琼东南盆地深水区烃源岩地球化学特征和生烃潜力评价

2021-03-22李金帅李贤庆王元王刚徐新德刘海钰

矿业科学学报 2021年2期

李金帅，李贤庆，王元，王刚，徐新德，刘海钰

1.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，北京 100083；2.中国矿业大学(北京)地球科学与测绘工程学院，北京 100083；3.中海石油(中国)有限公司湛江分公司，广东湛江 524057

随着油气勘探技术的进步和能源需求的增长，深水盆地已成为国内外近几十年来勘探的重点区域[1-3]。琼东南盆地深水区的勘探自2010年底在浅层首次钻获陵水22-1天然气藏以来，已陆续在中央峡谷体系发现了陵水17-2、陵水25-1和陵水18-1等多个气田，显示该区域油气勘探的巨大潜力[4-5]。烃源岩评价对深水盆地油气勘探的战略选区与目标决策至关重要。琼东南盆地主力烃源岩为崖城组，是由一套海陆过渡相沉积的煤夹层、炭质泥岩和泥岩组成的烃源岩组合，厚482.6～910.0 m，已揭示的钻井崖城组普遍含煤，但煤层单层厚度较小，累积厚度通常小于6 m，主要发育于盆地边缘缓坡及盆地内部低凸起周缘地区[6-7]。有关琼东南盆地其他层位烃源岩的研究已做过一些。刘传联[8]研究认为琼东南盆地崖城组和陵水组有机质丰度较高，但是受到沉积环境控制，表现出较强的非均质性。王元等[9]分析认为琼东南盆地中新统有机质丰度总体较低，梅山组TOC值在0.36%～2.97%之间，均值为0.76%，三亚组TOC值在0.53%～2.86%之间，均值为0.72%，大部分烃源岩按照有机质丰度评价标准为中等烃源岩。总体上看，对琼东南盆地深水区中新统烃源岩的生烃潜力研究还比较有限。

中新统虽然有机质热演化程度相对较低，但仍能生成生物气和低成熟气或部分成熟气，为中新统构造圈闭和大量低位砂体圈闭提供油气，并具有良好的资源潜力[10-11]。因此，在深入研究渐新统烃源岩的同时，对于中新统烃源岩的研究亦尤为重要。对琼东南盆地深水区不同类型烃源岩对比研究也较少。

本文通过对琼东南盆地深水区烃源岩地球化学特征的分析，对各个层位烃源岩生烃潜力进行了综合评价，为琼东南盆地深水区进一步油气勘探提供了依据。

1 地质概况

琼东南盆地是一个新生代大陆边缘拉张盆地，经历了裂陷和裂后两大构造演化阶段，具有明显的“下断上坳”的双层构造格架[12-16]。盆地位于南海西北大陆边缘上，是一个北东走向的伸展裂陷带，具有“南北分带、东西分块”的构造特点。琼东南盆地主要包括北部坳陷带、中央坳陷带和南部隆起3个一级构造单元[17-18]。深水区主要位于中央坳陷带和南部隆起，水深300～3 000 m，自西向东主要由乐东凹陷、陵水凹陷、北礁凹陷、松南凹陷、宝岛凹陷、长昌凹陷和陵南低凸起、松南低凸起组成(图1)。

盆地的层序序列由古近系到第四系，从下往上依次为始新统、渐新统的崖城组和陵水组、中新统的三亚组、梅山组、黄流组和上新统的莺歌海组以及第四系[19]，主要发育2套烃源岩——渐新统裂陷晚期海陆过渡相烃源岩和中新统坳陷期海相烃源岩[20]。早渐新世时期海平面升高发生海侵作用，沉积充填了海陆过渡相及半封闭浅海相地层崖城组，为盆地的重要烃源岩层；晚渐新世至早中新世时期海侵扩大，高等植物输入减少，沉积填充由崖城组海陆过渡相演化为陵水组海相-半深海相，为较好烃源岩层；中新世海相烃源岩层梅山组和三亚组，以半深海-深海相泥岩及砂岩为主(图2)。

