辽东湾地区烃源岩特征及其主控因素

姜 雪,邹华耀,庄新兵,田金强,杨元元

(1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249;2.中国石油大学资源与信息学院,北京 102249)

辽东湾地区烃源岩特征及其主控因素

姜 雪1,2,邹华耀1,2,庄新兵1,2,田金强1,2,杨元元1,2

(1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249;2.中国石油大学资源与信息学院,北京 102249)

根据烃源岩地球化学、岩石学、沉积学、构造沉降及古气候等特征,对辽东湾地区古近系 3套湖相烃源岩发育的主控因素进行综合分析。结果表明:3套烃源岩均形成于温暖湿润的还原环境,生产力高;沙三段烃源岩形成于快速沉降的深水窄盆环境,水体根据温度和弱盐度分层,且具最高生产力;沙一段烃源岩形成于沉降速率低的浅水广盆环境,水体根据高盐度分层,且有机质生源高等植物贡献小;东下段烃源岩形成于快速沉降的深水广盆环境,水体根据温度和弱盐度分层;同层内烃源岩的差异受沉积相控制;沙三段烃源岩生烃潜力最好,沙一段次之,再次为东下段。

断陷湖盆;古湖泊环境;烃源岩;沉积相;辽东湾地区

优质烃源岩是形成大中型油气田的物质基础,国内外学者已十分重视优质烃源岩发育机制与分布规律研究[1-3]。与湖相沉积相关的油气资源占总资源量的 20%以上[4],关于湖相优质烃源岩形成机制问题已受到人们普遍关注。断陷湖盆沉积记录了由构造沉降、气候旋回、物源供给等因素引起的可容空间和相对湖平面的变化[5-6],湖盆演化不同阶段,发育不同特征的源岩,断陷湖盆烃源岩非均质性极强[7-9]。渤海海域辽东湾探区勘探程度相对较高,已发现多个油气田,其古近系湖相烃源岩发育,但在烃源岩发育机制研究方面开展的工作还不系统,因此笔者结合该区岩石学、地球化学、构造沉降、古气候特征及古水文条件对烃源岩特征及主控因素进行研究,以准确评价及预测优质烃源岩的分布,进而指导勘探。

1 研究区地质概况

辽东湾地区指渤海东北部海域,是下辽河盆地向渤海海域的自然延伸,面积为 2.6×104km2,为渤海湾盆地的一个次级构造单元。辽东湾地区划分为“3凹 2凸”5个北东向展布的次级构造单元(图 1),整个坳陷充填古近系和新近系沉积。古近系自下而上依次为孔店组、沙河街组和东营组。

图 1 构造单元划分及烃源岩成藏贡献图Fig.1 Tecton ic division and contributions to hydrocarbon accumulation of hydrocarbon source rocks

孔店组和沙四段沉积时期处于初始裂陷期,为一系列小且彼此分隔的裂谷,统一盆地未形成。沙三段沉积时期处于第一快速断陷期,统一湖盆基本形成,南北连片、东西分隔。沙一、二段沉积时期处于第一稳定热沉降期,盆地迅速扩张,湖盆范围明显扩大,构造活动减弱,盆地地形相对变缓。东三段沉积时期处于又一快速断陷期,随断裂作用增强,辽东凹陷形成,盆地规模进一步扩大,湖水变深,再次出现深湖 -半深湖沉积。东二段沉积期继承了东三段沉积时的构造背景,但构造活动相对减弱。东一段沉积时期处于填凹补齐的断陷晚期,全盆发育三角洲沉积。

多年的石油地质研究和勘探实践表明,辽中和辽西凹陷是该区的两个生烃凹陷,发育沙河街组三段(E2s3)、沙河街组一段 (E3s1)和东下段 (E3dL,东三段和东二下段)3套烃源层。

2 烃源岩特征

2.1 岩石学特征

半深湖相泥质岩类构成了辽东湾地区烃源岩的主体,局部层段发育的碳酸盐岩也构成了该区的烃源岩。沙三段源岩以暗色泥岩、页岩和褐色油页岩为主;沙一段为古近系的特殊岩性段,烃源岩类型有暗色泥岩、灰褐色油页岩、钙质页岩、泥灰岩及生物碎屑灰岩;东下段的烃源岩主要为深灰色泥岩。

