辽西凹陷沙四段烃源岩特征及生烃潜力

汤国民, 王德英, 王飞龙, 王清斌, 王富民

(中海石油(中国)有限公司 天津分公司 勘探开发研究院，天津 300452)

渤海湾盆地是一个以古生界为基底的中生代-新生代叠合盆地，形成于中生代，发展于古近纪。古近系沙河街组(Es)烃源岩是渤海湾盆地最为重要的烃源岩，其中沙河街组第三段(简称“沙三段”)和第一段(简称“沙一段”)烃源岩占主导地位[1-3]。而沙河街组第四段(简称“沙四段”)烃源岩分布相对分散，虽然并非渤海湾盆地主力烃源岩，但是局部地区其生烃潜力也不容忽视。大民屯凹陷在沙四段沉积时期经历大规模湖侵，发育多套暗色泥页岩层，是凹陷内最重要的烃源岩层，并且是辽河油田页岩油勘探的重要对象[4]；廊固凹陷沙四段属于高盐度咸水-半咸水强还原环境形成的烃源岩[5]，牛坨镇凸起周边地区的原油和曹家务地区、固安地区的天然气以及别古庄地区奥陶系潜山气藏都是主要来源于沙四段烃源岩贡献[6-7]。从前人研究结果来看，济阳拗陷沙四段发育最为广泛，东营凹陷、沾化凹陷和车镇凹陷广泛发育咸化湖盆背景下的沙四段烃源岩，伴随厚层膏岩沉积[8]，其中沾车地区沙四段湖湘碳酸盐储层油气[9-10]、牛庄洼陷南斜坡油田[11]、东营北带丰深1井区凝析油气[12]、渤南洼陷沙四上亚段深部碎屑岩储集层油气，目前已证实主要来源于沙四段烃源岩的贡献[13-15]；而对于渤海海域地区，目前对沙四段的研究较少，从现有的研究来看，沙四段分布零散，主要局限于莱州湾凹陷、青东凹陷、庙西凹陷和辽东带南端等地区[16]，在青东凹陷和莱州湾凹陷已经证实了沙四段烃源岩的贡献[17-18]，尤其2016年在莱州湾南部缓坡带发现垦利16-1大中型高硫油田，沙四段是其主要的烃源岩[19]，沙四段烃源岩正式作为重要的勘探烃源岩层系。

辽西凹陷位于渤海海域西北部，属于典型的边缘凹陷，勘探程度普遍较低，研究也相对较少，普遍认为沙三段和沙一段是主力烃源岩层位[20-22]，沙四段烃源岩生烃潜力尚不明确。近两年才有2口探井钻遇沙四段，主要为灰色泥岩，烃源岩品质虽然较好，但钻井油气显示却相对较差，因此，非常有必要弄清辽西凹陷沙四段烃源岩的资源潜力，为打开辽西凹陷勘探奠定基础。

1 研究区概况

辽东湾拗陷位于渤海海域东北部，是下辽河裂谷盆地向渤海海域的自然延伸，呈北东向长条状展布，为渤海湾盆地的Ⅰ级构造单元，具有“三凹两凸”的构造形态，自西向东分别是：辽西凹陷、辽西凸起、辽中凹陷、辽东凸起和辽东凹陷[20-22]。辽西凹陷位于辽东湾拗陷的最西部，东临辽西凸起，西靠燕山褶皱带(是辽西凹陷沉积物的主要来源)，北接辽河西部凹陷，南连渤中凹陷，面积约为3 830 km2，为新生界发育而成的断陷湖盆；凹陷内部根据地理分布，自北向南可进一步细分为北洼、中洼和南洼3个次级洼陷(图1)。

