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南黄海盆地北凹泰州组烃源岩形成条件及资源潜力分析
付焱鑫, 谭思哲, 侯凯文     
中海石油(中国)有限公司上海分公司, 上海 200335
摘要: 综合应用钻井、地震等地质资料,以"环境控源"为切入点,利用沉积环境与烃源岩发育之间的关系,结合沉积相、微量元素特征和生物标志化合物特征,论述北凹优质烃源岩形成的条件;针对泰州组这套烃源岩层,阐述其分布和地球化学特征;在此基础上,探讨了北凹泰州组烃源岩的资源潜力。研究结果表明,泰州组二段烃源岩发育于咸水背景下的深湖-半深湖沉积,有利于富氢有机质的保存,是烃源岩形成的有利环境;北凹泰州组烃源岩分布广、厚度大,有机质丰度高、类型好、成熟度高,生烃潜力巨大;根据盆地模拟,北凹生烃量112.18亿t,按照聚集系数1%~5%计算,北凹资源量为1.12~5.60亿t,资源量大。
关键词: 优质烃源岩    咸化湖盆    地球化学特征    资源潜力    南黄海盆地    
Formation Conditions and Resource Potentiality of Taizhou Formation in North Sag of South Yellow Sea Basin
Fu Yanxin, Tan Sizhe, Hou Kaiwen     
Shanghai Branch of CNOOC Ltd., Shanghai 200335, China
Supported by Program of Ministry of Land and Resources of the People's Republic of China (2017YQZYPJ0109)
Abstract: Based on drill and seismic data, taking "environments control source rocks" as a breakthrough point, we analyzed the conditions for the formation of high-quality source rocks in North Sag in regard with the relationship between sedimentary environment and source rock development, combined with sedimentary facies, trace element characteristics and biomarker compound characteristics. At the same time, in view of the distribution and geochemical characteristics of this set of hydrocarbon source rocks, we discussed the resource potential of the Taizhou Formation source rocks of North Sag. The results show that the source rocks were developed in the deep-and semi-deep lacustrine facies under the saline water background, which is favorable for the preservation of organic matter and the formation of source rocks. The source rocks of Taizhou Formation in North Sag are widely distributed in large thickness, high organic abundance and high maturity, and have great hydrocarbon generating potential. Through basin simulation calculation, the hydrocarbon amount in North Sag is 112.18 million tons; with an accumulation coefficient of 1%-5%, the resource potential of North Sag is 1.12-5.60 million tons, a large amount of resources.
Key words: high quality source rocks    salty lake basin    geochemical characteristics    resource potential    South Yellow Sea basin    

0 前言

利用地球化学方法评价烃源岩,是一种比较常见也比较成熟的方法。近年来,随着烃源岩非均质性的发现及“优质烃源岩”概念的提出[1-5],以往那种以有限分析样品代表整套烃源岩品质的方法存在着局限性;此外,在一些低勘探程度盆地,由于勘探程度低,钻井少,或钻井取心的限制,没有取得深凹好的烃源岩样品,给我们评价凹陷资源潜力带来了挑战[6-8]。如何准确评价低勘探程度盆地的烃源岩特征和油气资源潜力,是我们面临的一个难题。

南黄海盆地北凹是一个低勘探程度盆地,目前在北凹有5口钻井,其中,ZC1-2-1井在泰州组二段下部发育一套以深灰色—灰黑色泥岩和泥质白云岩组成的裂缝,裂缝表面见油迹的“特殊岩性段”,其岩性组合和生烃特征垂向上差异显著,呈现非均质性。为深入研究这套烃源岩的资源潜力,笔者以南黄海盆地北凹为例,以“环境控源”为切入点[9-10],利用沉积环境与烃源岩发育之间的关系,结合沉积相、微量元素特征和生物标志化合物特征,论述北凹具有优质烃源岩形成的条件。并针对泰州组这套烃源岩层,阐述其分布和地球化学特征。在此基础上,探讨了北凹泰州组烃源岩的资源潜力,为北凹今后油气勘探提供依据。

1 地质背景及勘探状况

南黄海盆地位于黄海南部海域。按照新生界构造格局, 南黄海盆地从北向南划为千里岩隆起、北部坳陷、中部隆起、南部坳陷、勿南沙隆起5个构造单元。盆地面积15.1万km2(图 1)。南黄海盆地是中、新生代断陷盆地:晚白垩世—古新世(泰州组K2t、阜宁组E1f)是伸展张裂阶段的高峰期,所形成的半地堑内发育了以湖相为主的碎屑沉积;始新世末(戴南组E2d、三垛组E2s)为伸展张裂的萎缩期,发育了湖泊-沼泽及河流相碎屑沉积;三垛运动发生了一次构造抬升和剥蚀夷平,自此,盆地进入坳陷发育阶段[11-15]

