渤海海域庙西北洼烃源岩特征研究

陈保柱，王飞龙，汤国民，周园园，姚 佳，陈 磊

(中海石油(中国)有限公司天津分公司 勘探部，天津 300459)

引 言

庙西北洼位于渤海海域东部，郯庐断裂带之上，在庙西北凸起和渤南凸起已发现多个大中型油气田，具有重要的勘探价值。由于庙西北洼勘探程度较低，揭示烃源岩层的井很少，对该凹陷烃源岩特征的认识不清，其供烃能力尚不明确，严重制约了下一步油气勘探。本文利用地球化学分析和盆地模拟手段对庙西北洼烃源岩特征进行详细研究，进一步明确其生烃潜力，为下一步勘探提供理论支持。

1 区域概况

庙西凹陷处于华北板块，是在中生代盆地基底之上发育起来的新生代凹陷，位于渤海湾盆地东南部。庙西地区总体为二凸三洼结构，凸起包括北部的庙西北凸起和南部的庙西南凸起，庙西凹陷则由北洼、南洼和东洼3个洼陷组成(图1)。各次洼的结构差异较大，庙西北洼以庙西北凸起为界，位于渤中凹陷以东、渤东凹陷以南，面积约470 km2[1-7]。在庙西地区断-拗构造演化控制下，庙西北洼夹持于庙西北凸起和庙西南凸起之间，为庙西北凸起东南侧北东向边界大断裂(庙西I号断裂)控制的典型箕状洼陷。洼陷西北断，东南超，呈北东-南西向展布。在渤海湾新生代构造与沉积发育特征控制下，庙西凹陷主要沉积地层自下而上发育古近系沙河街组一段(E3s1)、 东营组二段(E3d2u+E3d2L)、东营组三段(E3d3)，新近系馆陶组(N1g)、明化镇组(N2m)和第四系平原组(Qp)地层。庙西北洼缺失古近系沙河街组二段及以前地层和东营组一段地层。

图1 渤海湾盆地庙西凹陷区域构造分布Fig.1 Regional tectonic distribution of Miaoxi sag in Bohaiwan Basin

2 样品与实验

本次研究采集的烃源层样品共83个，针对PL14-3-1、PL14-6-1井，分别采集了东二上段(E3d2u)岩屑样品13个，东二下段(E3d2L)岩屑样品35个，东三段(E3d3)岩屑样品22个，沙河街组岩屑样品13个(表1)。本研究对烃源岩进行了有机碳、镜质组反射率(Ro)、全岩显微组分测定、索氏抽提、族组分分离、饱和烃色谱(GC)分析等实验。

表1 烃源岩样品采集信息Tab.1 Collection information of source rock samples

3 烃源岩地球化学特征

3.1 有机质丰度

有机质丰度是指单位质量烃源岩中有机质的数量。在其他地质条件相近的前提下，岩石中有机质的丰度越高，其生烃能力越强。目前，衡量烃源岩中有机质丰度的地球化学指标主要有总有机碳(TOC)、氯仿沥青“A” 、总烃(HC)含量和生烃潜量(S1+S2)[7-10]。

研究区不同层段烃源岩有机质丰度存在明显差异，但不同井位相同层段的烃源岩有机质丰度却较为接近(图2)。PL14-3-1井东二上亚段烃源岩有机质丰度较低，其TOC质量分数平均为0.84%，S1+S2平均为2.88 mg/g，氯仿沥青“A”质量分数平均为0.29‰；东二下亚段烃源岩有机质丰度较高，其TOC质量分数平均为1.62%，S1+S2平均为9.04 mg/g，氯仿沥青“A”质量分数平均为2.59‰；东三段烃源岩有机质丰度最高，源岩样品TOC质量分数、S1+S2与氯仿沥青“A”质量分数平均值分别为2.28%、12.10 mg/g与4.95‰；沙一段烃源岩样品有机质丰度较高，其TOC质量分数平均为1.81%，S1+S2平均为6.90 mg/g，氯仿沥青“A”质量分数平均为2.90‰。PL14-6-1井东二上亚段烃源岩有机质丰度较低，其TOC质量分数平均为0.90%，S1+S2平均为2.04 mg/g，氯仿沥青“A”质量分数平均为0.53‰；东二下亚段烃源岩有机质丰度较高，其TOC质量分数平均为1.58%，S1+S2平均为8.90 mg/g，氯仿沥青“A”平均为2.34‰；东三段烃源岩有机质丰度高，其TOC质量分数平均为1.89%，S1+S2平均为10.12 mg/g，氯仿沥青“A”质量分数平均为3.88‰；沙一段烃源岩有机质丰度较高，其TOC质量分数平均为1.95%，S1+S2平均为9.04 mg/g，氯仿沥青“A”质量分数平均为4.03‰。按中国石油天然气总公司1995年发布的烃源岩评价行业标准，东二上段烃源岩为中等烃源岩，东二下段和沙一段为好烃源岩，东三段为优质烃源岩。

