鄂尔多斯盆地中东部太原组碳酸盐岩烃源岩岩相类型及地球化学特征

罗顺社，傅于恒，殷杰，代榕

1.非常规油气省部共建协同创新中心(长江大学)，湖北 武汉 430100 2.长江大学地球科学学院，湖北 武汉 430100 3.油气资源与勘探技术教育部重点实验室(长江大学)，湖北 武汉 430100

鄂尔多斯盆地是我国重要的含油气盆地，上古生界地层中天然气资源量巨大，尤其在伊陕斜坡中(约占盆地天然气总资源量的72%)，已发现并探明了榆林、子洲、米脂、乌审旗、大牛地和苏里格6个大气田，主要为煤系“广覆式”生烃的低孔低渗砂岩岩性气藏[1]。关于气源岩，近年来的普遍研究目标是上石炭-下二叠统本溪组、太原组、山西组的煤系烃源岩以及暗色泥页岩，部分学者猜测下古生界奥陶统气藏也与上覆煤系地层生烃有关[2-3]。但是随着奥陶系岩溶古地貌天然气理论的深入研究发现，下古生界中下地层组合的天然气藏距离煤系烃源岩较远，中间还有厚层致密盐岩层阻隔，且天然气普遍同时存在煤型气和油型气的特征，低丰度海相碳酸盐岩烃源岩的地球化学特征及生烃潜力分析逐渐引起研究人员的重视[4]。目前已有学者在盆地西部奥陶系台缘相带和盆地东部奥陶系盐下发现了自生自储型气藏，并且针对鄂尔多斯盆地奥陶系马家沟组盐下碳酸盐岩烃源岩进行了系统评价，认为其可以作为有效的产气源岩[4-6]。

本次研究的目的层位上石炭统-下二叠统太原组形成于海侵期，覆盖包括鄂尔多斯盆地、沁水盆地、南华北盆地和渤海湾盆地，其中受大华北地区平缓古地形影响，鄂尔多斯盆地晚石炭世-早二叠世以海陆交互相沉积为主，岩相和沉积厚度分布较稳定，海水进退波及范围广[7-9]；在频繁的海水进退过程中，大面积暴露的滨岸地带发育泥炭沼泽，构造稳定的区域浅水沉积环境控制着广泛分布的煤系烃源岩。在二十多年的勘探历程中，太原组在榆林、神木等大中型气田中都有气层发现[10]。随着勘探程度加深，寻找新的勘探接替层系对长期稳产有着重要意义。近两年来，太原组斜道段和毛儿沟段灰岩发现了中高产气藏，勘探潜力较大。太原组煤系烃源岩以外的碳酸盐岩能否作为产气源岩已成为亟待解决的问题，也影响到太原组天然气藏成藏过程及机制的确定[11]。为此，笔者综合利用岩心观察、薄片观察、测井、录井等资料与鄂尔多斯盆地中东部太原组灰岩地球化学特征资料，从岩石学和地球化学特征相结合的角度，探讨鄂尔多斯盆地中东部碳酸盐岩烃源岩的发育分布及生烃潜力特征，为研究区下一步天然气勘探部署提供参考。

1 研究区概况

图1 研究区太原组灰岩厚度图Fig.1 Taiyuan Formation limestone thickness map of study area

鄂尔多斯盆地形态上看是一个东部宽缓西翼陡倾的不对称矩形盆地，构造上可划分伊盟隆起、晋西挠褶带、伊陕斜坡、渭北隆起、天环坳陷以及西缘冲断带6个一级构造单元。研究区位于鄂尔多斯盆地中东部，地层表现为西倾的单斜构造，断层不发育；主体位于伊陕斜坡内，部分地区位于晋西挠褶带内。晚古生代时期，鄂尔多斯地区由于中亚-蒙古海槽和秦岭海槽的海底扩张以及大洋板块俯冲消减产生的远程效应，形成了南北以加里东褶皱带为界，东西祁连海与华北海相连的板内沉积盆地[12]。

