北部湾盆地乌石凹陷流沙港组烃源岩地球化学特征

刘 洋杨希冰,刘红艳，徐新德

(1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院，山东 青岛 266580；2.中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东 湛江 524057；3.大庆油田有限责任公司第七采油厂，黑龙江 大庆 163517)

烃源岩研究一直是含油气盆地油气勘探中的基础工作，各国石油地质学家对其进行了多方面大量的研究。20世纪60年代后期，Tissot等人提出干酪根热降解学说[1]；20世纪80年代，黄第藩等人总结了一套适合我国陆相有机质成烃演化的理论[2]，以及胡朝元提出的“源控论”[3]，都极大地丰富了我国油气勘探理论。

乌石凹陷位于北部湾盆地南部凹陷中部(图1)。凹陷东西走向，平面上呈“S”型，北靠企西隆起，南部以流沙凸起为界，总面积2560km2。其被凹中构造脊分为东、西两洼，东洼受7号断层控制，形成南断北超的半地堑，洼内发育多个掀斜断块。西洼受6号断层控制，为北断南超的箕状断陷，洼内结构相对简单，发育大型滚动背斜[4-5]。基岩为石炭系石灰岩及下古生界变质岩。新生界自下而上发育古近系长流组、流沙港组、涠洲组，新近系下洋组、角尾组、灯楼角组、望楼港组和第四系[6]。乌石凹陷自1979年开始钻探以来，已经发现了乌石16-1、17-1、17-2、22-1、22-7等含油构造或油田，说明具有良好的含油气远景[7-9]。苏厚熙(1993)，张智武等(2013)，孙伟等(2008)，朱继田等(2010)，杨海长等(2011、2009)对凹陷构造、沉积、及成藏特征进行了初步研究[4-5,10-13]。其中流沙港组流二段被认为是主力烃源岩段[10]，流二段中部的砂岩段是本区主要勘探目的层[11]。目前乌石凹陷整体勘探程度不高，对流沙港组烃源岩生烃潜力尚未进行系统研究。为此，笔者通过对该区流沙港组烃源岩进行有机碳含量、可溶有机质含量、岩石热解、干酪根显微组成及镜质体反射率分析的基础上，结合生物标志物分析结果，对烃源岩有机质丰度、类型、热演化程度、母质来源及沉积环境进行了综合研究，明确了凹陷内流沙港组烃源岩地球化学特征。

1 暗色泥岩发育特征

钻井统计揭示，流一段暗色泥岩平均厚度为125.18m，泥地比为49.01%；流二段为562.91m，泥地比为72.09%；流三段为163.27m，泥地比为62.22%。从烃源岩厚度对生烃贡献来看，流二段是主力烃源岩，流三段次之，流一段较差。

乌石凹陷古近系为一套陆源碎屑岩为主的湖相沉积建造，烃源岩是流沙港组中深湖相泥岩[14-,15]。流沙港组沉积时，受7号断层控制，东洼发育厚层中深湖相沉积，西洼由于6号断裂处于断裂初期，发育较薄的滨浅湖沉积[16]。流三段沉积时期，水体较浅，以滨浅湖相为主，只在沉积中心有中深湖相沉积，沉积中心位于7号断层下降盘附近，沉积中心暗色泥岩厚度最高只有300m左右(图2a)；流二段沉积时期，水体加深，沉积速率明显增加，沉积了厚层的灰色、深灰色泥岩、页岩、油页岩，中深湖相范围扩大，是一套良好的生油岩，在顶段及底段发育有机质丰度高的油页岩段。沉积中心位于7号断层下降盘及东洼北部的乌石17-2构造处，中心暗色泥岩厚度达到1000m以上(图2b)；流一段沉积时期，水体变浅，为滨浅湖相沉积，东洼北部乌石17-2构造流一段完全剥蚀，沉积中心向西洼转移，泥岩最高厚度只有400m左右(图2c)。由此可见，烃源岩分布范围、沉积相带及厚度决定了东洼为主力生烃洼陷。

2 烃源岩地球化学特征

2.1 有机质丰度

岩石中的有机质是生成油气的物质基础，足够数量的有机质是生成油气的必要前提。一般来说，烃源岩中的有机质丰度越高，生烃潜力越大。目前评价有机质丰度的常用指标有有机碳含量(TOC，%)、生烃潜量(S1+S2，mg·g-1)、氯仿沥青“A”(%)和总烃含量(HC，10-6)[17]。采用黄第藩等提出的陆相油源有机质评价标准[2]，对流沙港组烃源岩进行评价。通过对乌石凹陷710个有机碳数据、318个氯仿沥青“A”数据、624个岩石热解数据进行统计(表1)。统计分析发现，单独从TOC指标(图3a)来看，流一段泥岩样品非有效烃源岩占40%以上，其他各级别烃源岩均匀分布，中等-优质烃源岩占49%；流二段泥岩样品97%以上为中等以上烃源岩，且大部分为好-优质烃源岩。流二段油页岩TOC值基本达到2%以上，为优质烃源岩；流三段烃源岩样品81%为中等以上烃源岩。

