0 引言
四川盆地中二叠统油气勘探始于20世纪50年代，距今已有近70年的勘探历程。勘探早期，以川南—川东地区为主战场，以裂缝型、缝洞型灰岩岩溶气藏为主，逐渐形成了断裂、构造控藏的地质认识和“三占、三沿”布井模式，虽然发现了隆10井、自2井等一批高产井，但由于储集体分布不具规模性，储集层不具连通性，以至于中二叠统勘探一直难有新的突破［1-4］。20世纪70年代女基井、女深1井的获产，拉开了川中地区中二叠统的勘探序幕。随后川中地区钻探了女深5井、广参2井、涞1井及潼4井等一批新井，但中二叠统均未获得高产工业气流。20世纪90年代，川西南部地区周公1井在中二叠统钻遇厚层优质白云岩储层，开启了中二叠统灰岩、白云岩并举的勘探历程［5-6］。2014年，川西北双探1井、川中南充1井及磨溪39井均在中二叠统钻遇厚层白云岩，并获得高产工业气流，为中二叠统的白云岩孔隙型储层大规模勘探奠定了基础［7-8］。截至目前，川西北双鱼石地区已提交三级储量1 312.18×108 m3，川中高磨地区累计提交控制储量843.89×108 m3。2020年，川中地区角探1井茅口组钻遇18 m孔隙型白云岩储层，测试产气112.8×104 m3［9-10］；高石001-X45井栖霞组钻遇7 m孔隙型白云岩储层，测试产气161.91×104 m3，这2口井的勘探突破，再一次证实了川中地区中二叠统孔隙型白云岩储层良好的勘探前景。据第四次油气资源评价统计，四川盆地中二叠统常规气待发现资源量约为2.7×1012 m3，探明率仅为4.1%，中二叠统天然气储量丰富，目前需要解决的问题是明确勘探部署方向。
烃源岩作为油气勘探部署的一个重要影响因素，一直以来受到研究者的广泛关注。目前众多学者通过大量气源对比分析实验，认为川中地区中二叠统天然气大多表现出混源气的特征，并非单一层系烃源岩供烃，具体来源大致追溯至3个层系，分别为下寒武统烃源岩、下志留统烃源岩以及中二叠统栖霞组、茅口组自身的烃源岩［11-16］。下寒武统和下志留统作为四川盆地震旦系—古生界海相天然气的主力供烃层系，经过多年的研究工作，目前的研究程度较高，而中二叠统栖霞组和茅口组烃源岩研究程度较低。前人［6，17］针对川中地区栖霞组和茅口组天然气碳同位素分析，部分气样明显区别于下伏寒武系龙王庙组，如磨溪31X1井栖霞组气样、南充3井茅口组气样，认为中二叠统烃源在部分地区存在着较大贡献；与此同时大庆油田于2019年在潼探1井茅一段获得高产工业气流，并且认为茅一段为“自生自储”型气藏［18-19］，也证实了中二叠统烃源岩具有较强的生烃潜力，因此有必要对其开展进一步评价。
结合目前的勘探进展，进一步明确川中地区中二叠统烃源岩的品质、展布以及生烃潜力，探寻中二叠统栖霞组和茅口组烃源岩的良好供烃区，对川中地区中二叠统天然气勘探部署具有很强的现实意义。笔者在大量实验数据的支撑下，对川中地区中二叠统海相烃源岩的地球化学特征及展布进行分析，最终对其生烃潜力进行评价，以期对川中地区中二叠统天然气勘探提供借鉴。
1 地质概况
川中地区指四川盆地中部，主要为南充、遂宁、广安市所辖区域，其构造上属于川中古隆起平缓褶皱带，位于华蓥山深大断裂带西部（图1）。川中古隆起受加里东构造运动的影响，古隆起之上志留系、奥陶系、寒武系及震旦系受到不同程度的剥蚀夷平［20］，使得二叠系沉积在不同地层之上。二叠纪初期，地壳全面下沉，海平面开始缓慢上升，大规模海侵导致盆地内发育的以铝土质页岩和泥灰岩为主的梁山组覆盖在不同的地层之上。中二叠世，广泛的大规模海侵到来，碳酸盐岩在川中地区古隆起之上广泛沉积，宏观上地层厚度变化较为平稳［21］，川中地区栖霞组沉积早期以较深水开阔台地相沉积为主，中晚期主要以浅水开阔台地相沉积为主，台内颗粒滩发育。栖霞组整体沉积地层厚度介于90~135 m之间，自下而上分别可划分为2段：栖一段岩性以深灰色泥晶灰岩为主，泥质含量较高；栖二段以生屑灰岩和白云岩为主。川中地区茅口组早期以缓坡相沉积为主［19］，中晚期以开阔台地沉积为主。茅口期整体沉积地层厚度为120~360 m，自下而上可划分为4段：茅一段底部发育中—薄层状深灰色泥质灰岩夹薄层泥质条带，发育眼球眼皮状构造，上部发育厚层深灰色泥质灰岩；茅二段岩性以灰色灰岩、浅灰色生物灰岩以及白云岩为主，局部含燧石团块或结核；茅三段主要发育浅灰色或灰白色亮晶生屑灰岩；茅四段发育泥晶灰岩（图1）。茅口组沉积末期受东吴运动的影响，川中地区茅四段遭受不同程度的抬升剥蚀［22］，局部地区残留有茅四段。
