东濮凹陷优质烃源岩的岩性特征及宏观展布规律

2018-10-09王金萍黄泽贵张云献周勇水李红磊张莹莹

断块油气田 2018年5期

王金萍，黄泽贵，张云献，周勇水，李红磊，张莹莹

（1.中国石化中原油田分公司勘探开发研究院，河南濮阳 457001；2.中国石化中原油田分公司，河南濮阳 457001）

0 引言

随着油气勘探的不断深入，油气勘探理论也在不断向前发展。早期笼统的“烃源岩控藏”理论，在烃源岩评价过程中，多取有机质丰度等数据的平均值来代表一个层系，掩盖了优质烃源岩的重要贡献。随着研究的不断深入，石油地质学家逐渐认识到优质烃源岩与湖相含油气盆地的油气富集程度有着密切关系［1-6］。工业性油气藏的主要贡献者是厚度不大，但有机质丰度高、类型好、已成熟、生烃潜力大的优质烃源岩，而不是凹陷中广泛分布、厚度大但丰度并非很高的烃源岩，从而形成了“优质烃源岩控藏”理论。本文通过解剖东濮凹陷优质烃源岩的岩性特征，建立其岩石相与有机相之间的关系，剖析其空间展布规律，为油气资源评价和勘探战略选区提供依据。

1 优质烃源岩的岩性特征

东濮凹陷古近系烃源岩具有面积广、层系多、厚度大的特点，发育有沙河街组沙四段、沙三段和沙一段等多套烃源岩。受多隆多洼构造格局演化的控制，各洼陷烃源岩的空间展布规律、岩性、地化特征均存在一定差异。古近系沉积期发育6套盐岩，导致沉积相相变频繁，岩石岩性组合类型多样，烃源岩岩性类型多样化。

1.1 实验统计

东濮凹陷2 964个实测样品总有机碳质量分数（TOC）数据统计显示，样品岩性主要为页岩和油页岩（506 个）、暗色泥岩（1 864 个）、灰质-白云质泥岩（236个）、含盐-含膏泥岩（103 个）、粉砂质泥岩（255 个）。不同TOC值、不同岩性的样品分布频率如图1所示。由图可以看出，TOC≥1.0%的样品，岩性以页岩和油页岩为主，占样品总数的65.2%，暗色泥岩次之，占18.5%。优质烃源岩的主力岩性为页岩和油页岩，其次为暗色泥岩。

图1 东濮凹陷不同岩性的TOC分布频率

越来越多的学者认为，咸化湖盆环境下的优质烃源岩与碳酸盐、硫酸盐或氯化盐等以互层式共生［7-8］。1985年，有学者提出，东濮凹陷沙河街组发育巨厚盐岩、石膏与黑色泥页岩共生沉积，为深水盐湖中蒸发岩与烃源岩共生模式［9］。研究发现，东濮凹陷咸化湖盆内页岩及油页岩作为主要优质烃源岩，主要由富含有机质的纹层和夹有黄铁矿的钙质纹层组成［3，10］。东濮凹陷不同环境烃源岩生烃潜力差别巨大，北部咸水环境烃源岩为好—优质烃源岩，南部淡水环境烃源岩较差［6］。

1.2 建立测井-岩相模型

东濮凹陷烃源岩岩性类型多样，盐湖环境主要发育油页岩、钙质泥岩、粉砂质泥岩、含膏泥岩、灰质泥岩、白云质泥岩、泥岩、页岩、灰质页岩等烃源岩，不同岩性矿物组成较为复杂，矿物跨度区间大，区分困难。为了建立更为精确的测井-岩相模型，笔者从岩心-深度校正着手，在岩心归位基础上进行了声波时差（Δt）-相对自然伽马（ΔGR）、中子孔隙度（CNL）-相对自然伽马、电阻率（Rt）-相对自然伽马等测井交会图版识别（见图2），重点探讨盐湖环境烃源岩岩性-测井特征。