3.2 有机质类型

由于不同来源、不同组成的有机质生烃潜力有很大差别，因此，要客观认识烃源岩的生烃能力和性质，仅仅评价烃源岩的有机质丰度是不够的，还必须对有机质的类型进行评价[7-10]。有机质/干酪根的类型是衡量有机质产烃能力的参数，同时也决定了产物是以油为主还是以气为主。

有机质的类型既可以由不溶有机质的组成特征来反映，也可以由其产物来反映。目前，国内外对干酪根类型的划分主要根据其成因和成分，如：根据生物来源、全岩显微组分、干酪根元素组成、Rock-Eval热解特征、有机质的红外光谱特征、碳同位素、有机质热解产物或烃源岩抽提物的生物标志化合物特征等。由于资料有限，本次研究主要依据烃源岩热解参数和烃源岩干酪根元素组成对烃源岩进行类型划分。

3.2.1 基于干酪根元素组成的有机质类型划分 本次研究采用Tissot和Welte[11]根据干酪根C、H、O元素组成将干酪根划分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ型的方法划分有机质类型。现仅有PL14-3-1井与PL16-1-1井部分烃源岩样品干酪根元素组成分析数据。如图3(a)所示，PL14-3-1井东营组和沙河街组烃源岩样品干酪根H/C原子比和O/C原子比分布较为集中，其分布范围分别为0.93～1.23和0.05～0.13，表明烃源岩样品以Ⅱ型干酪根为主， 部分样品为Ⅰ型干酪根。东二上亚段与沙河街组一段烃源岩为Ⅱ型干酪根， 东二下亚段与东三段烃源岩干酪根类型以Ⅱ型为主， 部分样品为Ⅰ型(图3(b)—图3(d))。

3.2.2 基于烃源岩Rock-Eval热解参数的有机质类型划分 研究区烃源岩有机质类型主要为Ⅱ型。其中，东二上亚段烃源岩有机质类型以Ⅱ2型为主；东二下亚段烃源岩有机质类型主要为Ⅱ1型，部分为Ⅱ2型；东三段烃源岩有机质类型主要为Ⅱ1型，少数为Ⅱ2型；沙一段烃源岩有机质类型主要为Ⅱ2型，少数为Ⅱ1型(图4)。

图3 庙西北洼PL14-3-1井烃源岩干酪根元素组成Fig.3 Element composition of source rock kerogen of well PL14-3-1 in the north subsag of Miaoxi sag

图4 庙西北洼不同层段烃源岩Tmax与IH交会图Fig.4 Tmax-IH cross-plot of hydrocarbon source rocks in different layers in the north subsag of Miaoxi sag

3.3 有机质成熟度

Tmax是Rock-Eval热解仪分析所得到的S2峰的峰顶温度，对应实验室恒速升温条件下热解产烃速率最高的温度。Espitalie J (1986) 研究表明，有机质类型为Ⅱ型的烃源岩在Ro为0.40%～0.50%时开始生油，对应的Tmax为430～435 ℃；与Ⅰ型有机质类似，在Ro=1.0%时达到生油高峰，干酪根降解基本结束，此时Tmax约为450 ℃；当到凝析油和湿气生成阶段(Ro=1.3%)，对应Tmax值为455 ℃。

