渤海莱州湾凹陷烃源岩特征及形成机理分析*

2019-11-27潘文静杜晓峰田德瑞郭龙龙汤国民

中国海上油气 2019年6期

潘文静杜晓峰田德瑞郭龙龙汤国民

(中海石油(中国)有限公司天津分公司天津 300459)

生烃有机质特征及形成环境是烃源岩研究的关键问题[1-4]。莱州湾凹陷是渤海海域南部的新生代边缘凹陷，生烃潜力大，但构造地质背景复杂，断裂活动期次多、火山多发、沉积体系演变快，导致优质烃源岩分布规律不明，这是制约该区油气勘探取得突破的重要原因[5-7]。本文综合运用地球化学、古生物学以及岩石学方法对莱州湾凹陷主力生烃层系烃源岩的地球化学特征、岩石学特征以及有机质组成特征展开研究，在此基础之上，结合区域湖盆演化规律及古环境变化规律，探讨烃源岩形成过程与机制，系统建立有机与无机、宏观与微观之间的相互联系，对于进一步完善湖相烃源岩成烃机制研究具有现实意义。

1 区域地质概况

莱州湾凹陷位于渤海海域南部，是中生界基底之上发育的新生代凹陷，分为东北洼、北洼和南洼等3个次洼(图1)。早期受太平洋板块向欧亚板块俯冲以及欧亚板块与印度板块碰撞影响，中国东部发生强烈裂陷，在郯庐断裂带东支及控盆断裂莱北1号断层的综合作用下形成北断南超、北陡南缓、洼隆相间的构造格局。直到沙三段沉积时期，莱州湾凹陷持续差异沉降，东北洼逐渐形成，并受郯庐断裂带在沙一段、沙二段到东营组沉积时期强烈的走滑作用影响而迅速下沉扩大[9-10]。

图1 莱州湾凹陷构造分区图(据文献[8]修改)

莱州湾凹陷钻遇的地层自下而上有古近系沙河街组(Es)、东营组(Ed)，新近系馆陶组(Ng)和明化镇组(Nm)，其中沙河街组自下而上划分为4段，分别为沙四段(Es4)、沙三段(Es3)、沙二段(Es2)和沙一段(Es1)。南洼、北洼沙四段均为优质烃源岩，但是岩性差异大(图2)，南洼以油页岩、膏岩、泥质白云岩互层沉积为主，北洼以厚层泥岩沉积为主，局部含玄武岩夹层；东北洼暂未钻遇沙四段。沙三段是莱州湾凹陷分布最广的一套优质烃源岩层系，均为厚层泥岩夹砂岩沉积。区域上沙二段、沙一段、东营组、馆陶组、明化镇组均为频繁的砂泥岩互层。目前莱州湾凹陷已发现垦利10-1、垦利11-1等2个大中型油气田，油源对比显示油气主要来源于南、北洼沙三段与沙四段，展示了较大的生烃潜力和较好的勘探前景。

2 烃源岩特征

2.1 地球化学特征

实测数据分析显示，莱州湾凹陷东北洼发育东三段、沙一段、沙三段等3套成熟烃源岩，东三段局部地区成熟度较低，沙一段和沙三段成熟度Ro均达到了生排烃阶段(图3a)；而北洼和南洼受埋深影响，仅有沙三段和沙四段烃源岩成熟度达到了0.5%(图3b、c)。

热解和干酪根显微组分分析指示，莱州湾凹陷沙三段、沙四段以好—非常好烃源岩类型为主，仅东北洼发育东三段和沙一段烃源岩(表1)，其中东三段烃源岩受成熟度影响为中等烃源岩;沙一段烃源岩为好烃源岩，但受沉积厚度及展布面积影响其生烃量有限。综合分析认为，沙三段、沙四段是莱州湾凹陷的主力生烃层系。

2.2 岩石学特征

为了进一步明确岩石矿物组成对沉积环境的指示作用以及对烃源岩品质的影响，对莱州湾凹陷沙三段、沙四段开展了系统的岩石学研究。

北洼沙四段发育厚层灰色泥岩，指示稳定湖相沉积环境。南洼沙四段沉积大套膏盐夹页岩、白云岩，薄片中可见油页岩发育密集的有机质与碳酸盐岩纹理。沙四段沉积时期,受差异沉降影响，莱州湾凹陷沉积中心在北洼；而南洼水体相对较浅，受炎热干旱气候影响更强烈，湖盆水体强烈蒸发，形成盐湖环境，沉积了大量石膏，使得该地区烃源岩呈膏盐、页岩和泥质白云岩互层的沉积特征(图4a—l)。

