2. 中国石油西南油气田分公司勘探开发研究院, 成都 610500;
3. 中国石油吐哈油田分公司勘探开发研究院, 新疆 哈密 839009;
4. 中国石化西南油气分公司勘探开发研究院, 成都 610041
2. Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Southwest Oil & Gas Field Company, Chengdu 610500, China;
3. Exploration and Development Research Institute, PetroChina Tuha Oilfield Company, Hami 839009, Xinjiang, China;
4. Exploration and Development Research Institute, Sinopec Southwest Oil and Gas Branch, Chengdu 610041, China
0 引言
银根—额济纳旗盆地是中国陆上油气勘探程度较低的小型断陷盆地群，具有构造单元不完整、古地理环境多变、烃源岩分布非均质性极强的特征。近年来，随着小型断陷湖盆成藏理论与勘探技术的进步，银额盆地的油气勘探呈现“多点开花、持续突破”的良好形势[1-3]。盆地西部的天草凹陷T6井获得日产20 m3的高产工业油流，中部的拐子湖凹陷拐参1井获得日产油56.17 m3、日产天然气7 290 m3的高产油气流，盆地东部的查干凹陷也陆续获得高产工业油气流[3-4]，证实了该盆地有很好的油气勘探潜力，具有“小而肥”的含油气特征。但这些凹陷普遍存在有效烃源岩地球化学特征及分布规律不明确，以及沉积环境对有效烃源岩发育的控制尚不清楚的问题，这严重制约了油气勘探进程和勘探成果的扩大。
对于小型断陷湖盆而言，烃源岩的地球化学评价及有效烃源岩的确定对揭示油气生成、运聚成藏规律、选择有利的勘探方向、提高勘探效益等，都具有十分重要的意义。在我国北方发育的众多具有相似构造发育史、彼此相对独立的小型断陷中，如二连盆地和酒泉盆地等[5-6]，有关小型断陷湖盆的烃源岩地球化学及分布特征等，前人已做诸多工作，认为小型断陷湖盆的烃源岩发育及形成环境有着其特殊性[7-9]。丁修建等[8]认为二连盆地有效烃源岩发育模式不同于大型湖盆，沉积环境控制着烃源岩的形成，提出了初始生成力、保存条件和沉积速率共同控制有机质的富集，并建立了3种有效烃源岩发育模式，高丰度的烃源岩主要发育在凹陷的近洼缓坡带；王朋等[10]和陈景跃[11]认为银额盆地查干凹陷有效烃源岩下限为w(TOC)=1.0%，烃源岩主要发育在缓坡一侧，控制有机质富集的主要因素是湖盆初始生成力；卫平生[12]和陈治军等[13]认为银额盆地中东部凹陷群的巴音戈壁组为主力烃源岩，有机碳质量分数中等-好，以Ⅱ型倾油的有机质为主，具备良好的生油条件。此外，也有部分学者针对西部天草凹陷第一口探井天1井的烃源岩地化特征做过相关工作，认为巴音戈壁组有机质丰度高、类型好，达到成熟演化阶段，其品质与二连盆地相当，总资源量可到0.74亿t[14-15]。然而，随着天草凹陷勘探程度的深入，早期的地质认识已不能满足勘探现状，需要结合更多的钻井资料对整个凹陷的纵横向烃源岩地球化学特征及形成环境进行系统评价，从而明确有效烃源岩的展布特征和有机质富集的影响因素，以期对接下来油气勘探方向提供一定的指导。
1 地质概况银根-额济纳旗盆地位于内蒙古自治区西部，面积约为12.3×104 km2，是在前寒武纪结晶地块和古生代褶皱基底上发育起来的中新生代沉积盆地，由许多小型断陷构成，具有较低的勘探程度。区域构造位置位于塔里木、哈萨克斯坦、西伯利亚和华北4个板块的结合部位，板块之间的缝合带对盆地中、新生代的构造发育起着明显的控制作用[3-4]。盆地经历了早侏罗世的扭张拉分断陷、晚侏罗世的挤压抬升剥蚀、早白垩世的伸展断陷和晚白垩世—新近纪的沉降坳陷4个演化阶段[14]。
天草凹陷位于银根—额济纳旗盆地西北部的居延海坳陷内(图 1a)，呈北东—北北东向展布，是一个西北断、东南超的箕状(单断)凹陷，面积约为1 660 km2[14]。目前勘探程度最高的为天草凹陷的中部地区，根据凹陷的结构和构造特征可进一步将天草凹陷中部地区划分为北次洼和南次洼，其中T6和T601井位于南次洼的近洼斜坡区，T3(图 1b)和T5(图 1b、c)井位于北次洼斜坡区。钻井揭示沉积地层自下而上发育下白垩统、上白垩统和新生界，上白垩统剥蚀严重，缺失三叠系和侏罗系[16](图 1d)。天草凹陷主要发育扇三角洲-湖泊沉积体系，潜在的烃源岩主要发育在下白垩统的浅湖-半深湖沉积体系[12, 17]。根据岩性组合和古生物特征，下白垩统自下而上划分为巴音戈壁组、苏红图组和银根组，其中银根组大部分被剥蚀，仅在洼陷区有残余，厚度一般小于100 m[14]。本次研究的主要目的层为巴音戈壁组，根据岩性和电性特征，可将其进一步划分为3段：巴音戈壁组一段(K1b1)，以砂砾岩沉积为主，夹薄层的深灰色泥岩；巴音戈壁组二段(K1b2)，厚度大，深灰色—灰黑色湖相泥岩夹薄层浅灰色砂岩和砂砾岩，是天草凹陷最重要的一套烃源岩，也是研究区第一套区域性盖层；巴音戈壁组三段(K1b3)，底部为灰色泥岩与砂岩互层，中上部变为氧化色泥岩夹薄层粉砂岩[16]。苏红图组普遍发育褐色和棕红色泥岩，局部夹灰色钙质泥岩和砂砾岩，钻井揭示最大厚度约为700 m，是研究区第二套良好的区域性盖层。目前，天草凹陷已钻探井10余口，大部分见工业油流，主要商业产层集中在巴音戈壁组二段和三段，主要油藏集中在天草凹陷的南次洼和北次洼南部。
