渤南洼陷沙四上亞段碳酸鹽巖成藏條件與勘探潛力

林會喜，彭蘇萍，杜文風(fēng)，孔祥星

(1.中國礦業(yè)大學(xué)煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，北京100083;2.中國石化勝利油田分公司西部新區(qū)研究中心，山東東營257000)

我國東部古近紀(jì)陸相斷陷盆地成烴研究主要對象為泥質(zhì)烴源巖，湖相碳酸鹽巖由于單層厚度薄，橫向變化快，多數(shù)情況下與泥質(zhì)烴源巖構(gòu)成韻律沉積，因而其生烴潛力一直被忽略或被當(dāng)作泥巖處理了。然而，湖相碳酸鹽巖沉積所指示的安靜、咸化的水體環(huán)境，十分有利于湖相富有機(jī)質(zhì)烴源巖的發(fā)育。前人對湖相碳酸鹽巖烴源巖的生烴潛力給予了充分肯定，并通過油源對比分析確定了湖湘碳酸鹽巖烴源巖的有效性［1－4］。渤南洼陷古近系沙河街組四段上亞段(沙四上亞段)發(fā)育了大面積的湖相碳酸鹽巖，依泥質(zhì)烴源巖成烴演化規(guī)律，其埋藏深度尚未進(jìn)入大量生烴演化階段，但在洼陷斜坡帶及遠(yuǎn)離傳統(tǒng)“生烴灶”的陳家莊凸起上獲得的諸多油氣發(fā)現(xiàn)，與沙四上亞段碳酸鹽巖具有較好的親緣關(guān)系。顯然，重新認(rèn)識沙四上亞段碳酸鹽巖的成烴特征，客觀評價其資源潛力，通過分析成烴與成藏規(guī)律，為油氣勘探實踐奠定基礎(chǔ)。

1 石油地質(zhì)背景

渤南洼陷是濟(jì)陽坳陷沾化凹陷西部的一個三級負(fù)向構(gòu)造單元，是一個北陡南緩向北掀斜的箕狀洼陷(圖1)。它北靠埕東凸起，南連陳家莊凸起，西臨義和莊凸起，東南為孤島凸起，面積約800 km2，是濟(jì)陽坳陷主要富油洼陷之一。古近系孔店組、沙河街組和東營組構(gòu)成盆地的下部構(gòu)造層序，新近系和第四系組成盆地上部構(gòu)造層序。

古近系沙河街組中沙四段、沙三段以及沙一段是洼陷重要的烴源巖［5－6］。其中，沙四段(Es4)厚 4.5～1 735.5 m，總體上為一套砂礫巖、泥巖、石灰?guī)r、白云巖及膏巖沉積。沙四下亞段(Es4(下))膏巖、碳酸鹽巖不甚發(fā)育，單層厚度薄，累積厚度小，主要發(fā)育陸源碎屑巖。沙四上亞段(Es4(上))膏巖、碳酸鹽巖相對發(fā)育，以灰白色膏巖、灰白色－深灰色碳酸鹽巖及泥巖不等厚互層為主，夾灰(褐)色粉砂巖、細(xì)砂巖及含礫砂巖。碎屑巖中以含灰質(zhì)、云質(zhì)及膏巖質(zhì)居多，而碳酸鹽巖中混入泥質(zhì)、砂質(zhì)等碎屑亦很常見，局部發(fā)育礁灰?guī)r。

