲得油氣以來，石炭—二疊煤系烴源巖受到格外重視，陸續(xù)開展了針對其沉積環(huán)境、油氣生成母質(zhì)和油氣生成潛力的分析。研究確定，太原組煤系烴源巖為濱海沼澤和濱淺湖相沉積，為石炭—二疊系主要煤系烴源巖，為了確定其有機質(zhì)來源、性質(zhì)及形成條件，綜合地化、地質(zhì)及沉積環(huán)境特征^[4]，根據(jù)單井相分析確定了臨清東部煤系烴源巖有機相劃分標準，確定了太原組煤系烴源巖有機相類型，并對不同有機相縱向分布特征進行了研究。

1 沉積環(huán)境與煤系烴源巖特征

沉積環(huán)境決定烴源巖有機質(zhì)組成及性質(zhì)^[5，6]。臨清坳陷太原組經(jīng)歷了濱海沼澤—濱湖沼澤—濱淺湖沉積過程，形成煤系源巖有機質(zhì)類型的縱向規(guī)律變化。

1.1 煤系源巖沉積環(huán)境

臨清坳陷東部太原組沉積時期，沉積環(huán)境隨著海平面的升降而不斷變化。根據(jù)巖性組合和地化參數(shù)特征分析，太原組沉積早期和晚期為海侵階段，以濱?！訚?、潮坪—沼澤相沉積為主，咸水、弱還原環(huán)境；太原組沉積中期海平面下降，形成舄湖—沼澤沉積環(huán)境，水體存在淡化現(xiàn)象。

太原組煤層和炭質(zhì)泥巖Pr/Ph值普遍大于1，平均值分別為1.75和1.65，反映弱氧化—弱還原環(huán)境，個別煤樣Pr/Ph小于1，反映還原環(huán)境；暗色泥巖Pr/Ph小于1.2，最低值為0.46，反映為弱還原—還原環(huán)境下沉積。暗色泥巖和太原組中部沉積煤巖伽馬蠟烷指數(shù)小于0.1，升藿烷指數(shù)小于0.15，為淡水沉積；而早期和晚期形成的煤層及中期部分暗色泥巖和炭質(zhì)泥巖伽馬蠟烷指數(shù)和升藿烷指數(shù)分別位于0.1～0.4和0.1～0.2，反映為咸水—半咸水沉積。太原組早期和晚期沉積中，C₃₀αβ藿烷/ΣC29甾烷在煤巖中值較高(2～5)，平均為3.6，而ααα20RC₂₇/C₂₉甾烷小于1，反映以水生生物弱還原環(huán)境沉積為主；而暗色泥巖ααα20RC₂₇/C₂₉甾烷值大于1，C₃₀αβ藿烷/ΣC₂₉甾烷值小于1，反映以水生生物沉積為主。太原組中部煤層和泥質(zhì)巖層具有混合型沉積特征，煤層和泥巖ααα20RC₂₇/C₂₉甾烷均小于1，但煤層C₃₀αβ藿烷/ΣC₂₉甾烷值位于1～3，泥質(zhì)巖C₃₀αβ藿烷/ΣC₂₉甾烷值位于1～2，反映均有陸源物質(zhì)輸入；煤巖正構(gòu)烷烴雙峰特征明顯，泥巖低碳數(shù)正構(gòu)烷烴單峰明顯，也進一步反映陸源高等植物和水生生物混合型沉積特征。

1.2 煤系源巖特征

臨清坳陷石炭—二疊系的本溪組至山西組為1套海陸交互相含煤地層。煤巖、炭質(zhì)泥巖和暗色泥巖均有發(fā)育。煤層主要富集于太原組，德州凹陷、莘縣凹陷、魯西隆起區(qū)及高唐-堂邑凸起煤層厚度均超過12 m，有機碳含量高(平均70.01%)，氫指數(shù)介于150～400 mg/g TOC，平均為284.86 mg/g TOC，以Ⅲ型有機質(zhì)為主。煤系烴源巖中，不同類型烴源巖顯微組分特征明顯不同：沼澤相煤層中，鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量超過70%，殼質(zhì)組含量小于20%，孢粉體和樹脂體相對較多，腐泥組極少，反映陸源高等植物供給；舄湖及湖成沼澤煤中，腐泥組分含量相對升高，達2%～10%，具有一定的水生生物來源；湖相泥質(zhì)巖中腐泥組含量占絕對優(yōu)勢，達50%以上，鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量低于30%，但也有部分泥質(zhì)樣品鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組總含量超過60%，而腐泥組含量小于10%，分析認為可能與煤層相伴陸源植物供給沉積有關(guān)。