2.2 有机地球化学特征

2.2.1 有机质丰度

由该区近千个烃源岩样品热解测试结果的统计(表 1,数值分别为测量值范围、平均值和括号内的样品个数)可知,沙三段和沙一段都为好的烃源岩,其中沙一段的有机碳 (TOC)含量平均值高达2.07%,但因沉积厚度较薄,生烃量有限,故沙三段是该区的主力烃源岩。东下段综合各项指标整体评价为中 -好烃源岩。

表1 烃源岩有机质丰度评价Table 1 Evaluation of organ ic matter aboundances of hydrocarbon source rocks

图 2 烃源岩干酪根元素组成范氏图Fig.2 Van Krevelen diagram of kerogen elements of source rocks

2.2.2 有机质类型

烃源岩有机质类型是决定其生烃能力的另一重要指标。不同干酪根类型的烃源岩,生烃能力差别很大。由图 2可知,该区 3套烃源岩干酪根以Ⅱ型为主,即有机质类型以偏低等水生生物来源 (Ⅱ1型)与偏陆源高等植物来源(Ⅱ2型)的混合类型为主。沙三段烃源岩干酪根以Ⅱ1型为主,Ⅱ2型次之,有部分Ⅰ型;沙一段烃源岩干酪根以Ⅱ1型为主,Ⅰ型占很大比例,有少量Ⅱ2型;东下段烃源岩干酪根以Ⅱ1型和Ⅱ2型为主。总体上沙一段烃源岩有机质类型稍好。

2.税费同征管，促进社会保险费征缴规范。税务部门坚持“随税同征、随税同管、随税同查”，有效实施费源监控，较好地解决缴税单位瞒报少报、恶性拖欠社会保险费等问题，缴费人的遵从度有所提升，促进了社会保险费的及时足额征缴入库。同时，税务部门代征社会保险费，及时将社会保险费上缴入库，社会保险经办机构不再直接参与社会保险费征收，实现了社会保险费征收、管理、使用各环节的相对独立运行，有利于各部门各司其职、各负其责，降低征收成本，促进了社保基金的规范化管理。

2.2.3 生物标志物特征

源岩的生标参数对比,可以区分不同层位烃源岩特征、反映有机质生物来源以及沉积和早期成岩环境特别是氧化还原条件和介质盐度等特征。

姥鲛烷/植烷(w(Pr)/w(Ph))常用于指示氧化还原环境,低姥植比反映还原环境[10-11]。对比其判别标准[12],图 3(a)显示 3套烃源岩均形成于相对还原的环境,沙一段沉积时的环境还原性最强,主体值小于1。

三环萜烷和四环萜烷因其热稳定性好且具较强的抗生物降解能力[11],被广泛用于烃源岩研究, C19/C23三环萜烷 (w(C19TT)/w(C23TT))高值和大量的 C24四环萜烷 (C24Tet)聚集指示较多的陆源有机质输入[13-15]。藿烷 /甾烷 (w(H)/w(S))同样是反映有机质来源的指标,其高值指示高的陆源有机质输入。图 3(b),(c)显示沙一段高等植物贡献小,而沙三段和东下段则呈现类似的特征,高等植物贡献明显加大,且东下段略大于沙三段。

图 3 辽东湾地区烃源岩生标特征Fig.3 Biomarker characteristics of source rocks in Liaodong Bay area

大量的伽马蜡烷表明烃源岩沉积时分层水体的存在[11,16],且一般为高盐度分层水体的表征[17]。图3(a),(d)表明沙一段烃源岩伽马蜡烷指数 (w(C19TT)/w(C23TT))呈明显的高值,主体大于 0.1,处于高度咸化的水体中,是一种稳定分层的还原环境,而沙三段和东下段源岩的伽马蜡烷指数明显低于沙一段。