2 碳酸鹽巖烴源巖發(fā)育特征

沙四上亞段沉積表現(xiàn)出封閉－半封閉的鹽湖和咸水湖沉積特點［7］。在盆地中心發(fā)育半深湖和鹽湖相，淺湖、半深湖沉積分布于鹽湖的周圍，邊部發(fā)育碳酸鹽巖，緩坡帶最邊緣靠近凸起區(qū)通常以碎屑砂礫巖為主。渤南洼陷湖相碳酸鹽巖的巖石類型，主要有骨架碳酸鹽巖、顆粒碳酸鹽巖及泥晶碳酸鹽巖3類，隨所處湖盆位置不同，碳酸鹽巖沉積類型有一定差異。在陡坡帶，一般發(fā)育顆粒灘壩生物灰?guī)r、粒屑灰?guī)r;水下低隆起部位，如義東斷層下降盤，往往發(fā)育藻礁丘巖體為主的骨架碳酸鹽巖;在洼陷區(qū)，多發(fā)育深湖－半深湖相的泥晶灰(云)巖、灰質(zhì)泥(頁)巖;在緩坡帶，生物灘壩發(fā)育，在灘壩間的一些低能地區(qū)，則沉積泥質(zhì)灰?guī)r。由淡化鹽湖區(qū)向鹽湖區(qū)過渡，碳酸鹽巖被膏泥巖所取代。

圖1 渤南洼陷構(gòu)造位置Fig.1 Structural position of the Bonan Sag

圖2 渤南洼陷沙四上亞段碳酸鹽巖烴源巖厚度分布Fig.2 Isopach of the carbonate source rocks in the Upper Es4of Bonan Sag

碳酸鹽巖烴源巖主要由灰?guī)r、泥灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖及膏泥巖不等厚互層構(gòu)成，灰?guī)r、泥灰?guī)r厚度中心主要分布在義東斷層下降盤、羅家、墾西地區(qū)，累計厚度在20～60 m;受湖盆水體規(guī)模、穩(wěn)定性及能量的影響，灰?guī)r或泥灰?guī)r在縱向和橫向上快速變化為灰質(zhì)泥巖?；?guī)r、泥灰?guī)r及灰質(zhì)泥巖累計厚度一般在50 m左右，深洼區(qū)局部厚度可達(dá)100 m左右(圖2)。

3 碳酸鹽巖烴源巖生烴潛力

3.1 有機(jī)質(zhì)類型

渤南洼陷碳酸鹽烴源巖主要的顯微組分有無結(jié)構(gòu)藻類體、瀝青質(zhì)體、殼屑體、無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體及礦物瀝青基質(zhì)，有機(jī)質(zhì)類型主要為腐泥型(Ⅰ型)，極少量樣品為混合型(Ⅱ1－Ⅱ2型)。雖然同為腐泥型有機(jī)質(zhì)，沙四上亞段碳酸鹽巖與泥質(zhì)烴源巖顯微組成存在差異，泥質(zhì)烴源巖以無結(jié)構(gòu)藻類為主，而碳酸鹽烴源巖的瀝青質(zhì)體和礦物瀝青基質(zhì)含量較高。瀝青質(zhì)體一般占整個有機(jī)顯微組分的10%左右，最高達(dá)86%。瀝青質(zhì)體一般為低等水生生物在相對氧化的環(huán)境下的產(chǎn)物，烴源巖中較為豐富的瀝青質(zhì)體的出現(xiàn)說明其沉積環(huán)境相對偏氧化。礦物瀝青基質(zhì)一般占整個有機(jī)顯微組分的50% ～80%，被認(rèn)為是低等水生生物降解產(chǎn)物。因此，豐富的礦物瀝青基質(zhì)表明烴源巖的有機(jī)質(zhì)來源應(yīng)以低等水生生物為主，因而具有較好的生油潛力。

3.2 有機(jī)質(zhì)豐度

前人將泥質(zhì)烴源巖有機(jī)碳含量(TOC)下限普遍定為0.5%［8－10］。對于碳酸鹽巖，許多研究將其 TOC含量下限降低到 0.3%，甚至0.1%［11－12］，但近年來越來越多的研究表明，碳酸鹽巖烴源巖與泥質(zhì)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度下限標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)該一致，大規(guī)模油氣田形成的TOC應(yīng)在1%以上［13－17］。渤南洼陷沙四上亞段碳酸鹽巖烴源巖有機(jī)質(zhì)類型主要為腐泥型，綜合前人評價標(biāo)準(zhǔn)，將TOC高于1.5%作為優(yōu)質(zhì)烴源巖評價標(biāo)準(zhǔn)。

