潿西南凹陷流沙港組二段優(yōu)質(zhì)烴源巖判別及其控油作用

高 崗，徐新德，劉詩局，甘 軍，胡晨暉，趙建宇

[1.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249； 2.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測(cè)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102249;3.中海石油(中國)有限公司 湛江分公司,廣東 湛江 524057]

潿西南凹陷是北部灣盆地北部的一個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元，面積約為3 800 km2(圖1)，屬于斷陷湖盆，經(jīng)歷了古近紀(jì)斷陷和新近紀(jì)拗陷兩個(gè)構(gòu)造-沉積演化階段[1-4]。凹陷沉積地層自下而上依次為古近系長流組(Ech)、流沙港組(El)、潿洲組(Ew)陸相沉積、新近系下洋組(Nx)、角尾組(Nj)、燈樓角組(Nd)和望樓港組(Nw)海相沉積以及第四系(Q)海相灰黃色砂層和灰色粘土[5-6]。其中，流沙港組從下到上依次分為流三段(El3)、流二段(El2)與流一段(El1)，流一段和流三段主要為頁巖、流二段底部有一套黑色頁巖，中上部主要為暗色泥巖[7-9]。有關(guān)流沙港組烴源巖已有多位學(xué)者針對(duì)烴源巖有機(jī)相[8]、熱演化特征[10-13]和烴源巖基本有機(jī)地化與分布特征[9,14-16]等進(jìn)行過研究，但對(duì)于凹陷中流沙港組優(yōu)質(zhì)烴源巖特征以及如何控制油氣分布尚無報(bào)道。許多研究者都對(duì)優(yōu)質(zhì)烴源巖進(jìn)行過探討和分析[17-22]，但更多學(xué)者傾向于認(rèn)為優(yōu)質(zhì)烴源巖主要是厚度較大、有機(jī)質(zhì)豐度高和進(jìn)入大量生烴階段的烴源巖[23-24]。目前主要由有機(jī)碳含量來界定優(yōu)質(zhì)烴源巖，但不同研究者所給出的有機(jī)碳含量下限值變化較大，并且普遍未提及確定有機(jī)碳含量下限值的依據(jù)[19-21，25-26]。優(yōu)質(zhì)烴源巖首先應(yīng)是排烴源巖。研究表明，潿西南凹陷流沙港組二段湖相暗色泥巖和黑色頁巖發(fā)育，是凹陷主力烴源巖。其富有機(jī)質(zhì)的黑色頁巖厚度較小，主要發(fā)育在流二段底部，而黑色頁巖之上的有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)低的暗色泥巖厚度大[27](圖2)。本文將依據(jù)生排烴基本原理，結(jié)合鉆井地質(zhì)數(shù)據(jù)、分析測(cè)試數(shù)據(jù)等，確定潿西南凹陷流沙港組二段的優(yōu)質(zhì)烴源巖分布及其對(duì)油氣分布的控制作用。

1 優(yōu)質(zhì)烴源巖的判別方法

烴源巖已生成的烴包括殘留烴和排出烴兩部分。一般有兩種方法可以得到烴源巖的殘留烴量。一種是熱解(Rock～Eval)方法獲得的S1一般代表烴源巖中的殘留烴量，若烴源巖未發(fā)生排烴，則S1可以近似代表已生烴量；另一種是有機(jī)溶劑氯仿抽提得到的氯仿瀝青“A”含量可以直接代表烴源巖中的殘留烴，在未發(fā)生排烴時(shí)也代表已生烴量[28]。作為排烴烴源巖，關(guān)鍵在于不但要有烴類生成，更重要的是要有烴類排出。烴源巖對(duì)烴類都有吸附性，所以，烴源巖生成的烴必須要首先滿足巖石吸附之后才能排出[29-30]。在烴源巖母質(zhì)特征、熱演化程度相近的情況下，有機(jī)質(zhì)豐度越低，生烴量越小，有機(jī)質(zhì)豐度越高，生烴量越大。所以，在母質(zhì)類型與成熟度接近的情況下，只有在有機(jī)質(zhì)豐度達(dá)到一定值后，烴源巖中的烴類才能達(dá)到飽和而排烴成為優(yōu)質(zhì)烴源巖。在此，將烴源巖開始排烴時(shí)對(duì)應(yīng)的有機(jī)質(zhì)豐度作為優(yōu)質(zhì)烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度界限值。

