崖南凹陷Y1井崖三段煤系烃源岩发育规律

张春良 沈玉林 秦 勇 赵志刚 杨 柳 谢国梁

(1.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室 江苏徐州 221008；2.中国矿业大学资源与地球科学学院 江苏徐州 221116；3.中海油研究总院 北京 100028；4.江西省煤田地质局223地质队 江西鹰潭 335000)



崖南凹陷Y1井崖三段煤系烃源岩发育规律

张春良 沈玉林 秦 勇 赵志刚 杨 柳 谢国梁

(1.中国矿业大学煤层气资源与成藏过程教育部重点实验室 江苏徐州 221008；2.中国矿业大学资源与地球科学学院 江苏徐州 221116；3.中海油研究总院 北京 100028；4.江西省煤田地质局223地质队 江西鹰潭 335000)

基于Y1井煤系烃源岩样品微量元素分析、煤岩显微组分及热解测试结果，结合小波分析的米氏旋回划分结果，系统研究了崖南凹陷Y1井崖三段煤系烃源岩特征及发育规律。研究表明：①以104和260尺度结合岩芯沉积序列及地球化学测试结果，将崖三段划分为2个中期和5个短期米氏旋回，垂向上表现为旋回厚度及烃源岩比例向上增大的趋势，中期旋回上部为烃源岩优势发育层位，其中ⅠA2、ⅠA3和ⅠB2为煤系烃源岩发育的优势旋回；②煤系烃源岩有机显微组分表现为富镜质组、贫惰质组、贫壳质组+腐泥组，镜质组含量为44%～100%，平均为83%，以基质镜质体及镜屑体为主，烃源岩类型以Ⅲ型(腐殖型)有机质为主，少量为Ⅱ2型(腐泥—腐殖型)有机质，烃源岩以产气为主，其成熟度较低，Ro值平均为1.12%，处于生烃阶段初期；③煤系烃源岩发育受多种因素控制，其中断陷盆地向坳陷盆地的转化时期是成煤的关键构造时期、强烈进积作用使得煤系烃源岩保存不全、区域海平面上升时期是成煤的关键时期、短期旋回小波曲线右偏拐点处为煤系烃源岩相对发育层位。

米氏旋回 煤系烃源岩 热解 崖城组 崖南凹陷

大量研究显示琼东南盆地崖城组煤系及暗色泥岩是研究区天然气的主要烃源岩，具有较大生烃潜力[1-7]，使琼东南盆地成为我国潜在的海上油气富集区及研究热点。前期虽勘探出崖13-1、崖13-4气田及一批含油气或见油气显示的圈闭，但其后的油气勘探成效并不理想，尤其是近年来尚无重大突破[8]。崖南凹陷作为琼东南盆地有利的勘探区带，研究其崖城期煤系烃源岩发育规律对油气开发具有重要意义。前人研究表明沉积地层明显受到米兰科维奇旋回的影响[9-11]。本工作基于Y1井崖三段系统、完整的岩芯观察及相关测试分析成果，利用小波分析开展米氏旋回划分工作，期望查明崖三段煤系烃源岩发育规律，探讨其控制因素，为天然气勘探开发提供地质依据。

1 地质背景

琼东南盆地位于海南岛东南部海域，南海北部大陆边缘西北部(图1)，为新生代形成的NE向伸展盆地，海域面积6×104km2，盆地面积4.5×104km2。前人根据沉积旋回的一致性、生物群面貌的一致性及地震反射波组特征将崖城组划分为崖一、崖二及崖三段[2-4]。崖城组垂向发育多个沉积旋回，旋回间多以冲刷接触叠置产出，崖城组各段岩性组合特征如下：①崖三段垂向岩性变化显著，其底部发育棕红色砂砾岩夹深灰色薄层泥岩，下部以灰白色、浅灰色粗砂岩或含砾砂岩为主，向上粒度逐渐变细，局部为薄层的深灰色粉砂质泥岩，上部主要发育砂泥互层(砂岩为灰白色、泥岩为深灰色)，局部含薄煤层；②崖二段深灰色泥岩发育，厚度较大，其下部含灰白色的薄层砂岩，属于障壁海岸沉积体系，由潮坪—潟湖沉积环境构成；③崖一段为灰白色砂岩、深灰色泥岩、砂质泥岩夹煤层和炭质泥岩，晚期泥岩含量突然增加，发生了较大海侵，扇三角洲沉积体系和潮坪沉积体系较为发育，其潟湖萎缩，潮坪聚煤作用发育。受构造沉降、沉积物供给、海平面变化影响，其沉积体系、沉积相及组合类型呈多样化。崖城组沉积时期崖南凹陷整体为障壁—潟湖—辫状河三角洲沉积，盆地边缘发育冲积扇—扇三角洲等冲积体系(图1)，三角洲以河控浅水三角洲为主，间或受潮汐作用影响，形成陆源碎屑岩的含煤混合沉积。沉积组合及空间配置表现为障壁—潟湖—三角洲沉积组合，空间上自南东向北西依次展布。

