济阳坳陷青东凹陷古近系沙河街组烃源岩地球化学特征及生烃潜力综合评价

张明星， 郭耿生， 张琳璞

( 中国石化胜利油田分公司 石油开发中心有限公司，山东 东营 257061 )

济阳坳陷青东凹陷古近系沙河街组烃源岩地球化学特征及生烃潜力综合评价

张明星， 郭耿生， 张琳璞

( 中国石化胜利油田分公司 石油开发中心有限公司，山东 东营 257061 )

采用有机地球化学方法和盆地模拟技术，结合济阳坳陷青东凹陷古近系沙河街组构造、沉积等方面的研究成果，分析研究区古近系烃源岩的生烃潜力、演化特征等。结果表明：研究区主要存在沙三下亚段和沙四上亚段两套烃源岩，烃源岩具有“北厚南薄”的发育特征，在凹陷中—北部深洼带最为发育，往南厚度变小；烃源岩有机质丰度较高，有机质类型较好(Ⅰ—Ⅱ1)，具有良好的生烃物质基础；烃源岩处于低熟—成熟阶段，成熟烃源岩的分布范围有限，主要局限于北部洼陷和中部洼陷的深洼区，但研究区沙四段烃源岩具有形成低熟油的基本条件，为研究区油气聚集创造一定的物质基础。

烃源岩； 地球化学特征； 生烃潜力； 低熟油； 古近系； 青东凹陷； 济阳坳陷

0 引言

济阳坳陷青东凹陷油气勘探始于20世纪70年代，勘探时间较短，勘探程度较低[1-3]。2003年以来，青东地区获得很好的油气工业发现，揭示良好的油气勘探前景。目前已经明确研究区的构造面貌和地层展布特征，在烃源岩发育特征、油气来源、成藏过程等方面也取得认识[4-8]。研究区原油主要来源于沙四上亚段和沙三段烃源岩，其中沙四上亚段在全区分布稳定，为主要烃源岩层位。烃源岩在北部洼陷带比南部更为发育，深洼带沙四上亚段烃源岩的生烃强度大于斜坡带的，成熟度较高的烃源岩主要分布于深洼区，这些部位可能分布以沙四段上亚段为油源的大规模的油藏，而沙三段烃源岩供烃强度减弱且范围更局限[5,8]。两套烃源岩成熟度偏低，成熟烃源岩的分布范围不清楚。虽然也有研究认为青东凹陷沙四上亚段储层中可能存在低熟油[8]，但其来源及烃源岩是否具备形成低熟油的基本条件不明确。烃源岩分布特征是控制研究区油气成藏的主要因素[9]。

作为主力烃源岩的沙三下亚段和沙四上亚段泥岩的分布特征、有机质丰度、热演化程度等影响生烃潜力的重要因素认识不充分；研究区烃源岩成熟度偏低，处于低熟—成熟阶段[5]，成熟烃源岩的分布范围有限。笔者采用有机地球化学分析方法和盆地模拟技术，结合研究区构造、沉积等方面的研究成果，分析研究区古近系沙三下亚段和沙四上亚段烃源岩的生烃潜力、演化特征及其有效性，为深化研究区的油气勘探提供理论依据。

1 区域地质概况

青东凹陷位于济阳坳陷东部郯庐断裂带的西侧，是一个受到区域拉张应力和走滑断裂活动控制的新生代陆相断陷盆地，具有“东断西超、南北双断”的结构特点，西北以垦东、青坨子凸起为界，东南紧邻潍北凸起，西南与东营凹陷青南洼陷相通(见图1)[7]。在太古界结晶基地上发育古生界、中生界、新生界及第四系等4套沉积岩系，新生界主力烃源岩分布于沙河街组四段和三段。凹陷沉积类型多样，发育三角洲、滩坝、低位扇及水下扇等沉积类型，纵向和横向变化较快*中国石化胜利油田分公司.青东凹陷石油地质条件研究与有利区带优选[R].2012.。油气层主要分布在沙三下亚段和沙四上亚段储层中，凹陷中央、边缘部位分布油气藏，主要类型有构造、地层、岩性和复合油气藏等。

图1 渤海湾盆地济阳坳陷青东凹陷构造位置Fig.1 Structural position of Qingdong sag in Jiyangdepression of Bohai bay basin

