彰武斷陷白堊系烴源巖地球化學特征與生烴潛力評價

朱建輝 沈忠民 李 貺 武英利 王樂聞

（1.油氣藏地質及開發工程國家重點實驗室（成都理工大學），成都610059；2.中國石化石油勘探開發研究院 無錫石油地質研究所，江蘇 無錫214151）

彰武斷陷是松遼南部斷陷群中面積較小的斷陷之一，位于遼寧彰武縣；結構特征呈東斷西超的箕狀，往西、北、西南方向超覆，面積僅150km2?？碧奖砻鳎瑪嘞葜袃H發育下白堊統義縣組、九佛堂組、沙海組以及阜新組，第四系直接覆蓋在下白堊統之上，是典型的殘留斷陷盆地。斷陷中多口探井在九佛堂組獲得工業油流，展示了彰武斷陷良好的油氣資源前景，也預示了松南中小型殘留斷陷尋找中小型油氣田的良好前景。本文依據斷陷中僅有的3口鉆井烴源巖測試樣品，詳細分析其烴源巖地球化學特征，評價生烴潛力，為松南斷陷群油氣勘探以及烴源巖評價提供依據。

1 白堊系暗色泥巖發育特征

類似于松遼南部斷陷盆地白堊系沉積相特征［1－4］，彰武斷陷早白堊世九佛堂期－沙海期沉積環境主要是以半深湖－深湖相和扇三角洲相為主。半深湖－深湖相發育了深灰色、灰黑色為主的暗色泥巖；扇三角洲以前緣相為主，發育有細砂巖、中砂巖以及含礫中砂巖、粗砂巖。其中九佛堂組以大套暗色泥巖夾薄層或略等厚層的扇三角洲前緣砂體（圖1）；沙海組以砂巖與泥巖互層為主，物源供應充足，搬運距離近，堆積速度快，粗碎屑較發育，與九佛堂組形成明顯的對比；阜新組的厚層泥巖呈黃色、褐色，且與砂巖、砂礫巖互層，為濱淺湖－河流相沉積，不發育烴源巖。

圖1 彰武斷陷708.7線九佛堂組－沙海組沉積相圖Fig.1 Sedimentary facies of Jiufotang Formation and Shahai Formation in Line 708.7of Zhangwu fault depression

九佛堂組暗色泥巖累計厚度較大，如ZW3井暗色泥巖累計厚度為534.8m，占地層比最大可達到72.41%（表1），主要集中在該組的中下段和上段，連續厚度均超過100m。往構造高部位，暗色泥巖分段性不明顯，巖性不純，多含粉砂質，顏色變淺。依據鉆井巖性組合與地震波阻的相關關系，九佛堂組暗色泥巖在地震波阻特征上表現出連續性好的強振幅特征，往斜坡帶上連續強振幅地震相逐漸過渡到弱－強振幅、連續性較差的地震相特征。地震相的橫向變化反映了九佛堂組巖性組合的橫向變化，據此推測，斷陷層暗色泥巖厚度具有從深洼往斜坡帶橫向減薄、巖性由細變粗過渡為砂泥巖互層的特點；平面厚度分布總體趨勢為斷陷深洼處厚、周緣薄，東南厚、西北薄的變化特征，厚度中心位于東南受邊界斷層所控制。推測沙海組、九佛堂組暗色泥巖最大厚度可以達到500m和700m以上，為本區油氣生成提供了雄厚的物質基礎。

表1 彰武斷陷烴源巖類型及所占地層比例Table 1 Type and ratio of source rocks in Zhangwu fault depression

2 成烴環境分析

影響或控制湖泊沉積的地球化學因素主要有氧化－還原界面、水體鹽度、酸堿度以及生物種群等等，明確烴源巖形成時期的這些地球化學因素，可以較深入地分析烴源巖有機質豐度、母質來源以及烴源巖保存條件的好壞，從而有利于預測盆地中烴源巖分布以及對其評價。本文通過烴源巖飽和烴色譜的正烷烴分布特征、類異戊二烯烷烴特征等參數分析，來說明彰武斷陷源巖母質來源、沉積環境的氧化－還原條件以及水介質鹽度高低。

