洛伊盆地上三疊統(tǒng)沉積相與油氣成藏特征

陳 司，陳尚斌，2，左兆喜，韓宇富，司慶紅

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

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洛伊盆地上三疊統(tǒng)沉積相與油氣成藏特征

陳 司1，陳尚斌1，2，左兆喜1，韓宇富1，司慶紅3

(1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，江蘇 徐州 221116；2.煤層氣資源與成藏過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221116；3.天津地質(zhì)調(diào)查中心，天津 300170)

洛伊盆地上三疊統(tǒng)埋深適中、厚度大，鉆井顯示出較好的油氣資源潛力。通過粒度分析和沉積相重建，分析洛伊盆地上三疊統(tǒng)沉積相及油氣成藏特征。結(jié)果表明：洛伊盆地上三疊統(tǒng)以河流相和湖泊相為主，深湖相、淺湖相、沼澤化湖相和三角洲平原相等沉積亞相有利于油氣形成；上三疊統(tǒng)有效烴源巖厚度約為900 m，以暗色泥巖為主；椿樹腰組泥巖有機(jī)碳含量平均為0.82%；譚莊組有機(jī)碳含量平均為1.83%，有機(jī)質(zhì)成熟度平均為0.69%，接近成熟生油階段，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ1和Ⅱ2型。深湖相發(fā)育泥巖與砂巖互層，具有形成自生自儲(chǔ)型油氣藏的沉積條件，表現(xiàn)出相控油氣特征；另因上三疊統(tǒng)頂部剝蝕，部分油氣運(yùn)移至古近系，可形成古生新儲(chǔ)型油氣藏；上三疊統(tǒng)烴源巖演化經(jīng)歷2個(gè)階段，三疊紀(jì)末期進(jìn)入生烴門限，但后期構(gòu)造抬升使得生烴活動(dòng)停止，在早古近紀(jì)末期燕山期埋深增加，再次生烴；椿樹腰組與譚莊組深湖相面積約為3 700 km2，淺湖相面積約為4 100 km2，估算生烴總量約為4.47×108t，具有開采潛力。洛伊盆地上三疊統(tǒng)為油氣藏遠(yuǎn)景區(qū)，有進(jìn)一步開發(fā)研究的意義。

沉積相重建；粒度分析；油氣成藏特征；椿樹腰組；譚莊組；洛伊盆地

0 引 言

近年來，洛伊盆地中牟1井試井成功，表明該盆地三疊系具有較好的油氣潛力。研究區(qū)上三疊統(tǒng)埋深較大，椿樹腰組與譚莊組保存較完整，在上三疊統(tǒng)深凹區(qū)到斜坡的過渡段，可能發(fā)育巖性油氣藏、砂巖上傾尖滅油氣藏和地層超覆油氣藏等諸多隱蔽類油氣藏，但因埋藏深、勘探成本高、風(fēng)險(xiǎn)大，該區(qū)上三疊統(tǒng)勘探尚無突破[1]。為了更好地了解該區(qū)油氣潛力，從沉積相控制生、儲(chǔ)、蓋的角度，分析洛伊盆地上三疊統(tǒng)椿樹腰組和譚莊組的沉積環(huán)境及烴源巖特征，為油氣聚集遠(yuǎn)景區(qū)勘探提供依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

洛伊盆地處于華北地臺(tái)中部豫西隆起，位于中國(guó)大陸中部NNE向的呂梁—太行造山帶與近EW向的東秦嶺造山帶所夾持的三角地帶，其斷裂系統(tǒng)呈現(xiàn)出明顯的“南北分帶、東西分區(qū)”特點(diǎn)，以NW—近EW向斷裂為主，NE向斷裂為輔，且后者大都被前者所切割，NW—近EW向斷裂基本呈現(xiàn)向西收斂的特點(diǎn)。洛伊盆地處于伏牛山隆起北側(cè)，呂梁隆起和太行山隆起南側(cè)[1]，主要包括洛伊凹陷、濟(jì)源凹陷、白沙—禹州向斜、周口坳陷西北部的臨汝盆地、襄城凹陷西北部和太康隆起西部(圖1)。

