珠江口盆地河流—三角洲體系煤系烴源巖發(fā)育特征及有利相帶

李　燕, 鄧運(yùn)華, 李友川, 侯讀杰

( 1. 中海油研究總院，北京　100028；　2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 博士后流動(dòng)站，北京　100083；　3. 中國(guó)海洋石油總公司，北京　100010 )

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珠江口盆地河流—三角洲體系煤系烴源巖發(fā)育特征及有利相帶

李燕1,2, 鄧運(yùn)華3, 李友川1, 侯讀杰2

( 1. 中海油研究總院，北京100028；2. 中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(北京) 博士后流動(dòng)站，北京100083；3. 中國(guó)海洋石油總公司，北京100010 )

根據(jù)地震、鉆井、測(cè)井和地球化學(xué)等資料，采用沉積學(xué)與地球化學(xué)結(jié)合的方法，研究珠江口盆地恩平組河流—三角洲體系煤系烴源巖。結(jié)果表明：研究區(qū)河流—三角洲體系煤系烴源巖包括煤、碳質(zhì)泥巖和煤系泥巖3種類(lèi)型，典型發(fā)育特征為煤層單層厚度薄、層數(shù)多、橫向變化大，呈薄層狀分布在河道、分流河道的厚砂體之間。該體系煤系烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，生烴能力較強(qiáng)；有機(jī)質(zhì)主要類(lèi)型為Ⅱ2型，多來(lái)自陸生高等植物，孢子和花粉含量很高，藻類(lèi)含量非常低，烴源巖有機(jī)組成中煤質(zhì)、木質(zhì)、殼質(zhì)含量高，無(wú)定形有機(jī)質(zhì)含量很低。該體系煤系烴源巖非均質(zhì)性強(qiáng)，受沉積相帶控制，河流的河漫沼澤、三角洲平原沼澤高等植物大量發(fā)育且有利于有機(jī)質(zhì)保存，是河流—三角洲體系煤系烴源巖發(fā)育的有利相帶。河道、分流河道的遷移改道、決口和沼澤逐漸淤積填平是導(dǎo)致珠江口盆地恩平組河流—三角洲體系發(fā)育薄煤層的重要原因。該結(jié)論對(duì)于認(rèn)識(shí)河流—三角洲體系煤系烴源巖的發(fā)育特征，以及在源控論的指導(dǎo)下尋找油氣具有指導(dǎo)意義。

煤系烴源巖； 河流—三角洲體系； 有利相帶； 形成機(jī)理； 珠江口盆地

0　引言

煤系烴源巖是一種重要的烴源巖類(lèi)型[1-9]，隨著油氣勘探的不斷發(fā)展，河流—三角洲體系形成的煤系烴源巖在油氣生成中的作用越來(lái)越突出。許多盆地發(fā)現(xiàn)河流—三角洲體系形成的煤系烴源巖，如波拿巴盆地下—中侏羅統(tǒng)煤系烴源巖、吉普斯蘭盆地煤系烴源巖、庫(kù)帕盆地新近系煤系烴源巖[10-17]、準(zhǔn)噶爾盆地下—中侏羅統(tǒng)煤系烴源巖、鄂爾多斯盆地下侏羅統(tǒng)煤系烴源巖等發(fā)育于三角洲平原環(huán)境[18-20]，波德河盆地第三系煤系烴源巖發(fā)育于河流環(huán)境。與淺湖沼澤化、濱岸帶瀉湖沼澤化發(fā)育的煤系烴源巖不同，河流—三角洲體系形成的煤系烴源巖橫向連片性差，分布規(guī)律更加復(fù)雜[21-23]。目前，對(duì)河流—三角洲體系煤系烴源巖的發(fā)育特征及有利相帶研究相對(duì)較少[24-26]，研究該問(wèn)題對(duì)以河流—三角洲體系煤系烴源巖供源的油氣田勘探開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。

