蘇北盆地金湖凹陷三河次凹有效烴源巖評價

劉天, 劉小平*, 孫彪, 化祖獻, 劉杰, 劉啟東, 劉世麗, 畢天卓

(1.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室， 北京 102249; 2.中國石油大學(北京)地球科學學院， 北京 102249;3.中國石化國際石油勘探開發(fā)有限公司， 北京 100029; 4.中國石化江蘇油田分公司勘探開發(fā)研究院, 揚州 225009)

金湖凹陷是自晚白堊世開始發(fā)育的小規(guī)模斷陷湖盆，具有構造活動復雜、斷裂發(fā)育及烴源巖分布非均質(zhì)性強的特點，油氣勘探已有了一定突破，具有“小而肥”的特征[1-3]。三河次凹阜二段處于欠補償沉積時期，受海侵作用影響沉積環(huán)境發(fā)生變化，海平面上升湖水被咸化[4]；三河次凹臨近石港斷裂帶發(fā)育多期斷層和天然裂縫，有利于儲層改善和斷塊油氣藏形成[5-7]；三河次凹阜二段的主要成藏時間為47～41.5 Ma，烴源巖演化處于低熟或成熟階段[8]。三河次凹作為金湖凹陷的主要探區(qū)，受復雜斷裂活動特征和分析測試資料不足的限制，前人在沉積層序、構造演化以及儲集條件等方面的早期研究難以滿足勘探現(xiàn)狀，缺乏烴源巖系統(tǒng)評價及有效烴源巖的分布認識，難以指導下一階段的油氣勘探。

有效烴源巖是指經(jīng)過熱演化生烴、排烴且運聚成藏的烴源巖。Hakimi等[9]、Tu等[10]和Banerjee等[11]根據(jù)地球化學參數(shù)、生物標志化合物和干酪根組合判斷烴源巖有效性；陳雪等[12]根據(jù)烴源巖生烴潛力指數(shù)確認有效烴源巖排烴門限；Li等[13]、Jiang等[14]和Qi等[15]根據(jù)烴源巖沉積環(huán)境、生排烴特征及生烴量相對值判斷有效烴源巖總有機碳值下限。以上研究依據(jù)各地球化學指標對烴源巖進行了充分評價和有效性分析，但忽略了烴源巖生烴轉(zhuǎn)化和殘留烴含量的影響，沒有準確定量評價；或未考慮烴源巖演化過程中總有機碳(total organic carbon, TOC)損失，對有效烴源巖下限判斷存在一定誤差。為此，針對金湖凹陷三河次凹有效烴源巖演化程度及分布認識不清等問題，基于有機質(zhì)豐度、類型和成熟度等地球化學測試資料進行了烴源巖評價?？紤]到烴源巖演化過程中生排烴作用和總有機碳損失影響，在TOC及鏡質(zhì)體反射率Ro恢復基礎上確定了有效烴源巖下限標準。利用ΔlgR法(R為深側(cè)向電阻率測井曲線值)和盆地模擬法對金湖凹陷三河次凹阜二段有效烴源巖進行預測，進而識別有效烴源巖的分布范圍。

1 地質(zhì)背景

金湖凹陷位于蘇北盆地東臺坳陷西部，跨越江蘇、安徽兩省，面積約為5 500 km2，西北與建湖隆起鄰近，南至天長凸起，西鄰張八嶺隆起，東與菱塘橋-柳堡低凸起相接。金湖凹陷自晚白堊世發(fā)育，經(jīng)歷了拉張、斷陷和坳陷共3個期次構造演化[16]。金湖凹陷共發(fā)育8個二級構造帶和5個次凹，三河次凹是金湖凹陷的一個次級構造單元[圖1(a)]，北西為石港斷裂帶及西斜坡構造帶環(huán)繞，南接東陽次凹，斜坡整體呈西抬東降趨勢。