差異性升降造成不同部位煤系地層成熟度不同：魯西隆起太原組煤系地層埋藏較淺，R_o值介于0.50%～0.72%，處于低熟階段；高唐—堂邑凸起帶太原組煤系地層處于成熟階段，R_o值介于0.80%～0.88%；德州、莘縣及冠縣凹陷太原組煤系地層R_o值介于1.0%～2.6%，處于成熟—高熟階段，深洼處R_o值超過2.6%。

2 有機相類型及縱向分布

2.1 有機相類型劃分

根據(jù)有機巖石學(xué)、沉積學(xué)和油氣地球化學(xué)綜合指數(shù)，參考目前對有機相的認識^[7]，制訂了太原組煤系烴源巖有機相劃分標準(表1)，并劃分出濱海沼澤腐植煤相、沼澤腐泥—腐植煤相、濱淺湖—沼澤腐植泥相、半深湖—淺湖腐泥相等4種有機相類型。

2.1.1 濱海沼澤腐植煤相

濱海沼澤腐植煤相發(fā)育于濱海沼澤和潮坪沼澤中，煤發(fā)育，咸水弱還原環(huán)境。煤巖有機顯微組分主要為鏡質(zhì)組，含量大于80%，無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體占絕對優(yōu)勢；殼質(zhì)組含量小于20%，以樹脂體、孢粉體、角質(zhì)體為主；腐泥組含量極低；干酪根類型為Ⅲ型；姥植比為1.5～2.3，伽馬蠟烷指數(shù)和升藿烷指數(shù)為4種有機相中最高的，分別為0.1～0.3和0.1～0.4，反映具有一定鹽度的濱海還原環(huán)境；C₃₀αβ藿烷/ΣC₂₉甾烷可達到5，為全區(qū)最高，ααα20RC₂₇/C₂₉甾烷值小于1，ααα20RC₂₇甾烷、ααα20RC₂₈甾烷和ααα20RC₂₉甾烷呈反L型，表明有機質(zhì)生源母質(zhì)主要為陸源高等植物。有機質(zhì)豐度變化不大，有機碳含量一般為40%～80%，氫指數(shù)為150～300 mg/g TOC。

2.1.2 沼澤腐泥—腐植煤相

沼澤腐泥—腐植煤相發(fā)育于舄湖或海退以后形成的淡化湖成沼澤，為弱還原環(huán)境，沉積巖性主要為煤和暗色泥巖。鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組總含量一般大于70%，最高達97%，主要為無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體，殼質(zhì)組主要為孢粉體和樹脂體，暗色泥巖中含腐泥組分，含量一般低于10%；姥植比與濱海沼澤腐植煤相差不大，一般為0.6～2.0，以1.6左右較為集中；伽馬蠟烷指數(shù)和升藿烷指數(shù)均小于0.1，反映淡水弱還原特征；C₃₀αβ藿烷/ΣC₂₉甾烷值較高，大于2.5，最高可達6，ααα20RC₂₇/C₂₉甾烷值大于1，ααα20RC₂₇甾烷、ααα20RC₂₈甾烷和ααα20RC₂₉甾烷呈反L型，正構(gòu)烷烴具有前低后高的雙峰特征，反映該有機相以陸源高等植物供給為主，并含有部分水生生物。沼澤腐泥—腐植煤相不同巖性有機質(zhì)豐度變化較大，煤和泥巖的有機碳含量分別為50%～80%和小于1.2%，氫指數(shù)分別為270～400 mg/gTOC和50～150 mg/gTOC。

