泌陽凹陷陸相頁巖有機質(zhì)特征及富集因素分析

羅 曦 ，劉子勝 ，胥 玲，譚靜娟 ，尹 安

(1.中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州 450046；2.中國石化河南油田分公司新疆采油廠)

泌陽凹陷陸相頁巖有機質(zhì)特征及富集因素分析

羅 曦1，劉子勝2，胥 玲1，譚靜娟1，尹 安1

(1.中國石化河南油田分公司勘探開發(fā)研究院，河南鄭州 450046；2.中國石化河南油田分公司新疆采油廠)

采用地球化學與沉積學理論方法并結(jié)合元素分析、高分辨掃描電鏡等實驗技術手段，以中國典型陸相斷陷湖盆泌陽凹陷為例，探討了頁巖中有機質(zhì)發(fā)育特征、形成環(huán)境及富集影響因素，研究表明富有機質(zhì)頁巖中有機質(zhì)是頁巖油形成的物質(zhì)基礎，決定著頁巖的生烴潛力和生烴量；有機質(zhì)主要來源于低等的浮游藻類，有機質(zhì)發(fā)育環(huán)境主要為緩慢沉積的、干旱-半干旱的還原條件下、具有中等-高生產(chǎn)力的咸水湖泊環(huán)境；無定形有機質(zhì)是有機質(zhì)的主要賦存形式；生烴作用產(chǎn)生大量有機質(zhì)孔隙能為頁巖油提供有效的儲集空間；古環(huán)境決定了有機質(zhì)保存條件，沉積相帶控制有機質(zhì)富集的平面展布。

泌陽凹陷；頁巖油；富有機質(zhì)頁巖；有機質(zhì)特征；古環(huán)境；富集影響因素

泌陽凹陷位于南襄盆地東北部，為一中新生代斷控凹陷，河南油田2011年率先在泌陽凹陷取得國內(nèi)陸相頁巖油勘探重要進展，前期研究主要集中在頁巖油形成條件、儲層特征及富集因素分析上，而對富有機質(zhì)頁巖形成中有機質(zhì)來源、富集影響因素及形成古地理環(huán)境探討較少。因此，本文以泌陽富油凹陷為例，從頁巖分布、有機質(zhì)發(fā)育特征出發(fā)，探討了富有機質(zhì)頁巖中有機質(zhì)形成的古環(huán)境及富集影響因素，為頁巖油勘探提供借鑒。

1 富有機質(zhì)頁巖發(fā)育特征

頁巖的分布與沉積體系域發(fā)育密切相關，湖侵體系域相對低位體系域、高位體系域來說，藻類更為發(fā)育，有機質(zhì)含量相對較高，因此，湖侵體系域有利于富有機質(zhì)泥頁巖的形成[1]。泌陽凹陷廣泛分布的富有機質(zhì)頁巖為頁巖油形成及富集提供了物質(zhì)基礎，研究表明泌陽凹陷古近系自下而上發(fā)育6套富含有機質(zhì)頁巖層(圖1)，主要分布在H32層序和H31層序的湖侵體系域，橫向延伸較遠，其中第5套富有機質(zhì)頁巖目前已經(jīng)取得突破，是最有利的頁巖層系。泥頁巖沉積厚度具有東南厚、西北薄的特點。平面上頁巖層厚度分布與半深湖-深湖相吻合較好，具有圍繞湖盆呈環(huán)帶狀分布、向湖中心逐漸增大的特點，富含有機質(zhì)頁巖層單層厚度30～80 m，分布面積80～120 km2，累計厚度200～600 m，疊合分布面積近400 km2。

2 有機質(zhì)發(fā)育特征

沉積有機質(zhì)是指來源于生物的遺體或其分泌物和排泄物，直接或間接進入沉積物中，或經(jīng)生物降解作用和沉積埋藏作用被掩埋在沉積物中，或經(jīng)縮聚作用演化成新的有機化合物及其衍生物的那部分有機質(zhì)[2]。

