瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖地球化學(xué)特征和生烴潛力評(píng)價(jià)

李金帥，李賢慶，王元，王剛，徐新德，劉海鈺

1.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100083；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京 100083；3.中海石油(中國)有限公司湛江分公司，廣東湛江 524057

隨著油氣勘探技術(shù)的進(jìn)步和能源需求的增長，深水盆地已成為國內(nèi)外近幾十年來勘探的重點(diǎn)區(qū)域[1-3]。瓊東南盆地深水區(qū)的勘探自2010年底在淺層首次鉆獲陵水22-1天然氣藏以來，已陸續(xù)在中央峽谷體系發(fā)現(xiàn)了陵水17-2、陵水25-1和陵水18-1等多個(gè)氣田，顯示該區(qū)域油氣勘探的巨大潛力[4-5]。烴源巖評(píng)價(jià)對(duì)深水盆地油氣勘探的戰(zhàn)略選區(qū)與目標(biāo)決策至關(guān)重要。瓊東南盆地主力烴源巖為崖城組，是由一套海陸過渡相沉積的煤夾層、炭質(zhì)泥巖和泥巖組成的烴源巖組合，厚482.6～910.0 m，已揭示的鉆井崖城組普遍含煤，但煤層單層厚度較小，累積厚度通常小于6 m，主要發(fā)育于盆地邊緣緩坡及盆地內(nèi)部低凸起周緣地區(qū)[6-7]。有關(guān)瓊東南盆地其他層位烴源巖的研究已做過一些。劉傳聯(lián)[8]研究認(rèn)為瓊東南盆地崖城組和陵水組有機(jī)質(zhì)豐度較高，但是受到沉積環(huán)境控制，表現(xiàn)出較強(qiáng)的非均質(zhì)性。王元等[9]分析認(rèn)為瓊東南盆地中新統(tǒng)有機(jī)質(zhì)豐度總體較低，梅山組TOC值在0.36%～2.97%之間，均值為0.76%，三亞組TOC值在0.53%～2.86%之間，均值為0.72%，大部分烴源巖按照有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為中等烴源巖?？傮w上看，對(duì)瓊東南盆地深水區(qū)中新統(tǒng)烴源巖的生烴潛力研究還比較有限。

中新統(tǒng)雖然有機(jī)質(zhì)熱演化程度相對(duì)較低，但仍能生成生物氣和低成熟氣或部分成熟氣，為中新統(tǒng)構(gòu)造圈閉和大量低位砂體圈閉提供油氣，并具有良好的資源潛力[10-11]。因此，在深入研究漸新統(tǒng)烴源巖的同時(shí)，對(duì)于中新統(tǒng)烴源巖的研究亦尤為重要。對(duì)瓊東南盆地深水區(qū)不同類型烴源巖對(duì)比研究也較少。

本文通過對(duì)瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖地球化學(xué)特征的分析，對(duì)各個(gè)層位烴源巖生烴潛力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)，為瓊東南盆地深水區(qū)進(jìn)一步油氣勘探提供了依據(jù)。

1 地質(zhì)概況

瓊東南盆地是一個(gè)新生代大陸邊緣拉張盆地，經(jīng)歷了裂陷和裂后兩大構(gòu)造演化階段，具有明顯的“下斷上坳”的雙層構(gòu)造格架[12-16]。盆地位于南海西北大陸邊緣上，是一個(gè)北東走向的伸展裂陷帶，具有“南北分帶、東西分塊”的構(gòu)造特點(diǎn)。瓊東南盆地主要包括北部坳陷帶、中央坳陷帶和南部隆起3個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元[17-18]。深水區(qū)主要位于中央坳陷帶和南部隆起，水深300～3 000 m，自西向東主要由樂東凹陷、陵水凹陷、北礁凹陷、松南凹陷、寶島凹陷、長昌凹陷和陵南低凸起、松南低凸起組成(圖1)。

盆地的層序序列由古近系到第四系，從下往上依次為始新統(tǒng)、漸新統(tǒng)的崖城組和陵水組、中新統(tǒng)的三亞組、梅山組、黃流組和上新統(tǒng)的鶯歌海組以及第四系[19]，主要發(fā)育2套烴源巖——漸新統(tǒng)裂陷晚期海陸過渡相烴源巖和中新統(tǒng)坳陷期海相烴源巖[20]。早漸新世時(shí)期海平面升高發(fā)生海侵作用，沉積充填了海陸過渡相及半封閉淺海相地層崖城組，為盆地的重要烴源巖層；晚漸新世至早中新世時(shí)期海侵?jǐn)U大，高等植物輸入減少，沉積填充由崖城組海陸過渡相演化為陵水組海相-半深海相，為較好烴源巖層；中新世海相烴源巖層梅山組和三亞組，以半深海-深海相泥巖及砂巖為主(圖2)。