鄂尔多斯盆地上石炭统-二叠系自下而上发育了上石炭统本溪组、下二叠统太原组、山西组、中二叠统石盒子组以及上二叠统石千峰组。其中下二叠统太原组，地层总厚度在30～60 m之间，灰岩一般厚10～40 m(见图1)。太原组自下而上划分为太2段及太1段[13]，根据四套海侵灰岩及区内广泛分布的煤层，太1段又可划分为东大窑段和斜道段，太2段划分为毛儿沟段和庙沟段(见图2)。从灰岩发育情况上看，研究区东大窑段灰岩分布范围较为局限且厚度薄；斜道段灰岩分布面积最广且厚度最大；毛儿沟段灰岩厚度仅次于斜道段灰岩，分布范围也较斜道灰岩小，常有缺失；庙沟段灰岩基本不发育，仅在部分地区分布且厚度极小。

图2 鄂尔多斯盆地中东部太原组地层综合柱状图Fig.2 Comprehensive histogram of Taiyuan Formation in middle and eastern Ordos Basin

关于鄂尔多斯盆地太原组沉积环境，前人已经做了很多工作[13-14]。该时期，盆地内海相沉积占主导地位，只有盆地北部部分地区地势较高，以陆相沉积及海陆过渡相为主，发育冲积扇和三角洲沉积。银川榆林以南，华北海与祁连海相通，形成了广泛的海相沉积。其中盆地东西两侧部分地区，发育潟湖沉积、障壁岛、浅海陆棚和滨浅海沉积。四周向中间逐渐过渡到潮坪相沉积，其中环县以南主要为碳酸盐潮坪，以北则是碳酸盐潮坪与碎屑岩潮坪的混合潮坪沉积。

2 地化特征

2.1 有机质丰度

关于碳酸盐岩的生烃潜力评价标准以及烃源岩有机质丰度下限的确定，国内外众多研究者的观点并不统一。GEHMAN[15]将在世界各地取得的1 400多个样品进行分析，最终确定总有机碳含量(w(TOC))为0.3%作为碳酸盐岩烃源岩的下限；TISSOT等[16]认可并沿用此观点但指出碳酸盐岩烃源岩在高成熟-过成熟阶段，生干气过程中，w(TOC)为0.3%只能反映残余含量，而原始数量可能曾是它的两倍以上。国内学者针对不同研究区，根据生排烃热模拟实验得到的地球化学数据，得出w(TOC)下限值从小于0.1%到0.5%不等，并认为不同热演化阶段应具有不同的w(TOC)下限：比如秦建中等[17]通过模拟实验研究碳酸盐岩烃源岩排烃量与有机碳含量的关系，确定高成熟-过成熟碳酸盐岩烃源岩w(TOC)下限值为0.1%～0.25%；霍志鹏等[18]对塔中地区低丰度碳酸盐岩烃源岩对油气藏的相对贡献进行了研究，将高成熟-过成熟的碳酸盐岩烃源岩w(TOC)下限值定为0.15%～0.20%。TENGER等[19]运用微量元素、稀土元素以及碳同位素对鄂尔多斯下古生界碳酸盐烃源岩进行研究，也认定w(TOC)为0.2%是一个重要的界限值。

表1总结了国内外已知典型碳酸盐岩烃源岩的有机质丰度，对于碳酸盐岩烃源岩丰度下限，有几点是可以统一的：①全球碳酸盐岩烃源岩除了白垩系的白垩灰岩外，其他层系的烃源岩w(TOC)平均值普遍在1.0%以下，说明碳酸盐岩烃源岩贫有机质是全球普遍特征；②尽管有些碳酸盐岩烃源岩w(TOC)平均值在0.4%(国内普遍接受的碳酸盐岩烃源岩w(TOC)下限值)以下，但其仍然形成了商业油藏或商业气藏，说明某些低有机质丰度的碳酸盐岩烃源岩仍然具有不可忽视的烃源岩潜力；③总体来看，国外的碳酸盐岩烃源岩有机质含量与国内相当，不存在国外碳酸盐岩烃源岩w(TOC)较国内普遍高的说法。