选取天草凹陷北次洼和南次洼4口井共计200块巴音戈壁组暗色泥岩样品(岩心和岩屑)进行测试，选取的样品在纵向上基本覆盖了整个巴音戈壁组，平面上，南次洼烃源岩以T6和T601井的样品为代表，北次洼烃源岩以T3和T5井的样品为代表。针对采集的样品开展了总有机碳、岩石热解、干酪根元素和同位素、氯仿沥青“A”和饱和烃色谱质谱等有机地球化学分析测试。所有测试分析均在中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室完成。
碳同位素测试所用的仪器为Thermofisher Flash 2000EA-Mat253稳定同位素质谱仪，测试精度≤0.02‰，具体分析流程参照SY/T 5238—2008[18]。总有机碳测试流程为：称取0.1 g左右的粉末样品至于坩埚中，用5%稀盐酸处理样品中碳酸盐直至不再产生明显气泡，目的是去除无机碳；之后用去离子水反复冲洗12 h去除残余盐酸；再将处理后的样品置于80 ℃干燥炉中烘干12 h；最后将处理好的样品放入Leco CS-230型碳硫测定仪进行分析测试，实验标准参照国家标准GB/T 19145—2003[19]。岩石热解分析所用的仪器为OGE-Ⅱ型油气评价工作站，采用程序升温测定不同温度段对应的烃质量分数，程序加热到300℃测定的单位质量烃源岩的烃质量分数为S1(游离态烃)，加热到300~600 ℃获得的单位质量烃源岩的烃质量分数为S2(热解烃)，Tmax为S2对应的最高热解峰温。干酪根元素分析所用的仪器为德国Elemental cube元素分析仪，检测温度23℃，相对湿度为16%，测试流程参照国家标准GB/T 19143—2003[20]。氯仿沥青“A”和族组成分离分别在快速抽提仪和层析柱中完成，检测依据为石油天然气行业标准SY/T 5119—2008[21]。全岩显微组分鉴定和镜质体反射率测试所用仪器为Leica DM4500P显微镜和MPV-SP显微光度计，测试标准依据石油天然气行业标准SY/T 5124—2012[22]。饱和烃气相色谱质谱分析使用Agilent 7890-5975c气相色谱质谱联用仪，测试条件：色谱柱为HP-5MS弹性石英毛细柱(长60 m, 直径0.25 mm, 壁厚0.25 μm)，初始柱温为50℃，先以20 ℃/min升温至120 ℃, 然后以4 ℃/min升至250 ℃，再以3 ℃/min升至310 ℃保持30 min，载气为He，采用恒流模式，流量为1 mL/min，检测方法依据GB/T 18606—2001[23]。
3 有机地球化学特征 3.1 有机质丰度有机质是形成油气的物质基础，有机质丰度反映了生烃母质在烃源岩中的富集数量，它是衡量和评价岩石生烃能力的重要指标[13, 24-26]。此次，主要采用总有机碳(TOC)质量分数、生烃潜量(S1+S2)和氯仿沥青“A”质量分数3项指标进行烃源岩有机质丰度的评价，评价标准采用中国陆相烃源岩有机质丰度评价标准(表 1)。
| 分类 | w(TOC)/% | (S1+S2)/‰ | w(“氯仿沥青A”)/% | ||
| 咸水-超咸水 | 淡水-半咸水 | ||||
| 非生油岩 | ＜0.2 | ＜0.4 | ＜0.5 | ＜0.015 | |
| 生油岩 | 差 | 0.2~0.4 | 0.4~0.6 | 0.5~2.0 | 0.015~0.050 |
| 中等 | 0.4~0.6 | 0.6~1.0 | 2.0~6.0 | 0.050~0.100 | |
| 好 | 0.6~0.8 | 1.0~2.0 | 6.0~20.0 | 0.100~0.200 | |
| 最好 | >0.8 | >2.0 | >20.0 | >0.200 | |
