東濮凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖的巖性特征及宏觀展布規(guī)律

王金萍 ，黃澤貴 ，張?jiān)偏I(xiàn) ，周勇水 ，李紅磊 ，張瑩瑩

（1.中國(guó)石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南 濮陽 457001；2.中國(guó)石化中原油田分公司，河南 濮陽 457001）

0 引言

隨著油氣勘探的不斷深入，油氣勘探理論也在不斷向前發(fā)展。早期籠統(tǒng)的“烴源巖控藏”理論，在烴源巖評(píng)價(jià)過程中，多取有機(jī)質(zhì)豐度等數(shù)據(jù)的平均值來代表一個(gè)層系，掩蓋了優(yōu)質(zhì)烴源巖的重要貢獻(xiàn)。隨著研究的不斷深入，石油地質(zhì)學(xué)家逐漸認(rèn)識(shí)到優(yōu)質(zhì)烴源巖與湖相含油氣盆地的油氣富集程度有著密切關(guān)系［1-6］。工業(yè)性油氣藏的主要貢獻(xiàn)者是厚度不大，但有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好、已成熟、生烴潛力大的優(yōu)質(zhì)烴源巖，而不是凹陷中廣泛分布、厚度大但豐度并非很高的烴源巖，從而形成了“優(yōu)質(zhì)烴源巖控藏”理論。本文通過解剖東濮凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖的巖性特征，建立其巖石相與有機(jī)相之間的關(guān)系，剖析其空間展布規(guī)律，為油氣資源評(píng)價(jià)和勘探戰(zhàn)略選區(qū)提供依據(jù)。

1 優(yōu)質(zhì)烴源巖的巖性特征

東濮凹陷古近系烴源巖具有面積廣、層系多、厚度大的特點(diǎn)，發(fā)育有沙河街組沙四段、沙三段和沙一段等多套烴源巖。受多隆多洼構(gòu)造格局演化的控制，各洼陷烴源巖的空間展布規(guī)律、巖性、地化特征均存在一定差異。古近系沉積期發(fā)育6套鹽巖，導(dǎo)致沉積相相變頻繁，巖石巖性組合類型多樣，烴源巖巖性類型多樣化。

1.1 實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)

東濮凹陷2 964個(gè)實(shí)測(cè)樣品總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，樣品巖性主要為頁巖和油頁巖（506 個(gè)）、暗色泥巖（1 864 個(gè)）、灰質(zhì)-白云質(zhì)泥巖（236個(gè)）、含鹽-含膏泥巖（103 個(gè)）、粉砂質(zhì)泥巖（255 個(gè)）。不同TOC值、不同巖性的樣品分布頻率如圖1所示。由圖可以看出，TOC≥1.0%的樣品，巖性以頁巖和油頁巖為主，占樣品總數(shù)的65.2%，暗色泥巖次之，占18.5%。優(yōu)質(zhì)烴源巖的主力巖性為頁巖和油頁巖，其次為暗色泥巖。

圖1 東濮凹陷不同巖性的TOC分布頻率

越來越多的學(xué)者認(rèn)為，咸化湖盆環(huán)境下的優(yōu)質(zhì)烴源巖與碳酸鹽、硫酸鹽或氯化鹽等以互層式共生［7-8］。1985年，有學(xué)者提出，東濮凹陷沙河街組發(fā)育巨厚鹽巖、石膏與黑色泥頁巖共生沉積，為深水鹽湖中蒸發(fā)巖與烴源巖共生模式［9］。研究發(fā)現(xiàn)，東濮凹陷咸化湖盆內(nèi)頁巖及油頁巖作為主要優(yōu)質(zhì)烴源巖，主要由富含有機(jī)質(zhì)的紋層和夾有黃鐵礦的鈣質(zhì)紋層組成［3，10］。東濮凹陷不同環(huán)境烴源巖生烴潛力差別巨大，北部咸水環(huán)境烴源巖為好—優(yōu)質(zhì)烴源巖，南部淡水環(huán)境烴源巖較差［6］。