图 1 南黄海盆地构造区划图 Fig. 1 Division of tectonic units of South Yellow Sea basin

南黄海盆地是我国东部海域唯一一个没有发现工业油气流的海域,且勘探程度极低。研究工区北凹位于南黄海盆地北部,面积近8 000 km2,下第三系最大埋深近7 000 m,是在现有技术条件下认为最具有勘探潜力之一的一个凹陷。1986年,英国克拉夫石油公司在北凹ZC1-2-1井3 420.46~3 423.00 m白垩系泰州组获得大量暗色泥岩岩心,通过肉眼观察,在暗色泥岩可见裂隙原油及强烈的荧光显示,证实该区烃源岩发育,具有油气成藏的物质基础;测井解释阜宁组、戴南组油层3层,可疑油层2层,油水同层2层;阜宁组发现大量的低—中等成熟度油包裹体,表明烃源岩有烃类生成、运移、聚集过程,显示北凹具有良好的勘探前景。

2 北凹烃源岩形成的条件 2.1 半地堑凹陷是烃源岩形成的良好场所

南黄海盆地北凹是一个箕状的半地堑凹陷,呈北断南超的不对称结构(图 2)。北面控制凹陷的主断裂是一个长期活动的断层。泰州组时期,除千里岩断裂对泰州组厚度具有一定的控制外,其他断层似乎不影响地层厚度。自凹陷往斜坡隆起,泰州组层序结构主要是剥蚀减薄、尖灭,形成广湖盆地,表现为凹陷宽度大、延伸长,断阶发育。随着边界断层的不断“生长”,半地堑凹陷逐步扩大,可容纳空间变大,凹陷深处接受暗色泥岩沉积,形成烃源岩层,半地堑凹陷是烃源岩形成的有利场所。

图 2 南黄海盆地北凹地震剖面 Fig. 2 Seismic section of the northern sag in the Southern Yellow Sea basin
2.2 烃源岩沉积于裂陷湖盆扩展期

我国东部近海盆地存在幕式不均衡张裂[16-19],这种幕式不均衡张裂活动在其区域和时间上的变化导致了南黄海盆地各半地堑凹陷沉积充填的差异(图 3)。泰州组沉积时期,整个南黄海北部盆地是一个统一的湖盆,至阜宁组沉积时期,湖盆进一步扩大。该时期为盆地强烈拉张沉积时期,盆地沉降速率加快,湖盆扩大,水体加深,形成了水域广阔的湖泊,沉积了以深水湖泊为主的暗色泥岩沉积。这些暗色泥岩达几十米甚至百米以上,由于湖泊处于高水位期,水生生物繁茂,生油母源物质好,烃源岩发育;该时期是北凹烃源岩最重要的烃源岩发育期。

图 3 南黄海盆地北部坳陷古湖泊演化图 Fig. 3 Evolutionary map of ancient lakes in the northern depression of the Southern Yellow Sea basin
2.3 生油层发育于咸水背景下的深湖—半深湖环境 2.3.1 单井相分析

图 4所示,ZC1-2-1井泰州组岩性以深灰色泥岩为主,微含灰质,夹有薄层的浅灰色细砂岩,以块状层理为主;水平裂缝较为发育,垂直裂缝被方解石充填;裂缝表面见油迹。岩性反映了当时水体偏深,水体能量较弱,未见到动荡水体环境下形成的层理特征等;GR曲线呈齿化的线形和指形特征。综合分析该井泰州组的沉积环境为湖泊相,深灰色泥岩主要发育在深湖—半深湖。

GR.自然伽马;VSP自然电位;AC.声波时差;DEN.密度。 图 4 ZC1-2-1井单井相分析图 Fig. 4 Sedimentary facies analysis map of Well ZC1-2-1
2.3.2 微量元素分析

对ZC1-2-1井烃源岩微量元素进行了测定(表 1),被测元素包括B、Ga、Sr、Ba、V等,并对B/Ga,Sr/Ba值进行了计算。从结果可以看出,泰州组3 417.95~3 423.00 m烃源岩层段B元素质量分数较高,B/Ga=4.740~5.625,Sr/Ba=0.784~1.406;从微量元素分析来看,属于咸水还原环境下的中深湖沉积[20-22]