表1 莱州湾凹陷烃源岩综合评价

a—KL11-2-A井，1 807 m，沙四段，纹层状烃源岩中发育碳酸盐岩流体，单偏光；b—KL11-2-A井，1 807 m，沙四段，有机质团块与碳酸盐岩以及石膏紧密接触，正交光；c—KL11-2-A井，1 807 m，沙四段，纹层状烃源岩中碳酸盐岩流体以含铁方解石为主，局部发生蚀变，可见石膏晶体，单偏光；d—同(c)，正交光；e—KL11-2-A井，1 807 m，沙四段，石膏晶体主要分布在靠近有机质沉积的一侧，单偏光；f—同(e)，正交光；g—KL11-2-A井，1 807 m，沙四段，远离碳酸盐岩流体的纹层状烃源岩中碳酸盐岩以普通方解石为主，铁方解石含量极低，单偏光；h—同(g)，正交光；i—KL11-2-A井，1 806 m，沙四段，膏盐，单偏光；j—同(i)，正交光；k—KL11-2-A井，1 808 m，沙四段，有机质泥岩中的石膏晶体，正交光；l—KL11-2-A井，1 808 m，沙四段，石膏，正交光；m—KL11-2-A井，1 683 m，沙三段，宽纹层状烃源岩，单偏光；n—KL11-2-A井，1 683 m，沙三段，富有机质泥岩，单偏光；o—KL11-1-A井，2 763.27 m，沙三段，富有机质泥岩，单偏光；p—KL10-1-A井，3 000 m，沙三段，含方解石泥岩，正交光。注：OM—有机质，Cal—方解石，Gp—石膏。

图4 莱州湾凹陷烃源岩层系岩石学特征

Fig .4 Lithologic characteristics of the source rocks in the Laizhou Bay sag,Bohai sea

沙三段沉积时期，莱州湾凹陷气候逐渐转湿润，各次洼均以泥岩沉积为主(图4m—p)，北洼沙三段沉积中后期受火山作用影响明显，在泥岩中间夹有大套深灰色玄武岩；南洼沙三段沉积后期出现了指示氧化环境的红色泥岩；东北洼发育厚层灰色泥岩，与沉积中心逐渐向东北部转移的构造格局相呼应。

2.3 孢粉相特征

系统的孢粉相研究发现，莱州湾凹陷沙四段烃源岩的有机质组成平面差异明显，北洼普通泥岩中有机质以荧光强度较弱的陆源无定形为主，构成陆源无定形的孢粉相组合(图5a—h);南洼有机质纹层泥岩中以荧光亮度强的水源无定形为主，浮游藻类具有较高含量，可以构成水源无定形-孢质组合(图5i—p)。

莱州湾凹陷沙三段烃源岩有机质组成整体为无定形组合，但是孢粉相分析显示各次洼无定形类型与含量具有差异,北洼除了丰富的无定形以外，还含有丰富的浮游藻类化石和少量角质(图6a—d);南洼无定形以陆源无定形为主，生烃潜力低(图6e—h),东北洼无定形含量明显高于北洼和南洼，除了丰富的水源无定形以外，还有球形疑源类及浮游藻类等，显示出较好的生烃前景(图6i—p)。

