鄂尔多斯盆地山西组煤系烃源岩特征研究

， ， ，袁金

(1.中国煤炭地质总局航测遥感局，陕西 西安 710054；2.机械工业勘查设计研究院有限公司，陕西 西安 710043)

研究区北至横山，南到耀县，西起环县，东达延川，主体位于鄂尔多斯盆地伊陕斜坡、渭北隆起构造单元内，东与晋西挠褶带西北缘相接，西南跨西缘冲断带南隅，面积13.26×104km2。其中，山西组天然气勘探开发前景良好，已在油气勘探中获得重大突破，先后发现了榆林、苏里格、乌审旗及米脂等大型天然气田[1-4]。这套近海陆相河湖环境下形成的煤系地层在盆地内分布广泛，煤层发育，泥岩累计厚度大，烃源岩有机质丰度良好，热演化程度高，有利于天然气的形成和保存，有望成为继延长组之后页岩气勘探的又一个重要层组。上古生界的油气研究历来都将重点放在砂岩储层上，烃源岩方面的工作相对薄弱，因此需要加强烃源岩的形成沉积环境、有机质特征及其保存等方面的精细研究，为上古生界页岩气的综合评价提供地质依据。

1 沉积环境

本区山西组为陆源碎屑含煤建造，发育海陆交互环境下的三角洲及湖泊沉积。形成于北部及东部的近南北向水下分流河道经分支、汇合之后均在中南部尖灭，中北部到南部为广泛的浅湖沉积。其中分流间湾、沼泽及浅湖泥等环境是烃源岩形成的有利区域[5]。沼泽通常是在潮湿气候条件下，由低洼积水地带的植物繁茂生长并逐渐淤积而成，多由河漫滩、湖泊发展而来，是良好的成煤环境；分流间湾是水下分流河道之间与湖水相连的低洼地区，其环境比较闭塞，水动力弱，常形成泥质粉砂岩和粉砂质泥岩的互层；浅湖泥环境以泥质沉积物为主，其沉积物粒度细小，泥岩厚度大[6-7]。

2 烃源岩岩性及分布特征

2.1 烃源岩岩性特征

山西组烃源岩是陆源碎屑含煤建造下形成的泥质岩和煤层，在纵向上的发育情况有所不同。上段煤层不发育，泥岩多为灰色，有机质丰度相对较低，部分泥岩属于非有效烃源岩；下段是重要的煤系烃源岩发育层段，以深色泥岩、炭质泥岩和煤层为主。暗色泥岩质纯、性脆易碎、吸水性及可塑性强、微细薄层理及水平层理发育；煤岩质纯、性脆、比重小、可燃、污手严重、碳化程度高、具玻璃光泽。

2.2 烃源岩分布特征

暗色泥岩包括粉砂质泥岩、泥岩、碳质泥岩等，多形成于分流间湾、浅湖环境，煤岩形成于沼泽环境。泥岩厚度20～100 m，中部以吴起～富县一带最厚，可达100 m；并在西缘和东部分别存在一个沉积中心，西缘分布于环县一带，环14井周边厚度达80 m；东部米脂、延安一带泥岩厚度约70 m；北部减薄为50 m，南部最薄，不足35 m。煤层厚度2～10 m，集中分布在东西两侧，东部煤层厚度最大，达3～10 m，形成数个聚煤凹陷。

泥页岩单层厚度小于5 m的井段占到86.4%，单层厚度5～10 m之间的占9.9%，大于10 m的仅占3.7%，泥岩层系之间多被粉砂岩分隔，部分井段为煤层所隔，岩性粒度变化不大，均为细粒沉积。本区为近海陆相湖盆沉积，相变频繁，粉砂质及泥质沉积物频繁互层，造成了泥岩单层厚度较薄以及变化较快的现实情况。总之，本区山西组暗色泥岩与煤层广泛发育，具有广覆式分布的特征[8]，为烃源岩的形成提供了重要的物质基础。

3 烃源岩有机地球化学特征

前人对于鄂尔多斯盆地上古生界烃源岩已进行了大量卓有成效的研究，普遍认为上古生界煤层是主要的气源岩[9]。本区山西组煤层发育，有机质丰度、生烃潜力指标好，无疑是重要的生气母岩，同时，暗色泥岩的生烃能力也不容小觑。本文从有机质丰度、类型及成熟度等三个方面按照不同的评价指标对烃源岩有机地球化学特征进行了评价。