渤海湾盆地4-甲基甾烷的出现和渤海藻、副渤海藻等沟鞭藻类有关[17]。4-甲基甾烷的含量用 4-甲基甾烷指数w(4-MS)/w(ΣC29S)来表示,图3(d)表明沙三段源岩的 4-甲基甾烷指数范围广且存在高值,反映沙三段源岩有丰富的沟鞭藻类来源,而沙一段和东下段的该参数值仅局限在较低范围内。

2.3 烃源岩生烃潜力

有机质丰度、类型及生源和沉积环境等特征共同控制着 3套烃源岩的生烃潜力,如图 4所示。整体上生烃潜力排序为沙一段 ＞沙三段 ＞东下段。但是,就 3套烃源岩的成藏贡献而言,沙一段虽生烃潜力指标高但沉积厚度薄,东下段的烃源岩整体埋深较浅,成熟度较低,大多未进入生油门限,故该区的油气来源以沙三段与沙一段混源为主 (图 1),其中辽西低凸起目前所发现的油气资源均为沙三段与沙一段混源,在辽中中南洼部分油气藏单独由沙三段烃源岩供烃,仅在辽中北洼的部分构造有东营组烃源岩贡献。就探明储量而言,由沙三段和沙一段烃源岩混源的油气资源总探明储量达 7.12×108m3,占该区目前总油气探明储量的 92.66%。兼顾烃源岩的厚度和成熟度及成藏贡献等可知沙三段源岩生烃潜力最好,沙一段次之,第三是东下段。

图 4 烃源岩(S1+S2)与w(TOC)的关系Fig.4 Relation of(S1+S2)andw(TOC)for source rocks samples

3 烃源岩形成的主控因素

3.1 构造沉降

古近纪以来构造沉降量的不同,导致了渤海湾盆地各坳陷烃源岩发育的差异[19]。分析辽东湾地区烃源岩发育层位、特征的差异及该区的沉降史(图 5),可知烃源岩的发育与构造沉降的阶段性密切相关。

该区辽中和辽西两个生烃凹陷的沉降史相似,均经历了两次主要的构造沉降期。自沙三段沉积时期开始迅速沉降,之后沙二段—沙一段沉积时期沉降速率变慢,东三段—东二段沉积时期沉降再次加快,不同的是东三段—东二段沉积时期辽中凹陷的构造沉降量明显大于辽西凹陷,且辽中凹陷最大沉降量发生在东营组沉积时期,而辽西凹陷则为沙三段沉积期沉降量最大。东一段—馆陶组沉积时期构造沉降速率最小,明化镇组—第四系沉积期因新构造运动,沉降逐步加快。

图 5 辽西凹陷和辽中凹陷沉降史图Fig.5 Subsidence history diagram of Liaoxi sag and Liaozhong sag

快速沉降形成了好的烃源岩。辽西和辽中凹陷均接受了强烈断陷期沙三期的深水湖相沉积,发育了一套有机质丰度较高的烃源岩。渐新世,郯庐断裂以走滑活动为主,在原伸展断陷背景下形成了走滑拉分断陷(又一次快速沉降),这次走滑拉分的沉降中心为辽中凹陷和渤中凹陷,沉降中心东营组厚度超过 4 km,分布面积超过 104km2[20],故东下段也发育一套烃源岩,是渤中、辽中凹陷成为富生烃凹陷的重要物质基础。

3.2 古生产力和保存条件

就烃源条件而言,最具意义的古湖泊学特征是表层水高的生产力和因湖水分层而引起的湖底贫氧环境[21]。地层中藻类化石的高含量通常被作为高生产力和湖盆水体发育的标志[22-23]。笔者根据实际资料对藻类化石的含量进行了统计(图 6)。结果显示该区对应于沙三段、沙一段、东下段烃源岩发育时期,藻类含量均为高值,且沙三段烃源岩中的藻类含量最高。反映了这 3套地层沉积时均具较高的古生产力。

