試論優(yōu)質(zhì)烴源巖與大油田的共生關(guān)系

鄧運華 孫 濤

(中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028)

1 烴源巖的認識過程

一個油田的形成，必須具備“生、儲、蓋、運、圈、?！钡?個條件，缺一不可，其中最重要的是“源”，“源控”是一級控制。中國老一輩石油地質(zhì)學(xué)家提出“源控論”是對世界石油地質(zhì)理論的重大貢獻，在勘探實踐中發(fā)揮了重要的作用。筆者總結(jié)30年的勘探實踐認為，在一個地區(qū)搞勘探，如果是“儲、蓋、運、圈、?！蔽锤闱宄骄且豢谝豢诘厥Ю?；如果是“源”沒有搞清楚，探井則是一批一批地失利。在新區(qū)勘探，尤其是中國公司走向海外勘探，進行新項目評價，核心的要素是“源”。關(guān)于烴源巖的認識，經(jīng)歷了一個較長過程。

石油地質(zhì)學(xué)家很早就認識到油氣是沉積巖中有機質(zhì)生成的，但是油氣的有機成因理論直到20世紀(jì)70年代初，法國化學(xué)家蒂索提出干酪根熱降解成油之后才逐步建立起來，并在實驗室從沉積巖中熱解出石油。20世紀(jì)70年代至今，石油地質(zhì)學(xué)家、勘探家對生油巖的認識可以分為3個階段：①20世紀(jì)70—90年代，學(xué)者們認為沉積巖中的有機質(zhì)在較高溫度和壓力作用下生成石油，生成的石油首先是被泥質(zhì)顆粒所吸附，滿足吸附后多余的石油才能發(fā)生初次運移，為油田作貢獻。沉積巖中不同類型的有機質(zhì)生油能力不同，以水生生物為主的腐泥型干酪根生油能力強，當(dāng)有機碳含量(TOC)大于0.5%時，除滿足吸附外，還可排出石油。有機質(zhì)組分以高等植物為主的腐殖型干酪根生油能力差，TOC值大于1.0 %時生成的石油才能夠滿足吸附。②隨著油氣成因研究和勘探的深入，石油地質(zhì)家和勘探家解放思想，一些學(xué)者和專家在1990～2000年提出生油巖體積可以彌補生油巖品質(zhì)的不足，生油巖TOC下限值不一定是0.5%，0.3%就可以滿足吸附，排出石油，而碳酸鹽巖生油巖因含泥質(zhì)少、吸附性差，TOC值只需達到0.2%就是有效生油巖。③2000年以后，石油地質(zhì)家和勘探家獲得了更多盆地(凹陷)中心生油巖的鉆井、取心、地化分析資料，對有效生油巖的認識發(fā)生了根本性變化，豐富的生油巖地化資料，尤其是生物標(biāo)志物資料的獲得，使油-巖對比更清晰、更充分，發(fā)現(xiàn)為油田作貢獻的生油巖是厚度并不一定很大，但有機質(zhì)豐度很高的優(yōu)質(zhì)生油巖。

例如,濟陽坳陷的東營凹陷探明石油地質(zhì)儲量達25.6億噸，是中國最富的生油凹陷。過去認為之所以石油非常豐富，是因沙四段、沙三段生油巖厚度高達1 500 m，生油巖體積大；而隨著大量生油巖地化資料的積累以及油-巖對比研究的深入，發(fā)現(xiàn)對油田作貢獻的是沙四上亞段和沙三下亞段優(yōu)質(zhì)烴源巖，厚度在190～320 m(表1)，這2套生油巖有機質(zhì)豐度高(TOC值為2.0%～10.0%)，有機質(zhì)類型好，生烴潛力大[1]。四川盆地是我國近些年勘探重點地區(qū)，也是我國發(fā)現(xiàn)氣田最早、目前年產(chǎn)氣量較大的盆地之一[2]。過去認為古生代海相烴源巖在盆地內(nèi)廣泛發(fā)育，據(jù)此在盆地內(nèi)均衡勘探，效果欠佳。近幾年隨著新資料的增加，認識到古生代裂陷槽內(nèi)優(yōu)質(zhì)烴源巖有機質(zhì)豐度較高，TOC值在2.0%～9.8%，厚度為30～50 m，所發(fā)現(xiàn)的普光、元壩、龍崗、安岳等大氣田均位于裂陷槽邊緣。關(guān)于裂陷槽內(nèi)優(yōu)質(zhì)烴源巖的成因和主控因素，可能是裂陷槽水體較深，位于浪基面以下，有機質(zhì)保存條件好，而廣大臺地上水體淺，不利于有機質(zhì)保存。四川盆地的勘探成果充分證明了優(yōu)質(zhì)烴源巖對油氣田的控制作用。