PL14-3-1与PL14-6-1井烃源岩样品Tmax值均高于435 ℃，且随烃源岩埋藏深度的增加，Tmax值呈线性递增(图5)。PL14-3-1井烃源岩在埋深增加至3 050 m(东二下亚段下部)时，Tmax值达到440 ℃，表明从此深度段开始，烃源岩进入成熟热演化阶段；东三段和沙一段烃源岩Tmax值略高，主体介于440～445 ℃，表明烃源岩仍处于成熟热演化阶段。埋深相对较浅的PL14-6-1井烃源岩比PL14-3-1井同一层段的烃源岩Tmax值要高2 ℃，Tmax值在东二上亚段中部(2 450 m)即已达到440 ℃，比PL14-3-1井浅了600 m，这可能与研究区凸起区的地温梯度高于凹陷内部的地温梯度密切相关；沙一段底部烃源岩Tmax值达到445 ℃，表明其处于成熟阶段。综上所述，PL14-3-1与PL14-6-1井东二段烃源岩主体处于低成熟—成熟阶段，东三段与沙一段烃源岩处于成熟阶段。

图5 庙西北洼PL14-3-1与PL14-6-1井烃源岩Tmax值剖面Fig.5 Tmax value profiles of source rock of well PL14-3-1 and well PL14-6-1 in the north subsag of Miaoxi sag

4 烃源岩分子地球化学特征

4.1 正构烷烃

正构烷烃是烃源岩有机组成中的最重要组分之一，广泛分布于菌类、藻类及高等植物等生物体中，是相同碳数烃类中最稳定的化合物，它往往是烃源岩岩石抽提物饱和烃馏分中的主要成分，不仅能提供有关生烃母质方面的信息，而且还能反映源岩的沉积环境和演化特征，可提供多种地质地球化学信息[7-10]，如有机质的成因和来源、有机质类型、沉积环境性质和热演化程度等。不同来源的正烷烃的组成特征也有较大差异，一般认为来自低等浮游生物和藻类脂肪酸的低碳数的正构烷烃碳数分布范围小于C20，呈前单峰型分布；而以高等植物为生源母质的，则表现为主峰碳靠近高碳数，高碳数部分较丰富，低碳数部分贫乏，呈后峰型。另外，正构烷烃分布特征、碳优势指数(CPI)、奇偶优势(OEP)等指标也能表征有机质的演化程度。

图6为庙西北洼PL14-3-1与PL14-6-1井东营组与沙河街组不同层段典型烃源岩样品饱和烃色谱图。烃源岩样品饱和烃色谱图碳数分布范围为nC14—nC33，正构烷烃均呈前峰型分布，主峰碳数分布范围为nC16—nC20。PL14-6-1井东二上亚段烃源岩正构烷烃以nC15—nC19占绝对优势，nC20+丰度极低；东二下亚段、东三段和沙一段烃源岩也以低碳数正构烷烃(nC15—nC18)占优势，但nC19+丰度相对东二上亚段烃源岩有明显增加。PL14-3-1井东三段与沙一段烃源岩饱和烃色谱图呈以nC18为主峰的正态分布。

东二上亚段、东二下亚段烃源岩样品饱和烃色谱图nC20—nC29存在明显的奇偶优势(图6)，其CPI值分布范围分别为1.44～1.80、1.27～1.59，OEP值分别介于0.80～0.83、0.85～1.42，表明东二段烃源岩尚未成熟。东三段与沙一段烃源岩饱和烃色谱图中正构烷烃的分布并无奇偶优势现象，东三段烃源岩CPI值介于1.08～1.43，OEP值介于0.88～1.09；沙一段烃源岩CPI值介于1.16～1.18，OEP值介于0.90～0.99，表明东三段与沙一段烃源岩已达到成熟热演化阶段。

东二上亚段、东二下亚段、东三段与沙一段烃源岩轻重比(ΣnC21-/ΣnC22+)分布范围分别为4.11～16.02、1.05～2.48、1.10～1.87与1.30～2.22，前已述及，东二段烃源岩主体处于低熟阶段，东三段与沙一段处于成熟阶段，因此，烃源岩饱和烃正构烷烃较高的轻重比值反映烃源岩有机质母质中水生生源有较大的贡献。

图6 庙西北洼典型烃源岩饱和烃气相色谱Fig.6 Typical saturated hydrocarbon gas chromatograms of hydrocarbon source rock in the north subsag of Miaoxi sag

