蘇北盆地金湖凹陷三河次凹有效烴源巖評價

劉天, 劉小平*, 孫彪, 化祖獻, 劉杰, 劉啟東, 劉世麗, 畢天卓

(1.中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室， 北京 102249; 2.中國石油大學(北京)地球科學學院， 北京 102249;3.中國石化國際石油勘探開發有限公司， 北京 100029; 4.中國石化江蘇油田分公司勘探開發研究院, 揚州 225009)

金湖凹陷是自晚白堊世開始發育的小規模斷陷湖盆，具有構造活動復雜、斷裂發育及烴源巖分布非均質性強的特點，油氣勘探已有了一定突破，具有“小而肥”的特征[1-3]。三河次凹阜二段處于欠補償沉積時期，受海侵作用影響沉積環境發生變化，海平面上升湖水被咸化[4]；三河次凹臨近石港斷裂帶發育多期斷層和天然裂縫，有利于儲層改善和斷塊油氣藏形成[5-7]；三河次凹阜二段的主要成藏時間為47～41.5 Ma，烴源巖演化處于低熟或成熟階段[8]。三河次凹作為金湖凹陷的主要探區，受復雜斷裂活動特征和分析測試資料不足的限制，前人在沉積層序、構造演化以及儲集條件等方面的早期研究難以滿足勘探現狀，缺乏烴源巖系統評價及有效烴源巖的分布認識，難以指導下一階段的油氣勘探。

有效烴源巖是指經過熱演化生烴、排烴且運聚成藏的烴源巖。Hakimi等[9]、Tu等[10]和Banerjee等[11]根據地球化學參數、生物標志化合物和干酪根組合判斷烴源巖有效性；陳雪等[12]根據烴源巖生烴潛力指數確認有效烴源巖排烴門限；Li等[13]、Jiang等[14]和Qi等[15]根據烴源巖沉積環境、生排烴特征及生烴量相對值判斷有效烴源巖總有機碳值下限。以上研究依據各地球化學指標對烴源巖進行了充分評價和有效性分析，但忽略了烴源巖生烴轉化和殘留烴含量的影響，沒有準確定量評價；或未考慮烴源巖演化過程中總有機碳(total organic carbon, TOC)損失，對有效烴源巖下限判斷存在一定誤差。為此，針對金湖凹陷三河次凹有效烴源巖演化程度及分布認識不清等問題，基于有機質豐度、類型和成熟度等地球化學測試資料進行了烴源巖評價。考慮到烴源巖演化過程中生排烴作用和總有機碳損失影響，在TOC及鏡質體反射率Ro恢復基礎上確定了有效烴源巖下限標準。利用ΔlgR法(R為深側向電阻率測井曲線值)和盆地模擬法對金湖凹陷三河次凹阜二段有效烴源巖進行預測，進而識別有效烴源巖的分布范圍。

1 地質背景

金湖凹陷位于蘇北盆地東臺坳陷西部，跨越江蘇、安徽兩省，面積約為5 500 km2，西北與建湖隆起鄰近，南至天長凸起，西鄰張八嶺隆起，東與菱塘橋-柳堡低凸起相接。金湖凹陷自晚白堊世發育，經歷了拉張、斷陷和坳陷共3個期次構造演化[16]。金湖凹陷共發育8個二級構造帶和5個次凹，三河次凹是金湖凹陷的一個次級構造單元[圖1(a)]，北西為石港斷裂帶及西斜坡構造帶環繞，南接東陽次凹，斜坡整體呈西抬東降趨勢。

阜寧組共分為四段，阜二段初期是最大水進期，此時金湖凹陷處于拉張晚期和斷陷早期。阜二段同時也是沉積末期，盆地處于欠補償狀態開始擴張，湖平面上升古鹽度半咸，巖性由較粗到細、有機質由貧到富，沉積物急劇減少以淡化瀉湖沉積為主。阜二段巖石類型多樣，主要為陸源碎屑巖與碳酸鹽巖，其中淺湖—半深湖亞相下泥巖、粉砂巖及灰巖等混合沉積發育[圖1(b)]。

圖1 金湖凹陷構造位置和阜寧組地層發育圖

2 烴源巖評價

有機質豐度決定烴源巖生烴能力。常用評價指標包括總有機碳含量、氯仿瀝青“A”含量和生烴潛力(S1+S2)等[17]，其中，氯仿瀝青“A”為巖樣中溶于氯仿的瀝青物質含量，單位：%，生烴潛力(S1+S2)為有機質豐度評價指標，用于評價烴源巖好壞，其中，S1為可溶烴含量，單位：mg/g，S2為熱解烴含量，單位：mg/g。三河次凹阜二段烴源巖總有機碳含量wTOC為0.05%～5.28%，均值為1.61%；氯仿瀝青“A”值為0.001 8%～1.134 2%，均值為0.148 3%；生烴潛力(S1+S2)為0.01～33.29 mg/g，均值為6.12 mg/g(圖2)。烴源巖總體以好烴源巖為主。