天草凹陷的主力烃源岩为巴音戈壁组暗色泥岩[9, 14]，且纵向上不同层段的有机质丰度差异较大(图 2)。巴音戈壁组三段(K1b3)泥岩样品w(TOC)介于0.22%~1.97%，平均为0.70%，其中w(TOC)值大于1.00%的样品仅占18%；生烃潜量(S1+S2)介于0.11‰~9.56‰，均值为1.88‰；w(氯仿沥青“A”)介于0.02%~0.22%，平均值为0.10%，其大于0.20%的样品占大于10%(图 2a-c)。巴音戈壁组二段(K1b2)w(TOC)介于0.25%~ 2.59%，平均为1.10%，其中有60%以上的样品w(TOC)大于1.00%；S1+S2介于0.15‰~12.23‰，均值为3.25‰，S1+S2值大于6.00‰的样品占15%以上；w(氯仿沥青“A”)介于0.01%~0.53%，平均值为0.15%，其中w(氯仿沥青“A”)大于0.20%的样品占30%(图 2d-f)。巴音戈壁组一段(K1b1)泥岩样品w(TOC)介于0.13%~1.18%，平均为0.81%，其中w(TOC)大于1.00%的样品占图中30%；S1+S2介于0.06‰~2.48‰，均值为1.54‰(图 2g-h)。上述各项地球化学参数综合分析表明巴音戈壁组泥岩具有中等偏高的w(TOC)、S1+S2和w(氯仿沥青“A”)，依照陆相烃源岩有机质丰度评价标准，烃源岩达到了中等—好的级别。从有机质丰度各项指标来看，巴二段烃源岩有机质丰度明显高于巴三段和巴一段烃源岩，且巴三段要略好于巴一段。
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| n为样品数量。 图 2 巴音戈壁组烃源岩有机质丰度频率直方图 Fig. 2 Frequency histogram of organic matter abundance in source rocks of Bayingebi Formation |
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烃源岩有机质类型是衡量有机质生烃演化性质的度量标志，不同类型烃源岩的生油气能力存在较大差别[27]。有机质类型的划分方法主要包括岩石热解分析法、干酪根元素分析法、干酪根碳同位素分析法和干酪根显微组分分析法等4种[28-29]。此外，还可以根据烃源岩中可溶有机质的族组成和生物标志物参数来研究烃源岩生烃母质的类型。本次主要依据卫平生[12]提出的银额盆地泥岩有机质类型评价标准(表 2)。
| 有机质类型 | H/C | IH/‰ | 干酪根碳同位素的界限值/‰ | 干酪根显微组分 |
| Ⅰ | ＞1.3 | ＞475 | ＜-28.0 | 腐泥组为主 |
| Ⅱ1 | 1.0~1.3 | 260~475 | -28.0~-25.5 | 腐泥组+壳质组为主 |
| Ⅱ2 | 0.8~1.0 | 65~260 | -25.5~-22.5 | 镜质组+壳质组为主 |
| Ⅲ | ＜0.8 | ＜65 | ＞-22.5 | 镜质组+惰质组为主 |
| 注：IH为氢指数。Ⅰ为腐泥型；Ⅱ1为腐殖腐泥型；Ⅱ2为腐泥腐殖型；Ⅲ为腐殖型。 | ||||
岩石热解是快速评价烃源岩有机质类型最简便有效的方法[30]。从氢指数IH-Tmax关系图看出，天草凹陷巴音戈壁组泥岩有机质类型较好，为Ⅱ1-Ⅱ2型有机质，其中巴二段烃源岩有机质类型最好，巴一段和巴三段次之(图 3)。然而，氢指数一般受成熟度影响较大，因此需结合其他地球化学方法综合判断有机质类型。
干酪根元素和同位素组成也能较好地评价有机质类型[13, 31]。天草凹陷巴音戈壁组30个样品资料分析显示，泥岩样品H/C原子比介于0.98~1.48，O/C原子比介于0.03~0.06，具有富氢贫氧的特征。在H/C-O/C原子比关系图(图 4a)上，数据点大部分落在Ⅱ1型和Ⅱ2型之间。不同层位有机质类型对比表明，巴二段(K1b2)和巴三段(K1b3)烃源岩有机质类型相对较好，Ⅱ1型有机质占比略高。干酪根碳同位素主要介于-29.7‰~-23.0‰，平均为-26.1‰，具有整体偏轻的特征。依据银额盆地泥岩有机质碳同位素类型评价标准[12]，巴音戈壁组烃源岩主要为Ⅱ1和Ⅱ2型有机质，少量Ⅰ和Ⅲ型，且巴二段烃源岩有机质类型明显好于巴一段和巴三段(图 4b)。
烃源岩中有机显微组分组成特征可以较好地反映烃源岩的性质[32-33]。在显微镜反射光下，结合荧光观察，可以比较直观地了解烃源岩的母质类型[34-35]。天草凹陷南次洼巴音戈壁组泥岩有机显微组分纵向差异不大，以腐泥组占优势，其质量分数主要介于60.00%~80.00%；镜质组和惰质组质量分数介于15.00%~20.00%；壳质组质量分数最低，大部分样品小于5.00%(表 3)。而北次洼泥岩的有机显微组分差异较大，腐泥组质量分数降低，壳质组镜质组质量分数升高(表 3)。有机组分镜下特征如图 5所示，在荧光下可见大量的黄色藻类体呈分散或断续状分布(图 5a, c)，在反射光下可观察到灰色-灰白色的惰质体和镜质体部分保存了完整的原始结构(图 5b, d)。由此判断巴音戈壁组烃源岩为典型的腐殖-腐泥混合型有机质，且腐泥型有机质占比更高。
| 构造 | 井号 | 深度/m | 层位 | 岩性 | wB/% | |||
| 腐泥组 | 壳质组 | 镜质组 | 惰质组 | |||||
| 南次洼 | T6 | 2 387.25 | K1b3 | 灰黑色泥岩 | 84.00 | 1.33 | 4.00 | 10.67 |
