西湖凹陷平北地区煤系烃源岩识别与分布

2021-10-18黄志龙刘春锋李天军蒋一鸣谭思哲郭小波

岩性油气藏 2021年5期

赵静，黄志龙，刘春锋，李天军，蒋一鸣，谭思哲，黄鋆，郭小波

（1.中国石油大学（北京）地球科学学院，北京 102249；2.中国石油大学（北京）油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249；3.中海石油（中国）有限公司上海分公司，上海 200030；4.西安石油大学地球科学与工程学院，西安 710065）

0 引言

煤系烃源岩是指含煤岩系（或煤系）中具有生烃能力的岩层，主要包括煤、暗色泥岩和炭质泥岩，富含有机质［1］。不同环境下不同岩性的煤系烃源岩的生烃能力差别较大，沼泽环境覆水越深，煤中有机质富氢程度越高，生烃潜力越好，湖泊沼泽环境形成的煤系烃源岩明显优于三角洲间湾、河流沼泽环境［2］。由于煤系烃源岩岩性复杂多样，且不同岩性烃源岩的地球化学特征差异明显，所以如何有效区分不同类型烃源岩的分布特征，对于计算生烃潜力及油气藏分布的研究具有重要意义。

东海盆地西湖凹陷是我国近海海域油气资源最为丰富的沉积凹陷之一，其中，西部斜坡带为有利勘探区带［3］，平北地区已发现了宝云亭油气田、武云亭油气田、孔雀亭含油气构造，为油气富集带，油气层主要分布于平湖组［4］。平湖组煤系烃源岩为研究区主要供烃源岩，沉积环境以潮汐海岸和潮控三角洲沉积为主，煤系烃源岩分布广、厚度大、埋藏深［5］，但烃源岩层薄而多样，发育煤、炭质泥岩、泥岩。不同岩性煤系烃源岩的地球化学特征差别较大，与泥岩相比，煤和炭质泥岩具有更高的液态烃生成潜力［6］。油源对比结果发现，大部分油来自平湖组炭质泥岩和煤，具有典型Ⅲ型腐殖油的特征［7］。田杨等［8］认为西湖凹陷平湖组烃源岩的发育主要受沉积-沉降速率、母质来源及有机质保存条件等因素控制。魏恒飞等［9］认为西湖凹陷的凝析油和凝析气具有相同的成因类型和成熟度，均为平湖组煤系烃源岩生成的油气，生烃中心的分布控制着油气藏的分布。刁慧等［10］认为西湖凹陷始新世平湖组烃源岩为断-坳转换期发育的一套海陆过渡相煤系烃源岩，平北地区烃源岩处于早—中期（低熟—成熟）生烃阶段。

平湖组烃源岩的类型明显控制着油藏、气藏、凝析气藏的分布，研究人员［6-8，10］通常是对平湖组不同岩性煤系烃源岩进行评价，而缺少对优质煤系烃源岩的纵向及平面分布进行预测，而优质煤系烃源岩的展布，对西湖凹陷平北地区油气聚集的研究具有重要意义。此外，由于西湖凹陷平北地区煤系烃源岩埋藏较深，分布在3 200～4 500 m，海上钻井成本高、难度大，烃源岩钻井取心较少，煤系烃源岩呈薄互层分布，岩屑资料可信度低，因此如何合理利用有限的岩心资料评价煤、炭质泥岩、泥岩这3 类烃源岩的质量及如何预测烃源岩有利发育区段显得尤为重要。本文从不同岩性烃源岩地球化学特征出发，提出了精准定位煤系烃源岩的测井识别模型，明确了有效烃源岩类型，得出了研究区优质煤系烃源岩的分布特征与发育的关键因素。

