遼西凹陷沙四段烴源巖特征及生烴潛力

湯國民, 王德英, 王飛龍, 王清斌, 王富民

(中海石油(中國)有限公司 天津分公司 勘探開發(fā)研究院，天津 300452)

渤海灣盆地是一個以古生界為基底的中生代-新生代疊合盆地，形成于中生代，發(fā)展于古近紀(jì)。古近系沙河街組(Es)烴源巖是渤海灣盆地最為重要的烴源巖，其中沙河街組第三段(簡稱“沙三段”)和第一段(簡稱“沙一段”)烴源巖占主導(dǎo)地位[1-3]。而沙河街組第四段(簡稱“沙四段”)烴源巖分布相對分散，雖然并非渤海灣盆地主力烴源巖，但是局部地區(qū)其生烴潛力也不容忽視。大民屯凹陷在沙四段沉積時(shí)期經(jīng)歷大規(guī)模湖侵，發(fā)育多套暗色泥頁巖層，是凹陷內(nèi)最重要的烴源巖層，并且是遼河油田頁巖油勘探的重要對象[4]；廊固凹陷沙四段屬于高鹽度咸水-半咸水強(qiáng)還原環(huán)境形成的烴源巖[5]，牛坨鎮(zhèn)凸起周邊地區(qū)的原油和曹家務(wù)地區(qū)、固安地區(qū)的天然氣以及別古莊地區(qū)奧陶系潛山氣藏都是主要來源于沙四段烴源巖貢獻(xiàn)[6-7]。從前人研究結(jié)果來看，濟(jì)陽拗陷沙四段發(fā)育最為廣泛，東營凹陷、沾化凹陷和車鎮(zhèn)凹陷廣泛發(fā)育咸化湖盆背景下的沙四段烴源巖，伴隨厚層膏巖沉積[8]，其中沾車地區(qū)沙四段湖湘碳酸鹽儲層油氣[9-10]、牛莊洼陷南斜坡油田[11]、東營北帶豐深1井區(qū)凝析油氣[12]、渤南洼陷沙四上亞段深部碎屑巖儲集層油氣，目前已證實(shí)主要來源于沙四段烴源巖的貢獻(xiàn)[13-15]；而對于渤海海域地區(qū)，目前對沙四段的研究較少，從現(xiàn)有的研究來看，沙四段分布零散，主要局限于萊州灣凹陷、青東凹陷、廟西凹陷和遼東帶南端等地區(qū)[16]，在青東凹陷和萊州灣凹陷已經(jīng)證實(shí)了沙四段烴源巖的貢獻(xiàn)[17-18]，尤其2016年在萊州灣南部緩坡帶發(fā)現(xiàn)墾利16-1大中型高硫油田，沙四段是其主要的烴源巖[19]，沙四段烴源巖正式作為重要的勘探烴源巖層系。

遼西凹陷位于渤海海域西北部，屬于典型的邊緣凹陷，勘探程度普遍較低，研究也相對較少，普遍認(rèn)為沙三段和沙一段是主力烴源巖層位[20-22]，沙四段烴源巖生烴潛力尚不明確。近兩年才有2口探井鉆遇沙四段，主要為灰色泥巖，烴源巖品質(zhì)雖然較好，但鉆井油氣顯示卻相對較差，因此，非常有必要弄清遼西凹陷沙四段烴源巖的資源潛力，為打開遼西凹陷勘探奠定基礎(chǔ)。

1 研究區(qū)概況

遼東灣拗陷位于渤海海域東北部，是下遼河裂谷盆地向渤海海域的自然延伸，呈北東向長條狀展布，為渤海灣盆地的Ⅰ級構(gòu)造單元，具有“三凹兩凸”的構(gòu)造形態(tài)，自西向東分別是：遼西凹陷、遼西凸起、遼中凹陷、遼東凸起和遼東凹陷[20-22]。遼西凹陷位于遼東灣拗陷的最西部，東臨遼西凸起，西靠燕山褶皺帶(是遼西凹陷沉積物的主要來源)，北接遼河西部凹陷，南連渤中凹陷，面積約為3 830 km2，為新生界發(fā)育而成的斷陷湖盆；凹陷內(nèi)部根據(jù)地理分布，自北向南可進(jìn)一步細(xì)分為北洼、中洼和南洼3個次級洼陷(圖1)。