| T6 | 2 467.35 | K1b2 | 灰黑色泥岩 | 85.00 | 1.00 | 5.00 | 9.00 | |
| T6 | 2 470.43 | K1b2 | 灰黑色泥岩 | 78.00 | 1.00 | 7.00 | 14.00 | |
| T6 | 2 473.25 | K1b2 | 灰黑色泥岩 | 81.00 | 1.00 | 5.00 | 13.00 | |
| T6 | 2 898.08 | K1b2 | 深灰色泥岩 | 80.00 | 1.00 | 4.00 | 15.00 | |
| T6 | 2 900.81 | K1b2 | 深灰色泥岩 | 80.00 | 1.00 | 3.00 | 16.00 | |
| T601 | 2 298.84 | K1b2 | 灰黑色泥岩 | 77.00 | 1.00 | 6.00 | 16.00 | |
| T601 | 2 303.54 | K1b2 | 灰黑色泥岩 | 77.00 | 1.00 | 7.00 | 15.00 | |
| T601 | 2 425.44 | K1b2 | 灰黑色泥岩 | 63.00 | 1.33 | 4.00 | 31.67 | |
| T601 | 2 575.80 | K1b2 | 灰黑色泥岩 | 80.33 | 0.67 | 2.33 | 16.67 | |
| T601 | 2 580.57 | K1b2 | 灰黑色泥岩 | 74.00 | 1.00 | 4.00 | 21.00 | |
| T601 | 2 802.61 | K1b1 | 灰黑色泥岩 | 23.00 | 0.33 | 5.67 | 71.00 | |
| 北次洼 | T2 | 1 554.42 | K1b2 | 灰色泥岩 | 0.00 | 66.00 | 17.00 | 17.00 |
| T2 | 1 405.00 | K1b2 | 灰色泥岩 | 0.00 | 58.67 | 15.33 | 26.00 | |
| T2 | 1 087.50 | K1b2 | 灰色泥岩 | 0.00 | 67.33 | 16.33 | 16.33 | |
| T3 | 1 402.68 | K1b2 | 灰色泥岩 | 44.44 | 11.11 | 44.44 | 0.00 | |
| T3 | 1 403.35 | K1b2 | 灰色泥岩 | 66.67 | 8.33 | 25.00 | 0.00 | |
| T3 | 1 111.48 | K1b3 | 灰色泥岩 | 37.50 | 12.50 | 43.75 | 6.25 | |
| T3 | 1 750.10 | K1b2 | 灰色泥岩 | 73.68 | 15.79 | 10.53 | 0.00 | |
| T3 | 1 931.20 | K1b1 | 灰色泥岩 | 53.33 | 20.00 | 23.33 | 0.00 | |
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| a. 断续分布的黄色层状藻类体，荧光(T601, 2 303.54 m)；b. 保存一定结构的惰质组分，反射光(T601, 2 303.54 m); c. 分散状黄色藻类体，荧光(T6, 2 467.35 m)；d. 保存一定结构的镜质组分，反射光(T6, 2 467.35 m)。 图 5 巴音戈壁组烃源岩有机显微组分镜下特征 Fig. 5 Microscopic characteristics of the organic macerals for source rock in the Bayingebi Formation |
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综合岩石热解参数、干酪根元素(C、H、O)的原子比、碳同位素组成和有机显微组分特征，认为巴音戈壁组烃源岩有机质类型较好，Ⅱ1型有机质(腐殖腐泥型)占绝对优势。纵向上不同层段对比结果表明，巴音戈壁组二段有机质类型要稍好于巴一段和巴三段。
3.3 有机质成熟度有机质成熟度反映了烃源岩有机质向油气转化的热演化程度，用于评价烃源岩有机质成熟度的常规地球化学方法很多。本文主要应用镜质体反射率、岩石热解参数和可溶抽提物的生物标志化合物参数等评价烃源岩有机质成熟度[24, 36-37]。研究区下白垩统巴音戈壁组烃源岩样品的Ro为0.6%~1.3%，Tmax主要为430~460 ℃，整体为低熟—成熟演化阶段。饱和烃气相色谱成熟度参数OEP(奇偶优势比)值介于1.04~1.95，CPI(碳优势指数)值介于0.85~1.82；规则甾烷异构化参数C29甾烷20S/(S+R)值介于0.2~0.55，C29甾烷αββ/(ααα+αββ)值介于0.3~0.6，表明巴音戈壁组烃源岩成熟度变化较大，从低成熟到成熟阶段均有分布。