1 地质概况

西湖凹陷位于中国东海盆地东北部，是东海规模最大的富油气凹陷，总面积约5.2 万km2，自西向东划分为西部斜坡带、西次凹、中央反转构造带、东次凹、东部断阶带等5 个构造单元（图1）。平北斜坡位于平湖斜坡内，区带面积近2 000 km2，发育了多个规模不等的构造带，自北向南依次为孔雀亭构造带、武云亭构造带、宝云亭—团结亭构造带［图1（a）］。西湖凹陷自下而上发育始新统宝石组与平湖组，渐新统花港组，中新统龙井组、玉泉组、柳浪组，上新统三潭组与更新统东海群等地层［图1（b）］［11-12］，其中，中—上始新统平湖组烃源岩与储集层呈薄互层发育，为主力烃源岩层及含油气层。按照岩性及电性特征将平湖组划分为10 个层段（P1—P10），进一步细分为平湖组上段（P1—P4）、中上亚段（P5—P6）、中下亚段（P7—P8）和下段（P9—P10）。

图1 西湖凹陷构造单元划分（a）与地层综合柱状图（b）（据文献［12］修改）Fig.1 Structural unit division（a）and comprehensive stratigraphic column（b）of Xihu Sag

平湖组沉积期西湖凹陷处于断陷期，平北地区构造活动强烈，NE—NEE 向生长断层持续活动，断层多断穿至平湖组顶界，且呈断阶状组合样式。同生断层的发育对平北地区平湖组古地形面貌、砂体的展布、物源供给、水深均具有明显控制作用［12］。平湖组为一套海陆过渡相沉积地层，发育潮坪、潮汐改造的三角洲或河口湾沉积相［13］，有利的成煤环境与差异性构造背景使得平湖组沉积了一套厚度分布差异较大的煤系烃源岩［14-15］。平湖组煤系烃源岩包括泥岩、炭质泥岩和煤3 类［5，10］，由斜坡带向西次凹方向，覆水深度逐渐增加，水动力逐渐增强，依次发育潮坪—泻湖—半封闭海湾环境，其中潮间带为煤和炭质泥岩优势发育区域。

2 烃源岩地球化学特征与有效性评价

2.1 烃源岩地球化学特征

由于平北地区取心样品中煤与炭质泥岩样品较少，且泥岩岩心样品段较为集中，岩屑质量较差，本文为提高分析结果的有效性，在分析研究区实验样品的基础上，重点根据岩心样品实验结果，并结合前人对煤系烃源岩的评价结果，对煤、炭质泥岩、泥岩3 种烃源岩的质量进行评价。平北地区煤系烃源岩中煤、炭质泥岩、泥岩的总有机碳（TOC）含量与生烃潜力（S1+S2）存在较大差异。陈建平等［16］认为西北盆地中煤系烃源岩的TOC 含量与（S1+S2）呈现良好的正相关关系，并根据TOC 含量将煤系烃源岩划分为：煤［w（TOC）>40.0%）］、炭质泥岩（6.0%

图2 平北地区平湖组煤系烃源岩（S1+S2）与TOC 含量的关系及岩性划分N 为样品个数Fig.2 Relationship between（S1+S2）and TOC content，and lithology division of coal-bearing source rocks of Pinghu Formation in Pingbei area

表1 平北地区平湖组烃源岩地球化学参数统计Table 1 Statistics of geochemical parameters of source rocks of Pinghu Formation in Pingbei area

我国煤成烃盆地绝大多数煤的（S1+S2）介于100～150 mg/g，对应氢指数（HI）为150～250 mg/g［1］。平北地区煤的（S1+S2）介于111.01～360.50 mg/g，对应HI为212.44～401.45 mg/g，高于一般煤成烃盆地，具有中等—好的生烃潜力；炭质泥岩TOC 质量分数介于7.75%～25.01%，（S1+S2）介于18.69～57.70 mg/g，对应HI为148.73～395.04 mg/g，具有中等程度的生烃潜力（表1）。

