遼東灣地區(qū)烴源巖特征及其主控因素

姜 雪,鄒華耀,莊新兵,田金強,楊元元

(1.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249;2.中國石油大學資源與信息學院,北京 102249)

遼東灣地區(qū)烴源巖特征及其主控因素

姜 雪1,2,鄒華耀1,2,莊新兵1,2,田金強1,2,楊元元1,2

(1.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249;2.中國石油大學資源與信息學院,北京 102249)

根據(jù)烴源巖地球化學、巖石學、沉積學、構(gòu)造沉降及古氣候等特征,對遼東灣地區(qū)古近系 3套湖相烴源巖發(fā)育的主控因素進行綜合分析。結(jié)果表明:3套烴源巖均形成于溫暖濕潤的還原環(huán)境,生產(chǎn)力高;沙三段烴源巖形成于快速沉降的深水窄盆環(huán)境,水體根據(jù)溫度和弱鹽度分層,且具最高生產(chǎn)力;沙一段烴源巖形成于沉降速率低的淺水廣盆環(huán)境,水體根據(jù)高鹽度分層,且有機質(zhì)生源高等植物貢獻小;東下段烴源巖形成于快速沉降的深水廣盆環(huán)境,水體根據(jù)溫度和弱鹽度分層;同層內(nèi)烴源巖的差異受沉積相控制;沙三段烴源巖生烴潛力最好,沙一段次之,再次為東下段。

斷陷湖盆;古湖泊環(huán)境;烴源巖;沉積相;遼東灣地區(qū)

優(yōu)質(zhì)烴源巖是形成大中型油氣田的物質(zhì)基礎(chǔ),國內(nèi)外學者已十分重視優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育機制與分布規(guī)律研究[1-3]。與湖相沉積相關(guān)的油氣資源占總資源量的 20%以上[4],關(guān)于湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖形成機制問題已受到人們普遍關(guān)注。斷陷湖盆沉積記錄了由構(gòu)造沉降、氣候旋回、物源供給等因素引起的可容空間和相對湖平面的變化[5-6],湖盆演化不同階段,發(fā)育不同特征的源巖,斷陷湖盆烴源巖非均質(zhì)性極強[7-9]。渤海海域遼東灣探區(qū)勘探程度相對較高,已發(fā)現(xiàn)多個油氣田,其古近系湖相烴源巖發(fā)育,但在烴源巖發(fā)育機制研究方面開展的工作還不系統(tǒng),因此筆者結(jié)合該區(qū)巖石學、地球化學、構(gòu)造沉降、古氣候特征及古水文條件對烴源巖特征及主控因素進行研究,以準確評價及預(yù)測優(yōu)質(zhì)烴源巖的分布,進而指導(dǎo)勘探。

1 研究區(qū)地質(zhì)概況

遼東灣地區(qū)指渤海東北部海域,是下遼河盆地向渤海海域的自然延伸,面積為 2.6×104km2,為渤海灣盆地的一個次級構(gòu)造單元。遼東灣地區(qū)劃分為“3凹 2凸”5個北東向展布的次級構(gòu)造單元(圖 1),整個坳陷充填古近系和新近系沉積。古近系自下而上依次為孔店組、沙河街組和東營組。

圖 1 構(gòu)造單元劃分及烴源巖成藏貢獻圖Fig.1 Tecton ic division and contributions to hydrocarbon accumulation of hydrocarbon source rocks

孔店組和沙四段沉積時期處于初始裂陷期,為一系列小且彼此分隔的裂谷,統(tǒng)一盆地未形成。沙三段沉積時期處于第一快速斷陷期,統(tǒng)一湖盆基本形成,南北連片、東西分隔。沙一、二段沉積時期處于第一穩(wěn)定熱沉降期,盆地迅速擴張,湖盆范圍明顯擴大,構(gòu)造活動減弱,盆地地形相對變緩。東三段沉積時期處于又一快速斷陷期,隨斷裂作用增強,遼東凹陷形成,盆地規(guī)模進一步擴大,湖水變深,再次出現(xiàn)深湖 -半深湖沉積。東二段沉積期繼承了東三段沉積時的構(gòu)造背景,但構(gòu)造活動相對減弱。東一段沉積時期處于填凹補齊的斷陷晚期,全盆發(fā)育三角洲沉積。