圖1 遼東灣拗陷位置及構(gòu)造單元劃分Fig.1 Tectonic framework and location of Liaodong Bay

從目前鉆探情況來看，整個凹陷新生界自下而上揭示11套地層，古近系包括：沙四段(Es4)、沙三段(Es3)、沙二段(Es2)、沙一段(Es1)、東三段(Ed3)、東二下段(Ed2L)、東二上段(Ed2U)和東一段(Ed1)，新近系包括：館陶組(Ng)、明化鎮(zhèn)組，第四紀(jì)平原組(Qp)。圍繞遼西凹陷已發(fā)現(xiàn)多個油田，但普遍認(rèn)為主要來源于沙一段和沙三段烴源巖[20-22]。由于對沙四段的研究較少，造成資源潛力評價(jià)不高，因此，本文將在2口已鉆井烴源巖數(shù)據(jù)詳細(xì)分析的基礎(chǔ)之上，結(jié)合地震數(shù)據(jù)和盆地模擬手段重新評價(jià)遼西凹陷沙四段烴源巖生烴潛力。

2 沙四段烴源巖特征

目前遼西凹陷鉆遇沙四段的井僅有JZ25-A井和SZ29-B井，鉆遇沙四段厚度分別為250 m和345 m。其中JZ25-A井揭示沙四段巖性以淺灰色泥巖為主，泥巖厚度占鉆遇地層的88%，屬于三角洲前緣亞相；SZ29-B井揭示沙四段巖性為灰色泥巖，泥巖厚度占鉆遇地層的68%，其中夾有5 m厚的碳質(zhì)泥巖，屬于三角洲前緣亞相。利用這2口井現(xiàn)有數(shù)據(jù)對遼西凹陷沙四段烴源巖分布、古環(huán)境及地球化學(xué)特征進(jìn)行系統(tǒng)研究。

2.1 沉積與地層分布特征

基于現(xiàn)有地震資料和單井相分析，恢復(fù)了遼西凹陷沙四段地層厚度和沉積相(圖2、圖3)。結(jié)果顯示，遼西凹陷中洼沉積厚度最大，最大厚度可達(dá)1.6 km；緊鄰凹陷邊緣，是整個沙四段的沉積中心；靠近凹陷邊緣位置發(fā)育大型辮狀河三角洲，接受大量陸源輸入；向東北方向主要發(fā)育半深湖-深湖相沉積，是中洼烴源巖發(fā)育的主要區(qū)域。向北洼方向，湖盆相對變淺，沉積厚度相對減小，最大沉積厚度為800 m；由于走滑斷裂的分割作用，辮狀河三角洲主要位于洼陷西部邊緣，距離洼陷中心相對較遠(yuǎn)，規(guī)模較小，陸源輸入對北洼影響相對較弱。南洼受東西兩側(cè)凸起夾持，整個湖盆面積較小，洼陷沉積中心位置處于洼陷南部，沉積水體相對較淺，主要為半深水沉積環(huán)境，洼陷中心最大沉積厚度可達(dá)800 m；但西側(cè)發(fā)育大型辮狀河三角洲沉積，受陸源輸入影響較大；而南洼北部洼陷為濱淺湖-半深湖沉積，雖然沉積厚度不大(0～400 m)，但是遠(yuǎn)離陸源輸入，在四周凸起的環(huán)圍之下，水體整體處于相對穩(wěn)定的環(huán)境，有利于泥巖沉積和保存，可能發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖(圖3)。

圖2 遼西凹陷沙四段等厚圖Fig.2 Isopach map of the Es4 in Liaoxi Depression

圖3 遼西凹陷沙四段沉積相圖Fig.3 The sedimentary facies of Es4 in Liaoxi Depression

2.2 古環(huán)境特征

有利的沉積環(huán)境是優(yōu)質(zhì)烴源巖形成的必要條件，一般來說沉積巖中的痕量元素對古環(huán)境的判識具有重要的指示意義。通常Sr/Cu質(zhì)量分?jǐn)?shù)比值(wSr/wCu)是古氣候判識的重要指標(biāo)，比值在1～5時(shí)反映溫濕氣候環(huán)境，大于5時(shí)反映干熱的氣候環(huán)境[23]。判斷古水體鹽度的指標(biāo)有很多，其中Sr含量可以定性判別沉積介質(zhì)的古鹽度，Sr質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wSr)為(800～1 000)×10-6時(shí)指示咸水沉積環(huán)境，為(100～300)×10-6時(shí)指示淡水沉積環(huán)境[24]。生標(biāo)參數(shù)常用伽馬蠟烷和姥植比來反映水體環(huán)境，伽馬蠟烷是形成水體分層的重要標(biāo)志，而高伽馬蠟烷常常用來反映高鹽度的水體環(huán)境。姥植比既可用來判斷水體鹽度，也可分析氧化-還原環(huán)境，一般來說姥植比小于0.8說明水體屬于典型的缺氧環(huán)境，也指示高鹽沉積水體；當(dāng)姥植比大于2時(shí)指示典型的氧化型沉積環(huán)境[25]。

