泌阳凹陷核桃园组优质烃源岩发育古环境特征及地质意义

石正勇，金芸芸，罗家群

(中国石化河南油田分公司，河南 南阳 473132)

0 引言

近年来，随着优质烃源岩勘探研究的深入，众多学者认识到优质烃源岩对于油气藏的重要性。优质烃源岩层在生物勃发期和缺氧的湖相环境中形成，具有有机质富集、丰度高、类型好的特点，处于成熟阶段，常为薄层状，但生排烃能力较强［1－2］。泌阳凹陷烃源岩有机质丰度高、类型好，处于生油高峰期，有效烃源岩广泛发育，但是对于油气贡献较大的优质烃源岩的分布及发育环境研究涉及较少。该文通过烃源岩基础地球化学特征研究，结合古沉积水体、古生物组合及微量元素特征，进一步认识沉积盆地优质烃源岩的分布及形成环境，对于含油气盆地勘探开发具有十分重要的理论意义和应用价值［3］。

1 地质概况

泌阳凹陷位于河南省南部唐河县与泌阳县之间，面积约为1 000 km2，为叠置在秦岭褶皱带之上的一个中新生代断陷盆地。凹陷内沉积地层自下而上发育有古近系大仓房－玉皇顶组、核桃园组和廖庄组，新近系凤凰镇组以及第四系。横向上划分为南部陡坡带、中部深凹带和北部斜坡带3个次级构造单元。泌阳凹陷核桃园组烃源岩类型较多，包括深灰色泥岩(主力层)，褐色、褐灰色及黑色页岩(主力层)，褐色油页岩(少量)，灰色泥岩，灰褐色泥质白云岩和白云质泥岩。兼顾不同沉积相带、不同层系，选取安深1、泌270、云1、云2井等10口探井，共采集泥页岩烃源岩地球化学样品950块，进行有机碳分析、岩石热解分析、干酪根镜鉴、镜质体反射率、碳同位素、岩石微量元素等实验分析，研究烃源岩生烃条件及古环境，探讨优质烃源岩形成环境。

2 烃源岩生烃条件

2.1 烃源岩分布范围

钻井揭示泌阳凹陷H3段主力烃源岩暗色泥页岩在全区广泛分布，最大厚度为1 500 m。H3下段泥页岩类烃源岩总厚度为80～620 m，H38—H35各亚段厚度为20～160 m，烃源岩厚度中心在凹陷中部的毕店—赵凹—安鹏一带。随着沉积中心由西向东迁移，但泥页岩最发育的地方不一定在湖泊中心部位，大部分位于前三角洲亚相—半深湖亚相;H3上段泥页岩类烃源岩总厚度为120～940 m，各亚段烃源岩厚度为40～340 m，烃源岩厚度中心随沉积中心的迁移变化较大，由北部斜坡带的王集西南—安棚向南迁移，再向中西部赵凹—毕店—带迁移。总体来看，南部大断裂控制泥页岩沉积中心，东北部物源通道及地势决定泥页岩分布的整体范围和规模。

2.2 有机质丰度

表1 泌阳凹陷核桃园组各段有机质丰度统计Table 1 The statistical table of abundance of organic matters in each section of Hetaoyuan Formation of Biyang Sag

由表1可知:生烃潜量最小值为0.13 mg/g，最大值为54.32 mg/g。其中，H21亚段生烃潜量最高，为21.38 mg/g，属于最好烃源岩;H22—H33亚段生烃潜量为7.54～12.05 mg/g，属于优质烃源岩;亚段、H38亚段生烃潜量为2.75～4.39 mg/g，属于中等烃源岩;H37亚段生烃潜量为1.94 mg/g，属于差烃源岩［7］。

综合分析有机碳、热解生烃潜量及氯仿沥青“A”参数，认为泌阳凹陷H34—H31亚段及H2段有机质丰度较高，优于H3下段。

2.3 有机质类型

干酪根δ13C值取决于生物母质类型，在热演化过程中变化较小，表现出相对的稳定性，是划分有机质类型的有效手段之一［8］。泌阳凹陷H3段烃源岩抽提物碳同位素值为－25.39‰～－30.52‰，绝大部分为－26.00‰～－30.00‰，大部分属于Ⅱ1—Ⅱ2型，少量为Ⅰ型和Ⅲ型。

