鄂爾多斯盆地中東部太原組碳酸鹽巖烴源巖巖相類型及地球化學特征

羅順社，傅于恒，殷杰，代榕

1.非常規油氣省部共建協同創新中心(長江大學)，湖北 武漢 430100 2.長江大學地球科學學院，湖北 武漢 430100 3.油氣資源與勘探技術教育部重點實驗室(長江大學)，湖北 武漢 430100

鄂爾多斯盆地是我國重要的含油氣盆地，上古生界地層中天然氣資源量巨大，尤其在伊陜斜坡中(約占盆地天然氣總資源量的72%)，已發現并探明了榆林、子洲、米脂、烏審旗、大牛地和蘇里格6個大氣田，主要為煤系“廣覆式”生烴的低孔低滲砂巖巖性氣藏[1]。關于氣源巖，近年來的普遍研究目標是上石炭-下二疊統本溪組、太原組、山西組的煤系烴源巖以及暗色泥頁巖，部分學者猜測下古生界奧陶統氣藏也與上覆煤系地層生烴有關[2-3]。但是隨著奧陶系巖溶古地貌天然氣理論的深入研究發現，下古生界中下地層組合的天然氣藏距離煤系烴源巖較遠，中間還有厚層致密鹽巖層阻隔，且天然氣普遍同時存在煤型氣和油型氣的特征，低豐度海相碳酸鹽巖烴源巖的地球化學特征及生烴潛力分析逐漸引起研究人員的重視[4]。目前已有學者在盆地西部奧陶系臺緣相帶和盆地東部奧陶系鹽下發現了自生自儲型氣藏，并且針對鄂爾多斯盆地奧陶系馬家溝組鹽下碳酸鹽巖烴源巖進行了系統評價，認為其可以作為有效的產氣源巖[4-6]。

本次研究的目的層位上石炭統-下二疊統太原組形成于海侵期，覆蓋包括鄂爾多斯盆地、沁水盆地、南華北盆地和渤海灣盆地，其中受大華北地區平緩古地形影響，鄂爾多斯盆地晚石炭世-早二疊世以海陸交互相沉積為主，巖相和沉積厚度分布較穩定，海水進退波及范圍廣[7-9]；在頻繁的海水進退過程中，大面積暴露的濱岸地帶發育泥炭沼澤，構造穩定的區域淺水沉積環境控制著廣泛分布的煤系烴源巖。在二十多年的勘探歷程中，太原組在榆林、神木等大中型氣田中都有氣層發現[10]。隨著勘探程度加深，尋找新的勘探接替層系對長期穩產有著重要意義。近兩年來，太原組斜道段和毛兒溝段灰巖發現了中高產氣藏，勘探潛力較大。太原組煤系烴源巖以外的碳酸鹽巖能否作為產氣源巖已成為亟待解決的問題，也影響到太原組天然氣藏成藏過程及機制的確定[11]。為此，筆者綜合利用巖心觀察、薄片觀察、測井、錄井等資料與鄂爾多斯盆地中東部太原組灰巖地球化學特征資料，從巖石學和地球化學特征相結合的角度，探討鄂爾多斯盆地中東部碳酸鹽巖烴源巖的發育分布及生烴潛力特征，為研究區下一步天然氣勘探部署提供參考。

1 研究區概況

圖1 研究區太原組灰巖厚度圖Fig.1 Taiyuan Formation limestone thickness map of study area

鄂爾多斯盆地形態上看是一個東部寬緩西翼陡傾的不對稱矩形盆地，構造上可劃分伊盟隆起、晉西撓褶帶、伊陜斜坡、渭北隆起、天環坳陷以及西緣沖斷帶6個一級構造單元。研究區位于鄂爾多斯盆地中東部，地層表現為西傾的單斜構造，斷層不發育；主體位于伊陜斜坡內，部分地區位于晉西撓褶帶內。晚古生代時期，鄂爾多斯地區由于中亞-蒙古海槽和秦嶺海槽的海底擴張以及大洋板塊俯沖消減產生的遠程效應，形成了南北以加里東褶皺帶為界，東西祁連海與華北海相連的板內沉積盆地[12]。

