苏北盆地金湖凹陷三河次凹有效烃源岩评价

刘天, 刘小平*, 孙彪, 化祖献, 刘杰, 刘启东, 刘世丽, 毕天卓

(1.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; 2.中国石油大学(北京)地球科学学院， 北京 102249;3.中国石化国际石油勘探开发有限公司， 北京 100029; 4.中国石化江苏油田分公司勘探开发研究院, 扬州 225009)

金湖凹陷是自晚白垩世开始发育的小规模断陷湖盆，具有构造活动复杂、断裂发育及烃源岩分布非均质性强的特点，油气勘探已有了一定突破，具有“小而肥”的特征[1-3]。三河次凹阜二段处于欠补偿沉积时期，受海侵作用影响沉积环境发生变化，海平面上升湖水被咸化[4]；三河次凹临近石港断裂带发育多期断层和天然裂缝，有利于储层改善和断块油气藏形成[5-7]；三河次凹阜二段的主要成藏时间为47～41.5 Ma，烃源岩演化处于低熟或成熟阶段[8]。三河次凹作为金湖凹陷的主要探区，受复杂断裂活动特征和分析测试资料不足的限制，前人在沉积层序、构造演化以及储集条件等方面的早期研究难以满足勘探现状，缺乏烃源岩系统评价及有效烃源岩的分布认识，难以指导下一阶段的油气勘探。

有效烃源岩是指经过热演化生烃、排烃且运聚成藏的烃源岩。Hakimi等[9]、Tu等[10]和Banerjee等[11]根据地球化学参数、生物标志化合物和干酪根组合判断烃源岩有效性；陈雪等[12]根据烃源岩生烃潜力指数确认有效烃源岩排烃门限；Li等[13]、Jiang等[14]和Qi等[15]根据烃源岩沉积环境、生排烃特征及生烃量相对值判断有效烃源岩总有机碳值下限。以上研究依据各地球化学指标对烃源岩进行了充分评价和有效性分析，但忽略了烃源岩生烃转化和残留烃含量的影响，没有准确定量评价；或未考虑烃源岩演化过程中总有机碳(total organic carbon, TOC)损失，对有效烃源岩下限判断存在一定误差。为此，针对金湖凹陷三河次凹有效烃源岩演化程度及分布认识不清等问题，基于有机质丰度、类型和成熟度等地球化学测试资料进行了烃源岩评价。考虑到烃源岩演化过程中生排烃作用和总有机碳损失影响，在TOC及镜质体反射率Ro恢复基础上确定了有效烃源岩下限标准。利用ΔlgR法(R为深侧向电阻率测井曲线值)和盆地模拟法对金湖凹陷三河次凹阜二段有效烃源岩进行预测，进而识别有效烃源岩的分布范围。

1 地质背景

金湖凹陷位于苏北盆地东台坳陷西部，跨越江苏、安徽两省，面积约为5 500 km2，西北与建湖隆起邻近，南至天长凸起，西邻张八岭隆起，东与菱塘桥-柳堡低凸起相接。金湖凹陷自晚白垩世发育，经历了拉张、断陷和坳陷共3个期次构造演化[16]。金湖凹陷共发育8个二级构造带和5个次凹，三河次凹是金湖凹陷的一个次级构造单元[图1(a)]，北西为石港断裂带及西斜坡构造带环绕，南接东阳次凹，斜坡整体呈西抬东降趋势。

阜宁组共分为四段，阜二段初期是最大水进期，此时金湖凹陷处于拉张晚期和断陷早期。阜二段同时也是沉积末期，盆地处于欠补偿状态开始扩张，湖平面上升古盐度半咸，岩性由较粗到细、有机质由贫到富，沉积物急剧减少以淡化泻湖沉积为主。阜二段岩石类型多样，主要为陆源碎屑岩与碳酸盐岩，其中浅湖—半深湖亚相下泥岩、粉砂岩及灰岩等混合沉积发育[图1(b)]。

图1 金湖凹陷构造位置和阜宁组地层发育图

2 烃源岩评价

有机质丰度决定烃源岩生烃能力。常用评价指标包括总有机碳含量、氯仿沥青“A”含量和生烃潜力(S1+S2)等[17]，其中，氯仿沥青“A”为岩样中溶于氯仿的沥青物质含量，单位：%，生烃潜力(S1+S2)为有机质丰度评价指标，用于评价烃源岩好坏，其中，S1为可溶烃含量，单位：mg/g，S2为热解烃含量，单位：mg/g。三河次凹阜二段烃源岩总有机碳含量wTOC为0.05%～5.28%，均值为1.61%；氯仿沥青“A”值为0.001 8%～1.134 2%，均值为0.148 3%；生烃潜力(S1+S2)为0.01～33.29 mg/g，均值为6.12 mg/g(图2)。烃源岩总体以好烃源岩为主。

