河套盆地位于内蒙古自治区河套地区，是伊盟古陆核古元古界—太古宇变质结晶基底上的中、新生代坳陷—断陷盆地，迄今已有40余年的油气勘探历史，其中临河坳陷面积约为2.43×10⁴km²，是主要的沉积坳陷和含油气区^[1-2]。自20世纪80年代中期以来，临河坳陷内有部分探井见到了油气显示，但勘探程度较低，对于油气源关系及资源潜力的认识程度有一定局限性^[3-7]。以往认为临河坳陷存在古近系和下白垩统两套烃源岩，生烃中心主要位于北部深凹陷，资源规模较大，以高成熟和过成熟生气为主^[8-11]。

河套盆地历经石油普查勘探、油气探索勘探和油气勘探快速发现3个阶段，2017年以来，盆地石油勘探取得工业性突破^{[2, 12]}，在临河坳陷古近系、白垩系、太古宇3套含油层系中均见到良好的油气显示，其中S5井、Jh2X井在古近系渐新统临河组试油分别获得62.6m³/d和10.26m³/的高产工业油流，厘清油源关系是目前油气勘探急需解决的关键问题之一。为了确定临河组工业油流与临河坳陷下白垩统固阳组、渐新统临河组烃源岩之间是否存在成因联系，采集S5井、Jh2X井原油样品，以及固阳组、临河组烃源岩样品，从碳同位素组成和生物标志化合物等方面，剖析原油与烃源岩的地球化学特征，分析油源关系，从而为区内油气资源评价及勘探目标的选择提供有力依据。

河套盆地大地构造位置处于阴山与伊盟隆起之间，东西长600km，南北宽30~90km，面积为4× 10⁴km²，沉积岩厚度为3000~6000m，盆地自西向东可划分为临河坳陷、乌拉山隆起、乌前坳陷、包头隆起和呼和坳陷5个一级构造单元（图 1）^[13-15]，其中临河坳陷面积最大，是主要的沉积坳陷和含油气区。依据不同区块的地质特征，临河坳陷进一步被细分为北部深凹陷、南部断阶、东部斜坡、吉西凸起、吉兰泰浅凹和吉东斜坡6个二级构造单元。盆地由老至新发育下白垩统固阳组、上白垩统毕克齐组、始新统乌拉特组、渐新统临河组、中新统五原组、上新统乌兰图克组和第四系河套群，其中固阳组和临河组发育湖相烃源层，是主要的生油气层系^{[2, 12]}。

图 1

图 1 河套盆地构造单元划分 Fig. 1 Tectonic units in the Hetao Basin

临河坳陷下白垩统、渐新统烃源岩分布面积广、厚度大^[2]。St1井、S5井固阳组烃源岩以深灰色泥岩为主，泥岩有机质丰度较高，干酪根类型为Ⅰ型，总体评价为中等—好烃源岩，其中St1井固阳组灰色泥岩R_o值为0.48%~0.55%，处于未成熟—低成熟阶段；S5井固阳组灰色泥岩T_max值低，显示未成熟烃源岩的特征。S5井、L1井临河组烃源岩以灰色、灰黑色泥岩为主，泥岩有机质丰度高，干酪根类型以Ⅰ—Ⅱ₁型为主，总体评价为中等—好烃源岩，其中L1井临河组泥岩R_o值为0.77%~1.17%，平均为0.96%，表现出成熟烃源岩的特征；S5井临河组部分泥岩T_max值达到438℃，亦反映出成熟烃源岩的特征。烃源岩分析数据显示，下白垩统固阳组和渐新统临河组烃源岩已具备生烃能力，详细的地球化学参数见表 1。