圖2 金湖凹陷烴源巖有機質豐度與生烴潛量特征

有機質類型決定著烴源巖生烴潛力和生烴類型[18-19]。利用熱成熟度Tmax和氫指數HI的相對關系確認烴源巖有機質類型。三河次凹阜二段烴源巖主要為Ⅱ1型，其次為I型、III型和II2型。有機質類型較好，以生油為主(圖3)。

圖3 金湖凹陷烴源巖有機質類型判定

利用烴源巖有機顯微組分特征結合鏡下觀察分析烴源巖母質類型。金湖凹陷烴源巖有機質以腐泥組、鏡質組和惰質組為主。腐泥組分以層狀藻類體、瀝青質體為主，見少量結構藻類體，瀝青質體發較黃色熒光[圖4(a)]；鏡質組以碎屑狀鏡質體為主，見少量絲質體和固體瀝青[圖4(c)]，絲質體亮白色，具結構，瀝青質體發黃色熒光[圖4(b)]，可見藻類體熒光較強呈黃色-橙色熒光，也可見無定形體呈黃色-褐色熒光[圖4(d)]。根據類型指數計算結果判斷有機質類型主要為Ⅱ1型和I型(圖4、表1)。

表1 金湖凹陷烴源巖干酪根顯微組分

圖4 金湖凹陷烴源巖有機顯微組分鏡下特征

有機質成熟度反映烴源巖有機質向油氣轉化的熱演化程度[20]。利用巖石熱解Tmax和鏡質體反射率Ro來評價有機質成熟度。烴源巖在埋深2 150～4 100 m即Ro為0.6%～1.2%，S1/(S1+S2)、S1/wTOC和氯仿瀝青“A”/wTOC由穩定轉變為異常高值，為烴源巖生油窗。研究區烴源巖總體Ro為0.4%～1.2%,Tmax為430～450 ℃,為低熟-成熟演化階段(圖5)。

圖5 金湖凹陷烴源巖有機質熱演化階段劃分

3 有效烴源巖評價標準

有效烴源巖指具有高有機質豐度、達到成熟階段并且油氣生成和排出并存的烴源巖[21-22]。以烴源巖成熟度及生烴量評價烴源巖有效性，忽視了烴源巖排烴作用，烴源巖生成的烴類沒有排出，很難形成有效油氣藏。一般情況下烴源巖生成烴量隨著總有機碳的增大而增大，生成烴量要超過足夠的飽和吸附量才會排出，此時所對應TOC即為有效烴源巖總有機碳下限值。

3.1 烴源巖TOC恢復

隨著熱演化進行烴源巖中有機質絕對量隨著生排烴進行不斷減少，總有機碳值減小。此時利用現今殘余總有機碳含量去評價烴源巖有效性，必然會引起一定誤差[23-25]。將烴源巖總有機碳含量從現今恢復至生排烴之前，結合烴源巖生排烴模式評價烴源巖有效性，明確該地區的資源潛力，對于下一步油氣勘探具有指導意義。

3.1.1 恢復方法的選擇

烴源巖演化有機母質一直保存在平衡狀態[26]。假設有機母質在生排烴前后碳、氫、氧、氮、硫等元素不會發生散失或者補充作用，只在元素內部以某種形式彼此相互轉換；轉換中損失量轉化為CH4、C2H6、C3H8、C4H10、Oil等共10種產物。龐雄奇等[27]研究表明，有機母質的生烴過程可概略地認為是一個物質平衡過程，通過增加一些地質與地球化學約束條件可以求出任意轉化階段上列10種產物的量。

根據骨架不變原理和物質平衡原理，龐雄奇等[27-28]基于干酪根熱降解生烴理論，從烴源巖演化和油氣生、留、排的角度出發，推導出了TOC恢復系數計算公式為

(1)

式(1)中：QTOCo為原始TOC，%；QTOC為殘余TOC，%；ρo、ρ為兩階段烴源巖密度，g/cm3；φo、φ為兩階段烴源巖孔隙度，%；Rpn為烴源巖油氣發生率，kg/t；Kcn為烴源巖的排烴效率；Ken為烴源巖排烴效率，%。

TOC恢復過程考慮到埋深和烴源巖生排烴作用影響，計算過程簡便且涉及參數客觀性強，可廣泛應用于其他凹陷[29-31]。

3.1.2 參數取值

(1)烴源巖孔隙度。受壓實作用影響，烴源巖孔隙度一般隨埋深增加呈指數關系逐漸減小。烴源巖孔隙度與埋深的關系如圖6(a)所示，其關系式為

φ=41.909e-0.000 6h

(2)