研究区盐岩具有自然伽马低、密度低、声波时差低、中子孔隙度低、电阻率高等特征，自然伽马一般为10～40 API，密度 2.0～2.3 g/cm3，声波时差 220～240 μs/m，中子孔隙度为-5%～5%，电阻率变化范围大，分布在2.0～1 000.0 Ω·m；膏盐自然伽马值次低，一般为40～60 API，密度值相对盐岩较高，一般在 2.4～2.7 g/cm3，中子孔隙度值中—高，多数为25%～35%，声波时差一般为240～330 μs/m，电阻率相对泥岩较高，一般为 1.0～5.0 Ω·m；油页岩的自然伽马较高，呈尖峰状，一般在70～120 API，声波时差较高，一般在 260～400 μs/m，密度值较低，一般在2.3～2.5 g/cm3，中子孔隙度高，基本处于30%～40%，电阻率高，一般为 6.0～10.0 Ω·m；与页岩、油页岩相比，泥岩的电阻率较低，一般为1.0～1.5 Ω·m。盐湖背景下烃源岩的类型复杂，含膏泥岩、灰质（云质）泥岩、粉砂质泥岩、泥岩等岩性区间范围大。岩性特征随不同岩石矿物含量的差异发生明显变化，如含膏泥岩随着石膏含量增加，含膏泥岩的自然伽马值降低，声波时差也随之降低，电阻率增大，而随泥质增多则相反。

根据以上建立的电性图版和测井信息，油页岩、页岩与泥岩相比具有高自然伽马、高电阻率、高声波时差的电性特征。随着灰质含量的增加，泥岩或页岩往往表现出声波时差减小、密度和电阻率均增大的特征。如濮6-65井灰质页岩、灰质泥岩、含膏泥岩、粉砂质泥岩及云质（灰质）泥岩相比于纯泥岩，自然伽马小，声波时差略小。

1.3 建立岩相和有机相关系

利用测井信息评价烃源岩，主要依据为富含有机质的泥岩、页岩与其他类型岩石在物理性质上存在较大的差异。优质烃源岩由于有机碳质量分数高、粒细、比表面积大、有机质密度低、结构疏松，测井响应表现为高自然伽马、低密度、高声波时差、高电阻率等特征［11-14］。

濮深18-1和文248井同处于盐湖背景下，富含有机质的油页岩、页岩（包括灰质页岩）与贫有机质泥岩相比具有“三高一低”的特征，即高自然伽马、高电阻率、高声波时差、低密度值；而膏质泥岩、粉砂质泥岩、泥岩不具备该特征，TOC数值小于1.0%，属于贫有机质泥岩类（见表1）。

图2 不同岩石相电性参数交会

表1 盐湖环境下岩石学特征和有机质丰度

本次研究主要采用△log R法［11-15］拟合建立测井-有机相模型。东濮凹陷盐湖环境下，不同的岩性组合反映有机质丰度不同的变化规律。卫20井沙三中2砂组2 290～2 310 m，由上至下岩性依次为粉砂质泥岩、云质泥岩、页岩（泥岩）、盐岩夹膏质泥岩，TOC呈现低—高—低的起伏变化。文248井沙三下3 360～3 400 m，块状泥岩中夹砂条的岩性组合中TOC值普遍小于0.5%，△log R曲线接近重合。而在膏盐发育的岩性序列中，文248井岩性剖面由上至下依次为页岩、灰质泥岩、膏质泥岩、盐岩，TOC呈现由高到低的变化，△log R相应地也由高到低（见图3）。因此，不同沉积环境反映不同的岩性组合序列，从而反映不同的有机质丰度，盐湖背景下岩性组合的优质烃源岩较发育。

东濮凹陷南部地区处于无盐淡水环境，多发育块状泥岩，TOC值普遍小于0.5%，沙三中块状泥岩TOC多较低。东濮凹陷沙三下8砂组全区发育厚泥岩（页岩）段，南部地区该砂组优质烃源岩较发育。而北部多处于盐湖环境，盐湖环境下优质烃源岩发育［8］。