综合烃源岩样品的Ro、热解参数(Tmax、S1/(S1+S2))、可溶有机质转化率(氯仿沥青“A”/TOC、S1/w(TOC)及饱和烃色谱成熟度参数(OEP和CPI)随埋深的演化规律，纵向上可将巴音戈壁组烃源岩大致划分出3个有机质热演化阶段(图 6)。
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| J1d.侏罗系大山口组。 图 6 天草凹陷烃源岩有机质热演化阶段划分 Fig. 6 Thermal evolution stage of organic matter for source rocks in Tiancao sag |
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低成熟阶段：埋深介于600~1 500 m，对应Ro在0.5%~0.7%之间，该深度段各项指标均呈现出一定的演变规律。在此深度段底部1 500 m左右，氯仿沥青“A”/TOC、S1/w(TOC)和S1/(S1+S2)发生显著增加，并随埋深继续增加，各项指标分别增大至18%、6%和25%，OEP由2.00突变至1.20左右。这些特征充分说明了1 500 m左右为天草凹陷烃源岩的成熟生油门限，随深度增加开始大量生油(图 6)。
成熟阶段(生油高峰期)：埋深介于1 500~3 000 m，对应Ro大于0.7%，可溶有机质转化率(沥青“A”/TOC和S1/w(TOC)和热解参数S1/(S1+S2)皆在此区间出现异常的高值，甾烷成熟度参数基本达到演化平衡点，OEP逐近于1.10。这些特征表明该深度段为研究区烃源岩的成熟生油窗(图 6)。
高成熟阶段(凝析气期)：埋深大于3 000 m，对应Ro大于1.2%。目前，该阶段仅在深洼陷区发育，且巴音戈壁组一段烃源岩可能达到高成熟演化阶段。
综上所述，巴音戈壁组烃源岩w(TOC)平均为1.0%，w(TOC)大于1.0%的样品占50%以上；S1+S2平均为2.87‰，S1 +S2值大于2.00‰的样品超过50%；w(氯仿沥青“A”)平均为0.13%，w(氯仿沥青“A”)大于0.1%的样品超过50%。烃源岩有机质丰度达到了中等—好的级别，且巴二段烃源岩有机质丰度最高，为巴音戈壁组主力烃源岩。各项地化参数研究表明，烃源岩有机质类型为Ⅱ1-Ⅱ2型有机质，且巴音戈壁组二段Ⅱ1型有机质占比最高。有机质热演化程度整体达到了低熟—成熟阶段，巴音戈壁组二段为成熟烃源岩，具备良好的生烃能力。
4 有效烃源岩的识别对于小型断陷湖盆来说，有效烃源岩的发育对油气勘探方向的选择具有重要的指导意义。根据生排烃原理，烃源岩若只生产而不排出烃类，则该烃源岩对常规油藏的形成是无效的[38]。当烃源岩母质特征、成熟度等变化不大时，在开始排烃前，烃源岩中总有机质质量分数越高，生成的烃类越多。而当烃源岩生成的烃类满足了自身的饱和吸附后排出烃类，总有机质质量分数和生产的烃类之间的相关性就会改变。本文根据高岗等[38]提出的有效烃源岩的识别方法，即当有机碳质量分数达到某临界值并继续增加时，生成的烃类满足自身吸附后排出，已生成的烃类偏离正常趋势而降低，这时会出现一个拐点。如图 7所示，拐点对应的总有机质质量分数即为有效烃源岩的有机质质量分数下限，只有烃源岩总有机质质量分数达到这个阈值才能成为有效烃源岩。根据以上的识别方法和原理，绘制了巴音戈壁组成熟度相近的烃源岩w(TOC)与S1/w(TOC)、氯仿沥青“A”/TOC的关系图(图 7)。随着w(TOC)的增加，S1/w(TOC)、氯仿沥青“A”/TOC值均具有先增后降的特征，表明当烃源岩w(TOC)达到一定值时才开始大量排烃，拐点即为有效烃源岩总有机碳的下限。天草凹陷巴音戈壁组有效烃源岩的w(TOC)下限约为1.0%，当w(TOC) < 1.0% 时，烃源岩生成的油气未满足自生吸附；当w(TOC)> 1.0%时，烃源岩满足自生吸附后开始大量排烃[9]。这个结果与银额盆地查干凹陷和二连盆地赛汉塔拉凹陷有效烃源岩标准基本一致[8, 10]，而又明显低于三塘湖盆地芦草沟组和鄂尔多斯盆地延长7段页岩[38]，这充分说明了小型断陷湖盆有效烃源岩发育特征的相似性与特殊性。
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| 图 7 天草凹陷巴音戈壁组有效烃源岩的有机质丰度下限确定 Fig. 7 Lower limit of organic matter abundance of effective hydrocarbon source rocks of Bayingebi Formation in Tiancao sag |
