渤海湾盆地南堡凹陷东营组东三段烃源岩排烃特征

陈 雪， 姜福杰*， 赵忠新， 王建伟

(1.油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；2.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249； 3.中国石油冀东油田分公司，唐山 063000)

南堡凹陷是渤海湾盆地内一个重要的富油气凹陷，凹陷总面积为1 932 km2，其中滩海地区面积为1 100 km2[1-2]，是一个具有“北断南超”结构的典型箕状凹陷。截至目前，南堡凹陷累计探明石油储量达4×108t，天然气储量为1 401×108m3，展现了良好的资源前景。南堡凹陷先后进行过多轮资源评价，各次评价结果不尽相同。其中关键问题是对东营组三段烃源岩是否具有生排烃能力的认识。“十二五”期间，范柏江等[3]对南堡凹陷东三段进行了研究，认为东三段排烃量为22.23×108t，占南堡凹陷烃源岩排烃总量的19.2%，中石油冀东油田4次资评(中石油自己组织的资源评价)结果显示，南堡凹陷东三段烃源岩演化程度低，有效烃源岩厚度不足100 m，烃源岩均未进入排烃门限，不具备排烃能力，对常规油气聚集没有意义(据冀东油田4次资评报告)。因此，探究南堡凹陷东三段烃源岩是否有效、是否能够排出油气，对于客观认识和评价南堡凹陷油气资源潜力，指导未来勘探方向，具有重要的理论和现实意义。

1 区域地质概况

南堡凹陷可以划分为拾场、柳南、林雀、曹妃甸4个生烃洼陷[4]，以及高尚堡、柳赞、老爷庙、北堡、西南庄及柏格庄断裂带及滩海1～5号油气富集构造带等8个主要构造带[5]。目前已发现的油田包括南堡油田、高尚堡油田、柳赞油田、老爷庙油田、北堡油田、唐海油田和柏各庄油田等[6]，其中，陆上以高尚堡油田最大，滩海地区以唐海油田最大。南堡凹陷主要发育古近系沙河街组、东营组和新近系馆陶组、明化镇组地层。主要的烃源岩层为东营组东三段泥岩和沙河街组泥岩、油页岩，储集层为馆陶组、东营组和沙河街组，盖层为明化镇组的泥岩(图1[7])。

2 烃源岩地质特征

根据冀东油田研究院于2017年对南堡凹陷最新的分层数据，系统统计了钻遇南堡凹陷东营组的95口探井资料，对暗色泥岩厚度进行了统计，并对取心样品进行了观察。总体而言，东三段暗色泥岩具有一定厚度，平均为180～360 m，主要分布在高柳断层以南的林雀洼陷洼陷以及曹妃甸洼陷洼陷。

2.1 单井厚度统计

南堡凹陷东三段暗色泥岩厚度为0～600 m，平均值为180～360 m。从各洼陷来看，林雀洼陷单井暗色泥岩厚度明显大于曹妃甸洼陷(表1)，而拾场洼陷的暗色泥岩厚度普遍较小。林雀洼陷中，显示在NP5-98井、NP5-85井、NP5-80井、BS28井暗色泥岩厚度达到500 m以上；在曹妃甸洼陷洼陷中，暗色泥岩厚度在NP4-20井处达到最大值，为410 m。而在南堡凹陷内缺少钻井显示的地方，则单井厚度不足以反应全区各凹陷的暗色泥岩分布特征，需进行暗色泥岩平面分布特征预测，以便于进一步对东三段烃源岩的地质地化特征进行评价。

2.2 平面分布特征

烃源岩厚度平面分布预测的基本方法是依据95口探井暗色泥岩厚度统计资料，对少井和无井区采用暗泥地比与沉积相的关系进行统计，获得不同沉积相类型暗色泥岩占地层厚度比例数据，进而采用相控方法预测少井和无井区的暗色泥岩厚度[8]。预测结果显示(图2)，东三段暗色泥岩的平均厚度为180～360 m。在拾场洼陷、林雀洼陷、曹妃甸洼陷的暗色泥岩最大厚度达到600 m，表明该套烃源岩十分发育。烃源岩在洼陷内分别呈现中心厚、两边薄的特点，主要是由于东营组沉积时期，高柳断层将凹陷分为南、北两个独立的沉积系统，渤海湾盆地的沉积中心位于南堡凹陷，沉积良好的烃源岩层[9]。