分別對灰質(zhì)泥巖、膏泥巖及灰?guī)r等3類碳酸鹽巖進(jìn)行有機(jī)質(zhì)評價，綜合有機(jī)碳含量(TOC)、生烴潛量(S1+S2)、有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)、熱解峰溫(Tmax)及有機(jī)質(zhì)類型等，各類烴源巖均為優(yōu)質(zhì)烴源巖(表1)，具有良好的成烴物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.3 烴源巖生烴演化

從現(xiàn)今自然演化剖面來看(圖3)，沙四上亞段碳酸鹽巖烴源巖在2 500 m左右已進(jìn)入快速生烴階段，從2 600 m左右開始，A/C與S1/(S1+S2)(A為氯仿瀝青“A”含量，C為有機(jī)碳含量，S1為游離烴含量，S2為吸附烴含量)的變化急劇加快，在3 000 m左右已進(jìn)入生烴高峰階段。巖石總烴(HC)含量在埋深2 600 m左右已分析樣品的烴濃度全大于1 000×10－6，最高達(dá)4 000×10－6，全部高于傳統(tǒng)評價標(biāo)準(zhǔn)的好烴源巖標(biāo)準(zhǔn)，這表明在這一演化階段巖石有機(jī)質(zhì)的生烴量已較大。同時，各深度門限較傳統(tǒng)的泥質(zhì)烴源巖至少淺了400～500 m。這表明沙四上亞段碳酸鹽烴源巖在傳統(tǒng)成熟度Ro為0.6%左右時就進(jìn)入生烴高峰，生烴高峰早于泥質(zhì)烴源巖。

渤南凹陷烴源巖生烴演化史表明，沙四上段烴源巖自沉積以后經(jīng)歷了兩次快速沉降，一是Es3(沙三段)至Ed(東營組)沉積時期，然后是Ng(館陶組)和Nm(明化鎮(zhèn)組)沉積時期，Ed末至Ng初經(jīng)歷了總體抬升，形成了一個區(qū)域性的不整合面。在Ed末至Ng，存在沙四上亞段油氣的第一次充注，過去認(rèn)為這期油氣由于成熟度低，多數(shù)未達(dá)到生烴高峰，因此，認(rèn)為排烴量少，主要在洼陷內(nèi)烴源巖內(nèi)部成藏［18］。從沙四上亞段的烴源巖自然演化可以看出，沙四上亞段碳酸鹽巖能夠在中等成熟度(Ro為0.5% ～0.8%)時大量生烴，生成成熟度相對較低的低熟原油。Ng末Nm初以后，烴源巖幾乎全處于成熟生烴階段，進(jìn)入了第二次生烴高峰期［19］。沙四上亞段碳酸鹽烴源巖經(jīng)歷了東營末至館陶初、館陶末至明化鎮(zhèn)初兩個主要生烴期。

表1 渤南洼陷沙四上亞段碳酸鹽巖烴源巖綜合評價Table 1 Comprehensive evaluation of carbonate source rocks in the Upper Es4of Bonan Sag

圖3 渤南洼陷沙四上亞段碳酸鹽巖烴源巖自然演化剖面Fig.3 Profile showing the evolution of the Upper Es4carbonate source rocks in the Bonan Sag

4 成藏特征

4.1 原油特征

沙四上亞段碳酸鹽烴源巖以中等伽馬蠟烷、高豐度的4－甲基甾烷、以及C35五升藿烷明顯高于C34四升藿烷為顯著特征，明顯區(qū)別于沙四上亞段純泥巖、沙三段及沙一段烴源巖(圖4)。而沙四上亞段碳酸鹽烴源巖與純泥質(zhì)烴源巖的主要區(qū)別是:前者升藿烷C35＞C34，同時4－甲基甾烷含量顯著高于后者。