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在确定有效烃源岩下限基础上，结合其他有机质丰度和类型的地球化学参数，对比了天草凹陷北次洼和南次洼巴音戈壁组烃源岩有机质丰度、类型及热演化程度。结果表明，南次洼的T6和T601井区巴音戈壁组烃源岩的w(TOC)和S1+S2明显高于北次洼的T3和T5井区(图 8)，有机质类型(腐泥组)也明显好于北次洼(表 3)，并达到了成熟-高成熟演化阶段，而北次洼烃源岩埋深相对较浅，Tmax值明显偏低，整体处于低熟—成熟阶段(图 8)。此外，南次洼巴音戈壁组w(TOC)>1.0%的有效烃源岩比例也明显占优势(图 8)，说明天草凹陷南次洼具有更大的资源潜力。
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| 图 8 天草凹陷南北次洼巴音戈壁组烃源岩有机质丰度和成熟度对比 Fig. 8 Comparison of organic matter abundance and maturity of source rocks of Bayingebi Formation in the Northern and Southern subsag of Tiancao sag |
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正构烷烃的碳数分布特征可指示有机母质来源情况，长链正构烷烃(nC27-nC31)指示陆源高等植物输入，短链正构烷烃(＜nC20)指示海相或湖相藻类等低等水生生物输入，而中链和长链的奇碳数正构烷烃(nC21-nC31)可指示湖相藻类输入[39]。巴音戈壁组烃源岩正构烷烃分布模式呈“单峰型”，主峰碳为nC23，且nC21-nC31的奇数碳峰也明显偏高，反映了该套烃源岩有机质来源于高等植物和藻类有机质的混合贡献，且藻类有机质贡献比例稍大[9](图 9、10)。此外，结合显微组分质量分数也可以看出腐泥组质量分数占比较大，说明藻类有机质贡献比例更大(表 3，图 5)。Pr/nC17和Ph/nC18一般可反映有机质的来源和沉积环境，如图 10所示，巴音戈壁组烃源岩具有高的Ph/nC18和低的Pr/nC17值。在Pr/nC17-Ph/nC18交会图上，大部分数据点落在Ⅱ型有机质偏还原环境的区域，这间接反映该套烃源岩具有混合有机质来源特征；规则甾烷C27-C29分布主要呈不对称的“V”字型和反“L”型(图 9)，说明陆源高等植物和低等水生生物的混合输入特征。长链三环萜烷类广泛分布于没有明显高等植物输入的沉积物中，然而不同碳数的三环萜烷也反映了陆源有机质和湖盆内原地有机质的贡献比例差异，Hao等[40]认为C19和C20三环萜烷更可能来自陆源有机质，C23三环萜烷可能主要来自低等水生生物。巴音戈壁组烃源岩中检测出丰富的三环萜烷，以C21和C23三环萜烷占明显优势，且少部分样品C19三环萜烷质量分数较高(图 9)，这些特征也同样反映低等水生生物比例贡献更大的混合型有机质为母质来源。此外，通过对比南次洼(T6井)和北次洼(T3和T5井)烃源岩的生物标志化合物和显微组分特征(表 3)发现，南次洼烃源岩中腐泥组质量分数均值为73%，而北次洼烃源岩腐泥组质量分数均值为55%，反映了南次洼的藻类有机质贡献明显高于北次洼。
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| m/z.质荷比；Pr.姥鲛烷；Ph. 植烷；Ts. C2718α(H), 21β(H)-22, 29, 30-三降新藿烷；Tm. C2717α(H), 21β(H)-22, 29, 30-三降藿烷。 图 9 巴音戈壁组烃源岩烷烃、甾烷和萜烷类化合物色谱质谱 Fig. 9 Chromatograms of alkanes, steranes and terpanes of source rocks in the Bayingebi Formation |
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| a. Pr/nC17-Ph/nC18交会图; b. 伽马蜡烷指数和Pr/Ph交会图。 图 10 巴音戈壁组烃源岩沉积环境 Fig. 10 Sedimentary environment of source rocks in Bayingebi Formation |
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类异戊二烯类烷烃中，Pr(姥鲛烷)和Ph(植烷)的分布特征可以反映沉积环境[24, 41]。巴音戈壁组烃源岩Pr/Ph值为0.20~1.66，平均为0.71(图 10、表 4)，说明烃源岩的沉积环境为还原环境。伽马蜡烷被认为是咸水还原的标志物，通常被认为来源于四膜虫中的四膜虫醇[41]，其广泛分布于碳酸盐岩或盐湖相原油和沉积物中。该套烃源岩具有高的伽马蜡烷质量分数，伽马蜡烷指数介于0.16~1.04，平均为0.50，反映巴音戈壁组为半咸水—咸水的还原环境(图 10和表 4)。此外，也在部分样品中检测到低丰度的β胡萝卜烷(图 9)，一般认为该类生标物主要出现在高盐度的还原环境中[42]。