圖1 瓊東南盆地構(gòu)造帶劃分及采樣點(diǎn)位置圖

2 樣品與實(shí)驗(yàn)方法

研究樣品采自瓊東南盆地深水區(qū)不同構(gòu)造單元的9口鉆井(圖1)，共計(jì)87個(gè)泥巖樣品，采樣層位為梅山組、三亞組、陵水組和崖城組。根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，按照國標(biāo)對(duì)所有樣品進(jìn)行集中處理并進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)[21-23]。其中，總有機(jī)碳含量測(cè)試依據(jù)GB/T 19145—2003標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)儀器為美國力克公司CS-230碳硫測(cè)定儀，測(cè)試條件為常溫常壓；熱解測(cè)試依據(jù)GB/T 18602—2012標(biāo)準(zhǔn)，檢測(cè)儀器為OGE-Ⅱ巖石熱解儀，測(cè)試條件為溫度20℃、濕度40%；鏡質(zhì)體反射率的測(cè)定依據(jù)SY/T 5154—2012標(biāo)準(zhǔn)，使用儀器為DMLP MSP200鏡質(zhì)體反射率測(cè)定儀，測(cè)試條件為溫度23℃、濕度50%；顯微組分采用LEICA DMRXP偏光顯微鏡、MPV-3型顯微鏡分光光度計(jì)，在全巖光片上運(yùn)用反射光和熒光方式進(jìn)行鑒定分析和特征觀察。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)豐度是指單位質(zhì)量的烴源巖中有機(jī)質(zhì)的百分含量，它是衡量和評(píng)價(jià)烴源巖生烴潛力的重要指標(biāo)。最常用的有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)以有機(jī)碳含量(TOC)和熱解生烴潛量(PG=S1+S2)為主[24-25]。

瓊東南盆地深水區(qū)中新統(tǒng)烴源巖樣品有機(jī)質(zhì)豐度三亞組優(yōu)于梅山組，漸新統(tǒng)烴源巖樣品有機(jī)質(zhì)豐度崖城組優(yōu)于陵水組(圖3)。梅山組烴源巖樣品TOC值分布在0.36%～1.94%之間，平均值為0.78%；三亞組烴源巖樣品TOC值分布在0.25%～1.84%之間，平均值為0.99%。梅山組和三亞組分別有45%和29%樣品TOC值在0.60%以下，有20%和50%樣品TOC值在1.0%以上。陵水組烴源巖樣品TOC值分布在0.30%～1.84%之間，平均值為0.91%，有41%樣品TOC值在0.60%以下，有41%樣品TOC值在1.0%以上；崖城組烴源巖樣品TOC值分布在0.25%～2.43%之間，平均值為1.37%，有10%樣品TOC值在0.60%以下，有71%樣品TOC值在1.0%以上。

瓊東南盆地?zé)N源巖生烴潛量PG值均較低。其中，梅山組烴源巖樣品生烴潛量PG值分布在0.12～3.81 mg/g，平均值1.77 mg/g；三亞組烴源巖樣品生烴潛量PG值分布在0.1～5.8 mg/g，平均值2.19 mg/g；梅山組和三亞組分別有21%和31%樣品PG值在0.50 mg/g以下。陵水組烴源巖樣品PG值分布在0.03～4.05 mg/g，平均值1.33 mg/g，有58%的樣品PG值在0.50 mg/g以下；崖城組烴源巖樣品分布在2.46～8.76 mg/g，平均值5.24 mg/g。

選取典型井對(duì)各層位烴源巖進(jìn)行有機(jī)質(zhì)豐度研究。如圖4所示，梅山組、三亞組和陵水組烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度相差不大，而崖城組明顯優(yōu)于其他各組。單井分析與統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖崖城組有機(jī)質(zhì)豐度最高，三亞組略優(yōu)于陵水組，梅山組有機(jī)質(zhì)豐度最低。

圖3 瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖有機(jī)碳含量分布頻率圖

圖4 瓊東南盆地深水區(qū)L33-1井烴源巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)剖面圖

3.2 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型是烴源巖質(zhì)量優(yōu)劣的直接反映，不同類型的有機(jī)質(zhì)具有不同的生烴潛力，且生成的烴類產(chǎn)物也不同。鄔立言等[26]在系統(tǒng)分析了大量烴源巖樣品熱解資料后，提出了利用降解率(D)、氫指數(shù)(IH)與最高熱解峰溫(Tmax)的關(guān)系圖來劃分烴源巖有機(jī)質(zhì)類型的方法。

