东濮凹陷膏盐岩对烃源岩成烃演化的控制作用及其石油地质意义

陈湘飞，李素梅,，张洪安，徐田武，张云献，万中华，纪 红，郭振乾

(1.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249;2.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室，北京 102249;3.中国石油东方地球物理公司研究院 库尔勒分院，新疆 库尔勒 841001;4.中国石化 中原油田分公司，河南 濮阳 457001)

0 引 言

世界上大的含油气区都广泛发育有膏盐岩，并且油气藏的形成与膏盐岩密切相关。一般认为，膏盐岩是优质盖层，对油气的保存意义重大[1-2]。然而，膏盐岩对烃源岩的性质及其成烃演化也有较强的控制作用，膏盐岩发育区通常也发育优质烃源岩，如我国柴达木盆地、江汉盆地均为典型盐湖相盆地，该类盐湖盆地一般盛产低熟油气。膏盐岩中的各种盐类矿物能够对烃源岩生烃产生催化与抑制作用，从而影响生排烃特征[3-6]；一定厚度的膏盐岩还可因其较高的热导率对相邻烃源岩的地温产生影响[7]。东濮凹陷是渤海湾盆地典型的盐湖相富油气凹陷，膏盐岩异常发育，目前油气探明储量的90%以上都分布在凹陷中北部的含盐区。前人对区内膏盐岩的研究主要集中在膏盐岩的成因[8-11]、膏盐岩对油气运聚成藏的影响[12-13]，膏盐岩对烃源岩的性质及成烃演化的影响[14-15]研究比较薄弱。本文采用地质地球化学相结合的方法，探讨膏盐岩对烃源岩性质及成烃演化的影响及其影响程度、揭示其石油地质意义，为研究区及同类含盐盆地下一步油气勘探提供依据。

1 地质概况

东濮凹陷位于渤海湾盆地西南端，是发育于古-中生界基底之上的新生代含盐断陷盆地，其构造演化主要经历了古近纪断陷、新近纪拗陷两个演化阶段[16-17]，形成现今“两洼一隆一斜坡”(东部洼陷带、西部洼陷带、中央隆起带、西部斜坡带)的构造格局(图1)。根据断层的性质和活动时期，古近纪的构造演化历史可进一步划分为初始裂陷期(沙四段沉积时期)、主裂陷期(沙三段沉积时期)、断陷萎缩期(沙二-沙一段沉积时期)、断陷衰亡期(东营组沉积时期)4个演化阶段。

图1 东濮凹陷北部地区油气分布及油气藏剖面图(剖面位置见图1(a))Fig.1 Petroleum distribution and reservoir cross section of the Wenliu Oilfield(See Fig.1(a) for the location of the cross section)

东濮凹陷沉积地层自下而上发育古近系沙河街组(Es)、东营组(Ed)；新近系馆陶组(Ng)、明化镇组(Nm)及第四系平原组(Qp)。以黄河为界，东濮凹陷北部主要发育盐湖相，而南部发育淡水湖相。古近系沙河街组发育两套烃源岩，分别为沙一段和沙三段—沙四上亚段，以后者为主，在这两套烃源岩中发育4套膏盐岩层，分别为沙一盐、文9盐、卫城下盐和文23盐。沉积于主裂陷期的沙三段是本区最主要的勘探目的层，也是最主要的烃源岩发育层段。沙三段沉积期凹陷南部为淡水湖相沉积，烃源岩主要分布在葛岗集洼陷；凹陷北部为盐湖相沉积，地层厚度大，根据其沉积特征可以进一步划分为上、中、下3个亚段。沙三下亚段为厚层盐岩(文23盐)与暗色泥岩组成的盐韵律层，向北逐渐相变为薄盐层及砂泥岩，其中文23盐累计最大厚约450 m。沙三中亚段中下部主要为一套深灰色泥岩夹油页岩，并与砂岩组成互层段，油页岩分布稳定，北部卫城以及户部寨地区相变为膏盐岩(称卫城下盐)，最大厚度约150 m；上部为一套膏盐岩(称文9盐)与泥岩组成的韵律层，文9盐最大厚度约500 m。沙三上亚段为一套灰色厚层状泥岩夹砂岩及油页岩，底部为文9盐上部。平面上，膏盐岩分布于凹陷的中央及斜坡部位，而泥页岩则主要分布于砂岩和盐岩之间的较广阔区域[11]。纵向上，在膏盐岩沉积中心，膏盐岩与泥页岩、砂岩间互，在膏盐岩发育边缘二者呈指状交叉形态，构成了良好的生储盖组合，使得北部含盐区成为东濮凹陷油气最富集的地区(图1)。