鄂爾多斯盆地上石炭統-二疊系自下而上發育了上石炭統本溪組、下二疊統太原組、山西組、中二疊統石盒子組以及上二疊統石千峰組。其中下二疊統太原組，地層總厚度在30～60 m之間，灰巖一般厚10～40 m(見圖1)。太原組自下而上劃分為太2段及太1段[13]，根據四套海侵灰巖及區內廣泛分布的煤層，太1段又可劃分為東大窯段和斜道段，太2段劃分為毛兒溝段和廟溝段(見圖2)。從灰巖發育情況上看，研究區東大窯段灰巖分布范圍較為局限且厚度??；斜道段灰巖分布面積最廣且厚度最大；毛兒溝段灰巖厚度僅次于斜道段灰巖，分布范圍也較斜道灰巖小，常有缺失；廟溝段灰巖基本不發育，僅在部分地區分布且厚度極小。

圖2 鄂爾多斯盆地中東部太原組地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of Taiyuan Formation in middle and eastern Ordos Basin

關于鄂爾多斯盆地太原組沉積環境，前人已經做了很多工作[13-14]。該時期，盆地內海相沉積占主導地位，只有盆地北部部分地區地勢較高，以陸相沉積及海陸過渡相為主，發育沖積扇和三角洲沉積。銀川榆林以南，華北海與祁連海相通，形成了廣泛的海相沉積。其中盆地東西兩側部分地區，發育潟湖沉積、障壁島、淺海陸棚和濱淺海沉積。四周向中間逐漸過渡到潮坪相沉積，其中環縣以南主要為碳酸鹽潮坪，以北則是碳酸鹽潮坪與碎屑巖潮坪的混合潮坪沉積。

2 地化特征

2.1 有機質豐度

關于碳酸鹽巖的生烴潛力評價標準以及烴源巖有機質豐度下限的確定，國內外眾多研究者的觀點并不統一。GEHMAN[15]將在世界各地取得的1 400多個樣品進行分析，最終確定總有機碳含量(w(TOC))為0.3%作為碳酸鹽巖烴源巖的下限；TISSOT等[16]認可并沿用此觀點但指出碳酸鹽巖烴源巖在高成熟-過成熟階段，生干氣過程中，w(TOC)為0.3%只能反映殘余含量，而原始數量可能曾是它的兩倍以上。國內學者針對不同研究區，根據生排烴熱模擬實驗得到的地球化學數據，得出w(TOC)下限值從小于0.1%到0.5%不等，并認為不同熱演化階段應具有不同的w(TOC)下限：比如秦建中等[17]通過模擬實驗研究碳酸鹽巖烴源巖排烴量與有機碳含量的關系，確定高成熟-過成熟碳酸鹽巖烴源巖w(TOC)下限值為0.1%～0.25%；霍志鵬等[18]對塔中地區低豐度碳酸鹽巖烴源巖對油氣藏的相對貢獻進行了研究，將高成熟-過成熟的碳酸鹽巖烴源巖w(TOC)下限值定為0.15%～0.20%。TENGER等[19]運用微量元素、稀土元素以及碳同位素對鄂爾多斯下古生界碳酸鹽烴源巖進行研究，也認定w(TOC)為0.2%是一個重要的界限值。

表1總結了國內外已知典型碳酸鹽巖烴源巖的有機質豐度，對于碳酸鹽巖烴源巖豐度下限，有幾點是可以統一的：①全球碳酸鹽巖烴源巖除了白堊系的白堊灰巖外，其他層系的烴源巖w(TOC)平均值普遍在1.0%以下，說明碳酸鹽巖烴源巖貧有機質是全球普遍特征；②盡管有些碳酸鹽巖烴源巖w(TOC)平均值在0.4%(國內普遍接受的碳酸鹽巖烴源巖w(TOC)下限值)以下，但其仍然形成了商業油藏或商業氣藏，說明某些低有機質豐度的碳酸鹽巖烴源巖仍然具有不可忽視的烴源巖潛力；③總體來看，國外的碳酸鹽巖烴源巖有機質含量與國內相當，不存在國外碳酸鹽巖烴源巖w(TOC)較國內普遍高的說法。

