東濮凹陷古近系烴源巖特征及其形成環(huán)境分析

劉宣威 ，王學(xué)軍 ，李紅磊 ，張?jiān)偏I(xiàn) ，張文彬 ，黃正

（1.成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，四川 成都 610059；2.中國(guó)石化中原油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南 濮陽(yáng) 457001；3.中國(guó)石化華東石油工程有限公司江蘇鉆井公司，江蘇 揚(yáng)州 224261）

0 引言

東濮凹陷位于渤海灣盆地東南部，東以蘭聊斷裂帶為界與魯西隆起為鄰，西以長(zhǎng)垣斷裂帶為界超覆于內(nèi)黃隆起之上，南隔蘭考凸起與開封坳陷相望，北以馬陵斷層與莘縣凹陷相連。盆地內(nèi)基本缺失侏羅系、白堊系地層，古近系地層直接覆蓋在中、下三疊統(tǒng)及更老的地層之上，是一個(gè)新生代斷陷湖盆，具有“兩洼一隆一斜坡”的構(gòu)造格局。凹陷自西向東依次發(fā)育西部斜坡帶、海通集洼陷帶、中央隆起帶和前梨園洼陷帶［1］，在多期構(gòu)造活動(dòng)控制下，形成了一個(gè)富含油氣的復(fù)雜斷塊群。經(jīng)過40多年的勘探開發(fā)，在東濮凹陷發(fā)現(xiàn)了6億多噸的油氣儲(chǔ)量。勘探結(jié)果表明，東濮凹陷盆地內(nèi)部油氣分布不均，北部富集，南部貧瘠。已有的研究表明，造成這種特征的主控因素是烴源巖。

沉積學(xué)研究顯示，東濮凹陷是一個(gè)鹽湖性質(zhì)的含油氣盆地，受沉積水體鹽度、沉積相帶等條件的控制，不同地區(qū)、不同時(shí)期烴源巖發(fā)育程度存在較大的差異，而這種差異恰恰與油氣分布有著極好的相關(guān)性［2-6］。為了更好地探索東濮凹陷古近系烴源巖特征及分布規(guī)律，采用有機(jī)和無機(jī)相結(jié)合的方法，根據(jù)鹽度與優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的關(guān)系，對(duì)東濮凹陷古近系烴源巖特征及其成因環(huán)境進(jìn)行了分析，以期指導(dǎo)東濮凹陷常規(guī)油氣精細(xì)勘探和非常規(guī)頁(yè)巖油勘探。

1 烴源巖發(fā)育特征

東濮凹陷古近系自下向上發(fā)育的沙河街組沙四上亞段、沙三下亞段、沙三中亞段、沙三上亞段（分別簡(jiǎn)稱沙四上、沙三下、沙三中、沙三上）和沙一段5套暗色泥巖，是東濮凹陷古近系最為重要的潛在烴源巖層系。其中：沙三中厚度最大，最大厚度約800 m，主要分布在北部的柳屯、海通集、前梨園洼陷和南部的葛崗集洼陷；沙三下次之，最大厚度約700 m，主要分布在北部的海通集、前梨園洼陷和南部的葛崗集洼陷；沙四上暗色泥巖最厚約600 m，自前梨園向周邊逐漸減??；沙三上暗色泥巖最厚約500 m，以北部的海通集和柳屯洼陷最厚，前梨園洼陷最厚僅300 m；沙一段暗色泥巖整體較薄，以前梨園洼陷最厚，僅300 m左右。平面上，東濮凹陷北部暗色泥巖厚度明顯要大于南部，并且分布較廣，前梨園、柳屯、海通集、濮衛(wèi)次洼等洼陷均有分布，南部暗色泥巖厚度較薄，且分布范圍較小，主要分布在葛崗集洼陷。