| 构造 | 井位 | 深度 | 层位 | CPI | OEP | Pr/Ph | Pr/nC17 | Ph/nC18 | 伽马蜡烷指数 | C29/C27 |
| 北次洼 | T3 | 1 840.50 | K1b1 | 1.32 | 1.10 | 0.93 | 0.69 | 0.79 | 0.95 | 3.79 |
| T3 | 1 846.50 | K1b1 | 1.22 | 1.16 | 0.93 | 0.49 | 0.54 | 0.57 | 4.90 | |
| T3 | 1 931.50 | K1b1 | 1.21 | 1.11 | 1.38 | 0.48 | 0.35 | 0.69 | 5.53 | |
| T3 | 1 931.85 | K1b1 | 1.26 | 1.11 | 1.31 | 0.39 | 0.30 | 0.68 | 2.44 | |
| T3 | 1 400.93 | K1b2 | 1.72 | 1.77 | 0.44 | 1.13 | 2.62 | 0.22 | 2.44 | |
| T3 | 1 543.00 | K1b2 | 1.54 | 1.33 | 0.29 | 0.68 | 2.41 | 0.19 | 2.50 | |
| T3 | 1 707.15 | K1b2 | 1.18 | 1.02 | 1.66 | 0.60 | 0.36 | 0.31 | 1.41 | |
| T3 | 945.00 | K1b3 | 1.95 | 1.82 | 0.18 | 0.51 | 3.58 | 0.40 | 2.02 | |
| T3 | 982.00 | K1b3 | 2.77 | 1.70 | 0.20 | 0.55 | 3.03 | 0.29 | 1.77 | |
| T3 | 1 112.12 | K1b3 | 1.99 | 1.09 | 1.22 | 0.53 | 0.48 | 0.33 | 5.97 | |
| T3 | 1 229.00 | K1b3 | 1.61 | 1.44 | 0.34 | 1.23 | 4.28 | 0.21 | 2.03 | |
| T5 | 1 711.58 | K1b1 | 1.56 | 0.85 | 1.18 | 0.38 | 0.44 | 0.16 | 2.02 | |
| T5 | 1 739.78 | K1b1 | 1.24 | 0.96 | 1.17 | 0.45 | 0.43 | 0.33 | 2.31 | |
| 南次洼 | T6 | 3 138.00 | K1b1 | 1.12 | 0.99 | 0.51 | 0.17 | 0.31 | 0.25 | 1.57 |
| T6 | 2 467.35 | K1b2 | 1.12 | 1.20 | 0.63 | 0.47 | 0.71 | 0.75 | 0.81 | |
| T6 | 2 470.43 | K1b2 | 1.13 | 1.09 | 0.71 | 0.47 | 0.61 | 1.04 | 0.92 | |
| T6 | 2 473.48 | K1b2 | 1.11 | 1.07 | 0.65 | 0.68 | 0.92 | 0.60 | 0.65 | |
| T6 | 2 504.50 | K1b2 | 1.09 | 1.08 | 0.53 | 0.44 | 0.78 | 0.85 | 1.18 | |
| T6 | 2 520.00 | K1b2 | 1.07 | 1.12 | 0.47 | 0.46 | 0.89 | 0.84 | 1.14 | |
| T6 | 2 590.50 | K1b2 | 1.09 | 1.10 | 0.57 | 0.42 | 0.72 | 0.87 | 1.15 | |
| T6 | 2 765.00 | K1b2 | 1.07 | 1.12 | 0.50 | 0.30 | 0.56 | 0.59 | 1.08 | |
| T6 | 2 941.50 | K1b2 | 1.10 | 1.13 | 0.73 | 0.29 | 0.37 | 0.27 | 0.90 | |
| T6 | 2 975.00 | K1b2 | 1.11 | 1.09 | 0.78 | 0.32 | 0.43 | 0.28 | 1.09 | |
| T6 | 3 020.50 | K1b2 | 1.04 | 1.01 | 0.72 | 0.23 | 0.31 | 0.35 | 1.11 | |
| T6 | 3 052.00 | K1b2 | 1.04 | 0.99 | 0.73 | 0.08 | 0.11 | 0.21 | 1.01 | |
| T6 | 2 250.50 | K1b3 | 1.27 | 1.24 | 0.71 | 0.45 | 0.55 | 0.62 | 0.53 | |
| T6 | 2 385.45 | K1b3 | 1.34 | 1.54 | 0.51 | 0.36 | 0.68 | 0.45 | 1.19 | |
