0 引言
我国内陆盆地广泛发育咸湖烃源岩［1-5］，这些咸湖烃源岩普遍具有以下地球化学特征：①较低的有机质丰度和生烃潜力；②高植烷，高伽马蜡烷，升藿烷“翘尾”现象明显；③发育胡萝卜烷；④具有早生烃、两期生烃特征，发育低熟油藏。咸湖环境水体盐度较大，生物的种类相比淡水湖盆明显少［6］，有关该环境下烃源岩的物质基础对生烃的影响是重点研究的课题。部分学者探讨了孢粉、藻类等母质对烃源岩生烃影响，认为特殊孢粉（如松科属孢粉）和藻类中的不同组分在不同阶段生烃特征不同［7-8］。此外，咸湖环境中普遍发育的泥岩、膏盐、碳酸盐和硫酸盐等不同程度上对有机质生烃和转化也有催化作用［9-11］。特殊元素，如S元素与C结合，形成C—S键，键长相比C—C键长，并且键能断裂所需能量低，有助于烃源岩早期生烃［12］。适宜的盐度有利于细菌和生物发育，还原咸化湖泊对有机质的富集和保存具有两面作用：一方面还原的环境缺少喜氧细菌的发育，减少了有机质的消耗，有利于有机质保存［6］；另一方面，盐度过大的水体环境，生物发育受限，直接减少了母质来源，不利于有机质富集［13］。咸湖烃源岩在生烃上表现出的特殊性最终归结于其生烃机理，但影响生烃的因素复杂多样，因此需要结合油气产物特征，综合各种地质影响因素，探讨咸湖烃源岩生烃机理。
河套盆地位于鄂尔多斯盆地北部，自2017年矿权流转以来，加速了对坳陷油气藏的勘探。临河坳陷主要发育白垩系固阳组和古近系临河组2套咸水湖相烃源岩，同时也是主要的碎屑岩储集层， 生成的原油从低成熟到成熟都有分布［14-15］。近年来国内学者先后对该地区的油气地球化学特征及成藏［14-17］、油源对比［18-19］、烃源岩特征［20］、沉积环境［21］等方面开展了大量研究工作，认识到烃源岩有机质类型以II型为主，具有丰富的油气资源，并且油气物性变化大。针对咸化湖相烃源岩的生烃机理，尚未开展任何研究，缺乏可靠的理论依据解释生产现象。本文研究将在烃源岩和原油地球化学特征分析基础上，采集岩心样品，开展显微组分分离及各组分生烃热模拟实验、XRD全岩和黏土矿物分析、干酪根有机元素及其活化能等分析实验，明确烃源岩生烃影响因素，建立咸湖烃源岩生油演化模式，为油气资源量计算和勘探部署提供理论依据。
1 研究区概况
河套盆地行政区划隶属于内蒙古自治区的阿拉善盟和巴彦淖尔市，包含阿拉善左旗、磴口县、杭锦后旗、临河区和五原县等5个县区［22］。构造上位于北部西伯利亚板块、东部鄂尔多斯地块、西部阿拉善地块的交界处，是中国东部断陷盆地和西部挤压盆地过渡区，构造位置特殊［23］。巴彦—河套盆地东靠伊盟隆起、桌子山—贺兰山，西邻狼山—巴彦乌拉山，北接阴山山脉，构造走向总体呈北东—东西向展布特征，北为弧形展布的河套盆地，南为巴彦浩特盆地［14，21］［图1（a）］。地貌上主要有沙丘、农田、戈壁、山地，北部为河套平原，地势平坦，多为农田；中南部为乌兰布和及腾格里沙漠，地形起伏较大，以沙漠、戈壁、山地为主。河套盆地为中、新生界拗断叠合盆地，面积约为4.4×104 km2，自西向东划分为临河、乌前、呼和3个坳陷［图1（a）］［16］，其中临河坳陷面积最大，为2.43×104 km2，埋藏深（基底最大埋深1.4×104 m），是主要的沉积坳陷和含油气区，也是探矿权集中分布区［14，23］。