根據(jù)熱解降解率D與最高熱解峰溫Tmax關(guān)系，對(duì)瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)類型進(jìn)行了判別。由圖5(a)可以看出，瓊東南盆地梅山組和三亞組烴源巖樣品Tmax主要集中于430 ℃～450 ℃之間，降解率D大多小于20%，有機(jī)質(zhì)類型以 Ⅱ2型和Ⅲ型為主，個(gè)別樣品為Ⅱ1型；陵水組烴源巖Tmax主要集中于440 ℃～460 ℃之間，降解率D主要在10%以下，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型和 Ⅱ2型有機(jī)質(zhì)為主；崖城組烴源巖Tmax主要集中于440 ℃～470 ℃之間，降解率D處于20%以下，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型和Ⅱ2型為主。

氫指數(shù)IH與最高熱解峰溫Tmax的關(guān)系如圖3(b)所示，瓊東南盆地各層位烴源巖的氫指數(shù)IH相對(duì)較低，大部分集中在300 mg/g以下，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅲ型和Ⅱ2型。

圖5 瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖D、Tmax及IH關(guān)系

根據(jù)全巖中各種顯微組分的相對(duì)百分含量，也可判別烴源巖有機(jī)質(zhì)類型[27-28]。當(dāng)腐泥組中不包含礦物瀝青基質(zhì)時(shí)，以腐泥組、鏡質(zhì)組+惰性組和殼質(zhì)組為三個(gè)端元，繪制瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖顯微組分組成三角圖(圖6)。不難看出，各層位烴源巖顯微組分組成總體相似，集中偏向分布于“鏡質(zhì)組+惰性組”端元，反映出其有機(jī)質(zhì)類型以腐殖型(Ⅲ型)為主，少量混合型(Ⅱ型)。

圖6 瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖顯微組分組成三角圖

3.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

有機(jī)質(zhì)成熟作用是烴源巖生烴演化的前提，烴類生成是有機(jī)質(zhì)成熟作用的產(chǎn)物。鏡質(zhì)組反射率Ro是迄今國際公認(rèn)的、唯一可對(duì)比的有機(jī)質(zhì)熱演化指標(biāo)，也是人們最為關(guān)注的有機(jī)質(zhì)成熟度指標(biāo)。從瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖鏡質(zhì)組反射率Ro分布頻率圖(圖7)來看，梅山組烴源巖樣品Ro值分布在0.46%～0.86%之間，均值為0.61%，82%樣品Ro值在0.50%以上；三亞組烴源巖樣品Ro值分布在0.46%～0.91%之間，均值為0.63%，90%樣品Ro值在0.50%以上；陵水組烴源巖樣品Ro值分布在0.56%～0.97%之間，均值為0.74%，53%樣品Ro值在0.70%以上；崖城組烴源巖樣品Ro值分布在0.67%～1.22%之間，均值為0.87%，有87%樣品Ro值在0.70%以上。

瓊東南盆地深水區(qū)凹陷中心鉆井很少，應(yīng)用盆地模擬方法對(duì)盆地進(jìn)行了熱演化研究[29-30]，認(rèn)為凹陷中心主要烴源巖成熟度處于高-過成熟階段，凹陷中心烴源巖成熟度要高于凹陷邊緣。

圖7 瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖鏡質(zhì)組反射率Ro分布頻率

由瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖鏡質(zhì)組反射率Ro隨深度變化圖(圖8)可以明顯看出，瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度處于未成熟—高成熟階段(Ro為0.46%～1.22%)；烴源巖成熟度隨埋藏深度增大依次增加。除梅山組外，不同層位埋深相同的，成熟度便相同或者相近。

圖8 瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖鏡質(zhì)組反射率Ro隨深度變化

4 不同層位烴源巖生烴潛力評(píng)價(jià)及對(duì)比

4.1 生烴潛力評(píng)價(jià)

有機(jī)質(zhì)豐度是評(píng)價(jià)烴源巖生烴能力的重要參數(shù)之一?？傆袡C(jī)碳含量(TOC)和熱解生烴潛量(PG)是評(píng)價(jià)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度的主要指標(biāo)。采用黃保家等[31]提出的烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度分級(jí)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度進(jìn)行評(píng)價(jià)(圖9)。結(jié)果表明，各層位烴源巖等級(jí)有所差異，其中崖城組最好，陵水組和三亞組次之，梅山組較差，陵水組和三亞組烴源巖等級(jí)跨度大，表現(xiàn)較強(qiáng)非均質(zhì)性。梅山組主要為中等烴源巖，有85%的樣品落在中等烴源巖的范圍內(nèi)，其次為非—差烴源巖；三亞組主要為中等—好烴源巖，中等烴源巖占61%，好烴源巖占23%，個(gè)別樣品落于非—差烴源巖范圍內(nèi)；陵水組主要為中等烴源巖，中等烴源巖占58%，差烴源巖占25%，個(gè)別樣品落于非烴源巖和好烴源巖范圍內(nèi)；崖城組主要為中等—好烴源巖，中等烴源巖和好烴源巖各占50%。

圖9 瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)

