遼河盆地東部凹陷北段有效烴源巖分布及排烴特征

宋 兵，王 波，劉少治，陳希光

(中國石油勘探開發(fā)研究院 杭州分院，浙江 杭州 310023)

引 言

有效烴源巖是指生成并大量排運過油氣的巖石[1]，一直是國內(nèi)外學(xué)者的研究熱點。有機質(zhì)豐度下限[2-4]、實驗?zāi)M[5-6]、密集采樣測試[7]等常用來研究烴源巖的有效性，但受理論缺陷、實驗費用、實驗條件和樣品數(shù)量等制約，研究結(jié)果與實際情況往往存在一定偏差。部分學(xué)者也曾提出并建立如生烴量門限法、飽和度門限法[7-8]等多種模型來研究烴源巖的排烴特征，但理論方法的差異和缺陷很可能導(dǎo)致對排烴能力乃至資源潛力認識不清和誤解。

近年來，對遼河盆地東部凹陷北段的勘探重心已由高部位構(gòu)造油氣藏逐漸轉(zhuǎn)向洼陷區(qū)巖性油氣藏、致密砂巖油氣藏，對于有效烴源巖分布和排烴特征的研究顯得非常重要和迫切。前人采用熱史模擬法[9]在研究區(qū)開展過少量生排烴研究，但整體研究較少。針對研究區(qū)有效烴源巖分布不清，排烴量和排烴史不明確等問題，本文將采用基于熱解數(shù)據(jù)、可靠性高、簡單易行的生烴潛力法[1,10-13]對研究區(qū)排烴門限、有效烴源巖展布及排烴特征進行詳細分析，以優(yōu)選巖性油氣藏和致密砂巖油氣藏有利勘探區(qū)帶、提高勘探成功率。

1 地質(zhì)概況

遼河盆地東部凹陷是上疊在遼東臺背斜之上的中新生代東斷西超式斷陷型凹陷，其北段由西部緩坡帶、茨榆坨構(gòu)造帶、牛居-青龍臺構(gòu)造帶、頭臺-沈旦堡構(gòu)造帶、牛青洼陷和茨西洼陷6個二級構(gòu)造帶組成，面積約1 100 km2，現(xiàn)已有牛居、青龍臺、茨榆坨3個油田(圖1)。新生代盆地經(jīng)歷了5個演化階段：房身泡期(Ef)的強烈火山作用期、沙三期(Es3)的主要裂陷期、沙一、二期(Es1+2)的裂谷衰退期、東營期(Ed)的走滑作用期、新近紀(N)和第四紀(Q)的拗陷沉降期。多期演化共發(fā)育了3套烴源巖，分別為沙三段、沙一、二段以及東營組[9]。沙三段烴源巖為一套深湖-半深湖相暗色泥巖，分布廣泛，覆蓋大部分地區(qū)，僅局部隆起部位有缺失，厚度為400～600 m，有機碳質(zhì)量分數(shù)為0.5%～3.0%，干酪根類型以ⅡA型為主，鏡質(zhì)體反射率為0.4%～1.4%；沙一、二段烴源巖為一套淺湖相暗色泥巖、油頁巖，覆蓋全區(qū)，總體較薄，厚度為200～400 m，有機碳質(zhì)量分數(shù)為0.3%～2.0%，干酪根類型以ⅡB型為主，鏡質(zhì)體反射率為0.3%～0.9%；東營組烴源巖為一套淺湖相灰色、綠灰色泥巖，全區(qū)分布，厚度為200～600 m，有機碳質(zhì)量分數(shù)為0.3%～0.5%，干酪根類型以Ⅲ型為主，鏡質(zhì)體反射率為0.3%～0.4%。

圖1 遼河盆地東部凹陷北段位置

2 方法原理

生烴潛力法認為，在埋藏過程中，烴類從源巖中開始以游離相大量排出的條件是源巖的生烴量(Qp)必須滿足其自身的各種存留，而這個臨界點就是排烴門限。烴源巖生烴潛力包括未變?yōu)闊N的有機質(zhì)、殘留烴以及可能已排出的排烴量(Qe)。在地史演化中，烴源巖與外界若未發(fā)生各種有機質(zhì)的交換,那只有烴類的排出才導(dǎo)致其生烴潛力減小。由此可見，生烴潛力開始減小的臨界點對應(yīng)著排烴門限。為了明確生烴潛力的大小，常用熱解參數(shù)可溶烴含量(S1)、裂解烴含量(S2)和有機碳質(zhì)量分數(shù)(w(TOC))組合形成的生烴潛力指數(shù)

IHGP=(S1+S2)/w(TOC)

(1)

來表征(圖2)。

圖2 生烴潛力法研究排烴特征概念模型(據(jù)文獻[1]修改)

