東濮凹陷北部低有機質豐度烴源巖高效成藏機理

鹿坤 ，李長春 ，周峰 ，張成富 ，徐田武

（1.中國石化中原油田分公司勘探開發研究院，河南 濮陽 457001；2.中國石化中原油田分公司文衛采油廠，河南 濮陽 457001）

東濮凹陷北部面積1 800 km2，烴源巖總有機碳質量分數（TOC）平均為0.80%，70%的巖心樣品TOC低于1.00%。按陸相烴源巖的評價標準，該區域烴源巖屬于低有機質豐度烴源巖。截至2020年底，東濮凹陷探明石油地質儲量58 165×104t，探明率為55.3%，探明天然氣地質儲量667.5×108m3，探明率為19.7%；且油氣探明儲量的90%都在北部。按儲量規模分類，該凹陷屬于大型油田。低有機質豐度烴源巖、高儲量豐度，其高效成烴成藏機理值得探究。目前，國內外對低有機質豐度烴源巖的研究多集中在對其有機質豐度下限的判識方面［1-3］。前人對東濮凹陷烴源巖生烴潛力方面的研究比較深入［4-14］，但對北部烴源巖低豐度的原因及其高效成藏的機理未曾研究。本文運用有限空間熱壓模擬、鏡下鑒定等方法對此進行了分析探討，研究成果可為東濮凹陷油氣富集規律、資源評價、頁巖油氣及同類型油氣勘探提供依據。

1 地質概況

東濮凹陷位于渤海灣盆地南緣，東側以蘭聊斷層為界，西側與內黃隆起相接，南至蘭考凸起，北到馬陵斷層，總體呈北北東向展布，南寬北窄，面積約5 300 km2［15］。本次研究區域為東濮凹陷北部地區，包括含鹽區和無鹽區（見圖1）。

圖1 東濮凹陷構造單元劃分

東濮凹陷具有遠源匯聚、高隆閉流的沉積特點，細粒沉積巖廣泛發育。北部鹽巖發育，主要發育沙一鹽、沙三上鹽、衛城上鹽、衛城下鹽等，形成了多套以鹽巖為蓋層的儲蓋組合，油氣具有近源聚集的特點；暗色泥巖主要分布在古近系沙河街組，其中，沙一段、沙三上亞段、沙三中亞段、沙三下亞段和沙四上亞段是主力烴源巖發育段。

2 低有機質豐度烴源巖地球化學特征

2.1 有機質豐度

東濮凹陷北部含鹽區優質烴源巖以石灰質或白云質頁巖為主，TOC平均為1.46%，TOC大于1.00%的烴源巖占比超過35%；半咸水環境烴源巖多為塊狀泥巖，TOC主要在0.30%～1.50%，平均為0.65%，生烴潛力中等。由此可見越靠近鹽巖發育區，有機質豐度越高。從縱向上來看：北部沙四上、沙三下亞段烴源巖好于沙三中、沙三上亞段，特別是前梨園洼陷沙四上亞段鹽間優質烴源巖TOC最高可達6.00%；其次是沙三下亞段烴源巖，TOC平均為1.48%，生烴潛量平均為8.58 mg/g，氯仿瀝青“A”平均為0.39%，為好—優質烴源巖；沙三上亞段烴源巖有機質豐度最差，為差—中等烴源巖。按照中國陸相生油層評價標準判斷，東濮凹陷北部烴源巖總體屬于差—中等烴源巖。

2.2 有機質類型

東濮凹陷北部干酪根類型以Ⅱ1型和Ⅱ2型為主，占比分別為30%，40%，兼有部分Ⅰ型和Ⅲ型（見圖2）。從平面上來看：含鹽區干酪根類型以Ⅱ1型和Ⅱ2型為主，占比分別為30%，40%；無鹽區干酪根類型以Ⅱ2型為主，占比為50%。——含鹽區干酪根類型略好于無鹽區。這說明古沉積環境對烴源巖生物來源起著重要的控制作用：含鹽區為封閉的還原環境，以溝鞭藻等水生生物來源為主；無鹽區為半開放環境，陸源高等植物占一定的比例，干酪根類型略差。

圖2 東濮凹陷北部干酪根類型判別

2.3 生物標志化合物特征

總體來看：東濮凹陷北部烴源巖正構烷烴碳數分布以前峰型為主，具有植烷優勢；γ蠟烷質量分數高，指示咸水強還原環境（見圖 3a）；甾烷 C27，C28，C29呈“L”型分布（見圖3b），以水生生物來源為主。但含鹽區和無鹽區烴源巖生物標志化合物特征略有差別——含鹽區γ蠟烷質量分數高于無鹽區，含鹽區甾烷C27，C28，C29質量分數呈“L”型分布，無鹽區甾烷 C27，C28，C29質量分數則部分呈“V”型分布。這說明越靠近鹽巖發育區，古生物來源越好。

圖3 東濮凹陷北部生物標志化合物特征

3 低有機質豐度烴源巖高效排烴因素

3.1 凹陷北部儲層高溫、高壓、頻繁砂泥巖互層

東濮凹陷北部儲層埋深大，熱演化程度高，鏡質組反射率（Ro）可達2.0%；普遍發育超壓，壓力系數最高可達2［16-17］；凹陷層序發育具有高頻振蕩特征，湖平面變化頻率大于1 000次/Ma，致使砂泥巖互層普遍發育。