本次研究共取了87个样品进行岩石热解分析和总有机碳测定。考虑到实验过程中酸洗水洗导致有机质随酸解液流失可能致使实验测得的有机碳含量偏低[2]，且实验过程中确实存在该现象，故而选取w(TOC)为0.2%作为碳酸盐岩有效烃源岩的下限值，且将w(TOC)小于0.4%评价为差烃源岩。

统计结果(见图3)表明，太原组灰岩的有机质丰度较之泥页岩、煤岩是偏低的：斜道段灰岩有机质丰度相对较高，w(TOC)平均值可达1.14%，生烃潜量(w(S1+S2))平均值可达0.48 mg/g；毛儿沟段次之，w(TOC)平均值可达0.63%，w(S1+S2)平均值可达0.27 mg/g；东大窑段最低，w(TOC)平均值0.42%，w(S1+S2)平均值只有0.16 mg/g；而庙沟段灰岩发育极少，本次研究只取得1个样品，不具备普遍性，所以未作分析，不过该样品的有机质丰度在太原组灰岩中属于较高的。除此之外，斜道段、毛儿沟段、东大窑段的灰岩w(TOC)和w(S1+S2)的箱体底部差异不大，说明各段都有相当一部分的灰岩生烃潜力较差，下文将从岩相类型的角度来研究太原组灰岩的生烃潜力。

注：IQR是四分位距。图3 太原组各段灰岩w(TOC)与w(S1+S2)关系散点图及箱型图Fig.3 Scatter diagram and box diagram of relationship between w(TOC)and w(S1+S2) in limestone of Taiyuan Formation

2.2 有机质成熟度

图4 太原组灰岩有机质成熟度特征Fig.4 Organic matter maturity characteristics of Taiyuan Formation limestone

研究区自白垩纪以来经历了长时间的抬升剥蚀，太原组现今埋藏深度在2 000～3 500 m之间，而历史最大埋深可达4 000 m以上。通过岩石热解实验测得的热解峰温(Tmax)极高(见图4(a))，虽然小部分样品出现双峰的特征，但是无论前峰还是后峰基本都在460 ℃以上，很明显处于高-过成熟阶段。为了验证Tmax对有机质成熟度的判断能力，又进行了镜质体反射率(Ro)的测定。由于灰岩发育于海相沉积，故多数样品采用沥青反射率测定方法并进行等效换算。前人对鄂尔多斯盆地上古生界泥页岩、煤层以及灰岩有机质成熟度的研究结果显示，太原组Ro普遍在1.20%～2.0%之间[8-9,32-33]，说明鄂尔多斯盆地中东部太原组灰岩烃源岩总体上处于成熟阶段末期-高成熟阶段。

2.3 有机质类型

由于研究区样品有机质成熟度偏高，岩石热解参数Tmax普遍高于460 ℃，已无法运用热解法通过氢指数(IH)与Tmax或者与氧指数(IO)的关系图版来进行有机质类型的判定。所以本次研究主要利用偏光显微镜进行干酪根的组分鉴定，从而通过类型指数(IT)来进行有机质类型的判别。计算公式为[34]：

IT=(Cs×100+Ce×50-Cv×75-Ci×100)/100

式中：Cs为腐泥组含量；Ce为壳质组含量；Cv为镜质组含量；Ci为惰质组含量。

评价标准为[34]：IT>80为Ⅰ型，40≤IT≤80为Ⅱ1型，0≤IT<40为Ⅱ2型，IT<0为Ⅲ型。

此次研究共挑选了29个样品进行干酪根组分鉴定。从干酪根显微组分镜下照片(见图5)以及干酪根组分-类型统计表(见表2)中可以看出，太原组灰岩干酪根类型主要以Ⅰ型为主，部分样品出现Ⅱ型干酪根特征，属于典型的混合输入型，应当是水生生物与陆源高等植物并存。且在热解实验当中，多数样品具有双峰特征，这也侧面表明太原组有机质来源具有海陆混源的特点，符合混合沉积潮坪相沉积特征。

