， ， ，袁金

(1.中國煤炭地質(zhì)總局航測遙感局，陜西 西安 710054；2.機(jī)械工業(yè)勘查設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710043)

研究區(qū)北至橫山，南到耀縣，西起環(huán)縣，東達(dá)延川，主體位于鄂爾多斯盆地伊陜斜坡、渭北隆起構(gòu)造單元內(nèi)，東與晉西撓褶帶西北緣相接，西南跨西緣沖斷帶南隅，面積13.26×104km2。其中，山西組天然氣勘探開發(fā)前景良好，已在油氣勘探中獲得重大突破，先后發(fā)現(xiàn)了榆林、蘇里格、烏審旗及米脂等大型天然氣田[1-4]。這套近海陸相河湖環(huán)境下形成的煤系地層在盆地內(nèi)分布廣泛，煤層發(fā)育，泥巖累計(jì)厚度大，烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度良好，熱演化程度高，有利于天然氣的形成和保存，有望成為繼延長組之后頁巖氣勘探的又一個重要層組。上古生界的油氣研究歷來都將重點(diǎn)放在砂巖儲層上，烴源巖方面的工作相對薄弱，因此需要加強(qiáng)烴源巖的形成沉積環(huán)境、有機(jī)質(zhì)特征及其保存等方面的精細(xì)研究，為上古生界頁巖氣的綜合評價提供地質(zhì)依據(jù)。

1 沉積環(huán)境

本區(qū)山西組為陸源碎屑含煤建造，發(fā)育海陸交互環(huán)境下的三角洲及湖泊沉積。形成于北部及東部的近南北向水下分流河道經(jīng)分支、匯合之后均在中南部尖滅，中北部到南部為廣泛的淺湖沉積。其中分流間灣、沼澤及淺湖泥等環(huán)境是烴源巖形成的有利區(qū)域[5]。沼澤通常是在潮濕氣候條件下，由低洼積水地帶的植物繁茂生長并逐漸淤積而成，多由河漫灘、湖泊發(fā)展而來，是良好的成煤環(huán)境；分流間灣是水下分流河道之間與湖水相連的低洼地區(qū)，其環(huán)境比較閉塞，水動力弱，常形成泥質(zhì)粉砂巖和粉砂質(zhì)泥巖的互層；淺湖泥環(huán)境以泥質(zhì)沉積物為主，其沉積物粒度細(xì)小，泥巖厚度大[6-7]。

2 烴源巖巖性及分布特征

2.1 烴源巖巖性特征

山西組烴源巖是陸源碎屑含煤建造下形成的泥質(zhì)巖和煤層，在縱向上的發(fā)育情況有所不同。上段煤層不發(fā)育，泥巖多為灰色，有機(jī)質(zhì)豐度相對較低，部分泥巖屬于非有效烴源巖；下段是重要的煤系烴源巖發(fā)育層段，以深色泥巖、炭質(zhì)泥巖和煤層為主。暗色泥巖質(zhì)純、性脆易碎、吸水性及可塑性強(qiáng)、微細(xì)薄層理及水平層理發(fā)育；煤巖質(zhì)純、性脆、比重小、可燃、污手嚴(yán)重、碳化程度高、具玻璃光澤。

2.2 烴源巖分布特征

暗色泥巖包括粉砂質(zhì)泥巖、泥巖、碳質(zhì)泥巖等，多形成于分流間灣、淺湖環(huán)境，煤巖形成于沼澤環(huán)境。泥巖厚度20～100 m，中部以吳起～富縣一帶最厚，可達(dá)100 m；并在西緣和東部分別存在一個沉積中心，西緣分布于環(huán)縣一帶，環(huán)14井周邊厚度達(dá)80 m；東部米脂、延安一帶泥巖厚度約70 m；北部減薄為50 m，南部最薄，不足35 m。煤層厚度2～10 m，集中分布在東西兩側(cè)，東部煤層厚度最大，達(dá)3～10 m，形成數(shù)個聚煤凹陷。

泥頁巖單層厚度小于5 m的井段占到86.4%，單層厚度5～10 m之間的占9.9%，大于10 m的僅占3.7%，泥巖層系之間多被粉砂巖分隔，部分井段為煤層所隔，巖性粒度變化不大，均為細(xì)粒沉積。本區(qū)為近海陸相湖盆沉積，相變頻繁，粉砂質(zhì)及泥質(zhì)沉積物頻繁互層，造成了泥巖單層厚度較薄以及變化較快的現(xiàn)實(shí)情況?？傊?，本區(qū)山西組暗色泥巖與煤層廣泛發(fā)育，具有廣覆式分布的特征[8]，為烴源巖的形成提供了重要的物質(zhì)基礎(chǔ)。

