李　燕, 鄧運華, 李友川, 侯讀杰

( 1. 中海油研究總院，北京　100028；　2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 博士后流動站，北京　100083；　3. 中國海洋石油總公司，北京　100010 )

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珠江口盆地河流—三角洲體系煤系烴源巖發(fā)育特征及有利相帶

李燕1,2, 鄧運華3, 李友川1, 侯讀杰2

( 1. 中海油研究總院，北京100028；2. 中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 博士后流動站，北京100083；3. 中國海洋石油總公司，北京100010 )

根據(jù)地震、鉆井、測井和地球化學(xué)等資料，采用沉積學(xué)與地球化學(xué)結(jié)合的方法，研究珠江口盆地恩平組河流—三角洲體系煤系烴源巖。結(jié)果表明：研究區(qū)河流—三角洲體系煤系烴源巖包括煤、碳質(zhì)泥巖和煤系泥巖3種類型，典型發(fā)育特征為煤層單層厚度薄、層數(shù)多、橫向變化大，呈薄層狀分布在河道、分流河道的厚砂體之間。該體系煤系烴源巖有機質(zhì)豐度較高，生烴能力較強；有機質(zhì)主要類型為Ⅱ2型，多來自陸生高等植物，孢子和花粉含量很高，藻類含量非常低，烴源巖有機組成中煤質(zhì)、木質(zhì)、殼質(zhì)含量高，無定形有機質(zhì)含量很低。該體系煤系烴源巖非均質(zhì)性強，受沉積相帶控制，河流的河漫沼澤、三角洲平原沼澤高等植物大量發(fā)育且有利于有機質(zhì)保存，是河流—三角洲體系煤系烴源巖發(fā)育的有利相帶。河道、分流河道的遷移改道、決口和沼澤逐漸淤積填平是導(dǎo)致珠江口盆地恩平組河流—三角洲體系發(fā)育薄煤層的重要原因。該結(jié)論對于認(rèn)識河流—三角洲體系煤系烴源巖的發(fā)育特征，以及在源控論的指導(dǎo)下尋找油氣具有指導(dǎo)意義。

煤系烴源巖； 河流—三角洲體系； 有利相帶； 形成機理； 珠江口盆地

0　引言

煤系烴源巖是一種重要的烴源巖類型[1-9]，隨著油氣勘探的不斷發(fā)展，河流—三角洲體系形成的煤系烴源巖在油氣生成中的作用越來越突出。許多盆地發(fā)現(xiàn)河流—三角洲體系形成的煤系烴源巖，如波拿巴盆地下—中侏羅統(tǒng)煤系烴源巖、吉普斯蘭盆地煤系烴源巖、庫帕盆地新近系煤系烴源巖[10-17]、準(zhǔn)噶爾盆地下—中侏羅統(tǒng)煤系烴源巖、鄂爾多斯盆地下侏羅統(tǒng)煤系烴源巖等發(fā)育于三角洲平原環(huán)境[18-20]，波德河盆地第三系煤系烴源巖發(fā)育于河流環(huán)境。與淺湖沼澤化、濱岸帶瀉湖沼澤化發(fā)育的煤系烴源巖不同，河流—三角洲體系形成的煤系烴源巖橫向連片性差，分布規(guī)律更加復(fù)雜[21-23]。目前，對河流—三角洲體系煤系烴源巖的發(fā)育特征及有利相帶研究相對較少[24-26]，研究該問題對以河流—三角洲體系煤系烴源巖供源的油氣田勘探開發(fā)具有指導(dǎo)意義。

恩平組時期河流—三角洲體系煤系烴源巖是珠江口盆地重要的烴源巖類型，白云凹陷北坡和白云深水區(qū)的油氣與恩平組煤系烴源巖的有機地化對比表明，恩平組煤系烴源巖是一套有效的烴源巖，并且是番禺低隆起的主力烴源巖[27-29]。筆者利用地震、錄井、測井和地球化學(xué)等資料，根據(jù)珠江口盆地恩平組煤系烴源巖煤層厚度及煤層發(fā)育特征，以及有機質(zhì)豐度、類型和來源，分析煤系烴源巖發(fā)育的有利相帶及薄煤層的形成機理。

