随着经济发展对石油需求的提高，勘探更多石油资源成为各国亟待解决的问题^[1]。烃源岩的分布规律，特别是烃源岩和原油的关系作为制约勘探开发的重要因素备受关注，前人对此进行了大量研究。生物标志化合物包含大量指纹信息，可从原油形成环境、母质类型和成熟度方面进行原油成因分析^{[2, 3, 4]}，是重要的油源对比方法。原油与烃源岩地球化学特征相似是进行油源对比和分析的基础，然而沉积盆地发育多期性质相似的烃源岩或同期沉积的地层不同区域沉积环境的差异性都增加了油源对比的复杂性，导致油源分析结果常常具有多解性，限制了石油的勘探进程。因此，针对多期烃源岩地球化学特征相似性引起的油源分析问题，笔者以鄂尔多斯盆地陇东地区为例，应用聚类分析理论对这一问题进行研究，厘定油源关系；并且结合本区已有的地质研究结果探讨原油运聚机理，为油源分析和成藏研究提供一种新思路。

鄂尔多斯盆地是在华北克拉通古老基底基础上发展起来的中、新生代沉积盆地^[5]。晚三叠世延长期长7沉积期沉积了一套深湖—半深湖相富含有机质的暗色泥岩，是鄂尔多斯盆地主力烃源岩^[6]。随着勘探程度的逐步深入，发现延长组还发育一期优质的长9湖相烃源岩^[7]。同时，湖盆内河流三角洲和扇三角洲沉积体系广泛分布^[8]。这些有利的生储组合为形成大型油藏奠定了良好的基础。陇东地区位于鄂尔多斯盆地西南部，区域构造位于伊陕斜坡和天环坳陷^[9]。研究区内长7和长9烃源岩均有发育，但是对于长9油层组原油的油源尚未取得共识。一种观点认为，长9原油主要由长7向下倒灌成藏，局部地区亦有长9烃源岩贡献^{[10, 11]}；另一种观点认为，长9原油属于自生自储型^[12]。因此，有必要开展长9油层组油源分析研究。

根据研究需要，分别采集了5口井的原油样品和11口井的泥岩样品。其中，长9油层组原油样品5个（庄75、西62、木61、镇146、镇150）；长9油层组的泥岩样品6个（庄81、镇85、西21、庄85、西93、里94）；长7油层组的泥岩样品5个（白241、山145、西252、西77、固8）（图 1）。原油经沉淀沥青质后，用氧化铝/硅胶柱色谱进行了分离。饱和烃和芳烃馏分分别用正己烷和苯冲洗，非烃馏分用已醇冲洗。泥岩样品粉碎至100目，用索氏抽提法进行抽提。氯仿沥青“A”中的沥青质用正己烷沉淀后，分离出饱和烃。饱和烃馏分用色谱—质谱联用仪(GC-MS)进行分析鉴定。MS为5 973 N，离子源温度为250℃，电离电压为70 eV。GC为6 890 N，色谱柱为HP-5MS(30m×0.32mm)，固定相涂膜厚度0.25μm，载气为氦气，起始温度80℃，以4℃/min生温至300℃，然后恒温30 min^[11]。

图 1 陇东地区位置及采集样品井位示意图 Fig. 1 Location of the eastern Gansu and the samples well

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长9油层组原油正构烷烃的碳数范围为nC₁₂-nC₃₆，峰型相似，均为双峰型（图 2）。一般认为，碳数小于C₂₁的正构烷烃主要来自水生生物，大于C₂₁的高碳数正构烷烃来自陆生高等植物，长9原油∑C₂₁^-/∑C₂₁⁺比值多数分布在0.88~5.32(表 1)，低碳数优势明显。Pr/nC₁₇、Ph/ nC₁₈值与原油母质类型关系密切，可以对其进行较好的指示^{[2, 4]}，陇东地区长9原油Pr/nC₁₇、Ph/ nC₁₈值分布较集中（图 3），说明长9原油来自相似的母源。

图 2 陇东地区原油样品m/z 85质量色谱图 Fig. 2 Representative mass chromatograms of m/z 85 for the crude oils from the eastern Gansu

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图 3 陇东地区原油和烃源岩Pr/nC17与Pr/Ph值相关图以及Ph/nC18与Pr/Ph值相关图 Fig. 3 Cross plots of Pr/nC17 vs Pr/Ph rations and Ph/nC18 vs Pr/Ph rations in the studied crude oils and source rocks from the eastern Gansu

