遼東灣地區(qū)深層烴源巖排烴特征及資源潛力

馬行陟，龐雄奇，孟慶洋，姜福杰

（1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100083；2.中國(guó)石油盆地構(gòu)造與油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；3.中國(guó)石油大學(xué)盆地與油藏研究中心，北京102249）

遼東灣地區(qū)深層烴源巖排烴特征及資源潛力

馬行陟1，2，龐雄奇3，孟慶洋1，2，姜福杰3

（1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京100083；2.中國(guó)石油盆地構(gòu)造與油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100083；3.中國(guó)石油大學(xué)盆地與油藏研究中心，北京102249）

摘要：通過(guò)收集研究區(qū)深層烴源巖熱解和有機(jī)碳等地化資料，利用地質(zhì)門限理論為基礎(chǔ)的生烴潛力法，對(duì)深層烴源巖的排烴特征進(jìn)行了研究，并結(jié)合聚集系數(shù)法預(yù)測(cè)其資源潛力。建立了3類烴源巖排烴模型，其中，Ⅰ型源巖最早進(jìn)入排烴門限進(jìn)行排烴，排烴效率高于Ⅱ型和Ⅲ型源巖。沙河街組三段烴源巖早在沙河街組沉積末期開(kāi)始排烴，主要以排油為主，累計(jì)排烴量為43.30×108t，是研究區(qū)的主力烴源巖；沙河街組二段烴源巖在東營(yíng)組沉積時(shí)期開(kāi)始排烴，累計(jì)排烴量為22.6× 108t。深層烴源巖的總排烴量為65.90×108t，預(yù)測(cè)資源量為21.06×108t，其中石油預(yù)測(cè)資源量為17.12×108t。研究結(jié)果表明，遼東灣地區(qū)深層油氣資源潛力巨大，深層烴源巖以生油為主。遼西凹陷和遼中凹陷為兩個(gè)富烴凹陷，位于兩個(gè)凹陷之間的遼西凸起，具有雙凹供烴之利，是油氣成藏的有利區(qū)。

關(guān)鍵詞：深層烴源巖；排烴特征；生烴潛力；資源量；遼東灣地區(qū)；

遼東灣地區(qū)，自1979年開(kāi)始實(shí)施鉆探LD20－3構(gòu)造以來(lái)，研究區(qū)內(nèi)已鉆探近60個(gè)構(gòu)造，累計(jì)鉆井100余口，獲各級(jí)石油地質(zhì)儲(chǔ)量12×108t，天然氣儲(chǔ)量500×108m3，占整個(gè)渤海海域的36.7％，共發(fā)現(xiàn)12個(gè)油氣田和30多個(gè)含油氣構(gòu)造，尤其是JZ25－1S油田是我國(guó)海上又一個(gè)億噸級(jí)的大油田，顯示了巨大的勘探潛力［1－5］。筆者擬利用熱解、有機(jī)碳等地化數(shù)據(jù)等資料，以地質(zhì)門限理論為基礎(chǔ)，對(duì)研究區(qū)深層烴源巖排烴特征及資源潛力進(jìn)行研究。

1　地質(zhì)概況

遼東灣地區(qū)位于渤海灣盆地東北部，系指渤海東北部海域，南界大致為遼東半島南端（老鐵山）與河北省秦皇島市連線，面積為2.6× 104km2。研究區(qū)為古近系覆蓋區(qū)，總面積約1.4×104km2。構(gòu)造上，遼東灣地區(qū)位于華北地臺(tái)北部，北接遼河坳陷，東鄰遼東隆起區(qū)，西界為山海關(guān)－北鎮(zhèn)隆起，南連渤中坳陷，為渤海灣盆地的一個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元，即下遼河坳陷在海域的延伸部分。構(gòu)造線呈北北西向，東西分帶明顯，呈遼西凹陷、遼西低凸起、遼中凹陷、遼東凸起及遼東凹陷三凹兩凸的格局［6－9］（圖1）。自下而上發(fā)育古近系孔店組、沙河街組和東營(yíng)組，新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組和平原組，其中沙河街組（一、二段和三段）為主要的深層烴源巖層［10－14］。

