泌陽凹陷核桃園組優質烴源巖發育古環境特征及地質意義

石正勇，金蕓蕓，羅家群

(中國石化河南油田分公司，河南 南陽 473132)

0 引言

近年來，隨著優質烴源巖勘探研究的深入，眾多學者認識到優質烴源巖對于油氣藏的重要性。優質烴源巖層在生物勃發期和缺氧的湖相環境中形成，具有有機質富集、豐度高、類型好的特點，處于成熟階段，常為薄層狀，但生排烴能力較強［1－2］。泌陽凹陷烴源巖有機質豐度高、類型好，處于生油高峰期，有效烴源巖廣泛發育，但是對于油氣貢獻較大的優質烴源巖的分布及發育環境研究涉及較少。該文通過烴源巖基礎地球化學特征研究，結合古沉積水體、古生物組合及微量元素特征，進一步認識沉積盆地優質烴源巖的分布及形成環境，對于含油氣盆地勘探開發具有十分重要的理論意義和應用價值［3］。

1 地質概況

泌陽凹陷位于河南省南部唐河縣與泌陽縣之間，面積約為1 000 km2，為疊置在秦嶺褶皺帶之上的一個中新生代斷陷盆地。凹陷內沉積地層自下而上發育有古近系大倉房－玉皇頂組、核桃園組和廖莊組，新近系鳳凰鎮組以及第四系。橫向上劃分為南部陡坡帶、中部深凹帶和北部斜坡帶3個次級構造單元。泌陽凹陷核桃園組烴源巖類型較多，包括深灰色泥巖(主力層)，褐色、褐灰色及黑色頁巖(主力層)，褐色油頁巖(少量)，灰色泥巖，灰褐色泥質白云巖和白云質泥巖。兼顧不同沉積相帶、不同層系，選取安深1、泌270、云1、云2井等10口探井，共采集泥頁巖烴源巖地球化學樣品950塊，進行有機碳分析、巖石熱解分析、干酪根鏡鑒、鏡質體反射率、碳同位素、巖石微量元素等實驗分析，研究烴源巖生烴條件及古環境，探討優質烴源巖形成環境。

2 烴源巖生烴條件

2.1 烴源巖分布范圍

鉆井揭示泌陽凹陷H3段主力烴源巖暗色泥頁巖在全區廣泛分布，最大厚度為1 500 m。H3下段泥頁巖類烴源巖總厚度為80～620 m，H38—H35各亞段厚度為20～160 m，烴源巖厚度中心在凹陷中部的畢店—趙凹—安鵬一帶。隨著沉積中心由西向東遷移，但泥頁巖最發育的地方不一定在湖泊中心部位，大部分位于前三角洲亞相—半深湖亞相;H3上段泥頁巖類烴源巖總厚度為120～940 m，各亞段烴源巖厚度為40～340 m，烴源巖厚度中心隨沉積中心的遷移變化較大，由北部斜坡帶的王集西南—安棚向南遷移，再向中西部趙凹—畢店—帶遷移。總體來看，南部大斷裂控制泥頁巖沉積中心，東北部物源通道及地勢決定泥頁巖分布的整體范圍和規模。

2.2 有機質豐度

表1 泌陽凹陷核桃園組各段有機質豐度統計Table 1 The statistical table of abundance of organic matters in each section of Hetaoyuan Formation of Biyang Sag

由表1可知:生烴潛量最小值為0.13 mg/g，最大值為54.32 mg/g。其中，H21亞段生烴潛量最高，為21.38 mg/g，屬于最好烴源巖;H22—H33亞段生烴潛量為7.54～12.05 mg/g，屬于優質烴源巖;亞段、H38亞段生烴潛量為2.75～4.39 mg/g，屬于中等烴源巖;H37亞段生烴潛量為1.94 mg/g，屬于差烴源巖［7］。

綜合分析有機碳、熱解生烴潛量及氯仿瀝青“A”參數，認為泌陽凹陷H34—H31亞段及H2段有機質豐度較高，優于H3下段。

2.3 有機質類型

干酪根δ13C值取決于生物母質類型，在熱演化過程中變化較小，表現出相對的穩定性，是劃分有機質類型的有效手段之一［8］。泌陽凹陷H3段烴源巖抽提物碳同位素值為－25.39‰～－30.52‰，絕大部分為－26.00‰～－30.00‰，大部分屬于Ⅱ1—Ⅱ2型，少量為Ⅰ型和Ⅲ型。