图2 金湖凹陷烃源岩有机质丰度与生烃潜量特征

有机质类型决定着烃源岩生烃潜力和生烃类型[18-19]。利用热成熟度Tmax和氢指数HI的相对关系确认烃源岩有机质类型。三河次凹阜二段烃源岩主要为Ⅱ1型，其次为I型、III型和II2型。有机质类型较好，以生油为主(图3)。

图3 金湖凹陷烃源岩有机质类型判定

利用烃源岩有机显微组分特征结合镜下观察分析烃源岩母质类型。金湖凹陷烃源岩有机质以腐泥组、镜质组和惰质组为主。腐泥组分以层状藻类体、沥青质体为主，见少量结构藻类体，沥青质体发较黄色荧光[图4(a)]；镜质组以碎屑状镜质体为主，见少量丝质体和固体沥青[图4(c)]，丝质体亮白色，具结构，沥青质体发黄色荧光[图4(b)]，可见藻类体荧光较强呈黄色-橙色荧光，也可见无定形体呈黄色-褐色荧光[图4(d)]。根据类型指数计算结果判断有机质类型主要为Ⅱ1型和I型(图4、表1)。

表1 金湖凹陷烃源岩干酪根显微组分

图4 金湖凹陷烃源岩有机显微组分镜下特征

有机质成熟度反映烃源岩有机质向油气转化的热演化程度[20]。利用岩石热解Tmax和镜质体反射率Ro来评价有机质成熟度。烃源岩在埋深2 150～4 100 m即Ro为0.6%～1.2%，S1/(S1+S2)、S1/wTOC和氯仿沥青“A”/wTOC由稳定转变为异常高值，为烃源岩生油窗。研究区烃源岩总体Ro为0.4%～1.2%,Tmax为430～450 ℃,为低熟-成熟演化阶段(图5)。

图5 金湖凹陷烃源岩有机质热演化阶段划分

3 有效烃源岩评价标准

有效烃源岩指具有高有机质丰度、达到成熟阶段并且油气生成和排出并存的烃源岩[21-22]。以烃源岩成熟度及生烃量评价烃源岩有效性，忽视了烃源岩排烃作用，烃源岩生成的烃类没有排出，很难形成有效油气藏。一般情况下烃源岩生成烃量随着总有机碳的增大而增大，生成烃量要超过足够的饱和吸附量才会排出，此时所对应TOC即为有效烃源岩总有机碳下限值。

3.1 烃源岩TOC恢复

随着热演化进行烃源岩中有机质绝对量随着生排烃进行不断减少，总有机碳值减小。此时利用现今残余总有机碳含量去评价烃源岩有效性，必然会引起一定误差[23-25]。将烃源岩总有机碳含量从现今恢复至生排烃之前，结合烃源岩生排烃模式评价烃源岩有效性，明确该地区的资源潜力，对于下一步油气勘探具有指导意义。

3.1.1 恢复方法的选择

烃源岩演化有机母质一直保存在平衡状态[26]。假设有机母质在生排烃前后碳、氢、氧、氮、硫等元素不会发生散失或者补充作用，只在元素内部以某种形式彼此相互转换；转换中损失量转化为CH4、C2H6、C3H8、C4H10、Oil等共10种产物。庞雄奇等[27]研究表明，有机母质的生烃过程可概略地认为是一个物质平衡过程，通过增加一些地质与地球化学约束条件可以求出任意转化阶段上列10种产物的量。

根据骨架不变原理和物质平衡原理，庞雄奇等[27-28]基于干酪根热降解生烃理论，从烃源岩演化和油气生、留、排的角度出发，推导出了TOC恢复系数计算公式为

(1)

式(1)中：QTOCo为原始TOC，%；QTOC为残余TOC，%；ρo、ρ为两阶段烃源岩密度，g/cm3；φo、φ为两阶段烃源岩孔隙度，%；Rpn为烃源岩油气发生率，kg/t；Kcn为烃源岩的排烃效率；Ken为烃源岩排烃效率，%。

TOC恢复过程考虑到埋深和烃源岩生排烃作用影响，计算过程简便且涉及参数客观性强，可广泛应用于其他凹陷[29-31]。

3.1.2 参数取值

(1)烃源岩孔隙度。受压实作用影响，烃源岩孔隙度一般随埋深增加呈指数关系逐渐减小。烃源岩孔隙度与埋深的关系如图6(a)所示，其关系式为

φ=41.909e-0.000 6h

(2)

式(2)中：h为烃源岩深度，m。

(2)烃源岩密度。烃源岩密度随埋深增加呈线性关系增加[图6(b)]，其关系式为

ρ=0.002h+1.914 7

(3)

