东濮凹陷古近系烃源岩特征及其形成环境分析

刘宣威 ，王学军 ，李红磊 ，张云献 ，张文彬 ，黄正

（1.成都理工大学地球科学学院，四川 成都 610059；2.中国石化中原油田分公司勘探开发研究院，河南 濮阳 457001；3.中国石化华东石油工程有限公司江苏钻井公司，江苏 扬州 224261）

0 引言

东濮凹陷位于渤海湾盆地东南部，东以兰聊断裂带为界与鲁西隆起为邻，西以长垣断裂带为界超覆于内黄隆起之上，南隔兰考凸起与开封坳陷相望，北以马陵断层与莘县凹陷相连。盆地内基本缺失侏罗系、白垩系地层，古近系地层直接覆盖在中、下三叠统及更老的地层之上，是一个新生代断陷湖盆，具有“两洼一隆一斜坡”的构造格局。凹陷自西向东依次发育西部斜坡带、海通集洼陷带、中央隆起带和前梨园洼陷带［1］，在多期构造活动控制下，形成了一个富含油气的复杂断块群。经过40多年的勘探开发，在东濮凹陷发现了6亿多吨的油气储量。勘探结果表明，东濮凹陷盆地内部油气分布不均，北部富集，南部贫瘠。已有的研究表明，造成这种特征的主控因素是烃源岩。

沉积学研究显示，东濮凹陷是一个盐湖性质的含油气盆地，受沉积水体盐度、沉积相带等条件的控制，不同地区、不同时期烃源岩发育程度存在较大的差异，而这种差异恰恰与油气分布有着极好的相关性［2-6］。为了更好地探索东濮凹陷古近系烃源岩特征及分布规律，采用有机和无机相结合的方法，根据盐度与优质烃源岩发育的关系，对东濮凹陷古近系烃源岩特征及其成因环境进行了分析，以期指导东濮凹陷常规油气精细勘探和非常规页岩油勘探。

1 烃源岩发育特征

东濮凹陷古近系自下向上发育的沙河街组沙四上亚段、沙三下亚段、沙三中亚段、沙三上亚段（分别简称沙四上、沙三下、沙三中、沙三上）和沙一段5套暗色泥岩，是东濮凹陷古近系最为重要的潜在烃源岩层系。其中：沙三中厚度最大，最大厚度约800 m，主要分布在北部的柳屯、海通集、前梨园洼陷和南部的葛岗集洼陷；沙三下次之，最大厚度约700 m，主要分布在北部的海通集、前梨园洼陷和南部的葛岗集洼陷；沙四上暗色泥岩最厚约600 m，自前梨园向周边逐渐减薄；沙三上暗色泥岩最厚约500 m，以北部的海通集和柳屯洼陷最厚，前梨园洼陷最厚仅300 m；沙一段暗色泥岩整体较薄，以前梨园洼陷最厚，仅300 m左右。平面上，东濮凹陷北部暗色泥岩厚度明显要大于南部，并且分布较广，前梨园、柳屯、海通集、濮卫次洼等洼陷均有分布，南部暗色泥岩厚度较薄，且分布范围较小，主要分布在葛岗集洼陷。

东濮凹陷沙河街组地层盐岩发育较为广泛。纵向上，沙四上、沙三下—沙三上、沙二上和沙一段均有盐岩发育。平面上，主要分布于桥口以北地区（见图1），不同层系盐岩分布范围差异较大。其中：沙一段盐岩分布最为广泛，几乎覆盖了整个东濮北部地区，沙三中和沙四上盐岩分布范围也较大，沙三下和沙三上盐岩分布范围相对较小。根据盐岩分布和南北差异，本文对东濮凹陷烃源岩的探讨分别以北部含盐区（各层系盐岩发育区域）、北部无盐区（桥口-白庙及其以北无盐岩发育区域）和南部淡水区（桥口-白庙以南区域）进行分区带对比分析。由于沙一段在东濮凹陷整体埋藏较浅，大部分地区尚未达到成熟阶段，在这里暂不讨论［7］。