阜寧組共分為四段，阜二段初期是最大水進期，此時金湖凹陷處于拉張晚期和斷陷早期。阜二段同時也是沉積末期，盆地處于欠補償狀態(tài)開始擴張，湖平面上升古鹽度半咸，巖性由較粗到細、有機質(zhì)由貧到富，沉積物急劇減少以淡化瀉湖沉積為主。阜二段巖石類型多樣，主要為陸源碎屑巖與碳酸鹽巖，其中淺湖—半深湖亞相下泥巖、粉砂巖及灰?guī)r等混合沉積發(fā)育[圖1(b)]。

圖1 金湖凹陷構造位置和阜寧組地層發(fā)育圖

2 烴源巖評價

有機質(zhì)豐度決定烴源巖生烴能力。常用評價指標包括總有機碳含量、氯仿瀝青“A”含量和生烴潛力(S1+S2)等[17]，其中，氯仿瀝青“A”為巖樣中溶于氯仿的瀝青物質(zhì)含量，單位：%，生烴潛力(S1+S2)為有機質(zhì)豐度評價指標，用于評價烴源巖好壞，其中，S1為可溶烴含量，單位：mg/g，S2為熱解烴含量，單位：mg/g。三河次凹阜二段烴源巖總有機碳含量wTOC為0.05%～5.28%，均值為1.61%；氯仿瀝青“A”值為0.001 8%～1.134 2%，均值為0.148 3%；生烴潛力(S1+S2)為0.01～33.29 mg/g，均值為6.12 mg/g(圖2)。烴源巖總體以好烴源巖為主。

圖2 金湖凹陷烴源巖有機質(zhì)豐度與生烴潛量特征

有機質(zhì)類型決定著烴源巖生烴潛力和生烴類型[18-19]。利用熱成熟度Tmax和氫指數(shù)HI的相對關系確認烴源巖有機質(zhì)類型。三河次凹阜二段烴源巖主要為Ⅱ1型，其次為I型、III型和II2型。有機質(zhì)類型較好，以生油為主(圖3)。

圖3 金湖凹陷烴源巖有機質(zhì)類型判定

利用烴源巖有機顯微組分特征結(jié)合鏡下觀察分析烴源巖母質(zhì)類型。金湖凹陷烴源巖有機質(zhì)以腐泥組、鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組為主。腐泥組分以層狀藻類體、瀝青質(zhì)體為主，見少量結(jié)構藻類體，瀝青質(zhì)體發(fā)較黃色熒光[圖4(a)]；鏡質(zhì)組以碎屑狀鏡質(zhì)體為主，見少量絲質(zhì)體和固體瀝青[圖4(c)]，絲質(zhì)體亮白色，具結(jié)構，瀝青質(zhì)體發(fā)黃色熒光[圖4(b)]，可見藻類體熒光較強呈黃色-橙色熒光，也可見無定形體呈黃色-褐色熒光[圖4(d)]。根據(jù)類型指數(shù)計算結(jié)果判斷有機質(zhì)類型主要為Ⅱ1型和I型(圖4、表1)。

表1 金湖凹陷烴源巖干酪根顯微組分

圖4 金湖凹陷烴源巖有機顯微組分鏡下特征

有機質(zhì)成熟度反映烴源巖有機質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化的熱演化程度[20]。利用巖石熱解Tmax和鏡質(zhì)體反射率Ro來評價有機質(zhì)成熟度。烴源巖在埋深2 150～4 100 m即Ro為0.6%～1.2%，S1/(S1+S2)、S1/wTOC和氯仿瀝青“A”/wTOC由穩(wěn)定轉(zhuǎn)變?yōu)楫惓８咧?，為烴源巖生油窗。研究區(qū)烴源巖總體Ro為0.4%～1.2%,Tmax為430～450 ℃,為低熟-成熟演化階段(圖5)。

圖5 金湖凹陷烴源巖有機質(zhì)熱演化階段劃分

3 有效烴源巖評價標準

有效烴源巖指具有高有機質(zhì)豐度、達到成熟階段并且油氣生成和排出并存的烴源巖[21-22]。以烴源巖成熟度及生烴量評價烴源巖有效性，忽視了烴源巖排烴作用，烴源巖生成的烴類沒有排出，很難形成有效油氣藏。一般情況下烴源巖生成烴量隨著總有機碳的增大而增大，生成烴量要超過足夠的飽和吸附量才會排出，此時所對應TOC即為有效烴源巖總有機碳下限值。