表1 不同盆地(凹陷)優(yōu)質(zhì)烴源巖參數(shù)對比Table 1 Comparison of parameters of high quality source rocks in different basins (sags)

墨西哥灣盆地油氣非常豐富，是世界上最為富集的三大油區(qū)之一[3]。過去認為，該區(qū)發(fā)育侏羅系、白堊系及第三系等3套厚層生油巖，但近10年油-巖對比分析，尤其是生物標(biāo)志物指標(biāo)對比分析，認識到93%的原油是來自上侏羅統(tǒng)提塘階，厚度只有30～170 m，有機質(zhì)豐度高(TOC值為2.0%～22.8%)，類型為Ⅰ、Ⅱ1型(表1)。歐洲的北海盆地已發(fā)現(xiàn)石油可采儲量91億方，油-巖對比分析認為95%的石油來自厚度50～250 m的上侏羅統(tǒng)基莫利階泥頁巖。西西伯利亞盆地已發(fā)現(xiàn)300多個油氣田，石油可采儲量200億～280億噸，天然氣可采儲量40萬～60萬億方，為全球第二大富油氣盆地，絕大多數(shù)石油來自上侏羅統(tǒng)巴熱諾夫組，烴源巖厚度30～50 m，有機質(zhì)豐度高(TOC值為5%～40%)，類型為Ⅰ、Ⅱ1型(表1)?？刹蓛α空既蛞话氲牟ㄋ篂撑璧兀髁ι蛶r是侏羅系，厚度介于50～300 m，并不是很厚，但有機質(zhì)豐度高(TOC值為2%～12%)，類型為Ⅰ、Ⅱ1型。古特堤斯洋盆志留系熱頁巖厚度只有5～75 m，但是TOC值高達17%，有機質(zhì)類型為Ⅰ、Ⅱ1型(表1)，該熱頁巖高溫裂解生成的大量天然氣形成了很多大型、超大型油氣田，全球最大的氣田——北方氣田就位于該盆地，可采儲量高達38萬億方。巴西東南部海域的桑托斯盆地石油地質(zhì)條件十分優(yōu)越，油氣資源極為豐富，石油可采儲量400億桶，烴源巖為白堊系湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖，厚度介于50～300 m，有機質(zhì)豐度高(TOC值為2.0%～16.0%)，類型主要為Ⅰ型(表1)。

由此可見，為油田作出貢獻的烴源巖取決于質(zhì)量好，而非體積大，多數(shù)學(xué)者認為Ⅰ、Ⅱ1型干酪根，TOC值大于2%的烴源巖為優(yōu)質(zhì)烴源巖，是油田主要貢獻者。實際取心資料也證明了這一論斷，據(jù)報道曾在一個盆地中心針對烴源巖進行系統(tǒng)取心，位于生油門限之下的泥巖厚度大于1 000 m，在泥巖中發(fā)育砂巖透鏡體，分析發(fā)現(xiàn)有機質(zhì)豐度TOC值為1.0%～1.5%的泥巖內(nèi)砂巖無熒光顯示，而TOC值大于2.0%的泥巖內(nèi)砂巖中有熒光顯示。此外，對不同有機質(zhì)豐度的生油巖進行排烴效率研究時發(fā)現(xiàn)，豐度高的優(yōu)質(zhì)生油巖不僅生油量多，而且排烴效率高，TOC值大于2.0%的Ⅰ型干酪根對應(yīng)的泥巖排烴效率為80%，排出的油多，對油田的貢獻才大。