圖1　遼東灣地區(qū)構(gòu)造分區(qū)

2　生烴潛力方法

含油氣盆地?zé)N源巖排烴特征評(píng)價(jià)方法有多種，如干酪根類型法［15］、物理模擬實(shí)驗(yàn)法［16－17］、有機(jī)質(zhì)成熟度法［18］、化學(xué)動(dòng)力學(xué)法［19］以及盆地模擬法［20－21］等。這些方法都是在傳統(tǒng)生烴門限的基礎(chǔ)上建立起來(lái)的，忽略了未熟－低熟油氣等的貢獻(xiàn)，存在一定的弊端；同時(shí)，大多數(shù)方法需要收集比較多的參數(shù)或者通過(guò)數(shù)值模擬得到，影響因素多導(dǎo)致誤差增大，評(píng)價(jià)過(guò)程也較為復(fù)雜。因此，研究中選取生烴潛力法進(jìn)行評(píng)價(jià)。

生烴潛力法是最近10多年在排烴門限的概念上發(fā)展而來(lái)的一種方法［22－25］，理論基礎(chǔ)是物質(zhì)守恒定律，指烴源巖中的有機(jī)質(zhì)在生、排烴前后的總質(zhì)量不發(fā)生變化，即源巖中有機(jī)質(zhì)的總量等于地史中以各種方式排出的烴類與仍殘留在源巖中的烴類的總和。在地質(zhì)歷史時(shí)期中，同一套烴源巖具有類似的地質(zhì)特征（如形成的沉積環(huán)境，有機(jī)質(zhì)的組分和含量、經(jīng)受的埋藏史和熱演化史等），同一烴源巖層段現(xiàn)今在不同地點(diǎn)不同埋深下的樣品特征就可以代表同一地點(diǎn)下不同時(shí)期的轉(zhuǎn)化產(chǎn)物，通過(guò)不同地點(diǎn)的樣品，建立起烴源巖在隨埋深和熱演化程度的演化剖面，因此，完全可以利用垂向上生烴潛力（S1+S2）的變化來(lái)研究烴源巖的排烴特征。按照物質(zhì)平衡定律，生烴潛力由3部分組成：①尚未轉(zhuǎn)化成烴的干酪根或殘余有機(jī)質(zhì)；②已生成并殘留于源巖中的烴類；③已排出源巖的烴類。此方法中以生烴潛力指數(shù)［（S1+S2）/TOC］來(lái)表示烴源巖的生烴潛力。

源巖演化過(guò)程中，當(dāng)源巖中生成的烴類沒(méi)有滿足自身的各種形式殘留以前，其生烴潛力指數(shù)保持不變，稱為原始生烴潛力指數(shù)（IHC0），而使源巖生烴潛力減小的唯一原因就是源巖中有烴類排出。生烴潛力開(kāi)始減小時(shí)對(duì)應(yīng)的地質(zhì)條件（深度、轉(zhuǎn)化程度等）就是排烴門限，烴類排出后的任一階段的生烴潛力指數(shù)稱為剩余生烴潛力指數(shù)（IHCt），其與原始生烴潛力指數(shù)（IHC0）之差就是排烴率（Qe），即烴源巖達(dá)到排烴門限后單位有機(jī)碳排出的烴量。排烴量計(jì)算的主要步驟是：①收集研究區(qū)烴源巖層段的熱解和TOC資料，建立烴源巖生烴潛力指數(shù)剖面，即（S1+S2）/TOC；②根據(jù)剖面的變化特征和趨勢(shì)，確定排烴門限，計(jì)算不同埋深下烴源巖的排烴率和進(jìn)入排烴門限的烴源巖的累積厚度，即有效厚度；③求出排烴率和有效烴源巖厚度后，結(jié)合有機(jī)碳含量以及密度等數(shù)據(jù)，根據(jù)公式（1）計(jì)算排烴強(qiáng)度（Ehc）；④將排烴強(qiáng)度進(jìn)行面積積分，即可得到排烴量。