图1 琼东南盆地构造带划分及采样点位置图

2 样品与实验方法

研究样品采自琼东南盆地深水区不同构造单元的9口钻井(图1)，共计87个泥岩样品，采样层位为梅山组、三亚组、陵水组和崖城组。根据实验需求，按照国标对所有样品进行集中处理并进行相关实验[21-23]。其中，总有机碳含量测试依据GB/T 19145—2003标准，检测仪器为美国力克公司CS-230碳硫测定仪，测试条件为常温常压；热解测试依据GB/T 18602—2012标准，检测仪器为OGE-Ⅱ岩石热解仪，测试条件为温度20℃、湿度40%；镜质体反射率的测定依据SY/T 5154—2012标准，使用仪器为DMLP MSP200镜质体反射率测定仪，测试条件为温度23℃、湿度50%；显微组分采用LEICA DMRXP偏光显微镜、MPV-3型显微镜分光光度计，在全岩光片上运用反射光和荧光方式进行鉴定分析和特征观察。

3 实验结果与讨论

3.1 有机质丰度

有机质丰度是指单位质量的烃源岩中有机质的百分含量，它是衡量和评价烃源岩生烃潜力的重要指标。最常用的有机质丰度指标以有机碳含量(TOC)和热解生烃潜量(PG=S1+S2)为主[24-25]。

琼东南盆地深水区中新统烃源岩样品有机质丰度三亚组优于梅山组，渐新统烃源岩样品有机质丰度崖城组优于陵水组(图3)。梅山组烃源岩样品TOC值分布在0.36%～1.94%之间，平均值为0.78%；三亚组烃源岩样品TOC值分布在0.25%～1.84%之间，平均值为0.99%。梅山组和三亚组分别有45%和29%样品TOC值在0.60%以下，有20%和50%样品TOC值在1.0%以上。陵水组烃源岩样品TOC值分布在0.30%～1.84%之间，平均值为0.91%，有41%样品TOC值在0.60%以下，有41%样品TOC值在1.0%以上；崖城组烃源岩样品TOC值分布在0.25%～2.43%之间，平均值为1.37%，有10%样品TOC值在0.60%以下，有71%样品TOC值在1.0%以上。

琼东南盆地烃源岩生烃潜量PG值均较低。其中，梅山组烃源岩样品生烃潜量PG值分布在0.12～3.81 mg/g，平均值1.77 mg/g；三亚组烃源岩样品生烃潜量PG值分布在0.1～5.8 mg/g，平均值2.19 mg/g；梅山组和三亚组分别有21%和31%样品PG值在0.50 mg/g以下。陵水组烃源岩样品PG值分布在0.03～4.05 mg/g，平均值1.33 mg/g，有58%的样品PG值在0.50 mg/g以下；崖城组烃源岩样品分布在2.46～8.76 mg/g，平均值5.24 mg/g。

选取典型井对各层位烃源岩进行有机质丰度研究。如图4所示，梅山组、三亚组和陵水组烃源岩的有机质丰度相差不大，而崖城组明显优于其他各组。单井分析与统计分析结果表明，琼东南盆地深水区烃源岩崖城组有机质丰度最高，三亚组略优于陵水组，梅山组有机质丰度最低。

图3 琼东南盆地深水区烃源岩有机碳含量分布频率图

图4 琼东南盆地深水区L33-1井烃源岩地球化学数据剖面图

3.2 有机质类型

有机质类型是烃源岩质量优劣的直接反映，不同类型的有机质具有不同的生烃潜力，且生成的烃类产物也不同。邬立言等[26]在系统分析了大量烃源岩样品热解资料后，提出了利用降解率(D)、氢指数(IH)与最高热解峰温(Tmax)的关系图来划分烃源岩有机质类型的方法。

