松南长岭断陷沙河子组烃源岩发育特征与成藏启示

2020-04-27王保华陆建林吕剑虹

石油实验地质 2020年2期

李浩，胡烨，王保华，陆建林，王苗，吕剑虹

(中国石化石油勘探开发研究院无锡石油地质研究所，江苏无锡 214126)

优质烃源岩是形成大中型油田的基础[1-2]。早白垩世火石岭期以来，松辽盆地长岭断陷经历了多期构造运动、多期火山碎屑充填作用。受其影响，长岭断陷下白垩统烃源岩形成时的盆地面貌发生了巨大变化，烃源岩分布不落实制约着长岭断陷断陷层(营城组及以下地层)油气勘探进一步突破。基于“原型控源”理论，烃源岩发育受烃源岩形成时期的盆地原型，如盆地类型、古构造特征、古沉积环境控制[3-7]。恢复烃源岩形成时期的古构造和古沉积环境对确定优质烃源岩发育层系及其分布非常关键。利用元素化学恢复研究区主要烃源岩形成时期古环境，结合古构造恢复结果，建立原长岭断陷型下的烃源岩发育模式，进而刻画残留烃源岩的分布特征，探索建立多期改造后盆地的盆缘超剥带(指由于后期构造抬升，遭受严重剥蚀的地区，一般位于斜坡带)近源油气成藏模式，有助于认识长岭断陷深层优质烃源岩分布，扩大长岭断陷深层油气勘探空间。

1 地质背景及烃源岩地球化学特征

长岭断陷位于松辽盆地中央坳陷区南部(图1a)，为北西走向的断—坳叠置的含油气盆地，整体呈“三凸三洼”的构造格局(图1b)。成盆以来，主要经历了火石岭期的初始断陷、沙河子—营城期的强烈断陷、登娄库期的断拗转换、青山口—姚家期的稳定拗陷和嫩江—明水期的隆升剥蚀反转阶段。火石岭期和营城期火山作用频发，沙河子期为火山活动间歇期，表现为快速断陷，湖盆中央以深湖—半深湖为主，周缘以扇三角洲、水下扇及湖沼相沉积体系为主。沙河子组上、下2段均发育暗色泥岩，夹灰色细砂岩、灰色含砾细砂岩。该套地层在各个次洼中均有分布，上部的沙二段暗色泥岩分布范围更广，厚度更大。

长岭断陷下白垩统主力烃源岩发育于沙河子组，该套烃源岩有机质丰度高，有机碳(TOC)含量在0.3%～16.9%，均值1.6%，有机碳含量大于1.0%的样品数占比超过66%(426个样品实测TOC数据)，生烃潜力S1+S2为0.01～97.9 mg/g，均值1.4 mg/g(图2)；以高熟—过熟为主，镜质体反射率(Ro)一般为1.1%～2.9%，均值1.5%，热解最高峰温(Tmax)均值494 ℃；有机质类型以Ⅱ2—Ⅲ型为主，干酪根碳同位素值-26.4‰～-21.4‰，均值-23.4‰。

图1 松辽盆地长岭断陷地理位置及构造区划Fig.1 Location and tectonic units in Changling Fault Depression, Songliao Basin

图2 松辽盆地长岭断陷下白垩统沙河子组烃源岩TOC与S1+S2关系Fig.2 Relationship between TOC content and S1+S2 values of K1sh source rocks in Changling Fault Depression, Songliao Basin

2 烃源岩形成环境及水介质条件

烃源岩发育受古环境控制，恢复烃源岩形成时期的古环境对刻画烃源岩分布非常重要。样品主要采自沙河子组，岩性主要为灰色泥岩、深灰色泥岩和灰黑色泥岩，类型包括钻井岩屑和岩块样品(图1b)。其中，岩屑样品共83个，采样间隔为15～30 m；岩块样品共78个。对上述样品进行金属元素测试分析，测试仪器采用美国VARIAN公司的Vista MPX电感耦合等离子发射光谱仪，分辨率为0.009 nm(一级)，测试均在中国石化无锡石油地质研究所实验室完成。

2.1 古气候

在构造稳定的情况下，气候对富有机质烃源岩分布有很大的影响。古气候指数和Sr/Cu为古气候的敏感指标[8-10]，其中，古气候指数“C值”为喜湿型元素总丰度与喜干型元素总丰度比值，公式如下：