2.1 正烷烴特征

飽和烴色譜中正烷烴的分布特征表明，ZW2井與ZW3井烴源巖的碳數分布比較接近，主峰碳多以C17為主，少量主峰碳為C25和C27，總體特征為前峰型（圖2），說明了彰武斷陷九佛堂組暗色泥巖中的正烷烴主要來自低等水生生物，母質來源或以浮游生物和藻類為主。ZW1井的樣品表現出較高的主峰碳數C21～C23，一方面因為樣品數量所限，不能代表ZW1井區的九佛堂組有機質正烷烴的總體特征；另一方面，ZW1井處于斷陷斜坡的高部位，以濱淺湖相為主，不僅接收了湖相水生生物的有機物來源，同時還接收了濱湖－湖沼地區的陸生生物，尤其是陸生高等植物的有機物來源，形成了高碳數的正烷烴特征?？傮w說來，在九佛堂期半深湖－深湖沉積環境中，有機質母質來源主要以低等水生生物為主，混合了部分陸生高等植物，從斷陷深洼處到斜坡高部位，越接近湖盆邊緣混合的陸生高等植物越多，這導致了九佛堂組烴源巖的有機質類型具有從斷陷深洼往邊緣斜坡逐漸變差的趨勢。

圖2 彰武斷陷典型飽和烴色譜圖Fig.2 Typical chromatography of the saturated hydrocarbons in Zhangwu fault depression

圖3 彰武斷陷九佛堂組烴源巖飽和烴碳數特征圖Fig.3 Saturated hydrocarbon carbon number features in source rocks of Jiufotang Formation in the Zhangwu fault depression

因而，彰武斷陷九佛堂組烴源巖飽和烴色譜特征為前峰型低碳數與奇偶優勢的正烷烴。

a.前峰型：主要以C17～C19為主峰碳，部分樣品主峰碳為C21～C25的后峰型。

c.奇偶優勢型：CPI值為1.1～1.3，整體略大于1，表現出略具奇偶優勢。

這些特征表明了彰武斷陷九佛堂組烴源巖有機質母質來源在湖泊中心主要以低等水生生物母質來源為主，原始生物組合中可能以藻類等浮游生物占優勢；而湖泊邊緣部位受陸生高等植物輸入的影響，形成了低等水生生物與陸生高等植物混成的特征。

2.2 類異戊二烯烷烴特征

飽和烴中姥鮫烷、植烷及其比值（wPr／wPh）多用來判斷烴源巖和原油形成環境的氧化－還原條件以及水介質條件。主要依據光合植物基側鏈所形成的植醇在弱氧化弱還原介質條件下，容易形成植醇酸，然后進一步脫羧形成姥鮫烷；而還原偏堿性介質條件下，植醇則經過脫水作用而形成植烷。因而，姥鮫烷、植烷含量的高低與氧化－還原的沉積環境密切相關，一般認為，wPr／wPh＜3指示了還原－強還原環境；wPr／wPh＞3表示弱氧化—氧化環境（表2）［5－8］。但還要注意到影響姥鮫烷和植烷含量的因素較多，如沉積物中母質的來源、巖石的成巖作用程度以及沉積物中有機質熱演化程度。隨著有機質成熟度的提高，姥鮫烷的含量也相應增加，使得wPr／wPh值也增大，由此形成的原油的 wPr／wPh值也隨之增高［9］。

5.1 醫用低蛋白主食簡介 蛋白米是近20年的新型醫用膳食，以普通米為生產原料，通過蛋白酶解技術析出蛋白質，留下大米的其他原有成分。日本最早研發并生產低蛋白大米，有5種不同低蛋白比例的產品供CKD患者選擇(低蛋白米分別占1/3、1/6、1/10、1/20以及1/25)，低鉀低磷(分別約為普通米的5%、40%)，提供的能量與普通米大致相同[8]。我國已有多家公司生產低蛋白米，還有方便單人食用的盒飯米(只要微波加熱就可食用)、低蛋白面粉、餃子粉、面條等，以滿足CKD患者的需要。