3 烴源巖有機(jī)地球化學(xué)特征

前人對于鄂爾多斯盆地上古生界烴源巖已進(jìn)行了大量卓有成效的研究，普遍認(rèn)為上古生界煤層是主要的氣源巖[9]。本區(qū)山西組煤層發(fā)育，有機(jī)質(zhì)豐度、生烴潛力指標(biāo)好，無疑是重要的生氣母巖，同時，暗色泥巖的生烴能力也不容小覷。本文從有機(jī)質(zhì)豐度、類型及成熟度等三個方面按照不同的評價指標(biāo)對烴源巖有機(jī)地球化學(xué)特征進(jìn)行了評價。

3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

煤系地層沉積環(huán)境和母質(zhì)組成具有一定的特殊性，一般的湖相泥巖有機(jī)質(zhì)豐度評價標(biāo)準(zhǔn)并不適用于煤系烴源巖的評價，本文采用程克明1995年提出的煤系泥巖生烴潛力評價標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行有機(jī)質(zhì)豐度評價。

在進(jìn)行泥頁巖有機(jī)質(zhì)豐度計(jì)算時，對煤層進(jìn)行了剔除，根據(jù)煤系泥巖有機(jī)質(zhì)豐度分級標(biāo)準(zhǔn)，本區(qū)山西組泥頁巖應(yīng)屬好～中等烴源巖(以TOC為主)。泥頁巖樣品中非烴源巖占32.35%，差烴源巖占11.77%，中等烴源巖占35.29%，好烴源巖占20.59%。其中，中等及好級別的烴源巖樣品總和占到55.88%，具有一定的生烴能力，屬于好～中等質(zhì)量的烴源巖。其中南緣古坳陷泥頁巖有機(jī)碳豐度最高，平均TOC=4.296，平均S1+S2=1.631；陜北古坳陷區(qū)次之，平均TOC=2.96，平均S1+S2=0.7；慶陽古隆起有機(jī)碳豐度較差，平均TOC=2.153，平均S1+S2=0.826；晉西撓折帶有機(jī)碳豐度最低，平均TOC=1.43，平均S1+S2=0.66。

山西組暗色泥巖已進(jìn)入成熟～過成熟階段，有機(jī)質(zhì)熱演化程度高，殘留可溶有機(jī)質(zhì)和可熱解有機(jī)質(zhì)大多已排出，雖然有機(jī)碳指標(biāo)較好，平均為3.12%，但氯仿瀝青“A”和總烴的總體指標(biāo)較低。

3.2 有機(jī)質(zhì)類型

本區(qū)山西組屬海陸交互相沉積，暗色泥巖中的有機(jī)質(zhì)類型具有過渡性的特點(diǎn)，本次采用干酪根顯微組分及干酪根有機(jī)元素組成兩個指標(biāo)對有機(jī)質(zhì)類型進(jìn)行了劃分。

3.2.1 干酪根顯微組分特征

山西組發(fā)育近海河湖相的煤系烴源巖，有機(jī)質(zhì)母質(zhì)以陸源高等植物為主，干酪根顯微組分總體為無定形、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組，并含有少量殼質(zhì)組，干酪根類型為III型和II型。

(1)煤巖有機(jī)質(zhì)類型

煤巖具有高含硫、強(qiáng)還原的特點(diǎn)，顯微組分以鏡質(zhì)組為主、殼質(zhì)組次之、惰質(zhì)組含量低，屬傾氣型煤源巖。其中鏡質(zhì)組含量<65%，絲質(zhì)體含量>15%，殼質(zhì)組含量<2%，鏡質(zhì)組是煤巖中的主要產(chǎn)氣組分(圖1)。煤巖顯微組分含量與煤的沉積環(huán)境有關(guān)，北部為水動力較強(qiáng)的流水環(huán)境，煤巖形成于淡水沼澤，富氧，顯微組分中鏡質(zhì)組主要為結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體，惰質(zhì)體含量較高；中部及南部屬近海湖泊半咸水環(huán)境，水動力條件差，沼澤水氧氣不足，煤巖中常見黃鐵礦結(jié)核，顯微組分中鏡質(zhì)組的含量高，屬于富氫的熒光均質(zhì)鏡質(zhì)體，惰性組含量較低。