图1 辽东湾拗陷位置及构造单元划分Fig.1 Tectonic framework and location of Liaodong Bay

从目前钻探情况来看，整个凹陷新生界自下而上揭示11套地层，古近系包括：沙四段(Es4)、沙三段(Es3)、沙二段(Es2)、沙一段(Es1)、东三段(Ed3)、东二下段(Ed2L)、东二上段(Ed2U)和东一段(Ed1)，新近系包括：馆陶组(Ng)、明化镇组，第四纪平原组(Qp)。围绕辽西凹陷已发现多个油田，但普遍认为主要来源于沙一段和沙三段烃源岩[20-22]。由于对沙四段的研究较少，造成资源潜力评价不高，因此，本文将在2口已钻井烃源岩数据详细分析的基础之上，结合地震数据和盆地模拟手段重新评价辽西凹陷沙四段烃源岩生烃潜力。

2 沙四段烃源岩特征

目前辽西凹陷钻遇沙四段的井仅有JZ25-A井和SZ29-B井，钻遇沙四段厚度分别为250 m和345 m。其中JZ25-A井揭示沙四段岩性以浅灰色泥岩为主，泥岩厚度占钻遇地层的88%，属于三角洲前缘亚相；SZ29-B井揭示沙四段岩性为灰色泥岩，泥岩厚度占钻遇地层的68%，其中夹有5 m厚的碳质泥岩，属于三角洲前缘亚相。利用这2口井现有数据对辽西凹陷沙四段烃源岩分布、古环境及地球化学特征进行系统研究。

2.1 沉积与地层分布特征

基于现有地震资料和单井相分析，恢复了辽西凹陷沙四段地层厚度和沉积相(图2、图3)。结果显示，辽西凹陷中洼沉积厚度最大，最大厚度可达1.6 km；紧邻凹陷边缘，是整个沙四段的沉积中心；靠近凹陷边缘位置发育大型辫状河三角洲，接受大量陆源输入；向东北方向主要发育半深湖-深湖相沉积，是中洼烃源岩发育的主要区域。向北洼方向，湖盆相对变浅，沉积厚度相对减小，最大沉积厚度为800 m；由于走滑断裂的分割作用，辫状河三角洲主要位于洼陷西部边缘，距离洼陷中心相对较远，规模较小，陆源输入对北洼影响相对较弱。南洼受东西两侧凸起夹持，整个湖盆面积较小，洼陷沉积中心位置处于洼陷南部，沉积水体相对较浅，主要为半深水沉积环境，洼陷中心最大沉积厚度可达800 m；但西侧发育大型辫状河三角洲沉积，受陆源输入影响较大；而南洼北部洼陷为滨浅湖-半深湖沉积，虽然沉积厚度不大(0～400 m)，但是远离陆源输入，在四周凸起的环围之下，水体整体处于相对稳定的环境，有利于泥岩沉积和保存，可能发育优质烃源岩(图3)。

图2 辽西凹陷沙四段等厚图Fig.2 Isopach map of the Es4 in Liaoxi Depression

图3 辽西凹陷沙四段沉积相图Fig.3 The sedimentary facies of Es4 in Liaoxi Depression

2.2 古环境特征

有利的沉积环境是优质烃源岩形成的必要条件，一般来说沉积岩中的痕量元素对古环境的判识具有重要的指示意义。通常Sr/Cu质量分数比值(wSr/wCu)是古气候判识的重要指标，比值在1～5时反映温湿气候环境，大于5时反映干热的气候环境[23]。判断古水体盐度的指标有很多，其中Sr含量可以定性判别沉积介质的古盐度，Sr质量分数(wSr)为(800～1 000)×10-6时指示咸水沉积环境，为(100～300)×10-6时指示淡水沉积环境[24]。生标参数常用伽马蜡烷和姥植比来反映水体环境，伽马蜡烷是形成水体分层的重要标志，而高伽马蜡烷常常用来反映高盐度的水体环境。姥植比既可用来判断水体盐度，也可分析氧化-还原环境，一般来说姥植比小于0.8说明水体属于典型的缺氧环境，也指示高盐沉积水体；当姥植比大于2时指示典型的氧化型沉积环境[25]。

