西湖凹陷西斜坡煤层和暗色泥页岩发育与分布规律探讨

蒲仁海,闫肃杰,汪 建,苏思羽,周 锋,陈庆龙

(1.西北大学 地质学系，陕西 西安 710069；2.中国石油化工股份有限色司 上海海洋油气分公司，上海 200120)

西湖凹陷位于东海盆地东部拗陷的中北部,北与福江凹陷相接,南部是钓北凹陷,东部边界为钓鱼岛隆褶带[1],西部邻海礁隆起。西湖凹陷整体面积约为 5×104km2,是东海盆地之中最大的含油气盆地。平湖构造带属西湖凹陷西部一个次级构造单元,由南向北分别由平南缓坡、平中陡坡和平北缓坡3部分组成,东临三潭深凹带。其烃源岩主要为始新统平湖组,该组分为4段,自下而上分为平下下段、平下上段、平中段和平上段。平湖组下伏的宝石组和上覆的花港组也具备一定的生烃条件。

晚始新世平湖组沉积时期，西湖凹陷正处于断-拗转换时期，平湖组发育障壁泻湖、三角洲前缘以及三角洲平原等亚相,整体为海陆过渡沉积环境[2-3],潮控三角洲[4]。

前人根据地化资料研究认为，西湖凹陷平湖组虽单层煤较薄，但累计厚度大,生烃以及排烃效率高，是西湖凹陷里主要的烃源岩[5-13]。傅宁等通过全烃色谱分析、油源对比研究认为，其煤层及碳质泥岩为主要油源岩[5]。仝志刚等通过研究地温梯度和生烃历史认为，其平湖组烃源岩大部分处于过成熟阶段[6]。刁慧等通过平湖组烃源岩生烃潜力的评价认为，其平湖组烃源岩主要为一套煤系烃源岩[7]。田杨等通过对平湖组烃源岩的特征分析,建立了平湖组的形成模式,认为西湖凹陷平湖组的烃源岩分布广，厚度大，层系多,含碳质泥岩和薄煤层的烃源岩生烃指标较高[8]。杨鹏程等在平北地区已发现原油与煤岩抽提物的碳同位素比较中,发现煤层与原油二者的碳同位素含量更加接近,根据二者的生物标志特征对比发现，原油与煤岩更为一致,认为平北地区煤岩生烃更加重要[9]。于水通过油气源对比及油气主控因素分析认为，古地貌和海侵是煤系优势聚集的主控因素[10]。Cheng X等通过气相色谱法、质谱法分析生物标志化合物认为，煤系是其主要烃源岩[11]。王扬等通过有机地球化学分析发现，平湖组煤页岩具有良好的生烃潜力,为气藏提供了良好的基础[12]。KANG S等对平湖煤系的生烃潜力、有机质来源和沉积背景进行了分析,认为西湖凹陷煤层较厚地区是今后油气勘探的重点,西湖凹陷油气主要来源于古近系平湖组煤[13]。

随着钻井的增多和研究的深入，研究区平湖组和宝石组的暗色泥岩的生烃能力越来越受到重视。苏奥等利用气相色谱及傅里叶红外光谱等手段研究后认为，西湖凹陷的油气主要是由平湖组的碳质泥岩和煤岩所生成,而暗色泥页岩的生油潜力较差[14]。XIE G L等采用电感耦合等离子体质谱法(icp-ms)测定泥岩样品,认识到平湖组和花港组泥岩可能存在共同的物源[15]。谭思哲等通过封闭体系黄金管高压釜生烃动力热模拟实验,比较西湖凹陷两类烃源岩的生烃能力,发现碳质泥岩生烃最早,生烃强度最大,煤次之,暗色泥页岩最差[16]。侯读杰等根据全油碳同位素和与C29重排/C29规则甾烷用以区分来自煤岩的原油和来自煤系泥岩的原油,认为原油主要为煤岩贡献,平湖中部地区有部分原油来自泥岩贡献[17]。朱扬明等通过60个饱和烃和芳烃组分的GC-MS分析,认为暗色泥岩中C27甾烷有较高含量,且正构烷烃呈双峰型分布,说明其有机质生物源中水生生物占有一定比例[18]。周洁通过饱和烃及芳烃的地球化学特征对烃源岩的形成环境、母质来源及生物标志物特征等方面进行探讨,认为西湖凹陷平湖组烃源岩的岩性为暗色泥岩、煤和碳质泥岩[19]。万延周等采取碳同位素分析,认为平湖组生烃母质存在海相陆相混源的特点[20]。Cheng X等通过对热解气态烃的稳定碳同位素进行气源对比分析，发现平湖组煤、炭质泥岩和泥岩均有气源岩的可能[21]。SONG C G等结合地球化学分析和盆地模拟技术研究，全面分析并确定烃源岩的有机地球化学和分布特征，认为西湖凹陷主要发育平湖组和花港组两套烃源岩,主要为暗色泥岩和煤[22]。