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原油中的不同类型的规则甾烷反映不同来源的母质。陇东地区长9原油C₂₇、C₂₈和C₂₉规则甾烷分别分布在33.3%~37.7%、25.7%~28.3%和35.4%~39.1%（表 2），样品点在规则甾烷三角图中分布于混合型母质区域内(图 4)且原油已经成熟，反映长9原油成烃母质主要来自水生生物和高等植物。三环二萜烷在石油和沉积岩中具有较广泛的分布，C₁₉+C₂₀三环萜烷来源于陆相植物，C₂₃三环萜烷来源水生生物，因此C₁₉+C₂₀三环萜烷/C₂₃三环萜烷可用来反映原油母质输入情况。长9原油C₁₉+C₂₀三环萜烷/C₂₃三环萜烷比值介于0.46~1.03，说明原油母质中水生生物贡献较大；C₂₃三环萜烷/（C₂₃三环萜烷+C₃₀藿烷）也用来判识原油母质，它分布在0.08~0.33，指示母源中有较多水生生物的输入（表 3）。陇东地区长9原油中检测到了4-甲基甾烷，并且∑规则甾烷/∑藿烷比值（0.17~0.80）较低（表 3），指示藻类和细菌对原油的形成也有贡献；同时长9原油还检测到了基峰是191、分子量分别为398和412的降羽扇烷和羽扇烷（图 5中分别用Nor-L和L表示），说明长9原油中有高等植物输入。综合这些母质类型判别指标，指示长9原油母质主要由高等植物和水生生物构成。

图 4 陇东地区原油和烃源岩中不同碳数规则甾烷分布三角图 Fig. 4 Ternary diagram of C27,C28 and C29 sterane compositions in the studied crude oils and source rocks from the eastern Gansu

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图 5 陇东地区原油样品m/z 191质量色谱图 Fig. 5 Representative mass chromatograms of m/z 191 for the crude oils from the eastern Gansu

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姥鲛烷（Pr）指示烃源岩形成于氧化环境，植烷（Ph）指示烃源岩形成于还原环境^[3]。因此，姥植比（Pr/Ph）是判识成烃有机质古环境氧化还原程度的重要参数。陇东地区长9原油Pr/Ph 分布在0.84~1.22之间（表 1），姥鲛烷和植烷的分布差异较小，根据ten Haven等提出的水介质氧化还原程度指标^[13]，指示长9原油形成于弱还原—弱氧化环境。Pr/nC₁₇与Ph/nC₁₈交会图也反映出长9原油形成于氧化环境和还原环境的过渡带（图 6）。长9原油中β-胡萝卜烷含量较低，不属于典型的含高β-胡萝卜烷强还原环境^[4]，因此长9原油形成于弱还原—弱氧化环境。研究表明，原油低丰度的伽玛蜡烷、升霍烷含量降低的特征反映低盐度沉积环境^{[14, 15]}。陇东地区长9原油中伽马蜡烷/αβ-C₃₀藿烷分布在0.02~0.06，表现出典型的淡水环境特征；升霍烷含量C₃₃>C₃₄>C₃₅，未出现高盐度环境下升藿烷依次升高的现象（图 5）。根据水介质氧化还原判别指标以及地质分析结果，认为陇东地区长9原油形成于弱氧化—弱还原的淡水湖泊环境中。

图 6 陇东地区原油和烃源岩Pr/nC17与Ph/nC18比值相关图 Fig. 6 Cross plots of Pr/nC17 vs Ph/ nC18 rations in the studied crude oils and source rocks from the eastern Gansu