图1 乌石凹陷区域位置及构造单元划分

Fig.1 Regional location and tectonic division of the Wushi depression

图2 乌石凹陷流沙港组泥岩厚度与成熟度分布特征

a.流三段；b.流二段；c.流一段

Fig.2 Distribution of mudstone thickness and maturity in the Liushagang Formation, Wushi depression

表1乌石凹陷流沙港组烃源岩有机质丰度综合评价表

Table1EvaluationoftheorganicmatterabundancesinthesourcerocksfromtheLiushagangFormation,Wushidepression

研究表明，我国陆相淡水-半咸水沉积中，主力烃源岩的氯仿沥青“A”含量均在0.1%以上，平均值为0.1%～0.3%[18]。高岗等在研究鄂尔多斯盆地陇东地区湖相烃源岩时提出氯仿沥青“A”质量分数下限值为0.03%，总烃质量分数下限值为150×10-6[19]。就氯仿沥青“A”和总烃含量统计来看，流沙港组烃源岩多数为中等～优质烃源岩。流三段烃源岩样品依据氯仿沥青“A”含量划分的中等、好、优质烃源岩分别占42%、32%、26%，而依据总烃含量划分的3个级别烃源岩分别占17.65%、29.41%和52.94%(图3b，c)，说明氯仿沥青“A”与总烃含量表现出了非同步变化，原因可能是流三段埋深较大，相对较高的成熟度造成了流三段烃源岩样品中总烃含量在氯仿沥青“A”中所占比例异常高。

生烃潜量受风化和成熟度的影响较大[20]。依据黄第藩等的划分标准，利用流沙港组各段烃源岩生烃潜量(S1+S2)作为划分指标,流一段中等以上烃源岩样品只有36%，大部分样品属于差的烃源岩；流二段泥岩样品中等-优质烃源岩占78%，大部分为中等-好的烃源岩，此段油页岩基本上为好-优质烃源岩；流三段中等以上烃源岩样品占74%，以中等-好的烃源岩为主。评价的结果较其它参数统计的结果偏低。为此重新定义适用于本区的评价烃源岩丰度的新标准：(S1+S2)大于6.0时为优质烃源岩；2.0～6.0之间为好的烃源岩；1～2为中等质量烃源岩；小于1则为差烃源岩。根据新的划分标准，对各段烃源岩有机质丰度进行分级统计，并作出相应频率分布图，得到了与其它指标较为一致的结果(图3d)。

2.2 有机质类型

有机质的质量决定着生烃能力的大小及生成烃类的性质和组成[21]。在同等演化条件下，不同母质类型的烃源岩，其生烃潜力可能相差几倍甚至十几倍。类型不同的生烃母质其产物性质也有所不同：水生藻类来源的腐泥型母质生成环烷烃石油，而高等植物来源的腐殖型母质则生成石蜡基或芳香族石油[22]。本文利用干酪根显微组分分析、干酪根元素分析、岩石热解参数等方法对有机质类型进行了划分。

统计分析发现，流沙港组烃源岩干酪根显微组分中腐泥组与镜质组占优势(图4a)。腐泥组生油潜能最大而镜质体及贫氢无定形体生油潜能差，以生气为主[23]，壳质组来源于高等植物，生烃能力仅次于腐泥组[24]。根据显微组分构成，流沙港组烃源岩干酪根类型整体为Ⅱ1-Ⅱ2型。

图3 乌石凹陷流沙港组烃源岩有机质丰度指标频率分布

Fig.3 Frequency distribution of the organic matter abundances in the source rocks from the Liushagang Formation, Wushi depression

样品H/C原子比分布在0.53～1.58之间，O/C原子比分布在0.04～0.39之间。利用D.W.VanKrevelen图解，统计各层位干酪根类型分布(图4b)，结果指示烃源岩主要为Ⅱ1-Ⅱ2型。其中流一段样品全部为Ⅱ2型；流二段泥岩样品和流三段样品中Ⅱ2型所占比例均超过了80%，流二段油页岩样品以Ⅱ1型为主，占74.07%。

