渤海灣盆地萊州灣凹陷沙河街組第三、第四段烴源巖有機相特征

楊海風, 涂 翔, 趙弟江, 張丙亮, 王雪蓮, 王 波

(1.中海石油(中國)有限公司 天津分公司，天津 300459；2.中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術分公司，天津300452)

圖1 研究區(qū)位置及構造分區(qū)Fig.1 Location and tectonic division of the study area

自1989年以來，渤海灣盆地萊州灣凹陷南部地區(qū)共鉆探井24口，探明含油層位有明化鎮(zhèn)組下段、館陶組、東營組二下段、沙河街組第三段(簡稱“沙三段”)、沙河街組第四段(簡稱“沙四段”)及中生界。勘探實踐證實，萊州灣南部地區(qū)油氣成藏條件優(yōu)越，先后發(fā)現(xiàn)了KL10-2、KL11-1、KL11-2等多個含油氣構造(圖1)。盡管以往勘探成效較為顯著，但由于萊州灣南部地區(qū)遠離北部主生烴洼陷，加之邊緣小洼陷發(fā)育，導致該區(qū)烴源巖研究較為滯后，優(yōu)質烴源巖發(fā)育特征及生烴潛力研究依舊較為薄弱，制約了該區(qū)油氣勘探成效的進一步擴大。

有機相可用于評價烴源巖發(fā)育特征，其類似于沉積相，不受時間和巖石地層單位的限制[1]。沉積相是沉積物的生成環(huán)境、生成條件和其特征的總和，其側重點主要為巖相和生物相。有機相則被定義為有機質質量分數(shù)、有機質類型、有機地球化學特征和沉積環(huán)境的綜合[2-3]，它主要強調巖石的有機組成[1,4]。有機相研究需要以大量樣品的地球化學分析測試數(shù)據(jù)和沉積相分析為前提，是對烴源巖形成環(huán)境、保存狀態(tài)、生烴演化等進行綜合評價的方法。本次研究以烴源巖實測地化資料及沉積相分析為基礎，建立研究區(qū)沉積相與鉆井有機相之間的對應關系，進而劃分、預測沙河街組有機相，評估研究區(qū)烴源巖品質和展布規(guī)律，以期為油氣勘探提供信息。

1 區(qū)域地質概況

渤海灣盆地位于華北板塊東部，面積約為2×104km2，是疊置于華北克拉通上的多旋回斷陷盆地。受區(qū)域性走滑拉分應力場影響，渤海灣盆地整體呈菱形，盆地內以陸源湖相沉積為主[5-6]。萊州灣凹陷是發(fā)育在中生代基底上的新生代凹陷[6]，位于渤海灣盆地南部，隸屬濟陽拗陷東部，南部為濰北凸起，北部為萊北低凸起，東西邊界為郯廬走滑帶西支和東支[7-9]，總面積約為 1 780 km2。萊州灣凹陷主要發(fā)育東部走滑帶、南部緩坡帶、南洼、北部陡坡帶、北洼和中央隆起構造帶等次級構造單元[6](圖1)。地層自下而上依次為中生界、沙河街組、東營組、館陶組、明化鎮(zhèn)組及平原組。沙河街組可分為沙一段、沙二段、沙三段和沙四段[7]，其中，沙三段和沙四段又分別細分為上、中、下3個亞段，本文對沙河街組的研究主要集中與沙三段和沙四上亞段。