基于上述理论，从辽西凹陷已钻井的烃源岩生标参数和元素特征来看：①辽西凹陷中-北洼沙四段烃源岩wSr/wCu为11～16，说明沙四沉积时期整体处于典型的干热气候(图4-D)；②中-北洼沙四段烃源岩wSr为(360～530)×10-6，伽马蜡烷/C30藿烷为0.04～0.05，姥植比为0.7～1.07(图4-C、D)，指示中-北洼沙四段沉积时期水体为微咸水、弱氧化-还原沉积环境，该地区烃源岩TOC质量分数(wTOC)高达2.5%～4.8%(图4-A、B)；③中洼沙四段烃源岩伽马蜡烷/C30-藿烷为0.14～0.16，姥植比为1.05～1.18(图4-C、D)，指示中洼沙四段沉积时期为微咸水、弱氧化-弱还原沉积环境，该地区烃源岩wTOC为0.18%～0.22%(图4-A、B)。由此看出，中洼和中-北洼沉积环境相似，但是烃源岩品质差异巨大，说明辽西洼陷沙四段沉积时期，沉积环境对优质烃源岩的形成影响较小。

图4 辽西凹陷沙四段烃源岩生标参数及元素特征Fig.4 Characteristics of biomarkers and elements of Es4 source rock in Liaoxi Depression

2.3 地球化学特征

辽西中洼在沉积中心位置沉积厚度最大，揭示的沙四段烃源岩生标参数表现为Ts/Tm<1、中等伽马蜡烷、低4-甲基甾烷、低重排甾烷的特征(图5-B)。由于其紧邻凹陷边缘，受陆源输入影响较大，具有C29甾烷明显高于C27甾烷的特征，说明有机质主要来源于高等植物，藻类丰度较低，烃源岩沉积有机质以陆源贡献为主(图6)，形成有机质类型主要为II2干酪根(图7-C)，烃源岩丰度也受到巨大影响，其wTOC平均值在1%左右，生烃潜量(wS1+S2)平均值在3‰左右(图7-A、B)。由中洼向北洼方向，烃源岩生标参数主要表现为Ts/Tm>1、低等伽马蜡烷、中-低4-甲基甾烷、高重排甾烷的特征(图5-A)，热演化程度高于中洼。由于北洼受到走滑断裂的分割作用，物源远离洼陷中心，水体相对安静，陆源输入相对降低，具有C29甾烷明显低于C27甾烷的特征(图5-A)，说明烃源岩沉积有机质主要来自水生藻类贡献(图6)，高等植物贡献相对较弱，有机质类型优于中洼，主要为Ⅱ1型干酪根(图7-C)，具有较高的烃源岩丰度，wTOC平均值高达4%，生烃潜量平均值高达23‰(图7-A、B)，为典型的优质烃源岩。

图5 辽西凹陷沙四段烃源岩饱和烃质量色谱Fig.5 Mass chromatograms of the saturated hydrocarbon for Es4 source rock in Liaoxi Depression

图6 辽西凹陷沙四段烃源岩藻类丰度与TOC之间关系Fig.6 The relationship between algal abundance and TOC of the Es4 source rock in Liaoxi Depression 藻类丰度=(nC15+nC17+nC19)/(nC27+nC29+nC31)，其中nC15、nC17、nC19主要来源于低等藻类，nC27、nC29、nC31主要来自高等植物，用二者比值反映藻类的相对丰度[25]

从实测Ro来看，中洼和北洼钻遇的沙四段烃源岩成熟度主要在0.55%～0.75%，属于低熟-中等成熟阶段，实测值中-北洼烃源岩成熟度略高于中洼(图7-D)。

由于南洼没有探井揭示沙四段，结合沉积特征分析，南洼南部与中洼沉积中心特征相似，都受陆源输入影响较大，不利于形成高丰度优质烃源岩；而南洼北部，四周由凸起环绕，远离陆源输入，沉积水体相对安静，推测可能发育优质烃源岩。