2 样品与实验

含盐区烃源岩样品采自东濮凹陷文留地区、柳屯洼陷含盐层系，无盐区样品采自杜寨地区。样品岩性包括暗色泥页岩、油页岩、碳质泥岩、含膏页岩等。同时还搜集油田以往分析测试的TOC数据及Ro数据。

样品分析在中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室完成，主要测定样品的有机碳(TOC)以及岩石热解分析。有机碳分析采用OGM-Ⅱ型仪器，用5%的稀盐酸去掉碳酸盐矿物，然后在900 ℃高温有氧条件下将有机质灼烧成CO2，测得有机碳含量。岩石热解用Rock-Eval仪，载气为高纯N2。在300 ℃下恒温3 min，检测吸附烃S1；然后以50 ℃/min的速度升温到500 ℃，恒温1 min，检测热解烃S2。

3 含膏盐岩层系烃源岩性质

3.1 有机质丰度

图2 东濮凹陷烃源岩TOC含量统计Fig.2 Statistics of TOC for the source rocks from the Dongpu Depression (a)样品按构造位置分类；(b)样品按岩性分类

结合以往及本次分析测试的共5 203个样品，统计结果表明，东濮凹陷烃源岩有机质丰度整体不高，但存在优质烃源岩。平面上，北部含盐区有机质丰度高于南部无盐区，前者超过20%的样品TOC含量大于1.0%，还有6.6%的样品TOC含量大于2.0%(图2(a)和表1)；而南部无盐区接近70%的样品的TOC含量小于0.4%，TOC含量大于1.0%的样品比例仅为10%(图2(a))。以沙三中亚段烃源岩为例，桥口-白庙一线以南，烃源岩TOC含量普遍都小于0.5%，仅新霍寨局部地区稍高，而凹陷北部含盐区烃源岩TOC含量普遍都大于0.5%，特别是文东地区、柳屯洼陷及濮卫洼陷较高。

纵向上，凹陷北部含盐区烃源岩TOC含量与膏盐岩层关系密切，通过岩屑录井剖面及岩心观察发现，膏盐岩层常常与灰黑色、深灰色、褐色页岩，泥岩及灰色粉细砂岩呈不等厚互层。以文留构造带为例，含盐层段泥页岩的TOC值明显高于无盐层段，纵向上发育3个富TOC层段，其中最主要的富TOC层段位于文9盐之下、文23盐之上的沙三中亚段地层，最大TOC含量可达到8.0%(图3)。4 500～5 000 m之间的高TOC样品主要是文东南部前参2井文23盐盐间样品，该井4 400 m之上不发育膏盐岩，泥页岩有机质丰度较低，TOC值一般小于0.6%，而该深度以下是文23盐的主要发育层段，盐间泥页岩有机质丰度明显高于上覆无盐层段，TOC值最高可达5.7%。反映膏盐岩环境有利于形成富有机质烃源岩。

文留地区含膏盐岩层系内烃源岩性质具有很强的非均质性，表现在：(1)烃源岩与膏盐岩呈薄互层或指状交互的伴生关系。(2)烃源岩有机质含量变化范围广(图2(a))。(3)烃源岩颜色及岩石类型多样，并且不同岩石类型烃源岩TOC含量差异显著(图2(b))。通过对文留地区含盐层系不同岩性烃源岩的实测TOC数据统计，结果显示深灰色、褐色具纹层状页岩的有机质含量明显较高，深灰色、褐色泥岩次之，而灰色页岩、灰色及杂色泥岩、泥灰岩、含膏泥岩的有机质丰度相对较低(表1和图2(b))。例如濮深18-1、濮深18-8这两口井位于柳屯洼陷东翼，该区是文9盐(卫城上盐)的厚度中心，膏盐岩与泥页岩呈不等厚互层。通过对这两口井含盐层段烃源岩系统取样，实测TOC表明，深灰色、褐色具纹层状页岩，油页岩的TOC值一般大于1.50%，最高可达6.79%，而灰色泥岩、泥灰岩、含膏泥岩的有机质丰度相对较低，TOC值一般介于0.50%～1.50%之间(表1)。

