泥页岩有机非均质性评价及其在烃源岩分级评价中的应用——以辽西拗陷中元古界蓟县系为例

石 蕾，宗文明，孙求实，李永飞，陈树旺

中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁 沈阳 110034

0 引言

全球范围内已有十多个国家和地区发现中新元古界原生油气与油气藏，20 世纪70 年代中国学者在燕山地区的石油地质勘查中，在元古宙地层发现了数十处液体油苗与固体沥青［1-4］.近年来，中国地质调查局沈阳地质调查中心在燕辽裂陷带辽西拗陷先后钻遇不同级别的油气显示，表明该地区中—新元古界具有一定的油气资源潜力［5-6］.目前该区的油气勘探程度较低，尚无工业油井，有必要进一步对油气资源潜力进行评价.烃源岩作为油气生成的物质基础，对其精细评价是客观评价油气资源潜力的重要前提［7］.前人针对燕辽裂陷带中元古界蓟县系泥页岩的地球化学特征、沉积环境等做了详细的研究，然而该区烃源岩的有机非均质性强、实测样品数量有限，致使泥页岩有机质丰度（TOC）在平面和纵向上存在差异，而不同有机质含量烃源岩的生、排烃能力存在差别［8-9］，导致预测的资源量存在较大的不确定性，因此对烃源岩开展精细评价显得尤为重要.

在烃源岩评价中，由于资料容易获取，可操作性强，ΔlogR 技术应用得最为广泛［10-16］.以辽凌地2 井（LLD2）中元古界蓟县系铁岭组与洪水庄组泥页岩为研究对象，对其有机质丰度、类型来源、成熟度等地球化学特征进行分析和探讨，以岩心测试地球化学数据和常规测井曲线为基础，针对烃源岩非均质性强的特点，采用变系数ΔlogR 技术分组、分相预测方法，建立泥页岩非均质性刻画评价模型，对蓟县系铁岭组与洪水庄组烃源岩品质进行分级评价，以期为辽西拗陷进一步勘探开发提供依据.

1 地质概况

燕辽裂陷带位于华北克拉通北缘的燕山地区，该地区中—新元古界发育相对连续、保存完好，我国标准地层剖面——“蓟县剖面”建立于此.辽西拗陷构造上位于燕辽裂陷带的东北部，是辽西、冀北、宣龙、冀东、京西5 个拗陷和山海关、密怀2 个隆起组成的“五拗两隆”构造格局中的一个单元（图1）.辽西拗陷基底由太古宇到古元古界的混合花岗岩、片麻岩等古老的深变质岩系组成.中—新元古界岩性主要为石英岩、黑色页岩、泥岩、白云岩、灰岩与陆源碎屑岩等，为碳酸盐岩台地的沉积环境，由下到上依次发育长城系与蓟县系的高于庄组、杨庄组、雾迷山组、洪水庄组、铁岭组，以及待建系与青白口系.该区空间上可形成自生自储、上生下储、下生上储等多种成藏模式.洪水庄组、铁岭组发育大段的泥页岩，为主要的烃源岩层［18-20］.辽凌地2 井位于辽西拗陷老虎洞地区，为全井取心的地质调查井，分别钻遇第四系（Q）、铁岭组（Jxt，7.5～380 m）、洪水庄组（Jxh，380 ～496 m）、雾迷山组（Jxw，496 ～937 m）、杨庄组（Jxy，937～948 m），未见底.

图1 燕山地区构造分区及辽凌地2 井柱状图（据文献［17］）Fig.1 Tectonic division of Yanshan area with lithological column of LLD2 well（From Reference［17］）

2 辽凌地2 井烃源岩特征

铁岭组主要为暗色泥岩、白云岩及粉晶灰岩.暗色泥岩的沉积环境为碳酸盐岩台地潮上带，颜色以黑色和黑灰色为主，厚度为71 m.洪水庄组主要为暗色泥岩、白云岩.暗色泥岩的沉积环境为深水潟湖相，颜色以黑色和灰色为主，厚度为78.6 m.本研究选取不同深度泥页岩样品铁岭组7 件，洪水庄组28 件，分别进行分析探讨.