研究區(qū)由老至新發(fā)育薊縣系、青白口系、震旦系、寒武系、奧陶系、石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系地層，其中，三疊系發(fā)育有劉家溝組(T1l)、和尚溝組(T1h)、二馬營(yíng)組(T2e)、油房莊組(T2y)、椿樹腰組(T3ch)及譚莊組(T3t)；區(qū)內(nèi)上三疊統(tǒng)椿樹腰組底界為厚層灰綠色長(zhǎng)石砂巖與紫色泥巖，頂部為黃色厚層長(zhǎng)石砂巖。因后期構(gòu)造抬升，上三疊統(tǒng)譚莊組遭受剝蝕，殘余地層主要分布于濟(jì)源、伊川、洛陽、登封等地區(qū)，在宜陽—伊川一帶主要發(fā)育灰黃、黃綠、灰綠、灰黑色泥巖和粉砂巖，夾數(shù)層黑色泥巖和煤線[2]。

圖1 洛伊地區(qū)構(gòu)造

2 沉積相特征

石炭紀(jì)末期，華北地臺(tái)開始發(fā)生大規(guī)模的海退；二疊紀(jì)初期，華北板塊主體基本脫離海洋沉積；

二疊紀(jì)時(shí)期，洛伊盆地沉積環(huán)境以陸相沉積(三角洲平原、分流河道、分流間灣等)為主；三疊紀(jì)早期，大面積海退持續(xù)進(jìn)行，華北板塊氣候干旱；三疊紀(jì)晚期，氣候又逐漸轉(zhuǎn)為溫暖、潮濕，華北板塊廣泛沉積了含煤地層[3-6]。

晚三疊世時(shí)期，洛伊盆地以深湖—淺湖相等陸相沉積為主。椿樹腰組在還原環(huán)境下發(fā)育了以大型坳陷淺湖—深湖相和三角洲沉積體系為主的沉積類型，在溫暖、潮濕的環(huán)境下，研究區(qū)發(fā)育了一套厚度較大的灰色—深灰色砂泥巖沉積。該階段區(qū)內(nèi)發(fā)育的三角洲比淺湖—深湖相范圍小，主要分布在北西和南東2個(gè)區(qū)域，同時(shí)區(qū)內(nèi)發(fā)育三角洲前緣濁積扇和湖沼相沉積，發(fā)育了諸多水下分流河道或者延伸入陡坡的濁積扇體(圖2a)。

與椿樹腰組時(shí)期相比，研究區(qū)在譚莊組時(shí)期發(fā)育的深湖相沉積的范圍明顯變大，而三角洲沉積的范圍明顯變小，靠近物源方向可見三角洲沉積。同時(shí)，研究區(qū)內(nèi)發(fā)育三角洲前緣濁積扇和湖沼相沉積，區(qū)內(nèi)的同沉積走滑斷裂發(fā)育了諸多水下分流河道或延伸入陡坡的濁積扇體。隨著秦嶺大別造山運(yùn)動(dòng)加劇和東部太平洋板塊引起的華北板塊隆升作用加強(qiáng)，伊川地區(qū)比四周地勢(shì)低，導(dǎo)致水體進(jìn)一步加深，深湖相沉積范圍擴(kuò)大[1](圖2b)。

圖2 洛伊盆地上三疊統(tǒng)沉積相

3 成藏特征與資源潛力

3.1 成藏條件與演化

不同地質(zhì)時(shí)代的巖相古地理類型控制著有效烴源巖、儲(chǔ)層和蓋層的分布和組合，沉積演化的多樣性控制著油氣資源的分布和油氣藏類型[7]。洛伊盆地二疊系和三疊系之間沒有明顯的不整合，顯示出差異升降，沉積中心向北西遷移，二者為連續(xù)沉積，沉積厚度較大，分布在洛陽凹陷、伊川凹陷和濟(jì)源凹陷，其中，伊川凹陷最大沉積厚度在900 m以上。椿樹腰組厚度全區(qū)變化較大，一般為400～1 350 m，在義馬和洛陽2個(gè)地區(qū)出現(xiàn)沉積中心，厚度可達(dá)1 200 m以上，向東厚度逐漸減薄(圖3a)。譚莊組厚度一般為400～1 800 m，在澠池、洛陽、新安和鞏義4個(gè)地區(qū)出現(xiàn)沉積中心，厚度可達(dá)1 500 m以上，總體上由沉積中心控制(圖3b)。