2 優(yōu)質(zhì)生油巖的形成環(huán)境

優(yōu)質(zhì)生油巖的形成必須具備2個條件，一是水生生物大量生長，提供大量的有機質(zhì)來源；二是有機質(zhì)保存條件好。水生生物生長所需的條件包括營養(yǎng)物質(zhì)、水體溫度和清澈度。通常情況下，湖泊的中-深湖區(qū)、淺海區(qū)(水深20～200 m)水體清澈，適于生物生長。而溫度對生物的生長控制性并不明顯，不同的生物對溫度的適應(yīng)性不同，有的動植物適合于溫暖的環(huán)境生長，而有的動植物則適合在較寒冷的地區(qū)生存。最近一些學(xué)者對全球泥炭分布進行了分析統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)在地球上90%的泥炭分布在北半球緯度較高、溫度較低的地區(qū)，而不是赤道附近溫暖地區(qū)。其中，西西伯利亞盆地的泥炭占比約70%，原因是那里地形平坦，平原—濕地—沼澤分布廣，植物茂盛，物質(zhì)基礎(chǔ)好；水系發(fā)育，植物死亡后被薄層水所覆蓋，為弱還原環(huán)境，有利于植物腐化-保存而不被氧化。由此可見，生物的生長對溫度的要求并不嚴(yán)格，寒帶—溫帶同樣有大量生物繁殖。

水生生物的生長主要受水體營養(yǎng)物質(zhì)控制，那么湖泊與海洋中營養(yǎng)物質(zhì)來自何處？傳統(tǒng)石油地質(zhì)學(xué)認為，海洋中藻類等水生生物生長的營養(yǎng)物質(zhì)來自大洋上升流，大洋中脊的火山物質(zhì)溶解在海水中，隨底層流動帶到大洋兩岸，形成大洋上升流。據(jù)此推論，海相生油巖形成于大洋中脊兩側(cè)開闊的海岸盆地中。但是，筆者在近12年從事海外油氣勘探研究工作中發(fā)現(xiàn)，波斯灣盆地、西西伯利亞盆地、墨西哥灣盆地、北海盆地、大西洋盆地、東非海岸盆地等，它們在主力生油巖形成時期均位于大陸邊緣的海灣。這些盆地周邊三面為陸地，只有一個方向水道與大洋相連，這種狀況下大洋上升流不能到達海灣，盆地與大洋中間被島嶼、半島所隔離，所以大洋上升流不是海相盆地生物生長所需主要營養(yǎng)物質(zhì)的來源。深入研究后認為營養(yǎng)物質(zhì)來自盆地周邊的陸地，陸上基巖風(fēng)化后的礦物質(zhì)溶解在河水中，經(jīng)河流帶入海灣，海灣與大洋的海水流通置換不暢，海灣內(nèi)長期保持礦物質(zhì)高濃度，有利于生物生長?，F(xiàn)代生物的發(fā)育也證明了這個推論，中國渤海海域夏季紅藻大量生長，將海水“染紅”，即為赤潮，但是渤海的赤潮只分布在5條河流(遼河、大凌河、綏中河、海河、黃河)入海口(圖1)，由于這5條河中含有大量的磷、鐵等元素，是紅藻生長的主要養(yǎng)分，導(dǎo)致紅藻繁盛(其實紅藻也是生油母質(zhì))。相反的例子是弧前盆地，世界上絕大多數(shù)弧前盆地不富集石油，而絕大多數(shù)弧后盆地卻富集石油。這是因為，弧后盆地靠近陸地，河流帶來了營養(yǎng)物質(zhì)，使水生生物得以繁盛；而弧前盆地遠離大陸，只與面積較小的火山島弧相鄰(圖2)，沒有河流注入，缺乏陸地帶來的營養(yǎng)物質(zhì)，水生生物不能大量生長，缺乏生油的物質(zhì)基礎(chǔ)。這正是弧前盆地與弧后盆地油氣富集程度不同的主要原因，也是水生生物賴以生存的營養(yǎng)物質(zhì)來源于陸地河流的有力證據(jù)。