1　研究區(qū)概況

珠江口盆地位于南海北部，呈北東向展布，盆地內(nèi)隆凹相間，總體上呈“南北分帶，東西分塊”的構(gòu)造格局[30]。由北向南依次為北部隆起帶、北部坳陷帶、中央隆起帶、南部坳陷帶、南部隆起帶，北部坳陷帶又被北西向的隱伏斷層分割成珠一坳陷和珠三坳陷，南部坳陷帶被分割成珠二坳陷和潮汕坳陷(見圖1(a))，研究區(qū)范圍包括珠一坳陷、珠二坳陷和中央隆起帶。

圖1　珠江口盆地區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造及地層格架剖面Fig.1 Stratigraphic framework of Pearl River Mouth basin

珠江口盆地新生代以來經(jīng)歷裂陷期、斷拗期和拗陷期3個演化階段[31](見圖1(b))。裂陷初期，珠江口盆地發(fā)育神狐組沉積，主要為沖積—洪積的近源粗粒沉積，分布范圍非常局限?？焖倭严萜诎l(fā)育文昌組沉積，主要為一套陸內(nèi)的濱淺湖、深湖相沉積，周邊為河流相的砂泥沉積、扇三角洲沉積等，在珠一坳陷受斷裂控制呈多個沉積中心，而珠二坳陷沉積受斷裂的分隔不明顯，具有統(tǒng)一的沉積中心，整體上坳陷中心沉積厚，向周邊逐漸減薄。裂陷晚期，珠江口盆地發(fā)育恩平組沉積，沉積初期，凹陷分隔現(xiàn)象減弱，從珠一坳陷到珠二坳陷依次發(fā)育陸內(nèi)河流—湖泊沉積、海陸過渡的三角洲沉積和濱淺海沉積；沉積晚期，珠一坳陷和珠二坳陷形成統(tǒng)一的源—匯沉積體系，從珠一坳陷到珠二坳陷的白云凹陷依次為河流—三角洲—濱淺海沉積，三角洲向海洋推進(jìn)距離較遠(yuǎn)，規(guī)模達(dá)4 500 km2，是煤系烴源巖的重要發(fā)育期。斷拗期，珠江口盆地發(fā)育珠海組沉積，總體為三角洲—濱淺海沉積，陸架上發(fā)育來自北部的大型三角洲沉積，地震剖面上呈高角度的前積斜層。新近紀(jì)進(jìn)入拗陷階段，在廣泛的海侵背景下發(fā)育碎屑巖和碳酸鹽巖沉積。

珠江口盆地恩平組沉積時期屬于濕熱性氣候，孢粉組成中以熱帶、亞熱帶的組分含量高，如杉科粉、雙溝粉和櫟粉等。珠海組沉積時期，氣候發(fā)生重大轉(zhuǎn)變，變得溫涼干燥，云杉、鐵杉、冷杉和雪松等溫帶針葉樹花粉含量明顯增多[32]。

恩平組為珠江口盆地煤系烴源巖最發(fā)育時期，濕熱的氣候條件、廣泛的河流環(huán)境及不斷向海推進(jìn)形成的大規(guī)模三角洲為煤系烴源巖的發(fā)育提供有利條件。

2　煤層發(fā)育特征

分析研究區(qū)錄井、巖心和測井等資料，珠江口盆地恩平組煤系烴源巖可分為煤、碳質(zhì)泥巖和煤系泥巖3種類型。煤層是煤系烴源巖的主體和核心，是煤系烴源巖的主要貢獻(xiàn)者[33]，對煤層發(fā)育特征的研究是煤系烴源巖研究的重要內(nèi)容。

珠江口盆地恩平組煤層在錄井和巖心上顯示為薄層狀產(chǎn)出，一般為黑色、灰黑色，無光澤—中等光澤，常見裂縫發(fā)育。煤層常見黃鐵礦伴生，反映沉積環(huán)境為還原環(huán)境。煤層在測井曲線上具有明顯的響應(yīng)特征，總體上表現(xiàn)為高電阻(中等變質(zhì)的煙煤)、高聲波、高中子孔隙度、低密度、中—低自然伽馬和井徑擴徑的特點。以沉積學(xué)、測井地質(zhì)學(xué)和地球化學(xué)理論為指導(dǎo)，采用邏輯判別法、聚類分析法和蜘蛛網(wǎng)圖法等識別研究區(qū)煤層(見圖2)。