2 烃源岩地球化学特征
2.1 样品采集与分析方法
针对川中地区角探1井、蓬探1井、广探2井、南充8井等9口井的岩心或岩屑采集样品165块次（图1），取样层位分别为中二叠统栖霞组和茅口组，单井采样间隔为2~6 m，主要选取深灰色泥岩或泥灰岩段。完成的实验分析包括烃源岩总有机碳（TOC）含量测定、饱和烃芳烃色谱质谱分析以及干酪根碳同位素分析。烃源岩TOC含量利用CS-230碳硫分析仪测定，在成都理工大学油气藏地质及开发工程国家重点实验室完成。干酪根碳同位素利用Finngan MAT-252同位素质谱仪测试分析，GC/MS利用Agilent 7890-5975c 气相色谱质谱联用仪测试，均在中国石油大学重质油国家重点实验室分析测试中心（北京）完成。
样品制备及实验分析步骤：首先将岩样清晰除污并粉碎至100目后，对其开展TOC测试分析，在此基础上，选择有效烃源岩样品用氯仿溶剂进行索氏抽提。对可溶有机质用柱层析法分离，其中饱和烃组分用正乙烷分离，芳烃组分用二氯甲烷分离，对分离结果作GC/MS分析。对岩样抽提后的残渣样品利用盐酸进行了矿物分离处理，获取干酪根，测定其碳同位素。
GC分析条件：载气，99.999%氦气；进样口，300 ℃；传输线，300 ℃；色谱柱，HP-5MS弹性石英毛细柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm）；柱温，初温50 ℃，持续1 min；以20 ℃/min速率升温至120 ℃，以4 ℃/min速率升至250 ℃，再以3 ℃/min速率升至310 ℃保持30 min；载气流速，1 mL/min。
MS分析条件：EI源，70 eV；灯丝电流，100 μA；倍增器电压，1 200 V。
2.2 烃源岩有机质丰度
川中地区中二叠统烃源岩现今成熟度R O值主要介于2.2%~2.8%之间 1，为过成熟烃源岩，已经大量生烃，烃源岩热解生烃潜力只是其残余生烃潜力，并非其原始生烃潜力［23-26］。因此，本文以烃源岩总有机碳含量为评价指标评价中二叠统栖霞组和茅口组烃源岩的有机质丰度。依据高演化海相碳酸盐岩烃源岩TOC含量划分标准［27-28］，对采集的130余个岩心及岩屑样品的总有机碳含量进行了分析，结果表明，TOC含量分布范围在0.33%~2.21%之间。其中，栖霞组灰岩样品TOC含量介于0.33%~1.78%之间，有70%左右的实测样品TOC含量达到烃源岩标准（TOC>0.5%），平均值为0.71%；茅口组灰岩样品TOC含量介于0.39%~2.31%之间，有75%左右的实测样品TOC含量达到烃源岩标准（TOC>0.5%），平均值为0.77%。
川中地区中二叠统2套海相碳酸盐岩烃源岩中，茅口组烃源岩TOC含量多介于0.5%~1.5%之间，最高值为2.21%；栖霞组有近半数的样品TOC含量未达到烃源岩标准（TOC>0.5%），其TOC值多介于0.2%~0.7%之间，最高值为1.78%，总体来看，川中地区中二叠统烃源岩均为差—中等烃源岩，但整体上茅口组烃源岩品质优于栖霞组（图2）。
2.3 烃源岩有机质类型
反映烃源岩有机质类型的各种常规地球化学指标受成熟度的影响较大，如干酪根的 H/C 原子比在高过成熟阶段普遍小于 0.7，热解氢指数（I H）普遍小于 50 mg/g，难以区分不同层系海相烃源岩的母质类型。而沉积有机质中稳定碳同位素组成主要继承了原始生物母质，并且受成熟度作用的影响较小，可用于烃源岩有机质类型划分［23， 29］，因此，采用干酪根稳定碳同位素作为川中地区中二叠统海相烃源岩有机质判别的主要依据。川中地区茅口组烃源岩干酪根碳同位素δ13C=-32.3‰~-26.3‰，平均为-28.4‰；川中地区栖霞组烃源岩干酪根碳同位素δ13C=-29.3‰~-26.1‰，平均为-27.9‰（图3）。根据前人［30-31］提出的高—过成熟区域同位素划分有机质类型的方案，认为研究区栖霞组和茅口组烃源岩干酪根碳同位素类型以Ⅱ1型为主，Ⅱ2型次之，个别样品属于Ⅰ型干酪根。