湖泊中生物生長的營養(yǎng)物質(zhì)來自何處？筆者在1998年曾考察了美國鹽湖，該湖中鹽、碳酸鹽鮞粒非常多，當(dāng)時提出了一個問題，即這些鹽、碳酸鹽鮞粒的元素來自何處，為何湖中含鹽如此之高。經(jīng)考察發(fā)現(xiàn)，有一條河流長年流入湖泊，但湖水沒有出口，湖水減少靠蒸發(fā)，入湖的河水中溶解了流經(jīng)區(qū)域基巖風(fēng)化的礦物質(zhì)；蒸發(fā)的水分是純淡水，礦物質(zhì)則滯留在湖泊中，日積月累，湖水中礦化度越來越高，最終成為鹽湖。正常湖泊中的水有2個補給來源，一是河流注入，二是大氣降水。大氣降水中不含礦物質(zhì)，所以湖泊中礦物質(zhì)主要來自河流。海水為什么是咸的，也是同樣的道理。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，河流流經(jīng)地區(qū)基巖巖性不同，河水中礦物質(zhì)含量也不同，湖泊中的水生生物發(fā)育程度亦不同。火成巖和正變質(zhì)巖流經(jīng)地河水中礦物質(zhì)含量豐富，有利于湖泊中水生生物生長；而沉積巖，負變質(zhì)巖，尤其是碳酸鹽巖為母巖風(fēng)化后礦物質(zhì)含量低，不利于水生生物發(fā)育。

圖1 渤海海域赤潮分布圖Fig.1 Red tide distribution in Bohai sea

圖2 主動大陸邊緣溝弧盆體系模式圖Fig.2 Active continental marginal arc basin system pattern

由此可見，河流-湖泊體系、河流-海灣體系是生油巖發(fā)育的主要場所；而湖泊中水深大于8 m的中—深湖區(qū)，海灣中水深在20～200 m的海域有利于有機質(zhì)保存，形成優(yōu)質(zhì)生油巖。

3 優(yōu)質(zhì)烴源巖對大油田的貢獻實例分析

3.1 墨西哥灣盆地

墨西哥灣盆地位于北美洲南部，為近圓形的沉積盆地，面積為93×104km2，沉積厚度約10 km，為世界上油氣最為富集的三大油區(qū)之一，目前已發(fā)現(xiàn)1 200多個油氣田[4]。墨西哥灣盆地構(gòu)造演化可劃分為3個階段：①裂谷期(晚三疊世—中侏羅世)，發(fā)育晚三疊世湖相沉積和中侏羅世鹽巖；②過渡期(晚侏羅世全面海泛時期)，為海相碳酸鹽巖、泥灰?guī)r、泥巖及砂巖沉積，富含有機質(zhì)泥灰?guī)r是主要的烴源巖。③被動陸緣期(白堊紀(jì)—第三紀(jì))，早白堊世以碳酸鹽巖臺地為主，晚白堊世—第三紀(jì)海岸線不斷向南推進發(fā)育碎屑巖沉積，白堊紀(jì)—第三紀(jì)的泥巖是次要的生油巖。