研究區(qū)沙四上亞段主要為褐色泥巖或含灰泥巖、灰綠色泥巖、白色石膏層和白色灰質泥巖，含有少量黃色或灰色砂巖，地層厚度0～200 m。沙四上亞段沉積時，萊州灣凹陷氣候較為干燥，耐旱植物繁盛[10]，沉積湖盆水體較深，部分為還原狀態(tài)。沉積地層受古地貌環(huán)境影響，南部、北部地層的巖性存在較大差異[11]。沙三下亞段巖性多變，含有淺灰色硅質或凝灰質砂巖、灰色泥質灰?guī)r、黃色砂巖或白云質砂巖、灰色或灰褐色泥巖等，地層厚度30～100 m。沙三中亞段主要為褐色、深灰色、灰色泥巖夾黃色、灰色砂巖，地層厚度50～700 m。沙三上亞段巖性主要為灰色、灰綠色泥巖和淺灰色、黃色砂巖，含少量白色灰質泥巖和黑色碳質泥巖，地層厚度0～300 m。沙三段沉積時期，萊州灣凹陷氣候濕潤、降雨充沛，水體較深，主要為還原環(huán)境，水介質條件主要為淡水，區(qū)內高等植物繁茂，地層有機碳含量較高且多為陸源有機質[12]。其中，沙三下亞段沉積時雖基本處于溫暖濕潤的氣候條件下，但也經(jīng)歷了相對干旱的氣候[13]。萊州灣凹陷受區(qū)域性的走滑拉分應力場影響明顯[6,14-17]，郯廬走滑帶直接影響了該區(qū)的構造運動、火山活動、沉積作用和烴源巖的演化[5,18-19]。前人研究表明[7,9]，萊州灣凹陷在沙三和沙四時期受構造運動影響強烈，凹陷中主要洼陷帶的位置發(fā)生了較大的變化。沙四上亞段沉積時期，萊州灣凹陷中的洼陷主要分為南部洼陷帶和北部洼陷帶，且面積較大；沙三下亞段沉積時期，南部洼陷帶隨著南部斜坡帶的整體抬升而萎縮，北部洼陷帶則隨著萊北低凸起東段緩坡帶的擴大而增加[7]。這種構造遷移對該地區(qū)地層的巖性和厚度都產(chǎn)生了較大的影響[16,20-22]。

2 有機相劃分

2.1 有機相的劃分標準

前人提出了多種有機相的劃分方案，其中被廣泛認可的是R.W.Jones[23]的劃分方法，該方法根據(jù)干酪根中AOM(無定型有機質)的含量及熒光強度、干酪根中所含的生物類型、巖石熱解參數(shù)——氫指數(shù)(IH)、有機質類型、總有機碳的質量分數(shù)(wTOC)、氧化-還原性和沉積速率等，將有機相劃分為A、AB、B、BC、C、CD和D共7種類型[23](表1)。本文主要是利用氫指數(shù)、有機質類型、總有機碳質量分數(shù)和氧化-還原性將研究區(qū)有機相分為以下6種類型：

(1)AB型。氫指數(shù)(H的質量分數(shù))為650‰～850‰，有機質類型為Ⅰ-Ⅱ型，總有機碳質量分數(shù)為3%～10%或更高，巖石主要為褐色-褐灰色灰質泥巖，沉積于持續(xù)缺氧環(huán)境中。

(2)B型。氫指數(shù)為400‰～650‰，有機質以Ⅱ型為主，總有機碳質量分數(shù)為3%～10%或更高，巖石主要為褐色含灰泥巖、深灰色-灰色泥巖，巖層中可能出現(xiàn)黃色-淺灰色粉砂巖、砂礫巖夾層，說明巖層沉積時水體環(huán)境總體為缺氧環(huán)境，但是缺氧環(huán)境存在波動，有富氧沉積物輸入。

(3)BC型。氫指數(shù)為250‰～400‰，有機質以Ⅱ-Ⅲ 型為主，總有機碳質量分數(shù)為3%左右，巖石以灰色泥巖為主，夾黃色-灰色細砂巖、含礫細砂巖，巖層沉積于與B型大體相當或水體略淺環(huán)境。

(4)C型。氫指數(shù)為125‰～250‰，有機質以 Ⅲ 型為主，總有機碳質量分數(shù)≤3%，巖石以灰色、綠灰色和紅褐色泥巖為主，夾黃色-淺灰色粉砂、細砂巖，巖層沉積于弱還原-弱氧化環(huán)境。

(5)CD型。氫指數(shù)為50‰～125‰，有機質為 Ⅲ-Ⅳ型，總有機碳質量分數(shù)<0.5%，巖石以灰色泥巖為主，夾少量黃色粉砂、細砂巖，沉積環(huán)境與C類大體相當，研究區(qū)CD型有機相分布較少。

表1 有機相類型劃分[23]Table 1 Classification of organic facies

(6)D型。氫指數(shù)≤50‰，有機質以 Ⅳ 型為主，總有機碳質量分數(shù)<0.5%，巖石以黃色和灰色細砂巖為主，沉積環(huán)境為氧化-弱還原性。

