東濮凹陷咸化湖盆優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育特征及意義

張洪安，徐田武，張?jiān)偏I(xiàn)

（1.中國(guó)石化中原油田分公司，河南 濮陽 457001；2.中國(guó)石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南 鄭州 450018）

東濮凹陷咸化湖盆優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育特征及意義

張洪安1，徐田武2，張?jiān)偏I(xiàn)2

（1.中國(guó)石化中原油田分公司，河南 濮陽 457001；2.中國(guó)石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南 鄭州 450018）

采用巖石學(xué)及地球化學(xué)方法測(cè)試分析東濮凹陷咸化湖盆烴源巖，確定了咸化湖盆頁巖及油頁巖為優(yōu)質(zhì)烴源巖。其具有兩層結(jié)構(gòu)，主要由富含有機(jī)質(zhì)的紋層和夾有黃鐵礦的鈣質(zhì)紋層構(gòu)成；生物標(biāo)志化合物普遍具有奧利烷豐度低，伽馬蠟烷豐度高，而C27，C30甾烷相對(duì)豐富，姥鮫烷與植烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比（Pr/Ph）低等特征，反映出強(qiáng)還原咸水沉積環(huán)境，有機(jī)質(zhì)主要來自于水生生物。高生產(chǎn)力及鹽水分層造成的強(qiáng)還原環(huán)境是造成東濮凹陷咸化湖盆優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成與發(fā)育的主要原因。富集生烴灶將是效益勘探形勢(shì)下的重點(diǎn)研究方向。

咸化湖盆；優(yōu)質(zhì)烴源巖；頁巖；紋層結(jié)構(gòu)；東濮凹陷

0 引言

隨著勘探程度的逐漸深入，越來越多的研究表明，陸相含油氣盆地油氣富集程度的高低與優(yōu)質(zhì)烴源巖具有密切關(guān)系［1-4］，國(guó)內(nèi)眾多陸相盆地優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育與沉積時(shí)期湖盆咸化存在一定的關(guān)系［5-8］。例如：松遼盆地青一段和嫩一段是公認(rèn)的主力烴源巖，近十多年的研究表明它們的沉積與海侵作用有關(guān)，可能是咸化湖盆缺氧環(huán)境的產(chǎn)物［5］。渤海灣盆地的東營(yíng)凹陷，以前認(rèn)為古近系沙河街組厚達(dá)1 000～1 500 m的暗色泥巖都為其有效烴源巖，而近十年來的研究表明，對(duì)油氣藏真正有貢獻(xiàn)的主要為沙四段上部烴源巖和沙三段下部咸化湖盆環(huán)境下的烴源巖，控制了東營(yíng)凹陷多個(gè)億噸級(jí)大油田的形成［6］。鄂爾多斯盆地三疊系原先被認(rèn)為是大型淡水湖泊沉積，其中延長(zhǎng)組的延二和延三段是烴源巖集中段，也是咸化湖盆環(huán)境的沉積［7］。“堿湖優(yōu)質(zhì)烴源巖”也屬于鹽湖的一種［8］，美國(guó)的綠河頁巖、泌陽凹陷的核桃園組［9］及準(zhǔn)噶爾盆地下二疊統(tǒng)風(fēng)城組均為堿湖優(yōu)質(zhì)烴源巖［8］，也屬于咸化湖盆環(huán)境下的優(yōu)質(zhì)烴源巖。2016年，中國(guó)石化在銀額盆地拐子湖洼陷拐參1井高產(chǎn)油氣流的突破，主力烴源巖也被認(rèn)定為與咸化環(huán)境有關(guān)。我國(guó)中新生代陸相盆地眾多凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖均與咸化湖盆有關(guān)，如渤海灣盆地內(nèi)的渤南凹陷［10］、東濮凹陷［11］和江漢盆地、柴達(dá)木盆地等均表現(xiàn)出相應(yīng)特征。