將熱解S1、氯仿瀝青“A”含量轉(zhuǎn)化為相對(duì)參數(shù)，即烴指數(shù)(HCI=S1/TOC)和A/TOC值。圖3顯示，隨TOC含量增加，不同烴源巖樣品的TOC值對(duì)應(yīng)的HCI與A/TOC值均有一定的變化范圍，但觀察不同TOC含量對(duì)應(yīng)的HCI與A/TOC最大值(最大包絡(luò)線)可以發(fā)現(xiàn)，其均具有隨TOC含量先增后降的特點(diǎn)。之所以發(fā)生這種變化主要是由于較高的TOC含量生成的烴相對(duì)較多，達(dá)到了烴源巖的飽和吸附量，多余的烴排出了烴源巖，從而導(dǎo)致較高TOC含量對(duì)應(yīng)的HCI與A/TOC值降低了。根據(jù)較高HCI與A/TOC值隨TOC含量的變化趨勢(shì)來看，最高的HCI與A/TOC趨勢(shì)值大致為2%(圖3)。該值的石油地質(zhì)意義在于，當(dāng)TOC低于該值時(shí)，烴源巖生成的烴量相對(duì)較低，難以滿足烴源巖的飽和吸附，烴源巖難以排烴而不能作為優(yōu)質(zhì)烴源巖；但TOC高于該值后，烴源巖生成的烴量將超過飽和吸附量而有部分烴類從烴源巖中排出，這樣的烴源巖才滿足優(yōu)質(zhì)烴源巖的基本條件。所以，2%即相當(dāng)于優(yōu)質(zhì)烴源巖的最低TOC含量值，其中流二段底部黑色頁巖的有機(jī)質(zhì)豐度基本高于2%，并表明其已經(jīng)普遍發(fā)生了排烴，故這段黑色頁巖可以表示優(yōu)質(zhì)的烴源巖，部分暗色泥巖也達(dá)到優(yōu)質(zhì)烴源巖標(biāo)準(zhǔn)。

圖1 北部灣盆地潿西南凹陷基本地質(zhì)單元(a，b)與地層柱狀圖(c)Fig.1 The map of the geological units (a，b),and the composite stratigraphic column (c) of Weixi’nan Sag,Beibuwan Basin

圖2 北部灣盆地潿西南凹陷W10-C-30井有機(jī)地化綜合柱狀圖Fig.2 The composite column of organic geochemistry for Well W10-C-30 in the Weixi’nan Sag,Beibuwan Basin

2 優(yōu)質(zhì)烴源巖的識(shí)別及其分布特征

潿西南凹陷雖有較多的烴源巖分析測(cè)試數(shù)據(jù)，但多數(shù)鉆井的分析數(shù)據(jù)離散型強(qiáng)，連續(xù)性差，難以在單井上進(jìn)行不同有機(jī)質(zhì)豐度烴源巖段的劃分。為此，利用測(cè)井ΔlgR法估算了不鉆井的烴源巖TOC含量[31-33]。黑色頁巖在單井上表現(xiàn)為聲波時(shí)差高、自然伽馬高、電阻率高等特點(diǎn)。實(shí)測(cè)與預(yù)測(cè)的TOC含量數(shù)據(jù)綜合識(shí)別單井暗色泥巖中的優(yōu)質(zhì)烴源巖和黑色頁巖，并確定統(tǒng)計(jì)其厚度(圖4)。對(duì)全區(qū)主要鉆井的流沙港組黑色頁巖與優(yōu)質(zhì)烴源巖進(jìn)行了識(shí)別，依據(jù)單井黑色頁巖厚度、優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，結(jié)合地層厚度與沉積相研究成果，繪制相應(yīng)的烴源巖厚度圖。

圖3 潿西南凹陷流沙港組烴源巖HCI-TOC(a)和A/TOC-TOC(b)含量關(guān)系Fig.3 The cross-plot of HCI-TOC(a)and A/TOC-TOC(b)of the Liushagang Fm source rocks in the Weixi’nan Sag

圖4 潿西南凹陷W6-C-1井流沙港組暗色泥巖中優(yōu)質(zhì)烴源巖與黑色頁巖段分布Fig.4 The stratigraphic distribution of high-quality source rocks in dark mudstone and black shale intervals in the Liushagang Fm in Well W6-C-1,Weixi’nan Sag

由于潿西南凹陷流二段烴源巖最發(fā)育，并且穩(wěn)定分布，鉆遇井多，而流一段和流三段烴源巖分布范圍相對(duì)較小，流一段成熟度總體較低。同時(shí)，油源對(duì)比分析表明[15-16]，流二段暗色泥巖和黑色頁巖為主力烴源巖，流一段和流三段貢獻(xiàn)相對(duì)較小。所以，主要分析流二段底部黑色頁巖和暗色泥巖中優(yōu)質(zhì)烴源巖的分布特征及其對(duì)油氣分布的控制作用。流二段底部黑色頁巖發(fā)育中心主要在凹陷內(nèi)的中東部，厚度最大可達(dá)140 m，分布范圍廣，連續(xù)性好，陷中西部有一個(gè)次厚度中心，最大沉積厚度為60 m(圖5a)。流二段暗色泥巖中的優(yōu)質(zhì)烴源巖分布范圍廣，總體分布趨勢(shì)與黑色頁巖相似，同樣有中東部與中西部2個(gè)次中心，但厚度最大都超過了500 m，東部的厚度次中心范圍更大(圖5b)。

