東濮凹陷古近系烴源巖特征及其形成環境分析

劉宣威 ，王學軍 ，李紅磊 ，張云獻 ，張文彬 ，黃正

（1.成都理工大學地球科學學院，四川 成都 610059；2.中國石化中原油田分公司勘探開發研究院，河南 濮陽 457001；3.中國石化華東石油工程有限公司江蘇鉆井公司，江蘇 揚州 224261）

0 引言

東濮凹陷位于渤海灣盆地東南部，東以蘭聊斷裂帶為界與魯西隆起為鄰，西以長垣斷裂帶為界超覆于內黃隆起之上，南隔蘭考凸起與開封坳陷相望，北以馬陵斷層與莘縣凹陷相連。盆地內基本缺失侏羅系、白堊系地層，古近系地層直接覆蓋在中、下三疊統及更老的地層之上，是一個新生代斷陷湖盆，具有“兩洼一隆一斜坡”的構造格局。凹陷自西向東依次發育西部斜坡帶、海通集洼陷帶、中央隆起帶和前梨園洼陷帶［1］，在多期構造活動控制下，形成了一個富含油氣的復雜斷塊群。經過40多年的勘探開發，在東濮凹陷發現了6億多噸的油氣儲量。勘探結果表明，東濮凹陷盆地內部油氣分布不均，北部富集，南部貧瘠。已有的研究表明，造成這種特征的主控因素是烴源巖。

沉積學研究顯示，東濮凹陷是一個鹽湖性質的含油氣盆地，受沉積水體鹽度、沉積相帶等條件的控制，不同地區、不同時期烴源巖發育程度存在較大的差異，而這種差異恰恰與油氣分布有著極好的相關性［2-6］。為了更好地探索東濮凹陷古近系烴源巖特征及分布規律，采用有機和無機相結合的方法，根據鹽度與優質烴源巖發育的關系，對東濮凹陷古近系烴源巖特征及其成因環境進行了分析，以期指導東濮凹陷常規油氣精細勘探和非常規頁巖油勘探。

1 烴源巖發育特征

東濮凹陷古近系自下向上發育的沙河街組沙四上亞段、沙三下亞段、沙三中亞段、沙三上亞段（分別簡稱沙四上、沙三下、沙三中、沙三上）和沙一段5套暗色泥巖，是東濮凹陷古近系最為重要的潛在烴源巖層系。其中：沙三中厚度最大，最大厚度約800 m，主要分布在北部的柳屯、海通集、前梨園洼陷和南部的葛崗集洼陷；沙三下次之，最大厚度約700 m，主要分布在北部的海通集、前梨園洼陷和南部的葛崗集洼陷；沙四上暗色泥巖最厚約600 m，自前梨園向周邊逐漸減薄；沙三上暗色泥巖最厚約500 m，以北部的海通集和柳屯洼陷最厚，前梨園洼陷最厚僅300 m；沙一段暗色泥巖整體較薄，以前梨園洼陷最厚，僅300 m左右。平面上，東濮凹陷北部暗色泥巖厚度明顯要大于南部，并且分布較廣，前梨園、柳屯、海通集、濮衛次洼等洼陷均有分布，南部暗色泥巖厚度較薄，且分布范圍較小，主要分布在葛崗集洼陷。

東濮凹陷沙河街組地層鹽巖發育較為廣泛。縱向上，沙四上、沙三下—沙三上、沙二上和沙一段均有鹽巖發育。平面上，主要分布于橋口以北地區（見圖1），不同層系鹽巖分布范圍差異較大。其中：沙一段鹽巖分布最為廣泛，幾乎覆蓋了整個東濮北部地區，沙三中和沙四上鹽巖分布范圍也較大，沙三下和沙三上鹽巖分布范圍相對較小。根據鹽巖分布和南北差異，本文對東濮凹陷烴源巖的探討分別以北部含鹽區（各層系鹽巖發育區域）、北部無鹽區（橋口-白廟及其以北無鹽巖發育區域）和南部淡水區（橋口-白廟以南區域）進行分區帶對比分析。由于沙一段在東濮凹陷整體埋藏較淺，大部分地區尚未達到成熟階段，在這里暫不討論［7］。