注：(a)Q2井，2 564.10 m，无结构镜质体，灰色，反射白光；(b)M154井，2 451.76 m，结构镜质体，灰白色，反射白光；(c)Y16井，2 211.60 m，惰屑体，白色，反射白光；(d)Z4井，2 361.20 m，腐泥无定形<1 μm，灰色至灰黑色，反射白光；(e)Y36井，3 035.68 m，壳屑体，褐黄色，反射荧光；(f)Y36井，3 035.68 m，孢子体，褐黄色，反射荧光。图5 鄂尔多斯盆地中东部太原组灰岩干酪根组分显微图片Fig.5 Microscopic images of kerogen components in limestone of Taiyuan Formation in middle and eastern Ordos Basin

3 岩相类型

3.1 岩石学特征

1)纹层状泥质泥晶灰岩。颜色通常为深灰色和灰黑色(见图6(a))，泥质含量较高，泥质以网状黏土矿物为主，次为粒径小于0.015 6 mm细碎屑及高岭石等黏土矿物，黏土含量平均值可达24.71%，石英长石含量也较高，平均值18.88%，方解石含量平均值53.13%，同时黄铁矿普遍发育。肉眼可见生屑，腕足类等碎屑通常具有定向排列的特征，常与其他岩相交互出现，主要分布在灰坪微相当中。镜下通常表现为暗色，泥质结构，有机质残体发育，呈纹层状定向分布(见图6(b)、(c))，孔隙以微孔为主。

2)块状泥晶灰岩。颜色一般呈灰色至深灰色(见图6(d))，呈块状无明显沉积构造，主要由泥晶方解石构成，方解石含量较高，平均值可达73.79%，黏土矿物含量平均值可达7.37%，同样常见黄铁矿发育。生屑含量较少，主要发育在灰坪相。镜下整体一般呈灰色，随有机质含量增加而变深，单个泥晶细小，难以分辨，通常孔隙发育极差(见图6(e)、(f))。

3)块状生屑泥晶灰岩。颜色一般呈灰色至深灰色(见图6(g))，主要由泥晶方解石构成，方解石含量平均值为82.95%，黏土矿物平均值4.43%。常见生物碎屑，具生物扰动构造。研究区内主要生物化石有棘皮类、有孔虫类和腕足类等，主要分布在生屑滩微相中。镜下多见生物碎屑，如腕足类、棘皮类碎片，生屑间通常被泥晶-粉晶方解石充填，岩石溶蚀重结晶，局部见重结晶细、中晶方解石(见图6(h)、(i))。

表2 鄂尔多斯盆地中东部太原组灰岩干酪根组分及类型统计表

4)块状藻凝块灰岩。颜色一般呈浅灰色至灰色(见图6(j))，部分样品具有缝合线构造特征，主要发育分布在生物丘微相。粒屑以藻团粒和少量生物碎屑为主，均匀分布，碳酸盐含量很高，泥质含量极低，部分灰岩白云岩化，白云石呈泥晶、粉晶状，交代岩石，白云石含量平均值可达24.03%，方解石平均值70.50%，黏土矿物平均值仅2.13%。镜下整体呈浅灰色，重结晶比较常见，常见藻团粒，部分生屑被泥晶-粉晶方解石充填，孔隙发育极差(见图6(k)、(l))。