3.1 有机质丰度

煤系地层沉积环境和母质组成具有一定的特殊性，一般的湖相泥岩有机质丰度评价标准并不适用于煤系烃源岩的评价，本文采用程克明1995年提出的煤系泥岩生烃潜力评价标准进行有机质丰度评价。

在进行泥页岩有机质丰度计算时，对煤层进行了剔除，根据煤系泥岩有机质丰度分级标准，本区山西组泥页岩应属好～中等烃源岩(以TOC为主)。泥页岩样品中非烃源岩占32.35%，差烃源岩占11.77%，中等烃源岩占35.29%，好烃源岩占20.59%。其中，中等及好级别的烃源岩样品总和占到55.88%，具有一定的生烃能力，属于好～中等质量的烃源岩。其中南缘古坳陷泥页岩有机碳丰度最高，平均TOC=4.296，平均S1+S2=1.631；陕北古坳陷区次之，平均TOC=2.96，平均S1+S2=0.7；庆阳古隆起有机碳丰度较差，平均TOC=2.153，平均S1+S2=0.826；晋西挠折带有机碳丰度最低，平均TOC=1.43，平均S1+S2=0.66。

山西组暗色泥岩已进入成熟～过成熟阶段，有机质热演化程度高，残留可溶有机质和可热解有机质大多已排出，虽然有机碳指标较好，平均为3.12%，但氯仿沥青“A”和总烃的总体指标较低。

3.2 有机质类型

本区山西组属海陆交互相沉积，暗色泥岩中的有机质类型具有过渡性的特点，本次采用干酪根显微组分及干酪根有机元素组成两个指标对有机质类型进行了划分。

3.2.1 干酪根显微组分特征

山西组发育近海河湖相的煤系烃源岩，有机质母质以陆源高等植物为主，干酪根显微组分总体为无定形、镜质组和惰质组，并含有少量壳质组，干酪根类型为III型和II型。

(1)煤岩有机质类型

煤岩具有高含硫、强还原的特点，显微组分以镜质组为主、壳质组次之、惰质组含量低，属倾气型煤源岩。其中镜质组含量<65%，丝质体含量>15%，壳质组含量<2%，镜质组是煤岩中的主要产气组分(图1)。煤岩显微组分含量与煤的沉积环境有关，北部为水动力较强的流水环境，煤岩形成于淡水沼泽，富氧，显微组分中镜质组主要为结构镜质体，惰质体含量较高；中部及南部属近海湖泊半咸水环境，水动力条件差，沼泽水氧气不足，煤岩中常见黄铁矿结核，显微组分中镜质组的含量高，属于富氢的荧光均质镜质体，惰性组含量较低。

图1 山西组煤岩族组分三角图

(2)泥质烃源岩有机质类型

暗色泥岩的干酪根类型以Ⅱ2型和Ⅲ型为主，兼有Ⅱ1型，显微组分以镜质组为主，壳质组含量低，泥质烃源岩母岩主要来源于陆源生物，同时还有水生生物的输入。干酪根类型明显受沉积环境的控制，伊盟隆起区是典型的水上泛滥盆地，属水动力较强的流水环境，富氧、植物发育，干酪根类型为Ⅲ型；陕北古凹陷区处于水动力较弱的水下环境，具还原特征、有一定量的水生生物输入，Ⅱ2型干酪根占优势。富县一带为湖相沉积中心，不仅水生生物丰富，湖泊周边还繁育有其他多类生物，加之覆水较深，有机质的保存条件好，干酪根中倾向生油的无定型显微组分占一定比例，干酪根类型以Ⅱ2型及Ⅱ1型为主，见及I型。

3.2.2 干酪根有机元素组成特征

干酪根有机元素是烃源岩中有机质的基本组成，本区泥质烃源岩干酪根有机元素中C元素含量较高，达到60%左右，H元素含量<3%，H/C介于0.42%～0.64%之间，有机质类型以腐殖型和混合型干酪根为主。对烃源岩中干酪根有机元素O/C及H/C原子比进行了投点，大部分样品点落在Ⅲ型干酪根界线的两侧，35%的样品点落在Ⅱ型干酪根区内，说明有机质类型总体偏差(图2)。陆源生物是有机质的主要供应者，加之烃源岩热演化成偏高，这就决定了本区泥质烃源岩有机质类型以Ⅲ型干酪根为主的面貌特征。