通过岩石热解烃（S2）总量并结合TOC 含量可获得HI，利用氢指数（HI）-最高热解峰温（Tmax）图版［图3（a）］可判别烃源岩干酪根类型［17-18］。平湖组煤的HI普遍高于炭质泥岩和泥岩，显微组分主要为富氢镜质体［19］，这种潮坪—泻湖环境下沉积的具有富氢镜质组的煤不仅可生成气态烃，还能生成一定数量的液态烃［1］。平北地区的煤多具有较高热解烃（S2）含量，干酪根类型以Ⅱ1—Ⅱ2型为主，少量样品为Ⅰ型。蒋一鸣等［19］认为西湖凹陷平湖组煤和炭质泥岩有机质类型为Ⅱ1—Ⅱ2型，推断是由于煤样品中存在的残余烃使得HI偏高，从而认为煤和炭质泥岩有机质类型较好；约34%的泥岩样品干酪根类型为Ⅱ2型，约7.5%的泥岩样品干酪根类型为Ⅱ1型，其余为Ⅲ型，整体要差于煤和炭质泥岩［图3（a）］。由表2 可看出，煤的干酪根类型为Ⅱ2型，炭质泥岩和泥岩干酪根类型均为Ⅱ2—Ⅲ型，其中炭质泥岩干酪根类型略优于泥岩。综上所述，研究区煤系烃源岩中煤的有机质类型最好，炭质泥岩次之，泥岩最差。

图3 平北地区平湖组烃源岩有机质类型与成熟度N 为样品个数Fig.3 Organic matter types and maturity of source rocks of Pinghu Formation in Pingbei area

表2 平北地区煤系烃源岩干酪根碳同位素Table 2 Kerogen isotope of coal-bearing source rocks in Pingbei area

平北地区平湖组煤系烃源岩为43～32 Ma 沉积的始新统地层，地层年代较新，埋深在3 200～4 500 m，平均地温梯度3.16 ℃/100 m，受时间-温度因素作用，研究区烃源岩普遍进入生烃期。其中，平北地区煤系烃源岩在埋深2 800 m 时，烃源岩成熟度（Ro）达到0.5%［图3（b）］，达到生烃门限，进入成熟演化阶段；埋深达到3 700 m 左右时，Ro达到0.7%，2 800～3 700 m 对应低成熟阶段［图3（b）］；埋深大于3 700 m 后，烃源岩进入成熟演化阶段。平湖组煤系烃源岩埋深均大于3 200 m，Ro在0.55%～1.00%［图3（b）］，为典型低熟—成熟煤系烃源岩，具有大范围生烃的潜力，由于煤、炭质泥岩呈薄夹层分布在泥岩中间，三者的成熟度相差较小。

2.2 烃源岩有效性分析

当烃源岩TOC 含量较低时，生成的烃类和气体多以游离态赋存于源岩内部微小孔隙中，烃源岩排烃量有限，现今残留可溶有机质接近于生烃总量，此时TOC 含量与残留可溶有机质呈正相关关系；对于同一套烃源岩层，当TOC 含量升高至某一阈值时，排烃量随TOC 含量升高会明显增大，烃源岩内部的残留烃量随之下降。因此，残留烃含量曲线的拐点所对应的TOC 含量为有效烃源岩的TOC含量下限值［20-22］。高岗等［23］采用生烃量参数w（S1）/w（TOC）判别排烃源岩的TOC 含量阈值，高于该阈值为有效排烃烃源岩，本文基于w（S1）/w（TOC）-w（TOC）图版判断有效烃源岩的TOC 含量下限［图4（a）］。

由于研究区炭质泥岩和煤的岩心、岩屑样品较少，难以建立w（S1）/w（TOC）-w（TOC）图版，所以本文利用上述方法，仅对泥岩的有效性进行评价，通过总有机碳实验和热解实验结果分析发现，平湖组泥岩有效烃源岩的TOC 质量分数下限为1.0%［图4（b）］。由此认为，研究区煤与炭质泥岩均为有效烃源岩层，而泥岩TOC 质量分数多<1.0%，生烃潜力较差，为较差烃源岩，仅当TOC 质量分数>1.0%时为有效烃源岩。蒋一鸣等［19］根据黄金管热模拟试验发现，西湖凹陷平湖组烃源岩中煤比泥岩液态烃产率高、活化性能低。目前平北地区发现的大部分油气均为平湖组煤和炭质泥岩所贡献［7，24］，这也间接证明了煤和炭质泥岩均为有效烃源岩。

