黃河口凹陷烴源巖特征及其在層序地層格架中的分布

姜 雪,吳克強(qiáng),劉麗芳,孫和風(fēng),湯麗娜

(1.中國(guó)海洋石油研究總院有限公司,北京 100028;2.中國(guó)海洋石油國(guó)際有限公司,北京 100027)

作為油氣運(yùn)移起點(diǎn)的烴源巖是形成大中型油氣田的物質(zhì)基礎(chǔ),生烴條件的差異從根本上決定了凹陷油氣的“貧”與“富”[1]。因此，在富生烴凹陷的研究和評(píng)價(jià)中,烴源巖的評(píng)價(jià)和預(yù)測(cè)是核心。同一烴源巖層段內(nèi)部不同樣品之間的有機(jī)質(zhì)豐度、類型以及生物標(biāo)志物參數(shù)往往存在較大差異,這種差異是由于其所處的層序格架中位置的不同所導(dǎo)致的。關(guān)于層序格架與烴源巖的關(guān)系前人有所探討[2-10]，但僅僅指出了烴源巖發(fā)育于湖侵體系域晚期,靠近最大湖泛面附近,并未進(jìn)行深入的研究。本文在對(duì)渤海海域黃河口富生油凹陷湖相烴源巖特征及沉積背景進(jìn)行分析總結(jié)的基礎(chǔ)上,通過分析黃河口凹陷9口典型鉆井(見圖1中的HHK1～HHK9井)古近系TOC這個(gè)烴源巖豐度評(píng)價(jià)指標(biāo)隨沉積旋回的演變和層序構(gòu)型的不同所表現(xiàn)出來的變化趨勢(shì),總結(jié)烴源巖在層序地層格架中的分布位置,以期為烴源巖在剖面以及空間內(nèi)的展布規(guī)律的預(yù)測(cè)提供方向。

圖1 黃河口凹陷構(gòu)造區(qū)劃圖(據(jù)文獻(xiàn)[2]修改)Fig.1 The structural division of Huanghekou sag

1 黃河口凹陷烴源巖的發(fā)育概況及其特征

黃河口凹陷位于陸內(nèi)裂谷盆地渤海海域南部,發(fā)育東、西兩個(gè)次洼(見圖1)。研究區(qū)廣泛發(fā)育3套湖相烴源巖,分別是古近系沙三段、沙一段和東二下—東三段；烴源巖巖性主要為灰色、深灰色、灰黑色以及黑色的泥巖和油頁巖,其中油頁巖主要發(fā)育在沙三段和沙一二段。局部鉆井揭示，研究區(qū)孔店組也具有一定生烴潛力,但因鉆井有限,本文未對(duì)孔店組做詳細(xì)敘述。

圖2 有機(jī)質(zhì)豐度特征圖Fig.2 The characteristics of organic matter abundance

1.1 有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)豐度是評(píng)價(jià)烴源巖的一項(xiàng)重要內(nèi)容。有機(jī)質(zhì)豐度的高低與烴源巖是否具備形成工業(yè)性油氣聚集的潛力是有直接關(guān)系的。通過對(duì)黃河口凹陷數(shù)百個(gè)烴源巖樣品熱解測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)，總結(jié)出黃河口凹陷3套湖相烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度特征(見圖2)。據(jù)湖相泥質(zhì)烴源巖評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[2]可知,沙三段(以沙三中段和下段為主)及沙一段均為好烴源巖,東二下—東三段整體評(píng)價(jià)為一套中—好的烴源巖。由于好—很好的烴源巖才是生烴的主力,故結(jié)合渤海海域的勘探實(shí)際,將好—很好的烴源巖統(tǒng)稱為優(yōu)質(zhì)烴源巖,并針對(duì)主力生烴層段沙三段分東、西兩次洼進(jìn)行統(tǒng)計(jì)(見圖3)可知，西次洼發(fā)育更多的優(yōu)質(zhì)烴源巖。

圖3 黃河口凹陷東、西次洼沙三段烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度分布頻率圖Fig.3 Distribution frequence of organic matter abundance of the source rocks in member 3 of Shahejie formation from east and west sub-sags of Huanghekou sag

1.2 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型的不同決定了烴源巖的生烴演化過程及其產(chǎn)物特征的不同，故有機(jī)質(zhì)類型是劃分有機(jī)相、評(píng)價(jià)有機(jī)質(zhì)生烴潛力的最主要指標(biāo)。分析表明，總體上講，研究區(qū)3套烴源巖具有相似的有機(jī)質(zhì)類型，均以Ⅱ型為主，Ⅰ型和Ⅲ型很少，即3套烴源巖的有機(jī)質(zhì)類型為低等水生生物藻類來源(Ⅱ1型)與陸源高等植物來源(Ⅱ2型)的混合類型為主。具體而言，沙三段烴源有機(jī)質(zhì)以Ⅱ1型為主，Ⅱ2型次之；沙一段烴源巖有機(jī)質(zhì)以Ⅱ1為主，Ⅱ2型次之，偶見Ⅰ型；東二下—東三段烴源巖有機(jī)質(zhì)以Ⅱ2型為主，Ⅱ1型為輔，少量Ⅲ型(見圖4)。