从烃源岩最高热解峰温(Tmax)与氢指数(HI)的关系来看(图4c)，从Ⅰ型到Ⅲ型有机质类型都有分布。流一段Ⅰ型、Ⅱ1型、Ⅱ2和Ⅲ型样品分别占6.52%、22.83%、47.83%和22.83%；流二段泥岩样品分别为5.59%、44.12%、41.47%和8.82%。流二段油页岩Ⅰ型、Ⅱ1型和Ⅱ2型分别占32.94%、54.12%和12.94%；流三段分别为27.66%、51.06%和21.28%。

由于每种方法都存在局限性，所以利用不同方法划分的烃源岩有机质类型存在差异。综合来看，流一段烃源岩有机质类型Ⅱ2型最多，Ⅲ型次之，有机质类型总体偏差；流二段泥岩以Ⅱ2型最多，Ⅱ1型次之，有机质类型中等。流二段油页岩Ⅱ1型最多，Ⅱ2型次之，几乎没有Ⅲ型，有机质类型较好；流三段烃源岩Ⅱ1型最多，Ⅱ2型次之，有机质类型较好。

2.3 有机质成熟度

烃源岩有机质的热演化程度是衡量有机质实际生烃能力的另一个重要指标[25]。烃源岩只有在达到一定的热演化阶段时才能够生烃以及排烃[26]。目前用于评价烃源岩热演化程度应用较为广泛的参数有镜质组反射率、热解参数以及生物标志物参数。镜质组反射率随着热演化程度的加深而不断增大，且不可逆，是研究烃源岩演化最有效的指标[27]。

图4 乌石凹陷流沙港组烃源岩有机质类型判别

Fig.4 Discrimination diagrams of the organic matter types in the source rocks from the Liushagang Formation, Wushi depression

2.3.1 烃源岩热演化阶段划分

通过对研究区镜质体反射率、热解参数、沥青转化率(沥青“A”/TOC)、产率指数(S1/(S1+S2))、正构烷烃奇偶优势以及生物标志物参数综合分析，将乌石凹陷烃源岩热演化阶段划分为未成熟、低成熟、成熟和高成熟4个阶段(图5)。

每个阶段对应的参数特征有所差别。(1)未成熟阶段：有机质成熟度低，Ro<0.5%，Tmax<435℃，深度2000m以上。此过程以生物化学作用为主要特点，有机质经缩聚、不溶解作用形成干酪根，沥青转化率和产率指数减小[28]；(2)低成熟阶段：Ro为0.5%～0.7%的深成作用早期阶段，C29甾烷ββ/(ββ+αα)<0.3，C31藿烷22S/(22S+22R)<0.5，对应深度2000～2900m；(3)成熟阶段：对应Ro为0.7%～1.3%，C29甾烷ββ/(ββ+αα)>0.3，C31藿烷22S/(22S+22R)>0.5，深度2900～4500m。随成熟度增加，沥青转化率和产率指数增加，在Ro为0.9%、埋深3600m左右时沥青转化率达40%以上，达到生烃高峰；(4)高成熟阶段：对应Ro在1.3%以上，深度在4500m以下。这一阶段生成的烃类产物以低分子量的轻烃为主，沥青转化率和产率指数迅速减小，烃源岩进入高成熟生凝析气阶段[29]。

2.3.2 成熟烃源岩分布

综合多种参数，最终确定乌石凹陷烃源岩生烃门限深度为2900m，生烃高峰发生在3600m。将各层段的Ro等值线与泥岩等厚线进行叠合，得到了不同层段成熟烃源岩的分布特征。东洼流三段泥岩基本进入生烃门限，乌石22-7构造区域已达到高成熟阶段(图2a)。流二段泥岩成熟范围缩小，乌石17-2及乌石16-1构造区域处于低成熟阶段，22-7构造区域达到成熟阶段，而凹陷中部沉积中心热演化相对较高，已经达到生烃高峰(图2b)。流一段泥岩成熟范围与流二段泥岩接近，但泥岩厚度远少于流二段(图2c)。

3烃源岩形成条件

3.1 母质来源

影响湖相富有机质生油岩形成的因素很多，但高生物产率和缺氧环境最为重要，前者为富有机质的形成提供物质基础，后者为有机质提供良好保存条件[29-31]。高丰度的浮游藻类是水体富营养化、高生产力的重要标志[32-33]。通过对流沙港组烃源岩孢粉相研究，发现其孢粉、藻类组合中浮游藻类的含量普遍超过20%，最高可达到74%，整体表现为富藻层，流二段油页岩表现为极富藻沉积层[8]。繁盛的浮游植物是流沙港组烃源岩发育的重要物质条件。