3.1 烴源巖TOC恢復

隨著熱演化進行烴源巖中有機質(zhì)絕對量隨著生排烴進行不斷減少，總有機碳值減小。此時利用現(xiàn)今殘余總有機碳含量去評價烴源巖有效性，必然會引起一定誤差[23-25]。將烴源巖總有機碳含量從現(xiàn)今恢復至生排烴之前，結(jié)合烴源巖生排烴模式評價烴源巖有效性，明確該地區(qū)的資源潛力，對于下一步油氣勘探具有指導意義。

3.1.1 恢復方法的選擇

烴源巖演化有機母質(zhì)一直保存在平衡狀態(tài)[26]。假設有機母質(zhì)在生排烴前后碳、氫、氧、氮、硫等元素不會發(fā)生散失或者補充作用，只在元素內(nèi)部以某種形式彼此相互轉(zhuǎn)換；轉(zhuǎn)換中損失量轉(zhuǎn)化為CH4、C2H6、C3H8、C4H10、Oil等共10種產(chǎn)物。龐雄奇等[27]研究表明，有機母質(zhì)的生烴過程可概略地認為是一個物質(zhì)平衡過程，通過增加一些地質(zhì)與地球化學約束條件可以求出任意轉(zhuǎn)化階段上列10種產(chǎn)物的量。

根據(jù)骨架不變原理和物質(zhì)平衡原理，龐雄奇等[27-28]基于干酪根熱降解生烴理論，從烴源巖演化和油氣生、留、排的角度出發(fā)，推導出了TOC恢復系數(shù)計算公式為

(1)

式(1)中：QTOCo為原始TOC，%；QTOC為殘余TOC，%；ρo、ρ為兩階段烴源巖密度，g/cm3；φo、φ為兩階段烴源巖孔隙度，%；Rpn為烴源巖油氣發(fā)生率，kg/t；Kcn為烴源巖的排烴效率；Ken為烴源巖排烴效率，%。

TOC恢復過程考慮到埋深和烴源巖生排烴作用影響，計算過程簡便且涉及參數(shù)客觀性強，可廣泛應用于其他凹陷[29-31]。

3.1.2 參數(shù)取值

(1)烴源巖孔隙度。受壓實作用影響，烴源巖孔隙度一般隨埋深增加呈指數(shù)關系逐漸減小。烴源巖孔隙度與埋深的關系如圖6(a)所示，其關系式為

φ=41.909e-0.000 6h

(2)

式(2)中：h為烴源巖深度，m。

(2)烴源巖密度。烴源巖密度隨埋深增加呈線性關系增加[圖6(b)]，其關系式為

ρ=0.002h+1.914 7

(3)

(3)烴源巖油氣發(fā)生率。油氣發(fā)生率指1 t有機母質(zhì)在生排烴時總共生成的油氣量。研究區(qū)烴源巖有機質(zhì)類型主要為II1型，基于干酪根生烴量物質(zhì)平衡優(yōu)化模型計算結(jié)果，Rpn與Ro的關系如圖6(c)所示，兩者的關系式為

Rpn=0.92lnRo+1.052

(4)

(4)排出烴類的含碳系數(shù)。排出烴類的含碳系數(shù)指單位質(zhì)量有機碳在有機母質(zhì)生成烴類中的占比。三河次凹有機質(zhì)類型主要為Ⅱ1型，Kcn與Ro的關系如圖6(d)所示，其關系式為

Kcn=0.021lnRo+0.775 2

(5)

(5)烴源巖排烴效率。烴源巖的排烴效率指排烴量占生烴量的百分數(shù)。根據(jù)排烴門限理論中生烴潛力法對烴源巖排烴過程進行統(tǒng)計分析，得到Ⅱ1型有機質(zhì)烴源巖Ken與Ro關系如圖6(e)為

Ken=190.94Ro3-729.36Ro2+947.22Ro-379.25

(6)

