蘇北盆地海安凹陷曲塘次凹阜寧組二段烴源巖地球化學(xué)特征

胡維強(qiáng)， 馬立濤， 劉玉明， 李洋冰， 陳 鑫， 柳雪青， 王 朵， 黃 英， 喬 方， 馬麗華， 劉 成

( 中海油能源發(fā)展股份有限公司 工程技術(shù)分公司，天津 300452 )

0 引言

烴源巖是油氣藏形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，湖相烴源巖具有明顯的非均質(zhì)性。有機(jī)質(zhì)富集的烴源巖層系對油氣藏形成具有重大貢獻(xiàn)，如渤海灣盆地滄東凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖分布于孔店組二段[1-2]，鄂爾多斯盆地三疊系油氣藏優(yōu)質(zhì)烴源巖分布于長7段[3]。有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好、熱演化程度高的優(yōu)質(zhì)烴源巖對大中型油氣田形成具有重要作用，對研究區(qū)的勘探潛力評價(jià)也具有重大意義[4-5]。隨現(xiàn)代湖泊勘探理論研究不斷成熟，實(shí)驗(yàn)分析技術(shù)不斷發(fā)展，湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖的研究普遍受到重視[6]，優(yōu)質(zhì)烴源巖的生烴潛力研究有利于進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)油氣分布規(guī)律，擴(kuò)大油氣勘探范圍[7-9]。

蘇北盆地發(fā)育多個(gè)富含油氣凹陷，新近系發(fā)育多套烴源巖層系，油氣資源較為豐富[10]。阜寧組二段暗色泥巖地層獲得油流，如高郵凹陷的花X28、許X38，以及金湖凹陷的天X96井等[11-12]；阜寧組三段油藏分布于孫家洼次凹的安16塊油藏、海中斷隆的臺(tái)3塊油藏，以及曲塘次凹的張家垛油藏和曲1塊油藏[13]，預(yù)示蘇北盆地具有巨大的油氣勘探潛力。目前，蘇北盆地發(fā)現(xiàn)的油氣藏主要分布于阜寧組三段。冉懷江[14]、樂錦鵬[15]等認(rèn)為，阜寧組三段儲(chǔ)層為典型淺湖灘壩砂，儲(chǔ)層砂體受沉積環(huán)境和成巖作用共同影響。焦里力[16]、劉啟東[17]認(rèn)為，阜寧組三段油氣成藏取決于高壓封閉的區(qū)域性蓋層、沉積微相、砂體展布及油氣運(yùn)移路徑。阜寧組二段烴源巖的研究程度相對較低。劉世麗等[10]認(rèn)為，蘇北盆地阜寧組二段泥頁巖厚度大，有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好，主要處于成熟演化階段，具備形成頁巖油的物質(zhì)基礎(chǔ)，有利于頁巖油的開采。張廷山等[12]認(rèn)為，阜寧組二段以裂縫型頁巖油儲(chǔ)層為主，中亞段為混合巖性型頁巖油儲(chǔ)層，脆性礦物含量高，可壓裂性好。在巖心觀察的基礎(chǔ)上，筆者利用地球化學(xué)測試資料，對曲塘次凹阜寧組二段烴源巖進(jìn)行生烴潛力評價(jià)，明確沉積環(huán)境，為曲塘次凹下一步油氣勘探提供指導(dǎo)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

蘇北盆地海安凹陷曲塘次凹位于江蘇省海安縣境(見圖1)，北接泰州凸起，東鄰海北次凹，南鄰?fù)〒P(yáng)隆起，具有“北斷南超、北陡南緩、北深南淺”等特征[12,18-19]。曲塘次凹內(nèi)部具有強(qiáng)烈的斷裂切割，發(fā)育近東西向、北西向和北東向3組斷裂帶，并且北東向拉張斷裂控制研究區(qū)沉積相分布[12,19]。曲塘次凹是海侵時(shí)沉積的一套半深湖—深湖相暗色泥頁。自下而上發(fā)育泰州組、阜寧組、戴南組和三垛組等4套地層，在沉積演化過程中發(fā)生3次較大規(guī)模的湖侵，主要形成3套烴源層，即泰二段、阜二段和阜四段[20-21]。吳堡運(yùn)動(dòng)使次凹斜坡帶阜寧組局部區(qū)域地層遭受嚴(yán)重剝蝕，而凹陷內(nèi)阜寧組地層保存較好[22]。其中，阜二段上亞段的地層局部遭受剝蝕，厚度為21～179 m，下亞段的地層厚度為42～199 m。地震和鉆井?dāng)?shù)據(jù)顯示，阜二段烴源巖埋深跨度較大，一般分布在2 500～4 500 m 之間，厚度為100～400 m，是海安凹陷曲塘次凹內(nèi)阜寧組最重要的生油巖[12]。目前，已有數(shù)口井在阜二段層系中發(fā)現(xiàn)油氣顯示并獲得工業(yè)油流，預(yù)示曲塘次凹擁有巨大的油氣勘探潛力。