圖1 山西組煤巖族組分三角圖

(2)泥質(zhì)烴源巖有機(jī)質(zhì)類型

暗色泥巖的干酪根類型以Ⅱ2型和Ⅲ型為主，兼有Ⅱ1型，顯微組分以鏡質(zhì)組為主，殼質(zhì)組含量低，泥質(zhì)烴源巖母巖主要來源于陸源生物，同時還有水生生物的輸入。干酪根類型明顯受沉積環(huán)境的控制，伊盟隆起區(qū)是典型的水上泛濫盆地，屬水動力較強(qiáng)的流水環(huán)境，富氧、植物發(fā)育，干酪根類型為Ⅲ型；陜北古凹陷區(qū)處于水動力較弱的水下環(huán)境，具還原特征、有一定量的水生生物輸入，Ⅱ2型干酪根占優(yōu)勢。富縣一帶為湖相沉積中心，不僅水生生物豐富，湖泊周邊還繁育有其他多類生物，加之覆水較深，有機(jī)質(zhì)的保存條件好，干酪根中傾向生油的無定型顯微組分占一定比例，干酪根類型以Ⅱ2型及Ⅱ1型為主，見及I型。

3.2.2 干酪根有機(jī)元素組成特征

干酪根有機(jī)元素是烴源巖中有機(jī)質(zhì)的基本組成，本區(qū)泥質(zhì)烴源巖干酪根有機(jī)元素中C元素含量較高，達(dá)到60%左右，H元素含量<3%，H/C介于0.42%～0.64%之間，有機(jī)質(zhì)類型以腐殖型和混合型干酪根為主。對烴源巖中干酪根有機(jī)元素O/C及H/C原子比進(jìn)行了投點(diǎn)，大部分樣品點(diǎn)落在Ⅲ型干酪根界線的兩側(cè)，35%的樣品點(diǎn)落在Ⅱ型干酪根區(qū)內(nèi)，說明有機(jī)質(zhì)類型總體偏差(圖2)。陸源生物是有機(jī)質(zhì)的主要供應(yīng)者，加之烴源巖熱演化成偏高，這就決定了本區(qū)泥質(zhì)烴源巖有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型干酪根為主的面貌特征。

圖2 烴源巖干酪根元素分析Van Krevelen圖

3.2.3 干酪根碳同位素特征

成烴母質(zhì)的碳同位素組成同樣能反映出原始母質(zhì)類型輸入的信息。山西組泥質(zhì)烴源巖穩(wěn)定碳同位素(δ13C2)變化幅度為-21.23‰～-26.23‰，以腐殖型為主，兼有腐殖-腐泥型特征。根據(jù)13C投點(diǎn)情況看，烴源巖以生成煤層氣為主，部分樣品具有混源氣的特征(圖3)。不同鉆井之間干酪根碳同位素的差異變化表明泥質(zhì)烴源巖母質(zhì)輸入具有多元性特征[10]。

圖3 干酪根碳同位素類型圖

3.2.4 可溶有機(jī)質(zhì)的族組份特征

沉積巖中瀝青“A”族組份是可溶有機(jī)質(zhì)類型研究的常用方法，可利用飽和烴/芳烴來劃分烴源巖有機(jī)質(zhì)類型。暗色泥巖樣品的飽和烴/芳烴的值介于0.19～5.06，平均1.697，其中飽和烴含量28.91%、芳烴含量22.77%、非烴和瀝青質(zhì)含量48.085%。飽和烴和芳香烴含量近等，非烴和瀝青質(zhì)的含量較高，在族組分三角圖中樣品點(diǎn)集中分布于靠近非烴+瀝青質(zhì)一側(cè)(圖4)，顯示出有機(jī)質(zhì)類型較差的特點(diǎn)。

圖4 山西組泥頁巖組分三角圖

不同沉積環(huán)境下形成的有機(jī)質(zhì)在其熱演化過程中的產(chǎn)物不盡相同。陜北古凹陷區(qū)為水下環(huán)境，有一定水生生物的輸入，飽和烴含量為22.34%，芳香烴較低，為19.99%，非烴+瀝青質(zhì)含量最高，達(dá)57.79%；南緣古凹陷處于海陸交互環(huán)境，水生生物較發(fā)育，飽和烴含量較高，為30.71%，芳香烴為25.86%，非烴+瀝青質(zhì)為43.43%；慶陽古隆起覆水深度較淺，飽和烴含量最低，為16.95%，芳香烴為34.77%，非烴+瀝青質(zhì)為40.9%，其較低的飽和烴含量表明本區(qū)缺乏腐泥型有機(jī)質(zhì)組分。