a—KL10-1-A井，3 080 m，海绵状陆源无定形，透射光下呈黄棕色；b—同(a)，蓝光激发显桔红色—褐色荧光；c—KL10-1-A井，3 385 m，絮状无定形，透射光下显黄色—褐色；d—同(c)，蓝光激发显示桔色荧光，孢粉化石显亮黄色荧光；e—KL10-1-A井，3 080 m，浮游藻类，透射光下呈黄色；f—同(e)，蓝光激发显亮黄色—棕黄色荧光；g—KL10-1-A井，3 225 m，团块状无定形，左侧有机质为过成熟状态，透射光下呈棕色—黑色，右侧有机质为成熟阶段，透射光显示黄色；h—同(g)，左侧过成熟状态无定形蓝光激发无荧光显示，右侧无定形蓝光激发显示黄色； i—KL11-2-A井，2 005 m，团块状无定形，透射光下呈黄褐色；j—同(i)，蓝光激发呈亮桔色； k—KL11-2-A井，2 055 m，团块状无定形，透射光；l—同(k)，蓝光激发显示桔色荧光；m—KL11-2-A井，2 097 m，左侧团块状无定形，右侧为浮游藻类沟鞭藻化石副渤海藻属，透射光下均为黄色；n—同(m)，藻类化石蓝光激发显亮黄色荧光，无定形呈浅黄棕色；o—KL11-2-A井，1 925 m，左侧为孢粉化石，透射光下呈黄色，右侧为团块状陆源无定形，透射光下呈褐色；p—同(o)，蓝光激发孢粉显黄色荧光，无定形显黄棕色荧光。

图5 莱州湾凹陷沙四段孢粉相特征

Fig .5 Palynofacies of Es4in the Laizhou Bay sag,Bohai sea

a—KL10-1-A井，2 950 m，角质体，透射光下呈黄色；b—同(a)，蓝光激发显桔红色荧光；c—KL10-1-A井，2 950 m，絮状团块状无定形大量发育，透射光下显黄色—褐色；d—同(c)，蓝光激发显示桔色荧光；e—KL11-2-A井，1 740 m，团块状无定形，透射光下呈黄褐色；f—同(e)，蓝光激发显暗桔色荧光；g—KL11-2-A井，1 740 m，团块状絮状无定形，透射光下呈黄色—棕色；h—同(g)，蓝光激发呈暗桔色； i—KL6-4-B井，2 780 m，团块状陆源无定形大量发育，透射光下呈黄色；j—同(i)，蓝光激发呈桔色，局部化石呈亮黄色荧光；k—KL6-4-B井，2 780 m，团块状水源无定形，透射光下呈黄色；l—同(k)，蓝光激发显亮黄色荧光；m—KL6-4-B井，2 700 m，球形疑源类化石，透射光下呈黄褐色；n—同(m)，化石蓝光激发显暗桔色荧光；o—KL6-4-B井，2 940 m，葡萄藻化石，透射光下呈黄色；p—同(o)，蓝光激发显亮黄色荧光。

图6 莱州湾凹陷沙三段孢粉相特征

Fig .6 Palynofacies of Es3in the Laizhou Bay sag,Bohai sea

3 烃源岩形成机理

3.1 沙四段烃源岩

沙四段沉积时期莱州湾凹陷处于裂陷早期，湖盆规模小，并且被中央构造带分隔成南、北2个独立次洼，沉积中心在北洼，南洼水体较浅。沙四段沉积早期气候异常干旱，引起湖盆水体强烈蒸发，南北洼湖盆水体盐度均呈上升趋势，尤其是南洼形成盐湖，为极易降解的优质有机质成分提供了良好的保存条件，但是受湖盆生产力影响而导致烃源岩TOC值均较低。随着湖盆持续沉降，古湖盆面积不断扩张，与此同时气候逐渐转湿，湖泊生态系统逐渐复杂，有机地化分析证实沙四段烃源岩TOC均呈现明显的增高趋势。孢粉相分析研究显示沙四段沉积晚期生物类型和含量均出现大幅增长，但有机质类型组成不同，烃源岩自下而上变好的驱动机制明显不同。

孢粉相鉴定分析显示北洼普通泥岩主要沉积了陆源无定形，南洼页岩沉积了大量的浮游藻类以及水源无定形。区域构造沉积研究显示，沙四段沉积时期北洼是沉积中心，湖盆规模大，有机质丰度高，但是沉积速率慢，导致有机质类型以耐降解的陆源无定形为主；南洼水体盐度高，为有机质提供了良好的保存条件，使得极易降解的优质有机质能够较好保存，但是受湖盆规模制约使其有机质含量略低于北洼。

此外，实验证实烃源岩中90%的有机质以进入黏土矿物层间的形式保存，并且矿物对有机质具有选择性保存的特点；细粒沉积物中的黏土矿物能有效保护水生生物抵御微生物和氧化环境降解，而相对粗粒的沉积物中有机质主要以耐降解成分为主[11]，这可能是影响南北洼生烃物质组成差异明显的重要原因之一，极易降解的优质有机质类型在南洼细粒页岩中能够有效保存，而北洼沉积的普通泥岩中主要以陆源无定形为主。

