遼河西部凹陷富有機質沉積識別及控制因素探討

曲彥勝

（中石化勝利油田分公司西部新區研究中心，山東 東營 257061 油氣資源與探測國家重點實驗室 （中國石油大學 （北京）），北京 102249）

鐘寧寧，劉巖

（油氣資源與探測國家重點實驗室 （中國石油大學 （北京）），北京102249）

李園園

（中石化勝利油田分公司東辛采油廠，山東 東營 257061）

孫莎莎

（中國石油勘探開發研究院廊坊分院，河北 廊坊 065007）

我國東部斷陷湖盆中的烴源巖存在紋層狀富有機質和低豐度烴源巖，其中富有機質烴源巖多呈紋層狀發育，有機質豐度高，可大于10%［1，2］。而對于富有機質沉積的空間分布，目前普遍認為其在三級層序格架下的水進體系域的上部和高水位體系域的下部，也就是最大湖泛面附近發育［3］，但是對其識別和分布規律的研究認識程度仍較低。為此，筆者嘗試以東部典型斷陷盆地渤海灣盆地富油氣凹陷遼河西部凹陷為例，識別富有機質沉積并結合優質烴源巖的空間展布規律，查明其發育的主控因素，從而更深入認識斷陷湖盆優質烴源巖發育機制與沉積模式，為預測陸相斷陷湖盆烴源巖發育及正確認識資源潛力提供更加可靠的依據，對于我國東部精細勘探具有重要的理論與現實意義。

1 研究區概況

遼河西部凹陷是遼河斷陷3個凹陷中最大的一個，是一個東斷西超、東陡西緩的箕狀斷陷。烴源巖分布層位多 （從沙四段 （Es4）到東營組 （Ed）均有分布）、面積廣 （遍布6個次級洼陷）。其中Es3（沙三段）、Es4烴源巖較發育，主要發育一套黑灰－深灰色泥巖，灰色泥巖、褐灰色泥巖和灰褐色油頁巖等，有機質豐度高，質量較好［4］。從各層序反映有機質豐度的指標 （TOC （總有機碳含量），氯仿瀝青 “A”含量及總烴含量）（見圖1）來看，各層序烴源巖TOC在1%～2.5%，氯仿瀝青 “A”含量在0.05%～0.2%，總烴含量平均值在200～800μg／g。

2 富有機質沉積的識別特征

2.1 微觀特征

圖1 遼河西部凹陷Es3、Es4烴源巖特征

富有機質層沉積主要以油頁巖組合、油頁巖－泥 （灰）質巖組合、泥灰巖－灰質泥巖組合3類巖石組合為主。顯微鏡下觀察其往往具有清晰的紋層結構，根據礦物和有機質的組成可分成如下幾類:由細粒方解石組成的碳酸鹽巖層、黃鐵礦的紋層以及富含泥質礦物的紋層。在熒光下可以見到藻類物質充分降解形成的富有機質 “暗層”與礦物瀝青基質 “亮層”交替出現 （見圖2），顯微組分以腐泥組為主，鏡質組含量低，反映其主要以來源于低等水生生物如菌藻類生源為主。藻類呈紋層狀出現，但沒有出現代表強還原環境的黃鐵礦紋層，反映當時可能并未出現強還原的沉積環境。在所選的這些樣品中，藻類紋層主要出現在沙三段以及沙四段。沉積相類型主要是扇三角洲前緣亞相和濱淺湖－半深湖亞相，巖性以深灰色泥頁巖和油頁巖為主，主要分布于西部斜坡靠近凹陷中心的部位以及牛心坨－臺安洼陷。

圖2 遼河西部凹陷烴源巖顯微組分全巖熒光特征 （熒光×100）

2.2 地球物理響應特征

如何從豐富的地球物理資料中有效識別富有機質沉積一直是石油地質家們努力的方向之一。從20世紀50年代開始，Dumesnil［5］等國內外學者就嘗試根據不同有機質含量的泥巖、碳酸鹽巖在測井曲線上的響應差異來計算烴源巖中有機質的含量。高豐度烴源巖在測井曲線上表現為四高一低的響應特征:高電阻率響應、高聲波時差響應、高自然伽馬響應、高中子孔隙度響應以及低密度響應。根據不同測井曲線的響應特征可以估算烴源巖中有機質的含量，Passey等［6］認為結合電阻率－孔隙度曲線的ΔlgR方法在計算TOC時準確性較高，根據測井曲線上的響應以及熱解實測數據可以計算烴源巖中的TOC。筆者以ΔlgR方法為基礎，結合研究區實際情況，利用:

推導6個次級洼陷的計算公式，計算遼河西部凹陷不同層序烴源巖的TOC （見圖3），結果顯示計算值與實測值吻合度高。式中，Δt為聲波時差，μs／ft；R為電阻率，Ω·m；A、B、C為常數，包含了地層、孔隙度以及巖性等多方面的影響因素，通過擬合公式獲得。