式中：Z為埋深，m；Z0為排烴門限，m；qe（Z）為單位質(zhì)量有機(jī)碳的排烴率，mg/g；ρ（Z）為烴源巖密度，g/cm3；TOC為有機(jī)碳含量，％；H為有效烴源巖厚度，m。

排烴速率（ve）是源巖排烴特征的重要指標(biāo)，是指地史過(guò)程中單位地史時(shí)間內(nèi)排出的烴量，其大小可以反映出源巖在地史過(guò)程中的排油氣高峰。實(shí)際地質(zhì)條件下，源巖的排烴量主要由其埋深或地溫決定，而不由地史時(shí)間決定的。其計(jì)算模型為：

式中：ΔQe為源巖在地史期Δt內(nèi)或埋深ΔZ過(guò)程中的排烴量，kg/m3；Δt為某一地史時(shí)間，Ma；ΔZ為源巖在地史期Δt內(nèi)的埋深增大量，m。

3　深層烴源巖資源潛力評(píng)價(jià)

3.1烴源巖排烴特征

根據(jù)生烴潛力法的原理和步驟，收集研究區(qū)61余口探井深層烴源巖的熱解和TOC數(shù)據(jù)共512個(gè)，建立深層3類烴源巖（沙河街組Ⅰ型源巖、沙河街組Ⅱ型源巖和沙河街組Ⅲ型源巖）排烴模式圖（圖2），分析了遼東灣深層烴源巖的排烴特征。

根據(jù)建立的深層烴源巖排烴地質(zhì)模式，Ⅰ型源巖最早進(jìn)入排烴門限，進(jìn)行排烴作用，其排烴門限深度在2800m，其次為Ⅱ型源巖其排烴門限為2 920m，Ⅲ型源巖排烴門限為3000m。此外，Ⅰ型烴源巖在進(jìn)入排烴門限后最早達(dá)到排烴高峰，其對(duì)應(yīng)的高峰深度為3 800m，排烴效率高達(dá)78％，相比之下Ⅱ型烴源巖達(dá)到排烴高峰的深度則是4 050m，Ⅲ型烴源巖更為遲緩，在4 200m時(shí)才達(dá)到排烴高峰，且排烴效率最大僅為20％，從排烴的角度驗(yàn)證了Ⅰ型烴源巖對(duì)于油氣勘探更為有益（表1）。

圖2　遼東灣地區(qū)深層烴源巖排烴模式

表1　遼東灣地區(qū)深層源巖排烴特征統(tǒng)計(jì)Table 1　Statistics of hydrocarbon expulsion characteristics of deep source rocks in the Liaodong Bay

在深層烴源巖排烴模式的基礎(chǔ)上得到深層有效烴源巖的厚度及不同深度不同類型源巖的排烴率，結(jié)合TOC平面分布圖，利用公式（1）對(duì)烴源巖的現(xiàn)今排烴強(qiáng)度進(jìn)行了計(jì)算（圖3，圖4）。

研究表明，遼中凹陷和和遼西凹陷的北洼為主要的排烴中心。兩套烴源巖的平面排烴分布各有其特征：沙河街組一、二段的排烴強(qiáng)度普遍不高，最大值剛達(dá)到120×104t/km2，總體排烴范圍有限，主要以遼中凹陷為主，其原因是受有效烴源巖不太發(fā)育的限制，有效烴源巖的厚度和分布范圍小。沙河街組三段有效烴源巖普遍發(fā)育，排烴范圍和強(qiáng)度都得到了擴(kuò)展，遼西凹陷沙河街組三段源巖基本上都進(jìn)入了排烴的范圍，盡管范圍不如遼中凹陷大，但最大排烴強(qiáng)度卻出現(xiàn)在遼西凹陷北洼，達(dá)到了270×104t/km2，預(yù)示著遼西凹陷是一個(gè)“小而肥”的富生烴凹陷。