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生物标志化合物参数可以用来判断原油的热演化阶段，研究原油的成熟度。OEP值是反映原油成熟度的指标之一，陇东地区长9原油OEP值为0.98~1.23之间（表 1），表明原油已经成熟。C₂₉三环萜烷／(C₂₉三环萜烷+C₃₀藿烷)可用来研究原油的成熟度^[16]，陇东地区长9原油分布在0.08~0.34（表 3），类似于塔里木陆相成熟原油(0.03~0.71)^[17]。研究认为，有机质演化过程中，藿烷类化合物逐渐从生物构型的ββ-C₃₀藿烷向地质构型αβ-C₃₀藿烷转化，22R构型向22S构型转化^[18]，因此βα-C₃₀莫烷/αβ-C₃₀藿烷和C₃₁藿烷22S/(22S+22R)可作为判别原油成熟度的指标。陇东地区长9原油αβ-C₃₀藿烷含量明显高于其他萜类化合物（图 5），βα-C₃₀莫烷/αβ-C₃₀藿烷分布在0.07~0.09；C₃₁藿烷22S/(22S+22R)分布在0.46~0.59（表 3），均反映了成熟原油的特征。甾族化合物在演化过程中，手性碳原子发生构型的转变，由R生物构型转化为S的地质构型；规则甾烷14,17（H）发生由αα位转变为ββ位^[18]，因此可通过甾族化合物不同构型之间的相对含量来研究原油的成熟度。陇东地区长9原油成熟度指标C₂₉甾烷20S/（20S+20R）和C₂₉甾烷ββ/（αα+ββ）比值分布在0.53~0.59和0.54~0.60（图 7），两个比值分布都超过0.4，根据原油成熟度判别标准^[19]，长9原油均已达到成熟阶段。重排甾烷的热稳定性比规则甾烷好，它与规则甾烷的比值可作为成熟度参数^[20]，长9原油重排甾烷/规则甾烷分布在0.07~0.34（表 2），与柴达木盆地北部成熟原油(0.28~0.39)相似^[14]。综合正构烷烃、三环萜烷和甾烷成熟度参数分析结果，判断长9原油属于成熟原油。

图 7 陇东地区原油和烃源岩C29甾烷20S/(20S+20R)与C29甾烷ββ/(αα+ββ)比值相关图 Fig. 7 Cross plot of C29 sterane 20S/ (20S+20R) vs ββ/ (αα+ββ) rations in the studied crude oils and source rocks from the eastern Gansu

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为了厘定陇东地区长9油层组原油的来源，对长7烃源岩和长9烃源岩地球化学特征做了进一步分析。正构烷烃的Pr/Ph、Pr/nC₁₇、Ph/nC₁₈和规则甾烷中C₂₇、C₂₈和C₂₉相对含量包含丰富的母质类型及形成环境方面的信息，是重要的油源对比指标。研究结果显示，长9原油与长7烃源岩及部分长9烃源岩数据点分布在相对集中的范围内（图 3,4,6），表明长9原油与长7烃源岩及部分长9烃源岩在母质类型和形成环境方面相似，具有一定的对比性。前人研究表明，长7沉积期，烃源岩厚度大^[6]，分布范围广，有机碳含量高^[21]，Ro值在0.70%~0.95%^[22]；陇东塔儿湾—固城地区长9烃源岩沉积厚度大于40 m，有机碳含量大于1.0%，Ro分布在0.79%~1.22%，这些数据说明陇东地区长7烃源岩和长9烃源岩都具有较强的生烃潜力，为陇东地区长9油层组原油成藏提供了重要的物质基础。

然而，生物标志化合物参数交汇图上长9原油与两类烃源岩“相对集中”的描述仍然属于定性范畴，只能从生烃潜力方面推断两种烃源岩均可能对长9油层组原油成藏有贡献，却无法明确两种烃源岩是否对长9油层组原油成藏有贡献。这是因为，长9期对长7期的继承性沉积导致两期烃源岩在部分区域地球化学特征相似^[23]。此外，同一沉积期的长7烃源岩或长9烃源岩沉积亚环境变化引起烃源岩内部地球化学特征的差异，更增加了油源分析的难度。因此，长9油层组油源分析的关键是计算长7烃源岩和长9烃源岩样品与长9原油样品的相关性。烃源岩样品与原油样品的相关性越强，则表示原油最可能来自哪种烃源岩。

为了进行更加精细的油源对比研究，需要使用更灵敏的参数和更准确的计算方法进行分析。研究表明，Pr/Ph值和C₂₉甾烷含量能够代表沉积环境和母源性质，是可靠的油源对比指标^[23]。同时，利用聚类分析理论中的欧氏距离和树状图等方式可以清晰地表示样品间的相关性和属性关系。聚类分析的基本思想是，将统计量的度量值按相似程度的逐一归类，根据整个分类系统画出亲疏关系谱系图^[24]。通过聚类分析理论中的系统聚类法对陇东地区长9原油、长7烃源岩和长9烃源岩样品参数进行了计算和分析并且得出以下结论：