圖1 蘇北盆地海安凹陷構(gòu)造Fig.1 The schematic diagram in Haian sag, Subei basin

2 樣品與實(shí)驗(yàn)

蘇北盆地海安凹陷曲塘次凹富有機(jī)質(zhì)泥巖層系為上白堊統(tǒng)泰州組(K2t)、古新統(tǒng)阜寧組(E1f)、始新統(tǒng)戴南組(E2d)，以中厚層狀暗色泥巖和暗色粉砂質(zhì)泥巖為主。采集J20井阜寧組二段暗色泥巖巖心樣品60個(gè)，其中有機(jī)碳測定17樣次，巖石熱解分析17樣次，氯仿瀝青“A”測定5樣次，干酪根碳同位素測定2樣次，干酪根鏡檢分析7樣次，鏡質(zhì)體反射率測定8樣次，族組分分析2樣次，飽和烴色譜—質(zhì)譜分析2樣次。對不同樣品進(jìn)行巖石熱解分析、氯仿瀝青“A”測定，巖石熱解分析采用Rock-Eval 6熱解分析儀，氯仿瀝青“A”測定采用YSB-C全自動(dòng)多功能抽提儀，殘余有機(jī)碳測定采用CS-744碳硫分析儀，鏡檢分析采用LEICA DM4P生物熒光顯微鏡，鏡質(zhì)體反射率測定采用CRAIC 508PV鏡質(zhì)體反射率儀，測試在中海油能源發(fā)展股份有限公司非常規(guī)實(shí)驗(yàn)中心實(shí)驗(yàn)室完成。干酪根碳同位素測定采用Thermo Delta V 同位素分析儀，飽和烴及芳香烴色譜—質(zhì)譜分析采用Agilent Technologies 7890B GC System氣相色譜—質(zhì)譜聯(lián)用儀，測試在中海油能源發(fā)展股份有限公司中海油渤海實(shí)驗(yàn)中心(渤海)實(shí)驗(yàn)室完成。

3 烴源巖特征

烴源巖不僅可以直接生成油氣，而且對整個(gè)研究區(qū)的油氣資源潛力評價(jià)具有重要意義[23-24]。對曲塘次凹阜二段烴源巖進(jìn)行現(xiàn)場采樣，運(yùn)用殘余有機(jī)碳測定、巖石熱解分析、氯仿瀝青“A”測定、干酪根δ13C測定、鏡檢分析和鏡質(zhì)體反射率測定等，進(jìn)行綜合評價(jià)。

3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)豐度是評價(jià)生油潛力的重要參數(shù)，有機(jī)質(zhì)豐度越高，生烴能力越強(qiáng)[25-26]。對曲塘次凹阜二段烴源巖殘余有機(jī)碳、氯仿瀝青“A”、總烴及生烴潛量進(jìn)行測試，結(jié)果見表1。由表1可知，阜二段烴源巖有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，平均為1.77%；氯仿瀝青“A”質(zhì)量分?jǐn)?shù)中等，平均為0.059 5%；總烴質(zhì)量分?jǐn)?shù)中等，平均為441.29×10-6；生烴潛力較高，生烴潛量平均為6.20 mg/g。根據(jù)烴源巖的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)[27-28]，曲塘次凹阜二段烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高，屬于中等—好烴源巖。

表1 曲塘次凹阜二段烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度統(tǒng)計(jì)