2 暗色泥岩分布特征

青东凹陷主要烃源岩为古近系沙四上亚段和沙三下亚段暗色泥岩。钻井资料表明，青东凹陷沙三下亚段及沙四上亚段暗色泥岩十分发育，如靠近凹陷中部的青东12井暗色泥岩约占地层厚度的80%。烃源岩发育较厚部位位于沉积或沉降中心，受物源方向控制。总体上，烃源岩主要分布于北次洼、中次洼和南次洼3个沉积中心(见图2)。

在沙四上亚段沉积时期，青东凹陷以滨浅湖和半深湖相沉积为主，沙三下亚段在沙四段湖相沉积的基础上继续下沉，形成广阔、稳定的深湖—半深湖相[10]①。根据录井测井和地震资料，沙四上亚段暗色泥岩在全区分布广泛，最大厚度超过700 m，中心位于凹陷中北部深洼带的北次洼北断层附近，中次洼、南次洼烃源岩厚度变小，青东12井附近最大沉积厚度达到600 m，南部浅洼带最大厚度超过400 m(见图2(a))；沙三下亚段暗色泥岩厚度在凹陷北部深洼带较大，最大厚度达到800 m，位于北次洼北断层附近；南部浅洼带沙三下亚段暗色泥岩厚度与沙四上亚段的接近，其中青东12井附近最大沉积厚度为600 m左右，南次洼最大厚度为400 m左右(见图2(b))。

图2 青东凹陷沙河街组暗色泥岩厚度Fig.2 The thickness of dark mudstone of Shahejie formation in Qingdong sag

3 烃源岩生烃潜力

3.1 有机质丰度

研究区沙四上亚段和沙三下亚段暗色泥岩有机质丰度分布特征见表1。根据陆相烃源岩有机质丰度评价标准[11-12]，研究区沙四上亚段和沙三下亚段烃源岩有机质丰度较高，大部分达到好烃源岩的标准，其中沙四上亚段暗色泥岩中有机碳质量分数为0.23%～5.84%，平均为1.50%；生烃潜量(S1+S2)为0.10～50.88 mg/g，平均为5.39 mg/g；氯仿沥青“A”质量分数为0.01%～1.62%，平均为0.20%。沙三下亚段暗色泥岩中有机碳质量分数为0.26%～5.88%，平均为1.88%，生烃潜量(S1+S2)为0.20～26.15 mg/g，平均为6.89 mg/g；氯仿沥青“A”质量分数为0.01%～0.48%，平均为0.11%。

根据烃源岩样品实测数据，青东凹陷沙三下亚段和沙四上亚段烃源岩有机碳质量分数分布较高的部位，主要位于凹陷的北部深洼带和南部浅洼带(见图3)。根据有机碳质量分数和生烃潜量平面分布特征，沙四上亚段暗色泥岩有机碳质量分数和生烃潜量较高(w(TOC)>2.0%，(S1+S2)>5 mg/g)的部位，主要位于凹陷北部深洼带和中部洼陷带(见图3(a))；沙三下亚段暗色泥岩的有机碳质量分数和生烃潜力在北部深洼带和中部洼陷带较高，但比沙四上亚段的低，且高值范围没有沙四上亚段的大(见图3(b))。

3.2 有机质类型

研究区烃源岩有机显微组分除惰质组外，还检测出镜质组、壳质组和腐泥组，以腐泥组和壳质组为主，其中矿物沥青基质体积分数较高。有机显微组分非均质性较强，沙三下亚段暗色泥岩有机显微组分中腐泥组体积分数为0～85.9%，平均为28.7%，主要为藻类体和矿物沥青基质，藻类体结构呈蜂窝状，有少量纹层藻，以藻质、混质组分为主，体积分数为3.0%～30.0%，平均为12.7%。壳质组体积分数为7.1%～56.8%，平均为34.7%，以孢子体、壳屑体为主，孢子体多以条带状出现，壳屑体结构呈分散状。腐泥组和壳质组总体积分数为57.0%～97.0%，平均为87.0%。镜质组体积分数为2.8%～43.2%，平均为12.5%，以块状、碎屑状灰色均质镜质体为主，有少量基质镜质体。无机矿物体积分数为28.0%～88.4%，平均为59.4%。

图3 青东凹陷沙河街组主要烃源岩层系有机碳质量分数平面分布特征Fig.3 Distribution of total organic matters in major source rocks of Shahejie formation in Qingdong sag