图1 琼东南盆地崖南凹陷沉积体系展布图(据中海油研究总院，2012)及Y1井采样位置Fig.1 The sedimentary distribution of Yanan depression, Qiongdongnan Basin (according to CNOOC Research Institute, 2012) and the sampling sites of Well Y1

2 样品测试结果

本文基于Y1井崖三段25块泥岩及煤样，对其进行微量元素测试分析、煤岩分析及热解测试，分析其煤系烃源岩特征，探讨其发育规律，采样位置见图1。

2.1 有机岩石学特征

选用Y1井不同深度样品共16个，对其有机显微组分进行统计，结果见表1。

显微组分主要为镜质组，其含量为44%～100%，平均为83%，以基质镜质体(图2a，b)及镜屑体(图2c)为主体。其基质镜质体多与其他组分或矿物胶结，可见较多裂隙和裂纹；镜屑体粒度为0.02～0.05 mm，主要分布于基质镜质体中；少量样品中间可见均质镜质体，轮廓清楚，成分均一纯净；少量为结构镜质体；未见荧光镜质体及团块镜质体。

壳质组+腐泥组含量范围在0～44%，平均为16%。壳质组主要为壳屑体，粒径小于3 μm，见孢子体(图2d)、藻类体等。腐泥组见少量沥青质体，及少量无结构藻类体，未见其他结构藻类体。

惰质组含量范围在0～6%，平均为1%。主要为惰质体，在显微镜下呈圆形或椭圆形(图2e)。

次生组分较常见，矿物沥青基质发育(图2f)。

研究表明Y1井崖三段煤系烃源岩有机显微组分表现为富镜质组、贫惰质组、贫壳质组+腐泥组，少数样品为富镜质组和壳质组+腐泥组、贫惰质组，烃源岩类型以Ⅲ型(腐殖型)有机质为主，部分为Ⅱ2型(腐泥—腐殖型)有机质，烃源岩以产气为主，烃源岩发育厚度较大，有机质含量高，生烃潜力较大。

2.2 热解实验结果

选用Y1井不同深度样品共23个，均为有机质含量高的暗色泥岩、炭质泥岩及煤样。实验结果见表2，样品整体的镜质组反射率(Ro)在0.8%～1.3%范围内，平均为1.12，按中国煤级划分方案应属低成熟度至中等成熟度，即长焰煤至肥煤阶段，少数达到焦煤阶段；含油气总量(S1+S2)为1.2～100.42 mg/g，平均为12.67 mg/g；有机碳含量(TOC)范围为0.36%～43.28%，平均为7.43%，所测结果的垂向分布模式如图3所示。由图3可知，崖三段TOC、Tmax、S1、S2及S1+S2整体变化趋势基本一致。值得注意的是，在Ro为1.20%附近且TOC含量较高的样品中多数表现为S1+S2高值，如Y1-7(Ro为1.13%，TOC为43.28%，其S1+S2达到95.97 mg/g)和Y1-20(Ro为1.21%，TOC为40.90%，其S1+S2达到100.42 mg/g)，由此可见Y1井煤系烃源岩成熟度较低，处于生烃阶段初期，Ro与生烃量S1+S2具有一定的正相关关系。

表1 Y1井煤系烃源岩显微组分

图2 Y1井煤系烃源岩显微组分照片a，b.基质镜质体，4 057.5 m, 4 012.08 m；c.镜屑体，4 037.68 m；d.孢子体，4 057.49 m e.惰屑体，4 037.68 m；f.矿物沥青基质，4 066.62 m。Fig.2 The maceral images of the coal-measure source rock in Well Y1

