渤海灣盆地滄東凹陷孔二段優(yōu)質(zhì)烴源巖成烴環(huán)境

徐祖新，姜文亞，張義杰，趙 萌，王居峰

(1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院 地質(zhì)所，北京 100083；2.中國(guó)石油大港油田分公司 勘探開發(fā)研究院，天津 300280；3.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院 塔里木分院，北京 100083；4.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500 )

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渤海灣盆地滄東凹陷孔二段優(yōu)質(zhì)烴源巖成烴環(huán)境

徐祖新1，姜文亞2，張義杰3，趙 萌4，王居峰1

(1.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院 地質(zhì)所，北京 100083；2.中國(guó)石油大港油田分公司 勘探開發(fā)研究院，天津 300280；3.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院 塔里木分院，北京 100083；4.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500 )

以滄東凹陷孔二段為例，利用地球化學(xué)、微量元素和古生物鑒別等方法，分析烴源巖的分布和地球化學(xué)特征，研究烴源巖的成烴環(huán)境，建立孔二段湖盆烴源巖發(fā)育模式，確定烴源巖與常規(guī)油和致密油分布的關(guān)系.結(jié)果表明，研究區(qū)烴源巖厚度為50～450 m，暗色泥巖平均TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.07%，Ro為0.5%～1.1%，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ-Ⅱ1型為主，優(yōu)質(zhì)烴源巖分布面積大；湖盆性質(zhì)、古氣候、古生產(chǎn)力和保存條件控制烴源巖的發(fā)育，孔二段沉積時(shí)期湖盆寬/深大，氣候溫暖濕潤(rùn)，水體為淡水—半咸水，上、下水體交換相對(duì)頻繁，優(yōu)質(zhì)烴源巖主要分布于湖盆中心；湖盆中心以致密油勘探為主，湖盆邊緣以常規(guī)油勘探為主.成烴環(huán)境的研究及烴源巖發(fā)育模式的建立對(duì)研究區(qū)常規(guī)油和致密油的勘探具有指導(dǎo)意義.

滄東凹陷； 孔二段； 優(yōu)質(zhì)烴源巖； 成烴環(huán)境； 發(fā)育模式

0 引言

烴源巖是形成大中型油氣田的物質(zhì)基礎(chǔ)，其非均質(zhì)性是產(chǎn)生油氣平面分布的富集和貧化現(xiàn)象的核心因素.湖相烴源巖作為中國(guó)東部含油氣盆地的主要油氣來源，對(duì)其成因機(jī)理和空間分布特征的研究有重要意義.近年來，伴隨著國(guó)內(nèi)外現(xiàn)代湖泊研究技術(shù)和條件的日趨成熟，湖相烴源巖成烴環(huán)境研究逐漸受到重視[1-12].

渤海灣盆地發(fā)育多個(gè)富油氣凹陷，其中優(yōu)質(zhì)烴源巖(平均TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)>2%)對(duì)油氣成藏起重要作用，研究?jī)?yōu)質(zhì)烴源巖的成烴環(huán)境，有助于認(rèn)識(shí)油氣分布規(guī)律，發(fā)現(xiàn)新的優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育地區(qū)和層系，擴(kuò)大油氣勘探范圍.人們研究滄東凹陷孔二段烴源巖特征[13]，如劉子藏認(rèn)為孔二段烴源巖是研究區(qū)主力烴源巖層[14]；高錫興認(rèn)為孔二段烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高，有機(jī)質(zhì)類型好，熱成熟度適中，為一套優(yōu)質(zhì)烴源巖[15].人們對(duì)該套優(yōu)質(zhì)烴源巖的成烴環(huán)境缺少研究，制約對(duì)烴源巖空間展布特征的精細(xì)研究.近年來，隨著對(duì)研究區(qū)孔二段致密油勘探的逐步深入，優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成機(jī)理及其空間分布特征的研究日益重要.優(yōu)質(zhì)烴烴源巖發(fā)育環(huán)境、烴源巖分布范圍，以及優(yōu)質(zhì)烴源巖與常規(guī)油和致密油的分布關(guān)系，是勘探選區(qū)亟需解決的問題.筆者分析研究區(qū)孔二段淡水—半咸水湖盆烴源巖的分布和地球化學(xué)特征，探討優(yōu)質(zhì)烴源巖的成烴環(huán)境，建立淡水—半咸水湖盆烴源巖發(fā)育模式，歸納優(yōu)質(zhì)烴源巖與常規(guī)油和致密油分布的關(guān)系.