鉆探結(jié)果證實，墨西哥灣盆地發(fā)育多套烴源巖，包括中上侏羅統(tǒng)、白堊系及第三系海相泥頁巖。其中，最重要的是上侏羅統(tǒng)提塘階優(yōu)質(zhì)烴源巖，TOC值最高可達22.8%，生烴潛量S1+S2值為12～177 mgHC/gTOC(圖3)，氫指數(shù)IH最高達753 mgHC/gTOC，顯微組分以藻類為主，有機質(zhì)類型為Ⅰ、Ⅱ1型。墨西哥灣盆地提塘階分布廣泛，陸上、淺水區(qū)和深水區(qū)均有分布，幾乎遍及整個墨西哥灣，是墨西哥灣盆地油氣的主力烴源巖，烴源巖厚度介于30～170 m，為墨西哥灣盆地形成巨型油氣田奠定了雄厚的物質(zhì)基礎(chǔ)。

圖3 墨西哥灣盆地提塘階烴源巖質(zhì)量Fig.3 Tithonian source rock quality in Gulf of Mexico basin

墨西哥灣盆地提塘階烴源巖及其生成原油的生物標(biāo)志化合物特征見圖4，可見生物標(biāo)志化合物特征為藿烷及升藿烷含量較高，C29/C30αβ藿烷<1，Ts/Tm<1，三環(huán)萜烷含量低(相對五環(huán)萜烷而言)，C35/C34升藿烷含量較高，重排甾烷含量較低。分析認為，C35升藿烷含量較高和重排甾烷含量較低主要與碳酸鹽巖沉積環(huán)境和較少的黏土輸入量有關(guān)。另外，C27甾烷含量高，表明有機質(zhì)來源主要為水生生物。提塘階烴源巖和原油的生物標(biāo)志化合物對比表明，提塘階烴源巖貢獻了墨西哥灣盆地已發(fā)現(xiàn)石油儲量的約80%。

圖4 墨西哥灣盆地Tampico-Misantla次盆提塘階油-源對比圖Fig.4 Tithonian oil-source rock correlation of Tampico-Misantla sub-basin in Gulf of Mexico basin

3.2 東營凹陷

東營凹陷位于濟陽坳陷的東南部，是勝利油田主要產(chǎn)油凹陷，面積約5 700 km2，探明儲量約25.6億噸，其中92%的油氣分布在凹陷內(nèi)，8%分布在凸起上，為典型的凹陷富集型。東營凹陷的基本構(gòu)造格局為北斷南超、北陡南緩。

在新生代始新統(tǒng)生油巖形成時期，東營凹陷氣候溫暖潮濕，古湖泊周邊有多條河流水系注入，河流帶來了大量營養(yǎng)物質(zhì)，導(dǎo)致湖生生物大量生長繁盛。前人研究認為，東營凹陷發(fā)育多套烴源巖，包括咸水-半咸水環(huán)境的沙四上亞段、沙一段，淡水環(huán)境的沙三下亞段及沙三中亞段[5]，烴源巖累計厚度很大。多年來的勘探實踐及分析測試數(shù)據(jù)證實，東營凹陷古近系烴源巖中有機質(zhì)分布明顯存在非均質(zhì)性，表現(xiàn)為既存在有機質(zhì)豐度一般的烴源巖，也存在有機質(zhì)富集的優(yōu)質(zhì)烴源巖，其中優(yōu)質(zhì)烴源巖有機質(zhì)豐度高、類型好，具有較高的生烴潛力。經(jīng)過對烴源巖進行系統(tǒng)評價，證實沙四上亞段和沙三下亞段的泥頁巖為東營凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖。其中，沙四上亞段烴源巖巖性組合以鈣質(zhì)紋層泥頁巖為主，夾泥灰?guī)r，為半咸水—咸水湖相沉積，厚度并不大，僅為40～120 m，TOC值高達10.0%，生烴潛量S1+S2值達72 mgHC/gTOC(圖5)；沙三下亞段烴源巖厚度為150～200 m，巖性以泥巖、灰褐色油頁巖為主，夾少量灰?guī)r及白云巖，為淡水湖相沉積，TOC值高達10.5%，生烴潛量S1+S2值達76 mgHC/gTOC(圖5)。