表 1 ZC1-2-1井微量元素表 Table 1 Trace element table in Well ZC1-2-1
层位 井深/m wB/10-6 B/Ga Sr/Ba
B Ga Sr Ba V Ni
阜四段 2 356.00~2 359.00 < 10.0 20.5 106.0 420 122.0 42.8 < 0.490 0.252
阜三段 2 449.00~2 452.00 < 10.0 19.5 97.0 480 115.0 41.0 < 0.510 0.202
阜三段 2 620.00~2 623.00 52.0 17.3 98.0 450 113.0 56.5 3.006 0.218
阜二段 2 833.00~2 836.00 38.0 19.8 127.0 515 126.0 47.0 1.919 0.247
阜二段 2 995.00~2 998.00 70.0 20.6 91.5 458 108.0 46.5 3.398 0.200
阜一段 3 100.00~3 103.00 35.0 19.8 425.0 475 98.0 43.5 1.767 0.895
阜一段 3 244.00~3 247.00 52.0 17.3 460.0 445 88.5 41.0 3.006 1.034
阜一段 3 292.00~3 295.00 86.0 24.0 390.0 500 77.0 34.5 3.583 0.78
阜一段 3 334.00~3 337.00 75.0 16.3 232.0 420 119.0 50.0 4.601 0.552
阜一段 3 361.00~3 364.00 38.0 21.7 200.0 >500 99.0 37.0 1.751 < 0.400
泰二段 3 370.00~3 373.00 67.5 20.0 203.0 502 81.0 29.5 3.375 0.404
泰二段 3 417.95 91.0 19.2 315.0 402 113.0 31.0 4.740 0.784
泰二段 3 423.00 108.0 19.2 523.0 372 97.0 42.8 5.625 1.406
2.3.3 生物标志化合物特征

γ蜡烷是一种C30-三萜烷,高含量γ蜡烷是咸水环境的标志[23-24]。在ZC-A井泰州组检测到了高含量的γ蜡烷,指示泰州组烃源岩沉积介质为高盐度的咸水环境。此外,饱和烃色谱质谱分析(图 5)还检测到甲藻甾烷。有关甲藻甾烷的环境意义问题,有的学者认为是海侵作用的标志[25-26],泰州组高盐度的沉积介质可能与海侵有关。晚白垩世泰州组沉积时的湖盆环境可称为“近海湖泊”或“海侵湖泊”。在此环境下,形成了局部泰州组上段暗色泥岩烃源岩。

图 5 ZC1-2-1井泰州组烃源岩甾萜烷色谱-质谱图 Fig. 5 GC-MS of sterane from Taizhou Formation source rocks in Well ZC1-2-1
2.3.4 咸化湖盆优质烃源岩形成与发育

研究表明,优质烃源岩的形成与湖盆咸化密切相关[27-29],如柴达木盆地、松辽盆地、渤海湾盆地、江汉盆地和苏北盆地等优质烃源岩的形成均与咸化湖盆有关。湖盆盐度的差异造成水体分层。由于分层结构的稳定性, 底层水基本不与表层水发生交换, 底层水形成封闭的缺氧环境,这将有利于有机质的保存与转化,从而导致优质烃源岩的形成。

北凹泰州组二段烃源岩3 417.95~3 423.00 m为咸水环境的中深湖沉积,同时,高含量的γ蜡烷和甲藻甾烷,指示了具有盐跃层的水体分层环境,这种水体分层的缺氧区就是优质烃源岩的发育区。即泰州组二段烃源岩3 400.00~3 421.00 m层段为优质烃源岩发育层段,其上水体盐度为淡水环境,缺氧条件较差,发育一般烃源岩,体现了烃源岩在纵向上发育的非均质性。

综上所述,北凹泰州组为咸水还原环境的深湖—半深湖环境,这种环境由于盐度差异导致水体分层,水体下层缺氧,为沉积物中有机质的富集提供了有利保存条件,是烃源岩形成的有利环境。

3 北凹烃源岩地球化学特征 3.1 烃源岩分布

北凹在地质结构上是一个北断南超的半地堑凹陷,受构造活动影响,被次一级断裂分隔成北部断阶带、中部深凹带和南部斜坡带。泰州组沉积时期是古湖泊鼎盛发育的初始时期,在凹陷的深凹带,受边界断层的影响,泰州组沉降幅度大,为深湖相沉积,发育了一套烃源岩。受构造、物源及水体介质的影响,泰州组烃源岩垂向上存在着非均质性,通过沉积学和地球化学分析,优质烃源岩层段主要分布于泰州组中下段,岩性以黑色、深灰色泥岩为主。利用地震对比和沉积相分析,这套优质烃源岩层段平面上主要分布于边界断层的下降盘(图 6),呈狭长的条带状,面积近1 200 km2