目前，渤南洼陷現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)來自Es4(上)烴源巖的單源原油，可分為兩類:第一類來自Es4(上)碳酸鹽烴源巖;第二類來自Es4(上)泥質(zhì)烴源巖。第一類原油密度變化較大，在0.809 1～1.092 0 g/cm3，既有正常原油，也有超稠油;含硫量較高，一般在3% ～10%;原油以成熟原油為主，甾烷異構(gòu)化參數(shù)C29S/(S+R)值在0.28～0.56;規(guī)則甾烷呈現(xiàn)C27甾烷優(yōu)勢的“V”字型分布;4－甲基甾烷含量相對較高;伽馬蠟烷指數(shù)為0.13～0.71，平均0.33;C35/C34升藿烷一般在1.2以上。綜合各種地化特征來看，此類原油來源于渤南洼陷富碳酸鹽的灰?guī)r、泥灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖及含膏泥巖。第二類原油密度及粘度變化范圍相對較小，為正常原油，含硫量較第一類原油要低，在0.5%～4.5%。其生物標(biāo)志物基本與第一類原油相近(圖4)，顯著的差別是C34和C35升藿烷為正常的下降型分布;同時4－甲基甾烷含量明顯低于第一類原油。除此以外，渤南洼陷還大量存在Es4(上)與Es3的混源原油，其孤島油田館陶組油藏最為典型，其物性特征及生物標(biāo)志物均介于兩種單源油之間。

圖4 渤南洼陷不同烴源巖段及沙四上亞段碳酸鹽烴源巖來源原油生物標(biāo)記化合物對比Fig.4 Correlation of biomarker compounds between crude oil samples from carbonate source rocks in the Upper Es4 and in the other source rocks of the Bonan sag

圖5 渤南洼陷沙四上亞段碳酸鹽烴源巖來源原油粘度－深度關(guān)系Fig.5 Viscosity vs.depth of the crude oil samples from the carbonate source rocks in the Upper Es4of Bonan Sag

4.2 成藏期次

長期以來，沾化凹陷油氣成藏的基本認(rèn)識是晚期成藏，即成藏期為館陶末至明化鎮(zhèn)時期［18－20?。從沙四上亞段碳酸鹽烴源巖的生烴特征來看，東營末至館陶初應(yīng)存在一個油氣成藏期，但迄今為止尚沒有直接的證據(jù)表明該期油氣藏的存在。文中根據(jù)降解稠油的分布規(guī)律，對這一問題進(jìn)行了探討。

源自沙四上亞段碳酸鹽烴源巖的降解稠油，在沙四段以上地層中均有分布，其粘度在每個層段呈現(xiàn)上、下兩個帶狀分布(圖5)，如沙三段上、下兩個降解帶間距約200 m，沙四段的間距約300 m，且位于下部的稠油粘度明顯高于上部。顯然，上下兩個降解帶的稠油應(yīng)為不同期降解的結(jié)果，位于下部的稠油降解時間早且降解程度大，降解后經(jīng)歷了再次深埋過程，位于上部的稠油降解時間晚且降解程度低。從該區(qū)構(gòu)造沉積演化史來看，東營組沉積末期為區(qū)域抬升階段，沉積間斷期約10.6 Ma，此后在館陶組－明化鎮(zhèn)組沉積期快速沉降，并在明化鎮(zhèn)組末期進(jìn)入緩慢沉降階段。據(jù)此分析，上述兩個降解稠油帶形成時期應(yīng)分別對應(yīng)東營末—館陶組沉積初期及明化鎮(zhèn)末—第四系沉積期。結(jié)合沙四上亞段碳酸鹽巖烴源巖的生烴史來看，其應(yīng)有兩個成藏期，第一期為Ed末至Ng沉積期，第二期為Ng末至Nm沉積時期。