3 崖三段煤系烃源岩发育特征

3.1 基于小波分析的崖三段米氏旋回划分

在沉积地层中，经小波分析处理后的GR曲线对地层中砂/泥相对含量垂向变化及旋回性反映明显，可识别地层中突变点或突变区(即地层中的旋回和基准面的变化)。有些学者还探讨了测井数据小波变换的地质意义，并以此进行相关的测井层序分析研究[12-17]。前期对中国近海新生代煤系烃源岩开展过相关研究工作，并取得阶段性研究成果[17]。本次工作在前期研究基础上，对GR曲线进行一维的Morlet小波分析，选取了2种不同尺度A并获得相应的小波曲线，将旋回界面划分于小波曲线突变点处，旋回界面运用岩芯观测结果加以约束。

基于不同尺度A的小波曲线，综合岩芯中冲刷接触面及沉积间断面等特征，对Y1井崖三段进行米氏旋回划分，分别取A值为260和104，在Y1井崖三段共识别出2个中期旋回(ⅠA、ⅠB)及5个短期旋回(ⅠA1、ⅠA2、ⅠA3、ⅠB1、ⅠB2)，如图3。

表2 Y1井煤系烃源岩岩石热解参数统计

图3 Y1井样品热解、微量元素垂向分布模式及米氏旋回划分图Fig.3 The vertical distribution of sample pyrolysis， trace elements and the sequence division based on the Milankovitch cycle, Well Y1

3.2 米氏旋回与小波分析的关系

米氏旋回与天文轨道周期(偏心率(e)、斜率(ε)及岁差(p))关系密切，主要表现为对冰川消融型海平面变化影响而形成四—六级的高频层序(表3)。米氏旋回受天文轨道周期作用会在地层中留下其特有的比例关系，因此可在地层中寻找对应的旋回关系来印证米氏旋回的响应。

图3中，尺度A=260的中期旋回小波曲线中识别出2个周期，各周期平均厚度约为：100 m(总厚度)/2(周期数)=50 m；尺度A=104的短期旋回小波曲线识别出5个周期，各周期平均厚度约为：100 m(总厚度)/5(周期数)=20 m。其中期旋回与短期旋回厚度比为5∶2，与米氏旋回中短偏心率旋回：黄赤交角旋回的比值一致，印证了地层中保存的米氏旋回及其与小波曲线之间的对应关系：即260尺度小波曲线对应于五级层序(中期旋回)，104尺度小波曲线对应六级层序(短期旋回)。

表3 层序级别划分与驱动机制(赵宗举等，2010)

3.3 优势聚煤周期分布

运用数学统计方法，在已划分的米氏旋回中统计各短期旋回内煤系烃源岩发育厚度(表4)。由表4可知，Y1井崖三段短期旋回内，旋回ⅠA2、旋回ⅠA3与旋回ⅠB2内发育的煤系烃源岩厚度均超过5 m，相对于其他旋回煤系烃源岩发育较好；旋回ⅠA2煤系烃源岩发育厚度为7.01 m，旋回内烃源岩比例为42.16%；旋回ⅠA3煤系烃源岩发育厚度为5.47 m，旋回内烃源岩比例为43.96%；旋回ⅠB2煤系烃源岩发育厚度达15.21 m，旋回内烃源岩比例为59.61%。另外这3个旋回内TOC及S1+S2均较高，由此把ⅠA2、ⅠA3、ⅠB2旋回确定为Y1井崖三段的煤系烃源岩发育优势旋回。垂向上表现为旋回厚度及烃源岩比例向上增大的趋势，中期旋回ⅠB较ⅠA发育；垂向变化趋势在短期旋回内更为显著，旋回内烃源岩比例向上明显增大，ⅠA3>ⅠA2>ⅠA1且ⅠB2>ⅠB1，可见中期旋回上部为烃源岩优势发育层位(表4)。