熱壓模擬實驗表明，演化程度越高，殘余TOC越低（見圖4）。東濮凹陷熱演化程度高，這是其有機質豐度普遍偏低的重要原因。

圖4 明8井殘余TOC隨Ro的變化

東濮凹陷超壓發育，從前參2井異常高壓與排烴效率的關系（見圖5）可以看出，超壓區排烴效率明顯高于常壓區。

圖5 前參2井異常高壓與排烴效率的關系

熱壓模擬實驗證實，排烴方式不同，則排烴效率差異明顯，少量多次的排烴方式排烴效率最高。東濮凹陷頻繁砂泥巖互層，更利于烴類的排出。

熱壓模擬實驗還證實，東濮凹陷有機碳恢復系數和排烴效率明顯偏高。從明8井有限空間熱壓模擬實驗結果可以看出，在主力生烴階段（Ro在1.0%～2.5%），有機碳恢復系數介于2.5～2.8，排烴效率大部分介于60%～90%，明顯高于其他凹陷（見圖6）。

圖6 明8井有機碳恢復系數、排烴效率隨鏡質組反射率的變化

3.2 東濮凹陷北部典型的咸水環境

從東濮凹陷北部烴源巖樣品飽和烴色譜的Pr/Ph（即姥鮫烷與植烷質量比）來看，80%樣品的Pr/Ph小于0.8；從烴源巖樣品的微量元素Sr/Ba（Sr與Ba質量比）來看，均大于1：指示東濮凹陷北部為典型咸水環境。

雖然鹽湖盆地水體鹽度高，不利于淡水生物的生存，但現代鹽湖環境證明，一些嗜鹽的藻類、菌類等，可以在氣候條件適當的情況下勃發。東濮凹陷鹽湖環境的優質烴源巖由溝鞭藻、藍藻等組成，鏡下觀察為金色或黃色強熒光，與碳酸鹽構成紋層狀分布（見圖7）。

圖7 東濮凹陷鹽湖環境烴源巖富集有機質鏡下照片

一般淡水沉積環境的藻類體原始生產力（即單位時間、面積生產的有機碳質量）為 300～400 g/（m2·a），而咸水環境藻類體原始生產力為 1 114～4 102 g/（m2·a），是淡水環境的4～10倍。從TOC與古鹽度（ζs）關系（見圖8）可以看出，ζs在 18‰～30‰時，TOC 最高。

圖8 東濮凹陷古近系TOC與ζs的關系

從咸水和半咸水湖相泥巖生排烴模式對比來看：咸水環境烴源巖（如衛20井）生油高峰的Ro為0.8%，總生油率wo（即單位質量有機碳的生油質量）為699.2 kg/t；半咸水環境烴源巖（如胡19-23井和明8井）生油高峰的 Ro為 1.2%，wo為 600.0～650.0 kg/t（見圖 9）。——說明咸水環境烴源巖具有早生烴、早排烴、生烴率高、生烴周期長的特點。究其原因，一是東濮凹陷發育巨厚鹽層，而鹽具有較高的熱導率和聚熱性能，利于與之緊密相鄰的烴源巖早期生烴；二是無機鹽類溶液屬于強電解質溶液，降低了C—C鍵的鍵能，有利于有機質的脫羧生烴。

圖9 不同環境烴源巖生排烴模式

3.3 東濮凹陷多套鹽巖優良的封蓋能力

東濮凹陷鹽巖發育［18-21］，分布廣，厚度大，純鹽層累加厚度最大達2 000 m以上，鹽巖具有極好的封蓋性能，利于油氣聚集保存。從東濮凹陷的油氣分布來看，探明儲量主要分布在沙二段和沙三中亞段；同樣，東濮凹陷鹽巖分布最廣的為沙一鹽和沙三中鹽。這說明鹽巖的分布決定了東濮凹陷油氣的分布。

橫向上，鹽巖與碎屑巖砂體具有長消關系（鹽進砂退、鹽退砂進）；縱向上，砂體與鹽巖存在著指狀交錯關系。鹽巖與砂巖、構造相配合，易形成多種類型油氣藏，如鹽巖作為側向封堵形成砂巖上傾尖滅油氣藏、鹽下背斜油氣藏、鹽巖上蓋+側向封堵油氣藏、鹽巖上蓋+斷層封堵油氣藏等。

綜上所述，東濮凹陷北部儲層高溫、高壓、頻繁砂泥巖互層的特點，決定了烴源巖排烴效率高，有機質豐度普遍偏低，而典型的咸水環境使得烴源巖原始生產力高、早生烴、早排烴、生烴周期長、生烴率高，加上東濮凹陷多套鹽巖具有優良的封蓋能力，利于油氣的聚集保存。這就是東濮凹陷北部烴源巖有機質豐度低而儲量豐度高的高效成烴成藏的原因和機理。

4 結論

1）東濮凹陷高溫、高壓、頻繁砂泥巖互層的特點，決定了烴源巖排烴效率高、有機碳恢復系數大，而殘余TOC低。

2）東濮凹陷北部為典型的咸水環境，咸水烴源巖母質類型為溝鞭藻、藍藻等水生生物，原始生產力高，具有早生烴、早排烴、生烴周期長、生烴率高等特點。

3）東濮凹陷發育多套鹽巖，利于油氣的聚集保存，易形成多種類型的油氣藏。