1.2 建立測(cè)井-巖相模型

東濮凹陷烴源巖巖性類型多樣，鹽湖環(huán)境主要發(fā)育油頁巖、鈣質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、含膏泥巖、灰質(zhì)泥巖、白云質(zhì)泥巖、泥巖、頁巖、灰質(zhì)頁巖等烴源巖，不同巖性礦物組成較為復(fù)雜，礦物跨度區(qū)間大，區(qū)分困難。為了建立更為精確的測(cè)井-巖相模型，筆者從巖心-深度校正著手，在巖心歸位基礎(chǔ)上進(jìn)行了聲波時(shí)差（Δt）-相對(duì)自然伽馬（ΔGR）、中子孔隙度（CNL）-相對(duì)自然伽馬、電阻率 （Rt）-相對(duì)自然伽馬等測(cè)井交會(huì)圖版識(shí)別（見圖2），重點(diǎn)探討鹽湖環(huán)境烴源巖巖性-測(cè)井特征。

研究區(qū)鹽巖具有自然伽馬低、密度低、聲波時(shí)差低、中子孔隙度低、電阻率高等特征，自然伽馬一般為10～40 API，密度 2.0～2.3 g/cm3，聲波時(shí)差 220～240 μs/m，中子孔隙度為-5%～5%，電阻率變化范圍大，分布在2.0～1 000.0 Ω·m；膏鹽自然伽馬值次低，一般為40～60 API，密度值相對(duì)鹽巖較高，一般在 2.4～2.7 g/cm3，中子孔隙度值中—高，多數(shù)為25%～35%，聲波時(shí)差一般為240～330 μs/m，電阻率相對(duì)泥巖較高，一般為 1.0～5.0 Ω·m；油頁巖的自然伽馬較高，呈尖峰狀，一般在70～120 API，聲波時(shí)差較高，一般在 260～400 μs/m，密度值較低，一般在2.3～2.5 g/cm3，中子孔隙度高，基本處于30%～40%，電阻率高，一般為 6.0～10.0 Ω·m；與頁巖、油頁巖相比，泥巖的電阻率較低，一般為1.0～1.5 Ω·m。鹽湖背景下烴源巖的類型復(fù)雜，含膏泥巖、灰質(zhì)（云質(zhì)）泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖等巖性區(qū)間范圍大。巖性特征隨不同巖石礦物含量的差異發(fā)生明顯變化，如含膏泥巖隨著石膏含量增加，含膏泥巖的自然伽馬值降低，聲波時(shí)差也隨之降低，電阻率增大，而隨泥質(zhì)增多則相反。

根據(jù)以上建立的電性圖版和測(cè)井信息，油頁巖、頁巖與泥巖相比具有高自然伽馬、高電阻率、高聲波時(shí)差的電性特征。隨著灰質(zhì)含量的增加，泥巖或頁巖往往表現(xiàn)出聲波時(shí)差減小、密度和電阻率均增大的特征。如濮6-65井灰質(zhì)頁巖、灰質(zhì)泥巖、含膏泥巖、粉砂質(zhì)泥巖及云質(zhì)（灰質(zhì)）泥巖相比于純泥巖，自然伽馬小，聲波時(shí)差略小。

1.3 建立巖相和有機(jī)相關(guān)系

利用測(cè)井信息評(píng)價(jià)烴源巖，主要依據(jù)為富含有機(jī)質(zhì)的泥巖、頁巖與其他類型巖石在物理性質(zhì)上存在較大的差異。優(yōu)質(zhì)烴源巖由于有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)高、粒細(xì)、比表面積大、有機(jī)質(zhì)密度低、結(jié)構(gòu)疏松，測(cè)井響應(yīng)表現(xiàn)為高自然伽馬、低密度、高聲波時(shí)差、高電阻率等特征［11-14］。

濮深18-1和文248井同處于鹽湖背景下，富含有機(jī)質(zhì)的油頁巖、頁巖（包括灰質(zhì)頁巖）與貧有機(jī)質(zhì)泥巖相比具有“三高一低”的特征，即高自然伽馬、高電阻率、高聲波時(shí)差、低密度值；而膏質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥巖不具備該特征，TOC數(shù)值小于1.0%，屬于貧有機(jī)質(zhì)泥巖類（見表1）。

圖2 不同巖石相電性參數(shù)交會(huì)