本次研究共取了87個樣品進行巖石熱解分析和總有機碳測定?？紤]到實驗過程中酸洗水洗導致有機質隨酸解液流失可能致使實驗測得的有機碳含量偏低[2]，且實驗過程中確實存在該現象，故而選取w(TOC)為0.2%作為碳酸鹽巖有效烴源巖的下限值，且將w(TOC)小于0.4%評價為差烴源巖。

統計結果(見圖3)表明，太原組灰巖的有機質豐度較之泥頁巖、煤巖是偏低的：斜道段灰巖有機質豐度相對較高，w(TOC)平均值可達1.14%，生烴潛量(w(S1+S2))平均值可達0.48 mg/g；毛兒溝段次之，w(TOC)平均值可達0.63%，w(S1+S2)平均值可達0.27 mg/g；東大窯段最低，w(TOC)平均值0.42%，w(S1+S2)平均值只有0.16 mg/g；而廟溝段灰巖發育極少，本次研究只取得1個樣品，不具備普遍性，所以未作分析，不過該樣品的有機質豐度在太原組灰巖中屬于較高的。除此之外，斜道段、毛兒溝段、東大窯段的灰巖w(TOC)和w(S1+S2)的箱體底部差異不大，說明各段都有相當一部分的灰巖生烴潛力較差，下文將從巖相類型的角度來研究太原組灰巖的生烴潛力。

注：IQR是四分位距。圖3 太原組各段灰巖w(TOC)與w(S1+S2)關系散點圖及箱型圖Fig.3 Scatter diagram and box diagram of relationship between w(TOC)and w(S1+S2) in limestone of Taiyuan Formation

2.2 有機質成熟度

圖4 太原組灰巖有機質成熟度特征Fig.4 Organic matter maturity characteristics of Taiyuan Formation limestone

研究區自白堊紀以來經歷了長時間的抬升剝蝕，太原組現今埋藏深度在2 000～3 500 m之間，而歷史最大埋深可達4 000 m以上。通過巖石熱解實驗測得的熱解峰溫(Tmax)極高(見圖4(a))，雖然小部分樣品出現雙峰的特征，但是無論前峰還是后峰基本都在460 ℃以上，很明顯處于高-過成熟階段。為了驗證Tmax對有機質成熟度的判斷能力，又進行了鏡質體反射率(Ro)的測定。由于灰巖發育于海相沉積，故多數樣品采用瀝青反射率測定方法并進行等效換算。前人對鄂爾多斯盆地上古生界泥頁巖、煤層以及灰巖有機質成熟度的研究結果顯示，太原組Ro普遍在1.20%～2.0%之間[8-9,32-33]，說明鄂爾多斯盆地中東部太原組灰巖烴源巖總體上處于成熟階段末期-高成熟階段。

2.3 有機質類型

由于研究區樣品有機質成熟度偏高，巖石熱解參數Tmax普遍高于460 ℃，已無法運用熱解法通過氫指數(IH)與Tmax或者與氧指數(IO)的關系圖版來進行有機質類型的判定。所以本次研究主要利用偏光顯微鏡進行干酪根的組分鑒定，從而通過類型指數(IT)來進行有機質類型的判別。計算公式為[34]：

IT=(Cs×100+Ce×50-Cv×75-Ci×100)/100

式中：Cs為腐泥組含量；Ce為殼質組含量；Cv為鏡質組含量；Ci為惰質組含量。

評價標準為[34]：IT>80為Ⅰ型，40≤IT≤80為Ⅱ1型，0≤IT<40為Ⅱ2型，IT<0為Ⅲ型。

此次研究共挑選了29個樣品進行干酪根組分鑒定。從干酪根顯微組分鏡下照片(見圖5)以及干酪根組分-類型統計表(見表2)中可以看出，太原組灰巖干酪根類型主要以Ⅰ型為主，部分樣品出現Ⅱ型干酪根特征，屬于典型的混合輸入型，應當是水生生物與陸源高等植物并存。且在熱解實驗當中，多數樣品具有雙峰特征，這也側面表明太原組有機質來源具有海陸混源的特點，符合混合沉積潮坪相沉積特征。