圖1 東濮凹陷古近系鹽巖平面分布示意

2 不同水體環境烴源巖地球化學特征

2.1 有機質豐度

對東濮凹陷不同層段、不同區帶5 803件烴源巖樣品的總有機碳質量分數（TOC）統計結果表明：東濮南部淡水區烴源巖有機質豐度整體較低，TOC＜0.4%的非烴源巖約占東濮南部總樣品量的70%以上，0.4%≤TOC≤1.0%的烴源巖約占20%，僅有不到10%的烴源巖為TOC＞1.0%的優質烴源巖。北部含鹽區以沙四上和沙三下烴源巖最好，TOC＞1.0%的烴源巖約占40%～50%，僅有不到30%的烴源巖為TOC＜0.4%的非烴源巖；沙三中烴源巖次之，TOC＞1.0%的優質烴源巖約占27%；沙三上TOC＞1.0%的優質烴源巖最少，僅占20%。北部無鹽區烴源巖有機質豐度介于北部含鹽區和南部淡水區之間，主要表現為沙四上和沙三下好于沙三中和沙三上。

平面上，受沉積區帶控制，自東濮北部含鹽區向周邊，烴源巖有機質豐度逐漸降低，優質烴源巖具有環鹽巖分布的特征；東濮南部地區烴源巖有機質豐度整體較低，優質烴源巖零星發育，厚度薄，面積小。

2.2 有機質類型

受環境控制，東濮凹陷不同區帶烴源巖中有機質來源差異較大——咸水環境藍藻、顆石藻和溝鞭藻發育，半咸水環境溝鞭藻最豐富，淡水環境以高等植物輸入為主，自源生物以綠藻為主［8］。東濮凹陷北部地區烴源巖主要形成于咸水—半咸水環境，干酪根類型普遍偏好：Ⅰ型和Ⅱ1型占優勢，約占烴源巖樣品總量的40%～80%；其次為Ⅱ2型，約占烴源巖總量的10%～35%；Ⅲ型最少，一般少于20%。東濮凹陷南部地區烴源巖沉積過程中高等植物輸入較多，烴源巖有機質類型普遍較差，Ⅱ2型和Ⅲ型約占樣品總數的45%～65%，Ⅰ型相對較少，不同層系中Ⅰ型大都少于20%（見表1）。

表1 東濮凹陷沙四上—沙三下烴源巖干酪根類型分布頻率

2.3 典型生物標志化合物

東濮凹陷是一個典型的鹽湖相斷陷湖盆，受沉積環境和有機母質來源的控制，不同區帶的烴源巖有其特殊的生物標志化合物［9-16］（簡稱生標，可指示烴源巖和原油形成時的沉積環境、母質來源和成熟度特征）組合特征。北部含鹽區烴源巖中的萜烷類化合物往往具有相對豐富的C26+長鏈三環萜烷和γ蠟烷，在生標參數中主要表現出（C26+TT）/C30H＞0.4、γ 蠟烷/C30H 大于0.5（生標參數比值為化合物的質量比，下同）的特征；而甾烷類化合物中，規則甾烷質譜圖通常呈“L”型或不對稱“V”型，具有 C27＞C29的特征，4-甲基甾烷質量分數相對較高，4-甲基甾烷/C29通常大于0.4，主要指示高鹽度、強還原環境下較高的低等水生藻類生源的貢獻（見圖2a）。北部無鹽區烴源巖一般具有相對較高的γ蠟烷質量分數和4-甲基甾烷質量分數，γ蠟烷/C30H大于0.5，4-甲基甾烷/C29大于0.4，規則甾烷中C27優勢減弱，通常呈“V”型分布，指示中等鹽度、還原環境下低等水生生物為主、陸源高等植物為輔的混合生源（見圖2b）。南部淡水區烴源巖γ蠟烷、C26+長鏈三環萜烷和4-甲基甾烷質量分數均較低，規則甾烷中C29優勢明顯，常呈反“L”型分布，主要指示了低鹽度、弱還原環境陸源高等植物的貢獻（見圖2c）。

圖2 東濮凹陷不同區帶烴源巖典型生標組合特征

3 烴源巖成因環境分析

烴源巖是在一定沉積環境條件下形成的富含有機質的泥頁巖。在東濮凹陷不同區帶，由于水體鹽度、氧化-還原性質、水深等方面的差異，造成了北部含鹽區、北部無鹽區和南部淡水區烴源巖特征的差異，且不同區帶TOC＞1.0%的優質烴源巖發育量存在較大的差異。為了探索造成烴源巖特征差異的主控因素，本文采用有機和無機相結合的方法，應用生物標志化合物和微量元素開展了不同區帶烴源巖成因環境的研究，將兩者相互印證，以期找到東濮凹陷優質烴源巖發育的主控因素。

