阜陽凹陷石炭-二疊系地層烴源巖特征及有利區帶評價優選

王宇涵

（中國石化石油工程地球物理公司華東分公司地球物理研究所，江蘇南京 210000）

阜陽地區石炭-二疊系地層重復的海進、海退，形成了多套薄層烴源巖和致密砂巖儲集體“互層式”的生儲蓋組合，構成了“源-儲互層式沉積”模式[1]，大規模分布烴類物質，生成規模及分布范圍都為較大的非常規油氣藏。2002年鉆探的古城1井鉆遇到這套烴源巖，但烴源巖有機質豐度總體偏低[2]；張文茂認為此地區石炭–二疊系泥巖具有較高的生烴潛能，油氣資源較為豐富[3]；徐行認為本區域烴源巖天然氣資源潛力區集中于顏集凹陷和倪丘集凹陷，倪丘集凹陷和古城低凸起屬于油資源潛力區。為進一步客觀評價石炭-二疊系地層油氣資源潛能，對阜陽石炭-二疊地區進行沉積特征分析，對地層進行精細評價，確定有利勘探目標區帶區帶。

1 區域地質概況

阜陽凹陷位于安徽省西北部，屬周口盆地（圖1）。經多年的勘探，僅在周口坳陷盆地北部的倪丘集大王莊構造古近系玉皇頂組發現工業油流，經油源對比認為，其油源來自于下伏石炭-二疊煤系地層[4]。而周口盆地南部的臨泉凹陷、阜陽凹陷等地在淺、中、深不同地層都出現鉆井油斑、油跡及氣顯示[5]。對阜陽凹陷及周邊鉆井分析認為，該區主要發育寒武-奧陶系、石炭-二疊系和下白堊統三套烴源巖，其中主要以石炭-二疊系烴源巖為主。

圖1 阜陽凹陷區域位置

2 烴源巖特征

對阜陽地區地層沉積演化、區域沉積特征與泥頁巖厚度等分析認為，阜陽地區大部分為石炭-二疊烴源巖。石炭-二疊系地層主要為一套煤系地層，其中暗色泥巖、煤巖和碳酸鹽巖為烴源巖，主要為暗色泥巖和煤巖。層位包括太原組、山西組、下石盒子組及上石盒子組。石炭-二疊系烴源巖是構成阜陽地區非常規油氣藏的關鍵物質基礎。

2.1 有機質豐度（TOC）

頁巖氣評價包括烴源巖所含的有機質是否豐富充足，有機質豐度是頁巖氣勘探選區的重要參數之一。據勘探資料，北美五大頁巖氣盆地中TOC通常為1.5%～20.0%。

王延斌等分析渤海灣盆地煤巖的有機地化指標認為[6]，S1+S2、IH等烴源巖參數和煤巖中的殼質組和鏡質組含量非常相關，特別是和E+S更加密切，并給出石炭–二疊系煤巖的TOC評價標準（表1）。

表1 華北石炭–二疊系煤的有機質豐度評價標準

山西組和太原組的有機碳含量為56.29%～63.06%，氯仿瀝青“A”1.990 0%～2.340 0%，總烴5 426×10–6～7 024×10–6，生烴潛量平均值為146.63 mg/g，屬于中等烴源巖；下石盒子組有機碳含量為62.31%～62.71%，氯仿瀝青“A”為1.230 0%～3.600 0%，總烴2 056×10-6～6 132×10-6，為中等-好烴源巖。除二疊系山西組（P1s）以外，均達到中等烴源巖標準（表2）。

表2 阜陽地區石炭–二疊系煤巖有機質豐度

錢奕忠對煤系暗色泥巖有機地化指標統計顯示，有機碳含量為0.36%～4.61%、暗色泥巖有機質豐度較高氯仿瀝青“A”為0.005 4%～0.2110 0%，總烴（17×10-6～780×10-6）基本達到中等-好的烴源巖標準（表3）。