3.2有機(jī)質(zhì)類型

曲塘次凹阜二段烴源巖干酪根δ13CPDB為-29.2‰～-27.7‰(見表1)，平均為-28.4‰。根據(jù)現(xiàn)代海洋、湖泊和陸地各種生物中碳同位素分布標(biāo)準(zhǔn)，判識(shí)有機(jī)質(zhì)來源[28]，研究區(qū)母質(zhì)主要來源于藻類和浮游生物，具有腐泥和腐殖混合型特征。將巖石熱解測得的氫指數(shù)(HI)、氧指數(shù)(OI)、最高熱解峰溫(Tmax)的數(shù)據(jù)投入有機(jī)質(zhì)類型模板[7](見圖2(a-b))，樣品在Ⅱ1型范圍內(nèi)，少數(shù)樣品在Ⅰ、Ⅱ2型和Ⅲ型范圍內(nèi)。參考Landford F F等[29]的S2-TOC相關(guān)性劃分有機(jī)質(zhì)類型界線(見圖2(c))，樣品主要在Ⅱ型范圍內(nèi)，少數(shù)樣品在Ⅲ型范圍內(nèi)。鏡檢結(jié)果顯示，殼質(zhì)組最豐富，面積比達(dá)到70%，腐泥組次之；其中以無定型組分居多，類型指數(shù)大于50%(見表2)。曲塘次凹阜二段有機(jī)質(zhì)類型主要屬于Ⅱ型。

3.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

鏡質(zhì)體反射率(Ro)和最高熱解峰溫(Tmax)是判識(shí)有機(jī)質(zhì)熱演化程度的重要指標(biāo)[30-31]。曲塘次凹阜二段烴源巖樣品巖石熱解數(shù)據(jù)顯示(見表1)，測試17樣次的Tmax平均為440 ℃；測試8樣次的鏡質(zhì)體反射率為0.52%～0.80%，平均為0.63%(見表3)，熱演化程度處于低成熟—成熟階段。

圖2 阜二段烴源巖HI-OI、HI-Tmax和S2-TOC有機(jī)質(zhì)類型劃分Fig.2 The organic matter type diagram of the hydrocarbon source rocks HI-OI , HI-Tmax and S2-TOC division in Fu2 member

編號深度/m腐泥組面積比/%殼質(zhì)組面積比/%鏡質(zhì)組面積比/%惰質(zhì)組面積比/%類型指數(shù)干酪根類型J2033 008.0015822154Ⅱ1J2063 011.1528683159Ⅱ1J2073 011.8721762157Ⅱ1J20183 012.2019792057Ⅱ1J20103 013.5017812056Ⅱ1J20123 014.9220782058Ⅱ1J20193 102.0024732158Ⅱ1

表3 曲塘次凹阜二段烴源巖鏡質(zhì)體反射率統(tǒng)計(jì)

4 生物標(biāo)志化合物特征

生物標(biāo)志化合物的組成對烴源巖有機(jī)質(zhì)來源、成熟度、沉積環(huán)境等具有獨(dú)特的指示意義[32-33]。利用飽和烴色譜—質(zhì)譜分析儀，對曲塘次凹阜二段烴源巖樣品進(jìn)行分析測試，樣品檢測出大量的正構(gòu)烷烴、萜類化合物和甾類化合物。

4.1 正構(gòu)烷烴

正構(gòu)烷烴既能指示源巖母質(zhì)的輸入，又能反映沉積環(huán)境，更可以指示有機(jī)質(zhì)熱演化程度[34-35]。曲塘次凹阜二段烴源巖樣品飽和烴氣相色譜圖及數(shù)據(jù)分析顯示(見圖3)，碳數(shù)分布范圍一般為C13～C35，具有前高后低的雙峰型特征，前主峰碳為nC19，后主峰碳為nC27。正構(gòu)烷烴∑C21-∑C22+為0.6～0.9，比值較低；(nC21+nC22)/(nC28+nC29)為1.7～2.4，其中nC21+nC22的成分較多，表明有機(jī)質(zhì)富含類脂化合物，以低等浮游生物及藻類為主；奇偶優(yōu)勢指數(shù)OEP為1.1～1.3，碳優(yōu)勢指數(shù)CPI為1.4～1.7，具有弱的奇碳優(yōu)勢。另外，樣品檢測出大量的姥鮫烷和植烷，Pr/Ph為1.1～2.3，表明富含Pr的特征，顯示姥鮫烷的優(yōu)勢；Pr/C17為0.4～0.6，Ph/C18為0.2～0.4。綜合分析表明，阜二段烴源巖主要形成于弱氧化條件下的淡水—半咸水湖泊相沉積環(huán)境。