| T6 | 2 390.00 | K1b3 | 1.22 | 1.19 | 0.54 | 0.48 | 0.85 | 0.71 | 0.84 | |
| T6 | 2 440.00 | K1b3 | 1.16 | 1.12 | 0.56 | 0.49 | 0.85 | 0.61 | 0.97 | |
| T601 | 2 303.54 | K1b2 | 1.23 | 1.05 | 0.57 | 0.50 | 0.77 | 0.75 | 1.21 | |
| T601 | 2 567.21 | K1b2 | 1.13 | 1.03 | 0.68 | 0.29 | 0.40 | 0.56 | 1.23 | |
| T601 | 2 575.80 | K1b2 | 1.22 | 1.12 | 0.48 | 0.24 | 0.50 | 0.58 | 1.55 |
根据凹陷的结构和构造特征，天草凹陷的生烃洼陷带可进一步划分为南次洼和北次洼，南次洼以T6和T601井区为代表，北次洼以T3和T5井区为代表。通过指示沉积环境的生物标志化合物参数对比发现，不同次洼的巴音戈壁组烃源岩沉积环境存在明显差异。北次洼烃源岩的伽马蜡烷指数介于0.16~0.95，平均为0.33，Pr/Ph值平均为0.82，而南次洼烃源岩具有较高的伽马蜡烷指数(平均值为0.59)和较低的Pr/Ph，且发育β胡萝卜烷(图 9、表 4)，这反映了南次洼具有高盐度强还原的水体条件[9]。纵向上，巴音戈壁组不同层段的沉积环境也有差异，具有明显的三分性，巴音戈壁组二段的水体盐度和还原程度均明显高于巴一段和巴三段，这与不同时期气候变化和淡水输入量的差异有直接关系(图 11、表 4)。在巴音戈壁组二段内部烃源岩沉积环境及有机质丰度也具有一定的规律性变化，南次洼巴二段中上部盐度最高，还原性最强，对应的总有机碳质量分数也高(图 11a)，而北次洼巴二段沉积水体盐度和还原性变化不大，有机质丰度整体较低，仅在底部出现明显高盐度弱还原的水体条件，有机碳质量分数略有升高(图 11b)。
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| a. 南次洼T6井；b. 北次洼T3井。 图 11 天草凹陷巴音戈壁组有机碳和沉积环境参数纵向变化 Fig. 11 Longitudinal variation of organic carbon and sedimentary environmental parameters of K1b in Tiancao sag |
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综合分析表明，有机质来源及沉积环境对烃源岩中有机质的富集和保存有重要的影响。天草凹陷巴音戈壁组烃源岩生物标志化合物参数和有机质丰度相关性分析表明，在高盐度、水体分层和还原的沉积环境下，盆内藻类勃发和盆外适当的陆源有机质输入导致了湖盆水体具有较高的古生产力，持续稳定的缺氧环境为有机质的保存提供了良好条件(图 11)。然而，陆源有机质输入对有机质富集的影响，在天草凹陷南次洼和北次洼是有差别的(表 4)。南次洼烃源岩具有相对低的C29/C27规则甾烷比值(0.53~1.57)，反映了高盐度还原条件下发育藻类以有机质为主，形成的烃源岩具有相对高的有机质丰度和偏腐泥型的有机质类型。而北次洼巴音戈壁组烃源岩具有高的C29/C27规则甾烷比值(1.41~ 5.97)，说明陆源有机质贡献明显增加，从而导致了北次洼相对低盐度弱还原的水体环境，形成的烃源岩有机质丰度相对较低，有机质类型也较南次洼差。因此，盆内藻类勃发和盆外适当的陆源有机质输入是湖盆水体具有较高古生产力和较好有机质类型的必要条件，持续稳定的缺氧环境为有机质的保存提供了良好条件，这是巴音戈壁组有效烃源岩形成的2个关键条件。
6 结论1) 天草凹陷巴音戈壁组烃源岩有机质丰度达到了中等—好的级别，有机质类型为Ⅱ1-Ⅱ2型，有机质成熟度整体达到了低熟—成熟阶段；巴音戈壁组二段有机质丰度最高，且Ⅱ1型有机质占比最高，为成熟的烃源岩，具备较高的生烃能力。
2) 天草凹陷巴音戈壁组有效烃源岩下限为w(TOC)=1.0%。纵向上，巴音戈壁组二段有效烃源岩最发育。平面上，天草凹陷的南次洼比北次洼具备更高的有机质丰度和较好有机质类型，且大部分达到了成熟阶段。
3) 巴音戈壁组沉积期为高盐度偏还原的沉积环境，有机质来自高等植物和水生生物的混合源，且低等水生生物贡献比例大。盆内藻类勃发和盆外适当的陆源有机质输入是湖盆水体具有较高古生产力和较好有机质类型的必要条件，持续稳定的缺氧环境为有机质的保存提供了良好条件，这是巴音戈壁组有效烃源岩形成的2个关键条件。
4) 天草凹陷的南次洼及周缘发育高丰度的成熟供烃烃源岩，是下一步勘探的有利区域。
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