奈曼北部义县组烃源岩地球化学特征及研究意义

刘海艳，裴家学，杨 雪，何绍勇，刘晓丽，崔宇晶，郝 亮

(中国石油辽河油田分公司，辽宁 盘锦 124010)

0 引 言

奈曼凹陷所在的开鲁盆地为中生界残留盆地，是否存在有效烃源岩对于该地区油气勘探至关重要[1]。奈曼凹陷油气勘探始于1989年，主要集中在凹陷中北部，勘探程度较低。除了N1块九佛堂组上报规模储量、N13块获工业油流外，其余探井仅见到油气显示或为干井、含油水井。中国学者普遍认为，该区主力烃源岩为九佛堂组凝灰质泥岩和油页岩[2-5]。然而，由于奈曼凹陷北部受后期抬升作用影响，九佛堂组烃源岩成熟度偏低，无法为其提供充足的油源。但凹陷北部膏盐岩之下发育一套厚层泥岩，已经达到低熟—成熟演化阶段，生排烃时期早于九佛堂组烃源岩，具有良好的生烃条件。该套烃源岩既可以为义县组、九佛堂组储层提供充足的油源，形成自生自储型、下生上储型油气藏，也可以沿着断层和不整合面向N10井北侧构造高部位运移，在古生界和中生界三叠系、侏罗系的有利圈闭中聚集，形成新生古储型油气藏。义县组烃源岩的存在，极大地拓展了奈曼凹陷北部的勘探空间，对于中生界九佛堂组、义县组乃至深层三叠系、侏罗系和古生界的油气勘探具有重要意义。

1 地质概况

奈曼凹陷位于内蒙古自治区通辽市奈曼旗境内，是开鲁盆地西南侧的一个次级负向构造单元，为海西期褶皱基底上发育起来的中生代凹陷[6-7]，其形成主要受红山-八里罕和西拉木伦河断裂控制，西北与张三园子-新庙以及陆家堡凹陷相望，东与八仙筒凹陷为邻，构造走向为NNE向，构造面积为800 km2，呈狭长带状分布(图1)。受边界控盆断裂和凹陷内2条主干断裂的切割和围限，奈曼凹陷划分为西部陡坡带、中央洼陷带、东部斜坡带3个二级构造带。奈曼凹陷地层自下而上依次为：前中生界基底，中生界下三叠统哈达陶勒盖组，中侏罗统海房沟组，下白垩统义县组、九佛堂组、沙海组、阜新组，上白垩统(下部地层缺失)，新生界。其中，下白垩统义县组和九佛堂组、下白垩统阜新组和上白垩统为不整合接触。

图1 开鲁盆地奈曼凹陷九佛堂组下段顶界断裂

2 下白垩统义县组特征

2.1 古生物孢粉化石特征

通过孢粉化石鉴定，N10井1 525.00～2 208.00 m深度的样品孢粉组合中各种松柏类植物的无肋双囊类花粉占明显优势，蕨类植物孢子很少见，未见被子植物花粉。其中，原始松柏粉、原始松粉、假云杉粉、拟云杉粉等都属于“古老型”双囊花粉，主要见于中生代；无突肋纹孢属孢子是在早白垩世开始出现的类群，存在于义县组、九佛堂组、沙海组地层中；膜环弱缝孢属孢子主要见于白垩纪。当前组合中，无突肋纹孢和膜环弱缝孢的种类和数量都很少(图2)，两者组合与辽西义县组及二连盆地阿尔善组的孢粉组合相近[8]，时代应属早白垩世早期，很可能为贝利亚斯期，相当于早白垩世义县期。因此，初步认为，N10井1 459.00～2 132.00 m井段发育的膏盐岩和厚层泥岩应归属于义县组(图3)。

图2 奈曼凹陷N10井孢粉化石鉴定

2.2 地层测井特征

N10井义县组为一套陆相火山岩-沉积岩系建造，中下部主要由中-基性火山熔岩、火山角砾岩组成，上部主要为一套填平补齐的湖相泥岩、砂岩呈不等厚互层沉积，局部发育膏盐岩建造(图3)。义县组沉积早期火山作用形成了局部高地，火山岩经风化作用为后期沉积作用提供了充足物源。利用测井方法建立了该井的多矿物模型，认为N10井膏盐岩之下的沉积碎屑岩以黏土、石英、长石(钾长石含量高)为主，含少量方沸石，而上覆地层为九佛堂组下段，其沉积碎屑岩以黏土、石英为主，长石含量较少(局部含钾长石)，含少量碳酸盐矿物。这种矿物组合的差异性造成了义县组与九佛堂组下段测井特征存在明显差异：义县组具有锯齿状高伽马(110 API左右)、高电阻(22 Ω·m左右)特征，补偿中子略大，地层密度略小，底部安山岩段呈低补偿中子、大地层密度特征；而上覆九佛堂组下4段表现为较平缓的中高伽马，局部呈锯齿状高伽马(97 API左右)、低电阻(10 Ω·m左右)特征，补偿中子略低，地层密度略大。

