渤海湾盆地莱州湾凹陷沙河街组第三、第四段烃源岩有机相特征

杨海风, 涂 翔, 赵弟江, 张丙亮, 王雪莲, 王 波

(1.中海石油(中国)有限公司 天津分公司，天津 300459；2.中海油能源发展股份有限公司 工程技术分公司，天津300452)

图1 研究区位置及构造分区Fig.1 Location and tectonic division of the study area

自1989年以来，渤海湾盆地莱州湾凹陷南部地区共钻探井24口，探明含油层位有明化镇组下段、馆陶组、东营组二下段、沙河街组第三段(简称“沙三段”)、沙河街组第四段(简称“沙四段”)及中生界。勘探实践证实，莱州湾南部地区油气成藏条件优越，先后发现了KL10-2、KL11-1、KL11-2等多个含油气构造(图1)。尽管以往勘探成效较为显著，但由于莱州湾南部地区远离北部主生烃洼陷，加之边缘小洼陷发育，导致该区烃源岩研究较为滞后，优质烃源岩发育特征及生烃潜力研究依旧较为薄弱，制约了该区油气勘探成效的进一步扩大。

有机相可用于评价烃源岩发育特征，其类似于沉积相，不受时间和岩石地层单位的限制[1]。沉积相是沉积物的生成环境、生成条件和其特征的总和，其侧重点主要为岩相和生物相。有机相则被定义为有机质质量分数、有机质类型、有机地球化学特征和沉积环境的综合[2-3]，它主要强调岩石的有机组成[1,4]。有机相研究需要以大量样品的地球化学分析测试数据和沉积相分析为前提，是对烃源岩形成环境、保存状态、生烃演化等进行综合评价的方法。本次研究以烃源岩实测地化资料及沉积相分析为基础，建立研究区沉积相与钻井有机相之间的对应关系，进而划分、预测沙河街组有机相，评估研究区烃源岩品质和展布规律，以期为油气勘探提供信息。

1 区域地质概况

渤海湾盆地位于华北板块东部，面积约为2×104km2，是叠置于华北克拉通上的多旋回断陷盆地。受区域性走滑拉分应力场影响，渤海湾盆地整体呈菱形，盆地内以陆源湖相沉积为主[5-6]。莱州湾凹陷是发育在中生代基底上的新生代凹陷[6]，位于渤海湾盆地南部，隶属济阳拗陷东部，南部为潍北凸起，北部为莱北低凸起，东西边界为郯庐走滑带西支和东支[7-9]，总面积约为 1 780 km2。莱州湾凹陷主要发育东部走滑带、南部缓坡带、南洼、北部陡坡带、北洼和中央隆起构造带等次级构造单元[6](图1)。地层自下而上依次为中生界、沙河街组、东营组、馆陶组、明化镇组及平原组。沙河街组可分为沙一段、沙二段、沙三段和沙四段[7]，其中，沙三段和沙四段又分别细分为上、中、下3个亚段，本文对沙河街组的研究主要集中与沙三段和沙四上亚段。

