黄河口凹陷烃源岩特征及其在层序地层格架中的分布

姜 雪,吴克强,刘丽芳,孙和风,汤丽娜

(1.中国海洋石油研究总院有限公司,北京 100028;2.中国海洋石油国际有限公司,北京 100027)

作为油气运移起点的烃源岩是形成大中型油气田的物质基础,生烃条件的差异从根本上决定了凹陷油气的“贫”与“富”[1]。因此，在富生烃凹陷的研究和评价中,烃源岩的评价和预测是核心。同一烃源岩层段内部不同样品之间的有机质丰度、类型以及生物标志物参数往往存在较大差异,这种差异是由于其所处的层序格架中位置的不同所导致的。关于层序格架与烃源岩的关系前人有所探讨[2-10]，但仅仅指出了烃源岩发育于湖侵体系域晚期,靠近最大湖泛面附近,并未进行深入的研究。本文在对渤海海域黄河口富生油凹陷湖相烃源岩特征及沉积背景进行分析总结的基础上,通过分析黄河口凹陷9口典型钻井(见图1中的HHK1～HHK9井)古近系TOC这个烃源岩丰度评价指标随沉积旋回的演变和层序构型的不同所表现出来的变化趋势,总结烃源岩在层序地层格架中的分布位置,以期为烃源岩在剖面以及空间内的展布规律的预测提供方向。

图1 黄河口凹陷构造区划图(据文献[2]修改)Fig.1 The structural division of Huanghekou sag

1 黄河口凹陷烃源岩的发育概况及其特征

黄河口凹陷位于陆内裂谷盆地渤海海域南部,发育东、西两个次洼(见图1)。研究区广泛发育3套湖相烃源岩,分别是古近系沙三段、沙一段和东二下—东三段；烃源岩岩性主要为灰色、深灰色、灰黑色以及黑色的泥岩和油页岩,其中油页岩主要发育在沙三段和沙一二段。局部钻井揭示，研究区孔店组也具有一定生烃潜力,但因钻井有限,本文未对孔店组做详细叙述。

图2 有机质丰度特征图Fig.2 The characteristics of organic matter abundance

1.1 有机质丰度

有机质丰度是评价烃源岩的一项重要内容。有机质丰度的高低与烃源岩是否具备形成工业性油气聚集的潜力是有直接关系的。通过对黄河口凹陷数百个烃源岩样品热解测试结果的统计，总结出黄河口凹陷3套湖相烃源岩的有机质丰度特征(见图2)。据湖相泥质烃源岩评价标准[2]可知,沙三段(以沙三中段和下段为主)及沙一段均为好烃源岩,东二下—东三段整体评价为一套中—好的烃源岩。由于好—很好的烃源岩才是生烃的主力,故结合渤海海域的勘探实际,将好—很好的烃源岩统称为优质烃源岩,并针对主力生烃层段沙三段分东、西两次洼进行统计(见图3)可知，西次洼发育更多的优质烃源岩。

图3 黄河口凹陷东、西次洼沙三段烃源岩有机质丰度分布频率图Fig.3 Distribution frequence of organic matter abundance of the source rocks in member 3 of Shahejie formation from east and west sub-sags of Huanghekou sag

1.2 有机质类型

有机质类型的不同决定了烃源岩的生烃演化过程及其产物特征的不同，故有机质类型是划分有机相、评价有机质生烃潜力的最主要指标。分析表明，总体上讲，研究区3套烃源岩具有相似的有机质类型，均以Ⅱ型为主，Ⅰ型和Ⅲ型很少，即3套烃源岩的有机质类型为低等水生生物藻类来源(Ⅱ1型)与陆源高等植物来源(Ⅱ2型)的混合类型为主。具体而言，沙三段烃源有机质以Ⅱ1型为主，Ⅱ2型次之；沙一段烃源岩有机质以Ⅱ1为主，Ⅱ2型次之，偶见Ⅰ型；东二下—东三段烃源岩有机质以Ⅱ2型为主，Ⅱ1型为辅，少量Ⅲ型(见图4)。

图4 有机质类型特征图Fig.4 The characteristics of organic matter type

2 烃源岩发育的沉积背景及其特征

湖盆演化的不同阶段,随着古湖泊环境的不同,其沉积物和烃源岩表现出差异。而在湖盆演化的同一时期,湖盆的不同位置,由于湖盆古地形、水深、物源供应等不同,且陆相湖盆中,烃源岩的展布与发育明显受沉积环境、沉积相的控制, 直接影响着烃源岩的生烃潜力,造成处于不同沉积相带的烃源岩岩性、有机质丰度及类型的差异。关于烃源岩沉积背景的判定,在微观和宏观层面都有相应的方法,下面将分别讨论。