表1 文留地区部分烃源岩热解资料

注：表中“空白”表示未测。

3.2 有机质类型

图3 东濮凹陷文留构造带烃源岩TOC含量随深度变化关系Fig.3 Relationship between TOC content and buried depth of source rocks in the Wenliu area, Dongpu Sag

图4 文留地区含膏盐岩层系烃源岩有机质类型图Fig.4 Kerogen type of source rocks in the Wenliu area indicated by pyrolysis data

烃源岩的有机质类型是影响其生油气能力一个重要因素，而有机质的类型很大程度上受到沉积水体中生物种属的影响[18]，咸水-盐水湖盆中大型生物十分少见，但却是各种藻类和细菌等地质微生物最为繁盛的场所，这些地质微生物是盐湖环境中有机质生产、富集和分解的重要参与者[19]。前人的研究表明，咸水-盐水湖盆中不仅有利于形成富有机质烃源岩，还有利于形成腐泥型有机质[20-21]。

根据烃源岩热解资料，位于文23盐厚度中心的文留东部地区大部分烃源岩氢指数大于200 mg HC/g TOC，降解率高于20%，部分小于200 mg HC/g TOC，降解率小于20%(表1)，有机质类型主要为Ⅱ1型、Ⅰ型和Ⅲ型(图4)，同样位于文9盐厚度中心的柳屯东翼濮深18井区烃源岩有机质类型也以Ⅱ1型和Ⅰ型为主，而膏盐岩欠发育的文西地区主要为Ⅲ型和Ⅱ2型，还有少量的Ⅱ1型(图4)。反映膏盐岩发育区烃源岩有机质类型好于膏盐岩欠发育区，这主要是由于靠近盐湖中心陆源有机质较少，主要为藻类和细菌等地质微生物，更有利于形成腐泥型有机质。杜寨无盐区烃源岩氢指数普遍都小于100 mg HC/g TOC，降解率小于10%(表1)，有机质类型主要为Ⅲ型(图4)，与含盐区相比明显较差。

烃源岩的有机质类型也很大程度上受到岩性的影响，通过对含盐区不同岩性烃源岩有机质类型的统计，发现深灰色-褐色页岩的有机质类型

主要为Ⅱ1型以及少量的Ⅰ型，深灰色泥岩的有机质类型主要为Ⅱ1型和Ⅱ2型，还有部分Ⅲ型，而灰色泥岩、灰色页岩的有机质类型主要为Ⅲ型。含盐层段内不同岩性烃源岩之间有机质和类型的巨大差异表明含盐层段烃源岩非均质性较强，并不是所有的烃源岩都是优质烃源岩，烃源岩有机质丰度与膏盐岩层所处的距离没有必然联系，而主要取决于烃源岩的岩性和颜色。朱光有等[21]将东营凹陷沙三下亚段-沙四上亚段中TOC>2%，有机质类型以Ⅰ型和Ⅱ2型为主的暗色泥岩称为优质烃源岩；Lu等[22]也把TOC>2%、有机质类型以Ⅰ型和Ⅱ2型为主的暗色泥岩称为优质烃源岩。由于东濮凹陷烃源岩有机质含量整体较低，本文把TOC>1.5%、有机质类型以Ⅱ1型和Ⅰ型的深灰色、褐色等暗色页岩划分为区内最主要的优质烃源岩，其次为深灰色、褐色泥岩。