3.2 综合岩相类型划分

以Q71井为例(见图7)，观察井段2 848.50～2 865.10 m。整口井东大窑段灰岩及斜道段灰岩发育较好，毛儿沟段灰岩发育较少，庙沟段灰岩不发育。主要发育潮下带的灰坪及生物丘沉积，灰岩岩性以藻凝块灰岩及泥晶灰岩为主。其中东大窑段整体发育藻凝块灰岩，有机质丰度极低，仅在底部发育厚度不大的泥岩。泥岩下部的斜道段灰岩以藻凝块灰岩和块状泥晶灰岩、生屑泥晶灰岩为主。有机质丰度变化极大，相对于东大窑段灰岩有机质丰度明显较高，其中以纹层状泥质泥晶灰岩有机质丰度最高，块状泥晶灰岩次之。单井纵向灰岩分布特征说明，不同岩相的灰岩在有机质丰度和生烃潜力上存在差异。

通过不同岩相灰岩w(TOC)与w(S1+S2)关系图版(见图8)可以看出，纹层状泥质泥晶灰岩有机质丰度最突出，w(TOC)分布范围为0.99%～6.07%，平均值达2.56%，所有样品都属于优质烃源岩；块状泥晶灰岩次之，w(TOC)范围为0.11%～8.27%，平均值达到1.44%，绝大部分样品都属于优质烃源岩；块状生屑泥晶灰岩有机质丰度分布范围较大，说明潮下带灰坪沉积环境有机质保存条件不稳定；块状藻凝块灰岩有机质丰度最差，绝大多数样品落入非-差烃源岩区间。通过分析4类岩相岩石学特征、有机质丰度(见图8)及有机质类型(见表2)，可将鄂尔多斯盆地中东部太原组灰岩有机岩相分为4类：Ⅰ-Ⅱ型干酪根高有机质纹层状泥质泥晶灰岩相、Ⅰ-Ⅱ型干酪根中-高有机质块状泥晶灰岩相、Ⅰ-Ⅱ型干酪根中有机质块状生屑泥晶灰岩相、Ⅰ型干酪根低有机质块状藻凝块灰岩相。

注：(a)M154井，斜道段，2 452.90 m，深灰色纹层状泥质泥晶灰岩与生屑灰岩互层；(b)M154井，斜道段，2 451.76 m(+)；(c)M154井，斜道段，2 457.66 m，泥质含量较高(+)；(d)J21井，斜道段，3 411.87 m，深灰色块状泥晶灰岩；(e)Y16井，斜道段，2 210.80 m，块状泥晶灰岩(+)；(f)Y93井，东大窑段，2 466.90 m，块状泥晶灰岩(+)；(g)M29井，斜道段，2 237.30 m，灰色块状生屑泥晶灰岩，腕足类化石；(h)M29井，斜道段，2 236.25 m，生屑泥晶灰岩，腕足类、棘皮类碎屑(+)；(i)M29井，斜道段，2 238.70 m，有孔虫化石(-)；(j)Q71井，斜道段，2 851.67 m，浅灰色块状藻凝块灰岩；(k)Q71井，东大窑段，2 851.30 m，重结晶作用(+)；(l)Q71井，东大窑段，2 850.30 m(+)。图6 鄂尔多斯盆地太原组灰岩岩心照片及薄片照片Fig.6 Core and slice photos of Taiyuan Formation limestone in Ordos Basin

3.3 岩相分布特征

本次研究选取了多条剖面进行岩相分布预测，在此主要展示东西向与南北向两条连井剖面图(见图9，剖面位置见图10(d))，可以看出，东大窑段与庙沟段灰岩发育较差，主要为碎屑岩沉积，斜道段灰岩发育最好，毛儿沟段灰岩次之。

图7 Q71井岩石学及地球化学综合分析图Fig.7 Comprehensive analysis of petrology and geochemistry in well Q71

图8 太原组不同岩相灰岩w(TOC)与w(S1+S2)关系散点图及箱型图Fig.8 Scatter diagram and box diagram of relationship between w(TOC)and w(S1+S2)in different limestone lithofacies of Taiyuan Formation