图3 N10井综合柱状图

2.3 地震反射特征

根据已钻探井揭露的地层岩性，周边N21、N27井义县组为火山角砾岩、安山岩等岩性组合，地震轴呈丘状、杂乱反射特征，N10井相应等时层位为一套膏盐岩、泥岩组合，地震同相轴连续性好，具有一定的成层性，与N21、N27井地震反射特征呈横向上逐渐过渡(图4)，发生相变。

图4 奈曼凹陷N21—N10—N27井地震剖面

综上研究可知，通过古生物化石鉴定、地层测井特征对比、地震反射特征分析，N10块膏盐岩和厚层泥岩应统一划归到义县组。

3 义县组烃源岩地球化学特征

3.1 义县组烃源岩分布

奈曼凹陷义县组在火山喷发间歇期发育湖相碎屑岩沉积，泥岩和砂岩呈不等厚互层，局部发育膏盐岩建造。烃源岩主要为灰色、深灰色、灰黑色厚层泥岩，粉砂质泥岩，受周边火山作用影响，局部地区含有凝灰质泥岩、含灰泥岩等，纵向上，泥岩厚度为50.0～400.0 m，单层泥岩厚度为0.5～28.0 m，主要分布在奈曼凹陷北部、东北部(图5)，面积约为130 km2。

图5 奈曼凹陷义县组烃源岩平面分布图

3.2 奈曼凹陷北部N10井有机质丰度

奈曼凹陷北部N1块、N13块等地区在义县组钻遇了火山岩、砂砾岩、角砾岩等，并未钻遇沉积碎屑岩。通过对钻遇沉积碎屑岩的N10井进行取样测试分析可知，N10井义县组烃源岩主要为一套灰色、灰黑色、深灰色泥岩，有机碳含量平均为3.40%，氯仿沥青“A”平均为0.281 5%，生烃潜量平均为18.54 mg/g，总烃平均为1 405.61×10-6(表1)。根据中国陆相烃源岩有机质丰度评价标准[9]，义县组烃源岩已经达到优质烃源岩的标准。

表1 N10井有机质丰度参数

3.3 奈曼凹陷北部N10井有机质类型

根据中国中、新生代油(气)烃源岩有机质类型划分标准，N10井义县组烃源岩的有机质类型为Ⅰ、Ⅱ1型(表2)。

表2 N10井氯仿沥青“A”族组分

3.4 奈曼凹陷北部N10井有机质热演化程度

N10井1 881.20、1 882.15、1 883.05 m处实测Ro平均值为0.505%，根据烃源岩有机质成熟度评价标准[9]，该井段成熟度为低成熟演化阶段。然而，N10井1 881.20～1 884.10 m处孢粉颜色为深黄色，颜色指数为2.48～2.67，平均值为2.57，说明有机质基本达到成熟演化阶段，因此认为1 881.20～1 883.05 m深度的烃源岩实测Ro值偏低。偏低的原因可能与该套地层压力大、存在镜质体反射率抑制现象有关，也可能与干酪根中溶解有油的成分有关；同时，N10井干酪根类型为Ⅰ、Ⅱ1型，类型较好，Ro值也容易偏低。因此，N10井义县组烃源岩基本达到低成熟—成熟演化阶段。

3.5 饱和烃色谱特征

N10井在义县组1 881.65、1 883.70、2 050.00 m处分别采集3个烃源岩样品进行饱和烃气相色谱分析测试。研究认为，3个样品正构烷烃表1、表2分布完整，碳数范围为nC12—nC35，呈双峰态分布，偏前锋，主峰碳为nC23(或nC21)，次主峰碳为nC32。植烷占有明显优势，Pr/Ph低，为0.25～0.42，Pr/nC17为0.92～1.28，Ph/nC18高，为2.03～2.91，表明义县组烃源岩形成于强还原沉积环境，成熟度偏低。∑(C21-)/∑(C22+)为0.59～0.72，(C21+C22)/(C28+C29)为2.04～2.67，表明在成烃母质中低等水生生物的贡献稍大。碳优势指数为1.42～1.79，奇偶优势比为1.14～1.29，有一定的奇偶优势，表明义县组烃源岩成熟度较低，处于低成熟—成熟演化阶段。

3.6 甾烷、萜烷类化合物特征

甾烷、萜烷为环状结构，具有稳定的碳骨架，能够反映原始生油母质中先驱化合物的基本面貌[10-11]，可作为可靠的生物标志化合物。

分别在N10井埋深为1 881.20、1 882.15、1 883.05 m处采集了3个烃源岩样品，进行饱和烃色谱-质谱分析。3个烃源岩样品甾烷均以规则甾烷为主，孕甾烷、升孕甾烷以及重排甾烷含量都很低。规则甾烷C27含量大于C28，C29含量也大于C28，呈“V”型分布的特征，表明烃源岩母质既有低等水生生物、湖相藻类，又有高等植物，具有混源特征。甾烷异构化参数C29(20S)/(20S+20R)、(ββ)/(αα+ββ)是判别油气成熟程度的重要参数[12-13]，N10井烃源岩样品规则甾烷的异构化程度较低，其中，C29(20S)/(20S+20R)为0.23，(ββ)/(αα+ββ)为0.18～0.20，反映成熟度较低。