Espitalie曾提出用氢指数(HI)与热解烃峰顶温度(Tmax)图版来划分生油岩的有机质类型，在低成熟和中等成熟区内，用该图版划分有机质类型能较清楚地得到生油岩的原始有机质类型［9］。图1为泌阳凹陷安深1井有机质类型划分图版，由图1可知:中部深凹区安深1井H2段烃源岩有机质主要为Ⅰ型;H1—H3亚段为Ⅰ—Ⅱ 型;H4—H533133亚段以Ⅱ1—Ⅱ2型为主，少量为Ⅰ型;H36—H38亚段以Ⅱ1—Ⅱ2型为主，少量为Ⅰ型和Ⅲ型。从H2段到H38亚段，由浅部到深部，有机质类型逐步变差。

图1 泌阳凹陷安深1井有机质类型划分Fig.1 The types of organic matters in Well Anshen 1 of Biyang Sag

2.4 热演化程度

泌阳凹陷烃源岩有机质类型较好，由于热演化过程中镜质体反射率受到不同程度的抑制，因此，有必要对其抑制程度进行分析，校正镜质体反射率［10－13］。采用FAMM法分析等效镜质体反射率，对不同深度样点富氢镜质体反射率进行校正，抑制程度为0.08%～0.39%。分析实测Ro值可知 (图2)，泌阳凹陷烃源岩埋深在1 900 m左右 (Ro=0.5%)进入生烃门限，在2 300 m左右(Ro=0.7%)进入成熟门限，2 300～4 300 m为主生油阶段(Ro=0.7%～1.2%)。在对Ro进行校正之后，成熟度整体提升0.2个百分点左右，成熟门限提高至1 900 m左右，即H3段均处于成熟阶段。成熟度的重新厘定促进了对泌阳凹陷热演化史和生烃史的更进一步认识。

图2 泌阳凹陷烃源岩镜质体反射率随深度变化Fig.2 The changes of reflectivity of vitrinite of hydrocarbon source rocks in Biyang Sag with depth

2.5 优质烃源岩分布及资源量贡献

关于优质烃源岩的判识标准，国内外学者做了大量研究，但是目前并没有统一的认识。秦建中等在研究海相优质烃源岩时将优质烃源源下限设定为2.0%的标准，但他也认为Ⅰ型有机质作为优质烃源岩是可以将下限定在1.5%。泌阳凹陷有机质类型好，成熟度适中，参考采用TOC为1.5%作为优质烃源岩的下限标准［14－15］。

由中国“十三五”油气资源评价成果可知:泌阳凹陷H2段成熟度较低，生烃量较小，为4.74×108t，占总生烃量的11.30%。H3段为主力烃源岩，占总生烃量的88.7%。其中，H31亚段生烃量为2.78×108t，占总生烃量的6.62%;H34—H32亚段生烃量最大，为 18.26×108t，占总生烃量的43.5%;H35—H38亚段生烃量占总生烃量的9.39%～10.12%。

根据生烃条件研究，H3下段H38—H35亚段有机质成熟度高，但TOC低于1.5%，干酪根主要以Ⅱ型为主，少量Ⅰ、Ⅲ型;H3上段H34—H31亚段处于生油高峰期，TOC为1.64%～2.25%，干酪根以Ⅱ1—Ⅰ型为主，为优质烃源岩;H2段有机质含量高，类型好，但有机质成熟度较低，未达到生油高峰期。

综合烃源岩评价及生烃量分析认为［16－17］，H3上段H34—H32亚段为优质烃源岩发育段，根据泥页岩厚度分布图、Ro等值线及TOC等值线叠合图划定优质烃源岩的分布范围(图3)，优质烃源岩主要分布于泌阳凹陷中南部深凹区。

图3 泌阳凹陷H33段优质烃源岩分布范围Fig.3 The distribution range of high－quality hydrocarbon source rocks in Section H33of Biyang Sag

3 古水体环境研究

3.1 沉积背景

泌阳凹陷为一个典型的山间封闭型湖泊，在干旱—潮湿气候交替和湖平面频繁升降过程中，接受了碎屑和化学沉积。在玉皇顶组和大仓房组可能出现过硫酸盐型湖泊，但核桃园组以碳酸盐型湖泊为主，晚期出现硫酸盐型，这充分说明泌阳凹陷具有稳定的水系入湖。泌阳凹陷深凹区半深湖—深湖区局部发育白云岩，核桃园组累计厚度达到1 000多米。在深湖区，白云岩与泥岩呈薄层交互产状，反映相对浅水碱性环境和相对深水还原环境的交替，为有机质的发育保存提供了有利条件。H3下段白云岩不发育，而H3上段—H2段不仅白云岩发育，而且出现了天然碱等典型的蒸发岩，说明湖水变咸［18－19］。

