泌阳凹陷陆相页岩有机质特征及富集因素分析

2015-07-02刘子胜谭静娟

石油地质与工程 2015年6期

关键词：泌阳深湖页岩

罗曦，刘子胜，胥玲，谭静娟，尹安

(1.中国石化河南油田分公司勘探开发研究院，河南郑州 450046；2.中国石化河南油田分公司新疆采油厂)

泌阳凹陷陆相页岩有机质特征及富集因素分析

罗曦1，刘子胜2，胥玲1，谭静娟1，尹安1

(1.中国石化河南油田分公司勘探开发研究院，河南郑州 450046；2.中国石化河南油田分公司新疆采油厂)

采用地球化学与沉积学理论方法并结合元素分析、高分辨扫描电镜等实验技术手段，以中国典型陆相断陷湖盆泌阳凹陷为例，探讨了页岩中有机质发育特征、形成环境及富集影响因素，研究表明富有机质页岩中有机质是页岩油形成的物质基础，决定着页岩的生烃潜力和生烃量；有机质主要来源于低等的浮游藻类，有机质发育环境主要为缓慢沉积的、干旱-半干旱的还原条件下、具有中等-高生产力的咸水湖泊环境；无定形有机质是有机质的主要赋存形式；生烃作用产生大量有机质孔隙能为页岩油提供有效的储集空间；古环境决定了有机质保存条件，沉积相带控制有机质富集的平面展布。

泌阳凹陷；页岩油；富有机质页岩；有机质特征；古环境；富集影响因素

泌阳凹陷位于南襄盆地东北部，为一中新生代断控凹陷，河南油田2011年率先在泌阳凹陷取得国内陆相页岩油勘探重要进展，前期研究主要集中在页岩油形成条件、储层特征及富集因素分析上，而对富有机质页岩形成中有机质来源、富集影响因素及形成古地理环境探讨较少。因此，本文以泌阳富油凹陷为例，从页岩分布、有机质发育特征出发，探讨了富有机质页岩中有机质形成的古环境及富集影响因素，为页岩油勘探提供借鉴。

1 富有机质页岩发育特征

页岩的分布与沉积体系域发育密切相关，湖侵体系域相对低位体系域、高位体系域来说，藻类更为发育，有机质含量相对较高，因此，湖侵体系域有利于富有机质泥页岩的形成[1]。泌阳凹陷广泛分布的富有机质页岩为页岩油形成及富集提供了物质基础，研究表明泌阳凹陷古近系自下而上发育6套富含有机质页岩层(图1)，主要分布在H32层序和H31层序的湖侵体系域，横向延伸较远，其中第5套富有机质页岩目前已经取得突破，是最有利的页岩层系。泥页岩沉积厚度具有东南厚、西北薄的特点。平面上页岩层厚度分布与半深湖-深湖相吻合较好，具有围绕湖盆呈环带状分布、向湖中心逐渐增大的特点，富含有机质页岩层单层厚度30～80 m，分布面积80～120 km2，累计厚度200～600 m，叠合分布面积近400 km2。

2 有机质发育特征

沉积有机质是指来源于生物的遗体或其分泌物和排泄物，直接或间接进入沉积物中，或经生物降解作用和沉积埋藏作用被掩埋在沉积物中，或经缩聚作用演化成新的有机化合物及其衍生物的那部分有机质[2]。

2.1 有机质来源

有机质来源于陆源高等植物输入或者湖泊内浮游藻类等低等生物，通常可用正构烷烃(CnH2n+2)来进行判别。正构烷烃的碳优势指数(CPI)和奇偶优势(OEP)通常可用来表征沉积物中不同生物源对有机质的贡献量，CPI或OEP明显高于1.0时具有奇碳优势，明显低于1.0时具偶碳优势。以C15、C17为主，奇偶优势不明显的中等相对分子质量(nC15～nC21)的正构烷烃可能指示藻类等低等浮游生物来源；具奇偶优势的高碳数(>C23)正构烷烃的分布可能指示陆源有机质的输入[2]。泌阳凹陷页岩生物标志化合物中正构烷烃的分布分为前高(C17)后低(C23)的双峰及单峰型(C17)，显示浮游藻类生物降解作用的结果，表明有机质主要来自藻类等水生生物，受陆源输入的影响较少。