圖4 有機(jī)質(zhì)類型特征圖Fig.4 The characteristics of organic matter type

2 烴源巖發(fā)育的沉積背景及其特征

湖盆演化的不同階段,隨著古湖泊環(huán)境的不同,其沉積物和烴源巖表現(xiàn)出差異。而在湖盆演化的同一時(shí)期,湖盆的不同位置,由于湖盆古地形、水深、物源供應(yīng)等不同,且陸相湖盆中,烴源巖的展布與發(fā)育明顯受沉積環(huán)境、沉積相的控制, 直接影響著烴源巖的生烴潛力,造成處于不同沉積相帶的烴源巖巖性、有機(jī)質(zhì)豐度及類型的差異。關(guān)于烴源巖沉積背景的判定,在微觀和宏觀層面都有相應(yīng)的方法,下面將分別討論。

2.1 烴源巖發(fā)育環(huán)境的微觀判別

烴源巖的生物標(biāo)志物參數(shù)分析,可以區(qū)分不同層位烴源巖的特征、反映有機(jī)質(zhì)生物來源以及反映沉積和早期成巖環(huán)境,特別是能反映氧化還原條件和介質(zhì)鹽度等特征。故本研究經(jīng)過大量數(shù)據(jù)的篩選,針對(duì)黃河口凹陷烴源巖，主要選取受生物降解和成熟度影響較小的幾類參數(shù)[11-12]對(duì)3套烴源巖進(jìn)行評(píng)價(jià)。

姥鮫烷/植烷即Pr/Ph通常用于指示氧化還原環(huán)境,低姥植比反映還原環(huán)境。對(duì)比其判別標(biāo)準(zhǔn),圖5b顯示3套源巖均形成于相對(duì)還原的環(huán)境,相比而言，沙一段和沙三段沉積時(shí)的環(huán)境還原性遠(yuǎn)強(qiáng)于東二下—東三段烴源巖沉積時(shí)。

圖5 烴源巖生標(biāo)特征Fig.5 Biomarker characteristic of source rocks

三環(huán)萜烷和四環(huán)萜烷由于其較好的熱穩(wěn)定性,且具有較強(qiáng)的抗生物降解能力被廣泛用于烴源巖的特征研究。大量研究實(shí)例表明，C19/C23三環(huán)萜烷的高值和大量的C24四環(huán)萜烷的聚集往往指示較多的陸源有機(jī)質(zhì)的輸入。如圖5a所示,東二下—東三段烴源巖具有相對(duì)較高的陸源有機(jī)質(zhì)的輸入,而沙三和沙一兩套烴源巖則具有相對(duì)較低的陸源有機(jī)質(zhì)輸入。

大量的伽瑪蠟烷的存在往往表明烴源巖沉積時(shí)分層水體的存在,且往往為高鹽度分層水體的表征。實(shí)際研究中往往用伽瑪蠟烷指數(shù)即伽瑪蠟烷/C30藿烷來反映伽瑪蠟烷的含量。黃河口凹陷烴源巖樣品均檢測(cè)出伽瑪蠟烷,含量范圍很寬(見圖5b，c)。沙一段烴源巖伽瑪蠟烷含量相對(duì)較高,指示沉積時(shí)為蒸發(fā)環(huán)境或咸水環(huán)境,是一種水體穩(wěn)定分層的還原環(huán)境。沙三段和東二下—東三段烴源巖樣品的伽瑪蠟烷指數(shù)分布范圍整體較低,表明沙三段和東二下—東三段沉積時(shí)期為淡水沉積環(huán)境為主,但在局部區(qū)域可能出現(xiàn)微咸水沉積環(huán)境。

2.2 烴源巖發(fā)育的沉積相判別

通過對(duì)分布于黃河口凹陷不同構(gòu)造位置的9口重點(diǎn)井的沉積相分析,結(jié)合凹陷發(fā)育的構(gòu)造演化背景及與實(shí)測(cè)有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的相關(guān)性探討(見圖6),得出黃河口凹陷不同沉積亞相及微相中的泥巖機(jī)質(zhì)豐度呈規(guī)律變化：半深湖—深湖相的泥質(zhì)沉積有機(jī)質(zhì)豐度高,受物源影響弱的淺湖泥質(zhì)沉積也具較高的有機(jī)質(zhì)豐度；特別是沙一段水體咸化程度高,形成了穩(wěn)定的分層水體,是較好的還原環(huán)境,故淺湖相沉積中也廣泛發(fā)育好烴源巖；三角洲前緣的支流間灣泥巖則往往不具備高的有機(jī)質(zhì)豐度。