以上对平湖组煤和暗色泥岩两类烃源岩的研究多基于地球化学指标分析，对二者的纵横向发育与分布规律并不清楚，尤其是斜坡低带和深凹带煤层是否减少，暗色泥岩是否增多，暗色泥岩是否也具备较好的生烃潜力等问题没有解决。但是，煤层和暗色泥岩的分布特点与发育规律影响该区的远景评价和勘探部署[23]。

本研究利用研究区3 000 km2的三维地震资料和35口探井资料，通过对煤层、碳质泥岩、暗色泥岩的测井定量解释以及地震岩性反演的沉积相分析和古构造分析，研究平湖组两类烃源岩的纵横向定量分布，以及它们与古构造和沉积相的关系。同时，通过测井定量统计分析，探讨平湖组暗色泥岩与煤层两类烃源岩与凹陷斜坡坡度、水深的关系，明确了研究区次凹和三潭深凹均发育较厚的暗色泥岩类烃源岩。

1 煤层和深水低速暗色泥页岩的测井识别

研究区平湖斜坡带内有各类井34口,其中平北缓坡有17口井,平中陡坡有14口井,平南缓坡有3口井。由于钻井主要位于圈闭区,所以分布不均匀。

对比取心和测井曲线可以看出,研究区平湖组煤层和碳质泥岩烃源岩测井响应特征明显,具有刺刀状的低密度和高时差响应特征(见图1)。但是，其部分暗色泥岩也具有与煤层类似的刺刀状的低密度和高时差响应特征,其余泥岩则无该测井响应特征,两类泥岩均具备高自然伽马测井响应。所以,平湖组泥岩可分为两类,一类为低速暗色泥岩和页岩,一般为深灰色、灰黑色,有时岩心可见页理，简称暗色泥岩;另一类也为灰色、深灰色泥岩、含粉砂泥岩,声波时差值较低,称为其他泥岩。热解分析显示，低速暗色泥页岩比其他泥岩的有机碳含量高,略低或接近碳质泥岩的有机碳含量,质量分数可达1%～5%。

制作平湖组不同岩性的声波时差值AC与自然伽马GR交会图可以看出，碳质泥岩和煤层的AC值范围为90～116 μs/ft,低速暗色泥页岩也位于这一区间,它们三者的区别主要在于自然伽马GR。当AC>95 μs/ft时,GR<75 API为煤层,GR介于75～100 API为碳质泥岩,GR>100 API为暗色泥岩。如果GR>100 API,AC小于95 μs/ft时则为其他泥岩(见图2)。不具有高时差和低密度测井响应的高伽马泥岩含有机质较低,不属于本次统计研究的范畴。

从图2可以看出，虽然平湖组粉砂质泥岩与泥质粉砂岩等与泥岩的声波时差有一定的重叠,但砂岩的时差值总体上小于泥岩。所以,依据测井约束的三维地震速度反演可以大致区分该区的泥岩和砂岩,制作出平湖组各地层段的沉积相平面图，从而进一步分析两类烃源岩发育与沉积相的关系。

2 煤层、暗色泥页岩与沉积相的关系

由以上分析可以得出,该区砂岩的声波速度稍大于泥岩,二者界线大致在4 000～4 300 m/s。通过测井约束的三维地震速度反演,提取平湖组各段层速度大于4 000 m/s砂岩的百分含量,可制作出研究区各组段的沉积相平面图。