2 优质烃源岩预测模型及宏观展布

2.1 建立测井-有机相模型

东濮凹陷不同岩性优质烃源岩均具有高电阻率、高声波时差的测井响应特征，但不同岩性序列中，这种响应的强烈程度不同。因此，需要针对不同地区，建立不同的测井TOC预测模型，以达到对全凹陷烃源岩有机质丰度合理预测的目标。

图3 文248井地化分析样品校深

根据需要，将东濮凹陷分为6个区带，并对不同层系分别建立了测井岩相-有机相模型（见表2），利用所建立的20个模型，对东濮凹陷不同层系烃源岩的有机质丰度进行预测，同时对其空间展布规律进行了刻画。

2.2 优质烃源岩的宏观展布

随着构造活动的差异和沉积演化、沉降中心和沉积中心的迁移，东濮凹陷不同时期优质烃源岩发育有所差异。沙四时期，沉降中心和沉积中心都集中在文南地区，沙四上优质烃源岩厚值环盐分布，沿着盐岩最厚区濮深7井向盐湖边缘再到无盐区，优质烃源岩厚度呈薄—厚—薄，丰度呈低—高—低的变化趋势；沙四段优质烃源岩分布范围大，沉积厚度大（见图4）。沙三下时期，北部沉降、沉积中心转移到西洼，新卫12井附近既是沉降中心又是沉积中心，优质烃源岩比较发育；沙三中早期，由于濮城断层活动，东西两洼逐渐形成，沉积中心主要集中在濮卫、柳屯地区，所以东西两洼沉降厚，但是有机质丰度不如沉积中心的高；沙三中晚期，黄河、文东、长垣断裂活动，两洼一隆的格局形成，沉积中心向南扩大到文留—户部寨地区，但盐湖变成狭长状，优质烃源岩范围零星化；沙三上时期，盐湖范围缩小，优质烃源岩面积缩小；沙一段，优质烃源岩范围大，但厚度小，多为未成熟。

表2 东濮凹陷测井评价建模公式

图4 东濮凹陷沙四上优质烃源岩分布

东濮凹陷各层系优质烃源岩在平面上主要分布于北部的沉积、沉降中心，表现出环盐岩边部呈带状分布的特征，主要受盐湖沉积环境和半深水—深水湖相沉积环境控制，盐湖边缘和沉降中心的深水区是优质烃源岩发育的最有利地区。在纵向上，受湖盆的演变和构造活动的控制，东濮凹陷沙四上和沙三下优质烃源岩最为发育，不但厚度大，而且面积也广，最厚地区达到了400 m左右；沙三中随沉积成盐中心的迁移，不同时期优质烃源岩发育中心存在一定的差异；沙三上受湖盆萎缩的影响，优质烃源岩呈狭长的条带状，主要分布在东濮凹陷东西2个洼陷带内。综合所述，东濮凹陷优质烃源岩具有明显的层控、相控特征。

3 优质烃源岩的层控、相控规律

3.1 优质烃源岩主力层系

受沉积控制，东濮优质源岩主要发育于湖侵体系域晚期（沙四上）和高位体系域早期（沙三下、沙三中、沙三上底部）。沙四上沉积时，受兰聊断层和杜寨断层控制，东濮凹陷属于箕状宽缓构造，盐岩沉积范围从北部的户部寨到南部的文南刘庄，西部胡状集到东部的前梨园洼陷，因此优质烃源岩平面分布广；纵向上盐间优质烃源岩主要分布在沙四上1和沙四上2砂组内。沙三下亚段在沙四上地层发育基础上，由于卫西—文西断裂系和马寨断层的发育，盐岩沉积中心由东部转移到西部洼陷带，并保留了沙四段部分盐湖环境，因此平面上优质烃源岩分布范围大。由于处于东濮凹陷最大湖泛面发育期，该时期形成的一层以泥岩为主的低沉积速率细粒沉积层称为凝缩层，其有机质丰度、生排烃能力及规模明显优于其他层段生油岩［16-17］，优质烃源岩比较发育。沙三中之后，东濮凹陷各二级断层陆续发育，形成“两洼一隆”的构造格局，因此烃源岩面积逐渐缩小，优质烃源岩也主要发育在洼陷和沉积中心附近。因此，东濮凹陷沙四上和沙三下为优质烃源岩的主力层系。