表 1

表 1 临河坳陷固阳组和临河组烃源岩有机质丰度及类型评价表 Table 1 Evaluation of organic matter abundance and types of Guyang Formation and Linhe Formation source rocks in Linhe depression 井号 层位 岩性 TOC/% S1+S2/（mg·g-1） Tmax/℃ 氯仿沥青“A”/% 干酪根类型 烃源岩综合评价 St1 固阳组 深灰色泥岩 $\frac{{0.59(22)^*}}{{0.10~1.42}}$ $\frac{{4.06(22)}}{{0.10~18.75}}$ 414~431 $\frac{{0.9015(6)}}{{0.5249~1.3153}}$ Ⅰ 中等—好 S5 灰色泥岩 $\frac{{0.98(14)}}{{0.61~1.55}}$ $\frac{{1.88(14)}}{{0.31~3.65}}$ 409~422 $\frac{{0.0614(4)}}{{0.0101~0.1070}}$ —― 中等 S5 临河组 $\frac{{灰色}}{{泥岩}}$ $\frac{{1.63(21)}}{{0.16~4.80}}$ $\frac{{11.24(19)}}{{0.23~27.67}}$ 407~438 $\frac{{0.3151(7)}}{{0.1494~0.4451}}$ Ⅰ—Ⅱ1[12] 好—很好 L1 灰色泥岩 $\frac{{0.75(52)}}{{0.10~5.10}}$ $\frac{{3.75(52)}}{{0.11~39.72}}$ 409~437 $\frac{{0.3778(17)}}{{0.0045~1.8473}}$ Ⅰ—Ⅱ1 中等—好 灰黑色泥岩 $\frac{{1.15(6)}}{{0.46~2.51}}$ $\frac{{5.0(7)}}{{1.35~12.46}}$ 407~429 $\frac{{0.2443(3)}}{{0.0686~0.5013}}$ Ⅰ—Ⅱ1 中等—好 *$\frac{{平均值(样品数)}}{{最小值~最大值}}$。

表 1 临河坳陷固阳组和临河组烃源岩有机质丰度及类型评价表 Table 1 Evaluation of organic matter abundance and types of Guyang Formation and Linhe Formation source rocks in Linhe depression

采集了临河坳陷S5井、Jh2X井的临河组原油样品，以及St1井、S5井固阳组和L1井、S5井临河组烃源岩样品（图 1），对原油与烃源岩样品进行系统的有机地球化学分析测试。岩石热解分析、有机碳含量测定、煤岩显微组分及气相色谱—质谱等分析测试均由中国石油长庆油田公司勘探开发研究院分析实验中心完成。

S5井、Jh2X井临河组原油非烃与沥青质含量之和分别为20.29%、28.61%，饱芳比值分别为2.57、1.17。L1井临河组灰色泥岩非烃与沥青质含量之和为22.12%~40.91%，平均值为35.21%，饱芳比值为0.67~1.67，平均值为1.09；S5井临河组灰色泥岩非烃与沥青质含量之和为43.32%~65.08%，平均值为49.83%，饱芳比值为0.87~2.35，平均值为1.40；St1井固阳组灰色泥岩非烃与沥青质含量之和为28.25%~36.76%，平均值为33.37%，饱芳比值为0.34~0.74，平均值为0.47。临河组原油极性组分含量高、饱芳比值低，固阳组烃源岩亦具有饱芳比值低的特点。

S5井原油δ¹³C值为-26.60‰，Jh2X井原油δ¹³C值为-28.60‰，与位于临河坳陷吉西凸起的zk230井、zk240井和zk500井等乌拉山群变质岩裂隙原油碳同位素特征（δ¹³C值为-27.02‰~-26.43‰）相似。S5井和Jh2X井原油碳同位素值明显比鄂尔多斯盆地中生界湖相油型油的碳同位素值重，鄂尔多斯盆地中生界原油δ¹³C值一般低于-30‰，烃源岩为长4+5—长8油层组中的半深湖—深湖相、腐泥—混合型烃源岩^[16-17]，这说明河套盆地临河组原油的母岩沉积环境明显与鄂尔多斯盆地中生界湖相油型油母岩不同。临河组原油碳同位素与柴达木盆地西部古近系—新近系咸水湖相原油的碳同位素值(δ¹³C值为-26‰~-24‰)接近，亦反映出咸水湖相原油的碳同位素特征^[18-23]。推测咸水湖相环境原油碳同位素偏重的原因是因为咸水湖相环境中溶解的CO₂少，导致自养生物中¹³C分馏作用减弱，从而致使有机质碳同位素重^[18]。临河坳陷临河组原油的碳同位素特征与固阳组烃源岩和临河组烃源岩的碳同位素特征相似，L1井临河组灰色泥岩与灰黑色泥岩的δ¹³C值为-28.15‰~-23.02‰，St1井固阳组深灰色泥岩的δ¹³C值为-28.66‰~-26.83‰，这两套泥岩都有可能是临河组原油的供烃来源。