珠江口盆地恩平組時期煤層主要發(fā)育于河流、三角洲平原環(huán)境，向三角洲前緣、淺海煤層消失。煤層呈薄層狀夾在河流的河道和三角洲平原分流河道形成的厚層砂巖之間，縱向上形成典型的巖相組合，從下向上依次為：(1)厚層的河道、分流河道砂巖—灰色泥巖—煤—灰色泥巖見碳屑—灰色粉砂巖—厚層的河道、分流河道砂巖；(2)厚層的河道、分流河道砂巖—煤—厚層河道、分流河道砂巖；(3)厚層的河道、分流河道砂巖—灰色泥巖—煤—灰色泥巖—厚層河道、分流河道砂巖；(4)厚層的河道、分流河道砂巖—灰色泥巖—煤—厚層的河道、分流河道砂巖。這種縱向上河道、分流河道砂與煤層交互沉積的組合是河流—三角洲體系煤系烴源巖發(fā)育的典型特征，是受河流—三角洲體系的沉積演化形成的。

圖2　珠江口盆地恩平組煤層測井響應(yīng)特征(PYAA井)Fig.2 Logging response characteristics of coal seam in Enping group of Pearl River Mouth basin (well PYAA)

珠江口盆地恩平組河流—三角洲體系發(fā)育的煤層具有單層厚度薄、層數(shù)多、橫向變化大的特點。統(tǒng)計研究區(qū)煤層單層厚度，河流與三角洲環(huán)境形成的煤層呈薄層狀，單層煤層厚度相近，主要為0.5～1.0 m，極少數(shù)煤層厚度達(dá)2.0 m(見圖3(a))。煤層在縱向上發(fā)育層數(shù)多，單井上可形成多個含煤沉積序列，很多井鉆遇恩平組煤層數(shù)超過15層，累計厚度較大，如PYBB井鉆遇恩平組煤層數(shù)達(dá)20層(見圖3(b))，累計厚度約為23.0 m。研究區(qū)河流—三角洲體系煤層非均質(zhì)性強，橫向變化大，尖滅快，橫向上對比追蹤很困難。相鄰兩口鉆井煤層的發(fā)育層數(shù)和時間明顯不同。

圖3　珠江口盆地恩平組單層煤層厚度分布及煤層數(shù)Fig.3 Single layer thickness and layer number of coal seam in Enping group of Pearl River Mouth basin

3　煤系烴源巖的地化特征

3.1有機質(zhì)豐度較高

珠江口盆地恩平組煤系烴源巖有機質(zhì)豐度普遍較高(見表1)。有機碳(TOC)平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60.6%，最高達(dá)80.8%，生烴潛量(S1+S2)平均為184.2 mg/g，最高達(dá)262.6 mg/g。碳質(zhì)泥巖平均有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17.2%，生烴潛量為42.5 mg/g；暗色泥巖平均有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.6%，生烴潛量為4.5 mg/g(見圖4)。表明研究區(qū)煤系烴源巖具有較強的生烴能力。

表1珠江口盆地恩平組煤系烴源巖有機質(zhì)豐度和類型

Table 1 Organic matter abundance and type of coal measure source rock in Enping group of Pearl River Mouth basin

烴源巖類型w(TOC)/%S1+S2/(mg·g-1)HI/(mg·g-1)煤60.6(26)184.2(26)282.2(15)碳質(zhì)泥巖17.2(39)42.5(39)245.7(23)暗色泥巖1.6(317)4.5(317)173.9(268)

注：數(shù)據(jù)代表平均值(樣品數(shù))

3.2有機質(zhì)主要來源于陸生高等植物

珠江口盆地恩平組煤系烴源巖主要有機質(zhì)類型為Ⅱ2型(見圖5)。煤的氫指數(shù)(HI)一般高于碳質(zhì)泥巖和暗色泥巖的，為142.0～355.0 mg/g，平均為282.2 mg/g(見表1)；碳質(zhì)泥巖的氫指數(shù)為86.0～385.6 mg/g，平均為245.7 mg/g；暗色泥巖的氫指數(shù)為36.0～440.0 mg/g，平均為173.9 mg/g。

圖4　珠江口盆地恩平組煤系烴源巖有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)與生烴潛量關(guān)系Fig.4 Relationship between w(TOC) and S1+S2 of coal measure source rocks in Enping group of Pearl River Mouth basin

圖5　珠江口盆地恩平組煤系烴源巖最大熱解溫度與氫指數(shù)關(guān)系Fig.5 Relationship between Tmax and HI of coal-measure source rocks in Enping group of Pearl River Mouth basin