2.2 有机质赋存形式

泌阳凹陷有机质按结构分类可以分为结构有机质和无定形有机质。结构有机质属于生物残体等有机质颗粒，包括木质组织、丝炭、藻团块，富集在较粗粒中，对TOC贡献较低；而无定形有机质是指无一定形态结构的沉积有机质，镜下多是不规则的微粒、渐变的模糊边缘，形成凝块或絮团。大多数是浮游植物成因，源于有机质腐解后产生的溶解有机质和胶体有机质，富集在细粒中，常与黏土矿物吸附成有机黏土复合体，对TOC贡献大。镜下可观察到有机质有三种赋存状态：分散状、断续条带状以及顺层富集状。顺层富集的有机质易形成纹层，镜下颜色偏暗，呈红褐色。富有机质纹层与浮游藻类的定期繁盛有关，是湖盆在极度缺乏其他物质沉淀时期，由藻类大量死亡后分解出来的有机质缓慢沉淀形成的。

图1 泌阳凹陷核三段泌49井-泌270井层序地层格架下富有机质页岩分布

2.3 有机质地化特征

有机质是油气生成与富集的物质基础。泌阳凹陷核三段页岩样品有机质类型主要为I型-II1型干酪根，Ro分布在0.51%～1.2%，平均0.72%；Tmax范围主要分布在435～456 ℃，指示该区有机质处于低熟-成熟阶段。有机质含量的多少是决定烃源岩生烃能力的一个重要指标，有机质的含量通常以总有机碳(TOC)含量来进行评判。一般认为，要达到工业开采价值的页岩油藏，TOC含量要求大于2%。本区页岩平均TOC含量均达到2%以上[3-6]。通常，有机质丰度越高，越有利于页岩油的富集。有机质丰度越高，页岩气测异常越明显(图2)。在页岩有机质类型和成熟度相似的情况下，有机质丰度与含油饱和度、S1、氯仿沥青“A”具有正相关关系，表明有机质含量的高低决定着页岩含油量的多少，有机碳含量越高，页岩生烃潜力越大，页岩含油量越大。

图2 泌阳凹陷安深1井综合柱状图

2.4 有机质孔隙特征

有机质孔隙即以有机质团块为载体的孔隙，有机质团块的成分较为复杂，主要由丰富的有机质、微晶方解石、黏土矿物等混杂而成。有机孔隙的形成和富集受有机质丰度、类型及演化程度的控制，热成熟度Ro一般大于0.6%时，有机孔隙形成。其具体成因有：①干酪根生烃演化形成有机质孔；②沥青质裂解阶段产生有机质孔隙,主要是有机质边缘收缩缝[7]；③释放的有机酸对包裹的方解石、黏土矿物进行溶蚀而成。按照孔隙载体及成因不同，有机质孔隙可分为：有机质边缘与碎屑颗粒间孔隙、有机质溶蚀孔隙和生烃演化孔隙。不同类型的有机质孔隙，尺寸变化较大，大者达到 3～4 μm，小至几个纳米。

3 有机质形成古环境分析

一个盆地或凹陷内充填的沉积物或沉积岩常常清楚地记录着其在历史演化过程中的古环境特征与变迁，比如岩石的颜色、岩性、沉积构造以及古生物反映了当时的沉积环境, 泥岩中的微量元素如硼、锶、钡、铁、锰、钴、镍等反映了盆地当时的古盐度、古气候、古水深或氧化还原条件、沉积速率[8]。研究表明，泌阳凹陷富有机质页岩B(硼)、Th(钍)，Si(锶)含量较高，反映了较高的古盐度特征，表明此时为半咸水-咸水湖泊环境。从氧化还原条件来看，实测样品V(钒)/(V+Ni(镍))为0.71～0.84，δCe (Ce铈)指数(稀土元素指数)均大于-0.1，说明泥页岩沉积时水体分层性中等，以厌氧环境为主，水体处于还原环境，有利于有机质的保存。气候条件可通过气候指数及黏土矿物含量中伊利石所占的比值来判别，研究区页岩气候指数小于0.2，伊利石在黏土矿物中所占比值较高，表明泌阳凹陷富有机质页岩沉积时期为相对干旱的气候条件。