表3 石炭–二疊系源巖有機質豐度

石炭-二疊系烴源層暗色泥巖油源巖從上到下逐漸變好，氣源巖則逐漸變差。從層位上看，下石盒子組（P2x）泥巖有機碳含量為0.74%～5.62%，平均為3.18%，為中等–好烴源巖；上石盒子組P2s泥巖有機碳含量為2.00%～7.58%，平均為4.79%，S1+S2為4.93～16.75 mg/g，平均為10.30 mg/g，達到中等–好烴源巖標準；二疊系太原組和山西組有機碳含量平均達2.46%～2.98%，氯仿瀝青“A”為0.051 6%～0.272 2%、生烴潛量S1+S2為2.28～2.72 mg/g，總烴152.22×10-6～173.40×10-6，有機質豐度相對較高。

2.2 有機質類型

有機質類型對頁巖氣的生烴能力有重要影響，有機質類型主要通過干酪根的性質進行表現。由于烴源巖中的有機顯微組分的形態、種類、成因、光學特征各異，因此其化學組成、結構、母質類型及生烴潛力也各不相同[7]。阜陽地區烴源巖的主力生油組分是殼質組和腐泥組，而除了富氫鏡質體以外的鏡質組和惰質組一般作為生氣組分。

以有機巖石學定量分析法對某井石炭-二疊系烴源巖巖心樣品中有機顯微組分組成及含量統計。從生成的數據得出以下結論：①煤巖中的有機顯微組分以鏡質組和惰質組為主，其總含量為66%～80%；山西組（P1s）和下石盒子組（P1x）煤中的鏡質組和惰質組含量基本持平，太原組（P1t）的煤中鏡質組含量為58%，惰質組只有8%，低于鏡質組，且太原組煤的富氫鏡質體含量高于20%，較為豐富；可以得出阜陽地區石炭–二疊系煤生氣能力較強的結論。②在泥巖中，殼質組與腐泥組也占有一定比例，可見泥巖具備作為烴源巖的條件，其具有很強的生油能力。

對古城1井石炭-二疊系的煤和暗色泥巖中的“A”組分分析顯示，煤的飽和烴含量為3.90%～14.43%，暗色泥巖為6.31%～17.7%；煤的芳香烴含量為9.44%～28.36%，暗色泥巖芳香烴含量為3.60%～29.37%。煤和泥巖的飽和烴和芳香烴的總和均小于50%，飽和烴/芳香烴除太原組泥巖外都小于1。煤、暗色泥巖的瀝青質含量相近且較多，表現為瀝青質、非烴含量比芳香烴和飽和烴多的現象，有機質類型多為腐殖型（Ⅲ型），同時也含有富氫混合型母質（Ⅱ型）。烴源巖的有機巖石學資料、干酪根的元素、同位素資料以及熱解資料也反映出同樣特征。而富氫的顯微組分有更大的液態烴生成潛力，一般主要是生氣組分。將不同地層的煤系烴源巖進行對比歸類，上石盒子組泥巖和煤屬于Ⅲ型；下石盒子組泥巖屬于Ⅲ-Ⅱ2型，煤屬于Ⅲ型；山西組泥巖以Ⅲ-Ⅱ2型為主，煤屬于Ⅲ型；太原組泥巖則為Ⅲ-Ⅱ2型，煤為Ⅲ型[8]（表4）。

表4 古城1井有機顯微組分組成及含量

2.3 有機質成熟度（Ro）

頁巖要成為潛在的頁巖氣勘探目標區帶，其成熟度必須進入生氣窗。因此，展開對研究區有機質成熟度Ro的研究。

據南4井的資料，石炭–二疊系每組段地層熱解峰值溫度高達500 ℃甚至更高，Ro為1.47%～2.45%，煤的種類為瘦煤、貧煤到高變質程度的無煙煤，有機質母巖處于高成熟–過成熟–變質階段，熱演化程度處于高成熟–過成熟階段。

干氣區周邊Nan6井、Guchenl井所在的古城低凸起石炭–二疊紀煤系Ro值為0.62%～0.89%，煤階正在由氣煤到肥煤的相當成熟階段，屬于生烴高峰期。倪丘集凹陷Nan11井、MM3井的Ro為0.8%～0.88%，屬于氣–肥煤帶，處在成熟階段。以上兩處烴源巖演化程度持平[7]。