临河坳陷位于河套盆地西南部，有吉兰泰凹陷、巴彦淖尔凹陷、五原斜坡带和乌拉山隆起4个次级构造单元［14］［图1（b）］。吉兰泰凹陷又分为吉东斜坡和吉西洼槽；巴彦淖尔凹陷分为黄河断槽带、兴隆断裂构造带、纳林湖潜山断裂带和淖西洼槽带。吉兰泰、纳林湖和兴隆构造带是主要的含油气区。盆地基底为古元古界—太古界乌拉山群变质岩系，沉积盖层自下而上发育下白垩统固阳组，上白垩统毕克齐组，古近系始新统乌拉特组、渐新统临河组，新近系中新统五原组、上新统乌兰图克组和第四系河套群［14，24］（图2）。其中渐新统临河组发育湖相烃源层，部分为含膏泥岩，具有较好的生烃潜力，也是临河坳陷主要的生油气层系，五原组浅湖相泥岩为区域性盖层。
2 原油和烃源岩地球化学特征
2.1 烃源岩生烃潜力
2.2 原油物性和族组分
兴隆构造带和吉兰泰构造带原油族组分有明显区分（图4），兴隆构造带临河组原油饱和烃含量高，而吉兰泰构造带原油的胶质+沥青质含量相对偏高，纳林湖构造带原油族组分数据分布广，与其他2个构造带原油特征都相似。
2.3 生物标志物特征
生物标志物保留了有机质来源、沉积环境和成熟度等多种信息［27］。河套盆地临河坳陷原油和烃源岩饱和烃质量色谱图特征基本相似，植烷峰较高，具有高丰度的γ和β-胡萝卜烷，伽马蜡烷峰值高，升藿烷从C33—C34出现翘尾，即C34>C33（图5），这些都是典型还原咸湖环境的生物标志物特征［1-5］。大量的C21—C35烃类化合物，是原油中蜡质的主要来源［7］。临河坳陷原油和烃源岩中ααα20RC27-ααα20RC28-ααα20RC29呈近“V”型分布，C29规则甾烷含量相对较高。随着有机质热演化的进行，C29甾烷C-20上的R构型会逐渐向S构型转化，同时20S和20R构型在C-14和C-17位上的异构化作用也会促进β异构体的形成，所以可以利用C29甾烷上不同峰之间的比值反映成熟度［28］。临河坳陷原油和烃源岩从低成熟—成熟都有分布，低成熟占比较多（图6），临河坳陷原油基本以“本地”供烃为主［14-15］，所以同一区块原油成熟度的变化是导致原油物性差异的主要原因之一。
图5 河套盆地临河坳陷烃源岩和原油代表性的饱和烃质量色谱图Fig.5 Representative saturated hydrocarbon mass chromatograms of source rocks and crude oil in Linhe Depression， Hetao Basin |
3 烃源岩生烃机理分析
3.1 物质基础
水生和陆生生物提供母源，特殊的生物类型和有机质中不同组分是生烃的物质基础。饱和烃中C27规则甾烷主要来自藻类有机体，如红藻和绿藻等水生生物［29］， C28规则甾烷主要与硅藻有关［30］，C29规则甾烷来自陆生高等植物［31］。C27—C29规则甾烷结构稳定，受热演化和环境变化的影响较小，因此它们的相对含量能够较好地反映母质来源［29］。通过C27—C29规则甾烷三元图版（图7），发现研究区不同构造带母源存在差异。吉兰泰构造带烃源岩母源以浮游生物、藻类和细菌为主，兴隆构造带母源为浮游生物和陆生生物，纳林湖构造带位于前两个构造带之间，母源为混源特征。研究区生源种类多，包括浮游生物、藻类、细菌和高等植物等。烃源岩中检测出绿藻类的盘星藻，葡萄藻和疑源类的光/粒面球藻（图7），世界大型油田的形成期往往与疑源类和绿藻等藻类的繁盛期对应［32］，表明藻类物质的存在为生烃提供直接的物质基础。
所选样品中，腐泥组占68%，镜质组占7%，镜质组占13%，惰质组占12%，为II1型有机质。在分离不同显微组分基础上，开展岩石热解分析（表1）。基质镜质体、藻类体和树脂体的生烃潜力S 1+S 2值分别为31.01 mg/g、67.80 mg/g和94.35 mg/g，树脂体生烃潜力和氢指数最高，是最好的生烃组分。