2.1 烃源岩发育环境的微观判别

烃源岩的生物标志物参数分析,可以区分不同层位烃源岩的特征、反映有机质生物来源以及反映沉积和早期成岩环境,特别是能反映氧化还原条件和介质盐度等特征。故本研究经过大量数据的筛选,针对黄河口凹陷烃源岩，主要选取受生物降解和成熟度影响较小的几类参数[11-12]对3套烃源岩进行评价。

姥鲛烷/植烷即Pr/Ph通常用于指示氧化还原环境,低姥植比反映还原环境。对比其判别标准,图5b显示3套源岩均形成于相对还原的环境,相比而言，沙一段和沙三段沉积时的环境还原性远强于东二下—东三段烃源岩沉积时。

图5 烃源岩生标特征Fig.5 Biomarker characteristic of source rocks

三环萜烷和四环萜烷由于其较好的热稳定性,且具有较强的抗生物降解能力被广泛用于烃源岩的特征研究。大量研究实例表明，C19/C23三环萜烷的高值和大量的C24四环萜烷的聚集往往指示较多的陆源有机质的输入。如图5a所示,东二下—东三段烃源岩具有相对较高的陆源有机质的输入,而沙三和沙一两套烃源岩则具有相对较低的陆源有机质输入。

大量的伽玛蜡烷的存在往往表明烃源岩沉积时分层水体的存在,且往往为高盐度分层水体的表征。实际研究中往往用伽玛蜡烷指数即伽玛蜡烷/C30藿烷来反映伽玛蜡烷的含量。黄河口凹陷烃源岩样品均检测出伽玛蜡烷,含量范围很宽(见图5b，c)。沙一段烃源岩伽玛蜡烷含量相对较高,指示沉积时为蒸发环境或咸水环境,是一种水体稳定分层的还原环境。沙三段和东二下—东三段烃源岩样品的伽玛蜡烷指数分布范围整体较低,表明沙三段和东二下—东三段沉积时期为淡水沉积环境为主,但在局部区域可能出现微咸水沉积环境。

2.2 烃源岩发育的沉积相判别

通过对分布于黄河口凹陷不同构造位置的9口重点井的沉积相分析,结合凹陷发育的构造演化背景及与实测有机质丰度评价数据的相关性探讨(见图6),得出黄河口凹陷不同沉积亚相及微相中的泥岩机质丰度呈规律变化：半深湖—深湖相的泥质沉积有机质丰度高,受物源影响弱的浅湖泥质沉积也具较高的有机质丰度；特别是沙一段水体咸化程度高,形成了稳定的分层水体,是较好的还原环境,故浅湖相沉积中也广泛发育好烃源岩；三角洲前缘的支流间湾泥岩则往往不具备高的有机质丰度。

图6 烃源岩发育的沉积亚相特征Fig.6 Sedimentary subfacies characteristic of source rocks

黄河口凹陷重点井的砂泥岩厚度含量统计与有机质丰度评价参数相关性探讨研究表明(见图7):当某一地层单元中,泥岩体积含量达碎屑岩体积含量的60%以上时,烃源岩具有较高的有机质丰度。

图7 烃源岩发育层段泥岩百分比与TOC相关图Fig.7 Total organic carbon (TOC) content with mudstone percentage

2.3 烃源岩的地震反射特征

明确了湖相烃源岩主要分布于稳定的浅湖—半深湖环境,对于预测烃源岩的发育有很好的指导作用。但是，由于近海富生油凹陷的主力烃源岩都发育于古近系,完整钻遇古近系主力烃源岩的钻井数量极有限,因此利用地震资料识别烃源岩的分布特征显得极为重要。前人研究显示,烃源岩在地震反射上具有与其他岩层明显不同的特点：反射轴具有低频、高连续、强振幅的特点,反射结构一般为平行—亚平行反射,但随着沉积环境和沉积模式的不同,在不同地区也存在差异。

黄河口凹陷东洼和西洼数条地震剖面解释分析显示，黄河口凹陷的3套烃源岩在地震反射上有明显的特征(见图8):沙一段咸化浅湖沉积反射特征表现为中低频、连续、中强振幅;淡水—微咸水背景的浅湖沉积以中频、较连续 、中振幅为反射特征;淡水—微咸水背景的深湖沉积以低频、连续、强振幅为反射特征。

图8 黄河口凹陷西洼烃源岩发育层段地震反射特征(剖面位置见图1)Fig.8 Seismic reflection characteristics of source rocks in west sub-sags in Huanghekou sag