C=Σ(Fe+Mn+Cr+Ni+V+Co)∕Σ(Ca+Mg+Sr+Ba+K+Na)

前人通过对其他地区的研究表明，潮湿—半潮湿气候：1

根据古气候指数与Sr/Cu恢复研究区早白垩世沙河子期古气候特征。如图3所示，研究区早白垩世沙河子期主要为潮湿—半潮湿气候，并有逐渐变干燥的趋势。沙一段多数样品点落在潮湿—半潮湿的区域；沙二段样品点在图版中分布逐渐发散，反映沙河子中晚期气候开始变干燥，但仍以半潮湿气候为主。沙河子期半潮湿的气候条件有利于生物勃发，有助于烃源岩的形成。

2.2 古水深

Fe、Mn、Ca和Mg等元素与湖盆水体的深度和离岸距离有一定的关系[12-13]。一般而言，随水深增加，元素丰度比Fe/Mn与(Al+Fe)/(Ca+Mg)会呈现逐渐减小的趋势。以SL1井为例(表1)，从沙一段到沙二段，暗色泥岩含量逐渐增多， Fe/Mn和(Al+Fe)/(Ca+Mg)值逐渐降低，反映古水深变深。结合研究区沉积层序特征，沙河子中晚期长岭断陷古水深最大，较深的古水深有利于烃源岩形成。

图3 松辽盆地长岭断陷下白垩统沙河子组湖相烃源岩元素含量比Sr/Cu与古气候指数关系[9,11]Fig.3 Relationship between Sr/Cu ratio and paleoclimate index of lacustrine source rocks in K1sh, Changling Fault Depression, Songliao Basin

2.3 氧化还原条件

还原环境是有机质保存的有利条件[14-17]。利用元素丰度比V/Cr和Ni/Co恢复研究区沙河子组沉积期的氧化还原性。从沙一段到沙二段再到营城组，研究区湖泊水体还原性表现出先增强后减弱的特征，而相应的金属元素含量却表现出 V富集、Cr和Ni不断亏损，金属元素含量比V/Cr增大和 Ni/Co降低。显然，不同于海相地层，研究区的湖相泥岩的 V/Cr越大，反映的湖泊水体氧化性越强[11]。根据泥岩颜色和岩性组合特征，结合古水深变化，确定了研究区下白垩统湖相烃源岩氧化还原条件的判识标准为：富氧环境，V/Cr>4.25；贫氧环境，2

2.4 古盐度

水体盐度主要对生物种类与繁殖程度有影响[18-21]。根据Sr 丰度和元素含量比Sr/Ba恢复研究区沙河子期水体古盐度特征(表2)。长岭断陷从沙河子期，经历了从淡水到半咸水逐渐变咸的演化过程(图5)。沙河子期研究区不同构造带湖水古盐度差异较小，反映研究区可能为广湖环境。此外，淡水相环境一般较咸湖环境生物种类多，这也有利于研究区沙河子组富有机质烃源岩的形成。

综上所述，研究区沙河子期古环境总体表现为较大的古水深、潮湿—半潮湿气候、淡水相、厌氧—贫氧环境，这为沙河子组富有机质烃源岩的形成提供了优越的沉积条件。

3 构造演化特征与烃源岩形成

3.1 湖盆演化类型控制烃源岩的宏观分布

湖盆演化类型所对应的潜在可容空间(主要是构造成因)与沉积物供应、沉积速率之间的相对平衡控制了湖泊的发生、沉积物发育和展布。一般而言，均衡补偿盆地最有利于形成优质烃源岩[22-23]。

表1 松辽盆地长岭断陷SL1井下白垩统元素标志、水体相对深度及沉积环境划分

图4 松辽盆地长岭断陷下白垩统湖相烃源岩元素含量比V/Cr与Ni/Co关系[11，15-16]Fig.4 Relationship between V/Cr and Ni/Co ratios of lacustrine source rocks in Lower Cretaceous, Changling Fault Depression, Songliao Basin

图5 松辽盆地长岭断陷下白垩统湖相烃源岩元素含量比Sr/Ba与Sr含量关系Fig.5 Relationship between Sr/Ba ratio and Sr content in lacustrine source rock in Lower Cretaceous, Changling Fault Depression, Songliao Basin

表2 古盐度微量元素判断指标[18-19]