1 地質(zhì)概況

滄東凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷南部，孔店凸起以南，滄縣隆起以東，徐黑凸起以西，呈北東—南西向展布，勘探面積為1 500 km2.滄東凹陷構(gòu)造單元可以劃分為2個(gè)構(gòu)造帶及3個(gè)斜坡：孔店構(gòu)造帶、舍女寺斷鼻帶及孔東斜坡、孔西斜坡、南皮斜坡(見圖1).

滄東凹陷構(gòu)造演化大致經(jīng)歷初始斷陷期、擴(kuò)張深陷期、斷陷活動(dòng)穩(wěn)定期、斷陷活動(dòng)衰減期和坳陷期[15]等階段.自下而上發(fā)育的新生代地層為孔店組、沙河街組、東營(yíng)組、館陶組、明化鎮(zhèn)組和第四系地層.孔店組地層自下而上劃分為孔三段、孔二段及孔一段，總厚度超過2 km，與下伏中生界呈角度不整合.其中孔二段為深灰、黑灰色泥頁(yè)巖夾淺灰色粉細(xì)砂巖韻律層，局部夾基性侵入巖，厚度約為400 m，是研究區(qū)主力烴源巖.

圖1 滄東凹陷構(gòu)造位置Fig.1 Structural position of Cangdong sag

2 烴源巖特征

2.1 分布特征

孔二段地層主要發(fā)育一套黑色、深灰色富含有機(jī)質(zhì)的泥巖、灰褐色油頁(yè)巖和泥灰?guī)r.烴源巖巖性主要為暗色泥巖和鹽巖2種類型，總厚度為50～450 m，平面上由中心向四周呈環(huán)帶狀逐漸變薄(見圖2).

暗色泥巖厚度一般為50～250 m，面積約為740 km2；最大沉積厚度分布于南皮凹陷的王官屯北部及小集斷裂構(gòu)造帶，滄東凹陷厚度相對(duì)較小，頁(yè)巖厚度一般為50～200 m，面積約為375 km2；最大沉積厚度分布于風(fēng)化店地區(qū)，南部厚度相對(duì)稍小，最大厚度分布于小集—葉三撥地區(qū).

2.2 地球化學(xué)特征

有機(jī)質(zhì)豐度是油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ).孔二段烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高，最高質(zhì)量分?jǐn)?shù)等值線值為5.0%，分布于風(fēng)化店—王官屯—段六撥地區(qū)，并以此為中心呈條環(huán)帶狀向四周逐漸變小(見圖3).根據(jù)烴源巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，暗色泥巖和頁(yè)巖屬于好—很好烴源巖，有利于生成大量油氣(見表1).

圖2 滄東凹陷孔二段烴源巖厚度Fig.2 Thickness of Ek2 source rocks in Cangdong sag

圖3 滄東凹陷孔二段烴源巖w(TOC)和Ro疊合Fig.3 w(TOC) and Ro of Ek2 source rocks in Cangdong sag

表1 滄東凹陷有機(jī)質(zhì)豐度Table 1 Organic matter abundance of Cangdong sag

圖4 滄東凹陷孔二段烴源巖有機(jī)質(zhì)類型Fig.4 Organic matter type of Ek2 source rocks in Cangdong sag

孔二段烴源巖的生烴門限深度在2 600 m左右，Ro為0.5%～1.1%(見圖3).在滄東凹陷沉積中心和南皮小集—烏馬營(yíng)地區(qū)，地層埋深較大，已經(jīng)進(jìn)入生油高峰期；在沉積邊緣地帶及舍女寺—孔店低凸起區(qū)，地層埋深相對(duì)較小，主要處于低成熟階段.由孔二段烴源巖氫指數(shù)(HI)和熱解峰溫(Tmax)關(guān)系圖(見圖4)可以看出，數(shù)據(jù)點(diǎn)大部分集中于Ⅰ和Ⅱ1型區(qū)域，部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)處于Ⅱ2型區(qū)域，判定孔二段有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅰ—Ⅱ1型.

孔二段烴源巖主要分布于孔店以南至烏馬營(yíng)地區(qū)，厚度大于50 m的區(qū)域達(dá)到740 km2.暗色泥巖和頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度高(好—很好烴源巖)，類型好(Ⅰ—Ⅱ1型)，門限深度為2 600 m[13]，總體處于低成熟—成熟階段，為一套優(yōu)質(zhì)烴源巖.

3 成烴環(huán)境影響因素

構(gòu)造運(yùn)動(dòng)控制盆地的古地貌特征，決定湖盆的形成和演化，不同湖盆演化階段烴源巖發(fā)育特征不同.研究區(qū)孔二段烴源巖成烴環(huán)境與湖盆性質(zhì)、古氣候條件、古生產(chǎn)力和保存條件有關(guān)[16-20].

