渤海灣盆地滄東凹陷孔二段優質烴源巖成烴環境

徐祖新，姜文亞，張義杰，趙 萌，王居峰

(1.中國石油勘探開發研究院 地質所，北京 100083；2.中國石油大港油田分公司 勘探開發研究院，天津 300280；3.中國石油勘探開發研究院 塔里木分院，北京 100083；4.西南石油大學 地球科學與技術學院，四川 成都 610500 )

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渤海灣盆地滄東凹陷孔二段優質烴源巖成烴環境

徐祖新1，姜文亞2，張義杰3，趙 萌4，王居峰1

(1.中國石油勘探開發研究院 地質所，北京 100083；2.中國石油大港油田分公司 勘探開發研究院，天津 300280；3.中國石油勘探開發研究院 塔里木分院，北京 100083；4.西南石油大學 地球科學與技術學院，四川 成都 610500 )

以滄東凹陷孔二段為例，利用地球化學、微量元素和古生物鑒別等方法，分析烴源巖的分布和地球化學特征，研究烴源巖的成烴環境，建立孔二段湖盆烴源巖發育模式，確定烴源巖與常規油和致密油分布的關系.結果表明，研究區烴源巖厚度為50～450 m，暗色泥巖平均TOC質量分數為3.07%，Ro為0.5%～1.1%，有機質類型以Ⅰ-Ⅱ1型為主，優質烴源巖分布面積大；湖盆性質、古氣候、古生產力和保存條件控制烴源巖的發育，孔二段沉積時期湖盆寬/深大，氣候溫暖濕潤，水體為淡水—半咸水，上、下水體交換相對頻繁，優質烴源巖主要分布于湖盆中心；湖盆中心以致密油勘探為主，湖盆邊緣以常規油勘探為主.成烴環境的研究及烴源巖發育模式的建立對研究區常規油和致密油的勘探具有指導意義.

滄東凹陷； 孔二段； 優質烴源巖； 成烴環境； 發育模式

0 引言

烴源巖是形成大中型油氣田的物質基礎，其非均質性是產生油氣平面分布的富集和貧化現象的核心因素.湖相烴源巖作為中國東部含油氣盆地的主要油氣來源，對其成因機理和空間分布特征的研究有重要意義.近年來，伴隨著國內外現代湖泊研究技術和條件的日趨成熟，湖相烴源巖成烴環境研究逐漸受到重視[1-12].

渤海灣盆地發育多個富油氣凹陷，其中優質烴源巖(平均TOC質量分數>2%)對油氣成藏起重要作用，研究優質烴源巖的成烴環境，有助于認識油氣分布規律，發現新的優質烴源巖發育地區和層系，擴大油氣勘探范圍.人們研究滄東凹陷孔二段烴源巖特征[13]，如劉子藏認為孔二段烴源巖是研究區主力烴源巖層[14]；高錫興認為孔二段烴源巖有機質豐度高，有機質類型好，熱成熟度適中，為一套優質烴源巖[15].人們對該套優質烴源巖的成烴環境缺少研究，制約對烴源巖空間展布特征的精細研究.近年來，隨著對研究區孔二段致密油勘探的逐步深入，優質烴源巖的形成機理及其空間分布特征的研究日益重要.優質烴烴源巖發育環境、烴源巖分布范圍，以及優質烴源巖與常規油和致密油的分布關系，是勘探選區亟需解決的問題.筆者分析研究區孔二段淡水—半咸水湖盆烴源巖的分布和地球化學特征，探討優質烴源巖的成烴環境，建立淡水—半咸水湖盆烴源巖發育模式，歸納優質烴源巖與常規油和致密油分布的關系.

1 地質概況

滄東凹陷位于渤海灣盆地黃驊坳陷南部，孔店凸起以南，滄縣隆起以東，徐黑凸起以西，呈北東—南西向展布，勘探面積為1 500 km2.滄東凹陷構造單元可以劃分為2個構造帶及3個斜坡：孔店構造帶、舍女寺斷鼻帶及孔東斜坡、孔西斜坡、南皮斜坡(見圖1).

滄東凹陷構造演化大致經歷初始斷陷期、擴張深陷期、斷陷活動穩定期、斷陷活動衰減期和坳陷期[15]等階段.自下而上發育的新生代地層為孔店組、沙河街組、東營組、館陶組、明化鎮組和第四系地層.孔店組地層自下而上劃分為孔三段、孔二段及孔一段，總厚度超過2 km，與下伏中生界呈角度不整合.其中孔二段為深灰、黑灰色泥頁巖夾淺灰色粉細砂巖韻律層，局部夾基性侵入巖，厚度約為400 m，是研究區主力烴源巖.