洛伊盆地三疊系烴源巖有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ2、

圖3 洛伊盆地上三疊統(tǒng)厚度等值線

Ⅱ1型，只有少量的Ⅲ或Ⅰ型。干酪根的δ13CPDB平均為-27.0‰，具有Ⅱ型有機(jī)質(zhì)特點(diǎn)[8-9]。實(shí)測(cè)譚莊組有機(jī)碳含量為0.64%～2.86%，平均為1.83%，椿樹腰組泥巖有機(jī)碳含量為0.82%。綜合分析認(rèn)為，椿樹腰組和譚莊組為良好的油氣層，該區(qū)譚莊組樣品實(shí)測(cè)Ro值為0.47%～0.91%，平均為0.69%，處于成熟生油階段。同時(shí)，洛伊盆地上三疊統(tǒng)Ro值為0.40%～1.27%，證明三疊系烴源巖處于成熟階段。

根據(jù)研究區(qū)烴源巖的埋藏史與成熟史模擬結(jié)果顯示，2個(gè)盆地均經(jīng)歷了相似的埋藏與生烴過程，二者區(qū)別主要體現(xiàn)在古近系的沉積速率不同。其中，洛陽盆地在三疊紀(jì)末Ro接近生烴門限(0.36%～0.45%)，此時(shí)三疊系處于低成熟度階段。但早侏羅世地層抬升，三疊系埋深減小，洛陽盆地三疊系Ro沒有繼續(xù)增加，至新生代早期，盆地接受古近系沉積，沉積速率變大，厚度較大，三疊系埋深迅速增加，Ro增大，烴源巖開始生烴。

伊川盆地與洛陽盆地相似，三疊紀(jì)末期，烴源巖Ro>0.50%，開始進(jìn)入生烴門限；因構(gòu)造抬升使三疊系生烴逐漸停止，隨后古近系地層開始沉積，沉積速率比洛陽盆地略低；古近系沉積使三疊系埋深增加，烴源巖Ro再次超過0.50%而進(jìn)入二次生烴階段。

由此可見，洛伊盆地三疊系烴源巖有2個(gè)重要的生烴時(shí)間：一是三疊紀(jì)末期，烴源巖Ro普遍達(dá)到0.50%后開始生烴；二是古近紀(jì)末期，由于古近系沉積，使得埋深普遍增加，烴源巖再次進(jìn)入生烴門限(表1)。

椿樹腰組和譚莊組以暗色泥巖和煤層作為烴源巖，單層厚度為3～5 m，累計(jì)厚度超過540 m，厚度大且有較強(qiáng)生烴潛力。同時(shí)，椿樹腰組與譚莊組多發(fā)育砂泥互層的沉積結(jié)構(gòu)，砂巖可作為儲(chǔ)層，其上覆泥巖可作為較好的蓋層，形成具有較好封蓋條件的組合。因封蓋能力良好，椿樹腰組和譚莊組可成為較好的自生自儲(chǔ)型儲(chǔ)層[10-12]。此外，洛伊盆地上三疊統(tǒng)頂部遭受剝蝕，致使譚莊組與古近系不整合接觸，譚莊組中部分油氣可向上運(yùn)移至三疊系與古近系的不整合面或進(jìn)入古近系內(nèi)部砂礫巖中，形成古生新儲(chǔ)式生儲(chǔ)蓋組合。

3.2 油氣資源潛力

富生烴凹陷油氣資源量主要取決于烴源巖品質(zhì)[9]，其評(píng)價(jià)方法主要包括有機(jī)地球化學(xué)法、有機(jī)巖石學(xué)法、測(cè)井解釋和地震解釋等。由于這些方法前期投入大，需要參數(shù)多，不適合低程度的勘探，因此，選用富生烴凹陷綜合評(píng)價(jià)法對(duì)該區(qū)域進(jìn)行資源評(píng)估。該方法通過“木桶”效應(yīng)對(duì)各類影響因素做加權(quán)乘積，并不依賴于各類地球化學(xué)參數(shù)及物探參數(shù)，僅依賴于各項(xiàng)基礎(chǔ)參數(shù)，評(píng)估較為方便，適合該類勘探程度較低的地區(qū)。