從平面上分析，阜陽地區石炭系-二疊系烴源巖熱演化程度呈現北高南低，以鹿邑-顏集凹陷為變質帶中心，呈帶狀展布。古城低凸起、倪丘集凹陷煤系烴源巖有機質處于氣煤-肥煤的相當成熟階段[10]，北部鹿邑-顏集凹陷石炭-二疊系的烴源巖有機質為高成熟-過成熟階段。阜陽地區石炭-二疊系煤系烴源巖的有機質熱演化程度已達到成熟階段，其中大部分為煤成氣，少量Ⅱ型干酪根可生成液態石油（表5）[7]。

表5 阜陽地區及周邊鉆井石炭–二疊系煤巖的Ro

3 儲層特征及物性條件

3.1 儲層巖石學特征及空間關系

石炭-二疊系的煤系地層是阜陽地區非常規油氣的主力分布層位。華北地區在整體海退的背景下，得以形成晚古生代沉積建造，其海進、海退頻率較高。石炭-二疊系地層沉積了一套煤、泥巖、砂巖、灰巖交互疊置、頻繁互層的海陸過渡相沉積結構，構成了“源-儲互層式沉積”模式。自下而上，陸相沉積作用不斷加劇，大陸環境自北向南逐漸推進，北部的陰山（內蒙）古陸作為其主要的物源。因此，石炭-二疊系沉積相自北而南表現為沖積扇體系、礫質辮狀河體系、砂質辮狀河體系、曲流河體系、三角洲體系及碎屑濱岸體系。

將生儲蓋層的空間組合關系作為評價標準，阜陽地區生儲蓋層組合方式分為自生自儲型、新生古儲型和古生新儲型。阜陽地區石炭-二疊系地層成藏模式以自生自儲型為主，古生新儲型和新生古儲型占比較少[8-9]。

區域沉積演化顯示，阜陽地區晚古生代沉積建造是在整體海退背景下，頻繁發生海進、海退而形成的，其砂巖、泥巖相互疊置，形成了大量薄層烴源巖和致密砂巖等儲集體“互層式”的生儲蓋組合，因此整個石炭-二疊系烴類物質分布較多；同時由于儲層相對致密、物性較差，減弱了油氣大范圍、長距離運移的能力，因此，煤系烴源巖生成的油氣主要賦存于其內部及周圍的致密儲層內，自生自儲非常規油氣藏得以形成[9]。

阜陽地區石炭-二疊系地層成藏模式以自生自儲型為主，總體上表現為上古生界烴源巖在二疊紀晚期小規模生烴，在三疊紀生烴規模增大，是其生烴高峰期，且達到成熟階段（圖2）。由于印支運動的影響，地層抬升剝蝕，生烴量開始降低。早白堊世，部分凹陷地區由于再次沉降，接受沉積，生烴量有一定增加，部分地區有機質成熟度達到過熟階段，而白堊系地層厚度小，因此凸起地區的生烴高峰表現較弱。晚白堊世以后，生烴期規模都較小，在古近紀晚期，生烴量才逐漸上升。由于盆地內不同構造單元的演化不同，造成石炭–二疊系烴源巖自進入生烴門限后，保持持續生烴，且受后期斷裂作用較小，保存條件較好，易形成“源-儲互層式”的非常規油氣藏。

圖2 阜陽凹陷自生自儲型成藏模式

阜陽地區烴源層的第一次生烴期為三疊紀，之后的早白堊世和古近紀中后期由于烴源層再次埋深，古近紀中后期的二次生烴是本區油氣成藏的關鍵時期。

3.2 物性特征

周口盆地阜陽地區石炭系灰巖-砂巖儲層為該區域主要儲層，從沉積物轉變為沉積巖的變化較強，巖石致密，地層較薄，物性一般不理想。據前人資料，二疊系砂巖的發育程度較好，砂巖厚度為335.0～428.5 m，砂巖含量一般為21%～39%，是烴源巖內部的一套主要儲層。樣品物性分析顯示，孔隙度為0.06%～8.4%，均值為3.3%；滲透率為0.007×10-3～33.370×10-3μm2，均值為0.640×10-3μm2，除少量樣品的孔滲參數出現高值，全區樣品大體為特低-超低孔滲儲層（表6）。通過測井剖面觀察，煤系地層內砂巖自然電位曲線近于平直。儲層和烴源巖互層沉積，煤系烴源層將產生的天然氣快速運移進儲層中，成巖作用被相對抑制，砂巖儲層得以保護，產生了大面積氣藏。由于構造作用，砂巖物性較差，研究區普遍存在裂縫，如MM1井太原組取心段為1 566.45～1 566.84 m，巖心表現為方解石充填粉砂巖裂縫，孔洞發育，油存在于裂縫中；鑄體薄片中可見較多微縫，微縫寬為0.003～0. 006 mm，斷續分布，可見分叉狀、兩頭尖滅狀微縫。