圖1 滄東凹陷構造位置Fig.1 Structural position of Cangdong sag

2 烴源巖特征

2.1 分布特征

孔二段地層主要發育一套黑色、深灰色富含有機質的泥巖、灰褐色油頁巖和泥灰巖.烴源巖巖性主要為暗色泥巖和鹽巖2種類型，總厚度為50～450 m，平面上由中心向四周呈環帶狀逐漸變薄(見圖2).

暗色泥巖厚度一般為50～250 m，面積約為740 km2；最大沉積厚度分布于南皮凹陷的王官屯北部及小集斷裂構造帶，滄東凹陷厚度相對較小，頁巖厚度一般為50～200 m，面積約為375 km2；最大沉積厚度分布于風化店地區，南部厚度相對稍小，最大厚度分布于小集—葉三撥地區.

2.2 地球化學特征

有機質豐度是油氣生成的物質基礎.孔二段烴源巖有機質豐度高，最高質量分數等值線值為5.0%，分布于風化店—王官屯—段六撥地區，并以此為中心呈條環帶狀向四周逐漸變小(見圖3).根據烴源巖評價標準，暗色泥巖和頁巖屬于好—很好烴源巖，有利于生成大量油氣(見表1).

圖2 滄東凹陷孔二段烴源巖厚度Fig.2 Thickness of Ek2 source rocks in Cangdong sag

圖3 滄東凹陷孔二段烴源巖w(TOC)和Ro疊合Fig.3 w(TOC) and Ro of Ek2 source rocks in Cangdong sag

表1 滄東凹陷有機質豐度Table 1 Organic matter abundance of Cangdong sag

圖4 滄東凹陷孔二段烴源巖有機質類型Fig.4 Organic matter type of Ek2 source rocks in Cangdong sag

孔二段烴源巖的生烴門限深度在2 600 m左右，Ro為0.5%～1.1%(見圖3).在滄東凹陷沉積中心和南皮小集—烏馬營地區，地層埋深較大，已經進入生油高峰期；在沉積邊緣地帶及舍女寺—孔店低凸起區，地層埋深相對較小，主要處于低成熟階段.由孔二段烴源巖氫指數(HI)和熱解峰溫(Tmax)關系圖(見圖4)可以看出，數據點大部分集中于Ⅰ和Ⅱ1型區域，部分數據點處于Ⅱ2型區域，判定孔二段有機質類型主要為Ⅰ—Ⅱ1型.

孔二段烴源巖主要分布于孔店以南至烏馬營地區，厚度大于50 m的區域達到740 km2.暗色泥巖和頁巖有機質豐度高(好—很好烴源巖)，類型好(Ⅰ—Ⅱ1型)，門限深度為2 600 m[13]，總體處于低成熟—成熟階段，為一套優質烴源巖.

3 成烴環境影響因素

構造運動控制盆地的古地貌特征，決定湖盆的形成和演化，不同湖盆演化階段烴源巖發育特征不同.研究區孔二段烴源巖成烴環境與湖盆性質、古氣候條件、古生產力和保存條件有關[16-20].

3.1 湖盆性質

滄東凹陷在孔二段時期為坳陷型湖盆沉積，滄東斷層和徐西斷層兩條邊界斷裂對盆地沉積不起控制作用[14-15].孔二段時期物源區主要為東部的徐黑凸起和西部的滄縣隆起[21]，在湖盆邊緣為砂巖等粗粒沉積，在湖盆中心主要為泥巖和頁巖等細粒沉積.此外，由于該時期沉積速率較高，在湖盆中心沉積厚度較大的暗色泥巖和頁巖.

微量元素分析結果表明，w(Sr)/w(Ba)小于1，判斷孔二段時期湖盆水體性質為淡水—半咸水環境(見圖5(a))，表明湖盆大氣降水(包括河流注入)作用大于水體蒸發作用，有利于有機質的形成.在沉積水體中w(B)隨鹽度的增加而增加，在淡水環境水體中w(Ga)比咸水環境水體的高，w(B)/w(Ga)也可以作為鹽度指標的基礎，進一步區分海相和陸相沉積[16]；孔二段w(B)/w(Ga)小于6，表明該層為陸相沉積(見圖5(b)).