图1 南堡凹陷构造格局与地层组合图[7]Fig.1 Structural pattern and stratigraphic association diagram of Nanpu sag[7]

井号洼陷暗泥厚度/m地层厚度/m最大单层厚度/m平均厚度/m暗泥地比/%G27柳南231.5278.558184.783.12NP5-80林雀556.0661.022353.784.87NP4-20曹妃甸410.0487.057282.084.19

3 烃源岩质量评价

3.1 有机质丰度

本次有机质丰度的预测采用了探井地化数据加权平均与沉积相特征相结合的方法[9]，利用95口探井的热解分析数据，共678个数据点。预测结果表明，东三段烃源岩的总有机碳含量(total organic carbon，TOC)为0.5%～3%，平均值为1.19%，各洼陷存在一定差异，其中滩海地区有机碳含量高于高柳断层以北地区，但也大部分在1.0%以上，总体而言，有机质丰度已经达到好的烃源岩标准(图3)。

3.2 有机质类型

依据元素组成，确定了南堡凹陷东三段烃源岩有机质类型多为Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型(图4)。其中，林雀洼陷和曹妃甸洼陷中心分布Ⅱ1型干酪根，盆地周边多分布Ⅱ2型和Ⅲ型干酪根。

图4 南堡凹陷东三段烃源岩干酪根元素平面分布图Fig.4 Planar distribution of kerogen elements in source rocks of the 3rd member of Dongying formation of Nanpu sag

3.3 有机质热演化程度

依据南堡凹陷东三段烃源岩已有的890个镜质体反射率Ro(reflectance of vitrinite)数据，与深度进行了拟合，总体来看，镜质体反射率纵向上随着深度增大而增大，实测数据主要分布在0.25%～1.5%范围内，据Ro变化趋势看，显示约在2 650 m进入成熟阶段，成熟与高成熟阶段的界限大致在3 350 m深度左右，在深度为4 300 m时进烃源岩达到过成熟阶段，当深度达到4 450 m时东三段烃源岩达到高成熟(图5)；从平面分布特征来看，东三段烃源岩成熟度主要分布在0.6%～1.1%，在洼陷中心发育的成熟度高，边缘较低，但总体上大于0.7%，达到成熟阶段(图6)。

图5 南堡凹陷东三段烃源岩镜质体反射率与深度相关Fig.5 Correlation between Ro and depth of Ed3 Nanpu sag

3.4 烃源岩有效性

针对南堡凹陷烃源岩预测存在的问题和油气勘探现状，对有效源岩进行了系统的分析和预测[6]，运用生烃潜力法对源岩是否有效进行了判别，依据生烃潜力指数剖面来判断源岩是否进入排烃门限，凡是进入排烃门限的烃源岩才可能是有效烃源岩，未进入排烃门限的烃源岩都不是有效烃源岩(图7)。其中S1为残留烃,S2为裂解烃。

图7 南堡凹陷东三段烃源岩生烃潜力随Ro变化特征Fig.7 Correlation between hydrocarbon generation potential and vitrinite reflection of source rocks in the 3rd member of Dongying formation of Nanpu sag

如图8所示，南堡凹陷东三段整体上平均厚度约为200～300 m，最大厚度超过500 m。有效烃源岩主要分布在凹陷中心，包括林雀洼陷、曹妃甸洼陷，其中林雀洼陷有效烃源岩厚度最大。越靠近凹陷的周边部位，南堡凹陷东三段有效烃源岩的分布越薄。

4 烃源岩排烃特征

用于研究烃源岩的生排烃特征应用的是生烃潜力法，该方法基本原理前人做了大量阐述[7-11]，这里不再赘述。

4.1 排烃模式及排烃门限

根据生烃潜力法确定排烃门限的方法原理，通过对南堡凹陷95口典型井528组地化数据的分析处理，建立了南堡凹陷东三段有效烃源岩排烃模式图(图9)。

由图9可知，当镜质体反射率Ro达到0.82%时，烃源岩开始向外排烃，根据深度与镜质体反射率的对应关系，对应的埋藏深度为3 585 m，因此，按照镜质体反射率和埋藏深度即可确定排烃门限。

