德惠断陷深层烃源岩分类评价及成藏关系研究

卢克宁

(中国石油吉林油田分公司 勘探开发研究院,吉林 松原138000)

0 引言

在松辽盆地南部白垩系下统的演化历程中,火石岭组时期的热拱运动形成了该区断陷格局,使得水域面积扩大,沉积物源丰富,为有机质的沉积创造了良好条件。在营城组沉积末期伴随的剥蚀作用,使得之前的沉积遭受强烈改造,全区地层形成广泛的角度不整合。德惠断陷位于松辽盆地南部东部断陷带内,北接王府、榆树断陷,西邻中央古隆起,东与九台—公主岭凸起相连接,西南与梨树断陷为邻,区内发育农安南、合隆、鲍家、郭家、华家、龙王和兰家洼槽等7个次级构造单元。其深层烃源岩主要发育在火石岭组、沙河子组和营城组3套层系中,其中煤系地层广泛发育,湖相泥岩仅在农安南洼槽火石岭组发育,断陷内发育纯泥岩、含碎屑泥岩、碳质泥岩以及煤等多种烃源岩岩性类型。由于烃源岩岩性的多样性及平面、纵向上的非均质性较强,不同岩性的烃源岩其生烃演化过程有着明显的差异。德惠断陷烃源岩以成熟-高熟阶段为主,并且各洼槽及各层系变化大,不同成熟阶段的烃源岩其残留生烃潜力也不尽相同,对其评价标准也不能统一。烃源岩品质评价不能用单一的标准来量化,给烃源岩评价造成了很大的困难。该文主要创新之处在于,针对不同成熟阶段、不同岩性的烃源岩,结合生烃演化过程中,随着成熟度的不断提高其残余有机质丰度不断减小这一特征,考虑纵向及平面上的非均质性,应用基于生烃动力学实验新建立的评价标准,对不同岩性、不同层系、不同地区的烃源岩品质特征进行精细评价。

1 烃源岩概况

通过大量的岩心观察、地化数据分析及测井综合研究发现,德惠断陷深层发育火石岭组、沙河子组和营城组3套煤系地层为主的烃源岩,仅在农安南洼槽火石岭组发育湖相纯泥岩。该区煤系地层烃源岩岩性主要以含碎屑泥岩为主,部分碳化为碳质泥岩和煤,而煤层多以煤线形式存在,不具备规模。由于烃源岩的发育、展布及保存受沉积环境控制,有机质的丰度和类型也随其影响,呈分散形式出现的暗色泥岩单位体积的有机质丰度远不能与有机质呈富集形式出现的煤相比,而碳质泥岩介于两者之间。但是暗色泥岩一般有比碳质泥岩和煤更有利于生烃的有机质类型,排烃机制也更为理想,而一般碳质泥岩和煤中很大一部分有机质为不生油的显微组分(如木质素),因此暗色泥岩的生烃潜力应大于煤[1-3]。通过成熟度研究发现,德惠断陷RO为0.7%～2.0%,以成熟-高熟阶段为主(如图1所示),随着成熟度的升高及排烃作用不断进行,残余生烃潜力也在逐渐降低。因此,在不同岩性类型及不同成熟度下,烃源岩丰度评价标准是不同的[4-8];同时类型判断也受到影响,单一的类型判断亦有失真,需要多种方法对类型进行综合评价。

图1 德惠断陷R O 随深度变化散点图Fig.1 Scatter plot of R O variation with depth in Dehui Fault Depression

由于德惠断陷烃源岩岩性类型多样且成熟度较高,以往仅以湖相低熟评价标准对丰度进行评价,不能准确地对该区烃源岩进行有效评价,因此,该文引用黄文彪等建立的松南深层东部断陷带烃源岩评价标准,以不同岩性、分层系、按不同成熟阶段的TOC和Pg对德惠断陷重点洼槽进行分类精细评价。由于德惠断陷仅发育极少量的煤,只占整个烃源岩厚度的约4%,因此煤不作为本次评价单元,只对泥岩和碳质泥岩进行评价,评价标准见表1。

表1 松南深层东部断陷带烃源岩评价标准Table 1 Evaluation criteria for hydrocarbon source rocks in Eastern Fault Depression Belt of Songnan

2 烃源岩品质评价

2.1 有机质成熟度评价

从图1 可以看出,德惠断陷RO为0.5%～2.5%,并且不同层位的RO其分布范围有所差异。营城组RO分布在0.5%～1.6%和2.0%～2.5%两个区间,沙河子组RO为0.5%～2.0%,火石岭组RO为1.0%～2.4%,并且可以看出德惠断陷主要是以RO为0.7%～2.0%的成熟到高熟阶段为主的烃源岩。