根据热解降解率D与最高热解峰温Tmax关系，对琼东南盆地深水区烃源岩有机质类型进行了判别。由图5(a)可以看出，琼东南盆地梅山组和三亚组烃源岩样品Tmax主要集中于430 ℃～450 ℃之间，降解率D大多小于20%，有机质类型以 Ⅱ2型和Ⅲ型为主，个别样品为Ⅱ1型；陵水组烃源岩Tmax主要集中于440 ℃～460 ℃之间，降解率D主要在10%以下，有机质类型以Ⅲ型和 Ⅱ2型有机质为主；崖城组烃源岩Tmax主要集中于440 ℃～470 ℃之间，降解率D处于20%以下，有机质类型以Ⅲ型和Ⅱ2型为主。

氢指数IH与最高热解峰温Tmax的关系如图3(b)所示，琼东南盆地各层位烃源岩的氢指数IH相对较低，大部分集中在300 mg/g以下，有机质类型主要为Ⅲ型和Ⅱ2型。

图5 琼东南盆地深水区烃源岩D、Tmax及IH关系

根据全岩中各种显微组分的相对百分含量，也可判别烃源岩有机质类型[27-28]。当腐泥组中不包含矿物沥青基质时，以腐泥组、镜质组+惰性组和壳质组为三个端元，绘制琼东南盆地深水区烃源岩显微组分组成三角图(图6)。不难看出，各层位烃源岩显微组分组成总体相似，集中偏向分布于“镜质组+惰性组”端元，反映出其有机质类型以腐殖型(Ⅲ型)为主，少量混合型(Ⅱ型)。

图6 琼东南盆地深水区烃源岩显微组分组成三角图

3.3 有机质成熟度

有机质成熟作用是烃源岩生烃演化的前提，烃类生成是有机质成熟作用的产物。镜质组反射率Ro是迄今国际公认的、唯一可对比的有机质热演化指标，也是人们最为关注的有机质成熟度指标。从琼东南盆地深水区烃源岩镜质组反射率Ro分布频率图(图7)来看，梅山组烃源岩样品Ro值分布在0.46%～0.86%之间，均值为0.61%，82%样品Ro值在0.50%以上；三亚组烃源岩样品Ro值分布在0.46%～0.91%之间，均值为0.63%，90%样品Ro值在0.50%以上；陵水组烃源岩样品Ro值分布在0.56%～0.97%之间，均值为0.74%，53%样品Ro值在0.70%以上；崖城组烃源岩样品Ro值分布在0.67%～1.22%之间，均值为0.87%，有87%样品Ro值在0.70%以上。

琼东南盆地深水区凹陷中心钻井很少，应用盆地模拟方法对盆地进行了热演化研究[29-30]，认为凹陷中心主要烃源岩成熟度处于高-过成熟阶段，凹陷中心烃源岩成熟度要高于凹陷边缘。

图7 琼东南盆地深水区烃源岩镜质组反射率Ro分布频率

由琼东南盆地深水区烃源岩镜质组反射率Ro随深度变化图(图8)可以明显看出，琼东南盆地深水区烃源岩有机质成熟度处于未成熟—高成熟阶段(Ro为0.46%～1.22%)；烃源岩成熟度随埋藏深度增大依次增加。除梅山组外，不同层位埋深相同的，成熟度便相同或者相近。