東濮凹陷沙河街組地層鹽巖發(fā)育較為廣泛?？v向上，沙四上、沙三下—沙三上、沙二上和沙一段均有鹽巖發(fā)育。平面上，主要分布于橋口以北地區(qū)（見圖1），不同層系鹽巖分布范圍差異較大。其中：沙一段鹽巖分布最為廣泛，幾乎覆蓋了整個(gè)東濮北部地區(qū)，沙三中和沙四上鹽巖分布范圍也較大，沙三下和沙三上鹽巖分布范圍相對(duì)較小。根據(jù)鹽巖分布和南北差異，本文對(duì)東濮凹陷烴源巖的探討分別以北部含鹽區(qū)（各層系鹽巖發(fā)育區(qū)域）、北部無鹽區(qū)（橋口-白廟及其以北無鹽巖發(fā)育區(qū)域）和南部淡水區(qū)（橋口-白廟以南區(qū)域）進(jìn)行分區(qū)帶對(duì)比分析。由于沙一段在東濮凹陷整體埋藏較淺，大部分地區(qū)尚未達(dá)到成熟階段，在這里暫不討論［7］。

圖1 東濮凹陷古近系鹽巖平面分布示意

2 不同水體環(huán)境烴源巖地球化學(xué)特征

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

對(duì)東濮凹陷不同層段、不同區(qū)帶5 803件烴源巖樣品的總有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)（TOC）統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：東濮南部淡水區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度整體較低，TOC＜0.4%的非烴源巖約占東濮南部總樣品量的70%以上，0.4%≤TOC≤1.0%的烴源巖約占20%，僅有不到10%的烴源巖為TOC＞1.0%的優(yōu)質(zhì)烴源巖。北部含鹽區(qū)以沙四上和沙三下烴源巖最好，TOC＞1.0%的烴源巖約占40%～50%，僅有不到30%的烴源巖為TOC＜0.4%的非烴源巖；沙三中烴源巖次之，TOC＞1.0%的優(yōu)質(zhì)烴源巖約占27%；沙三上TOC＞1.0%的優(yōu)質(zhì)烴源巖最少，僅占20%。北部無鹽區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度介于北部含鹽區(qū)和南部淡水區(qū)之間，主要表現(xiàn)為沙四上和沙三下好于沙三中和沙三上。

平面上，受沉積區(qū)帶控制，自東濮北部含鹽區(qū)向周邊，烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度逐漸降低，優(yōu)質(zhì)烴源巖具有環(huán)鹽巖分布的特征；東濮南部地區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度整體較低，優(yōu)質(zhì)烴源巖零星發(fā)育，厚度薄，面積小。

2.2 有機(jī)質(zhì)類型

受環(huán)境控制，東濮凹陷不同區(qū)帶烴源巖中有機(jī)質(zhì)來源差異較大——咸水環(huán)境藍(lán)藻、顆石藻和溝鞭藻發(fā)育，半咸水環(huán)境溝鞭藻最豐富，淡水環(huán)境以高等植物輸入為主，自源生物以綠藻為主［8］。東濮凹陷北部地區(qū)烴源巖主要形成于咸水—半咸水環(huán)境，干酪根類型普遍偏好：Ⅰ型和Ⅱ1型占優(yōu)勢(shì)，約占烴源巖樣品總量的40%～80%；其次為Ⅱ2型，約占烴源巖總量的10%～35%；Ⅲ型最少，一般少于20%。東濮凹陷南部地區(qū)烴源巖沉積過程中高等植物輸入較多，烴源巖有機(jī)質(zhì)類型普遍較差，Ⅱ2型和Ⅲ型約占樣品總數(shù)的45%～65%，Ⅰ型相對(duì)較少，不同層系中Ⅰ型大都少于20%（見表1）。