为了更直观地看出各层位平面上的成熟度分布情况,分别绘制出各层位RO平面分布图,如图2所示。可以看出,无论是营城组、沙河子组还是火石岭组,鲍家及郭家洼槽均以高熟阶段为主,而其他洼槽均以成熟阶段为主。

图2 德惠断陷营城组、沙河子组和火石岭组R O 分布图Fig.2 The R O distribution of Yingcheng Formation,Shahezi Formation and Huoshiling Formation in Dehui Fault Depression

2.2 有机质丰度评价

根据成熟度研究成果,应用高熟阶段评价标准对鲍家及郭家洼槽进行评价,应用成熟阶段评价标准对其他洼槽进行评价。

1)在高熟区的评价

鲍家洼槽仅营城组泥岩评价为好烃源岩,其TOC分布为0.2%～4.0%,均值为1.5%,集中值为0.8%～3.7%,Pg分布为0.1～7.6 mg/g,均值为1.3 mg/g,集中值为1.1～3.7 mg/g;沙河子组泥岩TOC集中值为0.8%～1.8%,Pg集中值为0.4～1.1 mg/g;火石岭组泥岩虽然TOC集中值为0.8%～3.7%,但Pg集中值为0.4～1.1 mg/g,总体偏低,评价为中等烃源岩。碳质泥岩在营城组TOC分布为5.2%～18.8%,均值为8.7%,集中值为7.0%～26.0%,Pg分布为7.8～21.8 mg/g,均值为11.6 mg/g,集中值>6.5 mg/g,评价为好烃源岩。其余区碳质泥岩因数据太少,虽然评价为中等-好,但结果仅供参考。同样为高熟阶段的郭家洼槽均评价为中等烃源岩,营城组泥岩虽然TOC集中值为0.8%～3.7%,但Pg集中值为0.4～1.1 mg/g;火石岭组泥岩TOC集中值为0.8%～1.8%,Pg集中值为0.4～1.1 mg/g,总体值偏低;营城组碳质泥岩数据同样较少,虽然评价为中等,但结果仅供参考。

2)在成熟区的评价

兰家洼槽泥岩在营城组和沙河子组评价为好烃源岩,TOC集中值为1.8%～4.3%,Pg集中值为2.2～7.2 mg/g;火石岭组TOC集中值为0.8%～3.7%,Pg集中值为0.2～2.2 mg/g,整体偏低,评价为中等烃源岩。碳质泥岩在沙河子组和火石岭组数据太少,结果仅供参考,而营城组TOC集中值为4.3%～26%,Pg集中值<13 mg/g及>27 mg/g,评价为中等-好。华家洼槽泥岩整体评价为差-中等烃源岩,TOC集中值为0.3%～3.7%,Pg集中值为0.2～2.2 mg/g;而火石岭组发育的碳质泥岩化验分析数据较少,虽评价为中等-好,也仅供参考,需要更多数据进一步证实。合隆洼槽泥岩及碳质泥岩化验数据均较少,需要更多数据来支撑。农安南洼槽仅发育湖相泥岩,且以火石岭组最为发育,其TOC分布为0.8%～3.9%,均值为2.0%,集中值为1.8%～3.7%,Pg分布为0.4～12.7 mg/g,均值为6.4%,集中值为2.2～13.0 mg/g,评价为好-很好烃源岩。

综合来看,在营城组评价中,泥岩在成熟区的兰家洼槽丰度高,好烃源岩比例达到70%;其次为高熟区的鲍家洼槽,中等-很好烃源岩比例为75%以上,且近40%为好以上的烃源岩,烃源岩品质较好;其他地区烃源岩品质均以中等及以下为主。碳质泥岩中,高熟区的鲍家洼槽丰度高,好-很好烃源岩比例达50%以上;兰家洼槽源岩品质为中等-好,好以上烃源岩占40%以上;其他地区数据较少,需要更多数据支持。在沙河子组评价中,泥岩品质在成熟区的兰家洼槽丰度高,好烃源岩以上的占比超过50%;碳质泥岩品质由于数据较少,需要进一步研究。在火石岭组评价中,泥岩品质在农安南非常好,好烃源岩以上的占比超过80%,评价为好-很好烃源岩,而其他洼槽泥岩品质均在中等及以下;此层碳质泥岩数据较少,仅供参考,需进一步研究。

德惠断陷重点洼槽营城组、沙河子组和火石岭组烃源岩丰度评价标准如表2所示。

表2 德惠断陷重点洼槽营城组、沙河子组和火石岭组烃源岩丰度评价Table 2 Evaluation of source rock abundance of Yingcheng Formation,Shahezi Formation and Huoshiling formation in Dehui Fault Depression