综上所述，莱州湾凹陷南北次洼沙四段烃源岩特征差异明显，形成机制不尽相同，是区域沉积环境差异和微观无机矿物选择性保存的结果。

3.2 沙三段烃源岩

沙三段沉积时期莱州湾地区逐渐转为温暖潮湿气候类型，伴随着盆地迅速的差异沉降，北洼和东北洼的连通性增强，沉积中心逐渐向东北洼转移，南洼规模逐渐收缩，形成新的古湖盆格局和古水体环境。

研究证实，古湖盆水体盐度对成烃生物的生长和保存具有重要影响，直接影响烃源岩的形成过程；B/Ga值是应用最广泛的一类古盐度元素指标，元素B的溶解度和迁移能力显著大于Ga，并且在较高盐度条件下才能沉淀，在同一地区随着水体盐度增大B/Ga值升高[12-15]，王益友等[16]研究认为B/Ga值为4.5～5对应海相沉积，B/Ga值为3～3.3为陆相沉积环境。钟红利等[17]研究认为塔里木盆地古生代地层中B/Ga<2指示淡水—微咸水，B/Ga值为2～6指示半咸水，B/Ga>6指示咸水—超咸水环境。分别对莱州湾凹陷各次洼沙三段烃源岩开展地球化学元素分析，结果显示北洼B/Ga值为2.08～2.44，平均值为2.19；南洼B/Ga值为4.83～6.63，平均值为5.46；东北洼B/Ga值为1.94～2.64，平均值为2.22，因此推断东北洼和北洼大致为淡水—微咸水沉积环境，南洼为半咸水—咸水沉积环境(表2)。

表2 莱州湾凹陷沙三段部分元素值

分析认为，莱州湾凹陷沙三段沉积时期古湖盆水体盐度的平面变化与湖盆构造演化及区域地质事件具有紧密联系，并且与烃源岩孢粉相特征具有较好响应关系。受郯庐断裂带东支强烈走滑影响，东北洼沉降速度最快，使得极易遭受降解的浮游藻类、水源无定形等迅速埋藏保存下来。北洼紧邻北部陡坡带，岩性特征分析反映强烈的断裂和火山活动使得局部物源十分发育，有机质保存难度加大，导致北洼浮游藻类含量显著降低，而耐降解的角质体等仍维持一定含量。南洼在沙三段沉积时期湖盆规模急剧收缩，逐渐成为封闭古湖盆，水体盐度增大，但是受湖盆浅、沉降速率慢的影响，主要保存了陆源生物降解后形成的无定形。

综上所述，古地貌及区域地质事件是形成莱州湾凹陷沙三段烃源岩平面差异的主要原因。

4 勘探意义

通过对莱州湾凹陷沙三段、沙四段烃源岩的孢粉相、岩石薄片、有机地化特征展开系统的研究，明确了这2套烃源岩均具有较大生烃潜力，并且结合区域地质构造背景及古环境特征分析了2套烃源岩的形成机制及影响因素，阐述了不同层系烃源岩特征及差异，对深入分析莱州湾凹陷原油差异富集具有重要意义。目前探井揭示莱州湾凹陷的原油主要分布在南北斜坡带、中央构造带和东部走滑带，油源对比显示南北斜坡带和中央构造带原油主要来自于南北洼沙三段、沙四段这2套优质生烃层系，东部走滑带原油主要来自东北洼沙三段烃源岩，与烃源岩研究认识保持一致。

传统的烃源岩研究主要是通过地球化学的方法来开展，本次研究是在传统研究方法的基础之上对烃源岩的岩石学以及孢粉相进行对比研究，明确了南洼沙四段沉积时期古湖盆优质的保存条件不仅仅是强还原环境，还有无机矿物选择性保存的贡献,是沉积环境和无机矿物双重作用的结果。此外,通过孢粉相的系统分析，明确了莱州湾凹陷烃源岩中有机质类型、母质来源、丰度、保存机制与湖盆演化具有较好响应关系，有效建立起烃源岩有机与无机、宏观与微观、地质与环境之间的联系，为明确该地区湖盆演化规律和开展烃源岩精细研究及预测提供了新思路。