因而，需要結合有機質其他特征，如與之相鄰的C17正構烷烴、C18正構烷烴含量比值wPr／、wPh／wnC參數的變化，當值較小18說明了有機質來源中藻類貢獻較大，當值越大，則表明還原條件越強；同時，兩者之間的相關特征能夠綜合反映母質來源、水介質鹽度條件以及氧化－還原條件等等。通過對有機質母質來源、水介質鹽度以及氧化－還原條件等綜合判斷分析，可以較為合理地恢復優質烴源巖形成時的古沉積環境［6］，然后進一步結合沉積相、亞相預測分析，達到預測凹陷烴源巖分布特征的目的。

依據彰武斷陷飽和烴色譜特征，九佛堂組樣品中的wPr／wPh普遍較大，38件測試成果中wPr／wPh值在0.49～4.78之間變化，主體分布在1～2之間，平均值為1.47；原油樣品的wPr／wPh值也大多在1左右（圖4），說明了九佛堂組烴源巖有機質主體形成于還原條件。部分樣品的wPr／wPh＜1，如ZW2、ZW3井的部分樣品，CPI趨近于1，表明處于強還原條件。尤其是在半深湖－深湖相湖泊沉積區，由于不受湖水波浪作用影響，沉積物總體在缺氧環境中得到了較好的埋藏與保存，有機質較易富集，形成了現今有機質豐度較高－高的暗色泥巖。

圖4 彰武斷陷九佛堂組烴源巖、原油的wPr／wPh與CPI的關系圖Fig.4 The relationship between source rocks，wPr／wPh，in crude oil，and CPI in Jiufotang Formation of the Zhangwu fault depression

彰武斷陷烴源巖的wPr／wnC17比值變化范圍為0.16～2.95之間，平均值為1.03，僅3個樣品值小于0.4，說明有機質來源有藻類等低等浮游生物的貢獻；wPh／wnC18比值變化范圍為0.22～2.7，平均值為0.89。從圖5中可以看出，烴源巖有機質類型主要為湖相沉積有機質以及部分混合有機質，大多數樣品有機質類型均分布在Ⅰ型區間，ZW2、ZW3井中少量樣品點分布在Ⅰ型區和Ⅲ型區之間，湖相或者半咸水湖相的相對較還原的沉積環境有利于低等浮游生物，尤其是藻類的生存和保存。

wPr／wPh、wPr／wnC17與 wPh／wnC18三 角 關 系 圖表明，斷陷中九佛堂組烴源巖的wPr／wPh相對含量中－高、wPh／wnC18相對含量偏高，表明當時沉積水體環境大體為淡水湖泊和半咸水－咸水湖泊2種環境（圖6）。另外，3口鉆井的原油樣品也表現出半咸水－咸水沉積環境中的成因特點，ZW3井的原油樣品為淡水成因環境。少量烴源巖樣品落在湖沼相成因環境中，分析認為是受到陸源有機質的影響所致。

表2 不同沉積環境下wPr／wPh值與CPI值的變化Table 2 The change of CPI and wPr／wPhin different sedimentary environments

圖5 彰武斷陷九佛堂組類異戊二烯烷烴指示沉積環境與母質來源圖Fig.5 Isoprenoid alkane indicates sedimentary environment and mother material source in Jiufotang Formation of the Zhangwu fault depression

圖6 彰武斷陷九佛堂組wPr／wPh、wPr／wnC17與wPh／wnC18關系圖Fig.6 The relationship between wPr／wPh，wPr／wnC17and wPh／wnC18in Jiufotang Formation of Zhangwu fault depression