3.2 藻类组合特征

泌阳凹陷核桃园组中的藻类主要是壶形弗罗姆藻、网面球藻、皱面球藻、环纹藻和盘星藻。壶形弗罗姆藻属于沟鞭藻的一种，在湖湘沉积中出现，属于典型的高盐环境;盘星藻是生活于淡水中的藻类;网面球藻、皱面球藻、环纹藻指向意义不是很明确，海相、半咸水、淡水均有［20］。藻类是有机质的重要来源，不同的地区藻类含量不同，因此，藻类多的地区，有机质含量通常也较高［21］。对泌阳凹陷古生物化石藻类的分布进行了研究，H3亚段、H133亚段和H22亚段发育咸水环境下才有的壶形弗罗姆藻(图4)，藻类组合特征指示明显的淡水—咸水交替变化水体。

图4 泌阳凹陷核桃园组主要藻类发育特征图Fig.4 The development characteristics of main alga in Hetaoyuan Formation of Biyang Sag

3.3 微量元素特征

通过对泌阳凹陷H38—H21各亚段微量元素特征分析可知(图5):H3下段Mg与Ca之比高，Mn与Ti之比较低，水体较稳定，盐度较低;H3上段水体变咸，H34、H33、H32、H31、H2时期对应明显的咸水—半咸水交替变化。从微量元素咸化特征与有机质丰度的关系来看，H3上段、H2段有机质丰度整体要高于H3下段烃源岩，H3上段—H2段咸化期对应的有机质丰度也相对较高。

图5 泌阳凹陷安深1井核桃园组微量元素分布图Fig.5 The distribution of microelement in Hetaoyuan Formation in Well Anshen 1 of Biyang Sag

淡水湖生物种类和数量都较多，尤其是吃藻类的动物，当湖水变咸时，一些狭盐性生物就会死亡，生物种类变单调，以藻类为生的生物数量减少，藻类得以大量繁殖并保存下来，使沉积物中的有机质含量升高，这也是盐度高利于有机质富集的主要原因［22－24］。泌阳凹陷优质烃源岩主要分布于深凹区，层位以H34、H33、H32亚段为主，该时期淡水—半咸水—咸水交替的沉积环境为高丰度泥页岩的形成与保存提供了水体条件，也为泌阳凹陷形成“小而肥”油田奠定了物质基础。

4 勘探启示

泌阳凹陷经过40多年的勘探，已发现探明储量为 2.8×108t，其中，H3上段储量为 1.76×108t，占比达到63%。中国“十三五”油气资源评价结果表明，泌阳凹陷总资源量为5.01×108t，剩余资源量为2.21×108t，探明率高达55.9%，进入勘探的中后期，勘探难度越来越大［25］。通过精细评价泌阳凹陷生烃条件，厘定中部深凹区优质烃源岩发育范围及形成环境，已发现的较大规模油田及大部分探明储量基本都与优质烃源岩相关，并且围绕深凹区生烃中心呈环带状分布［26－30］。环凹带紧邻生烃中心，是油气运移的必经之路，油源充足。根据油源关系及成烃成藏研究成果，泌阳凹陷油气以横向顺层运聚为主要成藏模式，H3上段优质烃源岩生烃、排出烃主要在H3上段聚集成藏。沉积相带主要处于三角洲前缘或前三角洲亚相，具有较好的储层条件，延伸入生油中心的砂体搭起了油气自中心向边沿运移的桥梁，源储配置良好，具有“近源聚集”的优势。全区广泛发育砂泥岩薄互层，为油气的保存提供了良好的条件。环凹带剩余资源量为1.63×108t，勘探潜力较大，是泌阳凸陷下步勘探增储的主要领域。

5 结论

(1)泌阳凹陷全区广泛发育泥页岩，泥页岩分布范围和规模受南部大断裂和东北部物源通道控制，H3段泥页岩最大厚度为1 500 m。

(2)泌阳凹陷H34—H31亚段及H2段有机质丰度高，明显要优于H3下段;H3上段干酪根类型以Ⅱ1—Ⅰ型为主，H3下段主要以Ⅱ1—Ⅱ2型为主，少量Ⅰ、Ⅲ型;H3段烃源岩均处于成熟阶段，厘定核三上段H34—H32亚段为优质烃源岩发育段。

(3)核桃园组泥页岩形成的水体环境自下而上逐渐变咸，H3上段—H2段时期淡水—半咸水—咸水交替的沉积环境为优质烃源岩的形成与保存提供了水体条件。

(4)环凹带紧邻生烃中心，源储配置良好，具有“近源聚集”的优势，剩余资源量大。