图8 琼东南盆地深水区烃源岩镜质组反射率Ro随深度变化

4 不同层位烃源岩生烃潜力评价及对比

4.1 生烃潜力评价

有机质丰度是评价烃源岩生烃能力的重要参数之一。总有机碳含量(TOC)和热解生烃潜量(PG)是评价烃源岩有机质丰度的主要指标。采用黄保家等[31]提出的烃源岩有机质丰度分级评价标准，对琼东南盆地深水区烃源岩有机质丰度进行评价(图9)。结果表明，各层位烃源岩等级有所差异，其中崖城组最好，陵水组和三亚组次之，梅山组较差，陵水组和三亚组烃源岩等级跨度大，表现较强非均质性。梅山组主要为中等烃源岩，有85%的样品落在中等烃源岩的范围内，其次为非—差烃源岩；三亚组主要为中等—好烃源岩，中等烃源岩占61%，好烃源岩占23%，个别样品落于非—差烃源岩范围内；陵水组主要为中等烃源岩，中等烃源岩占58%，差烃源岩占25%，个别样品落于非烃源岩和好烃源岩范围内；崖城组主要为中等—好烃源岩，中等烃源岩和好烃源岩各占50%。

图9 琼东南盆地深水区烃源岩有机质丰度评价

有机质类型是评价烃源岩质量的主要指标，类型的差异会影响烃源岩有机质的生烃潜力和烃类产物的差别。通过热解降解率D与最高热解峰温Tmax、氢指数IH与最高热解峰温Tmax关系图(图5)以及显微组分组成特征(图6)分析，琼东南盆地深水区烃源岩有机质类型大体一致。总体上，梅山组和三亚组烃源岩均以Ⅱ2型和Ⅲ型为主，陵水组和崖城组烃源岩则以Ⅲ型为主、部分Ⅱ2型，烃源岩以产气为主。

从有机质到油气需要经过一系列的变化，这种变化过程主要受控于有机质的热演化程度。通过对镜质组反射率Ro的测定分析，琼东南盆地深水区烃源岩成熟度以崖城组最高(Ro均值达0.87%)，陵水组烃源岩次之(Ro均值达0.74%)，崖城组、陵水组主要处于成熟阶段，部分低成熟；梅山组(Ro均值达0.61%)和三亚组(Ro均值达0.63%)烃源岩成熟度较低，主要处于低成熟阶段，部分未成熟。

4.2 生烃潜力对比

根据烃源岩有机碳测定、热解参数及有机岩石学特征，从烃源岩有机质丰度、类型、成熟度出发结合烃源岩厚度，分别对琼东南盆地深水区不同层位烃源岩进行生烃潜力综合评价(表1、图10)。

梅山组有机质丰度在各个层系中最低，有机质类型以 Ⅱ2型和Ⅲ型为主，有机质成熟度主要处于低成熟—成熟阶段，生烃潜力一般。烃源岩等级主要为中等—差烃源岩(85%)，少量好烃源岩(15%)。

三亚组有机质丰度相对较高，有机质类型以Ⅱ2型和Ⅲ型为主，有机质成熟度主要处于低成熟-成熟阶段，具较好的生烃潜力。烃源岩等级主要为中等—好烃源岩(82%)，少量差烃源岩(18%)。

表1 琼东南盆地深水区不同层位烃源岩生烃潜力综合评价

陵水组有机质丰度一般，有机质类型Ⅲ型为主，部分Ⅱ2型，有机质成熟度处于低成熟—成熟阶段，具一定的生烃潜力。烃源岩等级主要为中等—差烃源岩(80%)，部分好烃源岩(20%)。

崖城组有机质丰度较高，有机质类型Ⅲ型为主，部分Ⅱ2型，有机质成熟度主要处于成熟—高成熟阶段，生烃潜力最好。烃源岩等级主要为好烃源岩(67%)，部分中等烃源岩(33%)。

深水区生烃潜力最强烃源岩与浅水区相同，依然为崖城组烃源岩。浅水区有机碳TOC含量梅山组与三亚组烃源岩分别为0.52%和0.57%，陵水组和崖城组分别为0.71%和0.94%，各层位烃源岩有机碳TOC含量较深水区小0.2%以上，深水区表现出更强的生烃潜力。另外，成熟度差异明显，浅水区生气阈值(Ro=1.3%)为4 300～4 800 m；深水区生烃阈值浅很多，生气阈值为3 000～3 500 m。总体上，琼东南盆地深水区展现出更大的油气勘探潜力。