表1 鹽湖環(huán)境下巖石學(xué)特征和有機(jī)質(zhì)豐度

本次研究主要采用△log R法［11-15］擬合建立測(cè)井-有機(jī)相模型。東濮凹陷鹽湖環(huán)境下，不同的巖性組合反映有機(jī)質(zhì)豐度不同的變化規(guī)律。衛(wèi)20井沙三中2砂組2 290～2 310 m，由上至下巖性依次為粉砂質(zhì)泥巖、云質(zhì)泥巖、頁巖（泥巖）、鹽巖夾膏質(zhì)泥巖，TOC呈現(xiàn)低—高—低的起伏變化。文248井沙三下3 360～3 400 m，塊狀泥巖中夾砂條的巖性組合中TOC值普遍小于0.5%，△log R曲線接近重合。而在膏鹽發(fā)育的巖性序列中，文248井巖性剖面由上至下依次為頁巖、灰質(zhì)泥巖、膏質(zhì)泥巖、鹽巖，TOC呈現(xiàn)由高到低的變化，△log R相應(yīng)地也由高到低（見圖3）。因此，不同沉積環(huán)境反映不同的巖性組合序列，從而反映不同的有機(jī)質(zhì)豐度，鹽湖背景下巖性組合的優(yōu)質(zhì)烴源巖較發(fā)育。

東濮凹陷南部地區(qū)處于無鹽淡水環(huán)境，多發(fā)育塊狀泥巖，TOC值普遍小于0.5%，沙三中塊狀泥巖TOC多較低。東濮凹陷沙三下8砂組全區(qū)發(fā)育厚泥巖（頁巖）段，南部地區(qū)該砂組優(yōu)質(zhì)烴源巖較發(fā)育。而北部多處于鹽湖環(huán)境，鹽湖環(huán)境下優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育［8］。

2 優(yōu)質(zhì)烴源巖預(yù)測(cè)模型及宏觀展布

2.1 建立測(cè)井-有機(jī)相模型

東濮凹陷不同巖性優(yōu)質(zhì)烴源巖均具有高電阻率、高聲波時(shí)差的測(cè)井響應(yīng)特征，但不同巖性序列中，這種響應(yīng)的強(qiáng)烈程度不同。因此，需要針對(duì)不同地區(qū)，建立不同的測(cè)井TOC預(yù)測(cè)模型，以達(dá)到對(duì)全凹陷烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度合理預(yù)測(cè)的目標(biāo)。

圖3 文248井地化分析樣品校深

根據(jù)需要，將東濮凹陷分為6個(gè)區(qū)帶，并對(duì)不同層系分別建立了測(cè)井巖相-有機(jī)相模型（見表2），利用所建立的20個(gè)模型，對(duì)東濮凹陷不同層系烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度進(jìn)行預(yù)測(cè)，同時(shí)對(duì)其空間展布規(guī)律進(jìn)行了刻畫。

2.2 優(yōu)質(zhì)烴源巖的宏觀展布

隨著構(gòu)造活動(dòng)的差異和沉積演化、沉降中心和沉積中心的遷移，東濮凹陷不同時(shí)期優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育有所差異。沙四時(shí)期，沉降中心和沉積中心都集中在文南地區(qū)，沙四上優(yōu)質(zhì)烴源巖厚值環(huán)鹽分布，沿著鹽巖最厚區(qū)濮深7井向鹽湖邊緣再到無鹽區(qū)，優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度呈薄—厚—薄，豐度呈低—高—低的變化趨勢(shì)；沙四段優(yōu)質(zhì)烴源巖分布范圍大，沉積厚度大（見圖4）。沙三下時(shí)期，北部沉降、沉積中心轉(zhuǎn)移到西洼，新衛(wèi)12井附近既是沉降中心又是沉積中心，優(yōu)質(zhì)烴源巖比較發(fā)育；沙三中早期，由于濮城斷層活動(dòng)，東西兩洼逐漸形成，沉積中心主要集中在濮衛(wèi)、柳屯地區(qū)，所以東西兩洼沉降厚，但是有機(jī)質(zhì)豐度不如沉積中心的高；沙三中晚期，黃河、文東、長(zhǎng)垣斷裂活動(dòng)，兩洼一隆的格局形成，沉積中心向南擴(kuò)大到文留—戶部寨地區(qū)，但鹽湖變成狹長(zhǎng)狀，優(yōu)質(zhì)烴源巖范圍零星化；沙三上時(shí)期，鹽湖范圍縮小，優(yōu)質(zhì)烴源巖面積縮??；沙一段，優(yōu)質(zhì)烴源巖范圍大，但厚度小，多為未成熟。