2.2 烴源巖有機相特征

有機相可以綜合反映有機質含量、有機質類型、沉積環(huán)境等因素的影響，烴源巖有機相主要依據(jù)有機質含量和氫指數(shù)，并綜合干酪根特征和巖性特征進行劃分。通過聯(lián)合單井剖面繪制連井剖面圖，可以更好地分析有機相空間變化特征，分別選取井1-井3、井11-井13-井16-井18-井19繪制連井剖面(圖2、圖3)。

井1、井3位于萊州灣凹陷中部，從地層和巖性特征看來，凹陷中部沙四-沙三亞段地層總厚度>1 km。沙四上亞段沉積時期研究區(qū)水體較淺，主要發(fā)育泥巖、含灰泥巖和石膏層，沙三下亞段缺失；沙三中亞段沉積時期斷陷湖盆下沉速度變快，水體變深，發(fā)育一套巨厚的褐色泥巖。從剖面中有機相特征看來，沙三中亞段與沙四上亞段的有機相以AB相和B相為主，AB、B、BC、C相交替出現(xiàn)，反映出沉積環(huán)境不斷交替、變化(圖2)。

井11-井19位于萊州灣凹陷南部的邊緣地帶，靠近濰北凸起。該連井剖面中有機相類型以D型和BC型有機相為主，B型和C型有機相次之，CD相最少。其中，沙三中亞段與沙四上亞段的有機相類型多為B相和BC相(圖3)，明顯不同于凹陷中部。從地層和巖性特征來看，凹陷邊緣地層厚度較小，地層總厚度在500 m左右，且大量發(fā)育泥巖與砂巖互層。

圖2 井1、井3有機相連井對比圖Fig.2 Correlation of organic facies through Well 1 to Well 3

由圖2、圖3可以看出，無論是沙三段還是沙四上亞段，凹陷南部邊緣的有機相都明顯不同于凹陷中部，其對應的烴源巖品質亦遜色于中部。凹陷中部有機質含量高、沉積速率慢且多為還原環(huán)境；凹陷南部有機質含量較低、沉積速率快且多為弱還原-氧化環(huán)境。無論是凹陷中部還是南部，均以沙三中亞段有機相對應的烴源巖品質最優(yōu)。

3 沉積環(huán)境對有機相控制作用機理

前人研究認為，湖相烴源巖主要受控于外部條件(有機質產(chǎn)率或有機質沉積速率、氣候、構造演化等)和內部環(huán)境(湖泊水體介質變化、生產(chǎn)力、保存條件)的平衡[24-27]。湖泊水體的生產(chǎn)力和有機質沉積速率直接決定了湖相沉積巖中有機質的總量；區(qū)域性的氣候變化可影響注入湖泊中沉積物的粒度和含量及水生生物的繁盛程度；構造活動的升降決定了湖盆的沉降量，控制了湖盆可容納空間，間接影響了沉積厚度和沉積-水界面的氧化-還原環(huán)境。此外，切入地幔的深大斷裂還可以通過影響巖漿活動而改變地溫梯度，對烴源巖的熱演化具有重要作用[18-19]。

湖泊沉積相與有機相的對應關系較為復雜，因其沉積范圍較小，沉積物來源不穩(wěn)定，易被局部環(huán)境變化影響。以研究區(qū)沙三中亞段和沙四上亞段為例：①沙三中亞段沉積時期因為萊州灣凹陷下沉速度快，盆地有較豐富的沉積物和水供給，氣候以溫暖濕潤為主[26-27]，導致沙三中亞段沉積厚度大，沉積速率快，保存條件好，有機質含量高，盆地整體為還原環(huán)境，巖性以暗色泥巖為主，有機相主要為AB相和B相。②沙四上亞段沉積時期因為萊州灣盆地下沉速度慢，沉積物和水供給較少，氣候以干旱炎熱為主[10,26]，沙四上亞段沉積厚度小，沉積速率慢，保存條件較差，有機質含量較低，盆地整體處于氧化-弱還原環(huán)境，巖性多為膏巖或灰色泥巖，B相和BC相常見(圖4)。