2.1 有機質(zhì)來源

有機質(zhì)來源于陸源高等植物輸入或者湖泊內(nèi)浮游藻類等低等生物，通?？捎谜龢?gòu)烷烴(CnH2n+2)來進行判別。正構(gòu)烷烴的碳優(yōu)勢指數(shù)(CPI)和奇偶優(yōu)勢(OEP)通?？捎脕肀碚鞒练e物中不同生物源對有機質(zhì)的貢獻量，CPI或OEP明顯高于1.0時具有奇碳優(yōu)勢，明顯低于1.0時具偶碳優(yōu)勢。以C15、C17為主，奇偶優(yōu)勢不明顯的中等相對分子質(zhì)量(nC15～nC21)的正構(gòu)烷烴可能指示藻類等低等浮游生物來源；具奇偶優(yōu)勢的高碳數(shù)(>C23)正構(gòu)烷烴的分布可能指示陸源有機質(zhì)的輸入[2]。泌陽凹陷頁巖生物標志化合物中正構(gòu)烷烴的分布分為前高(C17)后低(C23)的雙峰及單峰型(C17)，顯示浮游藻類生物降解作用的結(jié)果，表明有機質(zhì)主要來自藻類等水生生物，受陸源輸入的影響較少。

2.2 有機質(zhì)賦存形式

泌陽凹陷有機質(zhì)按結(jié)構(gòu)分類可以分為結(jié)構(gòu)有機質(zhì)和無定形有機質(zhì)。結(jié)構(gòu)有機質(zhì)屬于生物殘體等有機質(zhì)顆粒，包括木質(zhì)組織、絲炭、藻團塊，富集在較粗粒中，對TOC貢獻較低；而無定形有機質(zhì)是指無一定形態(tài)結(jié)構(gòu)的沉積有機質(zhì)，鏡下多是不規(guī)則的微粒、漸變的模糊邊緣，形成凝塊或絮團。大多數(shù)是浮游植物成因，源于有機質(zhì)腐解后產(chǎn)生的溶解有機質(zhì)和膠體有機質(zhì)，富集在細粒中，常與黏土礦物吸附成有機黏土復合體，對TOC貢獻大。鏡下可觀察到有機質(zhì)有三種賦存狀態(tài)：分散狀、斷續(xù)條帶狀以及順層富集狀。順層富集的有機質(zhì)易形成紋層，鏡下顏色偏暗，呈紅褐色。富有機質(zhì)紋層與浮游藻類的定期繁盛有關，是湖盆在極度缺乏其他物質(zhì)沉淀時期，由藻類大量死亡后分解出來的有機質(zhì)緩慢沉淀形成的。

圖1 泌陽凹陷核三段泌49井-泌270井層序地層格架下富有機質(zhì)頁巖分布

2.3 有機質(zhì)地化特征

有機質(zhì)是油氣生成與富集的物質(zhì)基礎。泌陽凹陷核三段頁巖樣品有機質(zhì)類型主要為I型-II1型干酪根，Ro分布在0.51%～1.2%，平均0.72%；Tmax范圍主要分布在435～456 ℃，指示該區(qū)有機質(zhì)處于低熟-成熟階段。有機質(zhì)含量的多少是決定烴源巖生烴能力的一個重要指標，有機質(zhì)的含量通常以總有機碳(TOC)含量來進行評判。一般認為，要達到工業(yè)開采價值的頁巖油藏，TOC含量要求大于2%。本區(qū)頁巖平均TOC含量均達到2%以上[3-6]。通常，有機質(zhì)豐度越高，越有利于頁巖油的富集。有機質(zhì)豐度越高，頁巖氣測異常越明顯(圖2)。在頁巖有機質(zhì)類型和成熟度相似的情況下，有機質(zhì)豐度與含油飽和度、S1、氯仿瀝青“A”具有正相關關系，表明有機質(zhì)含量的高低決定著頁巖含油量的多少，有機碳含量越高，頁巖生烴潛力越大，頁巖含油量越大。