表1 東濮凹陷沙四上—沙三下烴源巖干酪根類型分布頻率

2.3 典型生物標(biāo)志化合物

東濮凹陷是一個(gè)典型的鹽湖相斷陷湖盆，受沉積環(huán)境和有機(jī)母質(zhì)來源的控制，不同區(qū)帶的烴源巖有其特殊的生物標(biāo)志化合物［9-16］（簡(jiǎn)稱生標(biāo)，可指示烴源巖和原油形成時(shí)的沉積環(huán)境、母質(zhì)來源和成熟度特征）組合特征。北部含鹽區(qū)烴源巖中的萜烷類化合物往往具有相對(duì)豐富的C26+長(zhǎng)鏈三環(huán)萜烷和γ蠟烷，在生標(biāo)參數(shù)中主要表現(xiàn)出（C26+TT）/C30H＞0.4、γ 蠟烷/C30H 大于0.5（生標(biāo)參數(shù)比值為化合物的質(zhì)量比，下同）的特征；而甾烷類化合物中，規(guī)則甾烷質(zhì)譜圖通常呈“L”型或不對(duì)稱“V”型，具有 C27＞C29的特征，4-甲基甾烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對(duì)較高，4-甲基甾烷/C29通常大于0.4，主要指示高鹽度、強(qiáng)還原環(huán)境下較高的低等水生藻類生源的貢獻(xiàn)（見圖2a）。北部無鹽區(qū)烴源巖一般具有相對(duì)較高的γ蠟烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)和4-甲基甾烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)，γ蠟烷/C30H大于0.5，4-甲基甾烷/C29大于0.4，規(guī)則甾烷中C27優(yōu)勢(shì)減弱，通常呈“V”型分布，指示中等鹽度、還原環(huán)境下低等水生生物為主、陸源高等植物為輔的混合生源（見圖2b）。南部淡水區(qū)烴源巖γ蠟烷、C26+長(zhǎng)鏈三環(huán)萜烷和4-甲基甾烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較低，規(guī)則甾烷中C29優(yōu)勢(shì)明顯，常呈反“L”型分布，主要指示了低鹽度、弱還原環(huán)境陸源高等植物的貢獻(xiàn)（見圖2c）。

圖2 東濮凹陷不同區(qū)帶烴源巖典型生標(biāo)組合特征

3 烴源巖成因環(huán)境分析

烴源巖是在一定沉積環(huán)境條件下形成的富含有機(jī)質(zhì)的泥頁(yè)巖。在東濮凹陷不同區(qū)帶，由于水體鹽度、氧化-還原性質(zhì)、水深等方面的差異，造成了北部含鹽區(qū)、北部無鹽區(qū)和南部淡水區(qū)烴源巖特征的差異，且不同區(qū)帶TOC＞1.0%的優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育量存在較大的差異。為了探索造成烴源巖特征差異的主控因素，本文采用有機(jī)和無機(jī)相結(jié)合的方法，應(yīng)用生物標(biāo)志化合物和微量元素開展了不同區(qū)帶烴源巖成因環(huán)境的研究，將兩者相互印證，以期找到東濮凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的主控因素。

3.1 溫濕氣候是優(yōu)質(zhì)烴源巖形成的宏觀背景

談?dòng)衩鞯龋?7］對(duì)東濮凹陷古氣候的研究表明，古近系時(shí)期東濮凹陷經(jīng)歷了4期較大的氣候演變，溫濕氣候和干熱氣候頻繁轉(zhuǎn)換，且每個(gè)大的變化周期內(nèi)還夾有多期的短時(shí)間氣候演變。對(duì)東濮凹陷微量元素Mg/Ca值（微量元素比值均為質(zhì)量比）與TOC的相關(guān)性研究表明（見圖3），烴源巖中有機(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)TOC與Mg/Ca值呈負(fù)相關(guān)性。鄧宏文等［18］通過大量研究認(rèn)為，通常Mg/Ca高值指示干旱氣候條件，低值指示潮濕氣候條件。由此可見，溫濕氣候是東濮凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的宏觀氣候條件。