4.2 类异戊二烯烷烃

植烷系列的组成特征与烃源岩的沉积环境密切相关。一般而言，还原环境形成的烃源岩具有一定的植烷优势，其姥植比常小于1.0，如一些咸水-半咸水的沉积环境就具有这一特征；形成于弱还原-弱氧化环境中的烃源岩姥植比通常介于1.0～2.0；形成于弱氧化环境中的烃源岩则具有明显的姥鲛烷优势，其姥植比常大于2.0，如河湖及滨海沼泽或浅湖-海环境下形成的烃源岩即属此类。

就庙西北洼不同层段烃源岩而言，均具有较明显的姥鲛烷优势，其姥植比介于1.28～2.58，表明这些烃源岩沉积于弱还原-弱氧化的沉积环境。但不同层段烃源岩的植烷系列组成特征存在较明显差异。东二上亚段烃源岩样品Pr/Ph值介于1.28～2.07，均值为1.71；东二下亚段烃源岩呈现出较强的姥鲛烷优势，Pr/Ph值介于1.89～2.58，均值为2.25；东三段烃源岩样品取自PL14-3-1和PL14-6-1井，其Pr/Ph值较为分散，分布于1.32～2.53，均值为1.99；沙一段仅取到2个样品，呈较弱的姥鲛烷优势，其Pr/Ph值分别为1.43、1.86。姥植比受控于沉积环境的氧化还原性，因此，姥植比的差异反映了研究区沙一段至东二下亚段烃源岩沉积时水体的氧化性逐渐增强，至东二上亚段沉积时氧化性又有所减弱。

东二下亚段—沙一段烃源岩样品Pr/nC17值与Ph/nC18值的分布较为集中(图7)，分布范围分别为0.45～0.77、0.28～0.81，在Pr/nC17与Ph/nC18相关图中主体处于“混合型”区，表明烃源岩形成于弱氧化—弱还原的沉积环境，有机质来源于低等水生生物与陆源有机质的混合输入。

图7 庙西北洼烃源岩Pr/nC17与Ph/nC18相关图Fig.7 Relation between Pr/nC17 and Ph/nC18 of source rock in the north subsag of Miaoxi sag

5 烃源岩综合评价

5.1 烃源岩厚度的展布特征

烃源岩是油气生成的物质基础，是有机质的赋存空间。尽管油气的生成还受有机质的丰度、类型、成熟度等因素的影响，但这些因素都是在烃源岩存在的基础上才起作用，因此，可以说：烃源岩的体积越大，可能生成的油气就越多。既然烃源岩量的大小对研究一个地区油气资源如此重要，那么在进行烃源岩评价时就有必要对一个地区的烃源岩厚度和面积进行深入的研究，从而更为科学地对烃源岩进行综合评价。

庙西北洼东营组二段烃源岩总体厚度较大，全区烃源岩厚度普遍大于50 m，具有作为烃源岩的地质空间，烃源岩厚度中心与地层厚度中心重合，位于PL14-3-1井东北5 000 m左右，中心泥岩厚度高达700 m(图8(a))，可以说是巨厚烃源岩层。整个东二段烃源岩的厚度自厚度中心向周围逐渐减薄，其中，向西减薄的速度最快，其他方向递减速度相对较慢，这与整个洼陷西部陡坡，东部、北部和南部缓坡的特征相符，符合碎屑物质的沉积规律。

东三段是庙西北洼地区重要的烃源岩层，烃源岩厚度中心泥岩厚度超过500 m(图8(b))，全区大部分地层泥岩厚度超过50 m，烃源岩厚度较大，具有作为烃源岩的物质基础，是本地区重要的生油气层段。

庙西北洼沙河街组是研究区目的层段中烃源岩厚度最薄的一个，从图8(c)可以看出，研究区沙河街组烃源岩的厚度中心也仅有350 m的泥岩存在，但从厚度中心向四周泥岩厚度减薄较为缓慢，大部分的地层中泥岩厚度都超过了50 m，泥岩厚度较大，达到作为好烃源岩的厚度要求，且地层埋藏较东二段和东三段更深，烃源岩成熟度更高，更有利于烃源岩生烃。

