彰武断陷白垩系烃源岩地球化学特征与生烃潜力评价

朱建辉 沈忠民 李 贶 武英利 王乐闻

（1.油气藏地质及开发工程国家重点实验室（成都理工大学），成都610059；2.中国石化石油勘探开发研究院 无锡石油地质研究所，江苏 无锡214151）

彰武断陷是松辽南部断陷群中面积较小的断陷之一，位于辽宁彰武县；结构特征呈东断西超的箕状，往西、北、西南方向超覆，面积仅150km2。勘探表明，断陷中仅发育下白垩统义县组、九佛堂组、沙海组以及阜新组，第四系直接覆盖在下白垩统之上，是典型的残留断陷盆地。断陷中多口探井在九佛堂组获得工业油流，展示了彰武断陷良好的油气资源前景，也预示了松南中小型残留断陷寻找中小型油气田的良好前景。本文依据断陷中仅有的3口钻井烃源岩测试样品，详细分析其烃源岩地球化学特征，评价生烃潜力，为松南断陷群油气勘探以及烃源岩评价提供依据。

1 白垩系暗色泥岩发育特征

类似于松辽南部断陷盆地白垩系沉积相特征［1－4］，彰武断陷早白垩世九佛堂期－沙海期沉积环境主要是以半深湖－深湖相和扇三角洲相为主。半深湖－深湖相发育了深灰色、灰黑色为主的暗色泥岩；扇三角洲以前缘相为主，发育有细砂岩、中砂岩以及含砾中砂岩、粗砂岩。其中九佛堂组以大套暗色泥岩夹薄层或略等厚层的扇三角洲前缘砂体（图1）；沙海组以砂岩与泥岩互层为主，物源供应充足，搬运距离近，堆积速度快，粗碎屑较发育，与九佛堂组形成明显的对比；阜新组的厚层泥岩呈黄色、褐色，且与砂岩、砂砾岩互层，为滨浅湖－河流相沉积，不发育烃源岩。

图1 彰武断陷708.7线九佛堂组－沙海组沉积相图Fig.1 Sedimentary facies of Jiufotang Formation and Shahai Formation in Line 708.7of Zhangwu fault depression

九佛堂组暗色泥岩累计厚度较大，如ZW3井暗色泥岩累计厚度为534.8m，占地层比最大可达到72.41%（表1），主要集中在该组的中下段和上段，连续厚度均超过100m。往构造高部位，暗色泥岩分段性不明显，岩性不纯，多含粉砂质，颜色变浅。依据钻井岩性组合与地震波阻的相关关系，九佛堂组暗色泥岩在地震波阻特征上表现出连续性好的强振幅特征，往斜坡带上连续强振幅地震相逐渐过渡到弱－强振幅、连续性较差的地震相特征。地震相的横向变化反映了九佛堂组岩性组合的横向变化，据此推测，断陷层暗色泥岩厚度具有从深洼往斜坡带横向减薄、岩性由细变粗过渡为砂泥岩互层的特点；平面厚度分布总体趋势为断陷深洼处厚、周缘薄，东南厚、西北薄的变化特征，厚度中心位于东南受边界断层所控制。推测沙海组、九佛堂组暗色泥岩最大厚度可以达到500m和700m以上，为本区油气生成提供了雄厚的物质基础。

表1 彰武断陷烃源岩类型及所占地层比例Table 1 Type and ratio of source rocks in Zhangwu fault depression

2 成烃环境分析

影响或控制湖泊沉积的地球化学因素主要有氧化－还原界面、水体盐度、酸碱度以及生物种群等等，明确烃源岩形成时期的这些地球化学因素，可以较深入地分析烃源岩有机质丰度、母质来源以及烃源岩保存条件的好坏，从而有利于预测盆地中烃源岩分布以及对其评价。本文通过烃源岩饱和烃色谱的正烷烃分布特征、类异戊二烯烷烃特征等参数分析，来说明彰武断陷源岩母质来源、沉积环境的氧化－还原条件以及水介质盐度高低。