滄東凹陷在孔二段沉積時期為淡水—半咸水坳陷型湖盆，徐黑凸起和滄縣隆起向湖盆輸入大量有機質，且沉降速率相對較高，有利于優質烴源巖的發育，在湖盆中心沉積泥巖和頁巖等細粒沉積物，為致密油勘探有利區.

3.2 古氣候條件

古生物資料分析表明，孔三段、孔二段和孔一段沉積時期發現植物化石，但是只有孔二段時期發育生物化石(見圖6).孔二段孢粉組合為刺鷹粉屬—杉粉屬—三角孢粉屬亞組合，古氣候為溫暖濕潤的亞熱帶氣候，孔三段和孔一段為半干旱—干旱氣候.

圖5 滄東凹陷孔二段微量元素關系Fig.5 Trace element of Ek2 source rocks in Cangdong sag

圖6 滄東凹陷孔店組古生物發育特征Fig.6 Paleontological development of Kongdian formation in Cangdong sag

孔二段介形類主要為五圖真星介、濰縣湖花介、沼澤擬星介和真星介等屬種.真星介動物群是世界上廣泛分布的屬，廣泛分布在淡水—半咸水湖泊中，多見于濱淺湖沉積.湖花介主要生活于淡水環境，多見于淺湖相沉積.擬星介主要生活于沼澤化的淡水湖泊.此外，在孔二段發現不少魚類化石，表明湖泊水體較深，是深湖相的代表生物.

孔二段時期湖泊水體較深，主要為濱淺湖—半深湖—深湖相，古氣候類型是潮濕氣候，雨量充沛，易于形成較高的初始成產力，同時有利于有機質的聚集和保存.

3.3 古生產力

在海相和陸相地層中發現優質烴源巖的形成與浮游藻類具有密切關系.沉積地層中的藻類化石往往被作為高生產力和湖盆水體發育的標志.根據薄片鑒定結果，在孔二段地層中發現大量藻類(見圖7)，表明孔二段烴源巖沉積時期具有較高的古生產力.

微量元素如C、N、O、Si、P、Ba等也常用來反映古生產力.w(Ba)與w(TOC)具有明顯的相關關系，并且Ba聚集后可以長期穩定保存，因此Ba元素也能夠反映湖泊古生產力的高低.由圖5(a)可以看出，孔二段烴源巖w(Ba)相對較高，為0.04%～0.10%，具有較高的古生產力.

3.4 保存條件

有機質的聚集和保存條件是形成優質烴源巖的重要因素.只有在相對還原環境中,沉積有機質才能被保存下來.w(Pr)/w(Ph)(老鮫烷/植烷質量分數比)常用于指示氧化還原環境，低w(Pr)/w(Ph)反映還原環境.孔二段烴源巖w(Pr)/w(Ph)主要為0.3～1.0，對比判別標準，反映該套烴源巖沉積時期為還原環境，對有機質的保存極為有利(見圖8).

圖7 滄東凹陷孔二段藻類發育特征Fig.7 Algae growth of Ek2 source rocks in Cangdong sag

圖8 滄東凹陷孔二段w(Pr)/w(Ph)關系Fig.8 w(Pr)/w(Ph) of Ek2 source rocks in Cangdong sag

孔二段沉積時期為坳陷型湖盆，沉積速率較大，水體性質為淡水—半咸水，有利于有機質的保存；對于孔二段烴源巖，古生產力和保存條件為最重要因素，對優質烴源巖的分布起到決定性作用.因此，根據孔二段烴源巖的藻類質量分數和w(Pr)/w(Ph)，并結合烴源巖厚度(見圖2)和有機質豐度及有機質成熟度(見圖3)，預測孔二段烴源巖的有利區.當孔二段烴源巖w(藻類)>5%，w(Pr)/w(Ph)>0.8時，兩者的疊合區域與烴源巖厚度及w(TOC)大值區域吻合較好.滄東凹陷孔二段優質烴源巖分布見圖9.由圖9可以看出，滄東凹陷孔二段優質烴源巖發育主要位于湖盆中心西緣，為致密油氣勘探的有利區帶.

圖9 滄東凹陷孔二段優質烴源巖分布Fig.9 High quality source rocks of Ek2 in Cangdong sag

4 烴源巖發育模式

湖相烴源巖主要受控于有機質產率和保存的外部條件(氣候、構造演化等)和內部環境(湖泊水體介質變化、生產力、保存條件)的平衡.