3.1 湖盆性質(zhì)

滄東凹陷在孔二段時(shí)期為坳陷型湖盆沉積，滄東斷層和徐西斷層兩條邊界斷裂對(duì)盆地沉積不起控制作用[14-15].孔二段時(shí)期物源區(qū)主要為東部的徐黑凸起和西部的滄縣隆起[21]，在湖盆邊緣為砂巖等粗粒沉積，在湖盆中心主要為泥巖和頁(yè)巖等細(xì)粒沉積.此外，由于該時(shí)期沉積速率較高，在湖盆中心沉積厚度較大的暗色泥巖和頁(yè)巖.

微量元素分析結(jié)果表明，w(Sr)/w(Ba)小于1，判斷孔二段時(shí)期湖盆水體性質(zhì)為淡水—半咸水環(huán)境(見圖5(a))，表明湖盆大氣降水(包括河流注入)作用大于水體蒸發(fā)作用，有利于有機(jī)質(zhì)的形成.在沉積水體中w(B)隨鹽度的增加而增加，在淡水環(huán)境水體中w(Ga)比咸水環(huán)境水體的高，w(B)/w(Ga)也可以作為鹽度指標(biāo)的基礎(chǔ)，進(jìn)一步區(qū)分海相和陸相沉積[16]；孔二段w(B)/w(Ga)小于6，表明該層為陸相沉積(見圖5(b)).

滄東凹陷在孔二段沉積時(shí)期為淡水—半咸水坳陷型湖盆，徐黑凸起和滄縣隆起向湖盆輸入大量有機(jī)質(zhì)，且沉降速率相對(duì)較高，有利于優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育，在湖盆中心沉積泥巖和頁(yè)巖等細(xì)粒沉積物，為致密油勘探有利區(qū).

3.2 古氣候條件

古生物資料分析表明，孔三段、孔二段和孔一段沉積時(shí)期發(fā)現(xiàn)植物化石，但是只有孔二段時(shí)期發(fā)育生物化石(見圖6).孔二段孢粉組合為刺鷹粉屬—杉粉屬—三角孢粉屬亞組合，古氣候?yàn)闇嘏瘽駶?rùn)的亞熱帶氣候，孔三段和孔一段為半干旱—干旱氣候.

圖5 滄東凹陷孔二段微量元素關(guān)系Fig.5 Trace element of Ek2 source rocks in Cangdong sag

圖6 滄東凹陷孔店組古生物發(fā)育特征Fig.6 Paleontological development of Kongdian formation in Cangdong sag

孔二段介形類主要為五圖真星介、濰縣湖花介、沼澤擬星介和真星介等屬種.真星介動(dòng)物群是世界上廣泛分布的屬，廣泛分布在淡水—半咸水湖泊中，多見于濱淺湖沉積.湖花介主要生活于淡水環(huán)境，多見于淺湖相沉積.擬星介主要生活于沼澤化的淡水湖泊.此外，在孔二段發(fā)現(xiàn)不少魚類化石，表明湖泊水體較深，是深湖相的代表生物.

孔二段時(shí)期湖泊水體較深，主要為濱淺湖—半深湖—深湖相，古氣候類型是潮濕氣候，雨量充沛，易于形成較高的初始成產(chǎn)力，同時(shí)有利于有機(jī)質(zhì)的聚集和保存.

3.3 古生產(chǎn)力

在海相和陸相地層中發(fā)現(xiàn)優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成與浮游藻類具有密切關(guān)系.沉積地層中的藻類化石往往被作為高生產(chǎn)力和湖盆水體發(fā)育的標(biāo)志.根據(jù)薄片鑒定結(jié)果，在孔二段地層中發(fā)現(xiàn)大量藻類(見圖7)，表明孔二段烴源巖沉積時(shí)期具有較高的古生產(chǎn)力.

微量元素如C、N、O、Si、P、Ba等也常用來反映古生產(chǎn)力.w(Ba)與w(TOC)具有明顯的相關(guān)關(guān)系，并且Ba聚集后可以長(zhǎng)期穩(wěn)定保存，因此Ba元素也能夠反映湖泊古生產(chǎn)力的高低.由圖5(a)可以看出，孔二段烴源巖w(Ba)相對(duì)較高，為0.04%～0.10%，具有較高的古生產(chǎn)力.

3.4 保存條件

有機(jī)質(zhì)的聚集和保存條件是形成優(yōu)質(zhì)烴源巖的重要因素.只有在相對(duì)還原環(huán)境中,沉積有機(jī)質(zhì)才能被保存下來.w(Pr)/w(Ph)(老鮫烷/植烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)比)常用于指示氧化還原環(huán)境，低w(Pr)/w(Ph)反映還原環(huán)境.孔二段烴源巖w(Pr)/w(Ph)主要為0.3～1.0，對(duì)比判別標(biāo)準(zhǔn)，反映該套烴源巖沉積時(shí)期為還原環(huán)境，對(duì)有機(jī)質(zhì)的保存極為有利(見圖8).