N10井3个烃源岩样品的萜类生物标志物比较相似，以五环萜烷为主，其中又以17α(H)藿烷系列为主要成分。三环萜烷比较发育，碳数分布范围为C19—C29，缺失C27，C21/(C23-Tri)约为0.92～1.20。升藿烷系列C31—C35相对含量呈逐渐降低的梯状分布，重排藿烷含量低，伽马蜡烷含量高。该区烃源岩样品的γ/H为0.31～0.50，指示母源形成于咸水的强还原沉积环境。在该区3个烃源岩样品的m/z125质量色谱图上可检测出含量较高的β-胡萝卜烷，指示咸水—半咸水沉积环境，是湖相环境的特征标志。Ts和Tm相对丰度较低，且Ts

4 烃源岩生排烃作用与油气成藏特征

通过与赵兴齐等[2]对下白垩统九佛堂组的研究资料进行对比可知，义县组的烃源岩和九佛堂组下段烃源岩、九佛堂组下段原油都具有类似的饱和烃气相色谱、甾烷、萜烷生物标志化合物特征，因此，认为奈曼凹陷北部的油气既可能来自于九佛堂组烃源岩，也可能来自于义县组烃源岩，从而证实了奈曼凹陷北部存在2套烃源岩，具有良好的油源条件。

由于N10井沙海组和九佛堂组地层被剥蚀严重，恢复地层厚度难度大，选取了N10块东南侧的N23井进行埋藏史和热史研究(图6)，认为研究区的低熟门限(Ro=0.5%)为1 000.00 m，成熟门限(Ro=0.7%)为1 480.00 m。在沙海组中期—阜新组沉积时期(约115～104 Ma)，凹陷北部发生大规模抬升作用，导致北部九佛堂组地层埋深变浅，大部分暗色泥岩埋藏深度小于烃源岩低熟生油门限深度，为未成熟—低成熟烃源岩。而且，九佛堂组烃源岩于阜新组沉积末期大量排烃，正是抬升作用活跃时期，排出的油气很难聚集，大部分沿着断裂散失，所以，N10块及其北部的九佛堂组烃源岩生烃能力有限，且对油气贡献小。

图6 N23井埋藏史与热史

通过借鉴松辽盆地和二连盆地的研究，认为义县组烃源岩在九佛堂组沉积时期已进入生排烃期，早于九佛堂组烃源岩的生排烃期。九佛堂组沉积中期，斜坡区的N23井义县组烃源岩埋藏深度已超过1 000.00 m(洼陷中心的烃源岩埋深则大于1 200.00 m)，进入低成熟—成熟演化阶段，并开始生排烃，在义县组和九佛堂组的有利圈闭中聚集成藏。沙海组沉积之后，凹陷北部发生构造抬升作用，促使义县组生成的油气大规模运移，已生成的油气进入到新的圈闭中，形成油气藏。相比九佛堂组下段烃源岩，受到的破坏作用小。而上覆膏盐岩的存在又对油气藏起到了很好的保存作用。

义县组烃源岩的发现，极大地促进了奈曼凹陷北部深层油气勘探。义县组烃源岩既可以向义县组火山岩和砂岩储层、九佛堂组砂岩储层进行运移，形成自生自储型、下生上储型油气藏，也可以沿着断层和不整合面向N10井北侧构造高部位运移，在古生界、中生界三叠系、侏罗系的有利圈闭中聚集，形成新生古储型油气藏，从而弥补了凹陷北部九佛堂组下段烃源岩生烃不足的问题，对促进奈曼凹陷北部深层油气勘探具有非常重要的意义。

5 结 论

(1) 通过古生物化石鉴定、地层测井特征对比、地震反射特征分析，N10块膏盐岩和厚层泥岩应统一划归到义县组。

(2) 奈曼凹陷北部N10块发育大套义县组烃源岩，有机碳含量平均为3.40%，有机质类型为Ⅰ、Ⅱ1型，深度为1 880.00 m左右实测Ro平均值为0.5%，已达到好烃源岩标准。

(3) 义县组烃源岩主要来源于咸水深湖相强还原沉积环境；成油母质既有低等水生生物，又有陆生高等植物，母质类型为混合型；烃源岩成熟度较低，主要处于低成熟—中等成熟的演化阶段。

(4) 义县组烃源岩在九佛堂组沉积时期已进入生排烃期，早于九佛堂组烃源岩的生排烃期。该套烃源岩的发现，弥补了九佛堂组下段烃源岩生烃不足的问题，极大地拓展了奈曼凹陷北部的深层勘探空间。

致谢：感谢中国石油辽河油田分公司勘探开发研究院勘探综合所的王延山专家、韩霞博士的悉心指导。