4 含膏盐岩层系烃源岩的生烃演化特征

4.1 膏盐岩对烃源岩生烃过程的影响

国内外研究表明，膏盐岩对烃源岩的生烃演化有较强的控制作用，如Mello等[7]利用有限元方法模拟，发现盐构造顶部地层出现温度正异常，使盐上烃源岩长时间保持在生油窗范围，而盐下地层出现低温异常，使区域范围内同等深度下烃源岩已过生油窗时，盐岩下的烃源岩可以仍保持在生油窗范围。卓勤功等[23]通过数值模拟表明，随膏盐岩厚度增大，盐下深层烃源岩地层温度和热演化程度均降低，1 500 m厚度膏盐岩可使盐下烃源岩地层温度和Ro值分别降低15 ℃、0.35%。前人已发现东濮凹陷膏盐岩对烃源岩的生烃有影响，如孙波等[24]发现膏盐岩中心及边缘地区出现热异常，并促进了烃源岩热演化；慕小水[25]、刘景东等[15]也提出膏盐岩能够扩大烃源岩生烃窗范围。

通过对比东濮凹陷无盐区以及含盐区具有不同厚度膏盐岩层地区烃源岩的热演化剖面，发现膏盐岩区与无盐区烃源岩的热演化存在明显差异。杜寨地区(濮深4—濮深12井区及邻区)不发育膏盐岩，烃源岩的生烃门限深度约为3 000 m，4 800 m达到过成熟阶段(图5(a))。濮深7井靠近文23盐的厚度中心，膏盐岩厚度约450 m，烃源岩主要位于文23盐之上，实测Ro表明烃源岩开始生烃(Ro=0.5%)、生烃高峰(Ro=0.8%)和高成熟阶段(Ro=1.2%)的门限深度要明显小于前者，而达到过成熟阶段的深度要大于前者(图5(e))。文211、文33-105、文33-155等井位于文23盐厚度中心侧翼，膏盐层厚度约350 m；前参2井膏盐层厚度约200 m；文203-59井位于文23盐边缘，膏盐层厚度约50 m，这几口井烃源岩开始生烃、生烃高峰和过成熟阶段的门限深度介于无盐区(图5(a))与厚盐区(图5(e))之间。总的来说，膏盐岩一方面能够促进盐上烃源岩的热演化，另一方面能够抑制盐下烃源岩的热演化。

4.2 膏盐岩对烃源岩生烃过程的控制机理

根据传统的干酪根热降解生烃理论，温度和时间是油气生成过程中至关重要的一对因素，其中，温度的影响是最主要的[28]。统计结果表明，沉积盆地中膏盐岩热导率是一般砂泥岩热导率的2～3倍[26]，更有利于深部热量向浅部传递，因此，理论上含盐区盐下地层温度要低于无盐区同一深度地层温度，而含盐区盐上地层温度要高于无盐区同一深度的地层温度。通过对比东濮凹陷无盐区和含盐区实测地层温度，结果表明，无盐区地层温度随埋深增加线性增高，地温梯度约为28 ℃/km(图6(a))。含盐层系地层温度剖面一般呈现两段式，膏盐层之上地温梯度相对较高(35～40 ℃/km)，而膏盐层中及以下地温梯度低温梯度相对较低(12～24 ℃/km)，地温梯度转折点对应膏盐岩发育层位(图6(c)、(d)、(e))。烃源岩Ro异常的深度段与膏盐岩层也具有很好的对应关系(图5(e))。这表明正是由于膏盐岩层的存在，因其具有较好的导热性，膏盐岩层内部近似热均质体，有利于将盐下地层的热量传递到盐上地层，使得盐上地层温度较高，盐下地层温度相对偏低。进而影响烃源岩热演化，使盐上烃源岩提前进入生油窗范围；使盐下烃源岩在区域范围内同等深度下烃源岩已过生油窗时仍保持在生油窗范围。

图7 文留地区膏盐岩影响烃源岩生烃特征图解Fig.7 Diagram illustrating effect of gypsum-salt rock on source rocks evaluation

