渤海湾盆地饶阳凹陷沙三段烃源灶精细评价

王　浩，王飞宇,1b，周仁志，金凤鸣，马学峰，赵贤正（1.中国石油大学a.地球科学学院，b.油气资源与探测国家重点实验室，北京1049；.中国石油华北油田分公司勘探开发研究院，河北任丘0655）

渤海湾盆地饶阳凹陷沙三段烃源灶精细评价

王浩1a，王飞宇1a,1b，周仁志1a，金凤鸣2，马学峰2，赵贤正2
（1.中国石油大学a.地球科学学院，b.油气资源与探测国家重点实验室，北京102249；2.中国石油华北油田分公司勘探开发研究院，河北任丘062552）

饶阳凹陷是渤海湾盆地富油气凹陷之一，主力烃源岩为古近系沙三段湖相暗色泥岩，具高度非均质性。应用烃源岩测井地球化学评价技术对32口探井进行分析，将离散的实测总有机碳含量数据变成连续的数据。根据总有机碳含量与氢指数相关性，实现烃源岩非均质性的分级评价，得出有机相C相和D/E相的烃源岩厚度分布模型；利用井底测温数据和古温标参数，精细标定饶阳凹陷地温场和烃源岩有机质成熟度；应用Trinity3D油气系统精细评价了烃源灶排烃强度，沙三段烃源灶排油强度为1.0×106~5.4×106t/km2，排气强度为0.5×108~22.0×108m3/km2.

渤海湾盆地；饶阳凹陷；沙三段；湖相烃源岩；烃源灶

勘探家已认识到确定富烃凹陷对于勘探决策的重要性，同时也认识到只有精细描述富烃凹陷，才能真正认识盆地和区带的资源潜力。精细表征富烃凹陷需要对烃源灶作出定量分析，烃源灶是指地质历史中生成和排出大量油气的烃源岩发育区，用单位面积的生烃量和排烃量表征。要实现烃源灶定量评价必须解决3个问题:一是烃源岩体非均质性的精细评价；二是烃源岩的生烃动力学和生排烃模型；三是盆地的热历史和烃源岩的生烃历史。

目前油气勘探用暗色泥岩厚度代表烃源岩厚度，烃源岩特征赋值则采用目前实测数据的数学统计平均值，这种做法基本上忽视了烃源岩的强非均质性。笔者应用测井资料与烃源岩岩心分析数据进行拟合，将离散的实测总有机碳含量数据变成连续的数据，实现了全井段烃源岩的评价，进而利用湖相烃源岩氢指数与总有机碳含量的关系对烃源岩分级评价，对不同类别的烃源岩进行赋值，实现对饶阳凹陷古近系沙河街组三段（以下简称沙三段）烃源灶的精细评价。

饶阳凹陷位于渤海湾盆地冀中坳陷中部,是一个东断西超的新生代箕状凹陷，面积约6 300 km2，研究区发育任西、马西、河间—肃宁、饶南等4个洼槽（图1）[1-4]。饶阳凹陷是渤海湾盆地富烃凹陷之一[5-8]，主力烃源岩为古近系沙三段（Es3）和沙一段（Es1）湖相暗色泥岩，主要分布在4个洼槽中，为饶阳凹陷油藏的形成提供了充足的油源，探明油气储量占华北油田全区总量的70%，资源丰度高，潜力巨大[9-10]。本文主要对沙三段烃源灶进行精细刻画。

图1　饶阳凹陷构造位置及分区

1　烃源灶精细表征

1.1烃源岩测井地球化学评价

用测井曲线可以识别高丰度烃源岩并对有机质丰度进行定量解释，最经典的方法为ΔlogR法，该方法以电阻率和声波时差的叠合为手段，将2条曲线重合部分作为基线，将2条曲线的幅度差记为ΔlogR，其公式如下：

式中R——电阻率，Ω·m；

Δt——声波时差，μs/m.进而根据ΔlogR与实测总有机碳含量建立的线性关系计算出全井段的总有机碳含量[11]，国内有很多学者也应用此方法对烃源岩进行评价，并取得了很好的效果[9,12-14]。