表4 Y1井崖三段各短期旋回内煤系烃源岩发育情况

4 煤系烃源岩发育控制因素探讨

4.1 断陷盆地向坳陷盆地的转化时期是成煤的关键构造时期

南海北部盆地构造演化受印欧板块碰撞引发的地幔蠕动推动太平洋板块俯冲带的后撤的控制，各事件之间具有较好的顺承与对应关系。其中渐新世是琼东南盆地构造演化转型的关键时期，盆地性质由断陷转化为坳陷[18]。边缘海构造旋回控制南海北部被动大陆边缘盆地，古南海旋回于古新世至始新世使盆地发生多幕非海相裂陷，琼东南盆地于渐新世早期形成海陆过渡相断陷；新南海扩张早期形成了晚渐新世海相断陷、断坳或坳陷，相当于陆间裂谷的前期，盆地成为一个东西向的窄海湾，由东向西为海湾—海相环境，晚渐新世以来为海相坳陷叠合型盆地[4]。断陷盆地的晚期构造活动趋于稳定，为盆地的聚煤提供了稳定的构造背景。此外断陷晚期盆地充填淤浅，古地形趋于平坦，为聚煤事件的发生奠定了古地理背景。

4.2 区域海平面上升时期是成煤的关键时期

相对海平面的变化，控制了沉积环境在空间与平面展布，及煤系烃源岩的分布及保存情况。琼东南盆地距今约30Ma海侵以来，总体表现为一个海平面上升过程[19-20]。这一大的海平面上升过程构成了长期海平面旋回，其中包含了3个中期海平面变化旋回，一定程度上与Haq[21]制定的全球二级海平面变化曲线相似，但在短期旋回的认识上两者却差异甚大。郝诒纯等[19]通过精细对比研究，认为主要为区域构造运动造成了其中的差异性。

海平面变化控制着优质烃源岩在地层中的分布位置。在崖城期发生明显海侵[22]，崖南凹陷为半封闭海湾环境，受区域海平面上升影响，粗粒碎屑沉积物向坳陷边缘迁移，细粒沉积物发育广泛。在这种低水动力条件下，有机质也能较好的保存下来，从而为提高烃源岩有机质丰度创造了沉积环境条件。

崖南凹陷内崖三段煤质以高硫含量为特征，全硫含量在1.07%～6.39%之间，平均4.70%。多数为高硫煤，全硫含量>3%；少数为中硫煤，全硫含量在1.00%～3.00%之间。前人[23-25]研究认为煤中的硫主要为沉积期受到海水影响。高硫煤中的硫主要来源于同生期海水入侵以及准同生海水下渗，高硫煤的形成离不开海水或海侵的影响。据Y1井崖三段样品分析结果，煤层全硫含量均大于1.00%(图3)，印证了海侵事件的存在，且水位的上升，利于其有机质的保存。

4.3 强烈进积作用与煤系烃源岩保存

崖三段三角洲沉积表现为典型的进积特点，分流河道与水下分流河道砂体间的冲刷作用显著，后期河道沉积因强烈的进积作用常对先前细粒沉积单元冲刷切割，乃至包括先前沉积的煤系烃源岩因冲刷作用而保存不全(图4)。

4.4 米氏旋回的控制

据米氏旋回理论，地球轨道参数周期性变化引起地球接受太阳辐射能量的变化，进而导致气候变化，而气候变化影响着海平面升降以及陆地基准面的波动。始新世—渐新世全球气候事件的发生[26-27]，使琼东南盆地气候由炎热干旱转温湿，海侵开始使得盆地由陆转海，根据米氏旋回与小波分析的对应关系推测，认为崖三段煤系烃源岩的发育受到地球轨道参数控制，地球轨道短偏心率与黄赤交角分别影响了五级和六级旋回的发育。崖三段优质煤系烃源岩垂向分布具有明显的规律性，在米氏旋回短期曲线的右偏拐点处，煤系烃源岩相对发育，且TOC等指标相对较高(图3)，而米氏旋回短期曲线右偏拐点处正是海平面最高处。因受米氏旋回影响，海平面上升时期成为成煤关键时期，使得形成煤层的泥炭沼泽发育期受到海水的影响，其控制了煤系烃源岩发育位置及其保存条件。

图4 崖南凹陷Y1井崖三段含煤旋回垂向叠置特征Fig.4 The vertically superposed characteristics of coal cycles in Ya-3 member, Well Y1, in Yanan depression, Qiongdongnan Basin