3.1.3 恢復結(jié)果

采用插值法結(jié)合上述關系式及恢復公式計算求取恢復系數(shù)R[圖6(f)、表2]，Ro小于0.7時恢復系數(shù)約等于1，Ro到達0.73時恢復系數(shù)開始增大，烴源巖TOC含量隨著熱演化進行而減少，開始大量排烴。

表2 金湖凹陷烴源巖TOC恢復系數(shù)

圖6 金湖凹陷烴源巖各參數(shù)及恢復系數(shù)

3.2 有效烴源巖下限判斷

高崗等[32]提出了利用烴源巖熱解參數(shù)和總有機碳含量等參數(shù)的相對關系確定有效烴源巖TOC下限的方法，在其他地區(qū)已得以良好應用[33-35]。在初始生烴階段，烴源巖總有機碳含量應與生烴量保持良好正相關關系，當生成烴量超過飽和吸附量而排出時，總有機碳含量應與生烴量之間關系發(fā)生改變，此時曲線拐點相對應的值是有效烴源巖總有機碳含量下限。

選用各層位有機質(zhì)類型相同、成熟度相近的烴源巖樣品來判定有效烴源巖下限，當總有機碳含量小于1.6時，S1/wTOC、S1與wTOC表現(xiàn)出良好正相關關系；總有機碳含量大于1.6時，排烴量滿足自身吸附量并大量排烴，根據(jù)曲線拐點確定有效烴源巖wTOC=1.6%(圖7)。

圖7 金湖凹陷烴源巖有效烴源巖有機質(zhì)豐度下限

4 有效烴源巖預測及其分布特征

由于實測TOC在縱向上的分布具有不連續(xù)性，應用測井數(shù)據(jù)在實驗數(shù)據(jù)標定下完成單井縱向TOC的拓展，從而進行有效烴源巖縱向及平面展布的識別。采用ΔlgR法建立研究區(qū)阜二段TOC預測模型，該方法于1979年由Exxon公司及Esso公司開發(fā)，根據(jù)測井聲波時差及電阻率對烴源巖有機質(zhì)與烴類流體的不同響應特征來預測總有機碳含量[29]。利用Petromod軟件進行熱史模擬，對金湖凹陷三河次凹阜二段烴源巖熱演化過程進行恢復(圖8)，以此為基礎進行TOC恢復(圖9)，恢復后的TOC相比現(xiàn)今提高了約1.2倍。

圖8 金湖凹陷Ro分布

根據(jù)有效烴源巖下限確定其在三河次凹的分布及其厚度，發(fā)現(xiàn)有效烴源巖主要分布在深凹帶，厚度可達到160 m，向外斜坡呈環(huán)帶狀減?。恢袃?nèi)坡帶有效烴源巖厚度為10～78 m；外斜坡烴源巖成熟度較低，有效烴源巖基本不發(fā)育(圖10)。

圖10 金湖凹陷有效烴源巖厚度分布

5 結(jié)論

(1)金湖凹陷三河次凹阜二段烴源巖有機質(zhì)類型多為II1型，wTOC為0.05%～5.28%，S1+S2為0.01～33.29 mg/g；鏡質(zhì)體反射率Ro為0.4%～1.2%，烴源巖主要處于低成熟-成熟階段。

(2)隨著烴源巖生排烴作用的進行總有機碳含量減少，為了更準確的評價烴源巖的有效性，客觀地分析烴源巖TOC在地史演化過程中的變化，TOC恢復是有必要的。

(3)根據(jù)烴源巖演化過程中有機母質(zhì)的物質(zhì)平衡原理，避免了地層壓實作用、烴源巖有機質(zhì)類型以及熱演化程度等因素影響，將現(xiàn)今殘余TOC恢復到生排烴之前，恢復系數(shù)最大可達1.31。

(4)在總有機碳恢復基礎上，根據(jù)S1/wTOC、S1與wTOC的相對關系，以wTOC=1.6%作為下限確定有效烴源巖的厚度及其平面展布。金湖凹陷三河次凹阜二段有效烴源巖的分布較為局限，深凹帶是三河次凹有效烴源巖的主要分布區(qū)，其沉積厚度可達160 m以上。