Petersen和Lerche[27]认为膏盐岩能引起周围地层温度出现异常，异常程度主要与盐构造的形态和规模有关。文留地区主要发育3套膏盐岩，即沙一盐、文9盐、文23盐。由于沙一盐厚度较小，且埋藏较浅，在此不做考虑。文9盐和文23盐在文留地区不同构造单元厚度不一，通过对比文留地区不同构造单元的实测地温剖面，结果表明，膏盐岩能否对其上部和下部地温梯度产生明显的差异主要取决于膏盐岩的厚度(图6)。文南西部位于膏盐岩发育区边缘，文9盐厚度一般小于50 m，文23盐厚度多介于50～100 m之间，该区的地温剖面为单段式，地温梯度约为34 ℃/km(图6(a))，表明膏盐岩对该区地层温度没有明显影响。文东滚动背斜带是文9盐东部厚度中心，膏盐岩厚度约为50～100 m，且发育一定厚度的文23盐；文东南部地区是文23盐的厚度中心，膏盐岩厚度可达500 m；柳屯东翼是文9盐的西部厚度中心，其膏盐岩厚度平均可达450 m，从图6(b)、(c)、(d)可以看出，这3个地区的地温剖面呈现两段式，盐上地温梯度较高，盐下地温梯度较低。由于各构造单元所处的大地构造背景基本相同，因此其地温场应基本相似，各构造单元所表现出来的地温梯度的差异可能主要是受膏盐岩的影响，并且厚度在50 m以下的膏盐岩层对地层温度的影响不大，只有厚度较大的膏盐岩层才能对地温梯度产生明显的影响。

5 东濮凹陷含膏盐岩层系烃源岩生烃演化模式及其油气勘探启示

5.1 膏盐岩对烃源岩生烃窗的控制作用

前文分析表明，一方面，膏盐岩最大能使盐上烃源岩生烃门限深度提升近400 m，同时也能提升生烃高峰、高成熟的门限深度，膏盐岩厚度越大，提升幅度越大(图7)，其中，达到高成熟的门限深度的提升量受膏盐岩层厚度的影响最大。另一方面，膏盐岩能够增加盐下烃源岩达到过成熟演化阶段的深度，膏盐岩厚度越大，增加的幅度也越大(图7)。因此，膏盐岩能够扩大烃源岩生烃窗的范围，扩大范围与膏盐岩厚度成正相关关系(图7)。

膏盐岩层能扩大烃源岩的生烃窗范围，但扩大的是生油窗范围还是生湿气窗范围取决于膏盐岩层的厚度。当膏盐层厚度为50 m时，能使生烃门限和高成熟门限分别提升约160 m、20 m，而对过成熟门限几乎没有影响，此时主要扩大了生油窗的范围(图7)。随着盐岩厚度的增加，烃源岩达到过成熟阶段的深度开始降低，此时，不仅扩大了生油窗范围，也扩大了生湿气范围。随着膏盐岩厚度进一步增加，虽然生烃门限和高成熟门限深度都得到提升，但两者的幅度逐渐接近，因此，生油窗扩大范围逐渐减小，而生湿气范围进一步增大(图7)。当膏盐岩厚度达到一定值时(约410 m)，高成熟门限的提升幅度大于生烃门限的提升幅度，此时生油窗范围不仅没有扩大，反而有所减小，增大的主要为生湿气的范围(图7)。

5.2 含膏盐岩层系烃源岩生烃演化模式

图8 无盐区((a))及含盐区((b),(c))烃源岩生烃演化模式图((a)、(b)、(c)分别以图5(a)、(c)、(e)为地质模型而建立)Fig.8 The concept graph of hydrocarbon generation evolution models for source rocks in no-salt area ((a)) and gypsum-saltareas ((b),(c)) (based on geological model of Fig.5(a), (c) and (e) respectively)