2.1 正烷烃特征

饱和烃色谱中正烷烃的分布特征表明，ZW2井与ZW3井烃源岩的碳数分布比较接近，主峰碳多以C17为主，少量主峰碳为C25和C27，总体特征为前峰型（图2），说明了彰武断陷九佛堂组暗色泥岩中的正烷烃主要来自低等水生生物，母质来源或以浮游生物和藻类为主。ZW1井的样品表现出较高的主峰碳数C21～C23，一方面因为样品数量所限，不能代表ZW1井区的九佛堂组有机质正烷烃的总体特征；另一方面，ZW1井处于断陷斜坡的高部位，以滨浅湖相为主，不仅接收了湖相水生生物的有机物来源，同时还接收了滨湖－湖沼地区的陆生生物，尤其是陆生高等植物的有机物来源，形成了高碳数的正烷烃特征。总体说来，在九佛堂期半深湖－深湖沉积环境中，有机质母质来源主要以低等水生生物为主，混合了部分陆生高等植物，从断陷深洼处到斜坡高部位，越接近湖盆边缘混合的陆生高等植物越多，这导致了九佛堂组烃源岩的有机质类型具有从断陷深洼往边缘斜坡逐渐变差的趋势。

图2 彰武断陷典型饱和烃色谱图Fig.2 Typical chromatography of the saturated hydrocarbons in Zhangwu fault depression

图3 彰武断陷九佛堂组烃源岩饱和烃碳数特征图Fig.3 Saturated hydrocarbon carbon number features in source rocks of Jiufotang Formation in the Zhangwu fault depression

因而，彰武断陷九佛堂组烃源岩饱和烃色谱特征为前峰型低碳数与奇偶优势的正烷烃。

a.前峰型：主要以C17～C19为主峰碳，部分样品主峰碳为C21～C25的后峰型。

c.奇偶优势型：CPI值为1.1～1.3，整体略大于1，表现出略具奇偶优势。

这些特征表明了彰武断陷九佛堂组烃源岩有机质母质来源在湖泊中心主要以低等水生生物母质来源为主，原始生物组合中可能以藻类等浮游生物占优势；而湖泊边缘部位受陆生高等植物输入的影响，形成了低等水生生物与陆生高等植物混成的特征。

2.2 类异戊二烯烷烃特征

饱和烃中姥鲛烷、植烷及其比值（wPr／wPh）多用来判断烃源岩和原油形成环境的氧化－还原条件以及水介质条件。主要依据光合植物基侧链所形成的植醇在弱氧化弱还原介质条件下，容易形成植醇酸，然后进一步脱羧形成姥鲛烷；而还原偏碱性介质条件下，植醇则经过脱水作用而形成植烷。因而，姥鲛烷、植烷含量的高低与氧化－还原的沉积环境密切相关，一般认为，wPr／wPh＜3指示了还原－强还原环境；wPr／wPh＞3表示弱氧化—氧化环境（表2）［5－8］。但还要注意到影响姥鲛烷和植烷含量的因素较多，如沉积物中母质的来源、岩石的成岩作用程度以及沉积物中有机质热演化程度。随着有机质成熟度的提高，姥鲛烷的含量也相应增加，使得wPr／wPh值也增大，由此形成的原油的 wPr／wPh值也随之增高［9］。

5.1 医用低蛋白主食简介 蛋白米是近20年的新型医用膳食，以普通米为生产原料，通过蛋白酶解技术析出蛋白质，留下大米的其他原有成分。日本最早研发并生产低蛋白大米，有5种不同低蛋白比例的产品供CKD患者选择(低蛋白米分别占1/3、1/6、1/10、1/20以及1/25)，低钾低磷(分别约为普通米的5%、40%)，提供的能量与普通米大致相同[8]。我国已有多家公司生产低蛋白米，还有方便单人食用的盒饭米(只要微波加热就可食用)、低蛋白面粉、饺子粉、面条等，以满足CKD患者的需要。

因而，需要结合有机质其他特征，如与之相邻的C17正构烷烃、C18正构烷烃含量比值wPr／、wPh／wnC参数的变化，当值较小18说明了有机质来源中藻类贡献较大，当值越大，则表明还原条件越强；同时，两者之间的相关特征能够综合反映母质来源、水介质盐度条件以及氧化－还原条件等等。通过对有机质母质来源、水介质盐度以及氧化－还原条件等综合判断分析，可以较为合理地恢复优质烃源岩形成时的古沉积环境［6］，然后进一步结合沉积相、亚相预测分析，达到预测凹陷烃源岩分布特征的目的。

依据彰武断陷饱和烃色谱特征，九佛堂组样品中的wPr／wPh普遍较大，38件测试成果中wPr／wPh值在0.49～4.78之间变化，主体分布在1～2之间，平均值为1.47；原油样品的wPr／wPh值也大多在1左右（图4），说明了九佛堂组烃源岩有机质主体形成于还原条件。部分样品的wPr／wPh＜1，如ZW2、ZW3井的部分样品，CPI趋近于1，表明处于强还原条件。尤其是在半深湖－深湖相湖泊沉积区，由于不受湖水波浪作用影响，沉积物总体在缺氧环境中得到了较好的埋藏与保存，有机质较易富集，形成了现今有机质丰度较高－高的暗色泥岩。