沉积速率的判定主要通过稀土元素的分配模式判别，通常当沉积速率较快时，稀土元素分配模式图平缓，La/Yb(镧/镱)比值约为1。稀土元素通常以吸附于陆源物质的悬浮物表面或络离子的形式进入湖泊，当沉积速度较慢时，黏土物质吸附轻稀土、重稀土与碳酸和有机质形成络合物等化学反应更为彻底，REE(Rare Earth Element稀土元素)分馏程度较高。研究区稀土元素分配模式均呈现向右倾斜的趋势，轻稀土富集而重稀土亏损，(La/Yb)n介于8.67～40.34，平均17.24，δCe为0.93～1.17，平均0.99，Ce(铈)异常性不明显或为正异常，指示沉积速率相对较低。这可能是高盐度水体浮力相对较大、湖泊水体较深所致。综上所述，泌阳凹陷富有机质泥页岩形成于干旱-半干旱的还原条件下缓慢沉积的、具有中等-高生产力的咸水湖泊环境。

4 有机质富集影响因素分析

沉积物中有机质的聚集是由很多地质边界条件所控制的,但最重要的控制因素还是沉积环境。三个最主要的直接控制变量是有机质的生产力、无机氧化物对有机质的破坏力和碎屑物对有机质的稀释[11-13]。只有在有机质来源丰富、氧化作用最小和碎屑物沉积速度适中的沉积环境下,才能形成较高丰度的有机质。Creaney等(1993)认为较低的沉积速率和沉积界面处的贫氧环境，影响泥页岩有机碳总量。一旦确立了缺氧环境，沉积速率则成为控制TOC大小的主要因素，因此有利的沉积相带和适宜的古环境对有机质的富集与保存具有重要的作用。

4.1 沉积相带控制有机质的富集

研究表明，沉积物有机质丰度在平面上呈环带状分布。近湖盆中央出现相对平滑的有机碳剖面，TOC含量细微增减；而在湖盆边缘TOC剖面波动剧烈，TOC含量迅速的增加或减小。半深湖-深湖环境中的有机碳含量总体较浅湖-前三角洲的有机碳含量高，有机质类型也较好，总体说明深湖-半深湖相带较有利(表1，图3)。当湖盆底部水体为缺氧还原条件时,降落到湖底的水生生物和陆源有机质才能被保存到沉积物中。而这些浊积岩的出现打破了缺氧环境，溶解氧及其水生生物可以深入湖底，使泥页岩有机碳含量降低，因此有机碳含量剖面在湖盆边缘波动较大而在湖盆中心相对稳定。

图3 泌阳凹陷第5套富有机质页岩有机质丰度与沉积相叠合图

表1 不同环境中各岩性相有机碳含量统计

沉积相岩性相颜色TOC含量/%半深湖-深湖浅湖-前三角洲页岩泥岩灰质页岩含云页岩云质页岩页岩泥岩云质页岩褐色、黑色、褐灰色灰黑色、深灰色黑色、灰黑色灰黑、深灰色深灰色褐灰色、褐色灰色、深灰色灰色1．08-6．48(2．79)0．81-3．41(2．28)1．24-4．96(2．59)0．91-4．35(2．14)1．02-3．12(2．00)1．34-3．77(2．43)0．75-3．58(1．89)0．71-3．57(2．03)

4.2 沉积古环境控制有机质的富集

干旱-半干旱气候条件下，蒸发量大于降雨量和陆地径流量，湖泊水体浓缩、盐度增大，生物所需的营养物富集，促进了浮游类生物的繁殖，有利于产生中等-高的原始有机质产率；此时，泥页岩形成于湖扩体系域，较高的湖平面形成大的可容纳空间，为有机质富集提供足够的空间；古水体盐度存在差异，在半深湖-深湖区域形成盐度分层，使底水缺氧而处于还原环境，较小的沉积速率又避免有机质被稀释破坏，从而使有机质显著富集。