（1）依据样品间的亲缘关系，将原油和烃源岩样品划分为2个主类，其中Ⅱ主类可划分为2个亚类，Ⅱ₂亚类可进一步划分为3个基本类（表 4、图 8）。Ⅰ主类样品（西93、镇85、西21、里94）均来自长9烃源岩，平面上分布在庆城—太白梁—镇原一带，Pr/Ph分布在2.20~2.91，C₂₉甾烷含量分布在35.0%~40.7%；Ⅱ主类中的Ⅱ₁亚类样品（固8、西77、西252）均来自长7烃源岩，平面上分布在庆城—合水一带，Pr/Ph分布在1.07~1.27，C₂₉分布在46.1%~48.2%；Ⅱ₂亚类有3个基本类，样品包含长9油层组的原油（庄75、西62、木61、镇146、镇150）、长7烃源岩（山145、白241）以及长9烃源岩（庄85、庄81），其均匀分布在研究区内，Pr/Ph分布在0.84~1.18，C₂₉甾烷含量分布在30.9%~39.1%。将这些数据对比研究发现，Ⅰ主类的长9烃源岩与Ⅱ₁亚类的长7烃源岩相比，Pr/Ph比值相对较小，C₂₉甾烷含量相对较大，两者地球化学特征差异明显；而同属于Ⅲ₁基本类的长7烃源岩与长9烃源岩性质相似。这进一步证明，陇东地区的长7烃源岩与长9烃源岩地球化学特征既具有差异性又具有相似性。

图 8 陇东地区原油和烃源岩生物标志化合物参数聚类分析 注：R.烃源岩；O.原油；长9-庄75-O.长9油层组庄75井原油。 Fig. 8 Cluster analisis of biomarker parameters in the studied crude oils and source rocks from the eastern Gansu

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（2）由表 4和图 8可知，Ⅲ₁基本类中的长9油层组镇146井、镇150井、西62井原油与长7油层组山145井和长9油层组庄85井的烃源岩亲缘关系较近，它们的Pr/Ph分布在0.95~1.18，C₂₉甾烷含量分布在37.0%~39.1%，表明长9油层组镇146井、镇150井、西62井原油来自长7油层组和长9油层组的烃源岩。进一步计算发现，长7油层组山145井烃源岩与长9油层组镇146井、镇150井的原油亲缘关系较好（平方欧氏距离分别为0.004和0.006），长9油层组庄85井的烃源岩与长9原油西62井亲缘关系较好（平方欧氏距离为0.010）（表 5），说明长9油层组镇146井、镇150井的原油可能主要来自长7烃源岩，长9油层组西62井的原油可能主要来自长9烃源岩。Ⅲ₂基本类中的长9油层组庄75井和木61井原油与长7油层组白241井烃源岩亲缘关系较近，它们的Pr/Ph分布在0.84~1.07，C₂₉甾烷含量分布在34.8%~36.6%，指示长9油层组庄75井和木61井原油来源于长7油层烃源岩。Ⅲ₃基本类中的长9油层组庄81井烃源岩与Ⅲ₁和Ⅲ₂两个基本类同属于Ⅱ₂亚类，与长9原油也有较近的亲缘关系，对长9成藏也有贡献。由于Ⅱ₁亚类中的长7烃源岩样品（固8、西77、西252）与长9原油所属的Ⅱ₂亚类聚类而不是直接与长9原油聚类，指示其与长9原油亲缘关系较远；Ⅰ主类中的长9烃源岩样品则与Ⅱ主类聚类，与长9原油的亲缘关系更远。结合样品点在研究区平面上的分布（图 1），认为镇原—庆阳—宁县一带的长9原油主要来自华池一带的长7烃源岩和塔尔湾—罗山府一带的长9烃源岩，环县—木钵一带和塔尔湾—合水一带的长9原油主要来自华池一带的长7烃源岩；庆城—合水一带的长7烃源岩对长9原油贡献较小，庆城—太白梁—镇原一带的长9烃源岩对长9原油基本上没有贡献。这些分析结果表明，同期沉积的长7烃源岩和长9烃源岩在不同区域对长9原油贡献不同。进一步研究发现，与长9原油亲缘关系较远的长7烃源岩样品（固8、西77、西252）Pr/Ph分布在1.07~1.27，C₂₉甾烷含量分布在46.1%~48.2%，与长9原油亲缘关系较近的长7烃源岩样品（山145、白241）Pr/Ph分布在0.95~1.07，C₂₉甾烷含量分布在34.8%~37.8%；与长9原油亲缘关系较远的长9烃源岩样品（西93、镇85、西21、里94）Pr/Ph分布在2.20~2.91，C₂₉甾烷含量分布在35.0%~40.7%，与长9原油亲缘关系较近的长9烃源岩样品（庄81、庄85）Pr/Ph分布在0.98~1.18，C₂₉甾烷含量分布在30.9%~37.0%（表 1、 2、4，图 8），证明了同期沉积的烃源岩内部地球化学特征的差异是导致同期沉积的长7烃源岩或长9烃源岩对长9原油成藏贡献不同的根本因素。