续表2

2.3 有机质类型评价

众所周知,不同来源有机质成烃潜力差别较大,且类型越好,成烃潜力越大,因此,在相同条件下,有机质的类型可以衡量有机质的产烃能力。从前面的评价中已知德惠断陷成熟度主要集中在成熟-高熟阶段,而通过传统的(H/C)-(O/C)原子比交汇图可以看到,交汇点多数落在范氏图根部,已经无法对类型进行有效评价。德惠断陷有机元素判断类型图版如图3所示。

图3 德惠断陷有机元素判断类型图版Fig.3 Typologic chart oforganic elements esti mating in Dehui Fault Depression

同时,由于有机质在较高的成熟度下,其在镜下鉴定有机组分的难度也在增加。基于此,该文主要应用干酪根类型指数KTI、干酪根碳同位素分布、族组成图版、生物标志化合物占比等多种方法进行类型评价。卢双舫等人分别于1986年和1993年提出了数值化的干酪根类型指数KTI,其计算结果为0～100,KTI值越大,表明其有机质的类型越好,即生烃潜力越高。由于建立公式所利用的样品的成熟度不高于2.0%,因此KTI指数只适用RO<2.0%的样品,其计算公式如下:

式中:KTI为判断有机质类型的指数;H/C 为氢碳原子比;O/C为氧碳原子比。

从KTI指数对重点洼槽有机质类型判断可以看到,深层烃源岩KTI为20～40的频率最高,对应类型为Ⅲ1型。德惠断陷整体上有机质类型以Ⅲ1型为主,仅兰家洼槽显示是以Ⅰ2～Ⅱ型为主,部分为Ⅲ1型,如图4所示。

图4 德惠断陷重点洼槽KTI指数方法判断有机质类型图Fig.4 The organic matter type by KTI index in key depressions of Dehui Fault Depression

通过干酪根碳同位素分布频率对德惠断陷重点洼槽进行类型划分[9-11],可以看出烃源岩碳同位素主要为-25.5‰～-22.5‰,有机质类型同样表现为以Ⅲ1型为主,如图5所示。这一结果整体上与KTI指数指示结果较为相近,在这种类型判断下,农安南洼槽显示出更差的情况,与岩心观察为纯泥岩的情况不太相符。由于此项数据较少,不能代表整体情况,其结果仅供参考。而兰家洼槽指示类型与KTI指数法判断结果差别更大,为Ⅰ2～Ⅱ型到Ⅲ型的转变,因此需要结合其他方法进行进一步地判断。

图5 德惠断陷重点洼槽干酪根碳同位素方法判断有机质类型图Fig.5 The organic matter type bykerogen car bon isotope in key depressions of Dehui Fault Depression

在此基础上,通过族组成图版对有机质类型进行判断[12]。从图6德惠断陷重点洼槽族组成三角图版可以看出,农安南洼槽饱和烃含量最高,平均达到50%以上,显示其水生生物贡献较多;其次为鲍家及华家洼槽;而兰家洼槽相对最低,这与KTI指数对兰家洼槽判断的结果不太一致,但与干酪跟碳同位素法较为一致。

图6 德惠断陷重点洼槽族组成方法判断有机质类型图Fig.6 The organic matter type by group composition in key depressions of Dehui Fault Depression

最后,通过图7生物标志化合物占比图可以看出,农安南洼槽C27甾烷具有较高的相对含量[13-14],这一现象指示其为菌类及藻类的富氢类母质来源,与族组成图版辨识结果较为一致。

图7 德惠断陷重点洼槽生物标志物方法判断有机质类型图Fig.7 The organic matter type by biomarkers in key depressions of Dehui Fault Depression

通过上述多种方法对类型的判断可以看出,德惠断陷深层烃源岩整体上是以Ⅲ1型为主,不同方法下各洼槽类型的判别略有差异。综合来看,以湖相泥岩为主的农安南洼槽有机质类型最好,以Ⅲ1型为主,部分为Ⅱ型。而兰家洼槽用各种方法判断的类型结果相差较大,这与样品的数量及样品在平面及纵向上的分布均有关系,需要通过更多、更全面的化验分析数据进一步研究。

3 优质烃源岩分布及对成藏贡献分析

对烃源岩品质进行评价之后,又进一步对优质烃源岩厚度进行刻画。从排烃量及排烃效率来看,在烃源岩达到好烃源岩品质时,开始进入大量排烃阶段,因此将烃源岩品质在好以上的定义为优质烃源岩。首先应用改进的ΔlgR法计算TOC及Pg(据黄文彪等),并通过已有样品的实测数据进行校正,刻画烃源岩垂向有机质非均质性,识别优质烃源岩[15-16]。德惠断陷D8 井综合柱状图如图8所示。

图8 德惠断陷D8井综合柱状图Fig.8 Comprehensive histogram of D8 well in Dehui Fault Depression