有机质的聚集和保存是形成优质烃源岩的另一重要因素,沉积有机质仅在缺氧条件下才能保存。前已述及该区的 3套烃源岩沉积期均处于还原性较强的环境。在陆相湖盆中,水体由盐度和温度形成的分层作用可以导致缺氧环境的形成[24]。其中咸化湖泊水体因重力形成上下盐度不一致,易形成稳定的分层[25],因此了解沉积介质何时发生咸化有助于分析水体的分层状态。目前常用的方法主要有微量元素法、同位素法和其他地化参数法等[26-27]。用微量元素法对水体咸化进行研究,筛选了w(Ca)/w(Ca+Fe),w(B),w(Rb)/w(K),w(Sr)/w(Ba),w(B)/w(Ga)几个效果比较好的元素含量比值互相验证水体咸化情况,如图 6所示。该区在沙三中亚段、沙二—沙一段和东下段 3套烃源岩沉积期水介质均趋于咸化,结合生标参数可知伽马蜡烷在沙一段沉积时期水体是最咸化的,其水体分层最稳定。

图 6 辽西北洼 JZ14-2-1井古近系沉积相、沉积环境及地球化学综合剖面Fig.6 Sed imentary facies,sed imentary environment and geochem ical characteristics in Paleocene of well JZ14-2-1 in the north sub-sag of Liaoxi sag

3.3 古气候条件

前人对该区的古气候条件进行了系统恢复[12,28-29],笔者直接引用前人成果,侧重分析何种古气候条件有利于烃源岩的发育及气候影响烃源岩形成和保存的机制。辽东湾地区古近纪在古气候带上处于暖温带至亚热带,气候变化的总趋势是由暖变冷(图 6)。可知该区 3套烃源岩发育时期均为暖热湿润的气候条件,说明良好的古气候,即温暖湿润的气候条件对湖相优质烃源岩发育起控制作用。具体的作用机制是气候通过对湖盆的古生产力、有机质的保存条件、外部沉积物的输入 3个方面的影响,最终控制湖盆中烃源岩的发育[12]。前文述及该区3套烃源岩发育期均出现藻类高含量段,且又与湿热气候一一对应,即反映出良好气候条件对湖盆生产力的控制作用,而较高的初始生产力形成的有机质沉积大量消耗底层水中的氧是形成还原环境的基础。

3.4 沉积相

陆相湖盆中烃源岩的展布及发育明显受沉积相的控制,造成处于不同沉积相带的烃源岩岩性、有机质丰度及类型的差异[30]。

沙三段沉积期凹陷迅速沉降,属深水窄盆型湖盆,物源充足,为近源和短源。盆地相以浅湖、半深湖为主,边缘相以辫状河三角洲为主,局部见扇三角洲(图 7),稳定的半深水沉积约为 40%。深水利于形成稳定的分层,为一套好的烃源岩,但湖盆不同位置,烃源岩性质存在差异。如辽西北洼的 JZ14-2 -1井 (图 6),处于稳定的半深水区,沙三段钻遇720 m,以暗色泥岩为主,所夹薄层细砂岩累积 14 m,烃源岩占总厚度的 98%,为一套好的烃源岩;位于辽中北洼西斜坡上的 JZ20-2-13井 (图 7),沙三段钻遇 370 m,处于浅湖至半深湖的过渡区,粉砂岩及砂岩夹层累积达 65 m,虽源岩也评价为好,但有机质丰度指标低于 JZ14-2-1井区。

图 7 典型剖面地层构造格架及沉积相解释Fig.7 Stratigraphic-tecton ic framework and interpretation of sed imentary facies of typical profiles

沙一段沉积期是浅水广盆型湖盆,该区处于第一稳定热沉降阶段,沉降速率低,盆地迅速扩张,湖盆面积变大,浅湖沉积为主,局部为碳酸盐岩台地(图 7)。因构造活动弱,地形变缓,地层厚度变化不大,约为 100～200 m。水体咸化程度高,分层稳定,为较好的还原环境,故远离扇体的浅湖区都形成好烃源岩。