本文通過解剖東濮凹陷咸化湖盆優(yōu)質(zhì)烴源巖，明確其巖性發(fā)育特征及地球化學(xué)特征，探討其形成機(jī)理與油氣藏的關(guān)系，為油氣資源預(yù)測(cè)及油氣勘探戰(zhàn)略選區(qū)提供科學(xué)依據(jù)。

1 咸化湖盆優(yōu)質(zhì)烴源巖宏觀特征

優(yōu)質(zhì)烴源巖指有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好、對(duì)油氣成藏有較大貢獻(xiàn)的烴源巖。其厚度不大，卻往往具有較高的生烴潛力和排烴強(qiáng)度。優(yōu)質(zhì)烴源巖中常常見到微細(xì)的層理或紋理構(gòu)造［12-16］。頁巖油氣研究的蓬勃發(fā)展，引發(fā)了石油地質(zhì)學(xué)和石油工程學(xué)革命性的進(jìn)步，對(duì)世界石油工業(yè)的發(fā)展方向產(chǎn)生了重要影響［17］。人們逐漸意識(shí)到，含油氣盆地中厚度不大的優(yōu)質(zhì)烴源巖可能對(duì)含油氣盆地的油氣富集起主導(dǎo)性作用。

1.1 優(yōu)質(zhì)烴源巖的豐度

東濮凹陷經(jīng)過近40 a的勘探，積累了大量實(shí)測(cè)巖樣總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）的數(shù)據(jù)。之前，依據(jù)測(cè)試結(jié)果分析認(rèn)為，東濮凹陷咸化湖盆內(nèi)不發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖，而是以低豐度烴源巖為主，并且認(rèn)為它是油氣來源的主要貢獻(xiàn)者。

對(duì)東濮凹陷6 328個(gè)古近系烴源巖樣品統(tǒng)計(jì)表明：TOC小于0.4%的樣品占總樣品的47.0%，0.4%～1.0%的樣品占 33.0%，1.0%～2.0%的樣品占 13.3%，2.0%及以上的優(yōu)質(zhì)烴源巖僅占6.7%（見圖1）。優(yōu)質(zhì)烴源巖樣品占比低，且近80.0%的烴源巖TOC小于1.0%，是導(dǎo)致前人認(rèn)為東濮凹陷缺乏優(yōu)質(zhì)烴源巖的最直接證據(jù)。分析其主要原因是，采樣位置主要位于油氣儲(chǔ)層顯示段附近，且采用大平均法分析烴源巖的TOC，掩蓋了部分優(yōu)質(zhì)烴源巖。

圖1 東濮凹陷古近系TOC實(shí)測(cè)分布

東濮凹陷北部含鹽區(qū)面積僅為1 602 km2，探明油氣當(dāng)量近5×108t，是一個(gè)典型的小而肥的含油氣構(gòu)造帶。如果沒有優(yōu)質(zhì)烴源巖對(duì)成藏的貢獻(xiàn)作用，難以形成如此儲(chǔ)量豐度。因此，有必要對(duì)東濮凹陷咸化湖盆烴源巖是否優(yōu)質(zhì)進(jìn)行重新厘定及確認(rèn)。

在詳細(xì)觀察取心井巖心的基礎(chǔ)上，對(duì)咸化湖盆內(nèi)單井連續(xù)密集取樣測(cè)試。通過對(duì)文260、文248、衛(wèi)18-5等長(zhǎng)井段取心井巖性與TOC分析數(shù)據(jù)的對(duì)比，發(fā)現(xiàn)東濮凹陷咸化湖盆環(huán)境下存在優(yōu)質(zhì)烴源巖，主要為頁理較為發(fā)育的頁巖及油頁巖（見圖2）。

圖2 文248井沙三段烴源巖縱向分布特征

這些頁巖及油頁巖僅占地層主體厚度的5%～15%，可能是導(dǎo)致東濮凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖難以發(fā)現(xiàn)的一個(gè)重要原因。另外，咸化湖盆烴源巖縱向上具有強(qiáng)非均質(zhì)性，取樣位置主要位于油氣顯示段附近，暗色泥巖發(fā)育程度差，也是導(dǎo)致烴源巖豐度整體偏低的重要原因。