多年的石油地質(zhì)研究和勘探實踐表明,遼中和遼西凹陷是該區(qū)的兩個生烴凹陷,發(fā)育沙河街組三段(E2s3)、沙河街組一段 (E3s1)和東下段 (E3dL,東三段和東二下段)3套烴源層。

2 烴源巖特征

2.1 巖石學特征

半深湖相泥質(zhì)巖類構(gòu)成了遼東灣地區(qū)烴源巖的主體,局部層段發(fā)育的碳酸鹽巖也構(gòu)成了該區(qū)的烴源巖。沙三段源巖以暗色泥巖、頁巖和褐色油頁巖為主;沙一段為古近系的特殊巖性段,烴源巖類型有暗色泥巖、灰褐色油頁巖、鈣質(zhì)頁巖、泥灰?guī)r及生物碎屑灰?guī)r;東下段的烴源巖主要為深灰色泥巖。

2.2 有機地球化學特征

2.2.1 有機質(zhì)豐度

由該區(qū)近千個烴源巖樣品熱解測試結(jié)果的統(tǒng)計(表 1,數(shù)值分別為測量值范圍、平均值和括號內(nèi)的樣品個數(shù))可知,沙三段和沙一段都為好的烴源巖,其中沙一段的有機碳 (TOC)含量平均值高達2.07%,但因沉積厚度較薄,生烴量有限,故沙三段是該區(qū)的主力烴源巖。東下段綜合各項指標整體評價為中 -好烴源巖。

表1 烴源巖有機質(zhì)豐度評價Table 1 Evaluation of organ ic matter aboundances of hydrocarbon source rocks

圖 2 烴源巖干酪根元素組成范氏圖Fig.2 Van Krevelen diagram of kerogen elements of source rocks

2.2.2 有機質(zhì)類型

烴源巖有機質(zhì)類型是決定其生烴能力的另一重要指標。不同干酪根類型的烴源巖,生烴能力差別很大。由圖 2可知,該區(qū) 3套烴源巖干酪根以Ⅱ型為主,即有機質(zhì)類型以偏低等水生生物來源 (Ⅱ1型)與偏陸源高等植物來源(Ⅱ2型)的混合類型為主。沙三段烴源巖干酪根以Ⅱ1型為主,Ⅱ2型次之,有部分Ⅰ型;沙一段烴源巖干酪根以Ⅱ1型為主,Ⅰ型占很大比例,有少量Ⅱ2型;東下段烴源巖干酪根以Ⅱ1型和Ⅱ2型為主?？傮w上沙一段烴源巖有機質(zhì)類型稍好。

2.稅費同征管，促進社會保險費征繳規(guī)范。稅務(wù)部門堅持“隨稅同征、隨稅同管、隨稅同查”，有效實施費源監(jiān)控，較好地解決繳稅單位瞞報少報、惡性拖欠社會保險費等問題，繳費人的遵從度有所提升，促進了社會保險費的及時足額征繳入庫。同時，稅務(wù)部門代征社會保險費，及時將社會保險費上繳入庫，社會保險經(jīng)辦機構(gòu)不再直接參與社會保險費征收，實現(xiàn)了社會保險費征收、管理、使用各環(huán)節(jié)的相對獨立運行，有利于各部門各司其職、各負其責，降低征收成本，促進了社?；鸬囊?guī)范化管理。

2.2.3 生物標志物特征

源巖的生標參數(shù)對比,可以區(qū)分不同層位烴源巖特征、反映有機質(zhì)生物來源以及沉積和早期成巖環(huán)境特別是氧化還原條件和介質(zhì)鹽度等特征。