總而言之，彰武斷陷九佛堂組烴源巖沉積時期，低等水生生物是其母質的主要來源，具有還原環境、淡水－半咸水的水體環境特征，有利于有機質的保存。受陸源沉積物供給的影響，混入了少量部分陸生高等植物。在斷陷湖盆深洼部位的半深湖－深湖相環境中形成的烴源巖富含有機質，有機質類型較好。

3 白堊系烴源巖基本特征

本文依據彰武斷陷3口探井的132個巖心、巖屑樣品烴源巖測試成果，分析斷陷層九佛堂組、沙海組烴源巖的豐度、類型、成熟度等特征，評價烴源巖的生烴潛力。

3.1 有機質豐度

圖7 彰武斷陷烴源巖有機碳的質量分數分布圖Fig.7 Organic carbon content distribution in source rocks of the Zhangwu fault depression

有機碳含量數據表明，彰武斷陷九佛堂組和沙海組2套暗色泥巖均具有高－較高的有機質豐度。九佛堂組暗色泥巖有機碳含量普遍較高，其質量分數主要在1%～4.5%之間（圖7），該區間內樣品頻數大小差不多；而沙海組暗色泥巖有機碳含量明顯要較九佛堂組差一些，其質量分數主要為0.5%～2%。總體說來，九佛堂組暗色泥巖有機碳的質量分數平均值在3.07%，最大值為8.93%，最小值為0.06%，為高－較高的有機質豐度；沙海組暗色泥巖有機碳的質量分數平均值在2.24%，最大值為9.89%，最小值為0.03%，為較高的有機質豐度。

氯仿瀝青“A”含量和總烴含量高是彰武斷陷九佛堂組暗色泥巖的主要特征之一，占總數55.9%樣品的氯仿瀝青“A”的質量分數＞0.6‰，44.1%樣品的氯仿瀝青“A”的質量分數＞1.2‰；平 均 值 為 1.9556‰，最 大 值 為6.55822‰，最小值為0.0126‰。占總數79.2%樣品的總烴的質量分數＞0.5‰，平均值為1.85059‰，最 大 值 為 4.99832‰，最 小 值 為0.08906‰。熱解生烴潛量S1＋S2也表現出較高的特征，其中，九佛堂組生烴潛量（質量分數）＞5‰的樣品占總樣品數的67.2%，生烴潛量＞10‰的樣品占總樣品數的57.1%；沙海組生烴潛量＞5‰的樣品占總樣品數的32.1%，生烴潛量＞10‰的樣品占總樣品數的26.8%。

縱向對比來看，3口鉆井樣品豐度值均表現出九佛堂組要極大地優于沙海組。根據陸相生油巖評價標準［10］，九佛堂組暗色泥巖各項有機質豐度指標均達到了好生油巖標準，是優質烴源巖。從3口鉆井九佛堂組有機碳質量分數對比來看，ZW3 井 在 0.55% ～8.93% 之 間，平 均 值 為3.65%；ZW2井在0.06%～6.56%之間，平均值為2.92%；ZW1井在0.27%～7.25%之間，平均值為2.69%：充分反映了深洼處暗色泥巖有機質豐度要優于斜坡高部位，斷陷作用形成的構造深洼部位也是半深湖－深湖相發育的有利部位，因而有利于優質烴源巖的發育。

3.2 有機質類型

在陸相湖盆烴源巖的評價中，有機質類型是評價源巖生油能力的關鍵因素之一。直接鑒定暗色泥巖中干酪根顯微組分類型和含量是判定烴源巖有機質類型的主要手段之一。根據ZW1井烴源巖干酪根鏡下鑒定，其中九佛堂組烴源巖干酪根類型以殼質組、腐泥組為主，腐泥組占9%～26%，殼質組占67%～79%，少量鏡質組，有機質類型主要為Ⅱ型；沙海組以殼質組和鏡質組為主，有機質類型主要為Ⅱ2－Ⅲ型。由于干酪根顯微組分的鏡檢是在人為挑選和判斷的條件下完成，部分結果可能帶有經驗誤差。需要將多種測試手段組合分析判斷。