圖3 遼河西部凹陷中北部Es4聯井剖面

3 富有機質的沉積空間分布特征

以資料較豐富的北部牛心坨洼陷為例，在層序格架下對富有機質層的分布進行分析。從圖3中看出，張1井Es4有機質豐度在縱向上具有明顯的非均質性，有機質豐度變化范圍為0.2%～6.33%，高豐度層段出現在SQ1湖侵體系域的上部和高水位體系域的下部以及SQ1、SQ2層序界面，沉積環境以半深湖亞相為主。在高水位體系域的下部和SQ1、SQ2層序邊界的砂泥巖互層段，烴源巖有機質豐度較高；而體系域內部，在大套的厚層泥巖段TOC值反而較低，富有機質沉積并不發育。這一現象說明在湖侵體系域上部和高水位體系域下部以及層序邊界部位 （一套穩定泥巖之后的砂泥巖互層中的泥巖）可能較有利于富有機質沉積發育；而在體系域內部的穩定沉積階段，雖然發育厚度較大的泥巖，但由于沉積環境穩定，水體深度變化不大，富有機質沉積反而并不發育。

4 富有機質沉積分布的控制因素

有學者通過對海洋中黑色頁巖的研究認為，開放的大洋環境中富營養物質主要來自透光帶，并且受水體分層的控制，同時，海洋中富含有機質沉積主要在靜海封閉的環境中發育，而在缺氧環境中的沉積物并不都富含有機質，富有機質形成的關鍵是沉積物中有機質的輸入，而不是氧化還原環境［7］。另有學者認為水體分層，缺氧的環境對于富有機質的沉積起著決定性作用［7，8］。國內學者通過對渤海灣盆地東營凹陷富有機質的控制因素和沉積環境的研究認為，表層水的高生產力與底層水的缺氧環境疊合的區域即是富有機質沉積發育的部位［9］。下面，筆者通過探討烴源巖發育時期古生產力狀況以及湖盆類型來研究控制富有機質沉積的因素。

4.1 較高的古生產力條件控制了富有機質沉積發育

巖石中的微量元素含量以及其比值可以反映古環境以及古生產力的大小，遼河西部凹陷Es3、Es4沉積時期的Ni值大于60μg／g，Ba值達到1000μg／g以上，對應較高的有機質豐度，2者具有一定的相關性。通過對遼河西部凹陷不同構造部位15口井的烴源巖49塊樣品進行全巖光片分析鑒定，顯微鏡下觀察到共6口井的巖石薄片出現藻類勃發的紋層結構，鏡下表現為巖石具有清晰的紋層結構，熒光下可見基質為礦物瀝青基質，藻類物質充分降解形成的富有機質 “暗層”與礦物瀝青基質 “亮層”交替出現（見圖2）。在順層切面上可見藻類體呈團塊狀，反映Es3、Es4沉積時期營養物質供應充足，浮游藻類等水生生物繁盛，導致沉積有機質含量高。研究區Es3、Es4在牛心坨－臺安洼陷以及西部斜坡存在紋層狀藻類勃發，同樣是反映該時期具有高古生產力的直接證據，藻類生物種類和數量的爆發形成較高的初級生產力，同時會導致水體中含氧量的降低，使水體缺氧帶范圍擴大，形成水體深度較淺的缺氧環境，有利于富有機質沉積的保存。這些都反映了古生產力對富有機質沉積的控制作用。

4.2 欠補償湖盆類型有利于發育富有機質沉積

通過分析研究區烴源巖的地球化學參數，結合構造演化條件，可以獲得古湖泊水體沉積環境的信息。研究區Es3、Es4Pr／Ph值范圍0.41～1.28，平均0.73；伽馬蠟烷指數達0.2以上；微量元素中反映氧化還原環境的V／（V＋Ni）值達0.5以上，均代表了較還原的水體環境，反映水體咸度的B／Ga值達5以上，代表微咸的水體環境。可以看出在凹陷北部形成了水體較深的半封閉咸化水體環境，湖盆處于欠補償階段。遼河西部凹陷沙司時期在構造上處于湖盆初始裂陷階段，Es3時期的湖盆深陷階段在北部牛心坨洼陷，中北部的陳家－盤山洼陷以及南部清水洼陷形成湖泊水體從北向南深度增加，水體咸度減小，地表淡水輸入逐漸增多的沉積環境，整個湖盆處于欠補償型向正常型過渡的階段。在各洼陷中心以及靠西部斜坡一側均可以形成較深水體環境，出現水體分層，在底部形成較還原的水體環境，無論是在湖盆中央，還是斜坡區域都為富有機質沉積的發育提供了良好的保存條件。