以平中段为例,根据三维地震速度可制作出西湖凹陷西斜坡带平中段的沉积相平面图(见图3)。同时,在测井标准化基础上，统计31口井各井段的煤层、碳质泥岩和暗色泥岩的厚度及百分含量,将其部分井段数据按统一比例尺制作各岩性含量直方图,并重叠在对应层位平中段的沉积相图上(见图3)。图3直观地反映两类烃源岩与沉积相的关系。同时，由图3还可以看出,砂岩及粉砂岩质量分数表现出朵状三角洲前缘分布特征,可划分出三角洲前缘、三角洲平原、前三角洲亚相。在靠近上斜坡方向多为三角洲平原亚相,煤层含量较高,最高质量分数大于10%。向下斜坡深水方向，前三角洲和分流间湾煤含量减少,含量高低可相差5倍以上,不同亚相之间的质量分数介于2%～12%。

为了进一步研究两类烃源岩与沉积相的关系,将浅水成因的煤层与碳质泥岩归为一类,深水成因的暗色泥岩归为一类,分别制作绝大多数井钻穿的平湖组平中段、平上段煤层和暗色泥岩的质量分数折线图(见图4，5)。图4和图5反映了与图3类似的两类烃源岩分布规律。图4表明，从三角洲平原前缘到前三角洲，煤层和碳质泥岩逐渐减少,累计厚度最高可达29.7 m,最高质量分数达14.6%。由图5可以看出，暗色泥岩在三角洲平原地区的含量不稳定,这可能与该区古水深变化有关,在三角洲前缘和分流间湾，暗色泥岩的质量分数可达到5%～10%。陡坡带的PX1和T3井，煤层与暗色泥岩含量较高,平中段最高质量分数约15%,累厚22.3 m。

图1 西湖凹陷西斜坡W2-P1-B1平中段钻井剖面对比图(钻井位置见图3)Fig.1 Comparison of drilling profiles of W2-P1-P10 horizontal and middle section in west slope of Xihu depression

图2 西湖凹陷平湖组煤层、碳质泥岩、暗色泥岩及砂岩的声波时差AC与自然伽马GR测井值交会图Fig.2 Cross plot of acoustic and natural gamma ray logging values of coal seam, carbonaceous mudstone, dark mudstone and sandstone of Pinghu Formation in Xihu Sag

图3 西湖凹陷西斜坡平湖组平中段沉积相图叠合平中段煤层和暗色泥岩含量直方图Fig.3 Sedimentary facies map of the Pingzhong member of the Pinghu Formation on the western slope of the Xihu Depression, superimposed histogram of the coal seam and dark mudstone content of the Pingzhong member

图4 西湖凹陷西斜坡平湖组平上段平中段不同亚相的煤层和炭质泥岩百分含量折线对比图Fig.4 Broken line comparison of percentage content of coal seams and carbonaceous mudstone in different subfacies of upper and middle Pinghu Formation in west slope of Xihu Sag

图5 平湖凹陷西斜坡平湖组平上段平中段暗色泥岩百分含量折线对比图Fig.5 Broken line comparison of percentage content of dark mudstone in upper and middle Pinghu Formation in west slope of Pinghu sag

比较图4和图5可以看出,浅水煤系烃源岩和深水暗色泥岩在相同沉积环境中含量具有消长关系。从三角洲平原到三角洲前缘再到前三角洲,煤系烃源岩的含量逐渐减少,暗色泥岩的含量在平原亚相多数井较低,少数井则与前缘与间湾亚相相当。

平湖组两类烃源岩的含量(厚度与地层厚度的百分比)介于0～30%,多数介于1%～12%。平中段和平上段两类烃源岩的含量无明显差异(见图4，5)。

3 两类烃源岩与斜坡带坡度的关系

平湖凹陷西斜坡平中地区属于断层控制的断陷陡坡(见图6),平北和平南则属于缓坡带。从坡度看，平北最缓(见图7),平南坡度居中,但西南局部发育坡度非常缓的平台。由于发育反向断层,斜坡带上还存在次一级的构造,即次凸和次凹(见图8)。