圖7 滄東凹陷孔二段藻類發(fā)育特征Fig.7 Algae growth of Ek2 source rocks in Cangdong sag

圖8 滄東凹陷孔二段w(Pr)/w(Ph)關(guān)系Fig.8 w(Pr)/w(Ph) of Ek2 source rocks in Cangdong sag

孔二段沉積時(shí)期為坳陷型湖盆，沉積速率較大，水體性質(zhì)為淡水—半咸水，有利于有機(jī)質(zhì)的保存；對(duì)于孔二段烴源巖，古生產(chǎn)力和保存條件為最重要因素，對(duì)優(yōu)質(zhì)烴源巖的分布起到?jīng)Q定性作用.因此，根據(jù)孔二段烴源巖的藻類質(zhì)量分?jǐn)?shù)和w(Pr)/w(Ph)，并結(jié)合烴源巖厚度(見圖2)和有機(jī)質(zhì)豐度及有機(jī)質(zhì)成熟度(見圖3)，預(yù)測(cè)孔二段烴源巖的有利區(qū).當(dāng)孔二段烴源巖w(藻類)>5%，w(Pr)/w(Ph)>0.8時(shí)，兩者的疊合區(qū)域與烴源巖厚度及w(TOC)大值區(qū)域吻合較好.滄東凹陷孔二段優(yōu)質(zhì)烴源巖分布見圖9.由圖9可以看出，滄東凹陷孔二段優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育主要位于湖盆中心西緣，為致密油氣勘探的有利區(qū)帶.

圖9 滄東凹陷孔二段優(yōu)質(zhì)烴源巖分布Fig.9 High quality source rocks of Ek2 in Cangdong sag

4 烴源巖發(fā)育模式

湖相烴源巖主要受控于有機(jī)質(zhì)產(chǎn)率和保存的外部條件(氣候、構(gòu)造演化等)和內(nèi)部環(huán)境(湖泊水體介質(zhì)變化、生產(chǎn)力、保存條件)的平衡.

孔二段沉積時(shí)期湖泊寬/深大，湖水的交換能力和交換頻率較強(qiáng)，隨著氣候轉(zhuǎn)為暖濕，水和沉積物的供給增多，隨著大量淡水注入，水體鹽度降低，出現(xiàn)溫度分層，湖盆表現(xiàn)出缺氧的還原環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)保存.同時(shí)，大量湖水的注入帶來豐富的營(yíng)養(yǎng)鹽類和大量高等植物碎屑，湖泊的生產(chǎn)力水平相對(duì)較高，發(fā)育大量的藻類，使孔二段w(Ba)相對(duì)較高，相對(duì)較高生產(chǎn)力在孔二段優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成中起到關(guān)鍵作用(見圖10).在該模式中，由于湖平面不斷升高，湖泊以退積式充填為主，湖泊水域面積擴(kuò)大，橫向上沉積相帶分布相對(duì)穩(wěn)定，在湖盆邊緣發(fā)育辨狀河三角洲相，沉積物粒度較粗；在湖盆中心為半深湖—深湖相沉積，細(xì)粒沉積物發(fā)育.因此，湖盆中心以致密油勘探為主，在湖盆邊緣以常規(guī)油勘探為主，整個(gè)滄東凹陷具有“滿凹含油”的特征.

圖10 滄東凹陷孔二段烴源巖發(fā)育模式Fig.10 Sedimentary models of Ek2 source rocks in Cangdong sag

5 結(jié)論

(1)渤海灣盆地滄東凹陷孔二段烴源巖屬于好—很好烴源巖，烴源巖厚度為50～450 m，平均TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.07%，Ro為0.5%～1.1%，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅰ—Ⅱ1型為主，優(yōu)質(zhì)烴源巖分布面積大.

(2)孔二段優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成主要受湖盆性質(zhì)、古氣候、古生產(chǎn)力和保存條件因素控制，滄東凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖主要分布于湖盆中心西緣.孔二段沉積時(shí)期湖盆寬/深大，水體性質(zhì)為淡水—半咸水，氣候溫暖濕潤(rùn)，上、下水體交換相對(duì)頻繁，有利于優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育.

(3)滄東凹陷湖盆中心以致密油勘探為主，在湖盆邊緣以常規(guī)油勘探為主，具有“滿凹含油”的特征.

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2015-03-20；編輯：張兆虹

國(guó)家科技重大專項(xiàng)(2011ZX05006-005)

徐祖新(1988-)，男，博士研究生，主要從事油氣成藏方面的研究.

TE122.1

A

2095-4107(2015)04-0071-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.04.009