注：(a)Q2井，2 564.10 m，無結構鏡質體，灰色，反射白光；(b)M154井，2 451.76 m，結構鏡質體，灰白色，反射白光；(c)Y16井，2 211.60 m，惰屑體，白色，反射白光；(d)Z4井，2 361.20 m，腐泥無定形<1 μm，灰色至灰黑色，反射白光；(e)Y36井，3 035.68 m，殼屑體，褐黃色，反射熒光；(f)Y36井，3 035.68 m，孢子體，褐黃色，反射熒光。圖5 鄂爾多斯盆地中東部太原組灰巖干酪根組分顯微圖片Fig.5 Microscopic images of kerogen components in limestone of Taiyuan Formation in middle and eastern Ordos Basin

3 巖相類型

3.1 巖石學特征

1)紋層狀泥質泥晶灰巖。顏色通常為深灰色和灰黑色(見圖6(a))，泥質含量較高，泥質以網狀黏土礦物為主，次為粒徑小于0.015 6 mm細碎屑及高嶺石等黏土礦物，黏土含量平均值可達24.71%，石英長石含量也較高，平均值18.88%，方解石含量平均值53.13%，同時黃鐵礦普遍發育。肉眼可見生屑，腕足類等碎屑通常具有定向排列的特征，常與其他巖相交互出現，主要分布在灰坪微相當中。鏡下通常表現為暗色，泥質結構，有機質殘體發育，呈紋層狀定向分布(見圖6(b)、(c))，孔隙以微孔為主。

2)塊狀泥晶灰巖。顏色一般呈灰色至深灰色(見圖6(d))，呈塊狀無明顯沉積構造，主要由泥晶方解石構成，方解石含量較高，平均值可達73.79%，黏土礦物含量平均值可達7.37%，同樣常見黃鐵礦發育。生屑含量較少，主要發育在灰坪相。鏡下整體一般呈灰色，隨有機質含量增加而變深，單個泥晶細小，難以分辨，通?？紫栋l育極差(見圖6(e)、(f))。

3)塊狀生屑泥晶灰巖。顏色一般呈灰色至深灰色(見圖6(g))，主要由泥晶方解石構成，方解石含量平均值為82.95%，黏土礦物平均值4.43%。常見生物碎屑，具生物擾動構造。研究區內主要生物化石有棘皮類、有孔蟲類和腕足類等，主要分布在生屑灘微相中。鏡下多見生物碎屑，如腕足類、棘皮類碎片，生屑間通常被泥晶-粉晶方解石充填，巖石溶蝕重結晶，局部見重結晶細、中晶方解石(見圖6(h)、(i))。

表2 鄂爾多斯盆地中東部太原組灰巖干酪根組分及類型統計表

4)塊狀藻凝塊灰巖。顏色一般呈淺灰色至灰色(見圖6(j))，部分樣品具有縫合線構造特征，主要發育分布在生物丘微相。粒屑以藻團粒和少量生物碎屑為主，均勻分布，碳酸鹽含量很高，泥質含量極低，部分灰巖白云巖化，白云石呈泥晶、粉晶狀，交代巖石，白云石含量平均值可達24.03%，方解石平均值70.50%，黏土礦物平均值僅2.13%。鏡下整體呈淺灰色，重結晶比較常見，常見藻團粒，部分生屑被泥晶-粉晶方解石充填，孔隙發育極差(見圖6(k)、(l))。