姥鮫烷/植烷(w(Pr)/w(Ph))常用于指示氧化還原環(huán)境,低姥植比反映還原環(huán)境[10-11]。對比其判別標準[12],圖 3(a)顯示 3套烴源巖均形成于相對還原的環(huán)境,沙一段沉積時的環(huán)境還原性最強,主體值小于1。

三環(huán)萜烷和四環(huán)萜烷因其熱穩(wěn)定性好且具較強的抗生物降解能力[11],被廣泛用于烴源巖研究, C19/C23三環(huán)萜烷 (w(C19TT)/w(C23TT))高值和大量的 C24四環(huán)萜烷 (C24Tet)聚集指示較多的陸源有機質(zhì)輸入[13-15]。藿烷 /甾烷 (w(H)/w(S))同樣是反映有機質(zhì)來源的指標,其高值指示高的陸源有機質(zhì)輸入。圖 3(b),(c)顯示沙一段高等植物貢獻小,而沙三段和東下段則呈現(xiàn)類似的特征,高等植物貢獻明顯加大,且東下段略大于沙三段。

圖 3 遼東灣地區(qū)烴源巖生標特征Fig.3 Biomarker characteristics of source rocks in Liaodong Bay area

大量的伽馬蠟烷表明烴源巖沉積時分層水體的存在[11,16],且一般為高鹽度分層水體的表征[17]。圖3(a),(d)表明沙一段烴源巖伽馬蠟烷指數(shù) (w(C19TT)/w(C23TT))呈明顯的高值,主體大于 0.1,處于高度咸化的水體中,是一種穩(wěn)定分層的還原環(huán)境,而沙三段和東下段源巖的伽馬蠟烷指數(shù)明顯低于沙一段。

渤海灣盆地4-甲基甾烷的出現(xiàn)和渤海藻、副渤海藻等溝鞭藻類有關(guān)[17]。4-甲基甾烷的含量用 4-甲基甾烷指數(shù)w(4-MS)/w(ΣC29S)來表示,圖3(d)表明沙三段源巖的 4-甲基甾烷指數(shù)范圍廣且存在高值,反映沙三段源巖有豐富的溝鞭藻類來源,而沙一段和東下段的該參數(shù)值僅局限在較低范圍內(nèi)。

2.3 烴源巖生烴潛力

有機質(zhì)豐度、類型及生源和沉積環(huán)境等特征共同控制著 3套烴源巖的生烴潛力,如圖 4所示。整體上生烴潛力排序為沙一段 ＞沙三段 ＞東下段。但是,就 3套烴源巖的成藏貢獻而言,沙一段雖生烴潛力指標高但沉積厚度薄,東下段的烴源巖整體埋深較淺,成熟度較低,大多未進入生油門限,故該區(qū)的油氣來源以沙三段與沙一段混源為主 (圖 1),其中遼西低凸起目前所發(fā)現(xiàn)的油氣資源均為沙三段與沙一段混源,在遼中中南洼部分油氣藏單獨由沙三段烴源巖供烴,僅在遼中北洼的部分構(gòu)造有東營組烴源巖貢獻。就探明儲量而言,由沙三段和沙一段烴源巖混源的油氣資源總探明儲量達 7.12×108m3,占該區(qū)目前總油氣探明儲量的 92.66%。兼顧烴源巖的厚度和成熟度及成藏貢獻等可知沙三段源巖生烴潛力最好,沙一段次之,第三是東下段。

圖 4 烴源巖(S1+S2)與w(TOC)的關(guān)系Fig.4 Relation of(S1+S2)andw(TOC)for source rocks samples

3 烴源巖形成的主控因素

3.1 構(gòu)造沉降

古近紀以來構(gòu)造沉降量的不同,導(dǎo)致了渤海灣盆地各坳陷烴源巖發(fā)育的差異[19]。分析遼東灣地區(qū)烴源巖發(fā)育層位、特征的差異及該區(qū)的沉降史(圖 5),可知烴源巖的發(fā)育與構(gòu)造沉降的階段性密切相關(guān)。