通过上述分析，认为辽西凹陷沙四段沉积时期主要为干热气候、微咸水、弱氧化-还原沉积环境，这种沉积环境是沙四段形成优质烃源岩的必要条件。而要形成高丰度烃源岩，水生藻类的丰度则是关键因素。北-中洼受郯庐断裂分割作用的影响，远离陆源输入的影响，具有较高的藻类丰度，是整个辽西凹陷高丰度烃源岩发育最有利区域，生排烃能力较强。而陆源输入不利于形成高丰度优质烃源岩，中洼沉积中心紧邻大型辫状河三角洲，烃源岩含陆源高等植物较多，品质普遍为中等。对于南洼来说，其南部发育大型辫状河三角洲，延伸至洼陷中心，受陆源输入影响较大，沙四段不易形成高丰度优质烃源岩，而其北部远离陆源输入，可能发育优质烃源岩；但是，北部洼陷面积较小，烃源岩范围和厚度都不会太大，其生排烃能力可能有限。

3 生烃潜力分析

一般认为wS1+S2/wTOC值的降低意味着烃源岩已达到排烃门限并开始排出烃类，并以其拐点确定为排烃门限深度[26]。从图6-D和图8-A可以看出辽西凹陷沙四段烃源岩大约在2.5 km左右深度成熟度达到0.5%，进入生烃门限；大约在2.8 km深度进入排烃门限(图8-B)。

图7 辽西凹陷沙四段烃源岩地球化学特征Fig.7 Geochemical characteristics of the Es4 source rock in Liaoxi Depression

基于上述综合分析，结合Trinity盆地模拟软件，选取JZ25-A井和SZ29-B井沙四段烃源岩地球化学参数和热史数据作为标定数据，以沙四段底界面深度重新恢复其烃源岩成熟度Ro特征。结果显示，辽西凹陷3个次级洼陷沙四段烃源岩成熟度都已超过0.5%(图9-A)，进入生烃门限。对于凹陷中心位置采用虚拟井恢复沙四段烃源岩热演化特征，中洼沙四段烃源岩埋藏最深、厚度最大，大约40 Ma B.P.沙四段烃源岩成熟度就已达到0.7%(图9-B)，进入排烃门限。在平面展布特征上，3个次级洼陷中心位置沙四段烃源岩现今成熟度普遍都超过0.9%(图9)，进入生排烃高峰，具有较强的生烃潜力。

图8 辽西凹陷沙四段烃源岩生排烃特征Fig.8 Characteristics of hydrocarbon generation and expulsion of Es4 source rock in Liaoxi Depression

图9 辽西凹陷沙四段烃源岩成熟度特征及埋藏史Fig.9 Maturity characteristics and burial history of Es4 source rock in Liaoxi Depression (A)成熟度等值线图; (B)虚拟井热演化史

4 结 论

a.辽西凹陷沙四段沉积时期发育多种沉积相类型，主要包括深湖相、半深湖相、滨浅湖相、扇三角洲相和辫状河三角洲相等。中洼是沙四段的沉积中心，沉积厚度最大，约为1.6 km；北洼和南洼沉积厚度相对较薄，厚度最大为800 m。凹陷水体相对安静的半深湖-深湖相是烃源岩发育的主要位置。

b.辽西凹陷沙四段沉积时期整体处于干热、微咸水、弱氧化-还原沉积环境，而陆源有机质的输入控制了优质烃源岩的形成和分布。中洼北部-北洼陆源输入较少，以藻类生源为主，发育了Ⅱ1型高丰度优质烃源岩；中洼南部紧邻物源，受陆源输入影响较大,有机质类型以Ⅱ2型为主，烃源岩丰度相对较差，为一般烃源岩。南洼由于未有钻井揭示，结合地震-沉积特征分析认为，南洼南部受陆源输入影响较大，且烃源岩沉积范围较小，推测烃源岩品质较差；而洼陷北部由凸起遮挡，水体相对安静，推测可能发育优质烃源岩，但规模不大。

c.辽西凹陷沙四段排烃门限深度为2.8 km，结合盆地模拟恢复了各洼陷烃源岩热演化程度，都已经超过0.7%，进入生烃高峰阶段。由于中-北洼沙四段烃源岩丰度高、类型好，且都已进入生烃高峰，因此是下一步辽西凹陷围绕沙四段烃源岩勘探的有利区域。