图4 彰武断陷九佛堂组烃源岩、原油的wPr／wPh与CPI的关系图Fig.4 The relationship between source rocks，wPr／wPh，in crude oil，and CPI in Jiufotang Formation of the Zhangwu fault depression

彰武断陷烃源岩的wPr／wnC17比值变化范围为0.16～2.95之间，平均值为1.03，仅3个样品值小于0.4，说明有机质来源有藻类等低等浮游生物的贡献；wPh／wnC18比值变化范围为0.22～2.7，平均值为0.89。从图5中可以看出，烃源岩有机质类型主要为湖相沉积有机质以及部分混合有机质，大多数样品有机质类型均分布在Ⅰ型区间，ZW2、ZW3井中少量样品点分布在Ⅰ型区和Ⅲ型区之间，湖相或者半咸水湖相的相对较还原的沉积环境有利于低等浮游生物，尤其是藻类的生存和保存。

wPr／wPh、wPr／wnC17与 wPh／wnC18三 角 关 系 图表明，断陷中九佛堂组烃源岩的wPr／wPh相对含量中－高、wPh／wnC18相对含量偏高，表明当时沉积水体环境大体为淡水湖泊和半咸水－咸水湖泊2种环境（图6）。另外，3口钻井的原油样品也表现出半咸水－咸水沉积环境中的成因特点，ZW3井的原油样品为淡水成因环境。少量烃源岩样品落在湖沼相成因环境中，分析认为是受到陆源有机质的影响所致。

表2 不同沉积环境下wPr／wPh值与CPI值的变化Table 2 The change of CPI and wPr／wPhin different sedimentary environments

图5 彰武断陷九佛堂组类异戊二烯烷烃指示沉积环境与母质来源图Fig.5 Isoprenoid alkane indicates sedimentary environment and mother material source in Jiufotang Formation of the Zhangwu fault depression

图6 彰武断陷九佛堂组wPr／wPh、wPr／wnC17与wPh／wnC18关系图Fig.6 The relationship between wPr／wPh，wPr／wnC17and wPh／wnC18in Jiufotang Formation of Zhangwu fault depression

总而言之，彰武断陷九佛堂组烃源岩沉积时期，低等水生生物是其母质的主要来源，具有还原环境、淡水－半咸水的水体环境特征，有利于有机质的保存。受陆源沉积物供给的影响，混入了少量部分陆生高等植物。在断陷湖盆深洼部位的半深湖－深湖相环境中形成的烃源岩富含有机质，有机质类型较好。

3 白垩系烃源岩基本特征

本文依据彰武断陷3口探井的132个岩心、岩屑样品烃源岩测试成果，分析断陷层九佛堂组、沙海组烃源岩的丰度、类型、成熟度等特征，评价烃源岩的生烃潜力。

3.1 有机质丰度

图7 彰武断陷烃源岩有机碳的质量分数分布图Fig.7 Organic carbon content distribution in source rocks of the Zhangwu fault depression

有机碳含量数据表明，彰武断陷九佛堂组和沙海组2套暗色泥岩均具有高－较高的有机质丰度。九佛堂组暗色泥岩有机碳含量普遍较高，其质量分数主要在1%～4.5%之间（图7），该区间内样品频数大小差不多；而沙海组暗色泥岩有机碳含量明显要较九佛堂组差一些，其质量分数主要为0.5%～2%。总体说来，九佛堂组暗色泥岩有机碳的质量分数平均值在3.07%，最大值为8.93%，最小值为0.06%，为高－较高的有机质丰度；沙海组暗色泥岩有机碳的质量分数平均值在2.24%，最大值为9.89%，最小值为0.03%，为较高的有机质丰度。

氯仿沥青“A”含量和总烃含量高是彰武断陷九佛堂组暗色泥岩的主要特征之一，占总数55.9%样品的氯仿沥青“A”的质量分数＞0.6‰，44.1%样品的氯仿沥青“A”的质量分数＞1.2‰；平 均 值 为 1.9556‰，最 大 值 为6.55822‰，最小值为0.0126‰。占总数79.2%样品的总烃的质量分数＞0.5‰，平均值为1.85059‰，最 大 值 为 4.99832‰，最 小 值 为0.08906‰。热解生烃潜量S1＋S2也表现出较高的特征，其中，九佛堂组生烃潜量（质量分数）＞5‰的样品占总样品数的67.2%，生烃潜量＞10‰的样品占总样品数的57.1%；沙海组生烃潜量＞5‰的样品占总样品数的32.1%，生烃潜量＞10‰的样品占总样品数的26.8%。