选取饶阳凹陷中地球化学数据多、测井资料完整的井作为关键井来建立计算公式，再将公式用于相似地质条件的井中，通过对32口探井的分析实现整个凹陷烃源岩的定量评价（图1）。选取西9井和马99井等7口井分别建立计算公式，结果表明，实测总有机碳含量与ΔlogR计算总有机碳含量的相关性较好（图2），拟合公式合理。

图2　马99井ΔlogR计算总有机碳含量与实测总有机碳含量相关关系

1.2烃源岩非均质性

烃源岩普遍具有很强的非均质性[15-16],即使同为暗色泥岩，总有机碳含量和氢指数也会随深度发生明显的变化，甚至可以相差1~2个数量级，给烃源岩特征赋值带来很大的困难。利用烃源岩测井评价结果对烃源岩的有机相进行分类[17]，实现对烃源岩的分级评价，可以很好地解决烃源岩的非均质性问题。

文献［18］对全球范围内湖相烃源岩的岩石热解数据进行统计，认识到湖相烃源岩的氢指数与总有机碳含量有很好的相关性。根据文献［17］的分类方案和文献［19］的研究，将有机相的表征简化为总有机碳含量层段的划分，对于陆相烃源岩，总有机碳含量大于2%的烃源岩归为有机相C相，总有机碳含量为1% ~2%的烃源岩归为有机相D/E相，总有机碳含量小于1%的烃源岩归为有机相F相。湖相沉积环境有着多变的沉积体系，包含了C相、D/E相和F相。C相主要发育在陆相湖泊环境中，有机质来源主要为淡水藻类和细菌，属于倾油性源岩。D/E相和F相是倾气的，主要发育在陆源有机质较多的环境。

饶阳凹陷沙三段烃源岩的氢指数与总有机碳含量存在很好的相关性（图3）。沙三段烃源岩的氢指数随着总有机碳含量的增加而增加，当总有机碳含量小于2%时，氢指数随总有机碳含量的增加快速增加，在总有机碳含量大于3%时趋于稳定。在不同总有机碳含量区间，烃源岩的氢指数也不同：总有机碳含量大于2%的C相烃源岩，初始氢指数大于500 mg/g，其显微组分以湖相藻类体为主[20-21]；总有机碳含量为1% ~2%的D/E相烃源岩，初始氢指数为300~400 mg/g，其镜质组和惰质组的含量相对增加[20-21]；总有机碳含量小于1%的F相烃源岩初始氢指数小于200 mg/g.虽然有些样品会由于成熟度导致氢指数下降，但数学统计结果仍可以反映不同有机相烃源岩的整体情况。根据氢指数和总有机碳含量的相关关系，对烃源岩进行特征赋值，可以实现烃源灶的精细表征。

图3　饶阳凹陷沙三段烃源岩总有机碳含量与氢指数关系

图4　饶阳凹陷沙三段烃源岩总有机碳含量垂向展布

2　高丰度烃源岩识别

始新世沙三段沉积早中期，饶阳凹陷东部边界断层强烈活动，靠近东部陡带的洼槽区快速下陷，可容空间迅速扩大，发生了饶阳凹陷的首次大规模湖侵，并进入扩张深陷充填阶段，形成了广湖盆、深水体的沉积格局。至沙三段沉积中期湖侵范围最大，浅—半深湖沉积的暗色泥岩形成了冀中坳陷最重要的烃源岩[19,21]，主要分布在马西洼槽、任西洼槽、河间—肃宁洼槽和饶南洼槽。图4为过饶南洼槽、河间—肃宁洼槽及马西洼槽的强21井—留3井—宁古4井—马99井剖面沙三段高丰度烃源岩的垂向和侧向展布特征。

烃源岩测井地球化学评价结果显示，饶南洼槽和河间—肃宁洼槽的沙三段C相和D/E相烃源岩主要发育在沙三段中上部，饶南洼槽（强21井，留3井）的沙三段下部发育紫红色泥岩，指示偏氧化环境，不利于有机质的保存，没有优质烃源岩发育。肃宁洼槽（宁古4井）同样在沙三段下部发育紫红色泥岩，但厚度比留3井小，整体上可看出沙三段烃源岩在肃宁洼槽比饶南洼槽更为发育。马99井处于马西洼槽的边缘，整个沙三段均有优质烃源岩发育，沙三段下部烃源岩的有机质丰度更高，烃源岩与砂岩呈互层状，累计厚度大，马西洼槽的沙三段烃源岩在整个凹陷中最为发育。