式中：S1為可溶烴含量，mg/g；S2為裂解烴含量，mg/g；w(TOC)為有機碳質(zhì)量分數(shù)；IHGP為生烴潛力指數(shù)，mg/g。

生烴潛力法研究排烴特征具體流程如下：

①結(jié)合實驗補充，收集整理熱解資料，建立生烴潛力指數(shù)剖面，即生烴潛力指數(shù)((S1+S2)/w(TOC))與埋深的交會圖。

②根據(jù)最大原始生烴潛力指數(shù)(IHGP0)與某深度生烴潛力指數(shù)(IHGP)差值大小隨深度的變化確定排烴門限深度(Z0)以及單位有機碳排出的烴量，即排烴率

qe(Z)=IHGP0(Z0)-IHGP(Z)。

(2)

③結(jié)合排烴率、有效烴源巖厚度、有機碳含量以及巖石密度，可得到排烴強度

Ehc=10-1·qe(Z)·H·ρ(Z)·w(TOC)。

(3)

④排烴強度平面積分即為排烴量。

式(2)—(3)中：Z0為最大原始生烴潛力所對應(yīng)埋深(即排烴門限深度)，m；Z為埋深(Z≥Z0)，m；IHGP 0(Z0)為最大原始生烴潛力指數(shù)，mg/g；IHGP(Z)為生烴潛力指數(shù)，mg/g；ρ(Z)為烴源巖密度，g/cm3；w(TOC)為有機碳質(zhì)量分數(shù)；H為烴源巖厚度，m。

此方法建立在大量的熱解資料基礎(chǔ)上，體現(xiàn)了整體的變化趨勢，因而合理地回避了油氣生成運移機理，可靠性較高，方法簡單易行。

3 有效烴源巖分布及排烴特征

3.1 排烴模式圖的建立

結(jié)合實驗補充，共收集了研究區(qū)沙三段、沙一、二段和東營組共416個點的烴源巖熱解資料，選取其中的可溶烴含量(S1)、裂解烴含量(S2)和有機碳含量(w(TOC))及熱解樣品的深度(Z)數(shù)據(jù)建立交會圖(圖3)。從圖3中可以看出，生烴潛力指數(shù)先逐漸增加，然后再逐漸降低，2.3 km為其轉(zhuǎn)折點，表明自此深度開始，烴源巖發(fā)生大量排烴，指示2.3 km為研究區(qū)烴源巖的排烴門限深度。

源巖在地史演化中發(fā)生了排烴作用，導(dǎo)致有機碳含量隨之降低，因此，在實際排烴特征研究過程中要進行恢復(fù)計算，而干酪根內(nèi)的無機碳絕對含量在演化過程中是保持不變的[14]，根據(jù)此原理，恢復(fù)了排烴門限深度以下的最大生烴潛力指數(shù)。通過恢復(fù)后的指數(shù)，結(jié)合現(xiàn)存的生烴潛力指數(shù)，研究了排烴率、排烴速率(單位地史時間內(nèi)或增加單位埋深所排出的烴量，本文采用后者，以100 m為單位)以及排烴效率(排出與生成烴量的比值)隨深度的變化關(guān)系(圖3，表1)。從圖3中排烴速率與埋深的變化曲線可以看出，排烴速率最大時對應(yīng)的深度為3.0 km，即為排烴高峰埋深。

圖3 遼河盆地東部凹陷北段排烴模式

表1 遼河盆地東部凹陷北段排烴特征

3.2 現(xiàn)今有效烴源巖分布特征

根據(jù)2.3 km的排烴門限，結(jié)合錄井和地震資料，預(yù)測研究區(qū)3套有效烴源巖的厚度分布(圖4)。沙三段有效烴源巖分布廣泛，基本覆蓋全區(qū)，平均厚度約500 m，在牛青洼陷內(nèi)較厚，一般400～1 000 m，茨西洼陷較薄，最厚350 m，大灣超覆帶、頭臺-沈旦堡構(gòu)造帶和茨榆坨構(gòu)造帶上最薄，一般100～200 m。沙一、二段有效烴源巖主要分布在牛青洼陷和茨西洼陷等洼陷部位，平均厚度約300 m，牛青洼陷最厚800 m，茨西洼陷最厚500 m，在構(gòu)造高部位只有局部達到排烴門限深度，因此，有效烴源巖不太發(fā)育。東營組烴源巖埋藏很淺，僅在牛青洼陷部分地區(qū)進入排烴門限，有效烴源巖平均厚度約200 m，最厚達600 m。

圖4 遼河盆地東部凹陷北段現(xiàn)今有效烴源巖厚度分布

3.3 現(xiàn)今排烴率分布特征

排烴率是計算排烴量的前提。根據(jù)排烴模式圖中確定的排烴門限及排烴率隨深度變化曲線，結(jié)合現(xiàn)今3套烴源巖埋藏深度平面圖，獲得3套有效烴源巖現(xiàn)今排烴率平面分布(圖5)。沙三段高排烴率區(qū)主要分布在牛青洼陷全區(qū)以及茨西洼陷內(nèi)，最高可達650 mg/g，低排烴率區(qū)主要分布在茨榆坨潛山帶、頭臺-沈旦堡構(gòu)造帶、大灣斜坡帶以及青龍臺構(gòu)造帶南段，而且大部分都過了排烴高峰期，隨著烴源巖埋深加大排烴率基本不增加。沙一、二段排烴率在牛青洼陷深洼處最高，達600 mg/g。此套烴源巖至今沒有發(fā)生大規(guī)模的排烴作用，隨著埋藏的增加，還會發(fā)生大規(guī)模的排烴作用。東營組排烴率最小，牛青洼陷內(nèi)最高(約250 mg/g)，此套烴源巖剛進入排烴門限，隨著埋深的繼續(xù)增加，其排烴范圍和排烴率會快速增大。