圖6 烴源巖發(fā)育的沉積亞相特征Fig.6 Sedimentary subfacies characteristic of source rocks

黃河口凹陷重點(diǎn)井的砂泥巖厚度含量統(tǒng)計(jì)與有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)參數(shù)相關(guān)性探討研究表明(見圖7):當(dāng)某一地層單元中,泥巖體積含量達(dá)碎屑巖體積含量的60%以上時(shí),烴源巖具有較高的有機(jī)質(zhì)豐度。

圖7 烴源巖發(fā)育層段泥巖百分比與TOC相關(guān)圖Fig.7 Total organic carbon (TOC) content with mudstone percentage

2.3 烴源巖的地震反射特征

明確了湖相烴源巖主要分布于穩(wěn)定的淺湖—半深湖環(huán)境,對(duì)于預(yù)測(cè)烴源巖的發(fā)育有很好的指導(dǎo)作用。但是，由于近海富生油凹陷的主力烴源巖都發(fā)育于古近系,完整鉆遇古近系主力烴源巖的鉆井?dāng)?shù)量極有限,因此利用地震資料識(shí)別烴源巖的分布特征顯得極為重要。前人研究顯示,烴源巖在地震反射上具有與其他巖層明顯不同的特點(diǎn)：反射軸具有低頻、高連續(xù)、強(qiáng)振幅的特點(diǎn),反射結(jié)構(gòu)一般為平行—亞平行反射,但隨著沉積環(huán)境和沉積模式的不同,在不同地區(qū)也存在差異。

黃河口凹陷東洼和西洼數(shù)條地震剖面解釋分析顯示，黃河口凹陷的3套烴源巖在地震反射上有明顯的特征(見圖8):沙一段咸化淺湖沉積反射特征表現(xiàn)為中低頻、連續(xù)、中強(qiáng)振幅;淡水—微咸水背景的淺湖沉積以中頻、較連續(xù) 、中振幅為反射特征;淡水—微咸水背景的深湖沉積以低頻、連續(xù)、強(qiáng)振幅為反射特征。

圖8 黃河口凹陷西洼烴源巖發(fā)育層段地震反射特征(剖面位置見圖1)Fig.8 Seismic reflection characteristics of source rocks in west sub-sags in Huanghekou sag

3 層序地層格架對(duì)烴源巖發(fā)育的控制作用探討

3.1 獲取縱向連續(xù)TOC值的探討

烴源巖有機(jī)碳含量是含油氣盆地生烴研究和資源評(píng)價(jià)中的一項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)。在可獲取烴源巖樣品的情況下,可通過實(shí)驗(yàn)直接測(cè)定有機(jī)碳含量。然而,受采樣條件限制,合適的烴源巖樣品常常數(shù)量有限、分布局限;再加上測(cè)試費(fèi)用的因素,直接測(cè)定的有機(jī)碳含量資料，無論是在數(shù)量上還是在分布上通常都難以滿足研究的需要。因此,有必要充分地利用縱向連續(xù)、廣泛分布的測(cè)井資料來評(píng)價(jià)烴源巖的有機(jī)碳含量。近年來,國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者開始探索烴源巖的地球化學(xué)參數(shù)與測(cè)井信息之間的關(guān)系,并在烴源巖的識(shí)別、成熟度及評(píng)價(jià)等方面取得了不少成果,有力地推動(dòng)了烴源巖測(cè)井評(píng)價(jià)的發(fā)展。Passey等[13-14]提出用ΔlgR法預(yù)測(cè)烴源巖的TOC值,近年來得以廣泛應(yīng)用。

為了更全面客觀地反映烴源巖在層序格架內(nèi)的分布規(guī)律,本研究針對(duì)資料相對(duì)翔實(shí)的黃河口凹陷主力烴源巖——沙河街組烴源巖,結(jié)合實(shí)測(cè)的TOC數(shù)據(jù),將聲波時(shí)差曲線(專門刻度孔隙度的測(cè)井曲線)疊合在電阻率曲線上,兩條曲線的幅度差即為ΔlgR,用ΔlgR法依據(jù)一系列的換算和經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出連續(xù)的TOC值(見圖9)。結(jié)果表明,在黃河口地區(qū),用測(cè)井資料預(yù)測(cè)的有機(jī)碳數(shù)據(jù)的吻合率高達(dá)87%。該方法便于在取樣少的井段獲取連續(xù)變化的TOC數(shù)據(jù),判斷TOC變化趨勢(shì),更有效地探討有機(jī)質(zhì)豐度在不同層序構(gòu)型中的演變關(guān)系。