在地震数据建立的地质格架下，根据烃源岩测井地球化学评价结果，综合考虑地层厚度与沉积相，采用相关网格化技术编制出饶阳凹陷的沙三段烃源岩总有机碳含量大于2%和总有机碳含量1%~2%的烃源岩厚度图（图5）。从烃源岩厚度空间分布来看，整体上沙三段的烃源岩仅在主洼槽区域呈带状分布，高丰度烃源岩在马西洼槽最为发育，总有机碳含量大于2%的C相烃源岩累计厚度可达160 m.肃宁洼槽、饶南洼槽烃源岩发育的厚度逐渐减薄，主要发育在沙三段的中上段，C相烃源岩发育的厚度并不大，累计厚度为20~80 m，有机碳含量也不高。总有机碳含量为1%~2%的D/E相烃源岩累计厚度为20~180 m，肃宁洼槽较为发育。

图5　饶阳凹陷沙三段高丰度烃源岩厚度平面分布

利用烃源岩测井评价技术，可以对烃源岩的非均质性进行精细的刻画，但需要注意的是，这种方法也存在着一定的局限性。在实际的勘探开发中，探井在泥岩段的取心很少，这也就影响了与测井资料拟合的精度，甚至有很多探井并未钻穿或钻遇烃源岩层段。在这种情况下，需要根据地震层序和沉积相的研究进行合理的外推，但这种推断存在较大的不确定性。

3　沙三段烃源灶定量表征

3.1地温场特征

根据饶阳凹陷60个井底测温数据拟合，地表温度约为10℃，平均地温梯度为3.2℃/hm，由于饶阳凹陷发育多个隆起带和洼陷，导致了地温场的变化很大。一般隆起带的地温梯度较高，而洼陷的地温梯度较低（图6）。斜坡带、隆起带以及古潜山的地温梯度为3.4~5.0℃/hm，洼槽区域的地温梯度为2.9~3.3℃/hm.由于饶阳凹陷主体属于持续沉降，可以近似认为现今的地温为地质时期地层的最高温度，由此可以确定不同位置的门限深度，进一步进行生烃量和排烃量的模拟计算。

图6　饶阳凹陷地温梯度平面分布

图7　饶阳凹陷沙三段烃源岩镜质体反射率、烃指数和产率指数与深度关系

3.2沙三段烃源岩有机成熟度

烃源岩的有机质丰度高、类型好是生成大量油气的基础，而烃源岩的转化程度则是油气勘探的关键，因此，需要准确标定烃源岩的成熟度。结合岩石热解数据和镜质体反射率数据，可以准确标定烃源岩的有机成熟度，本次研究收集了饶阳凹陷4口井65个测点的镜质体反射率，30余口井240余个岩石热解数据。根据很多学者的研究，镜质体反射率在0.5%左右为生油门限，初步得出饶阳凹陷的生油门限深度约为2 800 m（图7a），这与文献［19］研究得出的结论是一致的。

岩石热解资料（烃指数和产率指数）用于标定烃源岩的成熟度，是由于随着烃源岩的成熟度增加，生成的油气量越来越多，而导致烃源岩所含的可溶烃（残留油气）逐渐增大，同时生烃潜力逐渐变小，因此，可以用烃指数和产率指数来判断生油成熟度[22]。饶阳凹陷沙三段烃源岩的烃指数随深度的变化如图7b，在2 800~3 000 m时，烃指数随深度的增加而增加，表明此时烃源岩开始生烃。高丰度烃源岩在5 000 m左右时烃指数达到最大，随后开始降低，表明此时烃源岩开始大量生成油气并排出。由此可以推断，饶阳凹陷平均的生油门限约为2 800 m，在2 800~4 000 m时，烃源岩处于低成熟—成熟阶段，大于4 000 m时，烃源岩处于生油高峰阶段。

产率指数随深度的变化规律如图7c，在深度小于2 800 m时，产率指数变化不大，在深度大于2 800 m时，产率指数随深度增加而增加，表明了烃源岩成熟门限在2 800 m.