长岭断陷下白垩统烃源岩发育于具有左行走滑性质的断陷盆地中，从火石岭期至营城期，长岭断陷伸展作用强烈，可容空间增长快，而且控凹断裂在断陷期不同演化阶段具有继承性。因此，受控于北北东及北西向控凹断裂，火石岭组、沙河子组和营城组3个时期的烃源岩宏观上均呈近南北向展布特征，各组洼陷带暗色泥岩均较厚，约200～400 m。但受沉积体系演化控制，不同时期烃源岩平面发育规模迥异，从火石岭期至营城期，研究区经历了一次大的水进与水退的过程，同时伴有2次大的火山喷发旋回，对应于火石岭早期(火一段沉积时期)与营城组早期、中晚期(营一段和营三段沉积时期)，该时期烃源岩相对欠发育，平面分布相对局限。沙河子组沉积晚期为最大湖泛期，是优质烃源岩发育的有利时期，而且平面分布广。构造与沉积演化共同控制了研究区下白垩统烃源岩宏观分布格局。探讨可容空间(主要是构造成因)与沉积物供应、沉积速率的相对平衡对客观评价烃源岩尤为重要。

根据长岭断陷构造演化特征，结合元素地球化学特征划分研究区不同断陷时期的湖盆演化类型(图6)。沙河子组沉积早期(沙一段沉积时期)为强烈断陷期，湖盆快速沉降，可容空间增长快。此外，反映构造活动性的K和Na元素相对含量值高，表明此时湖盆活动性较强，可容空间增长快；易被黏土吸附的微量元素Co、Ni和V相对含量较低，胶体或悬浮物的特征元素Fe和Mn含量较低，表明沉积物供给率较低，供给率小于可容空间增长率，湖盆处于欠补偿阶段。沙河子组沉积中晚期(沙二段沉积时期)，构造断陷活动较早期减弱，反映构造活动性的K和Na元素、易被黏土吸附的微量元素Co、Ni和V、胶体或悬浮物的特征元素Fe和Mn的相对含量值均适中，表明此时湖盆的沉积物供给率和可容空间增长速率处于均衡状态，湖盆处于均衡补偿阶段，为优质烃源岩发育的最有利时期，因此，从可容空间与沉积物供应来看，沙河子组二段亦为优质烃源岩发育的最有利层系。

图6 松辽盆地长岭断陷B2井下白垩统泥岩微量元素特征与湖盆演化Fig.6 Trace element characteristics of mudstones in Lower Cretaceous and basin evolution, well B2, Changling Fault Depression, Songliao Basin

3.2 后期构造掀斜运动使得洼陷烃源岩出现在斜坡

沙河子组烃源岩形成以后，长岭断陷至少发生了4期构造反转，分别为沙河子组沉积末期和营城组沉积末期的局部反转以及嫩江组沉积末期和明水组沉积末期的区域反转。多期构造反转作用导致沙河子组在不同地区遭受了不同程度的隆升或剥蚀，长岭断陷现今沙河子组“隆凹”格局发生了改变，原来的沉积中心靠近现今斜坡带，出现了沙河子组残留烃源岩位于现今斜坡带的现象(图7)。

图7 松辽盆地长岭断陷沙河子组抬升剥蚀前后烃源岩分布示意Fig.7 Source rock distribution before and after the uplifting and erosion of Shahezi Formation, Changling Fault Depression, Songliao Basin

3.2.1 斜坡带发育反转背斜

地层受到多期挤压反转会产生褶皱变形，而且强烈反转作用亦产生断裂形成断背斜。例如，南部的龙凤山地区经历了沙河子组沉积末期和营城组沉积末期2次强烈的挤压反转，造成该区原本处于低部位的沙河子组发生挤压抬升，营城期前活动的龙凤山断裂受到挤压形成反转断背斜。

3.2.2 斜坡带沙河子组接触以“削截”为主

从地层接触关系看，沙河子组“超覆”现象在现今斜坡带并不常见，而是多以“削截”为主(图8)，表明沙河子组形成后受多期反转发生掀斜，导致地层遭受剥蚀。

3.2.3 斜坡带暗色泥岩含量高且有机碳丰度高，类型较好

从岩性组合与烃源岩地球化学特征来看，研究区发育于斜坡带的烃源岩具有半深湖—深湖相的特征，具有暗色泥岩发育程度高、富有机质且以偏腐泥型为主要特征。以东岭斜坡S103井为例，该井沙河子组井段累积暗色泥岩厚度420 m，泥地比高达61%，有机碳含量为0.5%～2.0%，均值1.1%，规则甾烷呈“L”型分布，αααC27甾烷含量高于C29甾烷，反映母源有机质低等浮游生物较丰富，有机质类型偏腐泥型。