圖2 泌陽凹陷安深1井綜合柱狀圖

2.4 有機質(zhì)孔隙特征

有機質(zhì)孔隙即以有機質(zhì)團塊為載體的孔隙，有機質(zhì)團塊的成分較為復雜，主要由豐富的有機質(zhì)、微晶方解石、黏土礦物等混雜而成。有機孔隙的形成和富集受有機質(zhì)豐度、類型及演化程度的控制，熱成熟度Ro一般大于0.6%時，有機孔隙形成。其具體成因有：①干酪根生烴演化形成有機質(zhì)孔；②瀝青質(zhì)裂解階段產(chǎn)生有機質(zhì)孔隙,主要是有機質(zhì)邊緣收縮縫[7]；③釋放的有機酸對包裹的方解石、黏土礦物進行溶蝕而成。按照孔隙載體及成因不同，有機質(zhì)孔隙可分為：有機質(zhì)邊緣與碎屑顆粒間孔隙、有機質(zhì)溶蝕孔隙和生烴演化孔隙。不同類型的有機質(zhì)孔隙，尺寸變化較大，大者達到 3～4 μm，小至幾個納米。

3 有機質(zhì)形成古環(huán)境分析

一個盆地或凹陷內(nèi)充填的沉積物或沉積巖常常清楚地記錄著其在歷史演化過程中的古環(huán)境特征與變遷，比如巖石的顏色、 巖性、 沉積構(gòu)造以及古生物反映了當時的沉積環(huán)境, 泥巖中的微量元素如硼、鍶、鋇、鐵、錳、鈷、鎳等反映了盆地當時的古鹽度、古氣候、古水深或氧化還原條件、沉積速率[8]。研究表明，泌陽凹陷富有機質(zhì)頁巖B(硼)、Th(釷)，Si(鍶)含量較高，反映了較高的古鹽度特征，表明此時為半咸水-咸水湖泊環(huán)境。從氧化還原條件來看，實測樣品V(釩)/(V+Ni(鎳))為0.71～0.84，δCe (Ce鈰)指數(shù)(稀土元素指數(shù))均大于-0.1，說明泥頁巖沉積時水體分層性中等，以厭氧環(huán)境為主，水體處于還原環(huán)境，有利于有機質(zhì)的保存。氣候條件可通過氣候指數(shù)及黏土礦物含量中伊利石所占的比值來判別，研究區(qū)頁巖氣候指數(shù)小于0.2，伊利石在黏土礦物中所占比值較高，表明泌陽凹陷富有機質(zhì)頁巖沉積時期為相對干旱的氣候條件。

沉積速率的判定主要通過稀土元素的分配模式判別，通常當沉積速率較快時，稀土元素分配模式圖平緩，La/Yb(鑭/鐿)比值約為1。稀土元素通常以吸附于陸源物質(zhì)的懸浮物表面或絡離子的形式進入湖泊，當沉積速度較慢時，黏土物質(zhì)吸附輕稀土、重稀土與碳酸和有機質(zhì)形成絡合物等化學反應更為徹底，REE(Rare Earth Element稀土元素)分餾程度較高。研究區(qū)稀土元素分配模式均呈現(xiàn)向右傾斜的趨勢，輕稀土富集而重稀土虧損，(La/Yb)n介于8.67～40.34，平均17.24，δCe為0.93～1.17，平均0.99，Ce(鈰)異常性不明顯或為正異常，指示沉積速率相對較低。這可能是高鹽度水體浮力相對較大、湖泊水體較深所致。綜上所述，泌陽凹陷富有機質(zhì)泥頁巖形成于干旱-半干旱的還原條件下緩慢沉積的、具有中等-高生產(chǎn)力的咸水湖泊環(huán)境。

4 有機質(zhì)富集影響因素分析

沉積物中有機質(zhì)的聚集是由很多地質(zhì)邊界條件所控制的,但最重要的控制因素還是沉積環(huán)境。三個最主要的直接控制變量是有機質(zhì)的生產(chǎn)力、無機氧化物對有機質(zhì)的破壞力和碎屑物對有機質(zhì)的稀釋[11-13]。只有在有機質(zhì)來源豐富、氧化作用最小和碎屑物沉積速度適中的沉積環(huán)境下,才能形成較高豐度的有機質(zhì)。Creaney等(1993)認為較低的沉積速率和沉積界面處的貧氧環(huán)境，影響泥頁巖有機碳總量。一旦確立了缺氧環(huán)境，沉積速率則成為控制TOC大小的主要因素，因此有利的沉積相帶和適宜的古環(huán)境對有機質(zhì)的富集與保存具有重要的作用。