(3)烃源岩油气发生率。油气发生率指1 t有机母质在生排烃时总共生成的油气量。研究区烃源岩有机质类型主要为II1型，基于干酪根生烃量物质平衡优化模型计算结果，Rpn与Ro的关系如图6(c)所示，两者的关系式为

Rpn=0.92lnRo+1.052

(4)

(4)排出烃类的含碳系数。排出烃类的含碳系数指单位质量有机碳在有机母质生成烃类中的占比。三河次凹有机质类型主要为Ⅱ1型，Kcn与Ro的关系如图6(d)所示，其关系式为

Kcn=0.021lnRo+0.775 2

(5)

(5)烃源岩排烃效率。烃源岩的排烃效率指排烃量占生烃量的百分数。根据排烃门限理论中生烃潜力法对烃源岩排烃过程进行统计分析，得到Ⅱ1型有机质烃源岩Ken与Ro关系如图6(e)为

Ken=190.94Ro3-729.36Ro2+947.22Ro-379.25

(6)

3.1.3 恢复结果

采用插值法结合上述关系式及恢复公式计算求取恢复系数R[图6(f)、表2]，Ro小于0.7时恢复系数约等于1，Ro到达0.73时恢复系数开始增大，烃源岩TOC含量随着热演化进行而减少，开始大量排烃。

表2 金湖凹陷烃源岩TOC恢复系数

图6 金湖凹陷烃源岩各参数及恢复系数

3.2 有效烃源岩下限判断

高岗等[32]提出了利用烃源岩热解参数和总有机碳含量等参数的相对关系确定有效烃源岩TOC下限的方法，在其他地区已得以良好应用[33-35]。在初始生烃阶段，烃源岩总有机碳含量应与生烃量保持良好正相关关系，当生成烃量超过饱和吸附量而排出时，总有机碳含量应与生烃量之间关系发生改变，此时曲线拐点相对应的值是有效烃源岩总有机碳含量下限。

选用各层位有机质类型相同、成熟度相近的烃源岩样品来判定有效烃源岩下限，当总有机碳含量小于1.6时，S1/wTOC、S1与wTOC表现出良好正相关关系；总有机碳含量大于1.6时，排烃量满足自身吸附量并大量排烃，根据曲线拐点确定有效烃源岩wTOC=1.6%(图7)。

图7 金湖凹陷烃源岩有效烃源岩有机质丰度下限

4 有效烃源岩预测及其分布特征

由于实测TOC在纵向上的分布具有不连续性，应用测井数据在实验数据标定下完成单井纵向TOC的拓展，从而进行有效烃源岩纵向及平面展布的识别。采用ΔlgR法建立研究区阜二段TOC预测模型，该方法于1979年由Exxon公司及Esso公司开发，根据测井声波时差及电阻率对烃源岩有机质与烃类流体的不同响应特征来预测总有机碳含量[29]。利用Petromod软件进行热史模拟，对金湖凹陷三河次凹阜二段烃源岩热演化过程进行恢复(图8)，以此为基础进行TOC恢复(图9)，恢复后的TOC相比现今提高了约1.2倍。

图8 金湖凹陷Ro分布

根据有效烃源岩下限确定其在三河次凹的分布及其厚度，发现有效烃源岩主要分布在深凹带，厚度可达到160 m，向外斜坡呈环带状减薄；中内坡带有效烃源岩厚度为10～78 m；外斜坡烃源岩成熟度较低，有效烃源岩基本不发育(图10)。

图10 金湖凹陷有效烃源岩厚度分布

5 结论

(1)金湖凹陷三河次凹阜二段烃源岩有机质类型多为II1型，wTOC为0.05%～5.28%，S1+S2为0.01～33.29 mg/g；镜质体反射率Ro为0.4%～1.2%，烃源岩主要处于低成熟-成熟阶段。

(2)随着烃源岩生排烃作用的进行总有机碳含量减少，为了更准确的评价烃源岩的有效性，客观地分析烃源岩TOC在地史演化过程中的变化，TOC恢复是有必要的。

(3)根据烃源岩演化过程中有机母质的物质平衡原理，避免了地层压实作用、烃源岩有机质类型以及热演化程度等因素影响，将现今残余TOC恢复到生排烃之前，恢复系数最大可达1.31。

(4)在总有机碳恢复基础上，根据S1/wTOC、S1与wTOC的相对关系，以wTOC=1.6%作为下限确定有效烃源岩的厚度及其平面展布。金湖凹陷三河次凹阜二段有效烃源岩的分布较为局限，深凹带是三河次凹有效烃源岩的主要分布区，其沉积厚度可达160 m以上。