3.2.4 沙河子期盆地由2个较统一的断陷构成

沙河子组沉积末期和营城组沉积末期，盆地南部的东岭斜坡和东部的伏龙泉地区构造反转强烈，隆升幅度大，沙河子组遭受强烈剥蚀。利用测井声波时差，结合地层趋势法进行地层剥蚀量恢复，龙凤山斜坡的B201井、东岭斜坡的SN109井、查干花南洼西斜坡的SS1井、伏龙泉西斜坡的胜利2井剥蚀量分别为753，307，972，405 m。

应用回剥法，结合剥蚀量恢复结果，恢复沙河子组原始沉积厚度和残留地层厚度来反映沙河子组沉积末期古地貌和现今地貌。恢复结果表明，沙河子组沉积时期东部前神子次洼、查干花次洼及伏龙泉次洼为统一地堑，受乾安断裂、查干花断裂及伏龙泉断裂控制，地层原始沉积厚度约1 000～1 500 m，伏龙泉次洼和查干花次洼之间的大老爷府凸起为后期隆升形成。西部的长岭次洼分为南北2个沉积中心，南部的龙凤山次洼沙河子组沉积厚度较大，最大厚度近1 000 m。沙河子组沉积前长岭次洼中部DB10井—DS1井一线可能为古火山，在沙河子组沉积早期长岭南次洼和北次洼因古火山分隔水体尚未联通，至沙河子组沉积中晚期湖平面上升，才形成统一的洼陷。沙河子组沉积末期和营城组沉积末期，受构造反转作用，沙河子组遭受不同程度剥蚀，现今残留沙河子组分布格局表现为几个独立分割的残留洼陷。

图8 松辽盆地长岭断陷斜坡带沙河子组“削截”特征Fig.8 “Cut-off” features of Shahezi Formation on slope belt, Changling Fault Depression, Songliao Basin

综上所述，长岭断陷沙河子组沉积时期古构造与现今差异大，由东西2个较统一的断陷构成，现今的东岭斜坡、查干花东斜坡以及伏龙泉西斜坡为后期构造反转掀斜形成，该区在沙河子组沉积期古水深较大，烃源岩较发育。从沙河子组烃源岩残留厚度图可知(图9)，研究区主要发育5个烃源岩集中发育区，分别是龙凤山次洼(长岭南次洼)、长岭北次洼、查干花次洼、伏龙泉次洼及前神子次洼等。沙河子组烃源岩分布广，总体呈南厚北薄、西厚东薄分布特征。

3.2.5 最新钻探成果

SL2井位于伏龙泉地区西斜坡，该井在沙河子组(新近完钻的3 080～3 500 m井段)钻遇了大套黑色、深灰色等暗色泥岩，暗色泥岩厚度332 m，泥地比高达79%，有机碳含量为1.5%～3.9%，均值2.4%，具有典型的深湖—半深湖沉积特征，这进一步证实了上述结论的合理性。

4 对油气成藏的启示

由于长岭断陷经历多期构造反转造成沙河子组掀斜，并遭受不同程度的剥蚀。盆地改造后的沙河子组残留烃源岩出现在现今斜坡带。这为研究斜坡带和盆缘超剥带油气成藏提供了新的思路。一方面，研究区现今斜坡带油气成藏 “近水楼台”，具有优越的烃源条件，加之圈闭条件良好，同时为油气运移指向区。由此推测龙凤山—东岭斜坡、查干花东斜坡以及伏龙泉西斜坡为有利油气勘探区。近年来，龙凤山斜坡带B2井与B201井的突破表明了长岭断陷斜坡带具有较大的勘探潜力。另一方面，沙河子组剥蚀线附近的盆缘超剥带也具有一定的勘探潜力。盆缘超剥带是一种以地层多次剥蚀和超覆为特点的区带结构类型[24]。盆缘超剥带一般具有“多源供烃、多期充注、复合输导”的成藏特征。长岭断陷沙河子组超剥带经历了多次剥蚀和超覆，断裂、不整合面或淋滤层较发育，上覆泉头组和青山口组泥岩盖层对超剥带油气富集起到良好的封盖作用，油气成藏条件尚可。