4.3 運聚規(guī)律及勘探方向

來自于Es4(上)碳酸鹽烴源巖的單源原油主要分布在義和莊凸起、陳家莊凸起及洼陷斜坡帶，與沙三段來源的混源原油主要分布在孤島凸起、埕東凸起。同時，原油成熟度在平面上存在差異，總體上看，低熟油的分布以洼陷邊緣及凸起為主，主要分布在陳家莊凸起、義和莊凸起的館陶組及東營組地層中，渤南洼陷南部斜坡帶的沙四段、義和莊凸起東部邊緣的沙一段也有分布，而在Es3儲層及南部斜坡帶的Es2和Es1儲層中并沒有發(fā)現(xiàn)低熟原油［21?。這表明早期有大量生成的原油主要以層內(nèi)側(cè)向運移為主(圖6)。自邊緣向洼陷中心，成熟度逐漸增加。從洼陷帶及斜坡帶的沙二段－沙三段、沙四段儲層中主要是成熟油，說明晚期以油氣的垂向運移為主。

以往的油氣勘探多以沙四段成熟烴源巖的垂向運聚區(qū)和沙三段烴源巖所生油氣的運聚區(qū)為主要對象。從沙四上亞段碳酸鹽巖油氣的運聚規(guī)律中可以看出，沙四上段早期生成的低熟原油在層內(nèi)運移、在遠(yuǎn)離洼陷中心的部位聚集成藏，沙四上亞段碳酸鹽巖、扇三角洲及砂巖灘壩等各類儲層形成的圈閉均屬有利的勘探方向［22］。而與沙四上亞段烴源巖側(cè)向?qū)拥纳乘南聛喍蝺邮职l(fā)育，側(cè)向?qū)拥娜﹂]也是今后的重要勘探方向。

5 結(jié)論

渤南洼陷沙四上亞段碳酸鹽烴源巖為灰?guī)r、泥灰?guī)r、灰泥巖或膏泥巖不等厚互層沉積。有機(jī)質(zhì)類型主要為腐泥型，該套烴源巖不僅厚度大，累計厚度一般在20～100 m左右，深洼區(qū)局部可達(dá)100 m。而且有機(jī)質(zhì)豐度高，有機(jī)碳含量平均達(dá)2%;有機(jī)質(zhì)類型好，為腐泥型有機(jī)質(zhì)。整體來看，沙四上亞段碳酸鹽烴源巖具有良好的生烴物質(zhì)基礎(chǔ)。同時，該套烴源巖大量生烴期明顯早于沙四上亞段泥質(zhì)烴源巖，具備低熟生油的特征。兩次重要的生烴期是:東營末至館陶初的低熟生油期;館陶末至明化鎮(zhèn)初的成熟油期。與之對應(yīng)的，來源于沙四上亞段碳酸鹽烴源巖的油氣經(jīng)歷了兩期成藏過程，第一期為Ed末至Ng沉積期，第二期為Ng末至明化鎮(zhèn)組沉積時期。

圖6 渤南洼陷沙四上亞段碳酸鹽巖烴源巖生成油氣運移模式Fig.6 Migration model of hydrocarbons from the carbonate source rocks in the Upper Es4of Bonan Sag

其原油以高C35/C34升藿烷比值、高豐度的4－甲基甾烷、高含硫量為標(biāo)志性特征。主要分布在周緣凸起及洼陷斜坡帶，分布層位逐漸變新，基本上反映了原油逐漸向上、向洼陷邊緣側(cè)向運移的過程。沙四上亞段碳酸鹽巖、扇三角洲及砂巖灘壩等形成的各類圈閉，以及與深洼陷帶油源能夠側(cè)向?qū)拥纳乘南聛喍问俏磥淼挠欣碧椒较颉?/p>

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