Espitalie曾提出用氫指數(HI)與熱解烴峰頂溫度(Tmax)圖版來劃分生油巖的有機質類型，在低成熟和中等成熟區內，用該圖版劃分有機質類型能較清楚地得到生油巖的原始有機質類型［9］。圖1為泌陽凹陷安深1井有機質類型劃分圖版，由圖1可知:中部深凹區安深1井H2段烴源巖有機質主要為Ⅰ型;H1—H3亞段為Ⅰ—Ⅱ 型;H4—H533133亞段以Ⅱ1—Ⅱ2型為主，少量為Ⅰ型;H36—H38亞段以Ⅱ1—Ⅱ2型為主，少量為Ⅰ型和Ⅲ型。從H2段到H38亞段，由淺部到深部，有機質類型逐步變差。

圖1 泌陽凹陷安深1井有機質類型劃分Fig.1 The types of organic matters in Well Anshen 1 of Biyang Sag

2.4 熱演化程度

泌陽凹陷烴源巖有機質類型較好，由于熱演化過程中鏡質體反射率受到不同程度的抑制，因此，有必要對其抑制程度進行分析，校正鏡質體反射率［10－13］。采用FAMM法分析等效鏡質體反射率，對不同深度樣點富氫鏡質體反射率進行校正，抑制程度為0.08%～0.39%。分析實測Ro值可知 (圖2)，泌陽凹陷烴源巖埋深在1 900 m左右 (Ro=0.5%)進入生烴門限，在2 300 m左右(Ro=0.7%)進入成熟門限，2 300～4 300 m為主生油階段(Ro=0.7%～1.2%)。在對Ro進行校正之后，成熟度整體提升0.2個百分點左右，成熟門限提高至1 900 m左右，即H3段均處于成熟階段。成熟度的重新厘定促進了對泌陽凹陷熱演化史和生烴史的更進一步認識。

圖2 泌陽凹陷烴源巖鏡質體反射率隨深度變化Fig.2 The changes of reflectivity of vitrinite of hydrocarbon source rocks in Biyang Sag with depth

2.5 優質烴源巖分布及資源量貢獻

關于優質烴源巖的判識標準，國內外學者做了大量研究，但是目前并沒有統一的認識。秦建中等在研究海相優質烴源巖時將優質烴源源下限設定為2.0%的標準，但他也認為Ⅰ型有機質作為優質烴源巖是可以將下限定在1.5%。泌陽凹陷有機質類型好，成熟度適中，參考采用TOC為1.5%作為優質烴源巖的下限標準［14－15］。

由中國“十三五”油氣資源評價成果可知:泌陽凹陷H2段成熟度較低，生烴量較小，為4.74×108t，占總生烴量的11.30%。H3段為主力烴源巖，占總生烴量的88.7%。其中，H31亞段生烴量為2.78×108t，占總生烴量的6.62%;H34—H32亞段生烴量最大，為 18.26×108t，占總生烴量的43.5%;H35—H38亞段生烴量占總生烴量的9.39%～10.12%。

根據生烴條件研究，H3下段H38—H35亞段有機質成熟度高，但TOC低于1.5%，干酪根主要以Ⅱ型為主，少量Ⅰ、Ⅲ型;H3上段H34—H31亞段處于生油高峰期，TOC為1.64%～2.25%，干酪根以Ⅱ1—Ⅰ型為主，為優質烴源巖;H2段有機質含量高，類型好，但有機質成熟度較低，未達到生油高峰期。

綜合烴源巖評價及生烴量分析認為［16－17］，H3上段H34—H32亞段為優質烴源巖發育段，根據泥頁巖厚度分布圖、Ro等值線及TOC等值線疊合圖劃定優質烴源巖的分布范圍(圖3)，優質烴源巖主要分布于泌陽凹陷中南部深凹區。

圖3 泌陽凹陷H33段優質烴源巖分布范圍Fig.3 The distribution range of high－quality hydrocarbon source rocks in Section H33of Biyang Sag

3 古水體環境研究

3.1 沉積背景

泌陽凹陷為一個典型的山間封閉型湖泊，在干旱—潮濕氣候交替和湖平面頻繁升降過程中，接受了碎屑和化學沉積。在玉皇頂組和大倉房組可能出現過硫酸鹽型湖泊，但核桃園組以碳酸鹽型湖泊為主，晚期出現硫酸鹽型，這充分說明泌陽凹陷具有穩定的水系入湖。泌陽凹陷深凹區半深湖—深湖區局部發育白云巖，核桃園組累計厚度達到1 000多米。在深湖區，白云巖與泥巖呈薄層交互產狀，反映相對淺水堿性環境和相對深水還原環境的交替，為有機質的發育保存提供了有利條件。H3下段白云巖不發育，而H3上段—H2段不僅白云巖發育，而且出現了天然堿等典型的蒸發巖，說明湖水變咸［18－19］。