通过多条岩相及有机地化单井评价以及连井剖面，描绘出鄂尔多斯盆地东部太原组灰岩岩相平面展布图以及烃源岩厚度图。其中东大窑段海侵范围不大，灰岩发育较局限，且厚度薄，砂泥岩发育较多，有效烃源岩基本不发育(见图10(a))；斜道段灰岩厚度大、分布广，以Ⅰ-Ⅱ型干酪根中有机质块状生屑泥晶灰岩相和Ⅰ-Ⅱ型干酪根中-高有机质块状泥晶灰岩相为主，东北部发育高Ⅰ-Ⅱ型干酪根有机质纹层状泥质泥晶灰岩相，是烃源岩发育的主要层段(见图10(b))；毛儿沟段灰岩主要发育在研究区西部，向东厚度变小，逐渐变为砂泥岩沉积，以Ⅰ-Ⅱ型干酪根中有机质块状生屑泥晶灰岩相和Ⅰ型干酪根低有机质块状藻凝块灰岩相为主，总体而言，有效烃源岩发育厚度较斜道段次之(见图10(c))；庙沟段主要发育砂泥岩沉积，灰岩沉积较之东大窑段灰岩发育更为局限，未作详细分析。通过单井有效烃源岩厚度统计及连井和平面预测，最终绘制出鄂尔多斯盆地中东部太原组烃源岩厚度预测图(见图10(d))。结果表明，研究区西部横山地区及东部米脂、绥德地区虽然生烃有利岩相发育厚度不大，但灰岩沉积厚度大、岩相多变、有机质丰度并不低，故生烃潜力不俗；中部子洲、子长地区灰岩厚度不大，但以Ⅰ-Ⅱ型干酪根中-高有机质块状泥晶灰岩相为主，生烃厚度小，但生烃潜力不可小觑。

图9 鄂尔多斯盆地中东部太原组灰岩岩相分布连井剖面图Fig.9 Connecting well profile of limestone lithofacies distribution in Taiyuan Formation of middle and eastern Ordos Basin

4 结论

1)鄂尔多斯盆地中东部太原组灰岩有机质丰度较泥页岩及煤层普遍较低，但是对比碳酸盐岩烃源岩的评价标准，是具备成为有效烃源岩潜力的。其中斜道段灰岩有机质丰度最高，毛儿沟段次之。研究区为海陆混合潮坪沉积环境，灰岩有机质干酪根类型主要以Ⅰ型为主，部分样品出现Ⅱ型干酪根特征。实验样品Tmax较高，绝大多数样品Tmax均超过460 ℃，镜质体反射率同样反映出有机质普遍处于高成熟演化阶段的特征。

图10 鄂尔多斯盆地中东部太原组灰岩岩相展布特征及烃源岩厚度预测Fig.10 Distribution characteristics of limestone lithofacies and prediction of source rock thickness in Taiyuan Formation of middle and eastern Ordos Basin

2)根据地化实验数据及样品岩石学特征的综合分析，将太原组灰岩分为4类岩相：Ⅰ-Ⅱ型干酪根高有机质纹层状泥质泥晶灰岩相，Ⅰ-Ⅱ型干酪根中-高有机质块状泥晶灰岩相，Ⅰ-Ⅱ型干酪根中有机质块状生屑泥晶灰岩相以Ⅰ型干酪根及低有机质块状藻凝块灰岩相；其中Ⅰ-Ⅱ型干酪根高有机质纹层状泥质泥晶灰岩相残存有机质丰度最高，为烃源岩发育最有利的岩相类型。

3)研究区碳酸盐岩烃源岩发育主要集中在斜道段和毛儿沟段，中部广大地区以Ⅰ-Ⅱ型干酪根中-高有机质块状泥晶灰岩相为主，烃源岩厚度不大；西部以中Ⅰ-Ⅱ型干酪根有机质块状生屑泥晶灰岩相为主，有效烃源岩厚度较大；东部灰岩沉积分布广且厚度大，虽以Ⅰ干酪根低有机质块状藻凝块灰岩为主，但岩相多变，有效烃源岩厚度不小。