恩平組時(shí)期河流—三角洲體系煤系烴源巖是珠江口盆地重要的烴源巖類(lèi)型，白云凹陷北坡和白云深水區(qū)的油氣與恩平組煤系烴源巖的有機(jī)地化對(duì)比表明，恩平組煤系烴源巖是一套有效的烴源巖，并且是番禺低隆起的主力烴源巖[27-29]。筆者利用地震、錄井、測(cè)井和地球化學(xué)等資料，根據(jù)珠江口盆地恩平組煤系烴源巖煤層厚度及煤層發(fā)育特征，以及有機(jī)質(zhì)豐度、類(lèi)型和來(lái)源，分析煤系烴源巖發(fā)育的有利相帶及薄煤層的形成機(jī)理。

1　研究區(qū)概況

珠江口盆地位于南海北部，呈北東向展布，盆地內(nèi)隆凹相間，總體上呈“南北分帶，東西分塊”的構(gòu)造格局[30]。由北向南依次為北部隆起帶、北部坳陷帶、中央隆起帶、南部坳陷帶、南部隆起帶，北部坳陷帶又被北西向的隱伏斷層分割成珠一坳陷和珠三坳陷，南部坳陷帶被分割成珠二坳陷和潮汕坳陷(見(jiàn)圖1(a))，研究區(qū)范圍包括珠一坳陷、珠二坳陷和中央隆起帶。

圖1　珠江口盆地區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地層格架剖面Fig.1 Stratigraphic framework of Pearl River Mouth basin

珠江口盆地新生代以來(lái)經(jīng)歷裂陷期、斷拗期和拗陷期3個(gè)演化階段[31](見(jiàn)圖1(b))。裂陷初期，珠江口盆地發(fā)育神狐組沉積，主要為沖積—洪積的近源粗粒沉積，分布范圍非常局限?？焖倭严萜诎l(fā)育文昌組沉積，主要為一套陸內(nèi)的濱淺湖、深湖相沉積，周邊為河流相的砂泥沉積、扇三角洲沉積等，在珠一坳陷受斷裂控制呈多個(gè)沉積中心，而珠二坳陷沉積受斷裂的分隔不明顯，具有統(tǒng)一的沉積中心，整體上坳陷中心沉積厚，向周邊逐漸減薄。裂陷晚期，珠江口盆地發(fā)育恩平組沉積，沉積初期，凹陷分隔現(xiàn)象減弱，從珠一坳陷到珠二坳陷依次發(fā)育陸內(nèi)河流—湖泊沉積、海陸過(guò)渡的三角洲沉積和濱淺海沉積；沉積晚期，珠一坳陷和珠二坳陷形成統(tǒng)一的源—匯沉積體系，從珠一坳陷到珠二坳陷的白云凹陷依次為河流—三角洲—濱淺海沉積，三角洲向海洋推進(jìn)距離較遠(yuǎn)，規(guī)模達(dá)4 500 km2，是煤系烴源巖的重要發(fā)育期。斷拗期，珠江口盆地發(fā)育珠海組沉積，總體為三角洲—濱淺海沉積，陸架上發(fā)育來(lái)自北部的大型三角洲沉積，地震剖面上呈高角度的前積斜層。新近紀(jì)進(jìn)入拗陷階段，在廣泛的海侵背景下發(fā)育碎屑巖和碳酸鹽巖沉積。

珠江口盆地恩平組沉積時(shí)期屬于濕熱性氣候，孢粉組成中以熱帶、亞熱帶的組分含量高，如杉科粉、雙溝粉和櫟粉等。珠海組沉積時(shí)期，氣候發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，變得溫涼干燥，云杉、鐵杉、冷杉和雪松等溫帶針葉樹(shù)花粉含量明顯增多[32]。

恩平組為珠江口盆地煤系烴源巖最發(fā)育時(shí)期，濕熱的氣候條件、廣泛的河流環(huán)境及不斷向海推進(jìn)形成的大規(guī)模三角洲為煤系烴源巖的發(fā)育提供有利條件。