图8 庙西北洼烃源岩厚度等值线Fig.8 Thickness contour map of source rock in the north subsag of Miaoxi sag

从对庙西北洼3个目的层烃源岩厚度研究的结果来看，以东营组东二段的烃源岩厚度最大，沙河街组烃源岩厚度最小，东三段烃源岩厚度较东二段略薄，但比沙河街组厚度要大得多。综合来看，3个地层的泥岩厚度均大于50 m，都具有作为好的烃源岩的物质基础。

5.2 烃源岩热演化特征

现今热流的获取采用热导率法，即由实测地温数据得到现今地热梯度，结合地层热导率数据得到现今热流[12-14]。对于没有地层实测温度数据的井点，根据研究区深度-温度关系计算得到。PL14-3-1、PL15-2-1、PL15-2-2、PL15-2-4、PL15-2-5和PL15-2-8D等7口井地层温度测试资料表明，研究区地表温度为20.8 ℃，地温梯度3.3 ℃/100 m。根据渤海湾盆地整体热演化状况，同时结合庙西北洼基底构造特征，赋予其不同地质时期的热流值具体数值，用实测地层温度对现今热状况加以校正，并要求与实测Ro或岩石热解Tmax值等相符。运用该热流模型对庙西北洼烃源岩成熟史进行了模拟。

烃源岩成熟史模拟过程中，成熟度计算模型选用干酪根热解反应化学动力学Easy%Ro模型[15]，计算时间长为0.5 Ma。根据Ro值，将有机质的演化阶段初步设定为4个阶段，即早成熟阶段(Ro为0.5%～0.7%)、中成熟阶段(Ro为0.7%～1.0%)、晚成熟阶段(Ro为1.0%～1.3%)和主生气阶段(Ro为1.3%～ 2.6%)。其中，Ro在0.5%～1.3%为生油窗，Ro=1.0%为生油高峰，Ro>1.3%时即进入主生气窗。

烃源岩成熟史模拟结果显示，第四系平原组(Qp)沉积末期，即现今沙河街组地层顶界Ro为0.6%～1.5%，沉降中心区域Ro为0.65%～1.5%，深凹区处于主生气阶段(图9(a))。东三段地层顶界的烃源岩成熟度指标Ro介于0.5%～1.0%，沉降中心区域的烃源岩Ro值基本上都大于1.0%，烃源岩成熟度很高，是非常有利的生烃层位(图9(b))。东二段地层顶界的烃源岩Ro才达到0.4%～0.65%，沉降中心区域Ro在0.5%～0.65%，东二段绝大部分烃源岩还未成熟(图9(c))。

图9 庙西北洼烃源岩成熟度等值线Fig.9 Maturity contour map of source rock in the north subsag of Miaoxi sag

综上，现今沙河街组大部地层仍然处于生油窗范围，深凹区源岩演化程度较高，已处于主生气阶段；东三段地层沉降中心区域整体处于生油窗范围，深凹区源岩可处于主生气阶段；东二段地层仍处于早—中成熟阶段，深凹区源岩可处于生油高峰。

6 结 论

(1)庙西北洼目前发现东二段、东三段和沙一段3套烃源岩，整体表现为II干酪根。东二上亚段有机质以Ⅱ2型为主；东二下亚段烃源岩有机质类型主要为Ⅱ1型，部分为Ⅱ2型；东三段烃源岩有机质类型主要为Ⅱ1型，少数为Ⅱ2型；沙一段烃源岩有机质类型主要为Ⅱ2型，少数为Ⅱ1型。

(2)3套烃源岩沉积环境虽然存在一定差异，但整体都表现为弱氧化—弱还原环境，有机质主要来源具有低等水生生物与陆源有机质混合输入的特点。

(3)东二段烃源岩沉积厚度最大，中心区超过700 m，有机质丰度主要表现为中等—好烃源岩，但绝大部分烃源岩未熟，对研究区油气藏贡献较弱。东三段和沙一段烃源岩最大厚度分别为500 m和350 m，有机质丰度分别为好和优质烃源岩，且都已达到排烃门限，凹陷中心进入生气阶段，是庙西北洼主力供烃源岩，具有较好的勘探前景。

参 考 文 献：

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