前人研究表明,断陷盆地陡坡带、缓坡带、轴向带和转换带4种边界类型的坡度、水底地形、水深对沉积相有一定控制作用。例如,陡坡带一般为扇三角洲充填,缓坡带一般为三角洲充填,煤系一般多发育在缓坡带的三角洲平原亚相[24]。SOREGHAN M J等对现代断陷湖盆沉积考察发现,三角洲是否发育受河流入口控制,水平面振荡主要影响缓坡带的旋回,湖底地形和水深与沉积物的粗细密切相关,平台浅水区还容易形成碳酸盐岩沉积[25]。

图6 西湖凹陷平湖西斜坡平中陡坡带过P1井的倾向地震剖面(井位见图8)Fig.6 The dip seismic profile of Pinghu west slope in Xihu Sag passing through well P1

图7 西湖凹陷西斜坡平北缓坡带过K3、K5和K4井的倾向地震剖面(井位见图8)Fig.7 The dip seismic profile of the gentle slope belt passing through K3, K5 and K4 wells on the west slope of Xihu Sag

在地震剖面上，根据凹陷斜坡带上的一定距离内地层厚度的变化，经时深转换可以计算出现今地层夹角,进一步通过去压实校正和构造沉降校正就可以大致恢复西湖凹陷平湖组沉积时的古坡度[26]。以平北地区过K3井、K4井和K5井的平中段为例,沿倾向，13 750 km水平距离，平中段增厚68 m,则可计算其顶底面夹角为0.28度。

类似地,在平中地区过P1井倾向的地震剖面上,平中段取水平距为10 820 m，厚度增加了279 m,计算顶底面夹角为1.48度。在平南地区过B1井倾向的地震剖面上，水平距7 178 m，平中段增厚了76 m,计算的顶底面夹角为0.54度。以上平北、平中和平南的3个地层夹角是古地形、压实作用和构造差异沉降三者共同作用的结果。去压实作用校正会增大垂向厚度差,差异构造沉降校正则会减少垂向厚度差,二者校正作用大致抵消。所以,经去压实校正和构造差异沉降校正后的古地形坡度与目前的地层夹角处于大致相当的水平。

图8 西湖凹陷西斜坡平湖组时间域厚度平面图叠加平湖组煤层和暗色泥岩含量直方图Fig.8 Time domain thickness plan of Pinghu Formation superimposed with histogram of coal seam and dark mudstone content of Pinghu Formation in west slope of Xihu Sag

用类似的方法可以计算出不同地层段中，平北缓坡、平中陡坡和平南缓坡所选3个位置对应的坡度(见表1)。

表1 西湖凹陷西斜坡不同地层段坡度估算

由表1可以看出,平北、平中和平南斜坡的坡度大致介于0.23～3.2度。平中陡坡带的坡度比平北和平南缓坡带大3～8倍。坡度自老到新逐渐减小,断陷期宝石组的坡度最陡,但平湖组4个地层段的坡度差异很小,相邻层位的坡度差异不到10%。这说明宝石组断陷层坡度稍大外,平湖组沉积时坡度明显变缓,但平湖组内部的坡度晚期变缓不是十分明显。

图8为西湖凹陷西斜坡平湖组双程时间厚度图,反映了平湖组沉积时的整体的斜坡坡度和次凸、次凹分布,南北仍然存在一定的坡度差异。

将斜坡带各井的平湖组两类烃源岩累计质量分数直方图叠置在平湖组厚度平面图上(见图8),可看出煤层和碳质泥岩主要在斜坡上方的浅水缓坡区质量分数较高,介于8%～16%,在较深水的下斜坡和陡坡质量分数变小,一般介于2%～8%,并具朝深水区逐渐减少的趋势。

与煤层含量的变化趋势相反,低速暗色泥岩的含量在上斜坡较小,下斜坡和次凹有逐渐增大的趋势,如位于次凹的W4，P7井的暗色泥岩厚度均大于上斜坡的W1井、P10井(见图8)。

比较平南、平中和平北的两类烃源岩含量可以看出,两类烃源岩含量均具在平中好和平北较高,平南较低的趋势(见图8)。从图1可以看出,从平北到平中再到平南,平湖组砂岩含量和砂层厚度有逐渐减小的趋势。该区沉积相分析也表明，其平湖组物源主要来自正北和北西方向,朝南距河流入口处变远,可能导致陆源有机质和生物需要的营养朝南减少,导致富含有机质的暗色泥岩含量降低。这似乎说明斜坡南部平湖组的生烃潜力不如平北和平中。但地震剖面上显示，平南地区宝石组大型三角洲较发育,且主要来自正西方向,所以,宝石组烃源岩可能发育较好,这一点有待钻井证实。