氫指數與熱解tmax值的關系是判斷有機質類型常用的標識之一。從總體變化來看（圖8），九佛堂組暗色泥巖有機質類型變化較大，從Ⅰ型到Ⅲ型均有分布。但從不同鉆井情況來分析，ZW1井的分異較大，一部分樣品表現出Ⅰ型特征，一部分表現出Ⅲ型特征，這與干酪根顯微組分鏡檢有一致性，說明ZW1井的有機質類型相對較差；而ZW2、ZW3井的關系數據主要分布在Ⅰ－Ⅱ1型，部分樣品表現出Ⅱ2、Ⅲ型的特征。總體上與前述的飽和烴色譜表現的特征相似，九佛堂組烴源巖主要來自于低等水生生物母質，有機質類型較好，以Ⅰ－Ⅱ1型為主；部分地區混入了陸源高等植物，尤其是邊緣斜坡高部位的烴源巖，有機質類型要差一些。具體表現在構造位置較高的西部斜坡帶上的ZW1井，九佛堂組沉積時期更多地接受了西部陸相高等植物輸入的影響，有機質類型分異較明顯；而處于深洼或者近深洼的ZW2、ZW3井九佛堂組烴源巖更多地以低等水生生物來源為主，主體為Ⅰ－Ⅱ1型。

圖8 彰武斷陷烴源巖有機質類型分析Fig.8 Organic matter type analysis of source rocks in the Zhangwu fault depression

沙海組暗色泥巖氫指數（IH）與tmax的關系表現特征與九佛堂組有明顯差異，主要表現為Ⅱ2、Ⅲ型的有機質類型特征，且ZW1井的所有樣品均落在了Ⅲ型區間，ZW2、ZW3井僅有部分樣品落在Ⅱ2型區間。與九佛堂組相對比，沙海組的有機質類型較差，說明沙海組沉積時期，陸源物質供給充足，扇三角洲前緣亞相發育，更多的陸生高等植物提供了該組有機質來源。根據ZW1井與ZW2、ZW3井之間的差異，推測認為處于沉積次洼部位的烴源巖有機質類型可能要好一些，沙海組沉積時期深洼處尚存在半深湖－深湖相環境，有利于有機質類型較好的烴源巖發育；但整體上沙海組類型差，制約了彰武斷陷沙海組的生油能力。

熱解氫－氧指數關系也是反映烴源巖有機質類型的指標之一。該指標樣品點的分布情況與IH－tmax的樣品關系圖比較接近，尤其是九佛堂組暗色泥巖，基本反映出九佛堂組暗色泥巖有機質類型變化比較廣，主體為Ⅰ－Ⅱ1型，少量Ⅱ2－Ⅲ型，在ZW1井中表現出分異較大的特征；沙海組的有機質類型特征表現出部分樣品較好，能達到Ⅰ型。

總的來說，彰武斷陷九佛堂組暗色泥巖有機質類型以Ⅰ、Ⅱ1型為主，與湖盆以半深湖－深湖相沉積環境有關，有機質來源于湖相藻類等低等水生生物；分異較大與受陸源高等植物輸入影響有關，推測越靠近深洼處類型越好。

3.3 有機質成熟度

鏡質體反射率（Ro）是評價烴源巖成熟最常用的參數。彰武斷陷烴源巖Ro與深度關系（圖9）表明，沙海組源巖大多為未成熟－低成熟，一般Ro＜0.6%；九佛堂組源巖樣品的Ro為0.55%～1.1%，埋深＜1.5km的樣品Ro值大多分布在0.55%～0.7%之間，ZW1井九佛堂組1.444km深度源巖樣品的Ro值為0.87%左右：總體反映了彰武斷陷沙海組源巖處于未成熟－低成熟熱演化階段，九佛堂組源巖處于低成熟－成熟熱演化階段，隨著往深洼處埋深加大，九佛堂組源巖的熱成熟度可能更高些。