圖3　遼東灣地區(qū)E s1－2現(xiàn)今排烴強(qiáng)度

圖4　遼東灣地區(qū)E s3現(xiàn)今排烴強(qiáng)度

3.2烴源巖資源潛力利用排烴強(qiáng)度進(jìn)行面積積分可得地史時(shí)期各源巖層段的排烴量（圖5）。研究區(qū)沙河街組一、二段烴源巖在東營(yíng)組沉積時(shí)期才有油氣排出，推測(cè)該段源巖應(yīng)在東營(yíng)組三段沉積時(shí)期開(kāi)始排烴，到館陶組和明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期達(dá)到排烴高峰；而沙河街組三段烴源巖在沙河街組一、二段沉積時(shí)期已滿足排烴門限排出烴類，最初出現(xiàn)排烴的地區(qū)在遼中凹陷的北部深洼。到東營(yíng)組沉積時(shí)期遼西凹陷北部也開(kāi)始排烴，其排烴強(qiáng)度迅速增加，并在館陶組沉積時(shí)期排烴強(qiáng)度的最高值超過(guò)遼中凹陷的北洼，成為沙河街組三段烴源巖最主要的排烴中心。在館陶組沉積時(shí)期，遼西凹陷的中洼也開(kāi)始排烴，此時(shí)遼中凹陷的中洼達(dá)到排烴最大值，成為遼東灣地區(qū)又一個(gè)重要的排烴中心。在各個(gè)地史時(shí)期中，館陶組沉積時(shí)期的總排烴量達(dá)到26.0×108 t，占排烴總量的39.45％，為各個(gè)時(shí)期排烴量最高；明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期的總排烴量為18.3×108t，占排烴總量的27.77％，僅次于館陶組沉積時(shí)期；東營(yíng)組沉積時(shí)期的總排烴量為15.2×108t，占排烴總量的23.07％，低于明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期；沙河街組沉積時(shí)期僅三段的烴源巖有排烴，且量小，為1.7×108t，占排烴總量的2.58％。深層烴源巖在東營(yíng)組沉積時(shí)期開(kāi)始大量排烴，排烴時(shí)期較晚，但排烴強(qiáng)度大，范圍廣，在館陶組和明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期烴源巖達(dá)到排烴的高峰，排出的油氣可以進(jìn)入早期已經(jīng)形成的圈閉中，有利于形成油氣藏。

圖5　遼東灣地區(qū)深層烴源巖排烴綜合評(píng)價(jià)

遼東灣地區(qū)深層烴源巖現(xiàn)今累計(jì)排烴量分別為：沙河街組一、二段為22.6×108t和三段為43.3×108t，合計(jì)排烴量為65.9×108t。根據(jù)有機(jī)質(zhì)的油氣發(fā)生率物理模擬實(shí)驗(yàn)［20］，求出排油占排烴的百分比隨Ro的變化規(guī)律（圖6），進(jìn)而求出各源巖層的排油量和排氣量（表2）。結(jié)果表明，深層烴源巖排油能力大于排氣能力，以后的勘探方向應(yīng)以找油為先。

圖6　松遼盆地?zé)N源巖排油量與排烴量之比隨Ro的變化規(guī)律①盧雙航，付廣.松遼盆地濱北地區(qū)烴源巖條件研究及資源量預(yù)測(cè)［R］.大慶石油學(xué)院，2004.