珠江口盆地恩平組孢粉和藻類含量分析表明，以孢子和花粉為主，孢子和花粉的含量大于90%，說明煤系烴源巖的有機質(zhì)主要來源于陸生高等植物。大部分井可見藻類化石，說明煤系烴源巖有機質(zhì)有來源于藻類的貢獻(xiàn)，但是藻類化石的含量很低，一般小于10%，遠(yuǎn)低于陸生高等植物孢子和花粉的含量。如HZEE井恩平組煤系烴源巖的孢子含量為9%～45%，花粉含量為45%～91%，藻類化石的含量小于10%(見圖6)。

烴源巖有機質(zhì)組成分析結(jié)果表明，恩平組煤系烴源巖中陸生高等植物有機組分含量高，煤質(zhì)和木質(zhì)含量較高，平均含量分別為24.5%和30.0%，殼質(zhì)平均含量為35.5%；無定形有機質(zhì)含量低，一般小于10%(見圖7)。

圖6　珠江口盆地恩平組河流環(huán)境孢粉和藻類含量(HZEE井)

圖7　珠江口盆地恩平組三角洲平原環(huán)境有機質(zhì)組成(PYBB井)Fig.7 Organic matter composition of delta plain in Enping group of Pearl River Mouth basin(well PYBB)

綜上所述，珠江口盆地恩平組河流—三角洲體系煤系烴源巖有機質(zhì)主要來源于陸生高等植物，藻類的貢獻(xiàn)很小。

4　有利相帶及薄煤層形成機理

4.1有利相帶

恩平組沉積時期，珠江口盆地煤系烴源巖主要分布于珠一坳陷和珠二坳陷西部的河流—三角洲沉積環(huán)境，東部的局限淺海環(huán)境是海相烴源巖的發(fā)育區(qū)。河流—三角洲體系煤系烴源巖的分布橫向變化很快，非均質(zhì)性很強，煤系烴源巖的發(fā)育明顯受沉積相帶的控制。

分析研究區(qū)煤系烴源巖發(fā)育的有利相帶，河流的河漫沼澤和三角洲平原的沼澤環(huán)境是河流—三角洲體系煤系烴源巖的有利發(fā)育相帶(見圖8)。研究區(qū)河流—三角洲體系煤層發(fā)育在河漫沼澤和三角洲平原沼澤環(huán)境中，并且層數(shù)多、累計厚度大。碳質(zhì)泥巖和煤系泥巖也主要發(fā)育在河漫沼澤和三角洲平原沼澤環(huán)境中，僅少部分發(fā)育在其他相帶中。分析河流—三角洲體系各相帶烴源巖的有機質(zhì)豐度，河流的河漫沼澤和三角洲平原沼澤在河流—三角洲體系煤系烴源巖中有機質(zhì)豐度最高，河漫沼澤的平均有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)12.4%，三角洲平原沼澤平均有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)14.2%(見圖9)。

圖8　珠江口盆地恩平組煤系烴源巖發(fā)育有利相帶Fig.8 Favorable facies of coal-measure source rocks in Enping group of Pearl River Mouth basin

圖9　珠江口盆地恩平組不同微相烴源巖有機質(zhì)豐度Fig.9 Organic matter abundance of different microfacies in Enping group of Pearl River Mouth basin

研究區(qū)河流—三角洲體系煤系烴源巖在各相帶發(fā)育情況有顯著差別，是由不同微相的地形、水動力和氧化還原條件等古地理條件的不同決定的。河漫沼澤和三角洲平原沼澤是河流—三角洲體系相對低洼的地帶，由于恩平組時期氣候濕熱，低洼地帶地表常年積水，有利于高等植物的大量發(fā)育，巖心觀察發(fā)現(xiàn)沉積物中富含植物碎屑，并常見煤線。河漫沼澤和三角洲平原沼澤遠(yuǎn)離河道，粗碎屑沉積物的供應(yīng)量相對較低，高等植物死亡后被地表水覆蓋，使有機物處于還原環(huán)境而很少發(fā)生氧化，有利于有機質(zhì)的堆積和保存，巖心觀察常見黃鐵礦伴生。河道和天然堤是河流—三角洲體系煤系烴源巖較不發(fā)育的相帶。河道是陸地有機碳向海洋搬運的重要通道，河道中攜帶陸源有機碳，但是河道的水動力作用很強，水流流速快，有機質(zhì)難以沉積下來，不易形成烴源巖沉積。研究區(qū)河道中沉積的少量碳屑呈斑點狀分布在河道砂巖中，有機質(zhì)豐度很低。天然堤只有在洪水期水流漫出河道時被淹沒，平水期一直暴露于水面之上，天然堤表面生長的植被死亡后暴露于空氣，有機質(zhì)容易被氧化而難以保存下來。