S5原油在50℃时密度为0.9366g/cm³，运动黏度为60.78mm²/s，凝固点高达31.0℃，原油黏稠、流动性差，属于高密度、高黏度、高凝固点的重质油；Jh2X井原油在50℃时密度为0.9278g/cm³，运动黏度为122.2mm²/s，凝固点为20.5℃, 也属于重质油。从原油的物理性质、族组成特征、碳同位素特征，无法分辨原油到底来自下白垩统固阳组烃源岩还是渐新统临河组烃源岩。因此对S5井、Jh2X井临河组原油、临河组烃源岩及固阳组烃源岩开展生物标志化合物色谱分析、色谱—质谱分析，分析油源关系。

原油全烃色谱分析显示，S5井和Jh2X井原油色谱峰型完整，均为单峰型，碳数分布范围为nC₈~nC₃₁，Pr/Ph值低，Pr/nC₁₇、Pr/nC₁₈值高，OEP < 1, 原油植烷优势明显（表 2）。Jh2X井原油正构烷烃具有偶碳优势，S5井原油正构烷烃未呈现出偶碳优势。

表 2

表 2 临河坳陷原油与烃源岩的色谱特征 Table 2 Chromatographic characteristics of crude oil and source rocks in Linhe depression 井号 井深/m 层位 样品 主峰碳 OEP Pr/nC17 Ph/nC18 Pr/Ph S5 2983.50 临河组 原油 nC22 0.90 1.38 4.44 0.28 Jh2X 1657.00 临河组 原油 nC22 0.78 0.71 1.71 0.29 S5 3130.58 临河组 深灰色泥岩 nC21 0.98 1.65 8.34 0.27 3131.14 临河组 深灰色纹层状泥岩 nC21 0.83 1.59 7.08 0.36 3134.64 临河组 深灰色泥岩 nC21 0.81 3.04 5.29 0.51 L1 3415.70 临河组 灰黑色泥岩 nC21 1.89 0.59 33.8 0.12 3433.55 临河组 灰黑色泥岩 nC21 2.51 0.41 21.52 0.12 St1 2445.16 固阳组 深灰色纹层状钙质泥岩 nC24 0.25 2.11 5.27 0.09 2445.69 固阳组 深灰色纹层状钙质泥岩 nC24 0.33 2.20 8.11 0.08 S5 3751.12 固阳组 深灰色含膏泥岩 nC27 1.95 2.49 1.48 1.07 3753.59 固阳组 深灰色泥岩 nC27 2.25 3.51 2.03 1.03

表 2 临河坳陷原油与烃源岩的色谱特征 Table 2 Chromatographic characteristics of crude oil and source rocks in Linhe depression

烃源岩饱和烃色谱分析显示，S5井临河组深灰色泥岩碳数范围为nC₁₁~nC₂₇，OEP < 1，Pr/Ph值低，Pr/nC₁₇和Pr/nC₁₈值高；L1井临河组灰黑色泥岩碳数分布范围为nC₁₅~nC₂₆，分布范围窄，Pr/Ph值很低，OEP > 1，Pr/nC₁₇值低，Pr/nC₁₈值很高；St1井固阳组深灰色泥岩碳数分布范围为nC₁₅~nC₂₇，正构烷烃分布具有偶碳优势，OEP < 1，Pr/Ph值很低，Pr/nC₁₇、Pr/nC₁₈值高；S5井固阳组深灰色泥岩碳数分布范围为nC₁₄~nC₃₂，Pr/Ph值约为1.0，Pr/nC₁₇、Pr/nC₁₈值高（表 2）。