5 结论

(1) Y1井崖三段煤系烃源岩有机显微组分主要表现为富镜质组、贫惰质组、贫壳质组+腐泥组，烃源岩类型以Ⅲ型(腐殖型)有机质为主，部分为Ⅱ2型(腐泥—腐殖型)有机质，烃源岩以产气为主，烃源岩发育厚度较大，有机质含量高，生烃潜力较大；崖三段TOC、Tmax、S1、S2及S1+S2整体变化趋势基本一致，烃源岩成熟度较低，处于生烃阶段初期，Ro与生烃量S1+S2具一定的正相关关系，在Ro为1.20%附近且TOC含量较高的样品中多数表现为S1+S2高值；

(2) 基于不同尺度小波曲线结合微量元素参数垂向分布模式及岩芯序列，将崖三段米氏旋回划分为2个中期旋回及5个短期旋回，指出ⅠA2、ⅠA3和ⅠB2为煤系烃源岩发育优势旋回；垂向上表现为旋回厚度及烃源岩比例向上增大的趋势，中期旋回上部为烃源岩优势发育部位。

(3) Y1井煤系烃源岩发育受到多因素控制，其中断陷盆地向坳陷盆地的转化时期为成煤的关键构造时期，强烈进积作用使得煤系烃源岩保存不全，其区域海平面上升时期是成煤的关键时期，明显受到米氏旋回控制，其海平面变化不但控制煤系烃源岩发育位置，还影响着煤系烃源岩有机质的保存条件，使得米氏旋回短期曲线的右偏拐点处煤系烃源岩相对发育。

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Development Regularities of the Coal-measure Source Rock in Ya-3 Member of Yacheng Formation, Well Y1, in Yanan Depression within Qiongdongnan Basin

ZHANG ChunLiang1,2SHEN YuLin1,2QIN Yong1,2ZHAO ZhiGang3YANG Liu1,2XIE GuoLiang4

(1. Key Laboratory of Coalbed Methane Resources & Reservoir Forming Process of the Ministry of Education,China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221008, China;2. College of Resources and Earth Science, China University of Mining and Technology, Xuzhou, Jiangsu 221116, China;3. CNOOC Research Institute, Beijing 100028, China;4. 223 Geological Team of Jiangxi Coal Geology Bureau, Yingtan, Jiangxi 335000, China)

Based on the analysis of trace element, maceral and the results of rock pyrolysis of the coal-measure source rock samples from Well Y1, the development regularities of the coal-measure source rock in Ya-3 member of Yanan depression were systematically studied combining the Milankovitch cycle division results of wavelet analysis. This research shows that: (1)Based on the 104 and 260 wavelet scale of Milankovitch cycling, combined with the sequence of core and geological test results , two medium cycles and five short-cycles were identified in Ya-3 member, which points out that the coal-measure source rock tends to thicken visibly in vertical direction, and the proportion of the source rock increases clearly upward in each cycle and it is mainly developed on the top of the medium cycle, in which ⅠA2, ⅠA3 andⅠB2 are the dominant cycles; (2)As for organic macerals, the source rock is vitrinite-rich, inetinite-poor , exinite-poor and sapropelinite-poor. Of all the organic macerals, the average concentration of vitrinite is 83%, which accounts for 44%～100% of the total content. The vitriniteis mainly composed by desmocollinite and vitrodetrinite, and the kerogen types of the source rock are primarily Type III (humus type) and some Type II (sapropelic-humus type) organic matter. Besides, the source rock generates gas prevailingly, and it is in the initial stage of hydrocarbon generation with low maturity. The average value of Rois is 1.12; (3) The development of the source rock in the study area is controlled by multiple factors, and the period in which the faulted depression basin transformed into a sag basin is a critical tectonic stage of coal formation. The incomplete preservation of the source rock resulted from the process of strong progradation, and the time in which regional sea level rising was also a critical period of coal formation, and the toward-right inflection point of the short-cycle represented layer which was relatively rich in coal-measure source rock.

Milankovitch cycle; coal-measure source rock; Pyrolysis; Yacheng Formation; Qiongdongnan Basin

1000-0550(2016)05-1003-08

10.14027/j.cnki.cjxb.2016.05.019

2015-10-10； 收修改稿日期： 2016-03-03

国家重大专项(2011ZX05023-001-008)[Foundation：National Science and Technology Major Project，No.2011ZX05023-001-008]

张春良 男 1990年出生 硕士研究生 沉积学及沉积地球化学 E-mail: cumtzcl@163.com

沈玉林 副教授 E-mail: yulinsh@163.com

P618.13

A