沙四上亚段暗色泥岩腐泥组体积分数为0～96.6%，平均为54.6%，包括藻类体和矿物沥青基质，藻类体结构呈蜂窝状，有少量纹层藻；矿物沥青基质体积分数为0～22.0%，平均为7.8%。壳质组体积分数为0～68.4%，平均为31.0%，多为孢子体和壳屑体，孢子体为条带状，壳屑体为分散状。腐泥组和壳质组总体积分数为0～100%，平均为86.0%。镜质组体积分数为0～52.4%，平均为6.6%，以碎屑状镜质体为主。无机矿物体积分数为48.3%～100%，平均为81.0%。

沙三下亚段和沙四上亚段烃源岩显微组分中腐泥组和壳质组体积分数相对较高，其中矿物沥青质体积分数很高；镜质组体积分数相对较低，不含惰质组。其中壳质组和腐泥组等富氢组分为有利生烃组分，其分布特征对未熟—低熟油气的生成具有明显的影响[13]。腐泥组中藻类体、矿物沥青基质为常见组分，在全岩中体积分数分别为1.0%～8.0%和2.0%～30.0%；壳质组中孢子体和壳屑体为主要成分，在全岩中体积分数分别为3.0%～28.0%和3.0%～10.0%。这些有机显微组分为研究区低熟烃源岩中最重要的生烃组分。

根据有机质显微组分、岩石热解类型参数划分标准[14]及Tmax-HI有机质类型图，研究区沙河街组烃源岩有机质类型主要为Ⅰ和Ⅱ1型，部分为Ⅱ2型和Ⅲ型，有机质来源具有多样性和混合性特征(见图4)。

研究区沙三下亚段烃源岩可溶有机质族组分中饱和烃质量分数为9.19%～46.34%，平均为33.08%；芳烃质量分数为18.77%～22.53%，平均为18.35%；非烃和沥青质质量分数为29.30%～71.85%，平均为41.60%。沙四上亚段烃源岩可溶有机质族组分中饱和烃质量分数为9.19%～36.61%，平均为29.73%；芳烃质量分数为9.47%～24.49%，平均为16.58%；非烃和沥青质质量分数为29.59%～61.48%，平均为51.94%。表明沙三下亚段和沙四上亚段烃源岩有机质类型以腐泥型和混合型为主，主体为Ⅰ～Ⅱ1型，也有Ⅱ2型和Ⅲ型。

图4 青东凹陷沙河街组不同层系烃源岩有机质类型分布特征Fig.4 Diagrams showing the different organic matter types in Shahejie formation from Qingdong sag

4 有机质成熟度及低熟油形成条件

4.1 烃源岩镜质体反射率(Ro)分布特征

在青东凹陷(除中部深洼区外)烃源岩样品中，沙三下亚段暗色泥岩实测的Ro最大为0.52%，最小为0.32%，平均为0.44%；沙四上亚段暗色泥岩实测的Ro最大为0.51%，最小为0.32%，平均为0.46%，均处于未熟—低熟阶段。位于深洼带的烃源岩Ro最大为0.60%*中国石化胜利油田分公司.青东地区勘探评价与目标研究[R].2010.，说明深洼带烃源岩的演化程度最高。总体上，烃源岩的成熟度偏低。

4.1.1 饱和烃CPI、OEP及脱羟基维生素E演化特征

镜质体反射率能较客观地反映晚古生代以来大多数烃源岩的成熟度，但抑制作用往往导致根据实测值无法准确判断烃源岩有机质演化程度，在东营凹陷已得到证实[15-16]。鉴于青东凹陷与东营凹陷发育特征的相似，推断青东凹陷烃源岩镜质体反射率也应受到不同程度的抑制。因此，为能更准确地反映青东凹陷沙河街组烃源岩的演化过程，参照东营凹陷研究结果对研究区烃源岩镜质体反射率进行校正。烃源岩中正构烷烃奇偶优势主要受成熟度的控制，在低熟烃源岩中正构烷烃一般具有明显的偶奇或奇偶优势，但进入生烃门限后，反映奇偶优势的参数CPI和OEP值接近于1。通常两个参数值分布在0.8～1.2之间时，可以认为奇偶优势消失。根据青东凹陷烃源岩中正构烷烃CPI、OEP与深度关系，在埋深小于2 255 m时，CPI和OEP值大于1.2；在埋深大于2 255 m时，CPI和OEP值小于1.2，且接近于1，表明2 255 m为烃源岩的成熟门限(见图5(a))。