孔二段沉積時期湖泊寬/深大，湖水的交換能力和交換頻率較強，隨著氣候轉為暖濕，水和沉積物的供給增多，隨著大量淡水注入，水體鹽度降低，出現溫度分層，湖盆表現出缺氧的還原環境，有利于有機質保存.同時，大量湖水的注入帶來豐富的營養鹽類和大量高等植物碎屑，湖泊的生產力水平相對較高，發育大量的藻類，使孔二段w(Ba)相對較高，相對較高生產力在孔二段優質烴源巖的形成中起到關鍵作用(見圖10).在該模式中，由于湖平面不斷升高，湖泊以退積式充填為主，湖泊水域面積擴大，橫向上沉積相帶分布相對穩定，在湖盆邊緣發育辨狀河三角洲相，沉積物粒度較粗；在湖盆中心為半深湖—深湖相沉積，細粒沉積物發育.因此，湖盆中心以致密油勘探為主，在湖盆邊緣以常規油勘探為主，整個滄東凹陷具有“滿凹含油”的特征.

圖10 滄東凹陷孔二段烴源巖發育模式Fig.10 Sedimentary models of Ek2 source rocks in Cangdong sag

5 結論

(1)渤海灣盆地滄東凹陷孔二段烴源巖屬于好—很好烴源巖，烴源巖厚度為50～450 m，平均TOC質量分數為3.07%，Ro為0.5%～1.1%，有機質類型以Ⅰ—Ⅱ1型為主，優質烴源巖分布面積大.

(2)孔二段優質烴源巖的形成主要受湖盆性質、古氣候、古生產力和保存條件因素控制，滄東凹陷優質烴源巖主要分布于湖盆中心西緣.孔二段沉積時期湖盆寬/深大，水體性質為淡水—半咸水，氣候溫暖濕潤，上、下水體交換相對頻繁，有利于優質烴源巖發育.

(3)滄東凹陷湖盆中心以致密油勘探為主，在湖盆邊緣以常規油勘探為主，具有“滿凹含油”的特征.

[1] Carroll A R, Bohacs K M.Lake-type controls on petroleum source rock potential in nonmarine basins [J].AAPG Bulletin, 2001,85(6):1033-1053.

[2] Goncalves F T T.Organic and isotope geochemistry of the early Cretaceous rift sequence in the Camamu basin, Brazil: Paleolimnological inferences and source rock models [J].Organic Geochemistry, 2002,33(1):67-80.

[3] Harris N B, Freeman K H, Pancost R D, et al.The character and origin of lacustrine source rocks in the lower Cretaceous synrift section, Congo basin, west Africa [J].AAPG Bulletin, 2004,88(8):1163-1184.

[4] 高寧,張立含,劉桂蓮.綏濱拗陷源巖生排烴特征及油氣遠景區預測[J].大慶石油學院學報,2007,31(5):4-6.Gao Ning, Zhang Lihan, Liu Guilian.Characteristics of generation and expulsion hydrocarbon of source rocks and forecast of favorable area of oil-gas in Suibin depression [J].Journal of Daqing Petroleum Institute, 2007,31(5):4-6.

[5] Meyers P A, Lallier-Vergès E.Lacustrine sedimentary organic matter records of late quaternary paleoclimates [J].Journal of Paleolimnology, 1999,21(3):345-372.

[6] Talbot M R, Kelts K.Paleolimnological signatures from carbon and oxygen isotopic ratios in carbonates from organic carbon-rich lacustrine sediments [J].AAPG Memoir, 1990,50:99-112.

[7] Tnavsuu Milkeviciene K, Frederick Sarg J.Evolution of an organic-rich lake basin-stratigraphy,climate and tectonics: Piceance Creek basin, Eocene Green River formation [J].Sedimentology, 2012,59(6):1735-1768.

[8] 劉傳聯.東營凹陷沙河街組湖相碳酸鹽巖碳氧同位素組分及其古湖泊學意義[J].沉積學報,1998,16(3):109-114.Liu Chuanlian.Carbon and oxygen isotopic compositions of lacustrine carbonates of the Shahejie formation in the Dongying depression and their Paleolimnological significance [J].Acta Sedimentologica Sinica, 1998,16(3):109-114.

[9] 張善文.準噶爾盆地哈拉阿拉特山地區風城組烴源巖的發現及石油地質意義[J].石油與天然氣地質,2013,34(2):145-152.Zhang Shanwen.Identification and its petroleum geologic significance of the Fengcheng formation source rocks in Hala'alt area, the northern margin of Junggar basin [J].Oil & Gas Geology, 2013,34(2):145-152.