4.3 可容空間變化影響了富有機質沉積的形成

Es4沉積時期，雙臺子斷層、興西斷層等NE向斷層發育，但整個盆地處于拗斷階段，北部牛心坨洼陷以及陳家－臺安洼陷沉降明顯，同時陸源碎屑供應不充分，可容空間增大，水體較深，沉積環境為半封閉的咸化湖盆。Es3沉積時期，盆地處于深陷階段，臺安－大洼斷裂是這一階段盆地的主控邊界斷層，盆地整體是在臺安－大洼斷裂鏟式正斷層控制下發育的東南斷－北西超的半地塹，盆地邊界斷層控制沉降－沉積作用。形成了多級的同沉積斷裂構造帶，湖盆可容空間從斜坡向湖盆中心逐漸增大，除了湖盆中心外在構造坡折帶同樣存在水體較深、可容空間較大的區域。多級斷坡帶的發育使得湖盆特別是斜坡水體深度變化頻繁，同時構造沉降使得較深水區域形成湖水分層。陸源碎屑雖然帶來了更多的有機組分，但是來自陸源高等植物的有機組分并不能形成富有機質沉積，由于來自陸源的碎屑輸入會帶來大量的砂質碎屑，對有機質產生稀釋作用，導致湖盆可容空間減小，有機質豐度降低。

圖4為張1井Es4烴源巖富有機質沉積剖面上的分布，從圖4可以看出，位于北部的牛心坨洼陷的張1井，Es4上部從SQ1層序進入SQ2層序，沉積相類型由半深湖亞相向扇三角洲前緣亞相過渡，巖性組合由深灰色泥巖過渡為砂泥巖互層，由于進積作用不斷加強，陸源碎屑輸入不斷增加導致對有機質的稀釋作用，有機質豐度在A段自下而上逐漸減少，TOC高值出現在層序界面附近。SQ1層序湖侵體系域上部向高水位體系域過渡，有機碳豐度自下而上在C段先減少后在C、B界面處突然出現高值，這是由于湖侵體系域晚期，盆地沉降迅速，可容空間增大導致的湖泊水平面上升造成的。這與Creaney，Passey等［10］對海相烴源巖TOC隨層序體系域變化的特征類似，最大洪泛期附近的沉積物可能是烴源巖最發育的層段。綜合以上分析，認為遼河西部凹陷富有機質沉積發育的主控因素是較高的古生產力，同時構造沉降形成的較深的水體環境，出現水體分層也非常重要，欠補償湖盆類型有利于發育富有機質沉積。

圖4 張1井Es4烴源巖富有機質沉積剖面上的分布

5 結語

遼河西部凹陷Es3、Es4沉積時期較高的古生產力導致富有機質沉積不僅在次級洼陷中心的半深湖－深湖亞相發育，也在靠近湖盆中央的西部緩坡帶的扇三角洲前緣亞相中發育，緩坡帶高有機質生產力與保存條件的協同作用而有利于富有機質沉積的形成。盡管在緩坡帶形成的富有機質沉積相對較薄，但它直接與孔滲性較好的砂巖儲層呈指狀互層交叉發育，有利于富有機質沉積生成的油氣直接運移至儲層并富集成藏，對油氣成藏可能具有更高的聚集效率。

［1］朱光有，金強 .烴源巖的非均質性研究——以東營凹陷牛38井為例 ［J］.石油學報，2002，23（5）:34－39.

［2］張林曄 .“富集有機質”成烴作用再認識:以東營凹陷為例 ［J］.地球化學，2005，34（6）:619－625.

［3］李丕龍 .濟陽坳陷 “富集有機質”烴源巖及其資源潛力 ［J］.地學前緣，2004，11（1）:317－322.

［4］郭永強，劉洛夫 .遼河西部凹陷沙三段巖性油氣藏主控因素研究 ［J］.巖性油氣藏，2009，21（2）:20－23.

［5］Autric A，Dumesnil P.Resistivity radioactivity and sonic transit time logs to evaluate the organic content of low permeability rocks［J］.The log Analyst，1985，26:1－22.

［6］Passey Q R.A practical model for organic richness from porosity and resistivity logs ［J］.AAPG Bulletin，1990，74:1777－1794.

［7］Pedersen T F，Calvert S.E.Anoxia VS Productivity:What controls the formation of organic－carbon－rich sediments and sedimentary rocks ［J］.AAPG.，1990，74 （4）:454－466.

［8］Fe′lix T T.Gonc alves，Organic and isotope geochemistry of the Early Cretaceous rift Sequence In the Camamu Basin，Brazil:paleolimnological inferences and source rockmodels［J］.Organic Geochemistry，2002，33:67－80.

［9］金強，朱光有，王娟 .咸化湖盆優質烴源巖的形成與分布 ［J］.中國石油大學學報 （自然科學版），2008，32（4）:19－23.

［10］Stephen C，Quinn R P.Recurring patterns of Total Organic Carbon and Source Rock quality within a Sequence［J］.AAPG，1993，77 （3）:386－401.