表2 東濮凹陷測(cè)井評(píng)價(jià)建模公式

圖4 東濮凹陷沙四上優(yōu)質(zhì)烴源巖分布

東濮凹陷各層系優(yōu)質(zhì)烴源巖在平面上主要分布于北部的沉積、沉降中心，表現(xiàn)出環(huán)鹽巖邊部呈帶狀分布的特征，主要受鹽湖沉積環(huán)境和半深水—深水湖相沉積環(huán)境控制，鹽湖邊緣和沉降中心的深水區(qū)是優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的最有利地區(qū)。在縱向上，受湖盆的演變和構(gòu)造活動(dòng)的控制，東濮凹陷沙四上和沙三下優(yōu)質(zhì)烴源巖最為發(fā)育，不但厚度大，而且面積也廣，最厚地區(qū)達(dá)到了400 m左右；沙三中隨沉積成鹽中心的遷移，不同時(shí)期優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育中心存在一定的差異；沙三上受湖盆萎縮的影響，優(yōu)質(zhì)烴源巖呈狹長(zhǎng)的條帶狀，主要分布在東濮凹陷東西2個(gè)洼陷帶內(nèi)。綜合所述，東濮凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖具有明顯的層控、相控特征。

3 優(yōu)質(zhì)烴源巖的層控、相控規(guī)律

3.1 優(yōu)質(zhì)烴源巖主力層系

受沉積控制，東濮優(yōu)質(zhì)源巖主要發(fā)育于湖侵體系域晚期（沙四上）和高位體系域早期（沙三下、沙三中、沙三上底部）。沙四上沉積時(shí)，受蘭聊斷層和杜寨斷層控制，東濮凹陷屬于箕狀寬緩構(gòu)造，鹽巖沉積范圍從北部的戶部寨到南部的文南劉莊，西部胡狀集到東部的前梨園洼陷，因此優(yōu)質(zhì)烴源巖平面分布廣；縱向上鹽間優(yōu)質(zhì)烴源巖主要分布在沙四上1和沙四上2砂組內(nèi)。沙三下亞段在沙四上地層發(fā)育基礎(chǔ)上，由于衛(wèi)西—文西斷裂系和馬寨斷層的發(fā)育，鹽巖沉積中心由東部轉(zhuǎn)移到西部洼陷帶，并保留了沙四段部分鹽湖環(huán)境，因此平面上優(yōu)質(zhì)烴源巖分布范圍大。由于處于東濮凹陷最大湖泛面發(fā)育期，該時(shí)期形成的一層以泥巖為主的低沉積速率細(xì)粒沉積層稱為凝縮層，其有機(jī)質(zhì)豐度、生排烴能力及規(guī)模明顯優(yōu)于其他層段生油巖［16-17］，優(yōu)質(zhì)烴源巖比較發(fā)育。沙三中之后，東濮凹陷各二級(jí)斷層陸續(xù)發(fā)育，形成“兩洼一隆”的構(gòu)造格局，因此烴源巖面積逐漸縮小，優(yōu)質(zhì)烴源巖也主要發(fā)育在洼陷和沉積中心附近。因此，東濮凹陷沙四上和沙三下為優(yōu)質(zhì)烴源巖的主力層系。

3.2 優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育規(guī)律

為了揭示含鹽巖井段優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育規(guī)律，選取沙三上鹽間段濮深18-1井3 258～3 294 m連續(xù)巖心，進(jìn)行密集取樣測(cè)試和準(zhǔn)層序旋回分析。根據(jù)巖心描述、薄片鑒定、X射線衍射及掃描電鏡分析，柳屯洼陷沙三上亞段鹽間主要由碎屑泥質(zhì)巖、碳酸鹽巖和蒸發(fā)鹽巖組成［18］，取心段縱向上發(fā)育灰質(zhì)頁巖—含膏泥巖—鹽巖或者灰質(zhì)頁巖（油頁巖）—云質(zhì)泥巖（白云巖）—含膏泥巖共4套水退鹽韻律段，反映湖水濃縮和從機(jī)械的碎屑沉積向化學(xué)沉積轉(zhuǎn)變的過程。烴源巖TOC值隨巖性不同由高到低呈現(xiàn)4次起伏變化規(guī)律。這種不完整或者完整的鹽韻律變化，主要受鹽湖湖水成分、濃度以及氣候等因素的影響。不同礦物溶解度的差異，控制鹽盆蒸發(fā)濃縮過程中鹽類沉淀順序，形成不同的鹽韻律。