Ro.镜质体反射率。 图 6 北凹泰州组二段烃源岩分布范围图 Fig. 6 Distribution map of Taizhou Formation 2 source rocks in the Northern sag
3.2 有机质丰度

从单井地球化学指标特征来看(图 7):泰二段上覆地层泥岩层段各项烃源岩评价指标均偏低,有个别氯仿沥青“A”呈较好烃源岩,但总有机碳、生烃潜力均不达标,大部分样品w(TOC)低于0.5%,w(S1+S2)低于1 mg/g,w(氯仿沥青“A”)低于0.1%,达不到生油层“下限”标准; 靠近底部的3 400.00~3 423.00 m层段由暗色含灰泥岩、灰质泥岩、泥页岩与泥灰岩互层组成,岩性细腻含灰高,w(TOC)平均0.99%,w(S1+S2)平均4.07 mg/g,w(氯仿沥青“A”)平均0.177 7%,综合评价为较好—好烃源岩。

IH.氢指数;Tmax.最大热解峰温。 图 7 ZC1-2-1井烃源岩地球化学剖面 Fig. 7 Geochemical profile of source rock in Well ZC1-2-1
3.3 有机质类型

不同的有机质类型具有不同的生烃潜力。干酪根元素分析表明,北凹泰州组H/C(原子比)为1.0~1.5,表现出氢含量高、类型好的特征,以Ⅰ和Ⅱ1型为主。干酪根的显微组分鉴定分析有助于我们进一步认识烃源岩有机质特征。根据干酪根显微组分鉴定分析,北凹泰州组优质烃源岩层段以腐泥组为主,占比95%,并见少量壳质组和镜质组鉴定结果为Ⅰ型有机质。

3.4 有机质成熟度

Ro是检验有机质成熟度演化的重要指标。根据岩心实验分析,北凹泰州组优质烃源岩层段Ro为0.82%~0.93%,表明北凹烃源岩已经成熟。由于测试样品点井位并非处于深凹区,推测深凹区烃源岩热演化程度更高。

利用盆地模拟预测了北凹泰州组烃源岩有机质成熟度平面变化(图 8)。从图 8可以看出,北凹泰州组烃源岩大部分区域Ro>0.5%,已经进入了生烃门限,湖盆中央Ro为1.0%~1.4%,为成熟阶段;局部地区Ro>1.4%,已进入高成熟阶段。北凹泰州组烃源岩大面积处于生油窗阶段,有利于油气大量生成。

图 8 北凹泰州组烃源岩热演化图 Fig. 8 Thermal evolution map of source rocks in Taizhou Formation
4 北凹资源量复算

根据岩性、有机质丰度、有机质类型的差异,考虑到烃源岩的非均质性,运用盆地模拟对北凹泰州组优质烃源岩段和常规暗色泥岩段资源量进行了重新计算,结果表明:

1) 北凹泰州组生烃总量为112.18亿t,生烃量巨大;按照聚集系数1%~5%,北凹资源量为1.12~5.60亿t,资源量大,优质烃源岩在油气成藏过程中贡献巨大。

2) 与中国近海油气资源评价结果相比,由于对优质烃源岩生烃量进行了计算,总生烃量增加了36.16亿t,这些都说明了北凹成藏具有雄厚的物质基础。

5 结论

1) 从沉积相特征、微量元素分析、生物标志化合物分析,泰州组为咸水还原环境下的中深湖沉积,有利于富氢有机质的保存,是烃源岩形成的有利环境。

2) 北凹泰州组烃源岩分布广、厚度大、有机质丰度高、类型好、成熟度高,生烃潜力巨大。

3) 根据盆地模拟,北凹生烃量112.18亿t;按照聚集系数1%~5%计算,北凹资源量为1.12~5.60亿t,资源量大,勘探潜力大。

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http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20180222
吉林大学主办、教育部主管的以地学为特色的综合性学术期刊
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文章信息

付焱鑫, 谭思哲, 侯凯文
Fu Yanxin, Tan Sizhe, Hou Kaiwen
南黄海盆地北凹泰州组烃源岩形成条件及资源潜力分析
Formation Conditions and Resource Potentiality of Taizhou Formation in North Sag of South Yellow Sea Basin
吉林大学学报(地球科学版), 2019, 49(1): 230-239
Journal of Jilin University(Earth Science Edition), 2019, 49(1): 230-239.
http://dx.doi.org/10.13278/j.cnki.jjuese.20180222

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收稿日期: 2018-07-25

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