S5井和Jh2X井原油中，三环萜烷含量很低，伽马蜡烷异常丰富，C₃₀重排藿烷含量很低。Ts/Tm值分别为0.20和0.25，C₃₀重排藿烷/C₃₀藿烷值接近于零，C₂₉Ts/C₂₉降藿烷值分别为0.24和0.19，伽马蜡烷/C₃₀藿烷值分别为1.64和2.02；Jh2X井原油的17α(H)，21β(H)-C₃₃藿烷、C₃₄藿烷、C₃₅藿烷呈现“翘尾巴”分布模式，即C₃₅藿烷 > C₃₄藿烷 > C₃₃藿烷，与Pr/Ph呈低值相一致。S5井和Jh2X井原油中重排甾烷含量低。S5井原油中C₂₇~C₂₉规则甾烷呈“V”字形分布特征，即C₂₉甾烷 > C₂₇甾烷 > C₂₈甾烷，C₂₉甾烷主要来源于高等植物，说明母源中有一定比例的高等植物输入；Jh2X井原油中C₂₇~C₂₉规则甾烷分布特征为C₂₇甾烷 > C₂₉甾烷 > C₂₈甾烷，C₂₇甾烷含量最高（含量为38.96%）（图 2），说明Jh2X井原油母源以低等水生生物为主^[24-27]。S5井原油C₂₉甾烷ββ/（ββ+αα）值为0.24，C₃₁藿烷22S/(22S+22R)值为0.50；Jh2X井原油中，C₂₉甾烷ββ/（ββ+αα）值为0.39，C₃₁藿烷22S/(22S+22R)值为0.57。S5井原油与Jh2X井原油具有咸水湖相原油的特征^[24-25]，分别为低成熟原油和成熟原油^[26-31]。

图 2

图 2 原油与烃源岩C27~C29甾烷特征对比 Fig. 2 C27~C29 sterane of crude oil and source rocks

固阳组烃源岩与临河组烃源岩均具有C₃₀重排藿烷含量低、伽马蜡烷丰富和重排甾烷含量低的特点，但甾烷、萜烷分布特征又存在一定差异。L1井临河组烃源岩中三环萜烷含量低，伽马蜡烷相对丰富，伽马蜡烷/C₃₀藿烷值为0.3~2.77，Ts/Tm值为0.12~0.21；C₂₇~C₂₉规则甾烷中，C₂₉甾烷分布占优势，C₂₉甾烷含量为46.1%~66.1%；C₂₉甾烷ββ/(ββ+αα)值为0.22~0.23，C₃₁藿烷22S/(22S+22R）值为0.30~0.66。S5井临河组烃源岩伽马蜡烷/C₃₀藿烷值为1.64~3.28，C₃₀重排藿烷/C₃₀藿烷值接近于零，Ts/Tm值为0.11~0.25，C₂₉ββ/(ββ+αα)值为0.22~0.39，C₃₁藿烷22S/(22S+22R）值为0.28~0.65。St1井固阳组烃源岩Ts/Tm值为0.12~0.21，伽马蜡烷/C₃₀藿烷值为1.77~4.06；C₂₇~C₂₉规则甾烷呈不对称的V形分布，C₂₇甾烷分布占优势（C₂₇甾烷含量大于40%），C₂₉甾烷ββ/（ββ+αα）值为0.30，C₃₁藿烷22S/(22S+22R）值为0.40~0.54。S5井固阳组烃源岩的甾烷、萜烷特征与该井临河组烃源岩的甾烷特征明显不同，与St1井固阳组烃源岩也存在明显差异，Ts/Tm值为0.37~0.39，伽马蜡烷/C₃₀藿烷值为0.40，C₂₉甾烷含量最高，C₂₇甾烷含量最低，C₂₇~C₂₉甾烷呈倒L形分布，显示高等植物是其主要的母质来源。