2.1 有机质丰度

实验分析结果表明，铁岭组暗色泥岩实测TOC 值0.30%～1.57%，平均值为0.97%；可溶烃S1含量在0.02×10-3～0.15×10-3之间，平均值为0.08×10-3；生烃势（S1＋S2）值0.06×10-3～0.47×10-3，平均值为0.31×10-3；氯仿沥青“A”值0.004%～0.08%，平均值为0.02%.由于实测样品成熟度较高，基本都在过成熟阶段，因此对（S1＋S2）值进行了恢复，以便于对烃源岩品质的评价更加客观［16］，恢复后的（S1＋S2）分布在2.41×10-3～6.41×10-3之间，平均值为3.73×10-3.洪水庄组暗色泥岩实测TOC 值0.35%～5.20%，平均值为3.20%；（S1＋S2）值0.03×10-3～1.08×10-3，平均值为0.52×10-3，同理，恢复后的（S1＋S2）值1.63×10-3～30.51×10-3，平均值为16.16×10-3.

本研究按照中国古生界海相烃源岩生烃潜力评价方法［21］，将烃源岩划分为中等、较好及优质（极好）烃源岩3 种级别（表1）.

表1 烃源岩分级标准Table 1 Grading criteria for source rocks

通过热解参数交会图（图2）发现，铁岭组整体处于中等烃源岩范畴，洪水庄组不同级别烃源岩均有分布，但大部分为较好及优质烃源岩，整体生烃潜力好于铁岭组.

图2 铁岭组、洪水庄组烃源岩热解参数交会图Fig.2 Pyrolytic parameter cross plot for source rocks of Tieling and Hongshuizhuang formations

2.2 有机质类型

不同的生物来源指示着不同的有机质类型，也决定着产物的类型是油还是气.从生物标志化合物来看，指示铁岭组有机质来源以腐泥型为主，并含少量腐殖型，即有机质类型为Ⅰ型及Ⅱ1型（图3）；洪水庄组有机质来源为腐泥—腐殖型（Ⅱ1型）.根据ααα（R）构型甾烷的C27-C28-C29相对含量判别有机质来源［22-23］，可以看出铁岭组与洪水庄组烃源岩有机质类型都以Ⅱ型为主，且为开阔海环境的低等生物输入（图4）.整体看来，辽凌地2 井铁岭组与洪水庄组有机质类型以Ⅱ型为主，并含少量Ⅰ型干酪根.

图3 铁岭组、洪水庄组烃源岩Ph/nC18 与Pr/nC17 相关图Fig.3 The Ph/nC18-Pr/nC17 cross plot for source rocks of Tieling and Hongshuizhuang formations

图4 铁岭组、洪水庄组烃源岩C27-C28-C29ααα（R）构型甾烷相对质量分数三角图Fig.4 Relative percentage triangle diagram of C27-C28-C29ααα（R）sterane distribution for source rocks of Tieling and Hongshuizhuang formations

2.3 有机质成熟度

铁岭组暗色泥岩样品镜质组反射率（Ro）值为2.08%～2.18%，洪水庄组暗色泥岩样品Ro值为2.08%～2.26%，铁岭组与洪水庄组烃源岩都处于生气高峰期的过成熟阶段（图5）.

图5 铁岭组、洪水庄组烃源岩成熟度-深度关系图Fig.5 The Ro vs.depth diagram for source rocks of Tieling and Hongshuizhuang formations

3 泥页岩非均质性刻画与分级评价

不同区域和层位泥页岩TOC 差异可以在一定程度上反映油气富集程度的差异，由于有机质的发育特征对众多测井响应都有影响［24］，利用测井资料的纵向连续性和高分辨率来评价这种差异性（非均质性）变得可行.本研究采用变系数ΔlogR 技术［25-26］，利用地球化学参数TOC 对铁岭组与洪水庄组烃源岩进行有机非均质性刻画，建立地球化学数学模型，并用计算结果对源岩进行分级评价.

变系数ΔlogR 模型的计算公式为：

式中，R 为深侧向电阻率曲线（Ωm），K 为电阻率部分在ΔlogR 中所占比例，Δt 为声波时差曲线（μs/m），Baseline 为相对基线值，a 和b 为公式拟合系数.

3.1 TOC 预测模型的建立

为减少误差，对电阻率测井曲线与声波时差测井曲线进行标准化处理，使两者数量级相当.标准化后的曲线结合实测TOC 数据，针对铁岭组、洪水庄组建立有机非均质性测井响应模型.铁岭组曲线拟合效果较好，从所建模型计算值与实测值关系图（图6）中可以看出，趋势线斜率接近于1，表明计算值与实测值较为接近；从幅度差与实测值关系图（图7）中可以看出，实测值与幅度差拟合关系较好，具有明显的线性关系，收敛于一条直线附近，表明模型可信度较高.洪水庄组在标定过程中为避免个别异常数据影响整体标定结果，剔除了极少数明显偏离整体趋势的异常点.从模型效果看，实测值与计算值及幅度差的拟合关系均较好，相关系数R2大于0.85，线性关系较明显，模型可信度较高（图8、9）.