纵向对比来看，3口钻井样品丰度值均表现出九佛堂组要极大地优于沙海组。根据陆相生油岩评价标准［10］，九佛堂组暗色泥岩各项有机质丰度指标均达到了好生油岩标准，是优质烃源岩。从3口钻井九佛堂组有机碳质量分数对比来看，ZW3 井 在 0.55% ～8.93% 之 间，平 均 值 为3.65%；ZW2井在0.06%～6.56%之间，平均值为2.92%；ZW1井在0.27%～7.25%之间，平均值为2.69%：充分反映了深洼处暗色泥岩有机质丰度要优于斜坡高部位，断陷作用形成的构造深洼部位也是半深湖－深湖相发育的有利部位，因而有利于优质烃源岩的发育。

3.2 有机质类型

在陆相湖盆烃源岩的评价中，有机质类型是评价源岩生油能力的关键因素之一。直接鉴定暗色泥岩中干酪根显微组分类型和含量是判定烃源岩有机质类型的主要手段之一。根据ZW1井烃源岩干酪根镜下鉴定，其中九佛堂组烃源岩干酪根类型以壳质组、腐泥组为主，腐泥组占9%～26%，壳质组占67%～79%，少量镜质组，有机质类型主要为Ⅱ型；沙海组以壳质组和镜质组为主，有机质类型主要为Ⅱ2－Ⅲ型。由于干酪根显微组分的镜检是在人为挑选和判断的条件下完成，部分结果可能带有经验误差。需要将多种测试手段组合分析判断。

氢指数与热解tmax值的关系是判断有机质类型常用的标识之一。从总体变化来看（图8），九佛堂组暗色泥岩有机质类型变化较大，从Ⅰ型到Ⅲ型均有分布。但从不同钻井情况来分析，ZW1井的分异较大，一部分样品表现出Ⅰ型特征，一部分表现出Ⅲ型特征，这与干酪根显微组分镜检有一致性，说明ZW1井的有机质类型相对较差；而ZW2、ZW3井的关系数据主要分布在Ⅰ－Ⅱ1型，部分样品表现出Ⅱ2、Ⅲ型的特征。总体上与前述的饱和烃色谱表现的特征相似，九佛堂组烃源岩主要来自于低等水生生物母质，有机质类型较好，以Ⅰ－Ⅱ1型为主；部分地区混入了陆源高等植物，尤其是边缘斜坡高部位的烃源岩，有机质类型要差一些。具体表现在构造位置较高的西部斜坡带上的ZW1井，九佛堂组沉积时期更多地接受了西部陆相高等植物输入的影响，有机质类型分异较明显；而处于深洼或者近深洼的ZW2、ZW3井九佛堂组烃源岩更多地以低等水生生物来源为主，主体为Ⅰ－Ⅱ1型。

图8 彰武断陷烃源岩有机质类型分析Fig.8 Organic matter type analysis of source rocks in the Zhangwu fault depression

沙海组暗色泥岩氢指数（IH）与tmax的关系表现特征与九佛堂组有明显差异，主要表现为Ⅱ2、Ⅲ型的有机质类型特征，且ZW1井的所有样品均落在了Ⅲ型区间，ZW2、ZW3井仅有部分样品落在Ⅱ2型区间。与九佛堂组相对比，沙海组的有机质类型较差，说明沙海组沉积时期，陆源物质供给充足，扇三角洲前缘亚相发育，更多的陆生高等植物提供了该组有机质来源。根据ZW1井与ZW2、ZW3井之间的差异，推测认为处于沉积次洼部位的烃源岩有机质类型可能要好一些，沙海组沉积时期深洼处尚存在半深湖－深湖相环境，有利于有机质类型较好的烃源岩发育；但整体上沙海组类型差，制约了彰武断陷沙海组的生油能力。

热解氢－氧指数关系也是反映烃源岩有机质类型的指标之一。该指标样品点的分布情况与IH－tmax的样品关系图比较接近，尤其是九佛堂组暗色泥岩，基本反映出九佛堂组暗色泥岩有机质类型变化比较广，主体为Ⅰ－Ⅱ1型，少量Ⅱ2－Ⅲ型，在ZW1井中表现出分异较大的特征；沙海组的有机质类型特征表现出部分样品较好，能达到Ⅰ型。

总的来说，彰武断陷九佛堂组暗色泥岩有机质类型以Ⅰ、Ⅱ1型为主，与湖盆以半深湖－深湖相沉积环境有关，有机质来源于湖相藻类等低等水生生物；分异较大与受陆源高等植物输入影响有关，推测越靠近深洼处类型越好。