對(duì)110口井頁巖段發(fā)育段的TOC測(cè)試分析均表明，頁巖及油頁巖發(fā)育段TOC明顯高于泥巖發(fā)育段（見圖2），生烴潛力（S1+S2）具有相似的特征。衛(wèi)18-5等井大量測(cè)試分析表明，高豐度烴源巖的發(fā)育與巖性具有較強(qiáng)的相關(guān)性（見表1）。

表1 衛(wèi)18-5井烴源巖巖性與TOC關(guān)系特征

1.2 優(yōu)質(zhì)烴源巖的巖性

東濮凹陷咸化湖盆內(nèi)富含有機(jī)質(zhì)的頁巖、油頁巖普遍具有頁理發(fā)育特征，肉眼觀察以富含有機(jī)質(zhì)的紋層和夾有黃鐵礦的鈣質(zhì)紋層互層為主。

在滴鹽酸的情況下，夾有黃鐵礦的鈣質(zhì)紋層先可見大量微小氣泡產(chǎn)生，主要為鈣質(zhì)紋層上白色碳酸鈣顆粒點(diǎn)與鹽酸反應(yīng)生成CO2的結(jié)果。隨著氣泡的逐漸消失，酸液逐漸由無色變成淺綠色狀，其主要是黃鐵礦與鹽酸的反應(yīng)生成淺綠色FeCl2的結(jié)果，其反應(yīng)式為FeS2+2HCl=FeCl2+H2S↑+S↓。

在顯微鏡透射光下，有機(jī)紋層為檸檬黃色、黃褐色，結(jié)構(gòu)和形態(tài)清晰；在反射藍(lán)光激發(fā)下發(fā)強(qiáng)的熒光，呈連續(xù)紋層狀，每層厚度10～50 μm?，F(xiàn)場(chǎng)取心發(fā)現(xiàn)，新鮮的頁巖、油頁巖斷面呈弱油脂光澤，細(xì)膩滑潤(rùn)，有機(jī)質(zhì)紋層能燃燒，有少量黑煙冒出，并具有一定的刺鼻瀝青味。新鮮巖樣放置于水中，可見氣泡劇烈溢出。

2 咸化湖盆優(yōu)質(zhì)烴源巖地球化學(xué)特征

對(duì)東濮凹陷古近系沙河街組41口井123塊頁巖及紋層泥巖綜合分析，發(fā)現(xiàn)頁巖樣品有機(jī)質(zhì)類型多屬于Ⅱ1型或Ⅰ型，無定形體和藻質(zhì)體含量豐富，干酪根成分中腐泥組占優(yōu)勢(shì)。其中，由水生低等藻類群體降解形成的無定形體介于70%～95%，鏡下主要呈絮狀、云霧狀或團(tuán)塊狀（見圖3），陸源高等植物碎屑成分含量少。古生物分析表明，東濮凹陷的頁巖層內(nèi)富含溝鞭藻化石，縱向上其與咸化湖盆環(huán)境下的鹽膏層呈間互發(fā)育的特點(diǎn)。大量研究資料表明，富含溝鞭藻的干酪根是東濮凹陷最佳生油母質(zhì)［11］，地質(zhì)歷史中的藻類勃發(fā)是優(yōu)質(zhì)有機(jī)質(zhì)富集的一種重要方式［18］。

圖3 東濮凹陷頁巖干酪根鏡檢

頁巖及油頁巖烴源巖飽和烴氣相色譜圖呈正態(tài)分布，主峰碳在C19—C22，反映有機(jī)質(zhì)以水生生物來源為主，部分混有高等植物來源。CPI值為0.9～1.1，呈成熟狀態(tài)；Pr/Ph在0.25～0.35，Ph占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)，反映出強(qiáng)還原環(huán)境。