图6 铁岭组计算TOC 与实测TOC 相关关系图Fig.6 Correlation between calculated and measured TOCs of Tieling Formation

图7 铁岭组幅度差与实测TOC 相关关系图Fig.7 Correlation between amplitude difference and measured TOC of Tieling Formation

图8 洪水庄组计算TOC 与实测TOC 相关关系图Fig.8 Correlation between calculated and measured TOCs of Hongshuizhuang Formation

图9 洪水庄组幅度差与实测TOC 相关关系图Fig.9 Correlation between amplitude difference and measured TOC of Hongshuizhuang Formation

3.2 泥页岩非均质性刻画

通过所建立的预测模型，对辽凌地2 井中元古界蓟县系铁岭组、洪水庄组泥页岩TOC 进行了刻画描述.铁岭组泥页岩TOC 值波动幅度较小，计算值大多在0.8%～1.2%之间浮动，最大值为2.91%，计算值与实测值吻合较好，测井计算TOC 曲线较准确地反映了实测TOC 的垂向变化（图10）.洪水庄组泥页岩TOC 值从上到下整体呈现“增大—减小—增大—减小”的波动趋势，计算值一般在2%～6%之间，最大值为10.2%，计算值与实测值整体吻合较好，测井计算TOC 曲线较准确地反映了实测TOC 的垂向变化.

图10 铁岭组、洪水庄组泥页岩测井识别TOC 模型结果Fig.10 TOC results of logging identification of shale from Tieling and Hongshuizhuang formations

3.3 烃源岩分级评价

结合TOC 非均质性刻画结果，对辽凌地2 井中元古界蓟县系铁岭组与洪水庄组泥页岩进行分级评价.

铁岭组泥页岩累计厚度为70.2 m（表2），优质烃源岩累计厚度为0 m；较好烃源岩累计厚度为6.45 m，占总厚度比值为9.19%，最大连续厚度为2.8 m；中等烃源岩累计厚度为63.75 m，占总厚比值为90.81%，最大连续厚度为33 m.洪水庄组泥页岩累计厚度为78.6 m，优质烃源岩累计厚度为32.1 m，占总厚比值为40.84%，最大连续厚度为22 m；较好烃源岩累计厚度为33.7 m，占总厚度比值为42.88%，最大连续厚度为9 m；中等烃源岩累计厚度为12.8 m，占总厚比值为16.28%，最大连续厚度为2.8 m.

表2 辽凌地2 井铁岭组与洪水庄组泥页岩分级评价数据表Table 2 Grading evaluation data for shales of Tieling and Hongshuizhuang formations in LLD2 well

整体看来，辽凌地2 井蓟县系洪水庄组泥页岩烃源岩品质优于铁岭组，应为蓟县系主力烃源岩.其中铁岭组泥页岩整体以中等烃源岩为主，190 m 处发育少量较好烃源岩，未见优质品质烃源岩；洪水庄组以优质烃源岩及较好烃源岩为主，两者数量大致相当，总体占83%以上，优质烃源岩主要分布在洪水庄组中下部，较好烃源岩分布以中上部为主，少量的中等烃源岩分布在大段黑色泥岩建造的中上部（图11）.

图11 辽凌地2 井铁岭组、洪水庄组烃源岩分级评价结果Fig.11 Grading evaluation results for source rocks of Tieling and Hongshuizhuang formations in LLD2 well

4 结论及认识

1）辽凌地2 井蓟县系洪水庄组烃源岩有机质丰度（TOC）大多在2%以上，明显高于铁岭组，铁岭组与洪水庄组有机质类型都以Ⅱ型为主，并含少量Ⅰ型干酪根，烃源岩都处于生气高峰期的过成熟阶段.

2）采用变系数ΔlogR 技术建立了辽凌地2 井铁岭组与洪水庄组泥页岩TOC 预测模型，对泥页岩非均质性进行了刻画描述，实现了烃源岩TOC 准确评价.

3）依据TOC 分级标准，采用测井计算TOC 指导烃源岩分级，得到辽凌地2 井铁岭组烃源岩品质以中等为主，占泥页岩总厚90%以上；洪水庄组烃源岩整体以优质烃源岩和较好烃源岩为主，两者厚度大致相当，厚度占泥页岩总厚83%以上.整体看来，洪水庄组烃源岩品质优于铁岭组，应为蓟县系主力烃源岩层.