研究区沙四上亚段主要为褐色泥岩或含灰泥岩、灰绿色泥岩、白色石膏层和白色灰质泥岩，含有少量黄色或灰色砂岩，地层厚度0～200 m。沙四上亚段沉积时，莱州湾凹陷气候较为干燥，耐旱植物繁盛[10]，沉积湖盆水体较深，部分为还原状态。沉积地层受古地貌环境影响，南部、北部地层的岩性存在较大差异[11]。沙三下亚段岩性多变，含有浅灰色硅质或凝灰质砂岩、灰色泥质灰岩、黄色砂岩或白云质砂岩、灰色或灰褐色泥岩等，地层厚度30～100 m。沙三中亚段主要为褐色、深灰色、灰色泥岩夹黄色、灰色砂岩，地层厚度50～700 m。沙三上亚段岩性主要为灰色、灰绿色泥岩和浅灰色、黄色砂岩，含少量白色灰质泥岩和黑色碳质泥岩，地层厚度0～300 m。沙三段沉积时期，莱州湾凹陷气候湿润、降雨充沛，水体较深，主要为还原环境，水介质条件主要为淡水，区内高等植物繁茂，地层有机碳含量较高且多为陆源有机质[12]。其中，沙三下亚段沉积时虽基本处于温暖湿润的气候条件下，但也经历了相对干旱的气候[13]。莱州湾凹陷受区域性的走滑拉分应力场影响明显[6,14-17]，郯庐走滑带直接影响了该区的构造运动、火山活动、沉积作用和烃源岩的演化[5,18-19]。前人研究表明[7,9]，莱州湾凹陷在沙三和沙四时期受构造运动影响强烈，凹陷中主要洼陷带的位置发生了较大的变化。沙四上亚段沉积时期，莱州湾凹陷中的洼陷主要分为南部洼陷带和北部洼陷带，且面积较大；沙三下亚段沉积时期，南部洼陷带随着南部斜坡带的整体抬升而萎缩，北部洼陷带则随着莱北低凸起东段缓坡带的扩大而增加[7]。这种构造迁移对该地区地层的岩性和厚度都产生了较大的影响[16,20-22]。

2 有机相划分

2.1 有机相的划分标准

前人提出了多种有机相的划分方案，其中被广泛认可的是R.W.Jones[23]的划分方法，该方法根据干酪根中AOM(无定型有机质)的含量及荧光强度、干酪根中所含的生物类型、岩石热解参数——氢指数(IH)、有机质类型、总有机碳的质量分数(wTOC)、氧化-还原性和沉积速率等，将有机相划分为A、AB、B、BC、C、CD和D共7种类型[23](表1)。本文主要是利用氢指数、有机质类型、总有机碳质量分数和氧化-还原性将研究区有机相分为以下6种类型：

(1)AB型。氢指数(H的质量分数)为650‰～850‰，有机质类型为Ⅰ-Ⅱ型，总有机碳质量分数为3%～10%或更高，岩石主要为褐色-褐灰色灰质泥岩，沉积于持续缺氧环境中。

(2)B型。氢指数为400‰～650‰，有机质以Ⅱ型为主，总有机碳质量分数为3%～10%或更高，岩石主要为褐色含灰泥岩、深灰色-灰色泥岩，岩层中可能出现黄色-浅灰色粉砂岩、砂砾岩夹层，说明岩层沉积时水体环境总体为缺氧环境，但是缺氧环境存在波动，有富氧沉积物输入。

(3)BC型。氢指数为250‰～400‰，有机质以Ⅱ-Ⅲ 型为主，总有机碳质量分数为3%左右，岩石以灰色泥岩为主，夹黄色-灰色细砂岩、含砾细砂岩，岩层沉积于与B型大体相当或水体略浅环境。

(4)C型。氢指数为125‰～250‰，有机质以 Ⅲ 型为主，总有机碳质量分数≤3%，岩石以灰色、绿灰色和红褐色泥岩为主，夹黄色-浅灰色粉砂、细砂岩，岩层沉积于弱还原-弱氧化环境。

(5)CD型。氢指数为50‰～125‰，有机质为 Ⅲ-Ⅳ型，总有机碳质量分数<0.5%，岩石以灰色泥岩为主，夹少量黄色粉砂、细砂岩，沉积环境与C类大体相当，研究区CD型有机相分布较少。

表1 有机相类型划分[23]Table 1 Classification of organic facies

(6)D型。氢指数≤50‰，有机质以 Ⅳ 型为主，总有机碳质量分数<0.5%，岩石以黄色和灰色细砂岩为主，沉积环境为氧化-弱还原性。

2.2 烃源岩有机相特征

有机相可以综合反映有机质含量、有机质类型、沉积环境等因素的影响，烃源岩有机相主要依据有机质含量和氢指数，并综合干酪根特征和岩性特征进行划分。通过联合单井剖面绘制连井剖面图，可以更好地分析有机相空间变化特征，分别选取井1-井3、井11-井13-井16-井18-井19绘制连井剖面(图2、图3)。