表6 阜陽地區石炭–二疊系儲層物性

4 地震波品質因子Q屬性分析

巖石一般是非彈性體，波在其中傳播時，會有一部分機械能轉換成熱能，反映了巖石本身對波的吸收特性。波在巖石中的這種衰減性質通常用巖石的品質因子Q來表征。

巖石中所含流體的改變會導致Q值的不同，同一流體處于不同狀態時也會引起Q值的變化，且Q值對這種情況很敏感，所以對探測巖石所含流體的類型與物理狀態（相變）很重要。

Q屬性可以用來探測氣或流體的飽和度，只要知道地震波品質因子作為含氣（流體）飽和度之函數和給定飽和度情形下作為這種天然氣（流體）的幾何分布之函數如何變化，就可以預測地層的含氣性和滲透率等信息。

研究區測線FY02線Instantaneous Q屬性顯示，石炭-二疊系地層底部斜坡向深凹過渡地帶具有較強的Q值及低頻現象，表明該地帶石炭-二疊系目的層段上含氣性較好（圖3）。

圖3 FY02線Instantaneous Q屬性剖面

5 有利區帶優選

結合阜陽地區油氣勘探現狀及天然氣資源特點，目標區帶有利區的評價與其成藏條件密切相關，即由頁巖TOC、Ro、儲層物性、埋深等條件綜合決定的。

在區域大套泥頁巖較厚且分布穩定、地震品質較好、儲集物性較好、有機質類型等多個條件較好的前提下，將目的層埋深、優質泥頁巖厚度、TOC、Ro、沉積相等成藏條件分布圖在平面上進行疊置，對目標區帶有利區進行綜合評價，優選有利區帶。

基于目前工程技術條件，將埋深大于4 000 m的區域劃為潛在區，埋深為1 500～4 000 m的區域劃為有效區。以阜陽地區TP1t 向上200 ms層段主頻分布圖作為底圖，綜合地震品質、構造特征、埋深、地層厚度等信息進行有利區帶的圈定工作。

如圖4所示，紅色虛線多邊形范圍內為石炭–二疊系目的層的有利區帶，面積為110 km2，石炭–二疊系目的層有利區帶位于阜陽凹陷中西部，埋深條件合適，地層較為穩定，構造特征良好，優質泥巖厚度較大，為本區的主要勘探區域。根據主頻特征，有利區內存在兩個低頻部位，各項成藏指標較好，因此可將2個低頻部位設定為2個井位目標區帶。

圖4 阜陽地區TP1t向上200 ms層段主頻分布

1號目標區帶位于阜陽凹陷緩坡帶中部，面積約為20 km2，地震反射穩定，埋深為2 200～2 800 m，并在該有利區帶形成低頻點。太原組厚度達到100 m左右，TOC、Ro適中，處于成熟階段，其他各項參數指標較好。2號目標區帶位于阜陽凹陷下降盤沉積中心附近，有效面積約為18 km2，埋深為3 200～3 550 m。泥頁巖厚度較大，本溪組厚度達到40 m左右，TOC、Ro適中、處于成熟階段。其他各項參數指標較好，該目標區帶可以兼探阜陽地區地層大體完整發育情況。

6 結論

（1）根據生儲蓋層的空間組合關系得出，阜陽地區存在古生新儲型、自生自儲型、新生古儲型三類組合類型，其中以自生儲型為主，石炭–二疊系烴源巖地層主要發育自生儲型模式。

（2）以頁巖TOC、Ro、儲層物性、埋深等條件，將阜陽凹陷有利區帶分為位于阜陽凹陷緩坡帶中部的一號目標區帶和位于阜陽凹陷下降盤沉積中心附近的二號目標區帶。