式(2)中：h為烴源巖深度，m。

(2)烴源巖密度。烴源巖密度隨埋深增加呈線性關系增加[圖6(b)]，其關系式為

ρ=0.002h+1.914 7

(3)

(3)烴源巖油氣發生率。油氣發生率指1 t有機母質在生排烴時總共生成的油氣量。研究區烴源巖有機質類型主要為II1型，基于干酪根生烴量物質平衡優化模型計算結果，Rpn與Ro的關系如圖6(c)所示，兩者的關系式為

Rpn=0.92lnRo+1.052

(4)

(4)排出烴類的含碳系數。排出烴類的含碳系數指單位質量有機碳在有機母質生成烴類中的占比。三河次凹有機質類型主要為Ⅱ1型，Kcn與Ro的關系如圖6(d)所示，其關系式為

Kcn=0.021lnRo+0.775 2

(5)

(5)烴源巖排烴效率。烴源巖的排烴效率指排烴量占生烴量的百分數。根據排烴門限理論中生烴潛力法對烴源巖排烴過程進行統計分析，得到Ⅱ1型有機質烴源巖Ken與Ro關系如圖6(e)為

Ken=190.94Ro3-729.36Ro2+947.22Ro-379.25

(6)

3.1.3 恢復結果

采用插值法結合上述關系式及恢復公式計算求取恢復系數R[圖6(f)、表2]，Ro小于0.7時恢復系數約等于1，Ro到達0.73時恢復系數開始增大，烴源巖TOC含量隨著熱演化進行而減少，開始大量排烴。

表2 金湖凹陷烴源巖TOC恢復系數

圖6 金湖凹陷烴源巖各參數及恢復系數

3.2 有效烴源巖下限判斷

高崗等[32]提出了利用烴源巖熱解參數和總有機碳含量等參數的相對關系確定有效烴源巖TOC下限的方法，在其他地區已得以良好應用[33-35]。在初始生烴階段，烴源巖總有機碳含量應與生烴量保持良好正相關關系，當生成烴量超過飽和吸附量而排出時，總有機碳含量應與生烴量之間關系發生改變，此時曲線拐點相對應的值是有效烴源巖總有機碳含量下限。

選用各層位有機質類型相同、成熟度相近的烴源巖樣品來判定有效烴源巖下限，當總有機碳含量小于1.6時，S1/wTOC、S1與wTOC表現出良好正相關關系；總有機碳含量大于1.6時，排烴量滿足自身吸附量并大量排烴，根據曲線拐點確定有效烴源巖wTOC=1.6%(圖7)。

圖7 金湖凹陷烴源巖有效烴源巖有機質豐度下限

4 有效烴源巖預測及其分布特征

由于實測TOC在縱向上的分布具有不連續性，應用測井數據在實驗數據標定下完成單井縱向TOC的拓展，從而進行有效烴源巖縱向及平面展布的識別。采用ΔlgR法建立研究區阜二段TOC預測模型，該方法于1979年由Exxon公司及Esso公司開發，根據測井聲波時差及電阻率對烴源巖有機質與烴類流體的不同響應特征來預測總有機碳含量[29]。利用Petromod軟件進行熱史模擬，對金湖凹陷三河次凹阜二段烴源巖熱演化過程進行恢復(圖8)，以此為基礎進行TOC恢復(圖9)，恢復后的TOC相比現今提高了約1.2倍。

圖8 金湖凹陷Ro分布

根據有效烴源巖下限確定其在三河次凹的分布及其厚度，發現有效烴源巖主要分布在深凹帶，厚度可達到160 m，向外斜坡呈環帶狀減薄；中內坡帶有效烴源巖厚度為10～78 m；外斜坡烴源巖成熟度較低，有效烴源巖基本不發育(圖10)。

圖10 金湖凹陷有效烴源巖厚度分布

5 結論

(1)金湖凹陷三河次凹阜二段烴源巖有機質類型多為II1型，wTOC為0.05%～5.28%，S1+S2為0.01～33.29 mg/g；鏡質體反射率Ro為0.4%～1.2%，烴源巖主要處于低成熟-成熟階段。

(2)隨著烴源巖生排烴作用的進行總有機碳含量減少，為了更準確的評價烴源巖的有效性，客觀地分析烴源巖TOC在地史演化過程中的變化，TOC恢復是有必要的。

(3)根據烴源巖演化過程中有機母質的物質平衡原理，避免了地層壓實作用、烴源巖有機質類型以及熱演化程度等因素影響，將現今殘余TOC恢復到生排烴之前，恢復系數最大可達1.31。

(4)在總有機碳恢復基礎上，根據S1/wTOC、S1與wTOC的相對關系，以wTOC=1.6%作為下限確定有效烴源巖的厚度及其平面展布。金湖凹陷三河次凹阜二段有效烴源巖的分布較為局限，深凹帶是三河次凹有效烴源巖的主要分布區，其沉積厚度可達160 m以上。