3.2 綜合巖相類型劃分

以Q71井為例(見圖7)，觀察井段2 848.50～2 865.10 m。整口井東大窯段灰巖及斜道段灰巖發育較好，毛兒溝段灰巖發育較少，廟溝段灰巖不發育。主要發育潮下帶的灰坪及生物丘沉積，灰巖巖性以藻凝塊灰巖及泥晶灰巖為主。其中東大窯段整體發育藻凝塊灰巖，有機質豐度極低，僅在底部發育厚度不大的泥巖。泥巖下部的斜道段灰巖以藻凝塊灰巖和塊狀泥晶灰巖、生屑泥晶灰巖為主。有機質豐度變化極大，相對于東大窯段灰巖有機質豐度明顯較高，其中以紋層狀泥質泥晶灰巖有機質豐度最高，塊狀泥晶灰巖次之。單井縱向灰巖分布特征說明，不同巖相的灰巖在有機質豐度和生烴潛力上存在差異。

通過不同巖相灰巖w(TOC)與w(S1+S2)關系圖版(見圖8)可以看出，紋層狀泥質泥晶灰巖有機質豐度最突出，w(TOC)分布范圍為0.99%～6.07%，平均值達2.56%，所有樣品都屬于優質烴源巖；塊狀泥晶灰巖次之，w(TOC)范圍為0.11%～8.27%，平均值達到1.44%，絕大部分樣品都屬于優質烴源巖；塊狀生屑泥晶灰巖有機質豐度分布范圍較大，說明潮下帶灰坪沉積環境有機質保存條件不穩定；塊狀藻凝塊灰巖有機質豐度最差，絕大多數樣品落入非-差烴源巖區間。通過分析4類巖相巖石學特征、有機質豐度(見圖8)及有機質類型(見表2)，可將鄂爾多斯盆地中東部太原組灰巖有機巖相分為4類：Ⅰ-Ⅱ型干酪根高有機質紋層狀泥質泥晶灰巖相、Ⅰ-Ⅱ型干酪根中-高有機質塊狀泥晶灰巖相、Ⅰ-Ⅱ型干酪根中有機質塊狀生屑泥晶灰巖相、Ⅰ型干酪根低有機質塊狀藻凝塊灰巖相。

注：(a)M154井，斜道段，2 452.90 m，深灰色紋層狀泥質泥晶灰巖與生屑灰巖互層；(b)M154井，斜道段，2 451.76 m(+)；(c)M154井，斜道段，2 457.66 m，泥質含量較高(+)；(d)J21井，斜道段，3 411.87 m，深灰色塊狀泥晶灰巖；(e)Y16井，斜道段，2 210.80 m，塊狀泥晶灰巖(+)；(f)Y93井，東大窯段，2 466.90 m，塊狀泥晶灰巖(+)；(g)M29井，斜道段，2 237.30 m，灰色塊狀生屑泥晶灰巖，腕足類化石；(h)M29井，斜道段，2 236.25 m，生屑泥晶灰巖，腕足類、棘皮類碎屑(+)；(i)M29井，斜道段，2 238.70 m，有孔蟲化石(-)；(j)Q71井，斜道段，2 851.67 m，淺灰色塊狀藻凝塊灰巖；(k)Q71井，東大窯段，2 851.30 m，重結晶作用(+)；(l)Q71井，東大窯段，2 850.30 m(+)。圖6 鄂爾多斯盆地太原組灰巖巖心照片及薄片照片Fig.6 Core and slice photos of Taiyuan Formation limestone in Ordos Basin

3.3 巖相分布特征

本次研究選取了多條剖面進行巖相分布預測，在此主要展示東西向與南北向兩條連井剖面圖(見圖9，剖面位置見圖10(d))，可以看出，東大窯段與廟溝段灰巖發育較差，主要為碎屑巖沉積，斜道段灰巖發育最好，毛兒溝段灰巖次之。

圖7 Q71井巖石學及地球化學綜合分析圖Fig.7 Comprehensive analysis of petrology and geochemistry in well Q71

圖8 太原組不同巖相灰巖w(TOC)與w(S1+S2)關系散點圖及箱型圖Fig.8 Scatter diagram and box diagram of relationship between w(TOC)and w(S1+S2)in different limestone lithofacies of Taiyuan Formation