4.1 沉積相帶控制有機質(zhì)的富集

研究表明，沉積物有機質(zhì)豐度在平面上呈環(huán)帶狀分布。近湖盆中央出現(xiàn)相對平滑的有機碳剖面，TOC含量細微增減；而在湖盆邊緣TOC剖面波動劇烈，TOC含量迅速的增加或減小。半深湖-深湖環(huán)境中的有機碳含量總體較淺湖-前三角洲的有機碳含量高，有機質(zhì)類型也較好，總體說明深湖-半深湖相帶較有利(表1，圖3)。當湖盆底部水體為缺氧還原條件時,降落到湖底的水生生物和陸源有機質(zhì)才能被保存到沉積物中。而這些濁積巖的出現(xiàn)打破了缺氧環(huán)境，溶解氧及其水生生物可以深入湖底，使泥頁巖有機碳含量降低，因此有機碳含量剖面在湖盆邊緣波動較大而在湖盆中心相對穩(wěn)定。

圖3 泌陽凹陷第5套富有機質(zhì)頁巖有機質(zhì)豐度與沉積相疊合圖

表1 不同環(huán)境中各巖性相有機碳含量統(tǒng)計

沉積相巖性相顏色TOC含量/%半深湖-深湖淺湖-前三角洲頁巖泥巖灰質(zhì)頁巖含云頁巖云質(zhì)頁巖頁巖泥巖云質(zhì)頁巖褐色、黑色、褐灰色灰黑色、深灰色黑色、灰黑色灰黑、深灰色深灰色褐灰色、褐色灰色、深灰色灰色1．08-6．48(2．79)0．81-3．41(2．28)1．24-4．96(2．59)0．91-4．35(2．14)1．02-3．12(2．00)1．34-3．77(2．43)0．75-3．58(1．89)0．71-3．57(2．03)

4.2 沉積古環(huán)境控制有機質(zhì)的富集

干旱-半干旱氣候條件下，蒸發(fā)量大于降雨量和陸地徑流量，湖泊水體濃縮、鹽度增大，生物所需的營養(yǎng)物富集，促進了浮游類生物的繁殖，有利于產(chǎn)生中等-高的原始有機質(zhì)產(chǎn)率；此時，泥頁巖形成于湖擴體系域，較高的湖平面形成大的可容納空間，為有機質(zhì)富集提供足夠的空間；古水體鹽度存在差異，在半深湖-深湖區(qū)域形成鹽度分層，使底水缺氧而處于還原環(huán)境，較小的沉積速率又避免有機質(zhì)被稀釋破壞，從而使有機質(zhì)顯著富集。

5 結(jié)論

(1)泌陽凹陷富有機質(zhì)頁巖主要集中在H32層序和H31層序的湖擴體系域和緊鄰最大湖泛面的高位體系域，總體形成于半深湖-深湖環(huán)境，橫向延伸較遠，從整體而言頁巖層厚度分布與湖相分布比較相似，具有圍繞湖盆呈環(huán)帶狀分布、向湖中心逐漸增大的特點。

(2)泌陽凹陷有機質(zhì)不僅影響頁巖油的生油潛量還能改善頁巖的儲集物性，增加巖石脆性。有機質(zhì)主要以無定形有機質(zhì)為主要賦存形式，主要來源于浮游藻類等低等生物。

(3)有機質(zhì)的富集主要受沉積相帶及古環(huán)境兩個因素的控制，主要發(fā)育在湖盆中心相對穩(wěn)定的深湖-半深湖相帶，形成于干旱-半干旱的還原條件下緩慢沉積的、具有中等-高生產(chǎn)力的咸水湖泊環(huán)境。

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編輯：吳官生

1673-8217(2015)06-0011-04

2015-04-20

羅曦，工程師， 1984年生，2009年畢業(yè)于西南石油大學石油地質(zhì)專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣勘探研究工作。

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