3 優(yōu)質(zhì)烴源巖對(duì)油氣分布的控制作用

潿西南凹陷的原油總體可以分為Ⅰ和Ⅱ兩大類[34]，通過油源對(duì)比，Ⅰ類原油具有較高的4-甲基甾烷，主要與黑色頁巖有關(guān)(圖6)，Ⅱ類主要與暗色泥巖有關(guān)(圖7)。流二段底部黑色頁巖與Ⅰ類原油的疊合圖(圖8a)顯示，Ⅰ類原油主要圍繞底部黑色頁巖厚度中心分布，但也有的遠(yuǎn)離厚度中心，甚至在無黑色頁巖分布的部位也有分布，表明Ⅰ類原油既有近距離運(yùn)移、聚集、也有遠(yuǎn)距離運(yùn)移、聚集。流二段暗色泥巖中的優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度與Ⅱ類原油的疊合圖(圖8b)顯示，Ⅱ類原油主要分布在潿西南凹陷中部，圍繞優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度中心分布，表明Ⅱ類原油運(yùn)移距離總體較短，源控特征顯著。

在過凹陷的剖面(圖9)上，Ⅰ和Ⅱ類原油的分布與相應(yīng)烴源巖有密切關(guān)系，Ⅰ類原油主要在流二段底部黑色頁巖層段之下的流三段、長流組與基底中分布，緊鄰流二段底部黑色頁巖的Ⅰ類原油以近源運(yùn)移為特征，而凹陷邊緣的Ⅰ類原油主要沿流三段砂層側(cè)向向構(gòu)造高部位運(yùn)移、調(diào)整，可以遠(yuǎn)離凹陷生烴中心分布，運(yùn)移距離大。Ⅱ類原油主要分布凹陷內(nèi)部流二段厚層頁巖之上的流一段-潿洲組，斷裂為主要運(yùn)移、調(diào)整通道，以垂向運(yùn)移典型特征，主要分布在優(yōu)質(zhì)烴源巖范圍之內(nèi)，源控特征顯著。

圖5 潿西南凹陷流二段優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度分布平面圖Fig.5 The isopach map of high-quality source rocks in the Liu 2 member,Weixi’nan Saga.潿西南凹陷流二段底部黑色頁巖；b.潿西南凹陷流二段暗色泥巖優(yōu)質(zhì)烴源巖

圖6 潿西南凹陷Ⅰ類原油與黑色頁巖烴源巖飽和烴TIC，m/z191和m/z217質(zhì)譜Fig.6 The saturated hydrocarbon chromatograms (TIC,m/z 217 and m/z 191) of Type A crude oil and black shale in the Weixi’nan Sag

圖7 潿西南凹陷Ⅱ類原油與暗色泥巖烴源巖飽和烴TIC，m/z191和m/z217質(zhì)譜Fig.7 The saturated hydrocarbon chromatograms (TIC,m/z 217 and m/z 191) of Type B crude oil and dark mudstone in the Weixi’nan Sag

4 結(jié)論

1) 潿西南凹陷流沙港組為主要烴源巖，其中的流二段底部黑色頁巖為主力烴源巖，流二段暗色泥巖為主要烴源巖。依據(jù)生排烴原理，通過烴源巖TOC含量、與熱解S1、氯仿瀝青“A”含量的關(guān)系確定的優(yōu)質(zhì)烴源巖TOC含量下限值為2%左右。

2) 流二段底部黑色頁巖TOC含量一般到大于2%，最高接近14%，母質(zhì)類型好，生烴潛力高，全部為優(yōu)質(zhì)烴源巖。流二段TOC含量大于2%的暗色泥巖也有較大的厚度和分布范圍，也屬于優(yōu)質(zhì)烴源巖。

3) 與黑色頁巖有親緣關(guān)系的Ⅰ類原油主要分布在流二段底部黑色頁巖層段之下近源運(yùn)移、聚集，同時(shí)也向構(gòu)造高部位遠(yuǎn)距離運(yùn)移、聚集。與暗色泥巖有關(guān)的Ⅱ類原油主要分布凹陷內(nèi)部流二段優(yōu)質(zhì)烴源巖層之上的流一段-潿洲組，屬于近距離垂向運(yùn)移，源控特征顯著。

圖8 潿西南凹陷流二段優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度與原油分布疊合圖Fig.8 Superimposition of high-quality source rock thickness and crude oil accumulation in the Liu 2 member,Weixi’nan Saga.流二段底部黑色頁巖厚度-I類原油分布疊合圖；b.流二段暗色泥巖優(yōu)質(zhì)烴源巖厚度-Ⅱ類原油分布疊合圖

圖9 過潿西南凹陷的南北向原油類型剖面Fig.9 The SN-trending cross section showing the crude oil types across the Weixi’nan Sag