3 层序地层格架对烃源岩发育的控制作用探讨

3.1 获取纵向连续TOC值的探讨

烃源岩有机碳含量是含油气盆地生烃研究和资源评价中的一项基础参数。在可获取烃源岩样品的情况下,可通过实验直接测定有机碳含量。然而,受采样条件限制,合适的烃源岩样品常常数量有限、分布局限;再加上测试费用的因素,直接测定的有机碳含量资料，无论是在数量上还是在分布上通常都难以满足研究的需要。因此,有必要充分地利用纵向连续、广泛分布的测井资料来评价烃源岩的有机碳含量。近年来,国内外一些学者开始探索烃源岩的地球化学参数与测井信息之间的关系,并在烃源岩的识别、成熟度及评价等方面取得了不少成果,有力地推动了烃源岩测井评价的发展。Passey等[13-14]提出用ΔlgR法预测烃源岩的TOC值,近年来得以广泛应用。

为了更全面客观地反映烃源岩在层序格架内的分布规律,本研究针对资料相对翔实的黄河口凹陷主力烃源岩——沙河街组烃源岩,结合实测的TOC数据,将声波时差曲线(专门刻度孔隙度的测井曲线)叠合在电阻率曲线上,两条曲线的幅度差即为ΔlgR,用ΔlgR法依据一系列的换算和经验公式计算出连续的TOC值(见图9)。结果表明,在黄河口地区,用测井资料预测的有机碳数据的吻合率高达87%。该方法便于在取样少的井段获取连续变化的TOC数据,判断TOC变化趋势,更有效地探讨有机质丰度在不同层序构型中的演变关系。

3.2 层序地层格架对烃源岩发育的控制作用探讨

分析表明(见图10),黄河口富生油凹陷古近系发育的层序类型齐全,以基准面上升半旋回为主的层序类型、以基准面上升和下降半旋回相当的层序类型和以基准面下降半旋回为主的层序类型都发育,优质烃源岩主要发育在以基准面上升半旋回为主的层序类型中,基准面上升和下降半旋回相当的层序类型中次之,在以基准面下降半旋回为主的层序类型中最次,且几种层序类型中的有机质丰度高值均出现在最大湖泛面附近。

优质烃源岩的这种分布特征主要是由于湖平面升降控制着沉积环境、沉积相的特征和分布,优质烃源岩也相应地有规律地分布于层序地层格架中的一定部位：最大湖泛面附近,往往覆水加深，水体稳定,介质还原性强,有利于有机质的保存,且对于基准面上升半旋回占优势的层序构型中，随着湖平面的不断上升,沉积可容空间不断增大期间,边缘相带萎缩,导致碎屑沉积物输入量和陆源有机质供应量减少,形成极为有利于湖相有机质富集的深湖和半深湖沉积环境。

基于以上结论,对黄河口凹陷的东西向剖面进行层序格架划分(见图11),可以预测东三段在东洼发育较多优质烃源岩,沙一二段在东、西两洼均发育较多优质烃源岩,沙三段则为西洼发育较多优质烃源岩(这与前文图3的分析也是一致的)。

图9 HHK6井沉积、层序综合柱状图Fig.9 Sedimentaty and sequence synthetical histogram of well HHK6

图10 层序地层格架对烃源岩发育的控制Fig.10 Control on the evolution of source rocks from sequence stratigraphic framework

图11 黄河口凹陷剖面上烃源岩发育层段的层序发育特征(剖面位置见图1)Fig.11 The characteristics of sequence stratigraphic framework in source rocks layers from the section acrossing the east and west sub-sags of Huanghekou sag

4 结 论

1)黄河口凹陷沙三段及沙一段烃源岩均为好烃源岩,东二下—东三段烃源岩综合各项指标整体评价为一套中—好的烃源岩;3套烃源岩总体上具有相似的有机质类型,均以Ⅱ型为主。

2)烃源岩的生物标志物参数分析表明，3套源岩均形成于相对还原的环境,沙一段和沙三段沉积时的环境还原性远强于东二下—东三段烃源岩沉积时;东二下—东三段烃源岩具有相对较高的陆源有机质的输入,而沙三和沙一两套烃源岩则具有相对较低的陆源有机质输入;沙一段沉积时为咸水环境,是一种水体稳定分层的还原环境,沙三段和东二下—东三段沉积时期,为淡水沉积环境为主。

3)黄河口凹陷的烃源岩主要发育于稳定的浅湖—深湖相的淡水环境、咸化水体的浅湖环境。咸化浅湖环境中沉积的沙一二段烃源岩反射特征为中低频、连续、中强振幅,淡水条件下的深湖相烃源岩以低频、连续、强振幅为反射特征。

4)黄河口凹陷好烃源岩主要发育在基准面上升半旋回为主的层序类型中,基准面上升和下降半旋回相当的层序类型中次之,在以基准面下降半旋回为主的层序类型中最次,且几种层序类型中有机质丰度高值均出现在最大湖泛面附近。