井1、井3位于莱州湾凹陷中部，从地层和岩性特征看来，凹陷中部沙四-沙三亚段地层总厚度>1 km。沙四上亚段沉积时期研究区水体较浅，主要发育泥岩、含灰泥岩和石膏层，沙三下亚段缺失；沙三中亚段沉积时期断陷湖盆下沉速度变快，水体变深，发育一套巨厚的褐色泥岩。从剖面中有机相特征看来，沙三中亚段与沙四上亚段的有机相以AB相和B相为主，AB、B、BC、C相交替出现，反映出沉积环境不断交替、变化(图2)。

井11-井19位于莱州湾凹陷南部的边缘地带，靠近潍北凸起。该连井剖面中有机相类型以D型和BC型有机相为主，B型和C型有机相次之，CD相最少。其中，沙三中亚段与沙四上亚段的有机相类型多为B相和BC相(图3)，明显不同于凹陷中部。从地层和岩性特征来看，凹陷边缘地层厚度较小，地层总厚度在500 m左右，且大量发育泥岩与砂岩互层。

图2 井1、井3有机相连井对比图Fig.2 Correlation of organic facies through Well 1 to Well 3

由图2、图3可以看出，无论是沙三段还是沙四上亚段，凹陷南部边缘的有机相都明显不同于凹陷中部，其对应的烃源岩品质亦逊色于中部。凹陷中部有机质含量高、沉积速率慢且多为还原环境；凹陷南部有机质含量较低、沉积速率快且多为弱还原-氧化环境。无论是凹陷中部还是南部，均以沙三中亚段有机相对应的烃源岩品质最优。

3 沉积环境对有机相控制作用机理

前人研究认为，湖相烃源岩主要受控于外部条件(有机质产率或有机质沉积速率、气候、构造演化等)和内部环境(湖泊水体介质变化、生产力、保存条件)的平衡[24-27]。湖泊水体的生产力和有机质沉积速率直接决定了湖相沉积岩中有机质的总量；区域性的气候变化可影响注入湖泊中沉积物的粒度和含量及水生生物的繁盛程度；构造活动的升降决定了湖盆的沉降量，控制了湖盆可容纳空间，间接影响了沉积厚度和沉积-水界面的氧化-还原环境。此外，切入地幔的深大断裂还可以通过影响岩浆活动而改变地温梯度，对烃源岩的热演化具有重要作用[18-19]。

湖泊沉积相与有机相的对应关系较为复杂，因其沉积范围较小，沉积物来源不稳定，易被局部环境变化影响。以研究区沙三中亚段和沙四上亚段为例：①沙三中亚段沉积时期因为莱州湾凹陷下沉速度快，盆地有较丰富的沉积物和水供给，气候以温暖湿润为主[26-27]，导致沙三中亚段沉积厚度大，沉积速率快，保存条件好，有机质含量高，盆地整体为还原环境，岩性以暗色泥岩为主，有机相主要为AB相和B相。②沙四上亚段沉积时期因为莱州湾盆地下沉速度慢，沉积物和水供给较少，气候以干旱炎热为主[10,26]，沙四上亚段沉积厚度小，沉积速率慢，保存条件较差，有机质含量较低，盆地整体处于氧化-弱还原环境，岩性多为膏岩或灰色泥岩，B相和BC相常见(图4)。

4 有机相与沉积相的对应关系

沉积相是沉积环境的物质表现，沉积环境对沉积相和有机相的控制作用相似，有机相和沉积相之间存在一定的对应关系。①沙三上亚段滨湖沉积为BC相，厚度大于100 m； 辫状河三角洲前缘沉积主要为BC相和C相，厚度300～500 m；扇三角洲前缘沉积多为C相和CD相，厚度200 m左右(图5-A)。②沙三中亚段的滨湖沉积主要为AB相、B相和BC相，厚度在200～500 m；辫状河三角洲前缘沉积主要为C相，厚度约500 m(图5-B)。③沙三下亚段辫状河三角洲前缘沉积主要为BC相和CD相，厚度60～70 m；滨湖沉积主要为CD相，厚度20 m左右(图5-C)。④沙四上亚段中滨湖沉积主要为AB相和B相，厚度100～250 m；辫状河三角洲前缘沉积主要为B相，厚度50～100 m(图5-D)。总体而言，AB-BC型有机相集中于滨湖相，C-CD型有机相集中于辫状河三角洲前缘相中。