甾烷、萜烷分布特征显示，S5井临河组原油与该井临河组烃源岩对比关系最好，与L1井临河组烃源岩对比关系较好，与S5井固阳组烃源岩甾烷特征差异明显。S5井原油为低成熟原油，与同层的临河组烃源岩可以形成自生自储的的关系。Jh2X井原油为成熟原油，原油的甾烷、萜烷特征反映出其烃源岩发育于高盐度、强还原的咸水湖相沉积环境。临河组和固阳组咸水湖相烃源岩均有可能是其油源岩。Jh2X井原油饱和烃色谱特征表明，正构烷烃分布完整，具有明显的偶碳优势和植烷优势，符合下白垩统烃源岩特征^[12]，并且Jh2X井离渐新统有利生烃区较远，渐新统烃源岩成为其油源的可能性较低^[2]。Jh2X井原油与St1井固阳组烃源岩具有相似的甾烷、萜烷特征(图 2、图 3)。但是St1井固阳组烃源岩为未成熟—低成熟烃源岩，烃源岩缺失孕甾烷和升孕甾烷，而Jh2X井原油中含有孕甾烷和升孕甾烷，孕甾烷和升孕甾烷含量与原油成熟度关系密切，随成熟程度而增大，因此推测Jh2X井原油来自北部深凹陷强还原、高盐条件下的下白垩统成熟烃源岩。

图 3

图 3 原油与烃源岩甾烷、萜烷特征对比 Fig. 3 Steranes and terpanes characteristics of crude oil and source rocks

河套盆地油气资源丰富，存在深层油气和浅层生物气两大勘探领域，深层油气勘探领域的生油层主要指下白垩统和古近系渐新统，浅层生物气勘探领域的烃源岩层系包括第四系和新近系上新统。油气资源评价结果表明，深浅层两大勘探领域均具有较大的资源规模^[3]。临河坳陷是河套盆地主要的含油气区，其中下白垩统固阳组和渐新统临河组咸水湖相优质烃源岩是主要的生油气层系。主要含油层位于固阳组和临河组，临河坳陷西部吉西凸起带基底乌拉山群变质岩系发育裂缝性储层，见含油显示。目前，临河坳陷已发现3种类型的油藏，其中S5井为断块型油藏，位于北部深凹陷东南侧杭五断裂带上，储层为临河组三角洲前缘中粒长石砂岩，油层埋深为2918~3144m；Jh2X井为断背斜油藏，位于北部深凹陷西南侧狼山断裂下降盘，完钻井深为1746m；zk230、zk240、zk500等井属于基岩裂隙型油藏，位于吉西凸起北部临近深凹陷处，构造上与Jh2X井断背斜毗连。推测Jh2X井原油主要来自于发育于咸水强还原环境下的固阳组成熟烃源岩；S5井原油来自于临河组烃源岩。综合油气的油源—运移—圈闭等成藏因素，认为北部深凹陷南坡杭五断裂带构造圈闭、吉西凸起带基岩裂隙—构造圈闭、北部深凹陷构造—岩性圈闭3个区带属于有利勘探区带^[2]。

以往由于河套盆地临河坳陷勘探程度较低，未获得工业性突破，研究资料非常有限，对原油的来源与成因的认识明显不足。近期，S5井、Jh2X井先后获得工业油流，厘清油源关系将为后期勘探目标的选择提供有力的依据。S5井、Jh2X井原油具备咸水湖相原油的典型特征，S5井原油为低成熟原油，Jh2X井原油为成熟原油，临河组与固阳组咸水湖相泥岩是主要的烃源岩。目前，用于油源对比的烃源样品均处于北部深凹陷周缘，采集的固阳组烃源岩成熟度较低，原油与烃源岩由于成熟度存在差异，可能造成萜烷生物标志化合物的分布存在差异。推测Jh2X井原油的油源为北部凹陷中形成于强还原、高盐度沉积环境的固阳组成熟烃源岩；S5井原油与该井临河组烃源岩具有亲缘关系，与该井固阳组烃源岩生物标志化合物特征差异明显，推测原油主要来自临河组烃源岩。总之，临河坳陷下白垩统固阳组与渐新统临河组具有良好的勘探潜力，而对于北部深凹陷的地质认识需要不断深入。