通過多條巖相及有機地化單井評價以及連井剖面，描繪出鄂爾多斯盆地東部太原組灰巖巖相平面展布圖以及烴源巖厚度圖。其中東大窯段海侵范圍不大，灰巖發育較局限，且厚度薄，砂泥巖發育較多，有效烴源巖基本不發育(見圖10(a))；斜道段灰巖厚度大、分布廣，以Ⅰ-Ⅱ型干酪根中有機質塊狀生屑泥晶灰巖相和Ⅰ-Ⅱ型干酪根中-高有機質塊狀泥晶灰巖相為主，東北部發育高Ⅰ-Ⅱ型干酪根有機質紋層狀泥質泥晶灰巖相，是烴源巖發育的主要層段(見圖10(b))；毛兒溝段灰巖主要發育在研究區西部，向東厚度變小，逐漸變為砂泥巖沉積，以Ⅰ-Ⅱ型干酪根中有機質塊狀生屑泥晶灰巖相和Ⅰ型干酪根低有機質塊狀藻凝塊灰巖相為主，總體而言，有效烴源巖發育厚度較斜道段次之(見圖10(c))；廟溝段主要發育砂泥巖沉積，灰巖沉積較之東大窯段灰巖發育更為局限，未作詳細分析。通過單井有效烴源巖厚度統計及連井和平面預測，最終繪制出鄂爾多斯盆地中東部太原組烴源巖厚度預測圖(見圖10(d))。結果表明，研究區西部橫山地區及東部米脂、綏德地區雖然生烴有利巖相發育厚度不大，但灰巖沉積厚度大、巖相多變、有機質豐度并不低，故生烴潛力不俗；中部子洲、子長地區灰巖厚度不大，但以Ⅰ-Ⅱ型干酪根中-高有機質塊狀泥晶灰巖相為主，生烴厚度小，但生烴潛力不可小覷。

圖9 鄂爾多斯盆地中東部太原組灰巖巖相分布連井剖面圖Fig.9 Connecting well profile of limestone lithofacies distribution in Taiyuan Formation of middle and eastern Ordos Basin

4 結論

1)鄂爾多斯盆地中東部太原組灰巖有機質豐度較泥頁巖及煤層普遍較低，但是對比碳酸鹽巖烴源巖的評價標準，是具備成為有效烴源巖潛力的。其中斜道段灰巖有機質豐度最高，毛兒溝段次之。研究區為海陸混合潮坪沉積環境，灰巖有機質干酪根類型主要以Ⅰ型為主，部分樣品出現Ⅱ型干酪根特征。實驗樣品Tmax較高，絕大多數樣品Tmax均超過460 ℃，鏡質體反射率同樣反映出有機質普遍處于高成熟演化階段的特征。

圖10 鄂爾多斯盆地中東部太原組灰巖巖相展布特征及烴源巖厚度預測Fig.10 Distribution characteristics of limestone lithofacies and prediction of source rock thickness in Taiyuan Formation of middle and eastern Ordos Basin

2)根據地化實驗數據及樣品巖石學特征的綜合分析，將太原組灰巖分為4類巖相：Ⅰ-Ⅱ型干酪根高有機質紋層狀泥質泥晶灰巖相，Ⅰ-Ⅱ型干酪根中-高有機質塊狀泥晶灰巖相，Ⅰ-Ⅱ型干酪根中有機質塊狀生屑泥晶灰巖相以Ⅰ型干酪根及低有機質塊狀藻凝塊灰巖相；其中Ⅰ-Ⅱ型干酪根高有機質紋層狀泥質泥晶灰巖相殘存有機質豐度最高，為烴源巖發育最有利的巖相類型。

3)研究區碳酸鹽巖烴源巖發育主要集中在斜道段和毛兒溝段，中部廣大地區以Ⅰ-Ⅱ型干酪根中-高有機質塊狀泥晶灰巖相為主，烴源巖厚度不大；西部以中Ⅰ-Ⅱ型干酪根有機質塊狀生屑泥晶灰巖相為主，有效烴源巖厚度較大；東部灰巖沉積分布廣且厚度大，雖以Ⅰ干酪根低有機質塊狀藻凝塊灰巖為主，但巖相多變，有效烴源巖厚度不小。