2.4 生物标志化合物
川中地区中二叠统烃源岩甾烷类化合物丰度较高，其中C21孕甾烷与C22升孕甾烷的比值可以用来反映成熟度，C21/C22值介于1.08~1.96之间，平均为1.51，反映出川中地区中二叠统烃源岩为过成熟；规则甾烷C27、C28和C29呈现出L形分布， C27胆甾烷占明显优势（图5）。前人研究认为，C27胆甾烷优势主要与低等水生生物和藻类有机质的输入有关，而 C29胆甾烷优势则与陆生高等植物或藻类来源有关［36］，但随着埋深增加，C29规则甾烷会随着温度升高逐渐发生脱甲基作用，造成C27/C29值升高［37］，张渠等［38］通过实验证实，C27/C29值与成熟度密切相关。研究区过成熟状态下的规则甾烷分布具有趋同性，其相对含量并不能准确地反映有机质的输入类型。重排藿烷Ts和Tm的比值随成熟度的变化而变化，成熟度越高，比值越大，是用来反映有机质热演化程度的参数［39］，本文实验中Ts/Tm值介于0.98~1.35之间，也反映出川中地区中二叠统烃源岩成熟度高。伽马蜡烷/藿烷值介于0.09~0.19之间，依据MOLDOWAN等［40］提出的沉积环境水体盐度评价标准，认为川中地区中二叠统沉积时为具有一定盐度的沉积水体环境（图5）。
3 烃源岩展布特征
3.1 烃源岩测井响应特征
为了详细刻画川中地区烃源岩的展布特征，并进一步评价其生烃潜力，笔者基于实测TOC含量数据，分析烃源岩TOC含量在测井曲线上的特殊响应特征，建立烃源岩TOC含量与测井资料间的定量关系模型，进而对川中地区开展测井预测。
前人研究认为，烃源岩TOC含量与不同测井曲线的响应程度不同，烃源岩TOC含量与自然伽马（GR）、声波时差（AC）、中子孔隙度（CNL）及电阻率（RT/RXO）呈现正相关，与密度（DEN）呈现负相关［41］。但由于碳酸盐岩的非均质性，并非所有的烃源岩与测井参数都能表现出很好的对应关系。因此，准确计算烃源岩TOC含量需要综合考量多种测井信息，提取TOC含量敏感参数，构建TOC含量与测井参数间的定量关系。
对川中地区中二叠统烃源岩与测井曲线响应关系比较结果表明（图6），川中地区烃源岩TOC含量与自然伽马（GR）和声波时差（AC）相关性最好，复数相关系数R 2分别达到0.61和0.59；与中子孔隙度（CNL）、密度（DEN）以及电阻率（RT/RXO）的相关性较差，复数相关系数均未达到0.1。
3.2 横向展布特征
根据建立的多元回归模型，预测川中地区中二叠统的有机碳含量，自南西方向至北东方向依次选取高石28井、蓬探1井、磨溪51井、磨溪56井、磨溪53井、南充8井以及水深1井等7口典型井位作烃源岩TOC含量的连井剖面图（图7），从剖面图中可以看出，川中地区中二叠统烃源岩的时空分布具有典型特征，主要表现为：①烃源岩主要发育在栖一段沉积早期、茅一段沉积时期和茅二段沉积前期，有机碳含量分布范围多为0.5%~1.5%，绝大部分有机碳含量小于1.0%；②自南西至北东方向，随着地层深度的逐渐增加，烃源岩品质逐渐变好且烃源岩厚度逐渐增加，如高石28井仅栖霞组底部和茅口组底部发育烃源岩，厚度在50 m左右，而水深1井中二叠统整个时期均发育烃源岩，厚度在200 m左右，且栖霞组和茅口组底部烃源岩品质较好；③川中地区栖霞组的烃源岩品质较差且具有供烃能力的烃源岩含量较少，而茅口组相较于栖霞组则具有明显较强的生烃供烃能力，栖霞组虽然具有一定的生烃供烃能力，但并不能作为主要的供烃层系。
3.3 平面展布特征
从图8中可以看出，栖霞组烃源岩厚度整体上呈现出自南西至北东方向逐渐增大的宏观趋势，厚度介于10~70 m之间，其中川中南部高磨地区由于发育在坡折带上，沉积时水体动力较强，并不利于烃源岩的发育，烃源岩厚度为10~40 m，北部川深1井区附近烃源岩发育情况也较差，厚度小于35 m；南充以东地区厚度最大，最大厚度可达79 m。
4 生烃潜力分析
4.1 生烃强度及生烃量