通过上述单井剖面分析，结合地质调查，建立了东濮凹陷文留地区不同厚度含膏盐岩区烃源岩的生烃演化模式图(图8)。可以分为以下3种情形：(1)无盐区烃源岩生烃演化模式图，生烃门限约为3 000 m，液态烃及湿气的深度底限分别为4 250 m、4 800 m(图8(a))；(2)中等厚度膏盐岩区烃源岩生烃演化模式图，生烃门限约为2 750 m，液态烃及湿气的深度底限分别为4 100 m、4 900 m(图8(b))；(3)厚层膏盐岩区烃源岩生烃演化模式图，生烃门限约为2 600 m，液态烃及湿气的深度底限分别为3 800 m、5 050 m(图8(c))。总体上，含盐区烃源岩的生烃高峰期相对于无盐区有所提前，并且生烃高峰的深度范围较大，同时，随着膏盐岩层厚度的增加，生烃高峰期间生油窗的深度范围具有先增大后减小的趋势，而生湿气的深度范围逐渐增大(图8)。

5.3 含膏盐岩盆地的油气勘探启示

根据上述生烃演化模式，东濮凹陷含膏盐岩区原油勘探主要集中在4 000 m以上，并随着膏盐岩层厚度的增加液态烃底限深度逐渐减小，4000 m以下的深层主要以天然气勘探为主，这可能也是东濮凹陷既富油又富气的原因之一。然而，东濮凹陷膏盐岩的埋深不等，其埋深范围大致为2 000～6 000 m，且与沙三段—沙四上亚段的烃源岩间互分布，盐间及盐下烃源岩的液态烃下限理应下延，加上膏盐岩对下伏储集层中的油气的热蚀变亦有延缓作用，预测东濮凹陷深层不仅有较好的天然气勘探前景，也有一定的液态烃勘探前景。例如，东濮凹陷西斜坡胡古2井奥陶系潜山工业油气流埋深5 233.38 m，原油甾萜类生物标志物仍有较低的异构化程度，C29甾烷ααα20S/(S+R)、C29甾烷αββ/(ααα+αββ)值分别为0.356，0.305[28]，指示原油热演化程度不高，反映盐下烃源岩较低的热演化程度和/或盐下储层较好的油气保存条件。目前对东濮凹陷盐下烃源岩与相关油气的调查仍非常有限，相关研究有待深入。东濮凹陷膏盐岩对烃源岩及相关油气性质及其热演化有显著的控制作用，理论上适用于中国东西部其他类似的含膏盐岩盆地，其势必影响相关油气的性质与相态及其资源分布。

6 结 论

(1)东濮凹陷膏盐岩影响烃源岩的性质及其生烃潜能。含膏盐岩层系烃源岩有机质丰度、类型明显好于无盐层段，富TOC层段与膏盐岩层密切相关；含膏盐岩层系烃源岩有机质丰度及类型具有很强的非均质性，其中，深灰色、褐色等暗色页岩有机质丰度较高，TOC一般大于1.5%，有机质类型以Ⅱ1型和Ⅰ型为主，是区内主要的优质烃源岩。

(2)东濮凹陷膏盐岩显著控制烃源岩的热演化特征与生烃窗范围。一方面，膏盐岩能促进盐上烃源岩的热演化，使盐上烃源岩生烃门限深度上提(可达400 m)，同时也能提升生烃高峰、高成熟的门限深度，膏盐岩厚度越大，提升幅度越大；另一方面，膏盐岩能延缓盐下烃源岩的热演化进程，使烃源岩达到过成熟演化阶段的门限深度增加，增加幅度与膏盐层厚度呈正相关关系。膏盐岩通过其高热导率属性影响地温场，进而影响烃源岩的热演化。

(3)东濮凹陷盐区烃源岩的生烃演化模式不同于无盐区，其与膏盐岩厚度密切相关。当膏盐层厚度为50 m时，主要扩大了生油窗的范围；随着盐岩厚度的增加，不仅能扩大生油窗范围，同时也扩大了生湿气范围；随着膏盐岩厚度的进一步增加，生油窗扩大范围逐渐减小，而生湿气扩大范围进一步增大。当膏盐岩厚度达到一定值时(约400 m)，生油窗范围开始减小，此时主要扩大了生烃高峰期间湿气的深度范围。建立了东濮凹陷文留地区不同厚度含膏盐岩区烃源岩的生烃演化模式图，其对该区及同类含膏盐岩盆地的油气的资源评价、油气勘探方向策略的制定具有重要意义。