表2　遼東灣地區(qū)深層烴源巖排油氣量Table 2　Amount of oil and gas discharged from deep source rocks of the Liaodong Bay

根據(jù)油氣聚集系數(shù)的研究［21］，分別求取了遼東灣不同構(gòu)造帶油氣的聚集系數(shù)，最后得到主要構(gòu)造帶預(yù)測(cè)資源量（表3）。遼東灣總的資源量為21.06×108t，其中石油預(yù)測(cè)資源量為17.12×108t，預(yù)測(cè)天然氣資源量為3.94×1011m3。遼西凹陷和遼中凹陷的資源量占總量的90％以上，為油氣成藏提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)。兩個(gè)凹陷之間的遼西凸起，有雙凹供烴之利，且近幾年的鉆井都有良好的油氣顯示，展示了其巨大的勘探前景，是今后勘探的重點(diǎn)地區(qū)。

表3　遼東灣地區(qū)主要構(gòu)造帶資源量分布Table 3　Resource volumes ofmain structural belts in the Liaodong Bay

4　結(jié)論

1）遼東灣地區(qū)深層3類烴源巖的排烴門限分別是：Ⅰ型源巖排烴門限深度為2 800m，其次為Ⅱ型源巖排烴門限為2 920m，Ⅲ型為3000m。Ⅰ型源巖的排烴率最高為78％，而Ⅲ型源巖僅為20％。Ⅰ型源巖排烴特征明顯優(yōu)于Ⅲ型源巖。

2）沙河街組一、二段在東營(yíng)組沉積時(shí)期開(kāi)始排烴，三段則在沙河街組沉積末期排烴，兩者均在館陶組和明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期達(dá)到排烴高峰。深層烴源巖屬于晚期排烴，有利于油氣藏的形成。

3）沙河街組一、二段現(xiàn)今累計(jì)排烴量為22.6×108t，排油量為18.53×108t；三段現(xiàn)今累計(jì)排烴量為43.3×108t，排油量為35.07×108t。遼東灣總的資源量為21.06×108t，其中石油預(yù)測(cè)資源量為17.12×108t，天然氣預(yù)測(cè)資源量為3.94×1011m3，顯示了遼東灣深層良好的勘探前景。

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（編輯張亞雄）

中圖分類號(hào)：TE122.1

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：0253－9985（2011）02－0251－08

收稿日期：2010－10－02。

第一作者簡(jiǎn)介：馬行陟（1984—），男，博士研究生，油氣成藏與天然氣地質(zhì)。

基金項(xiàng)目：中海石油（中國(guó)）有限公司科研項(xiàng)目（SC06TJ－TQL－004）。

Hydrocarbon expulsion characteristics and resource potential of deep source rocks in the Liaodong Bay

Ma Xingzhi1，2，Pang Xiongqi3，Meng Qingyang1，2，Jiang Fujie3
（1.Research Institute of Petroleum Exploration and Development，PetroChina，Beijing 100083，China；
2.Key Laboratory of Basin Structure＆Hydrocarbon Accumulation of CNPC，Beijing 100083，China；
3.Research Center for Basin and Reservoir，China University of Petroleum，Beijing 102249，China）

Abstract：Based on available geochemical data such as pyrolysis and total organic carbon（TOC），we studied the hydrocarbon expulsion characteristics of the deep source rocks by using the hydrocarbon-generation potentialmethod，which is based on geological threshold theory.Three types of hydrocarbon expulsionmodelswere established in this paper，with the type-I source rock expelling hydrocarbons earlier andmore efficiently than the type-Ⅱand type-Ⅲ.The E s3source rocks，themain source rocks in Liaodong Bay，started expelling hydrocarbons（dominated by oil）at the end of Shahejie Formation and the total amountof hydrocarbons expelled is4.33 billion tons.In comparison，the E s1+2source rocks started expelling hydrocarbons during the deposition of the Dongying Formation，with a total expulsion amount of 2.26 billion tons.The total amount of hydrocarbons expelled from the deep source rocks is 6.59 billion tons.The resource volume is estimated to be 2.106 billion tons，ofwhich oil is 1.712 billion tons.The study results indicate that the resource potential of the deep layers in Liaodong Bay is very huge and dominated by oil.The Liaoxisalient located between the Liaoxiand Liaozhong troughs both ofwhich are hydrocarbon kitchens is very favorable for hydrocarbon accumulation.

Key words：deep source rock，hydrocarbon expulsion characteristics，hydrocarbon-generation potential，resource volume，Liaodong Bay