3.2 藻類組合特征

泌陽凹陷核桃園組中的藻類主要是壺形弗羅姆藻、網面球藻、皺面球藻、環紋藻和盤星藻。壺形弗羅姆藻屬于溝鞭藻的一種，在湖湘沉積中出現，屬于典型的高鹽環境;盤星藻是生活于淡水中的藻類;網面球藻、皺面球藻、環紋藻指向意義不是很明確，海相、半咸水、淡水均有［20］。藻類是有機質的重要來源，不同的地區藻類含量不同，因此，藻類多的地區，有機質含量通常也較高［21］。對泌陽凹陷古生物化石藻類的分布進行了研究，H3亞段、H133亞段和H22亞段發育咸水環境下才有的壺形弗羅姆藻(圖4)，藻類組合特征指示明顯的淡水—咸水交替變化水體。

圖4 泌陽凹陷核桃園組主要藻類發育特征圖Fig.4 The development characteristics of main alga in Hetaoyuan Formation of Biyang Sag

3.3 微量元素特征

通過對泌陽凹陷H38—H21各亞段微量元素特征分析可知(圖5):H3下段Mg與Ca之比高，Mn與Ti之比較低，水體較穩定，鹽度較低;H3上段水體變咸，H34、H33、H32、H31、H2時期對應明顯的咸水—半咸水交替變化。從微量元素咸化特征與有機質豐度的關系來看，H3上段、H2段有機質豐度整體要高于H3下段烴源巖，H3上段—H2段咸化期對應的有機質豐度也相對較高。

圖5 泌陽凹陷安深1井核桃園組微量元素分布圖Fig.5 The distribution of microelement in Hetaoyuan Formation in Well Anshen 1 of Biyang Sag

淡水湖生物種類和數量都較多，尤其是吃藻類的動物，當湖水變咸時，一些狹鹽性生物就會死亡，生物種類變單調，以藻類為生的生物數量減少，藻類得以大量繁殖并保存下來，使沉積物中的有機質含量升高，這也是鹽度高利于有機質富集的主要原因［22－24］。泌陽凹陷優質烴源巖主要分布于深凹區，層位以H34、H33、H32亞段為主，該時期淡水—半咸水—咸水交替的沉積環境為高豐度泥頁巖的形成與保存提供了水體條件，也為泌陽凹陷形成“小而肥”油田奠定了物質基礎。

4 勘探啟示

泌陽凹陷經過40多年的勘探，已發現探明儲量為 2.8×108t，其中，H3上段儲量為 1.76×108t，占比達到63%。中國“十三五”油氣資源評價結果表明，泌陽凹陷總資源量為5.01×108t，剩余資源量為2.21×108t，探明率高達55.9%，進入勘探的中后期，勘探難度越來越大［25］。通過精細評價泌陽凹陷生烴條件，厘定中部深凹區優質烴源巖發育范圍及形成環境，已發現的較大規模油田及大部分探明儲量基本都與優質烴源巖相關，并且圍繞深凹區生烴中心呈環帶狀分布［26－30］。環凹帶緊鄰生烴中心，是油氣運移的必經之路，油源充足。根據油源關系及成烴成藏研究成果，泌陽凹陷油氣以橫向順層運聚為主要成藏模式，H3上段優質烴源巖生烴、排出烴主要在H3上段聚集成藏。沉積相帶主要處于三角洲前緣或前三角洲亞相，具有較好的儲層條件，延伸入生油中心的砂體搭起了油氣自中心向邊沿運移的橋梁，源儲配置良好，具有“近源聚集”的優勢。全區廣泛發育砂泥巖薄互層，為油氣的保存提供了良好的條件。環凹帶剩余資源量為1.63×108t，勘探潛力較大，是泌陽凸陷下步勘探增儲的主要領域。

5 結論

(1)泌陽凹陷全區廣泛發育泥頁巖，泥頁巖分布范圍和規模受南部大斷裂和東北部物源通道控制，H3段泥頁巖最大厚度為1 500 m。

(2)泌陽凹陷H34—H31亞段及H2段有機質豐度高，明顯要優于H3下段;H3上段干酪根類型以Ⅱ1—Ⅰ型為主，H3下段主要以Ⅱ1—Ⅱ2型為主，少量Ⅰ、Ⅲ型;H3段烴源巖均處于成熟階段，厘定核三上段H34—H32亞段為優質烴源巖發育段。

(3)核桃園組泥頁巖形成的水體環境自下而上逐漸變咸，H3上段—H2段時期淡水—半咸水—咸水交替的沉積環境為優質烴源巖的形成與保存提供了水體條件。

(4)環凹帶緊鄰生烴中心，源儲配置良好，具有“近源聚集”的優勢，剩余資源量大。