圖3 東濮凹陷烴源巖TOC與Mg/Ca的關(guān)系

3.2 中—高鹽度是優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的有利水體環(huán)境

Sr/Ba是沉積巖中重要的古鹽度指標(biāo)，通常Sr/Ba高值指示高鹽度的半咸水—咸水環(huán)境，而較低的Sr/Ba值則指示低鹽度的淡水—微咸水環(huán)境。一般認(rèn)為，淡水環(huán)境中 Sr/Ba＜0.5，半咸水環(huán)境中 0.5＜Sr/Ba＜1.0，咸水環(huán)境中 Sr/Ba＞1.0［19-20］。東濮凹陷烴源巖 TOC 具有隨著Sr/Ba值增大而增大的特征（見圖4）。在Sr/Ba＞1.0的樣品中，TOC＞1.0%的烴源巖占比更高，表現(xiàn)出中—高鹽度水體環(huán)境中優(yōu)質(zhì)烴源巖更為發(fā)育的規(guī)律，這也是東濮北部含鹽區(qū)高豐度烴源巖更發(fā)育的原因。

圖4 東濮凹陷烴源巖TOC與Sr/Ba的關(guān)系

縱向上，隨著湖盆水體蒸發(fā)，水體鹽度增大，當(dāng)水體鹽度達(dá)到鹽的最大溶解度后，鹽類物質(zhì)即沉積形成東濮凹陷厚層的鹽巖。從烴源巖中γ蠟烷/C30H值與鹽巖距離的關(guān)系來看，距鹽巖越近，γ蠟烷/C30H值越高。距鹽巖10 m左右時(shí)，γ蠟烷/C30H值可達(dá)到1.0左右；鹽下5 m左右的烴源巖，γ蠟烷/C30H值甚至達(dá)到了4.0左右。——表明γ蠟烷指數(shù)在東濮凹陷能夠較好地指示水體的鹽度，是很好的水體古鹽度指標(biāo)。這也是東濮凹陷北部含鹽區(qū)烴源巖往往具有γ蠟烷/C30H高值的主要原因。

3.3 強(qiáng)還原環(huán)境是優(yōu)質(zhì)烴源巖形成的有利保存條件

烴源巖和原油飽和烴——類異戊二烯烴中的Pr/nC17與Ph/nC18，能夠較好地指示烴源巖和原油形成的氧化還原環(huán)境。圖5反映的是東濮凹陷不同環(huán)境烴源巖Pr/nC17與Ph/nC18的關(guān)系。由圖可以看出：北部地區(qū)烴源巖沉積時(shí)的水體還原性更強(qiáng)，在圖版中主要分布于鹽湖相、強(qiáng)還原區(qū)域內(nèi)；南部地區(qū)烴源巖形成時(shí)水體還原性質(zhì)稍弱，在圖版中主要分布于弱還原區(qū)域內(nèi)。

圖5 東濮凹陷不同環(huán)境烴源巖Pr/nC17與Ph/nC18的關(guān)系

4 結(jié)論

1）對(duì)東濮凹陷古近系烴源巖的分析認(rèn)為：北部地區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度自鹽湖中心向周邊逐漸降低，有機(jī)質(zhì)類型逐漸變差，優(yōu)質(zhì)烴源巖較為發(fā)育，具有環(huán)鹽巖帶狀分布的特征；南部地區(qū)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度整體較低，有機(jī)質(zhì)類型差，優(yōu)質(zhì)烴源巖較少。

2）沉積環(huán)境的差異造成了烴源巖中有機(jī)質(zhì)來源的不同，從而導(dǎo)致不同區(qū)帶烴源巖生標(biāo)參數(shù)具有明顯的差異：北部含鹽區(qū)以（C26+TT）/C30H＞0.4、γ 蠟烷/C30H 大于 0.5、4-甲基甾烷/C29大于 0.4、C27＞C29為主要特征；北部無鹽區(qū)與含鹽區(qū)相比，C26+TT和C27優(yōu)勢(shì)略有減弱，其余特征相似；南部淡水區(qū)γ蠟烷、C26+TT和4-甲基甾烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)均較低，規(guī)則甾烷C29優(yōu)勢(shì)明顯。

3）東濮凹陷古近系間歇發(fā)育溫濕氣候，這一時(shí)期中—高鹽度、強(qiáng)還原的水體環(huán)境有利于優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育，是東濮凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的主要原因。