該區(qū)遼中和遼西兩個生烴凹陷的沉降史相似,均經(jīng)歷了兩次主要的構(gòu)造沉降期。自沙三段沉積時期開始迅速沉降,之后沙二段—沙一段沉積時期沉降速率變慢,東三段—東二段沉積時期沉降再次加快,不同的是東三段—東二段沉積時期遼中凹陷的構(gòu)造沉降量明顯大于遼西凹陷,且遼中凹陷最大沉降量發(fā)生在東營組沉積時期,而遼西凹陷則為沙三段沉積期沉降量最大。東一段—館陶組沉積時期構(gòu)造沉降速率最小,明化鎮(zhèn)組—第四系沉積期因新構(gòu)造運動,沉降逐步加快。

圖 5 遼西凹陷和遼中凹陷沉降史圖Fig.5 Subsidence history diagram of Liaoxi sag and Liaozhong sag

快速沉降形成了好的烴源巖。遼西和遼中凹陷均接受了強烈斷陷期沙三期的深水湖相沉積,發(fā)育了一套有機質(zhì)豐度較高的烴源巖。漸新世,郯廬斷裂以走滑活動為主,在原伸展斷陷背景下形成了走滑拉分斷陷(又一次快速沉降),這次走滑拉分的沉降中心為遼中凹陷和渤中凹陷,沉降中心東營組厚度超過 4 km,分布面積超過 104km2[20],故東下段也發(fā)育一套烴源巖,是渤中、遼中凹陷成為富生烴凹陷的重要物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.2 古生產(chǎn)力和保存條件

就烴源條件而言,最具意義的古湖泊學特征是表層水高的生產(chǎn)力和因湖水分層而引起的湖底貧氧環(huán)境[21]。地層中藻類化石的高含量通常被作為高生產(chǎn)力和湖盆水體發(fā)育的標志[22-23]。筆者根據(jù)實際資料對藻類化石的含量進行了統(tǒng)計(圖 6)。結(jié)果顯示該區(qū)對應(yīng)于沙三段、沙一段、東下段烴源巖發(fā)育時期,藻類含量均為高值,且沙三段烴源巖中的藻類含量最高。反映了這 3套地層沉積時均具較高的古生產(chǎn)力。

有機質(zhì)的聚集和保存是形成優(yōu)質(zhì)烴源巖的另一重要因素,沉積有機質(zhì)僅在缺氧條件下才能保存。前已述及該區(qū)的 3套烴源巖沉積期均處于還原性較強的環(huán)境。在陸相湖盆中,水體由鹽度和溫度形成的分層作用可以導(dǎo)致缺氧環(huán)境的形成[24]。其中咸化湖泊水體因重力形成上下鹽度不一致,易形成穩(wěn)定的分層[25],因此了解沉積介質(zhì)何時發(fā)生咸化有助于分析水體的分層狀態(tài)。目前常用的方法主要有微量元素法、同位素法和其他地化參數(shù)法等[26-27]。用微量元素法對水體咸化進行研究,篩選了w(Ca)/w(Ca+Fe),w(B),w(Rb)/w(K),w(Sr)/w(Ba),w(B)/w(Ga)幾個效果比較好的元素含量比值互相驗證水體咸化情況,如圖 6所示。該區(qū)在沙三中亞段、沙二—沙一段和東下段 3套烴源巖沉積期水介質(zhì)均趨于咸化,結(jié)合生標參數(shù)可知伽馬蠟烷在沙一段沉積時期水體是最咸化的,其水體分層最穩(wěn)定。

圖 6 遼西北洼 JZ14-2-1井古近系沉積相、沉積環(huán)境及地球化學綜合剖面Fig.6 Sed imentary facies,sed imentary environment and geochem ical characteristics in Paleocene of well JZ14-2-1 in the north sub-sag of Liaoxi sag