圖9 彰武斷陷鏡質體反射率與深度的關系圖Fig.9 The relationship between Roand depth in the Zhangwu fault depression

烴源巖熱解峰溫（tmax）是判斷烴源巖熱成熟度的主要定量指標之一。tmax值處于435～470℃之間的烴源巖處于成熟階段，且435～445℃為成熟早期階段，445～450℃為成熟高峰階段［11］。彰武斷陷烴源巖樣品熱解tmax統計關系表明（圖10），埋深＜1.2km的樣品tmax變化范圍比較大，約分布在425～450℃，跨越了從未成熟－低成熟－成熟等多個階段；埋深≥1.2km樣品的tmax逐漸收窄，變化范圍在435～450℃，最大的tmax值不超過450℃，對應tmax值指示了超過1.2km深度的烴源巖基本處于成熟階段。分析認為，彰武斷陷烴源巖總體上處于低成熟－成熟階段，門限深度大約在1.2km左右，埋深處于1.6km左右的烴源巖為成熟階段，對應的Ro為0.8%～0.9%。其中，沙海組烴源巖基本上處于未成熟－低成熟階段；九佛堂組烴源巖基本上處于低成熟－成熟階段，斷陷深洼處存在熱成熟較高且達到大量生烴階段的烴源巖分布。

3.4 烴源巖綜合評價

圖10 彰武斷陷tmax與深度的關系圖Fig.10 The relationship between tmaxand depth in the Zhangwu fault depression

彰武斷陷縱向上發育九佛堂組、沙海組2套烴源巖，這2套烴源巖有機質豐度較高－高，富含有機質，但兩者的類型、成熟度形成明顯差異。因沉積環境和母質來源的差異，九佛堂組烴源巖類型好，沙海組烴源巖類型差；受埋深的影響，九佛堂組烴源巖大多處于早成熟－成熟階段，而沙海組烴源巖基本上處于低成熟階段（圖11）。

圖11 彰武斷陷ZW2井沙海組－九佛堂組烴源巖有機地球化學剖面圖Fig.11 The profile of source rock's organic geochemistry in Shahai－Jiufotang Formation of Well ZW2in the Zhangwu fault depression

無論有機質豐度、類型還是成熟度，平面上均圍繞著斷陷深洼變化，受沉積相、物源供給以及埋深等的影響，深洼處烴源巖的豐度要好于邊緣斜坡。受陸源物質供給的影響，包括九佛堂組烴源巖，有機質類型也呈往邊緣斜坡變差的趨勢。深洼處九佛堂組烴源巖整體處于成熟階段，往邊緣斜坡成熟度逐漸降低，處于低成熟－早成熟階段，沙海組整體處于未成熟－低成熟階段。在現今斷陷深洼處，沙海組中下部烴源巖可能進入早成熟階段，邊緣斜坡帶的沙海組烴源巖基本上未成熟。

總體評價，九佛堂組是彰武斷陷主力烴源巖發育層段，以其厚度大、豐度高、類型好而為優質烴源巖；尤其是九佛堂組中下段，由于成熟度已經達到大量生烴階段而為有效優質烴源巖。沙海組由于其成熟度低，僅深洼處存在供烴能力，該組下段烴源巖達到了差－較好烴源巖，而上段烴源巖由于成熟度沒有達到生油門限或接近生油門限而為非－差烴源巖。

4 結論

彰武斷陷白堊系烴源巖主要是指半深湖－深湖相環境中半咸水－淡水沉積水介質條件下發育的暗色泥巖，九佛堂組為主要烴源巖發育層段，具有厚度大、豐度高、類型好以及低成熟－成熟的“三高一低”的特點，主要分布在斷陷的深洼部位。源巖母質來源為湖相低等水生生物與陸生高等植物混成，九佛堂組以低等水生生物為主，沙海組以陸生高等植物為主。九佛堂組暗色泥巖的生烴潛力最好，是斷陷中主力烴源巖。

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