不同沉積相生成烴源巖優(yōu)劣次序依次為深湖相、中深湖相、淺湖相、濱湖相、河流相[10]，其賦值依次遞減2(深湖相為10、河流相為2)，如果凹陷跨越不同沉積相則根據(jù)面積加權(quán)；干酪根按照生烴能力依次賦值為Ⅰ型取10、Ⅱ型取7(Ⅱ1型取8、Ⅱ2型取6)，Ⅲ型取3。按照此方法，結(jié)合以往資料[9]對(duì)各影響因素進(jìn)行加權(quán)計(jì)算，根據(jù)烴源指數(shù)與各控制因素的關(guān)系：

烴源指數(shù)=洼陷面積×有效烴源巖厚度×沉積相×有機(jī)質(zhì)類型×(最大埋深-門限深度)×10-5

(1)

烴源指數(shù)與資源量的擬合關(guān)系：

資源量=1.7626×烴源指數(shù)1.1992×108t

(2)

由式(1)、(2)計(jì)算可知，洛伊盆地上三疊統(tǒng)椿樹腰組與譚莊組生烴總量為4.47×108t，按照生烴凹陷資源量等級(jí)劃分為次富水平，具有開發(fā)價(jià)值(表2)。

表2 生烴總量估算

4 結(jié) 論

(1) 洛伊盆地上三疊統(tǒng)椿樹腰組與譚莊組以陸相沉積為主，其中，椿樹腰組主要發(fā)育三角洲沉積相為主，并發(fā)育淺—深湖相、三角洲前緣相和三角洲平原亞相；譚莊組以淺—深湖相為主，其次，發(fā)育三角洲平原、沼澤化湖相等亞相。

(2) 上三疊統(tǒng)有效烴源巖的最大厚度約為900 m，分布于伊川盆地；椿樹腰組泥巖有機(jī)碳含量為0.82%；譚莊組有機(jī)碳含量平均為1.83%；上三疊統(tǒng)Ro值為0.40%～1.27%，譚莊組實(shí)測(cè)Ro值為0.69%，接近成熟生油階段；有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ2、Ⅱ1型，生油潛力良好。

(3) 研究區(qū)三疊系烴源巖經(jīng)歷了2個(gè)重要的成熟階段，早古近紀(jì)末期，伊川、洛陽和宜陽盆地進(jìn)入二次生油階段。烴源巖成熟稍晚，生烴期主要為古近紀(jì)。椿樹腰組和譚莊組以暗色泥巖和煤層作為烴源巖，發(fā)育砂泥互層的沉積結(jié)構(gòu)，具有較好封蓋條件，可成為自生自儲(chǔ)型組合；因上三疊統(tǒng)頂部剝蝕，油氣向上運(yùn)移可形成古生新儲(chǔ)式生儲(chǔ)蓋組合。

(4) 椿樹腰組與譚莊組估算生烴總量約為4.47×108t，為次富水平，具有開發(fā)潛力。

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編輯 黃華彪

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.05.015

20160405；改回日期：20160710

中國(guó)博士后科學(xué)基金第八批特別資助項(xiàng)目“煤系頁巖氣儲(chǔ)層非均質(zhì)性對(duì)可改造性控制的微觀機(jī)理研究”(2015T80595)

陳司(1992-)，男，2014畢業(yè)于防災(zāi)科技學(xué)院資源勘查工程專業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)礦業(yè)大學(xué)地質(zhì)工程專業(yè)在讀碩士研究生，主要從事頁巖氣地質(zhì)的學(xué)習(xí)和研究工作。

陳尚斌(1983-)，男，副教授，2006年畢業(yè)于中國(guó)礦業(yè)大學(xué)資源環(huán)境與城鄉(xiāng)規(guī)劃管理專業(yè)，2012年畢業(yè)于該校地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專業(yè)，獲博士學(xué)位，現(xiàn)主要從事頁巖氣地質(zhì)研究。

TE122.2

A

1006-6535(2016)05-0066-04