表1 烃源岩中不同组分的热解参数Table 1 Rock-eval parameters of different components in source rocks |
| 显微组分 | S 1/（mg/g） | S 2/（mg/g） | （S 1+S 2）/（mg/g） | T max/℃ | TOC/% | I H/（mg/gTOC） |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 基质镜质体 | 1.23 | 29.78 | 31.01 | 430 | 9.37 | 317.82 |
| 藻类体 | 2.46 | 65.34 | 67.80 | 430 | 13.24 | 493.50 |
| 树脂体 | 4.68 | 89.67 | 94.35 | 426 | 17.64 | 508.33 |
树脂体生烃活化能主要区间在223~256 kJ/mol之间，累计生烃量最高达139 mg/g，完成生烃总量的40%（图11），热演化区间R O值分布在0.2%~0.9%之间，在R O值为0.6%时达到生烃高峰（图12）；藻类体主体活化能在235~280 kJ/mol之间，累计生烃量最高为116 mg/g，完成生烃总量的45%（图11），热演化区间为0.27%~1.70%，在R O值为0.9%时达到生烃高峰（图12）；基质镜质体活化能主要区间为242~310 kJ/mol，累计生烃量最高为62 mg/g，生烃百分比最高为15%，生烃区间为0.26%~1.71%，在R O值为0.7%时达生烃高峰。
图11 河套盆地临河坳陷烃源岩中不同显微组分的热解活化能特征Fig.11 Pyrolysis activation energy characteristics of different maceral in source rocks of Linhe Depression， Hetao Basin |
分离出的3个主要生烃组分，活化能越低生烃越早，树脂体和藻类体生烃百分比占比高，生烃量大，是咸湖烃源岩早期生烃的主要组分，但生烃的区间范围窄。分离出的3种显微组分生烃特征与研究区原油和烃源岩特征相符，证实所做实验有效，能较好解释临河坳陷原油从低成熟—成熟都有分布的生烃物质基础。
3.2 矿物及元素对生烃的影响
图16 河套盆地临河坳陷干酪根有机元素分布柱状图Fig.16 Histogram of organic element distribution of kerogen in Linhe Depression， Hetao Basin |
图17 干酪根中C—S、S—S和C—C键随热演化的变化模式Fig.17 Patterns of C-S, S-S, and C-C bonds in kerogen with thermal evolution |
3.3 地层水的促进作用
成岩阶段早期，地层水中的矿物质、盐类和水体酸碱性等都能影响有机质生烃［9］。研究区烃源岩所在层位临河组和固阳组的地层水矿化度很高，达到2 630.6~350 999.3 mg/L，平均值为108 099.3 mg/L，氯根含量也高，在957.2~210 041.3 mg/L之间，平均值为63 381.7 mg/L，以CaCl2水型为主，也存在Na2SO4和NaHCO3这2种水型，不同盐水对烃源岩生烃有不同程度的促进作用。张在龙等［9］研究了辽河和江汉两个咸湖盆地不同盐水对未熟生油岩中脂肪酸矿物催化脱羧生烃的影响，得出pH=8时，十八烷酸脱羧率最高的结论，研究区地层水pH值在7.1~8.8之间，各种证据都表明地层水对临河坳陷咸湖烃源岩具有一定的催化生烃作用。
