通过超深储层中石油和提取物的地球化学分析，揭示了塔里木盆地古生代石油系统的来源

《Organic Geochemistry》：The sources of the Paleozoic petroleum systems in the Tarim Basin as revealed by geochemistry of oils and extracts from ultra-deep reservoirs

通过分析轮台油田龙坦1油藏原油及钻屑，结合碳同位素和生物标志物特征，确认宇宙系页岩为古生界石油系统主要烃源岩，但需注意次生成熟度变化。

　　

高志伟|程淼琦|邓倩|张海舟|廖泽文|孙永革

中国浙江省杭州市浙江大学地球科学学院有机地球化学研究室，邮编310058

摘要

塔里木盆地古生代石油系统的来源至今仍存在争议。为澄清这一长期存在的不确定性，我们分析了寒武纪盐下带的原油以及寒武纪Yuertus地层的岩心样本，重点研究了来自寒武纪盐下结构最深处的Luntan 1油田的原油。作为对比，我们使用了先前提出的中上奥陶世（O_2–3）源岩模型YM2作为参考。通过连续提取分析发现，Bitumen III（吸附在粘土/干酪根上的碳氢化合物）未受到钻井泥浆的污染，其分子组成和正构烷烃碳同位素与常规提取的有机物相似，因此被用于本研究。尽管受到热成熟度的影响，原油中的甾烷和藿烷分布与Yuertus页岩中的分布高度相关。原油中存在的芳基异戊二烯类化合物表明其沉积环境为缺氧（euxinic）条件。原油的正构烷烃碳同位素范围为?34‰至?36‰，与从Yuertus页岩中得到的正构烷烃的δ¹³C值（?32‰至?36‰）一致，但明显低于典型的O_2–3源岩（?30‰至?31‰）。鉴于大多数古生代原油与YM2原油之间的密切地球化学相似性，我们认为Yuertus页岩是这些石油系统的主要源岩。然而，在确定油源时需谨慎，因为Yuertus地层内的两种黑色岩系之间存在地球化学差异，且油藏内部可能发生了变化。

引言

塔里木盆地位于中国西北部，是一个拥有大量不同年代石油源岩的大型内陆盆地，其中古生代石油系统是重要的勘探目标。尽管过去四十年的勘探工作显著提高了我们对这些石油系统的认识，但其来源仍不明确，仍在争论中。寒武纪-下奥陶世（?-O₁）和中上奥陶世（O_2-3）的源岩被广泛认为是主要候选者。然而，如何将油源精确到5-7公里厚的寒武纪-奥陶纪地层中的特定地层段或岩石相类型仍是一个重大挑战（Hanson等人，2000年；Zhang等人，2000年；Sun等人，2003年；Cai等人，2009年；Wang等人，2014年；Cai等人，2015年；Li等人，2015年；Huang等人，2016年；Chen等人，2018年；Zhu等人，2021年；Zhang等人，2023年；Qiao等人，2024年）。这一困难主要是由于有效的油源对比数据稀缺，因为寒武纪源岩通常已经高度或过成熟（Zhang等人，2000年；Wang等人，2002年）。

最近的研究和野外观察表明，下寒武纪的Yuertus地层更有可能是主要油源层（Wang等人，2014年；Zhu等人，2014年；Zhu等人，2018年；Yang等人，2020年；Zhu等人，2021年）。特别是塔里木盆地塔贝隆起区的Luntan 1井（LT1）钻探深度达到了8882米，发现了寒武纪Yuertus地层，并在其正上方发现了油藏（图1a，b；Yang等人，2020a）。因此，LT1油藏被认为是原油直接来自下伏Yuertus页岩的最直接地质证据（Yang等人，2020a）。对LT1原油中金刚烷的分析表明，其油成熟度相当于镜质体反射率（R_equ）约为1.4%，说明原油是在晚赫尔辛期的高成熟度阶段由Yuertus页岩生成的（Zhu等人，2021年）。然而，Chen等人（2023年）基于相变定量模型提出，燕山期是LT1原油积累的关键阶段。Liu等人（2024年）的一项最新研究通过对Luntan地区方解石脉的U-Pb年龄测定发现，Yuertus页岩在晚赫尔辛期达到了油藏峰值成熟度（热成熟度约为0.9%–1.1%R_equ）。这引发了关于油藏在形成后是否经历了额外的热演化以达到当前成熟度，或者原油主要来源于高度成熟的干酪根的疑问。这种不确定性很大程度上取决于油源和成熟度的评估，以及之前由于Yuert斯页岩的高度成熟度和原油的深埋而较少研究的次生变化（Yang等人，2020年；Yang等人，2020b；Zhu等人，2021年；Zhu等人，2022年；Deng等人，2023年）。