圖5 遼河盆地東部凹陷北段現(xiàn)今有效烴源巖排烴率

3.4 現(xiàn)今排烴強度分布特征及排烴量

通過前面的分析，結(jié)合有機碳含量平面展布和烴源巖密度(據(jù)巖心資料，本次采用2.5 g/cm3)，根據(jù)式(2)求得各套有效烴源巖的現(xiàn)今排烴強度，如圖6所示。從圖6可以看出，各套有效烴源巖的排烴中心都圍繞主力生烴洼陷——牛青洼陷分布，洼陷中心即為排烴中心。沙三段埋藏較深，排烴范圍基本覆蓋全區(qū)，最大排烴強度在牛青洼陷內(nèi)可以達到500×104t/km2，平均可達200×104t/km2，在茨西洼陷內(nèi)也有少量排烴。沙一、二段排烴范圍相對沙三段范圍變小，主要為牛青洼陷和茨西洼陷等洼陷部位，最高達35×104t/km2。東營組排烴強度較小，排烴范圍只限于牛青洼陷內(nèi)，在牛青洼陷洼的最高排烴強度達30×104t/km2。整體來看，牛青洼陷是研究區(qū)的排烴強度中心，茨西洼陷為次級中心，牛居青龍臺構(gòu)造帶是油氣運聚的最有利指向區(qū)，其次為茨榆坨構(gòu)造帶。

圖6 遼河盆地東部凹陷北段現(xiàn)今有效烴源巖排烴強度

根據(jù)已經(jīng)得到的排烴強度平面分布再進行積分，得到各套有效烴源巖的排烴量。研究區(qū)3套有效烴源巖累計排烴量達10.14×108t，其中，沙三段為9.63×108t，占排烴總量的94.97%，為研究區(qū)主力烴源巖。沙一、二段和東營組排烴量分別只有0.46×108t和0.05×108t，占排烴總量的4.54%和0.49%，為輔助烴源巖。10億多噸的排烴量，為研究區(qū)提供了充足物質(zhì)基礎(chǔ)。

3.5 排烴史特征

由于有機母質(zhì)沉積是連續(xù)的、繼承的，因此，生烴潛力指數(shù)曲線不但可用來評價現(xiàn)今地質(zhì)條件下的烴源巖，也可用來評價地史階段烴源巖的有效性，再結(jié)合構(gòu)造演化史分析，即可定量評價地史時期的排烴特征。通過地層埋藏史及剝蝕量恢復(fù)，計算了研究區(qū)3套烴源巖的排烴史(圖7)。結(jié)果表明，研究區(qū)烴源巖整體大量排烴時期為東營期，但不同層系烴源巖的排烴演化存在明顯差異。沙三段從沙三末期開始部分進入排烴門限，之后沙一、二期、東營期排烴量逐漸增加，至東營期到達排烴高峰期，館陶期至今的排烴量有所減少。沙一、二段開始排烴時期為東營期，館陶期至今排烴量有所增加，未進入排烴高峰期。東營組有效烴源巖至今才剛開始排烴，未進入排烴高峰期。在東營期，主力生儲蓋組合已沉積，構(gòu)造格局和圈閉也基本定型，與油氣的排出時空相匹配，因此，東營期既是主排烴期，同時也是主成藏期。

圖7 遼河盆地東部凹陷北段各有效烴源巖不同地史時期排烴量柱狀圖

4 結(jié) 論

(1)遼河盆地東部凹陷北段排烴門限深度為2 300 m，排烴高峰埋深為3 000 m，主排烴期和成藏高峰期為東營期。

(2)沙三段、沙一、二段和東營組3套有效烴源巖總排烴量為10.14×108t，其中，沙三段為9.63×108t，占總量的94.97%，為研究區(qū)主力烴源巖，沙一、二段和東營組分別只占4.54%和0.49%，為輔助烴源巖。

(3)沙三段有效烴源巖分布廣泛，基本覆蓋全區(qū)，且大面積都已過了排烴高峰期，是尋找?guī)r性油氣藏和致密砂巖油氣藏的主力層位。沙一、二段和東營組地層埋藏較淺，有效烴源巖主要限于牛青洼陷內(nèi)，隨著埋深的繼續(xù)增加，其排烴率會快速增大。牛青洼陷是主排烴洼陷，也是下洼勘探尋找?guī)r性油氣藏和致密砂巖油氣藏的主力區(qū)帶。