3.2 优质烃源岩发育规律

为了揭示含盐岩井段优质烃源岩的发育规律，选取沙三上盐间段濮深18-1井3 258～3 294 m连续岩心，进行密集取样测试和准层序旋回分析。根据岩心描述、薄片鉴定、X射线衍射及扫描电镜分析，柳屯洼陷沙三上亚段盐间主要由碎屑泥质岩、碳酸盐岩和蒸发盐岩组成［18］，取心段纵向上发育灰质页岩—含膏泥岩—盐岩或者灰质页岩（油页岩）—云质泥岩（白云岩）—含膏泥岩共4套水退盐韵律段，反映湖水浓缩和从机械的碎屑沉积向化学沉积转变的过程。烃源岩TOC值随岩性不同由高到低呈现4次起伏变化规律。这种不完整或者完整的盐韵律变化，主要受盐湖湖水成分、浓度以及气候等因素的影响。不同矿物溶解度的差异，控制盐盆蒸发浓缩过程中盐类沉淀顺序，形成不同的盐韵律。

准层序早期，湖水相对较深，湖盆中心主要沉积富含悬浮黏土和有机质的油页岩或泥岩，此时，仍可能有陆源碎屑物质的供给,因此易形成碳酸盐岩与暗色泥岩互层，泥岩中一般灰质含量高。该时期容易产生页岩、油页岩或者灰质页岩等优质烃源岩。准层序中期，气候转向干旱，盐湖湖水浓缩变浅，物源和有机物供给减少，硫酸盐还原反应减弱，湖水中硫酸根离子质量浓度增加，盐湖水类型转变为硫酸钠型。这时首先沉淀石膏矿物，进一步脱水形成硬石膏。该时期主要形成块状膏质泥岩等硫酸盐类，有机质丰度低，优质烃源岩发育较少。准层序晚期，湖水强烈浓缩，从而导致溶解度最高的氯化钠沉淀，形成石盐。

如柳屯地区沙三上盐间页岩有机质丰度平均2.04%，最大4.43%；有机质类型好，以I和Ⅱ1型为主，属于优质烃源岩。同理，沙四上盐岩韵律呈现同样规律。前参2井，纵向上岩心剖面发育灰质页岩（页岩）—含膏泥岩—盐岩或者泥岩（云质）—含膏泥岩（云质泥岩），相应地，烃源岩TOC值呈由高到低的变化规律。因此，优质烃源岩主要发育在准层序的水退序列早期或者水进系列的末期。

3.3 优质烃源岩环湖分布

纵向上优质烃源岩与盐岩往往呈互层分布，造成平面上优质烃源岩围绕盐湖沉积中心分布。卫330—新卫12—卫79-8—濮6-65井东西向剖面（见图5）揭示，处于深湖—半深湖盐湖环境的卫330井和新卫12井优质烃源岩与盐岩互层分布，向东距离盐湖较远的卫79-8、濮6-65井处于浅湖相的扇三角洲前缘相，优质烃源岩发育程度差。因此，优质烃源岩受沉积相控制，平面主要分布在深湖—半深湖相的泥（页）岩中，而远离盐湖的浅水环境中形成的烃源岩有机质丰度往往都较低，最终形成东濮凹陷环盐湖周边和沉积沉降中心附近等区域优质烃源岩较发育的规律性特征。

3.4 优质烃源岩主要发育在盐湖边界

胡122和前参2井处于沙四上盐湖中心附近，盐湖中心由于盐岩发育，烃源岩厚度较盐湖边缘薄，从而优质烃源岩在该处是低值区，盐湖中心向边部逐渐过渡到无盐环境。纵向上全盐型剖面—盐岩+优质烃源岩过渡型剖面—无盐型剖面的盐岩分布规律，导致平面上优质烃源岩厚度由薄—厚—薄，优质烃源岩主要分布在盐岩和泥页岩互层的过渡型剖面类型中。