图4 有效烃源岩排烃有机碳含量下限判别模式图版（a）［20，23］和平北地区平湖组泥岩w（S1）/w（TOC）与w（TOC）关系（b）N 为样品个数Fig.4 Lower limit judgment model of hydrocarbon expulsion organic carbon content in effective source rocks（a）and relationship between w（S1）/w（TOC）and w（TOC）in mudstones of source rocks of Pinghu Formation in Pingbei area（b）

3 有效烃源岩识别与分布特征

3.1 测井岩性识别

平北地区煤、炭质泥岩、泥岩、砂岩的测井曲线响应特征具有明显差异，因此本文基于不同岩性的测井曲线特征，精确识别研究区烃源岩岩性，以解决不同岩性煤系烃源岩难以区分、分布深度定位不准确的问题，进而辅助烃源岩研究［25-27］。

依据研究区不同岩性烃源岩测井曲线特征，优选对岩性敏感度较高的声波时差、自然伽马和补偿中子对烃源岩岩性进行识别。由于平北地区不同构造带的构造背景差异导致烃源岩发育特征不同，其电性特征也存在一定差异，因此对不同构造带分别建立岩性识别图版（图5），确定不同岩性的测井识别值域范围（表3）。结果表明，平北地区暗色泥岩具有低声波时差、低补偿中子、高自然伽马特征；炭质泥岩具有高声波时差、高补偿中子、高自然伽马特征；煤具有高声波时差、高补偿中子、低自然伽马特征，可以区分出泥岩、炭质泥岩、煤和砂岩。基于平北地区岩性识别标准，对研究区19 口钻井的煤和炭质泥岩进行识别（图6）。

图5 西湖凹陷武云亭地区平湖组地层测井曲线岩性识别图版Fig.5 Lithologic identification by logging curves of Pinghu Formation in Wuyunting area，Xihu Sag

图6 武云亭地区B1 井烃源岩预测柱状图Fig.6 Source rock prediction of well B1 in Wuyunting area

表3 平北地区平湖组各岩性测井曲线特征Table 3 Lithologic characteristics of logging curves of Pinghu Formation in Pingbei area

3.2 泥岩TOC 含量预测

测井曲线对泥岩中TOC 含量的响应特征明显，而且连续性好、纵向分辨率高，因此可利用测井曲线预测泥岩的TOC 含量［28-29］。煤系地层烃源岩富含有机质，但岩性差异大，测井响应特征变化大，如厚层泥岩中夹有薄层煤，测井曲线会表现出自然伽马、密度等测井响应特征突变，使得计算的TOC 含量发生突变，准确率降低［30］，且由于平北地区炭质泥岩、煤的生烃潜力为中等—好，仅泥岩样品的生烃潜力差异较大。因此本文排除岩性对测井曲线的影响，仅对岩性识别后的泥岩段进行TOC 含量预测。

常用的泥岩TOC 含量测井识别方法为ΔlogR法、多元参数拟合法和神经网络法［31］。ΔlogR法是利用声波时差和电阻率曲线叠合，适用于岩性简单的大套厚层泥岩。研究区平湖组煤系烃源岩岩性复杂，烃源岩呈薄互层分布，平北地区存在的异常地层压力对声波时差测井曲线影响较大，所以ΔlogR法不能达到烃源岩精细评价。而神经网络法需要大量实测TOC 含量数据进行迭代运算，而由于海上钻井取心成本较高，样品分布集中，跨越层位少，使得计算结果效果较差。因此，本文采用多元参数拟合法对泥岩TOC 含量进行预测。