2.1.3 濱淺湖—沼澤腐植泥相

濱淺湖—沼澤腐植泥相沉積巖性主要為暗色泥巖和炭質(zhì)泥巖，顯微組分包括腐泥組、鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組，腐泥組含量一般大于50%，鏡質(zhì)組含量一般為15%～50%。干酪根類型主要為Ⅱ型。濱淺湖—沼澤腐植泥相主要發(fā)育于濱淺湖和沼澤環(huán)境，Pr/Ph值一般為1.2～2.3，伽馬蠟烷指數(shù)和升藿烷指數(shù)均分布于0.1～0.2，反映半咸水弱還原環(huán)境；C30αβ藿烷/ΣC29甾烷值為中等偏低(1～2)，指示存在一定量的陸源物質(zhì)輸入；ααα20RC₂₇/C₂₉甾烷值大于1，正構(gòu)烷烴以低碳數(shù)為主，具有單峰特征，反映以水生生物沉積為主。炭質(zhì)泥巖和暗色泥巖有機碳含量分別為2%～20%和1%～2%，氫指數(shù)分別為50～200 mg/gTOC和小于50 mg/gTOC。

2.1.4 半深湖—淺湖腐泥相

半深湖—淺湖腐泥相發(fā)育暗色泥巖，干酪根類型以Ⅱ1型為主。ααα20RC₂₇/C₂₉甾烷值大于1，ααα20RC₂₇甾烷、ααα20RC₂₈甾烷和ααα20RC₂₉甾烷呈L型，C₃₀αβ藿烷/ΣC29甾烷值位于0.5～1.0，反映以水生生物沉積為主；顯微組分分析，腐泥組含量大于50%，殼質(zhì)組含量小于25%，鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組約為40%，同樣反映以水生生物沉積為主；姥植比小于1.2，伽馬蠟烷指數(shù)小于0.1，升藿烷指數(shù)為0.1～0.2，反映淡水還原沉積條件；泥巖有機碳含量大于2%，氫指數(shù)為50～100 mg/gTOC。

2.2 有機相縱向分布

臨清坳陷東部太原組“海進—海退—海進”沉積旋回，使有機相類型縱向分布呈現(xiàn)一定的旋回性。沉積初期海進，研究區(qū)位于濱岸地帶，咸水沼澤發(fā)育區(qū)域大量陸源物質(zhì)輸入，使太原組底部沉積以濱海沼澤腐植煤相為主(圖1)；沉積中期海水逐漸退去，形成各類淡水湖泊和湖成沼澤沉積，發(fā)育湖成沼澤腐泥—腐植煤相，為太原組主要煤成烴有機相類型(圖2)，而未被淡化的舄湖—沼澤地帶則發(fā)育濱淺湖腐植泥相(圖3)。沉積晚期，海水再次侵入，重新發(fā)育濱海沼澤腐植煤相(圖4)。半深湖—深湖腐泥相縱向上分布較少，僅在太原組中部少量發(fā)育。

3 結(jié) 論

(1) 臨清坳陷東部太原組早晚期海侵水生生物沉積為主，中期水體淡化，發(fā)育濱海沼澤腐植煤相、湖成沼澤腐泥—腐植煤相、濱淺湖—沼澤腐植泥相、半深湖—淺湖腐泥相等有機相類型，并具有一定的旋回特征。

(2) 有機相縱向分布研究表明，太原組沉積早期和晚期主要發(fā)育濱海沼澤腐植煤相，沉積中期主要發(fā)育湖成沼澤腐泥—腐植煤相和濱淺湖—沼澤腐植泥相，湖成沼澤腐泥—腐植煤相煤系烴源巖具有高無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體和殼質(zhì)組(主要是角質(zhì)體和孢粉體)含量，能夠提供煤成烴資源。半深湖—淺湖腐泥相雖然生烴能力較好，但由于發(fā)育規(guī)模小，生烴貢獻不大。

(3) 通過對太原組源巖的綜合分析，劃分出太原組有機相類型，確定了不同類型有機相縱向分布特征，為解決臨清坳陷東部地區(qū)石炭—二疊系煤系源巖生油問題提供了依據(jù)。但由于目前鉆井資料少、取心井段有限，目前的研究還僅限于單井相分析，今后還需隨著資料的充實，進行更為深入的研究。

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編輯 董志剛