2　煤層發(fā)育特征

分析研究區(qū)錄井、巖心和測(cè)井等資料，珠江口盆地恩平組煤系烴源巖可分為煤、碳質(zhì)泥巖和煤系泥巖3種類(lèi)型。煤層是煤系烴源巖的主體和核心，是煤系烴源巖的主要貢獻(xiàn)者[33]，對(duì)煤層發(fā)育特征的研究是煤系烴源巖研究的重要內(nèi)容。

珠江口盆地恩平組煤層在錄井和巖心上顯示為薄層狀產(chǎn)出，一般為黑色、灰黑色，無(wú)光澤—中等光澤，常見(jiàn)裂縫發(fā)育。煤層常見(jiàn)黃鐵礦伴生，反映沉積環(huán)境為還原環(huán)境。煤層在測(cè)井曲線上具有明顯的響應(yīng)特征，總體上表現(xiàn)為高電阻(中等變質(zhì)的煙煤)、高聲波、高中子孔隙度、低密度、中—低自然伽馬和井徑擴(kuò)徑的特點(diǎn)。以沉積學(xué)、測(cè)井地質(zhì)學(xué)和地球化學(xué)理論為指導(dǎo)，采用邏輯判別法、聚類(lèi)分析法和蜘蛛網(wǎng)圖法等識(shí)別研究區(qū)煤層(見(jiàn)圖2)。

珠江口盆地恩平組時(shí)期煤層主要發(fā)育于河流、三角洲平原環(huán)境，向三角洲前緣、淺海煤層消失。煤層呈薄層狀?yuàn)A在河流的河道和三角洲平原分流河道形成的厚層砂巖之間，縱向上形成典型的巖相組合，從下向上依次為：(1)厚層的河道、分流河道砂巖—灰色泥巖—煤—灰色泥巖見(jiàn)碳屑—灰色粉砂巖—厚層的河道、分流河道砂巖；(2)厚層的河道、分流河道砂巖—煤—厚層河道、分流河道砂巖；(3)厚層的河道、分流河道砂巖—灰色泥巖—煤—灰色泥巖—厚層河道、分流河道砂巖；(4)厚層的河道、分流河道砂巖—灰色泥巖—煤—厚層的河道、分流河道砂巖。這種縱向上河道、分流河道砂與煤層交互沉積的組合是河流—三角洲體系煤系烴源巖發(fā)育的典型特征，是受河流—三角洲體系的沉積演化形成的。

圖2　珠江口盆地恩平組煤層測(cè)井響應(yīng)特征(PYAA井)Fig.2 Logging response characteristics of coal seam in Enping group of Pearl River Mouth basin (well PYAA)

珠江口盆地恩平組河流—三角洲體系發(fā)育的煤層具有單層厚度薄、層數(shù)多、橫向變化大的特點(diǎn)。統(tǒng)計(jì)研究區(qū)煤層單層厚度，河流與三角洲環(huán)境形成的煤層呈薄層狀，單層煤層厚度相近，主要為0.5～1.0 m，極少數(shù)煤層厚度達(dá)2.0 m(見(jiàn)圖3(a))。煤層在縱向上發(fā)育層數(shù)多，單井上可形成多個(gè)含煤沉積序列，很多井鉆遇恩平組煤層數(shù)超過(guò)15層，累計(jì)厚度較大，如PYBB井鉆遇恩平組煤層數(shù)達(dá)20層(見(jiàn)圖3(b))，累計(jì)厚度約為23.0 m。研究區(qū)河流—三角洲體系煤層非均質(zhì)性強(qiáng)，橫向變化大，尖滅快，橫向上對(duì)比追蹤很困難。相鄰兩口鉆井煤層的發(fā)育層數(shù)和時(shí)間明顯不同。

圖3　珠江口盆地恩平組單層煤層厚度分布及煤層數(shù)Fig.3 Single layer thickness and layer number of coal seam in Enping group of Pearl River Mouth basin