[10] 白玉彬,趙靖舟,趙子龍,等.鄂爾多斯盆地志丹地區延長組長7致密油成藏條件與成藏特征[J].石油與天然氣地質,2013,34(5):631-639.Bai Yubin, Zhao Jingzhou, Zhao Zilong, et al.Accumulation conditions and characteristics of the Chang7 tight oil reservoir of the Yanchang formation in Zhidan area, Ordos basin [J].Oil & Gas Geology, 2013,34(5):631-639.

[11] 蔡希源.湖相烴源巖生排烴機制及生排烴效率差異性——以渤海灣盆地東營凹陷為例[J].石油與天然氣地質,2012,33(3):329-334.Cai Xiyuan.Hydrocarbon generation-expulsion mechanisms and efficiencies of lacustrine source rocks: A case study from the Dongying sag, Bohai bay basin [J].Oil & Gas Geology,2012,33(3):329-334.

[12] 朱曉軍,蔡進功.泥質烴源巖的比表面與有機質關系研究進展及意義[J].石油與天然氣地質,2012,33(3):375-384.Zhu Xiaojun, Cai Jingong.Progress and significance of research on relation between specific surface area and organic matter in argillaceous source rocks [J].Oil & Gas Geology, 2012,33(3):375-384.

[13] 大港油田石油地質志編輯委員會.中國石油地質志(卷四):大港油田[M].北京:石油工業出版社,1991:32-113.Dagang Oilfield Petroleum Geology of the Editorial Board.China petroleum geology (Vol.IV): Dagang oilfield [M].Beijing: Petroleum Industry Press, 1991:32-113.

[14] 劉子藏.滄東—南皮凹陷基本石油地質特征與勘探方向[R].大港油田研究院,2008:89-97.Liu Zicang.Petroleum geological characteristics and exploration direction of Cangdong-Nanpi depression [R].Research Institute of Dagang Oilfield, 2008:89-97.

[15] 高錫興.黃弊坳陷石油天然氣地質[M].北京:石油工業出版社,2004:155-170.Gao Xixing.The oil and gas geology of Huanghua depression [M].Beijing: Petroleum Industry Press, 2004:155-170.

[16] Bishop J K B.The barite-opal-organic carbon association in oceanic particulate matter [J].Nature, 1988,332:341-343.

[17] 馬寧,侯讀杰,施和生,等.珠江口盆地惠州凹陷烴源巖發育的主控因素分析[J].大慶石油學院學報,2012,36(3):19-24.Ma Ning, Hou Dujie, Shi Hesheng, et al.Analysia of the main controlling fasctors of source rocks of Huizhou sag in the Pearl River Mouth basin [J].Journal of Daqing Petroleum Institute, 2012,36(3):19-24.

[18] 宋濤,李建忠,姜曉宇,等.渤海灣盆地冀中拗陷束鹿凹陷泥灰巖源儲一體式致密油成藏特征[J].東北石油大學學報,2013,37(6):47-53.Song Tao, Li Jianzhong, Jiang Xiaoyu, et al.Tight oil reservoir forming characteristics with the source reservoir one-piece in Shulu sag, Jizhong depression, Bohai bay basin [J].Journal of Northeast Petroleum University, 2013,37(6):47-53.

[19] 張林曄,孔祥星,張春榮,等.濟陽坳陷第三系優質烴源巖的發育及其意義[J].地球化學,2003,3(1):35-42.Zhang Linhua, Kong Xiangxing, Zhang Chunrong, et al.The development and its significance of Jiyang depression Tertiary source rocks [J].Geochemistry, 2003,3(1):35-42.

[20] 朱光有,金強.東營凹陷兩套優質烴源巖層地質地球化學特征研究[J].沉積學報,2003,21(3):506-512.Zhu Guangyou, Jin Qiang.High-quality source rocks geological and geochemical characteristics of Dongying depression [J] .Acta Sedimentologica Sinica, 2003,21(3):506-512.

[21] 顏照坤,段潤梅,李勇,等.黃驊坳陷孔南地區孔店期徐西斷層構造活動規律研究——來自沉積響應的證據[J].地質學刊,2011,35(1):1-10.Yen Zhaokun, Duan Runmei, Li Yong, et al.Xu west fault structure activity hole Huanghua depression study southern Kongdian law: Evidence from sedimentary response [J].Journal of Geology, 2011,35(1):1-10.

2015-03-20；編輯：張兆虹

國家科技重大專項(2011ZX05006-005)

徐祖新(1988-)，男，博士研究生，主要從事油氣成藏方面的研究.

TE122.1

A

2095-4107(2015)04-0071-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.04.009