3.3 古氣候條件

前人對該區(qū)的古氣候條件進行了系統(tǒng)恢復(fù)[12,28-29],筆者直接引用前人成果,側(cè)重分析何種古氣候條件有利于烴源巖的發(fā)育及氣候影響烴源巖形成和保存的機制。遼東灣地區(qū)古近紀在古氣候帶上處于暖溫帶至亞熱帶,氣候變化的總趨勢是由暖變冷(圖 6)?？芍搮^(qū) 3套烴源巖發(fā)育時期均為暖熱濕潤的氣候條件,說明良好的古氣候,即溫暖濕潤的氣候條件對湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育起控制作用。具體的作用機制是氣候通過對湖盆的古生產(chǎn)力、有機質(zhì)的保存條件、外部沉積物的輸入 3個方面的影響,最終控制湖盆中烴源巖的發(fā)育[12]。前文述及該區(qū)3套烴源巖發(fā)育期均出現(xiàn)藻類高含量段,且又與濕熱氣候一一對應(yīng),即反映出良好氣候條件對湖盆生產(chǎn)力的控制作用,而較高的初始生產(chǎn)力形成的有機質(zhì)沉積大量消耗底層水中的氧是形成還原環(huán)境的基礎(chǔ)。

3.4 沉積相

陸相湖盆中烴源巖的展布及發(fā)育明顯受沉積相的控制,造成處于不同沉積相帶的烴源巖巖性、有機質(zhì)豐度及類型的差異[30]。

沙三段沉積期凹陷迅速沉降,屬深水窄盆型湖盆,物源充足,為近源和短源。盆地相以淺湖、半深湖為主,邊緣相以辮狀河三角洲為主,局部見扇三角洲(圖 7),穩(wěn)定的半深水沉積約為 40%。深水利于形成穩(wěn)定的分層,為一套好的烴源巖,但湖盆不同位置,烴源巖性質(zhì)存在差異。如遼西北洼的 JZ14-2 -1井 (圖 6),處于穩(wěn)定的半深水區(qū),沙三段鉆遇720 m,以暗色泥巖為主,所夾薄層細砂巖累積 14 m,烴源巖占總厚度的 98%,為一套好的烴源巖;位于遼中北洼西斜坡上的 JZ20-2-13井 (圖 7),沙三段鉆遇 370 m,處于淺湖至半深湖的過渡區(qū),粉砂巖及砂巖夾層累積達 65 m,雖源巖也評價為好,但有機質(zhì)豐度指標低于 JZ14-2-1井區(qū)。

圖 7 典型剖面地層構(gòu)造格架及沉積相解釋Fig.7 Stratigraphic-tecton ic framework and interpretation of sed imentary facies of typical profiles

沙一段沉積期是淺水廣盆型湖盆,該區(qū)處于第一穩(wěn)定熱沉降階段,沉降速率低,盆地迅速擴張,湖盆面積變大,淺湖沉積為主,局部為碳酸鹽巖臺地(圖 7)。因構(gòu)造活動弱,地形變緩,地層厚度變化不大,約為 100～200 m。水體咸化程度高,分層穩(wěn)定,為較好的還原環(huán)境,故遠離扇體的淺湖區(qū)都形成好烴源巖。