3　煤系烴源巖的地化特征

3.1有機(jī)質(zhì)豐度較高

珠江口盆地恩平組煤系烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度普遍較高(見(jiàn)表1)。有機(jī)碳(TOC)平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60.6%，最高達(dá)80.8%，生烴潛量(S1+S2)平均為184.2 mg/g，最高達(dá)262.6 mg/g。碳質(zhì)泥巖平均有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.2%，生烴潛量為42.5 mg/g；暗色泥巖平均有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.6%，生烴潛量為4.5 mg/g(見(jiàn)圖4)。表明研究區(qū)煤系烴源巖具有較強(qiáng)的生烴能力。

表1珠江口盆地恩平組煤系烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度和類(lèi)型

Table 1 Organic matter abundance and type of coal measure source rock in Enping group of Pearl River Mouth basin

烴源巖類(lèi)型w(TOC)/%S1+S2/(mg·g-1)HI/(mg·g-1)煤60.6(26)184.2(26)282.2(15)碳質(zhì)泥巖17.2(39)42.5(39)245.7(23)暗色泥巖1.6(317)4.5(317)173.9(268)

注：數(shù)據(jù)代表平均值(樣品數(shù))

3.2有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于陸生高等植物

珠江口盆地恩平組煤系烴源巖主要有機(jī)質(zhì)類(lèi)型為Ⅱ2型(見(jiàn)圖5)。煤的氫指數(shù)(HI)一般高于碳質(zhì)泥巖和暗色泥巖的，為142.0～355.0 mg/g，平均為282.2 mg/g(見(jiàn)表1)；碳質(zhì)泥巖的氫指數(shù)為86.0～385.6 mg/g，平均為245.7 mg/g；暗色泥巖的氫指數(shù)為36.0～440.0 mg/g，平均為173.9 mg/g。

圖4　珠江口盆地恩平組煤系烴源巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與生烴潛量關(guān)系Fig.4 Relationship between w(TOC) and S1+S2 of coal measure source rocks in Enping group of Pearl River Mouth basin

圖5　珠江口盆地恩平組煤系烴源巖最大熱解溫度與氫指數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationship between Tmax and HI of coal-measure source rocks in Enping group of Pearl River Mouth basin

珠江口盆地恩平組孢粉和藻類(lèi)含量分析表明，以孢子和花粉為主，孢子和花粉的含量大于90%，說(shuō)明煤系烴源巖的有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于陸生高等植物。大部分井可見(jiàn)藻類(lèi)化石，說(shuō)明煤系烴源巖有機(jī)質(zhì)有來(lái)源于藻類(lèi)的貢獻(xiàn)，但是藻類(lèi)化石的含量很低，一般小于10%，遠(yuǎn)低于陸生高等植物孢子和花粉的含量。如HZEE井恩平組煤系烴源巖的孢子含量為9%～45%，花粉含量為45%～91%，藻類(lèi)化石的含量小于10%(見(jiàn)圖6)。

烴源巖有機(jī)質(zhì)組成分析結(jié)果表明，恩平組煤系烴源巖中陸生高等植物有機(jī)組分含量高，煤質(zhì)和木質(zhì)含量較高，平均含量分別為24.5%和30.0%，殼質(zhì)平均含量為35.5%；無(wú)定形有機(jī)質(zhì)含量低，一般小于10%(見(jiàn)圖7)。

圖6　珠江口盆地恩平組河流環(huán)境孢粉和藻類(lèi)含量(HZEE井)

圖7　珠江口盆地恩平組三角洲平原環(huán)境有機(jī)質(zhì)組成(PYBB井)Fig.7 Organic matter composition of delta plain in Enping group of Pearl River Mouth basin(well PYBB)

綜上所述，珠江口盆地恩平組河流—三角洲體系煤系烴源巖有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于陸生高等植物，藻類(lèi)的貢獻(xiàn)很小。