基于上述理論，從遼西凹陷已鉆井的烴源巖生標(biāo)參數(shù)和元素特征來看：①遼西凹陷中-北洼沙四段烴源巖wSr/wCu為11～16，說明沙四沉積時(shí)期整體處于典型的干熱氣候(圖4-D)；②中-北洼沙四段烴源巖wSr為(360～530)×10-6，伽馬蠟烷/C30藿烷為0.04～0.05，姥植比為0.7～1.07(圖4-C、D)，指示中-北洼沙四段沉積時(shí)期水體為微咸水、弱氧化-還原沉積環(huán)境，該地區(qū)烴源巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wTOC)高達(dá)2.5%～4.8%(圖4-A、B)；③中洼沙四段烴源巖伽馬蠟烷/C30-藿烷為0.14～0.16，姥植比為1.05～1.18(圖4-C、D)，指示中洼沙四段沉積時(shí)期為微咸水、弱氧化-弱還原沉積環(huán)境，該地區(qū)烴源巖wTOC為0.18%～0.22%(圖4-A、B)。由此看出，中洼和中-北洼沉積環(huán)境相似，但是烴源巖品質(zhì)差異巨大，說明遼西洼陷沙四段沉積時(shí)期，沉積環(huán)境對優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成影響較小。

圖4 遼西凹陷沙四段烴源巖生標(biāo)參數(shù)及元素特征Fig.4 Characteristics of biomarkers and elements of Es4 source rock in Liaoxi Depression

2.3 地球化學(xué)特征

遼西中洼在沉積中心位置沉積厚度最大，揭示的沙四段烴源巖生標(biāo)參數(shù)表現(xiàn)為Ts/Tm<1、中等伽馬蠟烷、低4-甲基甾烷、低重排甾烷的特征(圖5-B)。由于其緊鄰凹陷邊緣，受陸源輸入影響較大，具有C29甾烷明顯高于C27甾烷的特征，說明有機(jī)質(zhì)主要來源于高等植物，藻類豐度較低，烴源巖沉積有機(jī)質(zhì)以陸源貢獻(xiàn)為主(圖6)，形成有機(jī)質(zhì)類型主要為II2干酪根(圖7-C)，烴源巖豐度也受到巨大影響，其wTOC平均值在1%左右，生烴潛量(wS1+S2)平均值在3‰左右(圖7-A、B)。由中洼向北洼方向，烴源巖生標(biāo)參數(shù)主要表現(xiàn)為Ts/Tm>1、低等伽馬蠟烷、中-低4-甲基甾烷、高重排甾烷的特征(圖5-A)，熱演化程度高于中洼。由于北洼受到走滑斷裂的分割作用，物源遠(yuǎn)離洼陷中心，水體相對安靜，陸源輸入相對降低，具有C29甾烷明顯低于C27甾烷的特征(圖5-A)，說明烴源巖沉積有機(jī)質(zhì)主要來自水生藻類貢獻(xiàn)(圖6)，高等植物貢獻(xiàn)相對較弱，有機(jī)質(zhì)類型優(yōu)于中洼，主要為Ⅱ1型干酪根(圖7-C)，具有較高的烴源巖豐度，wTOC平均值高達(dá)4%，生烴潛量平均值高達(dá)23‰(圖7-A、B)，為典型的優(yōu)質(zhì)烴源巖。

圖5 遼西凹陷沙四段烴源巖飽和烴質(zhì)量色譜Fig.5 Mass chromatograms of the saturated hydrocarbon for Es4 source rock in Liaoxi Depression

圖6 遼西凹陷沙四段烴源巖藻類豐度與TOC之間關(guān)系Fig.6 The relationship between algal abundance and TOC of the Es4 source rock in Liaoxi Depression 藻類豐度=(nC15+nC17+nC19)/(nC27+nC29+nC31)，其中nC15、nC17、nC19主要來源于低等藻類，nC27、nC29、nC31主要來自高等植物，用二者比值反映藻類的相對豐度[25]

從實(shí)測Ro來看，中洼和北洼鉆遇的沙四段烴源巖成熟度主要在0.55%～0.75%，屬于低熟-中等成熟階段，實(shí)測值中-北洼烴源巖成熟度略高于中洼(圖7-D)。

由于南洼沒有探井揭示沙四段，結(jié)合沉積特征分析，南洼南部與中洼沉積中心特征相似，都受陸源輸入影響較大，不利于形成高豐度優(yōu)質(zhì)烴源巖；而南洼北部，四周由凸起環(huán)繞，遠(yuǎn)離陸源輸入，沉積水體相對安靜，推測可能發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖。