东三段沉积期为湖盆再次断陷早期,沉降速率显著增大,水体加深,湖盆进一步扩大,以浅水—较深水湖泊为主,属深水广盆型湖盆。湖泊面积达80%,其中半深湖沉积达 50%,扇体仅分布在盆地边缘区域,对稳定湖水的影响范围小。有机质丰度高,为好的烃源岩。东二下亚段沉积早期继承东三段沉积,为较深水湖相沉积,后期湖侵达到高峰后,盆地开始萎缩,大规模扇体发育及断裂的强烈活动导致大量陆源物质输入破坏了水体的分层,烃源岩质量变差,东二下亚段总体为中等烃源岩。沉积相的不同造成北部东下段烃源岩的有机质丰度高于南部 (图 6,7)。南部LD16-3-1井区东下段沉积期以浅湖沉积为主且湖盆范围小,大规模扇体位于湖心部位,对稳定水体影响范围大,虽然烃源岩自下而上评价为由好—中等,但有机质丰度指标明显低于北部处于稳定浅湖—半深湖区的 JZ14-2-1井。

4 结 论

(1)辽东湾地区沙三段烃源岩为低伽马蜡烷含量,高 4-甲基甾烷含量;沙一段烃源岩为高伽马蜡烷含量,低 4-甲基甾烷含量;东下段烃源岩为低伽马蜡烷含量,低 4-甲基甾烷含量。3套烃源岩有机质类型均以混合型为主,沙一段烃源岩有机质生源高等植物贡献最小。

(2)沙三段烃源岩生烃潜力最好,沙一段次之,再次为东下段。

(3)3套烃源岩均形成于温暖湿润的还原环境,生产力高。其中沙三段烃源岩形成于快速沉降的深水窄盆环境,水体靠温度和弱盐度分层,且具最高生产力;沙一段烃源岩形成于沉降速率低的浅水广盆环境,水体靠高盐度分层;东下段烃源岩形成于快速沉降的深水广盆环境,水体靠温度和弱盐度分层。

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Characteristics of hydrocarbon source rocks in Liaodong Bay area and itsma in controlling factors

J IANG Xue1,2,ZOU Hua-yao1,2,ZHUANG Xin-bing1,2,T IAN Jin-qiang1,2,YANG Yuan-yuan1,2

(1.State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting in China University of Petroleum,Beijing102249,China;2.School of Resource and Infor m ation Technology in China University of Petroleum,Beijing102249,China)

According to the source rocks characteristics in respect to geochemistry,petrology,sed imentology,tectonic subsidence and ancient climate,the main controlling factors of three sets of Paleogene lacustrine source rocks in Liaodong Bay area were comprehensively analyzed.The results show that the three setsof hydrocarbon source rockswere allwith high productivity and formed in warm,moist and anoxic condition.The source rocks inmember 3 of Shahejie formationwere formed in the environment of deep-water and narrow lacustrine basinwith high subsidence rate and the highest productivity.The stratifiedwater column relied on temperature and low salinity.The source rocks in member 1of Shahejie for mation were formed in the environment of shallow-water and wide lacustrine basinwith low subsidence rate.The stratifiedwater column relied on high salinity. The organicmatterwas few higherplants.The source rocks in lowerDongying for mationwere for med in the environmentof deep -water and wide lacustrine basin with high subsidence rate.The stratified water column relied on temperature and low salinity.The heterogeneity in the same setof source rockswas controlled by sed imentary facies.The hydrocarbon generatingpotentiality in member 3 of Shahejie formation is the best,member 1 of Shahejie formation is second and the lowerDongying formation is third.

rift lacustrine basin;ancient lake environment;hydrocarbon source rocks;sedimentary facies;LiaodongBay area

TE 121.1

A

10.3969/j.issn.1673-5005.2010.02.006

1673-5005(2010)02-0031-07

2009-09-23

国家自然科学基金重点项目(90914006);中海油重点科技攻关项目(SC06TJ-TQL-004)

姜雪(1981-),女(汉族),吉林梨树人,博士研究生,主要从事油气成藏机制与分布规律方面研究。

(编辑 徐会永)