为了分析浅水煤层和深水暗色泥岩与斜坡带的坡度及其演化的关系,制作平北—平中—平南的不同地层段的煤层加碳质泥岩的质量分数折线图(见图9)和暗色泥岩含量折线图(见图10)。

图9 平湖构造带平北、平中和平南地区煤层和炭质泥岩百分含量折线图Fig.9 Broken line chart of percentage content of coal seam and carbonaceous mudstone in Pingbei, pingzhong and Pingnan areas of Pinghu structural belt

由图9可以看出,平中—平南地区煤层及碳质泥岩含量随时代变新依次增加,这种煤含量增加可能与断陷到拗陷的变化过程中，坡度变缓和水变浅有关。但平北地区则无该规律,可能与各地层段的煤含量主要受三角洲平原亚相分布控制有关。

由图10可以看出,平北缓坡带低速暗色泥页岩含量有随地层年代由老至新呈依次减少的趋势,反映了水体逐渐变浅的趋势。平中陡坡带低速暗色泥页岩含量随时代无明显变化,可能与该区一直处于较深水区有关。平南仅3口井的低速暗色泥页岩含量很低,随时代变新而含量稍有增加。

前人通过源岩对比研究发现，平湖组烃源岩主要为煤系烃源岩,暗色泥岩贡献较差。本研究发现，低速暗色泥页岩在深水区厚度大，分布广,可能也具有重要的生烃作用。前人之所以得出该区以煤系烃源岩生烃为主的结论可能与煤系中含较典型的生物标志化合物有关。它们在暗色泥岩含量较少,造成所谓的“墨水效应”。所以,西湖西斜坡的两类烃源岩可能均有较大的生烃潜力。

图10 平湖构造带平北、平中和平南地区低速暗色泥页岩百分含量折线图Fig.10 Broken line chart of percentage content of low velocity dark shale in Pingbei, pingzhong and Pingnan areas of Pinghu structural belt

4 结论

1)西湖凹陷西缘斜坡带发育两类烃源岩,分别为浅水沼泽成因的煤层和碳质泥岩、深水暗色泥岩,二者均具有低密度、高时差刺刀状薄层测井曲线特征,时差大于95 μs/ft,密度小于2.3 g/cm3,该测井响应特征可能与富含有机质有关。两类烃源岩的区别在于自然伽马测井曲线薄层齿形的方向和数值的大小,煤层和碳质泥岩为GR左偏的低值异常,煤层GR<75 API,碳质泥岩GR介于75～100 API,暗色低速暗色泥页岩为GR右偏齿状,GR>100 API。根据声波和自然伽马测井可以准确定量识别各井中的平湖组两类烃源岩的含量。平湖组两类烃源岩质量分数均介于1%～12%,随沉积相和斜坡位置及水深变化而变化。

2)在地震岩性反演制作的沉积相平面图上可以看出，平湖组煤层和碳质泥岩主要发育于三角洲平原亚相,并朝三角洲前缘和前三角洲减薄。在浅水区，上斜坡较厚,朝深水下斜坡区减薄。低速暗色泥岩在三角洲平原较薄,前三角洲和间湾较厚;在上斜坡浅水区较薄,在深水区下斜坡较厚。

3)平湖组两类烃源岩在平北缓坡和平中陡坡较厚,在平南缓坡较薄,沉积物也从北向南变细,可能反映了平湖组沉积时河流三角洲由北向南的注入以及有机质向南的减少。

4)平北缓坡带平湖组随着时代的变新,坡度稍变缓,暗色泥岩含量逐渐减少,沼泽煤层和碳质泥岩含量无明显变化。平中陡坡带随时代变新坡度也稍有变缓,煤层和碳质泥岩含量增多,但低速暗色泥页岩含量无明显变化。

5)平湖凹陷西斜坡除煤层烃源岩外,次凹和深凹带暗色泥岩分布广,厚度大,可能也具备重要的生烃潜力。

致谢:感谢中石化上海海洋油气分公司提供的钻井和地震资料。