3.1 溫濕氣候是優質烴源巖形成的宏觀背景

談玉明等［17］對東濮凹陷古氣候的研究表明，古近系時期東濮凹陷經歷了4期較大的氣候演變，溫濕氣候和干熱氣候頻繁轉換，且每個大的變化周期內還夾有多期的短時間氣候演變。對東濮凹陷微量元素Mg/Ca值（微量元素比值均為質量比）與TOC的相關性研究表明（見圖3），烴源巖中有機質豐度指標TOC與Mg/Ca值呈負相關性。鄧宏文等［18］通過大量研究認為，通常Mg/Ca高值指示干旱氣候條件，低值指示潮濕氣候條件。由此可見，溫濕氣候是東濮凹陷優質烴源巖發育的宏觀氣候條件。

圖3 東濮凹陷烴源巖TOC與Mg/Ca的關系

3.2 中—高鹽度是優質烴源巖發育的有利水體環境

Sr/Ba是沉積巖中重要的古鹽度指標，通常Sr/Ba高值指示高鹽度的半咸水—咸水環境，而較低的Sr/Ba值則指示低鹽度的淡水—微咸水環境。一般認為，淡水環境中 Sr/Ba＜0.5，半咸水環境中 0.5＜Sr/Ba＜1.0，咸水環境中 Sr/Ba＞1.0［19-20］。東濮凹陷烴源巖 TOC 具有隨著Sr/Ba值增大而增大的特征（見圖4）。在Sr/Ba＞1.0的樣品中，TOC＞1.0%的烴源巖占比更高，表現出中—高鹽度水體環境中優質烴源巖更為發育的規律，這也是東濮北部含鹽區高豐度烴源巖更發育的原因。

圖4 東濮凹陷烴源巖TOC與Sr/Ba的關系

縱向上，隨著湖盆水體蒸發，水體鹽度增大，當水體鹽度達到鹽的最大溶解度后，鹽類物質即沉積形成東濮凹陷厚層的鹽巖。從烴源巖中γ蠟烷/C30H值與鹽巖距離的關系來看，距鹽巖越近，γ蠟烷/C30H值越高。距鹽巖10 m左右時，γ蠟烷/C30H值可達到1.0左右；鹽下5 m左右的烴源巖，γ蠟烷/C30H值甚至達到了4.0左右。——表明γ蠟烷指數在東濮凹陷能夠較好地指示水體的鹽度，是很好的水體古鹽度指標。這也是東濮凹陷北部含鹽區烴源巖往往具有γ蠟烷/C30H高值的主要原因。

3.3 強還原環境是優質烴源巖形成的有利保存條件

烴源巖和原油飽和烴——類異戊二烯烴中的Pr/nC17與Ph/nC18，能夠較好地指示烴源巖和原油形成的氧化還原環境。圖5反映的是東濮凹陷不同環境烴源巖Pr/nC17與Ph/nC18的關系。由圖可以看出：北部地區烴源巖沉積時的水體還原性更強，在圖版中主要分布于鹽湖相、強還原區域內；南部地區烴源巖形成時水體還原性質稍弱，在圖版中主要分布于弱還原區域內。

圖5 東濮凹陷不同環境烴源巖Pr/nC17與Ph/nC18的關系

4 結論

1）對東濮凹陷古近系烴源巖的分析認為：北部地區烴源巖有機質豐度自鹽湖中心向周邊逐漸降低，有機質類型逐漸變差，優質烴源巖較為發育，具有環鹽巖帶狀分布的特征；南部地區烴源巖有機質豐度整體較低，有機質類型差，優質烴源巖較少。

2）沉積環境的差異造成了烴源巖中有機質來源的不同，從而導致不同區帶烴源巖生標參數具有明顯的差異：北部含鹽區以（C26+TT）/C30H＞0.4、γ 蠟烷/C30H 大于 0.5、4-甲基甾烷/C29大于 0.4、C27＞C29為主要特征；北部無鹽區與含鹽區相比，C26+TT和C27優勢略有減弱，其余特征相似；南部淡水區γ蠟烷、C26+TT和4-甲基甾烷質量分數均較低，規則甾烷C29優勢明顯。

3）東濮凹陷古近系間歇發育溫濕氣候，這一時期中—高鹽度、強還原的水體環境有利于優質烴源巖的發育，是東濮凹陷優質烴源巖發育的主要原因。