从饱和烃气相色谱特征来看(图6)，流一段烃源岩正构烷烃碳数分布以后单峰型为主，主峰碳数一般较大，认为有机质输入以陆源植物为主。流二段泥岩也是以后单峰型为主，主峰碳数以nC27和nC29为主，现代地球化学分析研究证明，木本植物的正构烷烃以nC27和nC29为主峰碳，草本植物以nC31为主峰碳[34]，所以认为物源输入以陆生高等木本植物为主。流二段油页岩及流三段低成熟烃源岩样品以过渡的“平台型”为主，表明其有机质输入以混源为主。

图5 乌石凹陷流沙港组烃源岩热演化剖面

Fig.5 Thermal evolution of the source rocks from the Liushagang Formation, Wushi depression

图6 乌石凹陷流沙港组烃源岩正构烷烃碳数分布

Fig.6 Carbon number distribution of n-alkanes

具有不同母源输入样品的规则甾烷构成存在差异[35-36]。从各层段烃源岩规则甾烷的分布来看，都是以C29优势为主，C27甾烷的丰度略低，C27-C28-C29规则甾烷呈反“L”字型分布(图7)。流沙港组沉积物属断陷内陆湖盆沉积，烃源岩中发现的丰富的C29甾烷与陆生高等植物密切相关，但不能认为其总有机质类型差，因为除C27甾烷外，还检测出丰富的4-甲基甾烷。北部湾盆地烃源岩中4-甲基甾烷可能起源于甲藻[37]，其对乌石凹陷流沙港组油气的生成有着重要的石油地质意义。除流一段中少数煤系地层外，(C27甾烷+4-甲基甾烷)/C29甾烷比值大部分在1.0以上，表明水生低等植物对烃源岩母质来源有较大贡献。

3.2 沉积环境

北部湾盆地古近纪湖泊地处热带-亚热带地区，湖水缺少季节性回水，因而在湖底深水处还原性较强，为有机质提供良好的保存条件[8,12]。依据气相色谱分析结果进行计算，流一段样品姥植比(Pr/Ph)平均值为2.6，沉积介质属于还原至弱氧化环境。流二段样品Pr/Ph平均值为2.2，更偏还原环境。流三段烃源岩样品Pr/Ph平均值为1.8，属于还原环境。流沙港组烃源岩除流一段偏氧化环境外，流二段及流三段烃源岩沉积时总体具有还原性沉积地质条件。

乌石凹陷流沙港组烃源岩中普遍检测出了长链三环萜烷和五环三萜烷化合物。C27-C35藿烷系列化合物分布完整，具有αβC30藿烷含量最高、αβC29藿烷含量次之的特点，检测出Ts、C29Ts及C30*(重排藿烷)等化合物。伽马蜡烷及C35升藿烷含量较低(图7)。伽马蜡烷是一种C30三环萜烷，较大的伽马蜡烷指数(伽马蜡烷/C30αβ藿烷)通常认为是高盐度水体的沉积标志[38]。流沙港组烃源岩伽马蜡烷含量较低，伽马蜡烷指数都在0.2以下，大部分在0.1以下，指示烃源岩沉积水体为正常淡水湖泊。

图7 乌石凹陷流沙港组烃源岩甾萜烷质量色谱

1．Ts； 2. Tm； 3. C29αβ-30-降藿烷； 4. C29Ts； 5. C30*； 6. C29βα-30-降莫烷； 7. 奥利烷； 8. C30αβ藿烷； 9. C30βα莫烷； 10.升藿烷； 11. 伽马蜡烷； 12. C31莫烷； 13.二升藿烷； 14.三升藿烷； 15.四升藿烷； 16.五升藿烷

Fig.7 Gas chromatograms-mass spectrograms of the steranes and terpanes in the source rocks from the Liushagang Formation, Wushi depression

4 结论

(1)乌石凹陷流沙港组烃源岩分布范围、沉积相带及厚度决定了东洼为主力生烃洼陷。

(2)流二段有机质丰度最高，尤其是流二段油页岩基本为优质烃源岩，有机质类型以Ⅱ1-Ⅱ2型为主；流三段有机质丰度次之，类型主要为Ⅱ1-Ⅱ2型；流一段有机质丰度最低，类型以Ⅱ2-Ⅲ为主。

(3)乌石凹陷流沙港组烃源岩热演化过程可划分为未成熟、低成熟、成熟、高成熟4个阶段，其中生烃门限深度为2900m，生烃高峰发生在3600m。

(4)丰富的4-甲基甾烷含量表明水生低等植物对烃源岩母质来源有较大贡献。姥植比参数显示，流二段及流三段烃源岩沉积时总体具有还原性沉积地质条件，流一段为偏氧化环境。低伽马蜡烷指数显示流沙港组沉积时期水体为淡水环境。