3.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

本次采用干酪根鏡質(zhì)體反射率Ro和生油巖最高熱解峰溫Tmax兩項(xiàng)指標(biāo)來評價有機(jī)質(zhì)成熟度。

3.3.1 鏡質(zhì)體反射率特征

本區(qū)Ro普遍大于1.3，Ro>2.0的樣品占到了51%以上，說明烴源巖已普遍進(jìn)入成熟～過成熟階段。各主要構(gòu)造分區(qū)的沉積構(gòu)造演化史不同，造成了山西組煤系烴源巖熱成熟度變化大的特點(diǎn)。陜北古坳陷Ro值較高，61.54%的樣品Ro>2.0，與其較大的埋深有一定的關(guān)系，Ro值以甘泉、富縣、華池為中心向周緣呈環(huán)帶狀逐漸降低；北部伊盟隆起和西部逆沖帶含煤地層的熱演化程度低，Ro僅0.5～0.84；慶陽古隆起一帶Ro>2.0，屬過成熟干氣階段；南緣古坳陷38%的樣品Ro>2.0，處于高成熟凝析油濕氣～過成熟干氣階段；西南緣由于巖漿巖侵入體與上古生界地層直接接觸，造成該區(qū)Ro異常值高；晉西撓折帶Ro呈現(xiàn)出異常低值，除臺頭剖面上的泥巖樣品外，均小于2.0，處于熱催化生油氣到高成熟凝析油濕氣階段。

3.3.2 生油巖最高熱解峰溫分析

山西組生油巖最高熱解峰溫Tmax在315℃～584℃之間，平均值為493.14℃。其中Tmax<440℃，處于生物化學(xué)生氣階段的樣品占到11.76%，Tmax介于440℃～460℃，處于熱催化生油氣階段的樣品占到5.89%，而460℃490℃，處于過成熟干氣階段的樣品最多，達(dá)到62.74%，烴源巖已進(jìn)入了高成熟凝析油濕氣～過成熟干氣階段。

烴源巖的生油巖最高熱解峰溫與鏡質(zhì)體反射率的測定結(jié)果之間具有良好的對應(yīng)關(guān)系，反映出盆地山西組烴源巖已進(jìn)入了成熟～高成熟階段，有機(jī)質(zhì)成熟度以富縣一帶為中心向四周降低。

4 結(jié)語

本區(qū)山西組為近海陸相湖泊沉積，分流間灣、淺湖及淺湖泥沉積環(huán)境是烴源巖發(fā)育的有利區(qū)域。烴源巖類型以暗色泥巖及煤巖為主，中部厚度穩(wěn)定，南北兩側(cè)厚度較小。烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度中等～好；湖相烴源巖生物源類型多樣，干酪根類型為Ⅱ～Ⅲ型，河流澗灣及沼澤等近岸環(huán)境中，有機(jī)質(zhì)生物源組合中陸生植物占絕對優(yōu)勢，除少數(shù)樣品外，基本屬Ⅲ干酪根；烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度已進(jìn)入成熟～過成熟階段。沼澤環(huán)境以煤巖及炭質(zhì)泥巖沉積為主，有機(jī)質(zhì)豐度高，是重要的生氣母巖；分流間灣及淺湖泥環(huán)境下形成的暗色泥巖也具有一定的生氣能力。

[1]劉新社,等. 鄂爾多斯盆地上古生界天然氣生成[J].天然氣工業(yè).2000.20(6):19-23.

[2]鄭松,等. 鄂爾多斯盆地上古生界氣源灶評價[J].天然氣地球科學(xué).2007.18(3):440-445.

[3]付金華,等.鄂爾多斯盆地天然氣勘探形勢與發(fā)展前景[J].石油學(xué)報.2006.27(6):1-4.

[4]楊華,等.鄂爾多斯盆地天然氣成藏特征[J].天然氣工業(yè).2000.25(4):5-8.

[5]王薇,等.鄂爾多斯盆地東南緣下二疊統(tǒng)沉積相[J].現(xiàn)代地質(zhì).2013.27(5):1051-1057.

[6]楊杰.鄂爾多斯盆地子長-延長井區(qū)山西組沉積相研究[J].西安文理學(xué)院學(xué)報(自然科學(xué)版).2016.19(2):75-79.

[7]馬瑤,等.鄂爾多斯盆地子洲地區(qū)上古生界沉積相及演化特征[J].地質(zhì)科學(xué).2015.50(1):286-302.

[8]李振宏,等.鄂爾多斯盆地上古生界天然氣成藏[J].世界地質(zhì).2005.24(2):174-181.

[9]張士亞. 鄂爾多斯盆地天然氣氣源及勘探方向 [J].天然氣工業(yè).1994.14(3):1-5.

[10]李賢慶,等. 鄂爾多斯盆地中東部上古生界天然氣地球化學(xué)特征[J]. 石油天然氣學(xué)報(江漢石油學(xué)院學(xué)報).2008.30(4):1-4.