4 有機相與沉積相的對應關系

沉積相是沉積環(huán)境的物質表現(xiàn)，沉積環(huán)境對沉積相和有機相的控制作用相似，有機相和沉積相之間存在一定的對應關系。①沙三上亞段濱湖沉積為BC相，厚度大于100 m； 辮狀河三角洲前緣沉積主要為BC相和C相，厚度300～500 m；扇三角洲前緣沉積多為C相和CD相，厚度200 m左右(圖5-A)。②沙三中亞段的濱湖沉積主要為AB相、B相和BC相，厚度在200～500 m；辮狀河三角洲前緣沉積主要為C相，厚度約500 m(圖5-B)。③沙三下亞段辮狀河三角洲前緣沉積主要為BC相和CD相，厚度60～70 m；濱湖沉積主要為CD相，厚度20 m左右(圖5-C)。④沙四上亞段中濱湖沉積主要為AB相和B相，厚度100～250 m；辮狀河三角洲前緣沉積主要為B相，厚度50～100 m(圖5-D)?？傮w而言，AB-BC型有機相集中于濱湖相，C-CD型有機相集中于辮狀河三角洲前緣相中。

圖4 烴源巖發(fā)育模式圖Fig.4 Development pattern of source rocks

圖5 萊州灣沙河街組沉積相-有機相統(tǒng)計圖Fig.5 Statistics of sedimentary facies and organic facies of Shahejie Formation in Laizhouwan Bay

圖6 萊州灣沙河街組有機相類型平面圖Fig.6 Plane distribution of organic facies of Shahejie Formation in Laizhouwan Bay(A)沙三上亞段; (B)沙三中亞段; (C)沙三下亞段; (D)沙四上亞段

根據(jù)沉積相展布[28-34]、烴源巖地球化學參數(shù)，繪制了研究區(qū)沙四、沙三段有機相平面分布圖(圖6)。有機相和沉積相的對應關系良好，沙三上亞段的深湖-半深湖相主要對應B相，濱淺湖相對應BC相，辮狀河三角洲相和扇三角洲相對應C相(圖6-A)。沙三中亞段的深湖-半深湖相主要對應AB相，濱淺湖相對應B相，辮狀河三角洲相、扇三角洲相和砂質灘壩相等對應C相(圖6-B)。沙三下亞段的深湖-半深湖相主要對應B相，濱淺湖相對應BC相，辮狀河三角洲相、扇三角洲相和砂質灘壩相等對應C相(圖6-C)。沙四上亞段的深湖-半深湖相主要對應AB相，濱淺湖相對應B相，辮狀河三角洲相和扇三角洲相對應BC相，砂質灘壩相和鈣質灘壩相對應C相(圖6-D)。這表明，在沉積環(huán)境相同時，同一套地層內的沉積相與有機相的對應關系是唯一的。

前人評價陸相烴源巖主要依據(jù)有機質豐度、有機質類型和有機質成熟度等[35]與有機相相關的參數(shù)，而且，有機相研究可用來預測油氣源巖、確定生油巖的三維分布、預測各生油層位的排烴期和排出產(chǎn)物的組成等[35]，說明有機相類型和分布特征可用于預測烴源巖特征和分布情況。前人研究認為，A、AB、B型有機相的生油性最好，與其對應的是優(yōu)質的烴源巖；B、BC型有機相生油性好，少量生氣，對應較優(yōu)質的烴源巖；BC、C型有機相既生油又生氣，但生油氣性一般，對應較差的烴源巖；C、CD型有機相可能以生氣為主，對應非烴源巖[34,36]。由有機相類型平面圖(圖6)可知，研究區(qū)沙三中亞段和沙四上亞段中的烴源巖最好，沙三上亞段和沙三下亞段的烴源巖較差；深湖-半深湖相中的烴源巖最好，辮狀河三角洲相和扇三角洲相等沉積相中的烴源巖最差。

5 結 論

本文在沉積相研究的基礎上，結合地球化學測試資料，對萊州灣凹陷南部有機相進行了劃分，建立了沉積相與有機相的對應關系，預測了有機相分布，獲得了以下認識：

a.沙河街組烴源巖在沙三上亞段主要發(fā)育BC相、C相和CD相；沙三中亞段和沙四上亞段以AB相、B相、BC相和C相為主；沙三下亞段BC相和C相發(fā)育。 對烴源巖有利的有機相主要分布于凹陷北部與東部的深湖-半深湖相中。

b.研究區(qū)深湖-半深湖相對應AB相或B相；濱淺湖相以B相或BC相為主；辮狀河三角洲相、扇三角洲相和砂質灘壩相等多為C相。

c.縱向上，研究區(qū)有機相的變化主要與沉積環(huán)境的變化有關；橫向上，凹陷中沉積相與有機相在同一亞段中對應關系良好，沉積相對有機相的控制作用顯著。