辽河西部凹陷富有机质沉积识别及控制因素探讨

曲彦胜

（中石化胜利油田分公司西部新区研究中心，山东 东营 257061 油气资源与探测国家重点实验室 （中国石油大学 （北京）），北京 102249）

钟宁宁，刘岩

（油气资源与探测国家重点实验室 （中国石油大学 （北京）），北京102249）

李园园

（中石化胜利油田分公司东辛采油厂，山东 东营 257061）

孙莎莎

（中国石油勘探开发研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007）

我国东部断陷湖盆中的烃源岩存在纹层状富有机质和低丰度烃源岩，其中富有机质烃源岩多呈纹层状发育，有机质丰度高，可大于10%［1，2］。而对于富有机质沉积的空间分布，目前普遍认为其在三级层序格架下的水进体系域的上部和高水位体系域的下部，也就是最大湖泛面附近发育［3］，但是对其识别和分布规律的研究认识程度仍较低。为此，笔者尝试以东部典型断陷盆地渤海湾盆地富油气凹陷辽河西部凹陷为例，识别富有机质沉积并结合优质烃源岩的空间展布规律，查明其发育的主控因素，从而更深入认识断陷湖盆优质烃源岩发育机制与沉积模式，为预测陆相断陷湖盆烃源岩发育及正确认识资源潜力提供更加可靠的依据，对于我国东部精细勘探具有重要的理论与现实意义。

1 研究区概况

辽河西部凹陷是辽河断陷3个凹陷中最大的一个，是一个东断西超、东陡西缓的箕状断陷。烃源岩分布层位多 （从沙四段 （Es4）到东营组 （Ed）均有分布）、面积广 （遍布6个次级洼陷）。其中Es3（沙三段）、Es4烃源岩较发育，主要发育一套黑灰－深灰色泥岩，灰色泥岩、褐灰色泥岩和灰褐色油页岩等，有机质丰度高，质量较好［4］。从各层序反映有机质丰度的指标 （TOC （总有机碳含量），氯仿沥青 “A”含量及总烃含量）（见图1）来看，各层序烃源岩TOC在1%～2.5%，氯仿沥青 “A”含量在0.05%～0.2%，总烃含量平均值在200～800μg／g。

2 富有机质沉积的识别特征

2.1 微观特征

图1 辽河西部凹陷Es3、Es4烃源岩特征

富有机质层沉积主要以油页岩组合、油页岩－泥 （灰）质岩组合、泥灰岩－灰质泥岩组合3类岩石组合为主。显微镜下观察其往往具有清晰的纹层结构，根据矿物和有机质的组成可分成如下几类:由细粒方解石组成的碳酸盐岩层、黄铁矿的纹层以及富含泥质矿物的纹层。在荧光下可以见到藻类物质充分降解形成的富有机质 “暗层”与矿物沥青基质 “亮层”交替出现 （见图2），显微组分以腐泥组为主，镜质组含量低，反映其主要以来源于低等水生生物如菌藻类生源为主。藻类呈纹层状出现，但没有出现代表强还原环境的黄铁矿纹层，反映当时可能并未出现强还原的沉积环境。在所选的这些样品中，藻类纹层主要出现在沙三段以及沙四段。沉积相类型主要是扇三角洲前缘亚相和滨浅湖－半深湖亚相，岩性以深灰色泥页岩和油页岩为主，主要分布于西部斜坡靠近凹陷中心的部位以及牛心坨－台安洼陷。

图2 辽河西部凹陷烃源岩显微组分全岩荧光特征 （荧光×100）

2.2 地球物理响应特征

如何从丰富的地球物理资料中有效识别富有机质沉积一直是石油地质家们努力的方向之一。从20世纪50年代开始，Dumesnil［5］等国内外学者就尝试根据不同有机质含量的泥岩、碳酸盐岩在测井曲线上的响应差异来计算烃源岩中有机质的含量。高丰度烃源岩在测井曲线上表现为四高一低的响应特征:高电阻率响应、高声波时差响应、高自然伽马响应、高中子孔隙度响应以及低密度响应。根据不同测井曲线的响应特征可以估算烃源岩中有机质的含量，Passey等［6］认为结合电阻率－孔隙度曲线的ΔlgR方法在计算TOC时准确性较高，根据测井曲线上的响应以及热解实测数据可以计算烃源岩中的TOC。笔者以ΔlgR方法为基础，结合研究区实际情况，利用:

推导6个次级洼陷的计算公式，计算辽河西部凹陷不同层序烃源岩的TOC （见图3），结果显示计算值与实测值吻合度高。式中，Δt为声波时差，μs／ft；R为电阻率，Ω·m；A、B、C为常数，包含了地层、孔隙度以及岩性等多方面的影响因素，通过拟合公式获得。

图3 辽河西部凹陷中北部Es4联井剖面

3 富有机质的沉积空间分布特征

以资料较丰富的北部牛心坨洼陷为例，在层序格架下对富有机质层的分布进行分析。从图3中看出，张1井Es4有机质丰度在纵向上具有明显的非均质性，有机质丰度变化范围为0.2%～6.33%，高丰度层段出现在SQ1湖侵体系域的上部和高水位体系域的下部以及SQ1、SQ2层序界面，沉积环境以半深湖亚相为主。在高水位体系域的下部和SQ1、SQ2层序边界的砂泥岩互层段，烃源岩有机质丰度较高；而体系域内部，在大套的厚层泥岩段TOC值反而较低，富有机质沉积并不发育。这一现象说明在湖侵体系域上部和高水位体系域下部以及层序边界部位 （一套稳定泥岩之后的砂泥岩互层中的泥岩）可能较有利于富有机质沉积发育；而在体系域内部的稳定沉积阶段，虽然发育厚度较大的泥岩，但由于沉积环境稳定，水体深度变化不大，富有机质沉积反而并不发育。

4 富有机质沉积分布的控制因素

有学者通过对海洋中黑色页岩的研究认为，开放的大洋环境中富营养物质主要来自透光带，并且受水体分层的控制，同时，海洋中富含有机质沉积主要在静海封闭的环境中发育，而在缺氧环境中的沉积物并不都富含有机质，富有机质形成的关键是沉积物中有机质的输入，而不是氧化还原环境［7］。另有学者认为水体分层，缺氧的环境对于富有机质的沉积起着决定性作用［7，8］。国内学者通过对渤海湾盆地东营凹陷富有机质的控制因素和沉积环境的研究认为，表层水的高生产力与底层水的缺氧环境叠合的区域即是富有机质沉积发育的部位［9］。下面，笔者通过探讨烃源岩发育时期古生产力状况以及湖盆类型来研究控制富有机质沉积的因素。

4.1 较高的古生产力条件控制了富有机质沉积发育

岩石中的微量元素含量以及其比值可以反映古环境以及古生产力的大小，辽河西部凹陷Es3、Es4沉积时期的Ni值大于60μg／g，Ba值达到1000μg／g以上，对应较高的有机质丰度，2者具有一定的相关性。通过对辽河西部凹陷不同构造部位15口井的烃源岩49块样品进行全岩光片分析鉴定，显微镜下观察到共6口井的岩石薄片出现藻类勃发的纹层结构，镜下表现为岩石具有清晰的纹层结构，荧光下可见基质为矿物沥青基质，藻类物质充分降解形成的富有机质 “暗层”与矿物沥青基质 “亮层”交替出现（见图2）。在顺层切面上可见藻类体呈团块状，反映Es3、Es4沉积时期营养物质供应充足，浮游藻类等水生生物繁盛，导致沉积有机质含量高。研究区Es3、Es4在牛心坨－台安洼陷以及西部斜坡存在纹层状藻类勃发，同样是反映该时期具有高古生产力的直接证据，藻类生物种类和数量的爆发形成较高的初级生产力，同时会导致水体中含氧量的降低，使水体缺氧带范围扩大，形成水体深度较浅的缺氧环境，有利于富有机质沉积的保存。这些都反映了古生产力对富有机质沉积的控制作用。