图8 南堡凹陷东三段有效烃源岩厚度等值线图Fig.8 The thickness contour map of the effective source rocks of Ed3 Nanpu sag

另外，根据有效烃源岩的排烃率、排烃速率和排烃效率随热演化程度的变化还可以看出，当Ro达到1.0%时，生烃潜力指数降至大约265 mg/g，排烃率大约增至170 mg/g，烃源岩达到排烃高峰，此时对应的深度为3 897 m，此后，排烃速率迅速递减，至现今其最大排烃效率可达57%。由此可知，烃源岩的大量排烃时期较晚，其排出的油气有利于成藏和保存。

4.2 排烃强度及排烃量

以Ro=0.5%作为南堡凹陷源岩进入生烃门限的标准，结合全区的埋藏条件与生烃潜力变化曲线，获得了累积生烃强度。南堡凹陷东三段源岩的累积生烃强度图如图10所示，源岩层系的生烃中心与其源岩的空间展布相对应。东三段源岩存在3个生烃中心，2个生烃中心位于凹陷中部，其中偏西南部生烃中心的生烃强度最大，生烃强度超过700×104t/km2，老爷庙生烃中心最大生烃强度超过500×104t/km2；另外一个生烃中心位于凹陷的东部，其最大生烃强度超过350×104t/km2。

图9 南堡凹陷东三段排烃模式Fig.9 Hydrocarbon expulsion model of 3rd Dongying source rocks

图10 南堡凹陷东三段现今累积生烃强度图Fig.10 Hydrocarbon generation intensity contour of Ed3 source rocks

东三段有效源岩的累积排烃强度集中在250×104～500×104t/km2(图11)。受有效源岩空间展布的控制，东三段有效源岩的累积排烃强度存在3个排烃中心。2个排烃中心位于凹陷中部，其中最大排烃强度均超过350×104t/km2；另外一个排烃中心位于凹陷的西部，其最大排烃强度超过280×104t/km2。南堡凹陷周边地区由于东三段有效源岩发育条件较差，排烃强度较小。通过对南堡凹陷排烃强度图进行三维网格化处理，结合其分布面积(1 932 km2)，得出其排烃量为5.52×108t，东三段有效源岩的平均排烃强度为115.06×104t/km2。

4.3 排烃演化史

烃源岩层是油气生成、运移、聚集成藏的必要条件，其生成的油气是油气藏形成的物质来源。烃源岩的有机质丰度、有机质类型、有机质成熟度、密度以及规模控制着源岩层的生排烃量，进而控制盆地(或凹陷的)油气资源潜力[11]。结合南堡凹陷的埋藏历史[12-16]，恢复了南堡凹陷东三段烃源岩在不同地质历史时期的排烃量。结果表明：沙河街组和东营组沉积时期东三段没有排烃，到馆陶组沉积时期排烃量为1.09×108t；明化镇组沉积时期排烃量为2.90×108t；第四系时期排烃量为1.53×108t(表2、图12)。

表2 东三段源岩层系不同地质时期排烃量对比Table 2 Comparison of hydrocarbon emission in different geological periods of Ed3 source rocks

图12 东三段有效源岩层系不同地质时期排烃量对比Fig.12 Comparison of hydrocarbon expulsion amount in different geological periods of the effective source rock system in the 3rd member of Dongying formation

5 结论

(1)南堡凹陷东三段存在有效烃源岩，并达到排烃门限，对应的排烃门限为Ro=0.82%，主要分布在南堡凹陷中部地区，厚度约为200～300 m，在林雀洼陷厚度最大。

(2)南堡凹陷东三段烃源岩的累计排烃量为5.52×108t，排烃强度最大值为720×104t/km2，在北堡5号构造东南部。

(3)南堡凹陷东三段烃源岩的主要排烃期为明化镇组沉积时期，排烃期较晚，有利于成藏与保存。