图1 东濮凹陷古近系盐岩平面分布示意

2 不同水体环境烃源岩地球化学特征

2.1 有机质丰度

对东濮凹陷不同层段、不同区带5 803件烃源岩样品的总有机碳质量分数（TOC）统计结果表明：东濮南部淡水区烃源岩有机质丰度整体较低，TOC＜0.4%的非烃源岩约占东濮南部总样品量的70%以上，0.4%≤TOC≤1.0%的烃源岩约占20%，仅有不到10%的烃源岩为TOC＞1.0%的优质烃源岩。北部含盐区以沙四上和沙三下烃源岩最好，TOC＞1.0%的烃源岩约占40%～50%，仅有不到30%的烃源岩为TOC＜0.4%的非烃源岩；沙三中烃源岩次之，TOC＞1.0%的优质烃源岩约占27%；沙三上TOC＞1.0%的优质烃源岩最少，仅占20%。北部无盐区烃源岩有机质丰度介于北部含盐区和南部淡水区之间，主要表现为沙四上和沙三下好于沙三中和沙三上。

平面上，受沉积区带控制，自东濮北部含盐区向周边，烃源岩有机质丰度逐渐降低，优质烃源岩具有环盐岩分布的特征；东濮南部地区烃源岩有机质丰度整体较低，优质烃源岩零星发育，厚度薄，面积小。

2.2 有机质类型

受环境控制，东濮凹陷不同区带烃源岩中有机质来源差异较大——咸水环境蓝藻、颗石藻和沟鞭藻发育，半咸水环境沟鞭藻最丰富，淡水环境以高等植物输入为主，自源生物以绿藻为主［8］。东濮凹陷北部地区烃源岩主要形成于咸水—半咸水环境，干酪根类型普遍偏好：Ⅰ型和Ⅱ1型占优势，约占烃源岩样品总量的40%～80%；其次为Ⅱ2型，约占烃源岩总量的10%～35%；Ⅲ型最少，一般少于20%。东濮凹陷南部地区烃源岩沉积过程中高等植物输入较多，烃源岩有机质类型普遍较差，Ⅱ2型和Ⅲ型约占样品总数的45%～65%，Ⅰ型相对较少，不同层系中Ⅰ型大都少于20%（见表1）。

表1 东濮凹陷沙四上—沙三下烃源岩干酪根类型分布频率

2.3 典型生物标志化合物

东濮凹陷是一个典型的盐湖相断陷湖盆，受沉积环境和有机母质来源的控制，不同区带的烃源岩有其特殊的生物标志化合物［9-16］（简称生标，可指示烃源岩和原油形成时的沉积环境、母质来源和成熟度特征）组合特征。北部含盐区烃源岩中的萜烷类化合物往往具有相对丰富的C26+长链三环萜烷和γ蜡烷，在生标参数中主要表现出（C26+TT）/C30H＞0.4、γ 蜡烷/C30H 大于0.5（生标参数比值为化合物的质量比，下同）的特征；而甾烷类化合物中，规则甾烷质谱图通常呈“L”型或不对称“V”型，具有 C27＞C29的特征，4-甲基甾烷质量分数相对较高，4-甲基甾烷/C29通常大于0.4，主要指示高盐度、强还原环境下较高的低等水生藻类生源的贡献（见图2a）。北部无盐区烃源岩一般具有相对较高的γ蜡烷质量分数和4-甲基甾烷质量分数，γ蜡烷/C30H大于0.5，4-甲基甾烷/C29大于0.4，规则甾烷中C27优势减弱，通常呈“V”型分布，指示中等盐度、还原环境下低等水生生物为主、陆源高等植物为辅的混合生源（见图2b）。南部淡水区烃源岩γ蜡烷、C26+长链三环萜烷和4-甲基甾烷质量分数均较低，规则甾烷中C29优势明显，常呈反“L”型分布，主要指示了低盐度、弱还原环境陆源高等植物的贡献（见图2c）。

图2 东濮凹陷不同区带烃源岩典型生标组合特征

3 烃源岩成因环境分析

烃源岩是在一定沉积环境条件下形成的富含有机质的泥页岩。在东濮凹陷不同区带，由于水体盐度、氧化-还原性质、水深等方面的差异，造成了北部含盐区、北部无盐区和南部淡水区烃源岩特征的差异，且不同区带TOC＞1.0%的优质烃源岩发育量存在较大的差异。为了探索造成烃源岩特征差异的主控因素，本文采用有机和无机相结合的方法，应用生物标志化合物和微量元素开展了不同区带烃源岩成因环境的研究，将两者相互印证，以期找到东濮凹陷优质烃源岩发育的主控因素。