東三段沉積期為湖盆再次斷陷早期,沉降速率顯著增大,水體加深,湖盆進一步擴大,以淺水—較深水湖泊為主,屬深水廣盆型湖盆。湖泊面積達80%,其中半深湖沉積達 50%,扇體僅分布在盆地邊緣區(qū)域,對穩(wěn)定湖水的影響范圍小。有機質(zhì)豐度高,為好的烴源巖。東二下亞段沉積早期繼承東三段沉積,為較深水湖相沉積,后期湖侵達到高峰后,盆地開始萎縮,大規(guī)模扇體發(fā)育及斷裂的強烈活動導(dǎo)致大量陸源物質(zhì)輸入破壞了水體的分層,烴源巖質(zhì)量變差,東二下亞段總體為中等烴源巖。沉積相的不同造成北部東下段烴源巖的有機質(zhì)豐度高于南部 (圖 6,7)。南部LD16-3-1井區(qū)東下段沉積期以淺湖沉積為主且湖盆范圍小,大規(guī)模扇體位于湖心部位,對穩(wěn)定水體影響范圍大,雖然烴源巖自下而上評價為由好—中等,但有機質(zhì)豐度指標明顯低于北部處于穩(wěn)定淺湖—半深湖區(qū)的 JZ14-2-1井。

4 結(jié) 論

(1)遼東灣地區(qū)沙三段烴源巖為低伽馬蠟烷含量,高 4-甲基甾烷含量;沙一段烴源巖為高伽馬蠟烷含量,低 4-甲基甾烷含量;東下段烴源巖為低伽馬蠟烷含量,低 4-甲基甾烷含量。3套烴源巖有機質(zhì)類型均以混合型為主,沙一段烴源巖有機質(zhì)生源高等植物貢獻最小。

(2)沙三段烴源巖生烴潛力最好,沙一段次之,再次為東下段。

(3)3套烴源巖均形成于溫暖濕潤的還原環(huán)境,生產(chǎn)力高。其中沙三段烴源巖形成于快速沉降的深水窄盆環(huán)境,水體靠溫度和弱鹽度分層,且具最高生產(chǎn)力;沙一段烴源巖形成于沉降速率低的淺水廣盆環(huán)境,水體靠高鹽度分層;東下段烴源巖形成于快速沉降的深水廣盆環(huán)境,水體靠溫度和弱鹽度分層。

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Characteristics of hydrocarbon source rocks in Liaodong Bay area and itsma in controlling factors

J IANG Xue1,2,ZOU Hua-yao1,2,ZHUANG Xin-bing1,2,T IAN Jin-qiang1,2,YANG Yuan-yuan1,2

(1.State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting in China University of Petroleum,Beijing102249,China;2.School of Resource and Infor m ation Technology in China University of Petroleum,Beijing102249,China)

According to the source rocks characteristics in respect to geochemistry,petrology,sed imentology,tectonic subsidence and ancient climate,the main controlling factors of three sets of Paleogene lacustrine source rocks in Liaodong Bay area were comprehensively analyzed.The results show that the three setsof hydrocarbon source rockswere allwith high productivity and formed in warm,moist and anoxic condition.The source rocks inmember 3 of Shahejie formationwere formed in the environment of deep-water and narrow lacustrine basinwith high subsidence rate and the highest productivity.The stratifiedwater column relied on temperature and low salinity.The source rocks in member 1of Shahejie for mation were formed in the environment of shallow-water and wide lacustrine basinwith low subsidence rate.The stratifiedwater column relied on high salinity. The organicmatterwas few higherplants.The source rocks in lowerDongying for mationwere for med in the environmentof deep -water and wide lacustrine basin with high subsidence rate.The stratified water column relied on temperature and low salinity.The heterogeneity in the same setof source rockswas controlled by sed imentary facies.The hydrocarbon generatingpotentiality in member 3 of Shahejie formation is the best,member 1 of Shahejie formation is second and the lowerDongying formation is third.

rift lacustrine basin;ancient lake environment;hydrocarbon source rocks;sedimentary facies;LiaodongBay area

TE 121.1

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.02.006

1673-5005(2010)02-0031-07

2009-09-23

國家自然科學基金重點項目(90914006);中海油重點科技攻關(guān)項目(SC06TJ-TQL-004)

姜雪(1981-),女(漢族),吉林梨樹人,博士研究生,主要從事油氣成藏機制與分布規(guī)律方面研究。

(編輯 徐會永)