東營凹陷沙四段優(yōu)質(zhì)烴源巖及其生成原油的生物標(biāo)志化合物特征(圖6)為高含量的伽馬蠟烷與C27甾烷，表明為咸水的沉積環(huán)境，有機質(zhì)主要來自水生生物。油源對比的結(jié)果表明，沙四上亞段和沙三下亞段優(yōu)質(zhì)烴源巖形成了多個大型油田，如八面河油田、草橋油田、東辛油田、坨莊油田和平方王油田等。這些億噸級的大油田均與優(yōu)質(zhì)烴源巖有關(guān)，優(yōu)質(zhì)烴源巖是東營富油凹陷形成的決定條件。

圖5 東營凹陷烴源巖有機碳及S1+S2頻率分布圖Fig.5 Source rock frequency distribution of TOC and S1+S2 in Dongying sag

圖6 東營凹陷沙四段油-源對比圖Fig.6 Oil-source rock correlation of Shahejie-4 in Dongying sag

3.3 北部灣盆地

北部灣盆地是在南海北部大陸邊緣發(fā)育起來的新生代裂谷盆地，面積約為2.2×104km2。北部灣盆地經(jīng)過幾十年的勘探，已經(jīng)證實潿西南凹陷和烏石凹陷為富油凹陷[6-9]，主力烴源巖為流二段，巖性為暗色泥頁巖，尤其是流二段頂部和底部發(fā)育的油頁巖，為優(yōu)質(zhì)烴源巖。潿西南凹陷流二段頂部油頁巖厚度在7～25 m，流二段底部油頁巖厚度為15～98 m；有機質(zhì)豐度較高，TOC值大于2%，最高達20%(圖7)，生烴潛量S1+S2值最高達97.40 mgHC/gTOC；顯微組分以無定型和殼質(zhì)組為主，有機質(zhì)類型以Ⅱ1型為主，部分為Ⅰ型，具有較強的生油能力。北部灣盆地的烏石凹陷同樣也揭示了流二段優(yōu)質(zhì)烴源巖[9]，流二段中下部油頁巖厚度為35～180 m，平均131 m；TOC值為2.84%～14.77%，平均5.83%；生烴潛量S1+S2值為8.5～102.59 mgHC/gTOC，平均29 mgHC/gTOC；氫指數(shù)IH平均461 mgHC/gTOC，有機質(zhì)類型為Ⅰ、Ⅱ1型。

北部灣盆地油頁巖及其生成原油的生物標(biāo)志化合物特征為高含量的4-甲基甾烷(圖8)。一般認為，4-甲基甾烷的母源為浮游藻類，因此該油頁巖的形成可能與藻類等水生生物的勃發(fā)有關(guān)[10]。油-源生物標(biāo)志化合物對比結(jié)果表明，優(yōu)質(zhì)烴源巖對北部灣盆地大油田的形成有明顯的控制作用，已探明儲量中潿西南凹陷80%的原油、烏石凹陷90%的原油均為優(yōu)質(zhì)烴源巖的貢獻。

圖7 潿西南凹陷流二段烴源巖TOC頻率分布圖Fig.7 TOC frequency distribution of Liushagang-2 source rock in Weixinan sag

圖8 北部灣盆地流二段油-源對比圖Fig.8 Oil-source rock correlation of Liushagang-2 in Beibuwan basin

4 結(jié)論

1)隨著石油勘探和烴源巖研究的深入，生油巖、原油和油-源對比資料的積累，大量的勘探實踐及研究成果揭示大油田的形成主要依賴于優(yōu)質(zhì)生油巖。一個盆地或者一個凹陷石油富集程度取決于烴源巖品質(zhì)，而并非烴源巖厚度或者體積，要尋找大型油田，首先要找到優(yōu)質(zhì)烴源巖。

2)河流-湖泊體系、河流-海灣體系是生油巖發(fā)育的主要場所，而湖泊中的中—深湖區(qū)、海灣中水深在20～200 m的海域有利于有機質(zhì)的富集和保存，是優(yōu)質(zhì)生油巖形成的有利環(huán)境。