3.2 層序地層格架對(duì)烴源巖發(fā)育的控制作用探討

分析表明(見圖10),黃河口富生油凹陷古近系發(fā)育的層序類型齊全,以基準(zhǔn)面上升半旋回為主的層序類型、以基準(zhǔn)面上升和下降半旋回相當(dāng)?shù)膶有蝾愋秃鸵曰鶞?zhǔn)面下降半旋回為主的層序類型都發(fā)育,優(yōu)質(zhì)烴源巖主要發(fā)育在以基準(zhǔn)面上升半旋回為主的層序類型中,基準(zhǔn)面上升和下降半旋回相當(dāng)?shù)膶有蝾愋椭写沃?在以基準(zhǔn)面下降半旋回為主的層序類型中最次,且?guī)追N層序類型中的有機(jī)質(zhì)豐度高值均出現(xiàn)在最大湖泛面附近。

優(yōu)質(zhì)烴源巖的這種分布特征主要是由于湖平面升降控制著沉積環(huán)境、沉積相的特征和分布,優(yōu)質(zhì)烴源巖也相應(yīng)地有規(guī)律地分布于層序地層格架中的一定部位：最大湖泛面附近,往往覆水加深，水體穩(wěn)定,介質(zhì)還原性強(qiáng),有利于有機(jī)質(zhì)的保存,且對(duì)于基準(zhǔn)面上升半旋回占優(yōu)勢(shì)的層序構(gòu)型中，隨著湖平面的不斷上升,沉積可容空間不斷增大期間,邊緣相帶萎縮,導(dǎo)致碎屑沉積物輸入量和陸源有機(jī)質(zhì)供應(yīng)量減少,形成極為有利于湖相有機(jī)質(zhì)富集的深湖和半深湖沉積環(huán)境。

基于以上結(jié)論,對(duì)黃河口凹陷的東西向剖面進(jìn)行層序格架劃分(見圖11),可以預(yù)測(cè)東三段在東洼發(fā)育較多優(yōu)質(zhì)烴源巖,沙一二段在東、西兩洼均發(fā)育較多優(yōu)質(zhì)烴源巖,沙三段則為西洼發(fā)育較多優(yōu)質(zhì)烴源巖(這與前文圖3的分析也是一致的)。

圖9 HHK6井沉積、層序綜合柱狀圖Fig.9 Sedimentaty and sequence synthetical histogram of well HHK6

圖10 層序地層格架對(duì)烴源巖發(fā)育的控制Fig.10 Control on the evolution of source rocks from sequence stratigraphic framework

圖11 黃河口凹陷剖面上烴源巖發(fā)育層段的層序發(fā)育特征(剖面位置見圖1)Fig.11 The characteristics of sequence stratigraphic framework in source rocks layers from the section acrossing the east and west sub-sags of Huanghekou sag

4 結(jié) 論

1)黃河口凹陷沙三段及沙一段烴源巖均為好烴源巖,東二下—東三段烴源巖綜合各項(xiàng)指標(biāo)整體評(píng)價(jià)為一套中—好的烴源巖;3套烴源巖總體上具有相似的有機(jī)質(zhì)類型,均以Ⅱ型為主。

2)烴源巖的生物標(biāo)志物參數(shù)分析表明，3套源巖均形成于相對(duì)還原的環(huán)境,沙一段和沙三段沉積時(shí)的環(huán)境還原性遠(yuǎn)強(qiáng)于東二下—東三段烴源巖沉積時(shí);東二下—東三段烴源巖具有相對(duì)較高的陸源有機(jī)質(zhì)的輸入,而沙三和沙一兩套烴源巖則具有相對(duì)較低的陸源有機(jī)質(zhì)輸入;沙一段沉積時(shí)為咸水環(huán)境,是一種水體穩(wěn)定分層的還原環(huán)境,沙三段和東二下—東三段沉積時(shí)期,為淡水沉積環(huán)境為主。

3)黃河口凹陷的烴源巖主要發(fā)育于穩(wěn)定的淺湖—深湖相的淡水環(huán)境、咸化水體的淺湖環(huán)境。咸化淺湖環(huán)境中沉積的沙一二段烴源巖反射特征為中低頻、連續(xù)、中強(qiáng)振幅,淡水條件下的深湖相烴源巖以低頻、連續(xù)、強(qiáng)振幅為反射特征。

4)黃河口凹陷好烴源巖主要發(fā)育在基準(zhǔn)面上升半旋回為主的層序類型中,基準(zhǔn)面上升和下降半旋回相當(dāng)?shù)膶有蝾愋椭写沃?在以基準(zhǔn)面下降半旋回為主的層序類型中最次,且?guī)追N層序類型中有機(jī)質(zhì)豐度高值均出現(xiàn)在最大湖泛面附近。