4.2薄煤層形成機理

研究區(qū)恩平組煤層單層厚度薄、層數(shù)多、橫向變化快，與中—深湖相、海相發(fā)育的連片分布、厚度可達(dá)上百米的巨厚烴源巖不同，這與河流—三角洲體系的沉積演化特點密切相關(guān)。中—深湖相、海相分布范圍廣，在一定地質(zhì)歷史時期是相對穩(wěn)定的沉積環(huán)境，有利于有機質(zhì)持續(xù)堆積形成巨厚的烴源巖沉積。利用巖心、錄井和測井等資料，分析研究區(qū)煤層發(fā)育特征、沉積序列組合和沉積構(gòu)造等發(fā)現(xiàn)，河道、分流河道的改道、決口和沼澤淤積填平是造成研究區(qū)薄煤層發(fā)育的重要原因。(1)河漫沼澤、三角洲平原沼澤是河流—三角洲體系煤層的有利發(fā)育相帶(見圖10(a))，但在河流—三角洲體系的演化過程中，河道、分流河道的遷移改道、決口和沼澤逐漸淤積填平，破壞有利于煤層發(fā)育的環(huán)境，容易形成薄煤層。(2)珠江口盆地恩平組時期河流、三角洲環(huán)境經(jīng)常發(fā)生河道、分流河道的改道，沖刷沼澤環(huán)境形成的泥炭，使泥炭沉積終止，其上部發(fā)育河道或分流河道沉積，巖心觀察常見明顯的沖刷面(見圖10(b))。(3)河道、分流河道的決口也是影響研究區(qū)煤層發(fā)育的因素。洪水期，水流的流量增大，河道、分流河道發(fā)生決口，決口水流攜帶碎屑物質(zhì)沖出河道，在河道和分流河道的外側(cè)形成決口扇沉積。決口扇攜帶的大量碎屑物質(zhì)進(jìn)入河漫沼澤和三角洲平原沼澤，破壞泥炭的堆積環(huán)境，影響煤層的發(fā)育。鉆井資料揭示，在縱向上形成煤層沉積之上發(fā)育反旋回的決口扇沉積(見圖10(c))。(4)沼澤淤積填平也影響烴源巖的發(fā)育，隨著泥炭的不斷堆積，可容納空間的增長速率小于泥炭的堆積速率，河漫沼澤、三角洲平原沼澤逐漸淤積填平，有機物沉積后暴露在水面之上，不能形成煤層(見圖10(d))。在縱向上形成煤層之上覆蓋暗色泥巖的沉積組合。

圖10　珠江口盆地恩平組河流—三角洲體系薄煤層形成機理

5　結(jié)論

(1)河流—三角洲體系煤系烴源巖是珠江口盆地重要的烴源巖，包括煤、碳質(zhì)泥巖和暗色泥巖3種類型。煤層在測井曲線上呈高電阻、高聲波、高中子孔隙度、低密度、中—低自然伽馬和井徑擴徑的特點。煤層單層厚度薄、層數(shù)多、橫向變化大，煤層呈薄層狀夾在河道、分流河道的厚砂體之間，是河流—三角洲體系煤系烴源巖發(fā)育的典型特征。

(2)河流—三角洲體系煤系烴源巖有機質(zhì)豐度較高，具有較強的生烴能力；有機質(zhì)類型主要為Ⅱ2型，有機質(zhì)主要來源于陸生高等植物，孢子和花粉含量很高，藻類含量非常低，烴源巖有機組成煤質(zhì)、木質(zhì)、殼質(zhì)含量高，無定形有機質(zhì)含量很低。

(3)珠江口盆地河流—三角洲體系煤系烴源巖發(fā)育具有很強的非均質(zhì)性，明顯受沉積相帶的控制。河流的河漫沼澤、三角洲平原沼澤高等植物大量發(fā)育且有利于有機質(zhì)保存，是河流—三角洲體系煤系烴源巖發(fā)育的有利相帶。河道、分流河道的遷移改道、決口和沼澤逐漸淤積填平是導(dǎo)致研究區(qū)河流—三角洲體系發(fā)育薄煤層的重要原因。

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2015-12-04；編輯：張兆虹

國家科技重大專項(2011ZX0523)

李燕(1987-)，女，博士，在站博士后，工程師，主要從事沉積學(xué)、油氣地球化學(xué)方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.01.007

TE112.113

A

2095-4107(2016)01-0062-10