3.4 环境对生烃的影响
沉积物中的姥鲛烷（Pr）和植烷（Ph）来源于叶绿素的植醇侧链，在含氧条件下形成姥鲛烷，在还原条件下加氢形成植烷［37］，Pr/Ph<1.0代表还原环境， 通常和高盐或碳酸盐沉积环境有关，Pr/Ph >3.0表示氧化条件，介于两个值之间的表示弱还原和弱氧化的过渡环境［38］。伽马蜡烷常见于缺氧和盐度较大的沉积环境中，主要来自四氢呋喃、绿硫细菌、厌氧纤毛虫，这些生物生活在缺氧和盐度较大的沉积环境中［28，39-40］。临河坳陷多数烃源岩Pr/Ph<1，处于还原环境中，随着还原性的增强，有机质丰度和生烃潜力升高，部分烃源岩Pr/Ph值在1~2之间，为过渡环境，烃源岩生烃潜力没有明显变化［图19（a），图19（b）］；伽马蜡烷指数（GI）在0~3.5之间，当GI<1.5时，随着伽马蜡烷指数值的增加，TOC和生烃潜力也增大，当GI值大于1.5后，随着GI值的增加而减小［图19（c），图10（d）］。表明在还原和适当盐度的水体范围内，烃源岩生烃潜力随着盐度和还原性增加而增强。
3.5 生油演化模式
综合分析各种因素，临河坳陷烃源岩具有2期生烃演化的特征，分别在埋深2 509 m和4 348 m达到生烃高峰（图20）。浮游生物、藻类、细菌和高等植物等混源特征为生烃提供了充足的物质基础，盘星藻，葡萄藻和光/粒面球藻等藻类和松科属孢粉等特殊组分是直接的母源，树脂体和藻类体是2个生烃高峰直接对应的显微组分；碳酸盐矿物和黄铁矿促进低温低成熟阶段有机质生烃，黏土矿物中蒙脱石伊利石化促进生烃，含膏泥岩促进上层烃源岩的演化；富硫干酪根中含硫键先断裂，促进生烃，并且导致烃源岩中芳烃、胶质和沥青质等组分增加；高矿化度地层水和偏碱性的水体环境一定程度上也具有促进生烃的作用；咸水还原环境有利于有机质富集和保存，强还原环境和适当的盐度内烃源岩生烃潜力较大。多种地质要素综合作用，形成了咸水湖盆、特殊生物、多种矿物、硫元素和地层水影响下的双峰型生烃模式。
4 结论
（1）河套盆地临河坳陷发育咸湖相烃源岩，以II型有机质为主，生烃潜力好。原油物性差异较大，坳陷南部吉兰泰原油密度和黏度较大，中质油—重质油都有分布，以中蜡油为主，部分高蜡油，含硫高；中部和北部原油以轻质油—中质油为主，高蜡高凝固点，低含硫—含硫；兴隆构造带原油饱和烃含量高，而吉兰泰构造带原油的胶质+沥青质含量相对偏高，纳林湖构造带原油特征在二者之间。
（2）原油和烃源岩从低成熟—成熟都有分布，以低成熟为主，生物标志物中具有低姥植比、高丰度的γ和β-胡萝卜烷、高伽马蜡烷和升藿烷翘尾的特征。
（3）研究区烃源岩中松科粉属含有丰富的树脂体，是原油中蜡质的主要来源，并且具有两期生烃特征；树脂体和藻类体分别在低成熟和成熟阶段达到生烃高峰；含膏泥岩、碳酸盐矿物、黏土矿物转化都具有不同程度的催化生烃作用，富S藻类提供了丰富的硫元素，降低生烃活化能，是南部吉兰泰构造带原油高含硫并且低熟油分布的主要原因；地层水矿化度在成岩作用早期能辅助促进生烃；强还原和适当盐度（GI<1.5）环境烃源岩生烃潜力强。这些因素共同作用导致临河坳陷烃源岩具有双峰生烃模式，既能生成低熟油，也有成熟油的分布，表明该区具有较好的油气勘探潜力。
甘公网安备 62010202000678号