圖3 曲塘次凹阜二段J20井烴源巖飽和烴氣相色譜圖Fig.3 Chromatograms of the saturated hydrocarbon of hydrocarbon source rocks of J20 well in Fu2 member of Qutang subsag

奇偶優(yōu)勢指數(shù)OEP為1.2時(shí)，說明烴源巖進(jìn)入生油門限。曲塘次凹阜二段烴源巖OEP為1.1～1.3，表明處于低成熟—成熟階段。

4.2 萜類化合物

萜類化合物是常見的生物標(biāo)志化合物，可以指示有機(jī)質(zhì)的沉積環(huán)境、母質(zhì)輸入及熱演化程度[36-37]。曲塘次凹阜二段烴源巖樣品中萜烷類化合物主要是三環(huán)萜烷、五環(huán)萜烷和少量的四環(huán)萜烷(見圖4)。三環(huán)萜烷系列碳數(shù)為C19～C29(缺C27三環(huán)萜烷)；藿烷系列碳數(shù)為C27～C35，其中C30藿烷豐度最高，C31藿烷次之。

曲塘次凹阜二段烴源巖樣品萜類化合物分析表明，三環(huán)萜烷/C30藿烷為0.01～0.04，表明阜二段烴源巖中的三環(huán)萜烷較少，三環(huán)萜烷的相對豐度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于 C30霍烷的，沉積有機(jī)質(zhì)主要來源于湖相低等藻類；伽馬蠟烷指數(shù)(伽馬蠟烷/αβ-C30藿烷)為0.05～0.10，表明伽馬蠟烷豐度較低；霍烷中Ts/Tm為0.8～0.9，Ts的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于Tm的，并且未檢測出具有代表性的陸源物質(zhì)輸入的羽扇烷和奧利烷，證實(shí)阜二段烴源巖形成于淡水—半咸水湖泊相沉積環(huán)境。

圖4 曲塘次凹阜二段J20井烴源巖質(zhì)量色譜圖(m/z=191)

阜二段烴源巖中αβ-C31(22S/(22S+22R))藿烷為0.5～0.6，接近平衡值0.6，表明曲塘次凹阜二段烴源巖已進(jìn)入生烴門限，處于低成熟階段。

4.3 甾類化合物

甾烷既能反映母質(zhì)輸入，又能指示有機(jī)質(zhì)熱演化程度[38-40]。曲塘次凹阜二段烴源巖樣品中甾烷系列質(zhì)量分?jǐn)?shù)相對較低，重排甾烷及規(guī)則甾烷(C27、C28和 C29)豐度特征在質(zhì)譜圖m/z=217上最為典型(見圖5)。在規(guī)則甾烷中，C27甾烷約占37%，C28甾烷約占12%，C29甾烷約占51%，5α-C27/5α-C29約為0.75，并且C29甾烷質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于C27甾烷的，呈不對稱的“V”型或反“L”型分布，具有C28

圖5 曲塘次凹阜二段J20井烴源巖質(zhì)量色譜圖(m/z=217)

曲塘次凹阜二段烴源巖樣品中的ααα-C29(20S/(20S+20R))甾烷為0.1～0.3，ββ/(αα+ββ)-C29甾烷為0.1～0.3，表明阜二段烴源巖有機(jī)質(zhì)處于低成熟階段。

5 結(jié)論

(1)蘇北盆地海安凹陷曲塘次凹阜二段烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，屬于中等—好烴源巖；有機(jī)質(zhì)類型屬于Ⅱ型，具有低等水生生物和高等植物雙重生源特征；熱演化程度處于低成熟—成熟階段，具備良好的生烴物質(zhì)基礎(chǔ)。

(2)曲塘次凹阜二段烴源巖生物標(biāo)志化合物指示阜二段烴源巖主要形成于弱氧化條件下的淡水—半咸水湖泊相沉積環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)保存。

(3)曲塘次凹阜二段烴源巖屬于優(yōu)質(zhì)烴源巖，成熟度進(jìn)入生烴門限，主要處于生烴高峰期，具有良好的生烴潛力，對油氣成藏具有重要貢獻(xiàn)。