東濮凹陷頁巖飽和烴m/z 191和m/z 217質(zhì)量色譜圖的特征表現(xiàn)為：伽馬蠟烷發(fā)育，伽馬蠟烷/C30藿烷值0.5～1.2；奧利烷/C30藿烷值0.07～0.15，奧利烷豐度相對(duì)較低，反映陸源物質(zhì)輸入相對(duì)較少（見圖4a）；甾烷分布仍以ααα-20R構(gòu)型的C27甾烷和C29甾烷為主，C28甾烷豐度相對(duì)較低，C27，C28及C29甾烷呈不對(duì)稱“V”字型或部分“L”型分布，C27甾烷豐度大于 C29甾烷；C30甲基甾烷豐度一般，C30甲基甾烷/C29甾烷在0.4～0.6（見圖 4b）。

圖4 東濮凹陷衛(wèi)18-5井頁巖質(zhì)量色譜圖

頁巖飽和烴m/z 231質(zhì)量色譜圖所顯示的甲基甾烷同系物的分布形態(tài)（見圖5），主要表現(xiàn)為C30甲基甾烷較為豐富，而C29甲基甾烷的豐度相對(duì)較低。在C30甲基甾烷分布中，以4α-甲基、24-乙基C30甾烷豐度最高，甲藻甾烷與3β-甲基、24-乙基C30甾烷的相對(duì)豐度低于 4α-甲基、24-乙基 C30甾烷。

圖5 東濮凹陷衛(wèi)18-5頁巖m/z 231質(zhì)量色譜圖

通過上述分析可知，東濮凹陷咸化湖盆內(nèi)頁巖的干酪根類型好。生物標(biāo)志化合物中伽馬蠟烷豐度高，Pr/Ph低，反映強(qiáng)還原咸水沉積環(huán)境；奧利烷豐度低，而C27，C30甾烷相對(duì)豐富，反映有機(jī)質(zhì)主要來自于水生生物，陸源輸入相對(duì)少的特征。

3 咸化湖盆優(yōu)質(zhì)烴源巖形成與發(fā)育

3.1 高生產(chǎn)力

地化分析及巖性分析表明，東濮凹陷咸化湖盆內(nèi)頁巖及油頁巖為優(yōu)質(zhì)烴源巖，紋層結(jié)構(gòu)發(fā)育（由富含有機(jī)質(zhì)的紋層和夾有黃鐵礦的鈣質(zhì)紋層構(gòu)成）。富含有機(jī)質(zhì)紋層與藻類勃發(fā)有著密切的關(guān)系［18］。古生物分析表明，東濮凹陷有機(jī)質(zhì)紋層富含溝鞭藻，當(dāng)季節(jié)性回水將水體底層豐富的營(yíng)養(yǎng)元素?cái)y入表層光合作用帶，在咸化湖盆環(huán)境下就容易造成溝鞭藻類勃發(fā)。

隨著季節(jié)變化，氣候由溫暖到寒冷，溝鞭藻從繁盛到死亡，高鹽度水體中易于保存，形成有機(jī)質(zhì)紋層。咸水藻類主要為溝鞭藻和顆石藻，具有較高的古生產(chǎn)力，為 1 114～4 102 kg/（m2·a）。 由于藻類勃發(fā)消耗大量的水中氧氣，以及藻類的生物作用在水體中產(chǎn)生大量的CO2，CO2溶于水形成碳酸， 碳酸和水中的 Ca2+，Mg2+等金屬離子，形成碳酸鹽類，最終形成夾有黃鐵礦等成分的鈣質(zhì)紋層。

3.2 強(qiáng)還原環(huán)境

陸殼上的大型坳陷盆地或裂谷、拉張盆地內(nèi)，由于鹽巖的存在，在咸湖水表層和底層的含鹽度也有所不同，一般表層鹽度低，底層鹽度高，湖水具有化學(xué)分層的特征。若湖水分層一旦形成，上下水層之間的混合交換就會(huì)停止，底層水區(qū)就會(huì)形成封閉的缺氧環(huán)境，這將有利于有機(jī)質(zhì)的保存與轉(zhuǎn)化［18］。咸水湖泊水體的分層現(xiàn)象，從東濮凹陷高豐度的頁巖及油頁巖中的高伽馬蠟烷豐度可以得到證實(shí)，因?yàn)楦哔ゑR蠟烷指示了具有鹽躍層的分層水體環(huán)境標(biāo)志［19-29］。