3.3沙三段烃源岩排烃强度

根据文献［18］对中国东部湖相烃源岩大量实测数据分析表明，按照文献［17］有机相的分类和生烃动力学模式可以较好描述烃源岩的生烃过程。选取有机相C相和D/E相烃源岩的动力学参数，利用Trini⁃ty软件模拟得出沙三段烃源岩的排油强度和排气强度（图8）。

从图8可以看出，排油强度和排气强度在凹陷中心较高，任西洼槽、马西洼槽、河间—肃宁洼槽以及饶南洼槽的排油强度为1.0×106~5.4×106t/km2，其中马西洼槽和肃宁洼槽的烃源岩整体成熟度较高，烃源岩转化率较高，排油强度最大可达5.4×106t/km2。任西洼槽和马西洼槽的排气强度相对较小，一般为0.5×108~ 5.8×108m3/km2.河间—肃宁洼槽以及饶南洼槽的排气强度较大，一般为3×108~22×108m3/km2.从勘探角度而言，饶阳凹陷沙三段烃源岩在洼槽区排烃强度大，具有丰富的油气资源，保证了深层勘探目标的油气供给。因而，饶阳凹陷的深层潜山和古近系岩性圈闭是勘探的重要方向。

图8　饶阳凹陷沙三段烃源岩排烃强度

4　结论

（1）用ΔlogR方法进行烃源岩测井地球化学评价可以实现全井段烃源岩的评价，进而根据湖相烃源岩氢指数与总有机碳含量的关系对不同有机相烃源岩进行了分级评价。

（2）饶阳凹陷沙三段发育的高丰度烃源岩主要呈带状分布在4个洼槽区，C相烃源岩的厚度为20~160 m. D/E相烃源岩厚度为20~180 m.烃源岩整体上从饶南洼槽到马西洼槽逐渐变厚，有机质丰度变高。

（3）利用井底测温数据确定了饶阳凹陷的地温梯度为2.9~5.0℃/hm，结合镜质体反射率数据，岩石热解数据精细标定饶阳凹陷的热史，全区烃源岩的生油门限约为2 800 m.沙三段烃源灶主洼槽排油强度为1.0×106~5.4×106t/km2，排气强度为0.5×108~22.0× 108m3/km2.

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Fine Evaluation of Es3Source Kitchen in Raoyang Sag,Bohai Bay Basin

WANG Hao1a,WANG Feiyu1a,1b,ZHOU Renzhi1a,JIN Fengming2,MA Xuefeng2,ZHAO Xianzheng2
(1.ChinaUniversity of Petroleum,a.School of Geosciences,b.State Key Laboratory of Petroleum Resource and Prospecting, Beijing102249,China;2.Research Institute of Exploration and Development,Huabei Oilfield Company, PetroChina,Renqiu,Hebei 062552,China)

Raoyang sag is one of hydrocarbon-rich sags in Bohai Bay basin,its major source rock is Es3lacustrine dark mudstone with strong heterogeneity.Analysis of 32 exploration wells by source rock logging evaluation technique converts the discrete measured TOC data into continuous data.According to the correlation between TOC and HI,the grading evaluation of heterogeneity of the source rock is pre⁃sented,obtaining the thickness distribution models in terms of C and D/E organic facies.The bottom hole temperature and paleo⁃tempera⁃ture scale parameters are applied to calibrate distribution of geotemperature field and maturity of source rocks in Raoyang sag.Trinity3D petroleum system is used to evaluate the hydrocarbon expulsion intensity of the source kitchen,which shows that the oil expulsion intensity ranges from 1.0×106t/km2to 5.4×106t/km2,while the gas expulsion intensity is between 0.5×108m3/km2and 22×108m3/km2.

Bohai Bay basin;Raoyangsag;Es3;lacustrine source rock;source kitchen

TE112.115

A

1001-3873（2015）04-0423-07

10.7657/XJPG20150408

2015-01-27

2015-04-15

国家油气重大专项（2008ZX05007-001）

王浩（1991-），男，辽宁阜新人，硕士研究生，油气地质，（Tel）13051250957（E-mail）herbert_wh@163.com.