3.3 有机质成熟度

镜质体反射率（Ro）是评价烃源岩成熟最常用的参数。彰武断陷烃源岩Ro与深度关系（图9）表明，沙海组源岩大多为未成熟－低成熟，一般Ro＜0.6%；九佛堂组源岩样品的Ro为0.55%～1.1%，埋深＜1.5km的样品Ro值大多分布在0.55%～0.7%之间，ZW1井九佛堂组1.444km深度源岩样品的Ro值为0.87%左右：总体反映了彰武断陷沙海组源岩处于未成熟－低成熟热演化阶段，九佛堂组源岩处于低成熟－成熟热演化阶段，随着往深洼处埋深加大，九佛堂组源岩的热成熟度可能更高些。

图9 彰武断陷镜质体反射率与深度的关系图Fig.9 The relationship between Roand depth in the Zhangwu fault depression

烃源岩热解峰温（tmax）是判断烃源岩热成熟度的主要定量指标之一。tmax值处于435～470℃之间的烃源岩处于成熟阶段，且435～445℃为成熟早期阶段，445～450℃为成熟高峰阶段［11］。彰武断陷烃源岩样品热解tmax统计关系表明（图10），埋深＜1.2km的样品tmax变化范围比较大，约分布在425～450℃，跨越了从未成熟－低成熟－成熟等多个阶段；埋深≥1.2km样品的tmax逐渐收窄，变化范围在435～450℃，最大的tmax值不超过450℃，对应tmax值指示了超过1.2km深度的烃源岩基本处于成熟阶段。分析认为，彰武断陷烃源岩总体上处于低成熟－成熟阶段，门限深度大约在1.2km左右，埋深处于1.6km左右的烃源岩为成熟阶段，对应的Ro为0.8%～0.9%。其中，沙海组烃源岩基本上处于未成熟－低成熟阶段；九佛堂组烃源岩基本上处于低成熟－成熟阶段，断陷深洼处存在热成熟较高且达到大量生烃阶段的烃源岩分布。

3.4 烃源岩综合评价

图10 彰武断陷tmax与深度的关系图Fig.10 The relationship between tmaxand depth in the Zhangwu fault depression

彰武断陷纵向上发育九佛堂组、沙海组2套烃源岩，这2套烃源岩有机质丰度较高－高，富含有机质，但两者的类型、成熟度形成明显差异。因沉积环境和母质来源的差异，九佛堂组烃源岩类型好，沙海组烃源岩类型差；受埋深的影响，九佛堂组烃源岩大多处于早成熟－成熟阶段，而沙海组烃源岩基本上处于低成熟阶段（图11）。

图11 彰武断陷ZW2井沙海组－九佛堂组烃源岩有机地球化学剖面图Fig.11 The profile of source rock's organic geochemistry in Shahai－Jiufotang Formation of Well ZW2in the Zhangwu fault depression

无论有机质丰度、类型还是成熟度，平面上均围绕着断陷深洼变化，受沉积相、物源供给以及埋深等的影响，深洼处烃源岩的丰度要好于边缘斜坡。受陆源物质供给的影响，包括九佛堂组烃源岩，有机质类型也呈往边缘斜坡变差的趋势。深洼处九佛堂组烃源岩整体处于成熟阶段，往边缘斜坡成熟度逐渐降低，处于低成熟－早成熟阶段，沙海组整体处于未成熟－低成熟阶段。在现今断陷深洼处，沙海组中下部烃源岩可能进入早成熟阶段，边缘斜坡带的沙海组烃源岩基本上未成熟。

总体评价，九佛堂组是彰武断陷主力烃源岩发育层段，以其厚度大、丰度高、类型好而为优质烃源岩；尤其是九佛堂组中下段，由于成熟度已经达到大量生烃阶段而为有效优质烃源岩。沙海组由于其成熟度低，仅深洼处存在供烃能力，该组下段烃源岩达到了差－较好烃源岩，而上段烃源岩由于成熟度没有达到生油门限或接近生油门限而为非－差烃源岩。

4 结论

彰武断陷白垩系烃源岩主要是指半深湖－深湖相环境中半咸水－淡水沉积水介质条件下发育的暗色泥岩，九佛堂组为主要烃源岩发育层段，具有厚度大、丰度高、类型好以及低成熟－成熟的“三高一低”的特点，主要分布在断陷的深洼部位。源岩母质来源为湖相低等水生生物与陆生高等植物混成，九佛堂组以低等水生生物为主，沙海组以陆生高等植物为主。九佛堂组暗色泥岩的生烃潜力最好，是断陷中主力烃源岩。

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