同時(shí)，東濮古湖泊屬亞熱帶湖泊，水體不但具有鹽度分層，也具有季節(jié)分層變化的特征，在頁巖及油頁巖中，紋層結(jié)構(gòu)十分發(fā)育。正是由于上述分層作用造成的強(qiáng)還原環(huán)境，使得藻類死亡之后，易在鹽度較大的湖底得以保存，造成“年輪狀”紋層結(jié)構(gòu)發(fā)育及高豐度有機(jī)質(zhì)的富集。

4 咸化湖盆優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)現(xiàn)意義

巖性、地化特征等分析表明，咸化湖盆中優(yōu)質(zhì)烴源巖主要為頁巖及油頁巖，其普遍具有有機(jī)紋層發(fā)育、伽馬蠟烷豐度高、4-甲基C30甾烷豐度高、藻類豐富、生產(chǎn)力高等特征，具備較強(qiáng)的生油能力。油源對(duì)比結(jié)果也表明，優(yōu)質(zhì)烴源巖是油氣來源的主要貢獻(xiàn)者?！笆濉币詠?，在東濮凹陷北部咸化湖盆優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育區(qū)取得了較好的勘探成果。

5 結(jié)論

1）東濮凹陷咸化湖盆頁巖及油頁巖為優(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；生物標(biāo)志化合物反映為強(qiáng)還原咸水沉積環(huán)境，有機(jī)質(zhì)主要來自于水生生物，陸源輸入相對(duì)較少。

2）高生產(chǎn)力及湖水鹽度差異的化學(xué)分層造成的強(qiáng)還原環(huán)境，是東濮凹陷咸化湖盆優(yōu)質(zhì)烴源巖形成、發(fā)育的主要原因。

3）頁巖、油頁巖與油氣的富集具有較強(qiáng)的相關(guān)性，確定了頁巖及油頁巖生烴灶為勘探方向，取得了較好的勘探效果。

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（編輯 王淑玉）

Development characteristics and significance of high quality source rocks of salty lake in Dongpu Depression

ZHANG Hong′an1,XU Tianwu2,ZHANG Yunxian2
(1.Zhongyuan Oilfield Company,SINOPEC,Puyang 457001,China;2.Research Institute of Exploration and Development,Zhongyuan Oilfield Company,SINOPEC,Zhengzhou 450018,China)

Analyzing the source rocks of the salty lake basin in Dongpu Depression by petrological and geochemical methods,the shale and oil shale of the salty lake basin were identified as high quality hydrocarbon source rocks.The source rocks have a twostory structure consisting essentially of organic-rich layers and calcareous layers with pyrite;biomarker compounds generally have low valerine mass fraction,high gamma fraction content,and relatively rich C27,C30steranes,low Pr/Ph characteristics,reflecting the strong reduction of salt water deposition environment,organic matter mainly from aquatic organisms.Strong reduction environment caused by high productivity and brine stratification is the main reason for the formation and development of high quality hydrocarbon source rocks in the salty lake basin in Dongpu Depression.Enriching hydrocarbon generation foci will be the focus of the exploration situation under the benefit research direction.

salty lake basin;high quality source rock;shale;lamellar structure;Dongpu Depression.

TE122.1+13

A

國(guó)家科技重大專項(xiàng)課題“東濮凹陷油氣富集規(guī)律與增儲(chǔ)領(lǐng)域”（2016ZX05006-004）

10.6056/dkyqt201704001

2016-11-23；改回日期：2017-04-26。

張洪安，男，1965年生，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槭偷刭|(zhì)與勘探。E-mail：zhangha.zyyt@sinopec.com。

張洪安，徐田武，張?jiān)偏I(xiàn).咸化湖盆優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育特征及意義［J］.斷塊油氣田，2017，24（4）：437-441.

ZHANG Hong′an，XU Tianwu，ZHANG Yunxian.Development characteristics and significance of high quality source rocks of salty lake in Dongpu Depression［J］.Fault-Block Oil&Gas Field，2017，24（4）：437-441.