根据各常规测井曲线与泥岩岩心TOC含量的相关关系，优选密度、自然伽马、补偿中子和深侧向电阻率为泥岩有机质丰度的敏感参数，拟合模型如下

式中：a，b，c，d，e为待定系数；DEN为密度，g/cm3；CN为补偿中子，%；Rd为深侧向电阻率；Ω·m；GR为自然伽马，API。

本文对孔雀亭地区和武云亭地区共48 个实测岩心TOC 含量进行多元回归关系拟合，分别建立了泥岩TOC 含量预测模型，拟合相关系数较高（表4）。利用该模型对研究区已有钻井进行TOC 含量预测，预测结果较好，并以此为依据识别出有效泥岩段的TOC 质量分数＞1.0%。预测结果表明，有效泥岩纵向上普遍发育，以平湖组中段和平湖组下段为主，平湖组上段发育较少。

表4 平北地区平湖组多元回归模型Table 4 Multiple regression models of source rocks of Pinghu Formation in Pingbei area

3.3 烃源岩分布特征

根据测井曲线岩性识别及泥岩TOC 含量预测结果，发现平湖组中段和平湖组下段均有相当规模的有效烃源岩分布（参见图6）。不同井位之间，煤系烃源岩分布也存在差别，通过单井对比结果发现，在武云亭至宝云亭地区，自西向东炭质泥岩/泥岩的厚度比率、煤/泥岩的厚度比率均具有先增大后减小的趋势［图7（a）］；在孔雀亭地区，由孔雀亭隆起向北部洼陷方向煤/泥岩的厚度比率先增大后减小，而炭质泥岩/泥岩的厚度比率具有先减小后增大的趋势［图7（b）］。

图7 平北斜坡平湖组烃源岩岩性分布规律Fig.7 Lithology distribution of source rocks of Pinghu Formation in Pingbei slope

煤系烃源岩的发育明显受水深影响，水深太浅的氧化环境与水深过深的高等植物欠发育环境均不利于泥炭沼泽的发育［2］。因此，在靠近物源方向由于水深过浅，煤系烃源岩普遍不发育，TOC 含量较低；随水深增加，利于煤和炭质泥岩的形成，同时煤中有机质富氢程度增高，生油气性能增强，此时煤系烃源岩质量最优，煤与炭质泥岩占比达到峰值；当水体达到一定深度时，不利于高等植物的大规模生长［15］，煤和炭质泥岩占比减少，泥岩占比增大，缺氧环境有利于有机质的保存，泥岩有机质丰度较高［32-33］。

平湖组下段沉积期西湖凹陷处于裂陷期，平北地区发育三角洲沉积体系，近物源的断层下降盘成为煤系烃源岩有利聚集区。但是在平湖组下段沉积初期，由于水深较深，不利于煤、炭质泥岩的发育，因此在平湖组下段沉积晚期，水深变浅，才发育一定规模的煤和炭质泥岩［34］；平湖组中段沉积期，平北斜坡发育海侵—高位沉积体系，潮上—潮间带、泻湖和潮控三角洲平原发育的沼泽环境有利于沉积煤和炭质泥岩，水体处于还原环境，有机质易于保存；平湖组上段沉积期，海水发生水退，发育受潮汐影响的三角洲沉积体系，不利于聚煤作用发生，多发育泥岩［32-33］。因此，受古水深及沉积环境影响，平北地区煤、炭质泥岩主要分布在平湖组中段，部分地区平湖组下段煤较厚，有效泥岩受保存条件影响多发育在平湖组中段；平湖组上段沉积期海水发生水退，不利于海陆过渡相富有机质细粒沉积物沉积、有机质保存条件较差，有效煤系烃源岩分布最少。

由于古地貌可反应同一沉积期古水深的相对深浅，平北斜坡带古地形自西向东由斜坡带向西次凹过渡，水深逐渐加深，局部隆起区水深较浅，局部凹陷区水深较深。本文依据单井烃源岩预测结果，结合平湖组沉积初期平北地区古地形特征，对平湖组中段沉积期平北斜坡煤系烃源岩的平面展布进行预测（图8）。平北地区在平湖组中段发生海侵，水体携带富有机质细粒沉积物沉积，为高等植物的生长提供了养料，但受植物生长环境影响，平湖组中段沉积期在水体适中的古隆起之间的洼陷区，更易沉积煤和炭质泥岩，因此，平湖组中段煤厚度中心位于隆间洼地，最大厚度为15 m［图8（a）］，较平湖组下段和平湖组上段煤更为发育。炭质泥岩厚度分布与煤具有良好的对应关系，平湖组中段为炭质泥岩主要发育层位［图8（b）］，厚度中心为35～45 m。平湖组中段泥岩较发育，最大厚度为80～110 m，自西向东厚度逐渐增大［图8（c）］。