生烃强度和生烃量是基于烃源岩厚度、TOC含量、有机质类型以及有机质成熟度而得到的能够反映某一地区天然气勘探潜力的综合性指标。一般认为，生烃强度越高，生烃量越大，油气资源越丰富，因此可以用生烃强度和生烃量来评估该地区的天然气勘探潜力。但对于川中地区中二叠统过成熟海相碳酸盐岩烃源岩，需利用恢复系数来恢复其原始有机碳含量，并以此来计算其生烃强度和生烃量。
依据石油与天然气行业标准中的生烃强度和生烃量计算方法，结合前人对四川盆地的研究，川中地区中二叠统烃源岩生烃强度及生烃量的计算公式为：
式中：E为总的生烃强度，108 m3/km2；Q为总生烃量，1012 m3；H为有效烃源岩厚度，m；ρ为烃源岩密度，108 t/km3；C org为残余有机碳含量，%；K c为原始有机碳恢复系数，取值介于1.43~1.47之间；β HC为产烃率，kg/tTOC，取值介于240.74~309.81 kg/tTOC之间。
经过计算得出，川中地区栖霞组烃源岩生烃强度介于（2~10）×108 m3/km2之间，总生烃量为14.83×1012 m3；茅口组烃源岩生烃强度介于（10~50）×108 m3/km2之间（图10），总生烃量为57.38×1012 m3，川中地区中二叠总生烃量为72.21×1012 m3。计算结果表明，川中地区栖霞组生烃强度及生烃量均较低，研究区西南部生烃强度小于2×108 m3/km2，生烃强度最低；而研究区东北部南充8井—水深1井井区附近生烃强度大于10×108 m3/km2，生烃强度较高；川中地区茅口组生烃强度较高，研究区西部生烃强度最低，低于10×108 m3/km2；研究区东北部生烃强度最高，生烃强度介于（30~50）×108 m3/km2之间；在研究区北部南充1井—川深1井井区及中部南充7井—广参2井井区附近，出现2个生烃强度较低的区域，生烃强度分别低于20×108 m3/km2和25×108 m3/km。整体来看，川中地区栖霞组的生烃强度较差，茅口组的生烃强度要优于栖霞组。
4.2 勘探指导意义
对于四川盆地中二叠统天然气潜在的3套供烃层系，下寒武统和下志留统烃源岩的生烃能力明显要优于中二叠统自身的烃源，因此在过去的研究中对中二叠统烃源岩的重视程度往往不够，系统性的研究工作较少，缺乏对中二叠统烃源岩的详细刻画。本文首次针对川中地区中二叠统烃源岩的生烃潜力进行了系统客观的评价，该套烃源是继下寒武统和下志留统烃源之外的又一重要的供烃层系，具有良好的供烃潜力。与此同时，上覆龙潭组作为良好的区域性盖层封堵，使得中二叠统烃源岩生成的油气能够在其内部的白云岩储层和灰岩储层中储集起来，构成了非常良好的生储盖组合关系。在今后的勘探与研究工作中，除下寒武统烃源岩和下志留统烃源岩外，中二叠统烃源岩也应作为重点关注对象。
5 结论
（1）川中地区中二叠统栖霞组烃源岩TOC含量平均为0.71%，茅口组烃源岩TOC含量平均为0.77%，均为差—中等烃源岩，但茅口组烃源岩品质要优于栖霞组；烃源岩有机质类型以Ⅱ1型为主，Ⅱ2型次之；烃源岩沉积时水体环境为具有一定盐度的还原环境。
（2）川中地区中二叠统烃源岩测井响应特征明显，与自然伽马（GR）和声波时差（AC）相关性较好；利用建立的烃源岩TOC测井响应模型对川中地区中二叠统进行系统评价，结果表明，烃源岩主要发育在栖霞组和茅口组中下部，其中栖霞组烃源岩厚度介于10~70 m之间，平均厚度约为33 m；茅口组烃源岩厚度介于30~150 m之间，平均厚度约为69 m。中二叠统栖霞组和茅口组均呈现出向北东方向烃源岩厚度逐渐增大宏观的趋势。
（3）川中地区中二叠统茅口组烃源岩在厚度和生烃强度上均优于栖霞组，栖霞组烃源岩厚度介于10~70 m之间，生烃强度介于（2~10）×108 m3/km2之间，生烃强度不高，总生烃量为14.83×1012 m3；茅口组烃源岩厚度介于30~150 m之间，生烃强度介于（5~50）×108 m3/km2之间，总生烃量为57.38×1012 m3，川中地区中二叠统栖霞组和茅口组烃源岩生烃量共计72.21×1012 m3，可以为中二叠统自身提供一定的气源。
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