3.1 温湿气候是优质烃源岩形成的宏观背景

谈玉明等［17］对东濮凹陷古气候的研究表明，古近系时期东濮凹陷经历了4期较大的气候演变，温湿气候和干热气候频繁转换，且每个大的变化周期内还夹有多期的短时间气候演变。对东濮凹陷微量元素Mg/Ca值（微量元素比值均为质量比）与TOC的相关性研究表明（见图3），烃源岩中有机质丰度指标TOC与Mg/Ca值呈负相关性。邓宏文等［18］通过大量研究认为，通常Mg/Ca高值指示干旱气候条件，低值指示潮湿气候条件。由此可见，温湿气候是东濮凹陷优质烃源岩发育的宏观气候条件。

图3 东濮凹陷烃源岩TOC与Mg/Ca的关系

3.2 中—高盐度是优质烃源岩发育的有利水体环境

Sr/Ba是沉积岩中重要的古盐度指标，通常Sr/Ba高值指示高盐度的半咸水—咸水环境，而较低的Sr/Ba值则指示低盐度的淡水—微咸水环境。一般认为，淡水环境中 Sr/Ba＜0.5，半咸水环境中 0.5＜Sr/Ba＜1.0，咸水环境中 Sr/Ba＞1.0［19-20］。东濮凹陷烃源岩 TOC 具有随着Sr/Ba值增大而增大的特征（见图4）。在Sr/Ba＞1.0的样品中，TOC＞1.0%的烃源岩占比更高，表现出中—高盐度水体环境中优质烃源岩更为发育的规律，这也是东濮北部含盐区高丰度烃源岩更发育的原因。

图4 东濮凹陷烃源岩TOC与Sr/Ba的关系

纵向上，随着湖盆水体蒸发，水体盐度增大，当水体盐度达到盐的最大溶解度后，盐类物质即沉积形成东濮凹陷厚层的盐岩。从烃源岩中γ蜡烷/C30H值与盐岩距离的关系来看，距盐岩越近，γ蜡烷/C30H值越高。距盐岩10 m左右时，γ蜡烷/C30H值可达到1.0左右；盐下5 m左右的烃源岩，γ蜡烷/C30H值甚至达到了4.0左右。——表明γ蜡烷指数在东濮凹陷能够较好地指示水体的盐度，是很好的水体古盐度指标。这也是东濮凹陷北部含盐区烃源岩往往具有γ蜡烷/C30H高值的主要原因。

3.3 强还原环境是优质烃源岩形成的有利保存条件

烃源岩和原油饱和烃——类异戊二烯烃中的Pr/nC17与Ph/nC18，能够较好地指示烃源岩和原油形成的氧化还原环境。图5反映的是东濮凹陷不同环境烃源岩Pr/nC17与Ph/nC18的关系。由图可以看出：北部地区烃源岩沉积时的水体还原性更强，在图版中主要分布于盐湖相、强还原区域内；南部地区烃源岩形成时水体还原性质稍弱，在图版中主要分布于弱还原区域内。

图5 东濮凹陷不同环境烃源岩Pr/nC17与Ph/nC18的关系

4 结论

1）对东濮凹陷古近系烃源岩的分析认为：北部地区烃源岩有机质丰度自盐湖中心向周边逐渐降低，有机质类型逐渐变差，优质烃源岩较为发育，具有环盐岩带状分布的特征；南部地区烃源岩有机质丰度整体较低，有机质类型差，优质烃源岩较少。

2）沉积环境的差异造成了烃源岩中有机质来源的不同，从而导致不同区带烃源岩生标参数具有明显的差异：北部含盐区以（C26+TT）/C30H＞0.4、γ 蜡烷/C30H 大于 0.5、4-甲基甾烷/C29大于 0.4、C27＞C29为主要特征；北部无盐区与含盐区相比，C26+TT和C27优势略有减弱，其余特征相似；南部淡水区γ蜡烷、C26+TT和4-甲基甾烷质量分数均较低，规则甾烷C29优势明显。

3）东濮凹陷古近系间歇发育温湿气候，这一时期中—高盐度、强还原的水体环境有利于优质烃源岩的发育，是东濮凹陷优质烃源岩发育的主要原因。