4.2 欠补偿湖盆类型有利于发育富有机质沉积

通过分析研究区烃源岩的地球化学参数，结合构造演化条件，可以获得古湖泊水体沉积环境的信息。研究区Es3、Es4Pr／Ph值范围0.41～1.28，平均0.73；伽马蜡烷指数达0.2以上；微量元素中反映氧化还原环境的V／（V＋Ni）值达0.5以上，均代表了较还原的水体环境，反映水体咸度的B／Ga值达5以上，代表微咸的水体环境。可以看出在凹陷北部形成了水体较深的半封闭咸化水体环境，湖盆处于欠补偿阶段。辽河西部凹陷沙司时期在构造上处于湖盆初始裂陷阶段，Es3时期的湖盆深陷阶段在北部牛心坨洼陷，中北部的陈家－盘山洼陷以及南部清水洼陷形成湖泊水体从北向南深度增加，水体咸度减小，地表淡水输入逐渐增多的沉积环境，整个湖盆处于欠补偿型向正常型过渡的阶段。在各洼陷中心以及靠西部斜坡一侧均可以形成较深水体环境，出现水体分层，在底部形成较还原的水体环境，无论是在湖盆中央，还是斜坡区域都为富有机质沉积的发育提供了良好的保存条件。

4.3 可容空间变化影响了富有机质沉积的形成

Es4沉积时期，双台子断层、兴西断层等NE向断层发育，但整个盆地处于拗断阶段，北部牛心坨洼陷以及陈家－台安洼陷沉降明显，同时陆源碎屑供应不充分，可容空间增大，水体较深，沉积环境为半封闭的咸化湖盆。Es3沉积时期，盆地处于深陷阶段，台安－大洼断裂是这一阶段盆地的主控边界断层，盆地整体是在台安－大洼断裂铲式正断层控制下发育的东南断－北西超的半地堑，盆地边界断层控制沉降－沉积作用。形成了多级的同沉积断裂构造带，湖盆可容空间从斜坡向湖盆中心逐渐增大，除了湖盆中心外在构造坡折带同样存在水体较深、可容空间较大的区域。多级断坡带的发育使得湖盆特别是斜坡水体深度变化频繁，同时构造沉降使得较深水区域形成湖水分层。陆源碎屑虽然带来了更多的有机组分，但是来自陆源高等植物的有机组分并不能形成富有机质沉积，由于来自陆源的碎屑输入会带来大量的砂质碎屑，对有机质产生稀释作用，导致湖盆可容空间减小，有机质丰度降低。

图4为张1井Es4烃源岩富有机质沉积剖面上的分布，从图4可以看出，位于北部的牛心坨洼陷的张1井，Es4上部从SQ1层序进入SQ2层序，沉积相类型由半深湖亚相向扇三角洲前缘亚相过渡，岩性组合由深灰色泥岩过渡为砂泥岩互层，由于进积作用不断加强，陆源碎屑输入不断增加导致对有机质的稀释作用，有机质丰度在A段自下而上逐渐减少，TOC高值出现在层序界面附近。SQ1层序湖侵体系域上部向高水位体系域过渡，有机碳丰度自下而上在C段先减少后在C、B界面处突然出现高值，这是由于湖侵体系域晚期，盆地沉降迅速，可容空间增大导致的湖泊水平面上升造成的。这与Creaney，Passey等［10］对海相烃源岩TOC随层序体系域变化的特征类似，最大洪泛期附近的沉积物可能是烃源岩最发育的层段。综合以上分析，认为辽河西部凹陷富有机质沉积发育的主控因素是较高的古生产力，同时构造沉降形成的较深的水体环境，出现水体分层也非常重要，欠补偿湖盆类型有利于发育富有机质沉积。

图4 张1井Es4烃源岩富有机质沉积剖面上的分布

5 结语

辽河西部凹陷Es3、Es4沉积时期较高的古生产力导致富有机质沉积不仅在次级洼陷中心的半深湖－深湖亚相发育，也在靠近湖盆中央的西部缓坡带的扇三角洲前缘亚相中发育，缓坡带高有机质生产力与保存条件的协同作用而有利于富有机质沉积的形成。尽管在缓坡带形成的富有机质沉积相对较薄，但它直接与孔渗性较好的砂岩储层呈指状互层交叉发育，有利于富有机质沉积生成的油气直接运移至储层并富集成藏，对油气成藏可能具有更高的聚集效率。

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［4］郭永强，刘洛夫 .辽河西部凹陷沙三段岩性油气藏主控因素研究 ［J］.岩性油气藏，2009，21（2）:20－23.

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