脱羟基维生素E是一种含氧化合物，有α、β、γ和δ 四种异构体，其中β和γ是一对同分异构体，其热稳定性依次降低。根据济阳坳陷烃源岩的研究成果[17-18]，以脱羟基维生素E的β/γ=1为界，能够很好地区分烃源岩的成熟度。青东凹陷主力烃源岩的β/γ(DHVE)值在埋深小于2 255 m时，小于1；在埋深大于2 255 m时，大于1；在埋深大于3 600 m时，脱羟基维生素E各种异构体全部消失，说明烃源岩的成熟分界线为2 255 m(见图5(b))。

图5 青东凹陷烃源岩OEP、CPI及脱羟基维生素E参数随埋深变化Fig.5 Changing characteristics of OEP, CPI and DHVE parameter values with depth in Qingdong Sag

4.1.2 烃源岩热解参数与Ro关系

研究区烃源岩中S1/TOC随深度增加呈现明显的变化趋势(见图6(a))，从埋深1 200 m左右逐渐增加，到埋深1 600 m迅速增加，到埋深1 800 m左右出现第一个高峰，在埋深2 000 m左右第一个高峰窗结束，表明埋深1 600～2 000 m代表低熟油的生成阶段。从埋深2 255 m左右开始，该值再次迅速增加到最高，之后又逐渐减小，代表正常的生烃过程。根据烃源岩的低熟油和正常生油门限深度，低熟生油门限对应Ro约为0.32%，正常生油门限对应Ro约为0.50%，与渤海湾盆地其他地区的研究结果吻合[19-22]。东营凹陷烃源岩Ro受到不同程度的抑制，其中Ⅰ型干酪根抑制程度为0.20%～0.35%，Ⅱ1型干酪根的为0.15%～0.30%，Ⅱ2型干酪根的为0.10%～0.18%，Ⅲ型干酪根的Ro一般不发生或仅发生0～0.05%的抑制作用[22]。研究区烃源岩有机质类型以Ⅰ～Ⅱ1为主，参照东营凹陷Ro偏差校正结果(见图6(b))，在埋深2 255 m时对应的Ro为0.70%左右，与正常生烃门限相吻合。研究区沙四上亚段烃源岩Ro为0.51%～0.86 %，沙三下亚段烃源岩Ro为0.42%～0.67%，具有低熟—成熟的演化特征。

4.1.3 烃源岩成熟度平面分布特征

根据Ro校正结果[23]，参考盆地模拟结果，沙三下亚段烃源岩在研究区北次洼已开始进入成熟阶段，深洼带成熟度相对较高，Ro最高超过0.90%，中次洼少部分进入成熟阶段，南次洼处于未熟—低熟阶段(Ro<0.70%)；沙四上亚段烃源岩在研究区北次洼深洼带成熟度最高超过1.20%，中次洼成熟度有所降低，部分进入成熟阶段，南次洼除极少部分进入成熟阶段外，基本处于未熟—低熟阶段(见图7)。总体上，沙四上亚段低熟和成熟烃源岩的分布范围比沙三下亚段的更广泛。

图6 青东凹陷沙河街组烃源岩有机质生烃演化与镜质体反射率随埋深变化关系Fig.6 Distribution of S1/TOC and Ro along with depth of source rocks of Qingdong sag

图7 青东凹陷主力烃源岩成熟度(Ro)分布特征Fig.7 Distribution of maturity of major source rocks in Qingdogn sag

4.2 低熟烃源岩地球化学特征及生成条件

在青东凹陷沙四上亚段储层中发现成熟度明显偏低的原油，油源对比表明，原油主要来自沙四上亚段低熟烃源岩，研究区沙四上亚段烃源岩可能具备生成低熟油的地质和地球化学条件。