具体公式如下:

式中:TOC为有机碳,%;A为斜率系数;Pg为生烃潜量,mg/g;K为校正系数;Δt为声波时差,μm/s;R为电阻,Ω·m;ΔlgR为计算过程中的变量。

在单井优质烃源岩厚度刻画基础上,结合地震相等特征,落实优质烃源岩在断陷内横向及纵向上的展布特征。优质烃源岩在营城组、沙河子组及火石岭组均有发育,整体上来看由下至上呈现从南向北逐渐迁移的形态。由图9可以看出,火石岭组优质烃源岩连片分布范围大,主要集中在农安南洼槽、鲍家洼槽、华家洼槽及合隆洼槽,其中农安南洼槽优质烃源岩厚度最大,最厚可达80 m。由图10可以看出,沙河子组优质烃源岩分布范围较小,主要集中在鲍家洼槽、华家洼槽及农安南洼槽,鲍家洼槽发育最好;营城组优质烃源岩在郭家洼槽、鲍家洼槽、华家洼槽、合隆洼槽及兰家洼槽均有发育,但各洼槽之间不连续,局部厚度较大,在郭家及鲍家洼槽局部厚度可达100 m,而在华家及兰家洼槽优质烃源岩整体发育较薄。

图9 德惠断陷火石岭组优质烃源岩平面分布图Fig.9 The thinkness of high quality source rock distribution of Huoshiling Formation in Dehui Fault Depression

图10 德惠断陷营城组、沙河子组优质烃源岩平面分布图Fig.10 The thinkness of high quality source rock distribution of Yingcheng Formation and Shahezi Formation in Dehui Fault Depression

在优质烃源岩刻画的基础上,对优质烃源岩对成藏的贡献进行了研究,发现优质烃源岩与气藏有着较好的匹配关系。以鲍家地区为例(如图11所示),其营城组为致密气藏,主要以自生自储为主,优质烃源岩最为发育的D8井区不仅气测显示高,单井试气也高达数105m3,而邻近优质烃源岩发育减薄区的D11及D3井,气测及试气效果则明显变差;另外,郭家地区营城组优质烃源岩发育区DS81井明显有较高的气测显示;火石岭组DS11井区试气效果好,最高日产气达数万立方米,在其井区发育优质烃源岩,并且在断层作用下,处在下盘的优质烃源岩与储层形成侧向对接,表现为侧向近源供烃的成藏类型。这些均展现了优质烃源岩与成藏有较好的匹配关系,也反向证明了此种烃源岩评价流程在该地区有较好的适用性,对指导下步勘探部署提供一定的技术支撑,亦可以为其他地区的烃源岩评价工作提供借鉴。

图11 德惠断陷鲍家洼槽D11-D8-D3井区油藏模式示意图Fig.11 Reservoir pattern of D11-D8-D3 drainage area in Baojia depression,Dehui Fault Depression

4 结论

1)德惠断陷以煤系地层沉积为主,湖相泥岩仅在农安南洼槽火石岭组较为发育,烃源岩主要岩性有纯泥岩、含碎屑泥岩、碳质泥岩和煤等多种类型,其中煤多以煤线形式存在,不具备规模,而碳质泥岩生烃潜量介于煤和暗色泥岩之间,并且成熟度多以成熟-高熟为主,因此需要应用不同的评价标准进行烃源岩评价。

2)郭家洼槽及鲍家洼槽以高熟阶段为主,应用高熟阶段标准进行评价,其他洼槽以成熟阶段为主,应用成熟阶段标准进行评价,并根据烃源岩岩性类型的差异对重点洼槽进行分层系的精细评价。最终明确了泥岩在农安南火石岭组品质最好,兰家洼槽营城组及沙河子组、鲍家洼槽营城组烃源岩品质好,其他地区则评价为中等到差;而碳质泥岩在鲍家洼槽营城组品质好,兰家洼槽营城组品质为中等-好,其他地区数据较少,仅作参考。

3)通过应用干酪根类型指数KTI、干酪根碳同位素分布、族组成图版和生物标志化合物占比等多种方法进行类型评价,明确德惠断陷深层烃源岩类型主要以Ⅲ1型为主,其中农安南烃源岩类型最好,以Ⅲ1型为主,部分为Ⅱ型。

4)优质烃源岩在火石岭组—营城组均有发育,并由下至上呈逐渐由南向北迁移的形态,其中火石岭组发育范围大且连片,沙河子组分布范围小,营城组发育不连片但局部厚度大,厚度可达100 m。同时,优质烃源岩的发育对成藏作用明显,优质烃源岩发育区气测及试气效果明显较好,可有效指导下步勘探部署,其所形成的评价流程及评价方法亦可推广到其他地区的源岩评价以供借鉴。