LT1井中Yuertus地层的岩心样品显示出较高的总有机碳（TOC）含量和相对较低的成熟度（1.5%–1.7%R_equ；图1c；Yang等人，2020b；Zhu等人，2021年）。相比之下，露头样品的成熟度较高，范围为2.6%至2.8%R_equ（Wang等人，2002年）。LT1井中Yuertus地层的TOC分布清晰地划分出两个不同的部分：下部TOC含量较高，上部TOC含量较低（图1c；Yang等人，2020b；Zhu等人，2021年）。这两部分通常与露头中先前识别的Yuertus地层的两个黑色岩系BR1和BR2相对应（从下到上分别为BR1和BR2，Yang等人，2017年）。在塔里木盆地的露头中，BR1记录了早寒武世的全球缺氧事件（基底寒武纪碳同位素异常，BACE；Chen等人，2024年），其特征是δ¹³C_carb的负偏移（Wang和Bai，1999年）以及高度负的δ¹³C_TOC值（?38.0‰–?34.0‰；Zhu等人，2018年）。相比之下，BR2主要沉积在周期性缺氧的上升流系统中（Yang等人，2017年）。LT1井中Yuertus页岩的高δ¹³C_TOC值（约?31‰；图1c）表明这些样品代表BR2地层（Yang等人，2020b；Zhu等人，2021年）。这一解释进一步得到了δ¹³C_carb化学地层学数据的支持（Chen等人，2024年）。

目前，大多数勘探者认为寒武纪沉积物是塔里木盆地古生代石油系统的主要来源，这一观点得到了寒武纪盐下结构的商业发现和高TOC寒武纪源岩识别的支持（Wang等人，2014年；Zhu等人，2014年；Zhu等人，2018年；Yang等人，2020年；Zhu等人，2021年）。然而，露头中早已发现了高TOC的奥陶纪源岩（Zhang等人，2000年；Gao等人，2010年；Yao等人，2020年）。这些奥陶纪源岩尚未被钻探，因此尚不清楚这些潜在的高TOC奥陶纪源岩是否对浅层油藏有所贡献，这些油藏主要位于奥陶纪和三叠纪地层中。因此，分析岩心和LT1原油中的地球化学特征对于明确油源和成熟度以及更好地理解塔里木盆地的古生代石油系统至关重要。在本研究中，我们收集了LT1原油和来自Yuertus地层“下部”和“上部”的五个岩心样本。此外，还采集了典型的奥陶纪油藏（YM2）和寒武纪盐下结构（ZS1）原油进行对比分析。主要目的是：（1）评估岩心受到钻井泥浆污染的可能性；（2）从岩心和LT1原油中提取分子和碳同位素特征；（3）整合以往研究的数据，重新解读古生代石油系统的源岩。

章节片段

采样与实验

LT1井位于中国西北部的塔贝隆起区，钻探深度达到8882米（图1a，b）。共识别出81米厚的Yuertus页岩（8607.5米–8688.5米）（Yang等人，2020a），包括上部（含泥的泥岩和含泥白云质石灰岩）和下部（黑色页岩）。在Wusongger地层中发现了油藏，该油藏被上部的Awatage地层封盖（图1b）。

钻井泥浆污染的识别

使用岩心进行石油地球化学研究时，钻井泥浆污染是一个主要问题。通常使用Rock-Eval热解法得到的Tmax值来快速筛查潜在污染。然而，其可靠性可能受到源岩中TOC含量的影响（Sun等人，2010年）。LT1井的Yuertus页岩具有较高的TOC值和1.5%–1.7%R_equ的热成熟度（Yang等人，2020年）。

结论

最近从寒武纪盐下结构中发现的LT1原油的分子和碳同位素组成表明，其演化主要受热应力控制。尽管受到热成熟度的影响，LT1原油中的生物标志物和正构烷烃的δ¹³C值与先前提出的O_2-3源岩模型YM2原油非常相似，并与寒武纪Yuertus页岩中的特征高度相关。这些发现支持了Yuertus页岩是主要油源岩的观点。

作者贡献声明

高志伟：撰写初稿，数据整理。程淼琦：验证。邓倩：撰写、审阅与编辑。张海舟：撰写、审阅与编辑。廖泽文：撰写、审阅与编辑。孙永革：撰写、审阅与编辑，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

我们感谢四位匿名审稿人和编辑Jian Cao及Clifford Walters对本文提出的有益修改、评论和建议，这些都对提高手稿质量起到了重要作用。本工作得到了国家自然科学基金（编号42030803）的财政支持。