通過上述分析，認(rèn)為遼西凹陷沙四段沉積時(shí)期主要為干熱氣候、微咸水、弱氧化-還原沉積環(huán)境，這種沉積環(huán)境是沙四段形成優(yōu)質(zhì)烴源巖的必要條件。而要形成高豐度烴源巖，水生藻類的豐度則是關(guān)鍵因素。北-中洼受郯廬斷裂分割作用的影響，遠(yuǎn)離陸源輸入的影響，具有較高的藻類豐度，是整個遼西凹陷高豐度烴源巖發(fā)育最有利區(qū)域，生排烴能力較強(qiáng)。而陸源輸入不利于形成高豐度優(yōu)質(zhì)烴源巖，中洼沉積中心緊鄰大型辮狀河三角洲，烴源巖含陸源高等植物較多，品質(zhì)普遍為中等。對于南洼來說，其南部發(fā)育大型辮狀河三角洲，延伸至洼陷中心，受陸源輸入影響較大，沙四段不易形成高豐度優(yōu)質(zhì)烴源巖，而其北部遠(yuǎn)離陸源輸入，可能發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖；但是，北部洼陷面積較小，烴源巖范圍和厚度都不會太大，其生排烴能力可能有限。

3 生烴潛力分析

一般認(rèn)為wS1+S2/wTOC值的降低意味著烴源巖已達(dá)到排烴門限并開始排出烴類，并以其拐點(diǎn)確定為排烴門限深度[26]。從圖6-D和圖8-A可以看出遼西凹陷沙四段烴源巖大約在2.5 km左右深度成熟度達(dá)到0.5%，進(jìn)入生烴門限；大約在2.8 km深度進(jìn)入排烴門限(圖8-B)。

圖7 遼西凹陷沙四段烴源巖地球化學(xué)特征Fig.7 Geochemical characteristics of the Es4 source rock in Liaoxi Depression

基于上述綜合分析，結(jié)合Trinity盆地模擬軟件，選取JZ25-A井和SZ29-B井沙四段烴源巖地球化學(xué)參數(shù)和熱史數(shù)據(jù)作為標(biāo)定數(shù)據(jù)，以沙四段底界面深度重新恢復(fù)其烴源巖成熟度Ro特征。結(jié)果顯示，遼西凹陷3個次級洼陷沙四段烴源巖成熟度都已超過0.5%(圖9-A)，進(jìn)入生烴門限。對于凹陷中心位置采用虛擬井恢復(fù)沙四段烴源巖熱演化特征，中洼沙四段烴源巖埋藏最深、厚度最大，大約40 Ma B.P.沙四段烴源巖成熟度就已達(dá)到0.7%(圖9-B)，進(jìn)入排烴門限。在平面展布特征上，3個次級洼陷中心位置沙四段烴源巖現(xiàn)今成熟度普遍都超過0.9%(圖9)，進(jìn)入生排烴高峰，具有較強(qiáng)的生烴潛力。

圖8 遼西凹陷沙四段烴源巖生排烴特征Fig.8 Characteristics of hydrocarbon generation and expulsion of Es4 source rock in Liaoxi Depression

圖9 遼西凹陷沙四段烴源巖成熟度特征及埋藏史Fig.9 Maturity characteristics and burial history of Es4 source rock in Liaoxi Depression (A)成熟度等值線圖; (B)虛擬井熱演化史

4 結(jié) 論

a.遼西凹陷沙四段沉積時(shí)期發(fā)育多種沉積相類型，主要包括深湖相、半深湖相、濱淺湖相、扇三角洲相和辮狀河三角洲相等。中洼是沙四段的沉積中心，沉積厚度最大，約為1.6 km；北洼和南洼沉積厚度相對較薄，厚度最大為800 m。凹陷水體相對安靜的半深湖-深湖相是烴源巖發(fā)育的主要位置。

b.遼西凹陷沙四段沉積時(shí)期整體處于干熱、微咸水、弱氧化-還原沉積環(huán)境，而陸源有機(jī)質(zhì)的輸入控制了優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成和分布。中洼北部-北洼陸源輸入較少，以藻類生源為主，發(fā)育了Ⅱ1型高豐度優(yōu)質(zhì)烴源巖；中洼南部緊鄰物源，受陸源輸入影響較大,有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ2型為主，烴源巖豐度相對較差，為一般烴源巖。南洼由于未有鉆井揭示，結(jié)合地震-沉積特征分析認(rèn)為，南洼南部受陸源輸入影響較大，且烴源巖沉積范圍較小，推測烴源巖品質(zhì)較差；而洼陷北部由凸起遮擋，水體相對安靜，推測可能發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖，但規(guī)模不大。

c.遼西凹陷沙四段排烴門限深度為2.8 km，結(jié)合盆地模擬恢復(fù)了各洼陷烴源巖熱演化程度，都已經(jīng)超過0.7%，進(jìn)入生烴高峰階段。由于中-北洼沙四段烴源巖豐度高、類型好，且都已進(jìn)入生烴高峰，因此是下一步遼西凹陷圍繞沙四段烴源巖勘探的有利區(qū)域。