图2 烃源岩干酪根元素分析Van Krevelen图

3.2.3 干酪根碳同位素特征

成烃母质的碳同位素组成同样能反映出原始母质类型输入的信息。山西组泥质烃源岩稳定碳同位素(δ13C2)变化幅度为-21.23‰～-26.23‰，以腐殖型为主，兼有腐殖-腐泥型特征。根据13C投点情况看，烃源岩以生成煤层气为主，部分样品具有混源气的特征(图3)。不同钻井之间干酪根碳同位素的差异变化表明泥质烃源岩母质输入具有多元性特征[10]。

图3 干酪根碳同位素类型图

3.2.4 可溶有机质的族组份特征

沉积岩中沥青“A”族组份是可溶有机质类型研究的常用方法，可利用饱和烃/芳烃来划分烃源岩有机质类型。暗色泥岩样品的饱和烃/芳烃的值介于0.19～5.06，平均1.697，其中饱和烃含量28.91%、芳烃含量22.77%、非烃和沥青质含量48.085%。饱和烃和芳香烃含量近等，非烃和沥青质的含量较高，在族组分三角图中样品点集中分布于靠近非烃+沥青质一侧(图4)，显示出有机质类型较差的特点。

图4 山西组泥页岩组分三角图

不同沉积环境下形成的有机质在其热演化过程中的产物不尽相同。陕北古凹陷区为水下环境，有一定水生生物的输入，饱和烃含量为22.34%，芳香烃较低，为19.99%，非烃+沥青质含量最高，达57.79%；南缘古凹陷处于海陆交互环境，水生生物较发育，饱和烃含量较高，为30.71%，芳香烃为25.86%，非烃+沥青质为43.43%；庆阳古隆起覆水深度较浅，饱和烃含量最低，为16.95%，芳香烃为34.77%，非烃+沥青质为40.9%，其较低的饱和烃含量表明本区缺乏腐泥型有机质组分。

3.3 有机质成熟度

本次采用干酪根镜质体反射率Ro和生油岩最高热解峰温Tmax两项指标来评价有机质成熟度。

3.3.1 镜质体反射率特征

本区Ro普遍大于1.3，Ro>2.0的样品占到了51%以上，说明烃源岩已普遍进入成熟～过成熟阶段。各主要构造分区的沉积构造演化史不同，造成了山西组煤系烃源岩热成熟度变化大的特点。陕北古坳陷Ro值较高，61.54%的样品Ro>2.0，与其较大的埋深有一定的关系，Ro值以甘泉、富县、华池为中心向周缘呈环带状逐渐降低；北部伊盟隆起和西部逆冲带含煤地层的热演化程度低，Ro仅0.5～0.84；庆阳古隆起一带Ro>2.0，属过成熟干气阶段；南缘古坳陷38%的样品Ro>2.0，处于高成熟凝析油湿气～过成熟干气阶段；西南缘由于岩浆岩侵入体与上古生界地层直接接触，造成该区Ro异常值高；晋西挠折带Ro呈现出异常低值，除台头剖面上的泥岩样品外，均小于2.0，处于热催化生油气到高成熟凝析油湿气阶段。

3.3.2 生油岩最高热解峰温分析

山西组生油岩最高热解峰温Tmax在315℃～584℃之间，平均值为493.14℃。其中Tmax<440℃，处于生物化学生气阶段的样品占到11.76%，Tmax介于440℃～460℃，处于热催化生油气阶段的样品占到5.89%，而460℃490℃，处于过成熟干气阶段的样品最多，达到62.74%，烃源岩已进入了高成熟凝析油湿气～过成熟干气阶段。

烃源岩的生油岩最高热解峰温与镜质体反射率的测定结果之间具有良好的对应关系，反映出盆地山西组烃源岩已进入了成熟～高成熟阶段，有机质成熟度以富县一带为中心向四周降低。

4 结语

本区山西组为近海陆相湖泊沉积，分流间湾、浅湖及浅湖泥沉积环境是烃源岩发育的有利区域。烃源岩类型以暗色泥岩及煤岩为主，中部厚度稳定，南北两侧厚度较小。烃源岩有机质丰度中等～好；湖相烃源岩生物源类型多样，干酪根类型为Ⅱ～Ⅲ型，河流涧湾及沼泽等近岸环境中，有机质生物源组合中陆生植物占绝对优势，除少数样品外，基本属Ⅲ干酪根；烃源岩有机质成熟度已进入成熟～过成熟阶段。沼泽环境以煤岩及炭质泥岩沉积为主，有机质丰度高，是重要的生气母岩；分流间湾及浅湖泥环境下形成的暗色泥岩也具有一定的生气能力。

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