有機(jī)質(zhì)類型是評(píng)價(jià)烴源巖質(zhì)量的主要指標(biāo)，類型的差異會(huì)影響烴源巖有機(jī)質(zhì)的生烴潛力和烴類產(chǎn)物的差別。通過熱解降解率D與最高熱解峰溫Tmax、氫指數(shù)IH與最高熱解峰溫Tmax關(guān)系圖(圖5)以及顯微組分組成特征(圖6)分析，瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)類型大體一致?？傮w上，梅山組和三亞組烴源巖均以Ⅱ2型和Ⅲ型為主，陵水組和崖城組烴源巖則以Ⅲ型為主、部分Ⅱ2型，烴源巖以產(chǎn)氣為主。

從有機(jī)質(zhì)到油氣需要經(jīng)過一系列的變化，這種變化過程主要受控于有機(jī)質(zhì)的熱演化程度。通過對(duì)鏡質(zhì)組反射率Ro的測(cè)定分析，瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖成熟度以崖城組最高(Ro均值達(dá)0.87%)，陵水組烴源巖次之(Ro均值達(dá)0.74%)，崖城組、陵水組主要處于成熟階段，部分低成熟；梅山組(Ro均值達(dá)0.61%)和三亞組(Ro均值達(dá)0.63%)烴源巖成熟度較低，主要處于低成熟階段，部分未成熟。

4.2 生烴潛力對(duì)比

根據(jù)烴源巖有機(jī)碳測(cè)定、熱解參數(shù)及有機(jī)巖石學(xué)特征，從烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度、類型、成熟度出發(fā)結(jié)合烴源巖厚度，分別對(duì)瓊東南盆地深水區(qū)不同層位烴源巖進(jìn)行生烴潛力綜合評(píng)價(jià)(表1、圖10)。

梅山組有機(jī)質(zhì)豐度在各個(gè)層系中最低，有機(jī)質(zhì)類型以 Ⅱ2型和Ⅲ型為主，有機(jī)質(zhì)成熟度主要處于低成熟—成熟階段，生烴潛力一般。烴源巖等級(jí)主要為中等—差烴源巖(85%)，少量好烴源巖(15%)。

三亞組有機(jī)質(zhì)豐度相對(duì)較高，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ2型和Ⅲ型為主，有機(jī)質(zhì)成熟度主要處于低成熟-成熟階段，具較好的生烴潛力。烴源巖等級(jí)主要為中等—好烴源巖(82%)，少量差烴源巖(18%)。

表1 瓊東南盆地深水區(qū)不同層位烴源巖生烴潛力綜合評(píng)價(jià)

陵水組有機(jī)質(zhì)豐度一般，有機(jī)質(zhì)類型Ⅲ型為主，部分Ⅱ2型，有機(jī)質(zhì)成熟度處于低成熟—成熟階段，具一定的生烴潛力。烴源巖等級(jí)主要為中等—差烴源巖(80%)，部分好烴源巖(20%)。

崖城組有機(jī)質(zhì)豐度較高，有機(jī)質(zhì)類型Ⅲ型為主，部分Ⅱ2型，有機(jī)質(zhì)成熟度主要處于成熟—高成熟階段，生烴潛力最好。烴源巖等級(jí)主要為好烴源巖(67%)，部分中等烴源巖(33%)。

深水區(qū)生烴潛力最強(qiáng)烴源巖與淺水區(qū)相同，依然為崖城組烴源巖。淺水區(qū)有機(jī)碳TOC含量梅山組與三亞組烴源巖分別為0.52%和0.57%，陵水組和崖城組分別為0.71%和0.94%，各層位烴源巖有機(jī)碳TOC含量較深水區(qū)小0.2%以上，深水區(qū)表現(xiàn)出更強(qiáng)的生烴潛力。另外，成熟度差異明顯，淺水區(qū)生氣閾值(Ro=1.3%)為4 300～4 800 m；深水區(qū)生烴閾值淺很多，生氣閾值為3 000～3 500 m。總體上，瓊東南盆地深水區(qū)展現(xiàn)出更大的油氣勘探潛力。

5 結(jié) 論

(1) 瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度以崖城組最高，三亞組優(yōu)于陵水組，梅山組最低；有機(jī)質(zhì)成熟度中新統(tǒng)主要處于低成熟階段，部分未成熟，漸新統(tǒng)主要處于成熟階段；有機(jī)質(zhì)類型中新統(tǒng)以Ⅱ2型和Ⅲ型為主，漸新統(tǒng)以Ⅲ型為主，部分Ⅱ2型。

(2) 綜合評(píng)價(jià)表明，瓊東南盆地深水區(qū)烴源巖生烴潛力以崖城組最好，為中等—好烴源巖；陵水組和三亞組次之，為中等烴源巖，生烴潛力相對(duì)較好；梅山組為中等—差烴源巖，生烴潛力最差。