4　有利相帶及薄煤層形成機(jī)理

4.1有利相帶

恩平組沉積時(shí)期，珠江口盆地煤系烴源巖主要分布于珠一坳陷和珠二坳陷西部的河流—三角洲沉積環(huán)境，東部的局限淺海環(huán)境是海相烴源巖的發(fā)育區(qū)。河流—三角洲體系煤系烴源巖的分布橫向變化很快，非均質(zhì)性很強(qiáng)，煤系烴源巖的發(fā)育明顯受沉積相帶的控制。

分析研究區(qū)煤系烴源巖發(fā)育的有利相帶，河流的河漫沼澤和三角洲平原的沼澤環(huán)境是河流—三角洲體系煤系烴源巖的有利發(fā)育相帶(見(jiàn)圖8)。研究區(qū)河流—三角洲體系煤層發(fā)育在河漫沼澤和三角洲平原沼澤環(huán)境中，并且層數(shù)多、累計(jì)厚度大。碳質(zhì)泥巖和煤系泥巖也主要發(fā)育在河漫沼澤和三角洲平原沼澤環(huán)境中，僅少部分發(fā)育在其他相帶中。分析河流—三角洲體系各相帶烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度，河流的河漫沼澤和三角洲平原沼澤在河流—三角洲體系煤系烴源巖中有機(jī)質(zhì)豐度最高，河漫沼澤的平均有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)12.4%，三角洲平原沼澤平均有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)14.2%(見(jiàn)圖9)。

圖8　珠江口盆地恩平組煤系烴源巖發(fā)育有利相帶Fig.8 Favorable facies of coal-measure source rocks in Enping group of Pearl River Mouth basin

圖9　珠江口盆地恩平組不同微相烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度Fig.9 Organic matter abundance of different microfacies in Enping group of Pearl River Mouth basin

研究區(qū)河流—三角洲體系煤系烴源巖在各相帶發(fā)育情況有顯著差別，是由不同微相的地形、水動(dòng)力和氧化還原條件等古地理?xiàng)l件的不同決定的。河漫沼澤和三角洲平原沼澤是河流—三角洲體系相對(duì)低洼的地帶，由于恩平組時(shí)期氣候濕熱，低洼地帶地表常年積水，有利于高等植物的大量發(fā)育，巖心觀察發(fā)現(xiàn)沉積物中富含植物碎屑，并常見(jiàn)煤線。河漫沼澤和三角洲平原沼澤遠(yuǎn)離河道，粗碎屑沉積物的供應(yīng)量相對(duì)較低，高等植物死亡后被地表水覆蓋，使有機(jī)物處于還原環(huán)境而很少發(fā)生氧化，有利于有機(jī)質(zhì)的堆積和保存，巖心觀察常見(jiàn)黃鐵礦伴生。河道和天然堤是河流—三角洲體系煤系烴源巖較不發(fā)育的相帶。河道是陸地有機(jī)碳向海洋搬運(yùn)的重要通道，河道中攜帶陸源有機(jī)碳，但是河道的水動(dòng)力作用很強(qiáng)，水流流速快，有機(jī)質(zhì)難以沉積下來(lái)，不易形成烴源巖沉積。研究區(qū)河道中沉積的少量碳屑呈斑點(diǎn)狀分布在河道砂巖中，有機(jī)質(zhì)豐度很低。天然堤只有在洪水期水流漫出河道時(shí)被淹沒(méi)，平水期一直暴露于水面之上，天然堤表面生長(zhǎng)的植被死亡后暴露于空氣，有機(jī)質(zhì)容易被氧化而難以保存下來(lái)。