準(zhǔn)層序早期，湖水相對(duì)較深，湖盆中心主要沉積富含懸浮黏土和有機(jī)質(zhì)的油頁巖或泥巖，此時(shí)，仍可能有陸源碎屑物質(zhì)的供給,因此易形成碳酸鹽巖與暗色泥巖互層，泥巖中一般灰質(zhì)含量高。該時(shí)期容易產(chǎn)生頁巖、油頁巖或者灰質(zhì)頁巖等優(yōu)質(zhì)烴源巖。準(zhǔn)層序中期，氣候轉(zhuǎn)向干旱，鹽湖湖水濃縮變淺，物源和有機(jī)物供給減少，硫酸鹽還原反應(yīng)減弱，湖水中硫酸根離子質(zhì)量濃度增加，鹽湖水類型轉(zhuǎn)變?yōu)榱蛩徕c型。這時(shí)首先沉淀石膏礦物，進(jìn)一步脫水形成硬石膏。該時(shí)期主要形成塊狀膏質(zhì)泥巖等硫酸鹽類，有機(jī)質(zhì)豐度低，優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育較少。準(zhǔn)層序晚期，湖水強(qiáng)烈濃縮，從而導(dǎo)致溶解度最高的氯化鈉沉淀，形成石鹽。

如柳屯地區(qū)沙三上鹽間頁巖有機(jī)質(zhì)豐度平均2.04%，最大4.43%；有機(jī)質(zhì)類型好，以I和Ⅱ1型為主，屬于優(yōu)質(zhì)烴源巖。同理，沙四上鹽巖韻律呈現(xiàn)同樣規(guī)律。前參2井，縱向上巖心剖面發(fā)育灰質(zhì)頁巖（頁巖）—含膏泥巖—鹽巖或者泥巖（云質(zhì)）—含膏泥巖（云質(zhì)泥巖），相應(yīng)地，烴源巖TOC值呈由高到低的變化規(guī)律。因此，優(yōu)質(zhì)烴源巖主要發(fā)育在準(zhǔn)層序的水退序列早期或者水進(jìn)系列的末期。

3.3 優(yōu)質(zhì)烴源巖環(huán)湖分布

縱向上優(yōu)質(zhì)烴源巖與鹽巖往往呈互層分布，造成平面上優(yōu)質(zhì)烴源巖圍繞鹽湖沉積中心分布。衛(wèi)330—新衛(wèi)12—衛(wèi)79-8—濮6-65井東西向剖面（見圖5）揭示，處于深湖—半深湖鹽湖環(huán)境的衛(wèi)330井和新衛(wèi)12井優(yōu)質(zhì)烴源巖與鹽巖互層分布，向東距離鹽湖較遠(yuǎn)的衛(wèi)79-8、濮6-65井處于淺湖相的扇三角洲前緣相，優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育程度差。因此，優(yōu)質(zhì)烴源巖受沉積相控制，平面主要分布在深湖—半深湖相的泥（頁）巖中，而遠(yuǎn)離鹽湖的淺水環(huán)境中形成的烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度往往都較低，最終形成東濮凹陷環(huán)鹽湖周邊和沉積沉降中心附近等區(qū)域優(yōu)質(zhì)烴源巖較發(fā)育的規(guī)律性特征。

3.4 優(yōu)質(zhì)烴源巖主要發(fā)育在鹽湖邊界

胡122和前參2井處于沙四上鹽湖中心附近，鹽湖中心由于鹽巖發(fā)育，烴源巖厚度較鹽湖邊緣薄，從而優(yōu)質(zhì)烴源巖在該處是低值區(qū)，鹽湖中心向邊部逐漸過渡到無鹽環(huán)境?？v向上全鹽型剖面—鹽巖+優(yōu)質(zhì)烴源巖過渡型剖面—無鹽型剖面的鹽巖分布規(guī)律，導(dǎo)致平面上優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度由薄—厚—薄，優(yōu)質(zhì)烴源巖主要分布在鹽巖和泥頁巖互層的過渡型剖面類型中。

4 結(jié)論

1）東濮凹陷發(fā)育多種巖性的烴源巖，其中優(yōu)質(zhì)烴源巖主要為頁巖和油頁巖，具有高自然伽馬、高電阻率、高聲波時(shí)差的電性特征。

2）受沉積相帶的控制，東濮凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖在平面上環(huán)鹽分布，自鹽湖沉積中心向無鹽區(qū)具有薄—厚—薄的發(fā)育特征，在層系上以沙四上和沙三下最為發(fā)育。

3）受沉積體系域的控制，準(zhǔn)層序水退序列早期，水體平靜，低等水生生物較為繁盛，多沉積形成頁巖和油頁巖，是東濮凹陷優(yōu)質(zhì)烴源主要發(fā)育時(shí)期。