4.2.1 存在形成低熟油的生烃物质

壳质组和腐泥组等富氢显微组分是烃源岩早期生烃的重要物质基础[24-27]。研究区沙四上亚段烃源岩显微组分中壳质组和腐泥组的总体积分数超过50%，多数样品超过80%，其中腐泥组主要包括藻类体和矿物沥青质基质，壳质组主要由孢子体和壳屑体组成。矿物沥青质基质是生成低熟油的重要物质[28]，孢子体、壳屑体和藻类体等显微组分对低熟油的形成也具有重要贡献。研究区沙四上亚段烃源岩中广泛分布沟鞭藻类、疑源类及绿藻类等显微组分，这些有机组分成为生成低熟油的生源物质。主要由孢子体、壳屑体、藻类体，以及矿物沥青基质组成的显微组分成为研究区低熟烃源岩生烃母质。

细菌也是低熟油的重要生烃母质，细菌活动降解显微组分并产生丰富的矿物沥青基质，促进低熟油的形成[29-30]。研究区存在细菌活动，如在青东121井烃源岩显微组分中存在黄铁矿，是有机质在成岩作用早期细菌或真菌的生物化学作用的结果[31]。此外，研究区原油中正构烷烃单体烃碳同位素曲线呈明显的锯齿状，也是由细菌活动造成的[31-32]。

4.2.2 具备形成低熟油的沉积环境

低熟油的生成与烃源岩形成时的强还原环境密切相关。研究区沙四上亚段烃源岩发育于半干旱气候条件，主要形成于咸化度高、还原性强的沉积环境。青东凹陷南部及斜坡带发育膏盐岩，且主要分布在沙四段泥页岩中，膏盐岩的存在有利于有机质的早期转化[32-33]。研究区低熟油中硫的质量分数为0.5%～1.0%，大部分烃源岩中有机硫的质量分数超过1.0%，说明研究区低熟油的形成与膏盐岩存在一定关系。此外，碳酸盐矿物能够通过降低生烃活化能而在低温条件下生烃[34-35]。研究区原油中植烷相对含量较高，且广泛检测出伽马蜡烷、含硫化合物和脱羟基维生素E等，这些特征与碳酸盐沉积有关。表明研究区沙四段烃源岩形成环境有利于形成碳酸盐矿物，并且碳酸盐矿物对烃源岩中低熟油的形成具有一定的催化作用。

4.2.3 存在烃源岩早期生烃演化阶段

在研究区沙四段烃源岩演化剖面上，以埋深2 255 m为界，存在两个生油高峰，分别对应低熟油和成熟油的生烃范围，其中第一个生油高峰地层埋深为1 500～1 800 m，有机质生烃转化率接近30%；第二个生油高峰地层埋深为2 600～2 800 m，有机质生烃转化率为25%左右(见图8)[31]。在两个生烃高峰范围内烃源岩中，饱和烃的质量分数随深度的增加而增加，芳烃的质量分数变化不大，而非烃和沥青质的质量分数在埋深2 255 m左右存在比较明显的拐点。表明以2 255 m为界，烃源岩由可溶有机质大分子降解生烃转变为干酪根生烃，反映存在低熟和成熟油两个阶段。

图8 青东凹陷沙四上亚段烃源岩生油演化模式Fig.8 Oil generation model of the source rocks(Es4s) in Qingdong sag

5 结论

(1)济阳坳陷青东凹陷沙河街组主力烃源岩为古近系沙三下亚段和沙四上亚段暗色泥岩，其中沙四上亚段暗色泥岩在全区分布广泛，沉积中心位于凹陷北部深洼带，中次洼、南次洼烃源岩厚度变小；沙三段下亚段暗色泥岩厚度在凹陷北部深洼带较大，南部浅洼带暗色泥岩厚度相对较小。

(2)青东凹陷沙四上亚段和沙三下亚段两套烃源岩有机质丰度较高，达到好—很好的丰度标准；烃源岩有机质类型较好且具有多样性及混合性，以Ⅰ—Ⅱ1型为主，部分为Ⅱ2—Ⅲ型，具备良好的生烃物质基础。

(3)青东凹陷沙河街组烃源岩成熟度偏低，大部分处于未熟—低熟阶段，成熟烃源岩的分布范围有限，主要局限于北部洼陷和中部洼陷的深洼区，中北部洼陷以南基本处于未熟—低熟阶段。沙四上亚段烃源岩具备形成低熟油的有利条件，为研究区提供低熟油油源。

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2017-02-09；编辑：刘丽丽

张明星(1972-)，男，硕士，高级工程师，主要从事石油地质方面的研究。

张琳璞,E-mail: zhanglinpu.slyt@sinopec.com

TE122.1+1

A

2095-4107(2017)03-0034-10

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2017.03.004