4.2薄煤層形成機(jī)理

研究區(qū)恩平組煤層單層厚度薄、層數(shù)多、橫向變化快，與中—深湖相、海相發(fā)育的連片分布、厚度可達(dá)上百米的巨厚烴源巖不同，這與河流—三角洲體系的沉積演化特點(diǎn)密切相關(guān)。中—深湖相、海相分布范圍廣，在一定地質(zhì)歷史時(shí)期是相對(duì)穩(wěn)定的沉積環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)持續(xù)堆積形成巨厚的烴源巖沉積。利用巖心、錄井和測(cè)井等資料，分析研究區(qū)煤層發(fā)育特征、沉積序列組合和沉積構(gòu)造等發(fā)現(xiàn)，河道、分流河道的改道、決口和沼澤淤積填平是造成研究區(qū)薄煤層發(fā)育的重要原因。(1)河漫沼澤、三角洲平原沼澤是河流—三角洲體系煤層的有利發(fā)育相帶(見(jiàn)圖10(a))，但在河流—三角洲體系的演化過(guò)程中，河道、分流河道的遷移改道、決口和沼澤逐漸淤積填平，破壞有利于煤層發(fā)育的環(huán)境，容易形成薄煤層。(2)珠江口盆地恩平組時(shí)期河流、三角洲環(huán)境經(jīng)常發(fā)生河道、分流河道的改道，沖刷沼澤環(huán)境形成的泥炭，使泥炭沉積終止，其上部發(fā)育河道或分流河道沉積，巖心觀察常見(jiàn)明顯的沖刷面(見(jiàn)圖10(b))。(3)河道、分流河道的決口也是影響研究區(qū)煤層發(fā)育的因素。洪水期，水流的流量增大，河道、分流河道發(fā)生決口，決口水流攜帶碎屑物質(zhì)沖出河道，在河道和分流河道的外側(cè)形成決口扇沉積。決口扇攜帶的大量碎屑物質(zhì)進(jìn)入河漫沼澤和三角洲平原沼澤，破壞泥炭的堆積環(huán)境，影響煤層的發(fā)育。鉆井資料揭示，在縱向上形成煤層沉積之上發(fā)育反旋回的決口扇沉積(見(jiàn)圖10(c))。(4)沼澤淤積填平也影響烴源巖的發(fā)育，隨著泥炭的不斷堆積，可容納空間的增長(zhǎng)速率小于泥炭的堆積速率，河漫沼澤、三角洲平原沼澤逐漸淤積填平，有機(jī)物沉積后暴露在水面之上，不能形成煤層(見(jiàn)圖10(d))。在縱向上形成煤層之上覆蓋暗色泥巖的沉積組合。

圖10　珠江口盆地恩平組河流—三角洲體系薄煤層形成機(jī)理

5　結(jié)論

(1)河流—三角洲體系煤系烴源巖是珠江口盆地重要的烴源巖，包括煤、碳質(zhì)泥巖和暗色泥巖3種類(lèi)型。煤層在測(cè)井曲線上呈高電阻、高聲波、高中子孔隙度、低密度、中—低自然伽馬和井徑擴(kuò)徑的特點(diǎn)。煤層單層厚度薄、層數(shù)多、橫向變化大，煤層呈薄層狀?yuàn)A在河道、分流河道的厚砂體之間，是河流—三角洲體系煤系烴源巖發(fā)育的典型特征。

(2)河流—三角洲體系煤系烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，具有較強(qiáng)的生烴能力；有機(jī)質(zhì)類(lèi)型主要為Ⅱ2型，有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于陸生高等植物，孢子和花粉含量很高，藻類(lèi)含量非常低，烴源巖有機(jī)組成煤質(zhì)、木質(zhì)、殼質(zhì)含量高，無(wú)定形有機(jī)質(zhì)含量很低。

(3)珠江口盆地河流—三角洲體系煤系烴源巖發(fā)育具有很強(qiáng)的非均質(zhì)性，明顯受沉積相帶的控制。河流的河漫沼澤、三角洲平原沼澤高等植物大量發(fā)育且有利于有機(jī)質(zhì)保存，是河流—三角洲體系煤系烴源巖發(fā)育的有利相帶。河道、分流河道的遷移改道、決口和沼澤逐漸淤積填平是導(dǎo)致研究區(qū)河流—三角洲體系發(fā)育薄煤層的重要原因。

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2015-12-04；編輯：張兆虹

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2011ZX0523)

李燕(1987-)，女，博士，在站博士后，工程師，主要從事沉積學(xué)、油氣地球化學(xué)方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.01.007

TE112.113

A

2095-4107(2016)01-0062-10