以上分析结果可以明确，陇东地区长7烃源岩和长9烃源岩对长9油层组原油成藏均有贡献且长7烃源岩对长9油层组成藏贡献较多，不同地区两类烃源岩对长9原油贡献不同。

前人已经通过咔唑类化合物异构体参数研究了长9原油运移方向^[23]。笔者从油源对比结果出发，以源储关系为基础分析原油运移方向。从平面上看，陇东地区长7烃源岩生成的原油向长9油层组运移有两条路径：第一条为华池—木钵—太白梁—镇原，第二条是华池—合水—庆城—庆阳；长9烃源岩生成的原油向长9油层组运移有一条路径：塔尔湾—罗山府—宁县（图 1）。从剖面上看，长7烃源岩生成的原油通过倒灌的方式进入长9油层组；长9烃源岩生成的原油通过侧向运移的方式进入长9油层组（图 9）。地质研究表明，长8、长9储层属于低渗—特低渗储层^{[25, 26]}，长7烃源岩和长9烃源岩物性更差（属致密级别），如果地层疏导能力太差、没有阻力更小的优势通道，那么长7烃源岩和长9烃源岩生成的原油很难突破致密储层的阻力进入储层。但是，孔隙型输导体和构造裂隙输导体可以构成石油运移的有效输导体^[23]。陇东地区西峰油田长8油层组部分井镜下观察到高角度缝，岩芯也不同程度发现裂缝^[27]，且北东—南西方向最为发育^[28]，与笔者提出的运移路径方向基本一致；长7烃源岩中也发育大量“香肠”状的显微裂缝^[29]。微量元素和稳定同位素分析表明，裂缝中充填的方解石形成时期稍早于或同步于烃类流体的大规模活动时期^[30]。这些研究结果较好地证明了所提出的运移路径具有一定的可靠性，并且与油气运移关系密切。

图 9 陇东地区长9原油运聚模式 Fig. 9 Migration mode of crude oil from Chang-9 subsection in the eastern Gansu

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陇东地区紧邻具有较强生烃潜力的长7烃源岩和长9烃源岩生烃中心。长9生、排烃能力较强，平均排烃率为33.17%^[7]；长7烃源岩平均排烃率更是高达72%^[31]。同时，长7烃源岩和长9烃源岩的欠压实作用产生较高的异常过剩压力也为石油运移提供了动力^[23]。较强的运移动力和良好的运移通道表明，长7烃源岩和长9烃源岩均具有向长9油层组供油、运移成藏的条件，佐证了油源分析的结果。长9沉积期，研究区主要发育三角洲前缘相，在平行三角洲前缘分流河道方向，砂体规模大、连通性较好，这些条件有利于形成大型油藏^[8]。因此，原油在较强的运移动力和良好的疏导体配合下进行运移，最终在有利的储层中聚集形成长9油藏。

（1）根据陇东地区长9油层组原油生物标志化合物参数，对长9原油的母质类型、形成环境和原油成熟度进行了判识。结果表明，长9原油形成于弱氧化—弱还原淡水环境中；原油母质属于水生生物和高等植物构成的混合型母质；长9原油已经达到成熟阶段。

（2）针对烃源岩地球化学特征相似性引起的油源对比问题，基于聚类分析理论，对陇东地区长9原油与长7烃源岩和长9烃源岩的生物标志化合物参数进行了精细对比，分析认为镇原—庆阳—宁县一带的长9原油主要来自华池一带的长7烃源岩和塔尔湾—罗山府一带的长9烃源岩；环县—木钵一带和塔尔湾—合水的长9原油主要来自华池一带的长7烃源岩；两种烃源岩对长9油层组成藏都有贡献且长7烃源岩贡献较多。

（3）依据油源分析结果，从源储关系出发，提出陇东地区长7烃源岩和长9烃源岩生成的原油向长9油层组运移的三条路径，分别是华池—木钵—太白梁—镇原，华池—合水—庆城—庆阳，塔尔湾—罗山府—宁县。长7烃源岩和长9烃源岩较强的生排烃能力结合良好的疏导体系及有利的砂体展布是陇东地区长9原油成藏的重要保证。