图8 平北斜坡平湖组中段各岩性烃源岩分布等厚图Fig.8 Contour maps of each lithology source rocks distribution in middle section of Pinghu Formation in Pingbei slope

有效烃源岩的富集明显受古水深控制，平北地区由西向东水深逐渐加深，煤多富集于水深较浅的隆间洼地，向斜坡上倾方向及周缘洼陷方向厚度逐渐减薄，炭质泥岩与煤具有继承性发育特征，多发育在潮坪-泻湖沉积体系。随水深加深泥岩厚度增大，有效泥岩厚度与泥岩厚度呈正比，向西次凹及周缘洼陷方向增厚。

4 优质煤系烃源岩发育的关键因素

前文论述表明，不同类型煤系烃源岩的分布特征主要受水深的影响，进而优质煤系烃源岩的分布在不同区域存在差异。但水深除受海平面变化、基底沉降影响外，还受多种地质作用综合影响［35］。平北地区基底形态复杂，具有自北向南由多个隆起、凹陷相间分布的特征［参见图1（a）、图9］［14］。使得同一时期不同地区水体差异明显，平湖组中段沉积期，水深加深，隆起区水深较浅，不利于生物生长，隆间凹陷区（宁波25 洼、宁波27 洼）水深较隆起区偏深［图8（a）—（b）］，地势平坦，有利于高等植物生长，煤系烃源岩层集中发育。向西次凹方向水深逐渐加深，不利于陆生生物生长，且构造活动减弱，陆源有机质供给变少，不利于煤系烃源岩发育。因此，平北地区煤呈条带状分布，展布方向受基底古隆起分布控制。

图9 平北地区基底形态特征示意图［14］Fig.9 Schematic diagram of basement morphology in Pingbei area

平湖组沉积期，西湖凹陷处于断坳转换期，发育断阶组合形态生长断层，断层对地层沉积存在明显控制作用［33，36］。以平北地区A1 井为例（图10），平湖组下段沉积期断层活动强烈，断层上盘迅速下降，形成较大可容空间（A1 井位地区），物源供给增强，平湖组下段底部发育较大规模砂体，此时水深较深，不利于陆生高等植物生长，但近斜坡高带地区，受物源供给影响，带来陆生高等植物，在平湖组下段顶部发育煤系烃源岩，但煤及炭质泥岩分布较少；平湖组中段沉积期断层生长指数近于1，断层上盘不再具有较大的可容空间优势，水深变浅，但此时研究区发生海侵作用，水深加深且富有机质，有利于陆相高等植物生长，且此时断层活动减弱，水体较为平静，处于还原环境，有利于生物的生长和有机质的保存，因此平湖组中段煤系烃源岩质量最好；平湖组上段沉积期，断层活动较弱，物源供给减弱，平北斜坡发生海退，水深较浅，不利于陆生植物生长，且沉积可容空间较小，因此，此段煤系烃源岩最不发育。

图10 平北斜坡A1 井位平湖组煤系烃源岩测井预测结果与周边生长断层活动性统计Fig.10 Log prediction results of coal-bearing source rocks of Pinghu Formation and activity statistics of surrounding growth faults of well A1 in Pingbei slope

因此，平北斜坡煤系烃源岩的发育受水深控制明显，而局部水深变化与古地形及生长断层的活动速率密切相关。适宜的水深，充足的高等植物来源及合适的可容空间有利于煤系烃源岩的发育。平北地区优质煤系烃源岩发育于平湖组中段沉积期构造活动较弱的隆间洼地。