图4 烃源岩发育模式图Fig.4 Development pattern of source rocks

图5 莱州湾沙河街组沉积相-有机相统计图Fig.5 Statistics of sedimentary facies and organic facies of Shahejie Formation in Laizhouwan Bay

图6 莱州湾沙河街组有机相类型平面图Fig.6 Plane distribution of organic facies of Shahejie Formation in Laizhouwan Bay(A)沙三上亚段; (B)沙三中亚段; (C)沙三下亚段; (D)沙四上亚段

根据沉积相展布[28-34]、烃源岩地球化学参数，绘制了研究区沙四、沙三段有机相平面分布图(图6)。有机相和沉积相的对应关系良好，沙三上亚段的深湖-半深湖相主要对应B相，滨浅湖相对应BC相，辫状河三角洲相和扇三角洲相对应C相(图6-A)。沙三中亚段的深湖-半深湖相主要对应AB相，滨浅湖相对应B相，辫状河三角洲相、扇三角洲相和砂质滩坝相等对应C相(图6-B)。沙三下亚段的深湖-半深湖相主要对应B相，滨浅湖相对应BC相，辫状河三角洲相、扇三角洲相和砂质滩坝相等对应C相(图6-C)。沙四上亚段的深湖-半深湖相主要对应AB相，滨浅湖相对应B相，辫状河三角洲相和扇三角洲相对应BC相，砂质滩坝相和钙质滩坝相对应C相(图6-D)。这表明，在沉积环境相同时，同一套地层内的沉积相与有机相的对应关系是唯一的。

前人评价陆相烃源岩主要依据有机质丰度、有机质类型和有机质成熟度等[35]与有机相相关的参数，而且，有机相研究可用来预测油气源岩、确定生油岩的三维分布、预测各生油层位的排烃期和排出产物的组成等[35]，说明有机相类型和分布特征可用于预测烃源岩特征和分布情况。前人研究认为，A、AB、B型有机相的生油性最好，与其对应的是优质的烃源岩；B、BC型有机相生油性好，少量生气，对应较优质的烃源岩；BC、C型有机相既生油又生气，但生油气性一般，对应较差的烃源岩；C、CD型有机相可能以生气为主，对应非烃源岩[34,36]。由有机相类型平面图(图6)可知，研究区沙三中亚段和沙四上亚段中的烃源岩最好，沙三上亚段和沙三下亚段的烃源岩较差；深湖-半深湖相中的烃源岩最好，辫状河三角洲相和扇三角洲相等沉积相中的烃源岩最差。

5 结 论

本文在沉积相研究的基础上，结合地球化学测试资料，对莱州湾凹陷南部有机相进行了划分，建立了沉积相与有机相的对应关系，预测了有机相分布，获得了以下认识：

a.沙河街组烃源岩在沙三上亚段主要发育BC相、C相和CD相；沙三中亚段和沙四上亚段以AB相、B相、BC相和C相为主；沙三下亚段BC相和C相发育。 对烃源岩有利的有机相主要分布于凹陷北部与东部的深湖-半深湖相中。

b.研究区深湖-半深湖相对应AB相或B相；滨浅湖相以B相或BC相为主；辫状河三角洲相、扇三角洲相和砂质滩坝相等多为C相。

c.纵向上，研究区有机相的变化主要与沉积环境的变化有关；横向上，凹陷中沉积相与有机相在同一亚段中对应关系良好，沉积相对有机相的控制作用显著。