陳 雪， 姜福杰*， 趙忠新， 王建偉

(1.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2.中國(guó)石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249； 3.中國(guó)石油冀東油田分公司，唐山 063000)

南堡凹陷是渤海灣盆地內(nèi)一個(gè)重要的富油氣凹陷，凹陷總面積為1 932 km2，其中灘海地區(qū)面積為1 100 km2[1-2]，是一個(gè)具有“北斷南超”結(jié)構(gòu)的典型箕狀凹陷。截至目前，南堡凹陷累計(jì)探明石油儲(chǔ)量達(dá)4×108t，天然氣儲(chǔ)量為1 401×108m3，展現(xiàn)了良好的資源前景。南堡凹陷先后進(jìn)行過多輪資源評(píng)價(jià)，各次評(píng)價(jià)結(jié)果不盡相同。其中關(guān)鍵問題是對(duì)東營(yíng)組三段烴源巖是否具有生排烴能力的認(rèn)識(shí)?！笆濉逼陂g，范柏江等[3]對(duì)南堡凹陷東三段進(jìn)行了研究，認(rèn)為東三段排烴量為22.23×108t，占南堡凹陷烴源巖排烴總量的19.2%，中石油冀東油田4次資評(píng)(中石油自己組織的資源評(píng)價(jià))結(jié)果顯示，南堡凹陷東三段烴源巖演化程度低，有效烴源巖厚度不足100 m，烴源巖均未進(jìn)入排烴門限，不具備排烴能力，對(duì)常規(guī)油氣聚集沒有意義(據(jù)冀東油田4次資評(píng)報(bào)告)。因此，探究南堡凹陷東三段烴源巖是否有效、是否能夠排出油氣，對(duì)于客觀認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)南堡凹陷油氣資源潛力，指導(dǎo)未來勘探方向，具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

南堡凹陷可以劃分為拾場(chǎng)、柳南、林雀、曹妃甸4個(gè)生烴洼陷[4]，以及高尚堡、柳贊、老爺廟、北堡、西南莊及柏格莊斷裂帶及灘海1～5號(hào)油氣富集構(gòu)造帶等8個(gè)主要構(gòu)造帶[5]。目前已發(fā)現(xiàn)的油田包括南堡油田、高尚堡油田、柳贊油田、老爺廟油田、北堡油田、唐海油田和柏各莊油田等[6]，其中，陸上以高尚堡油田最大，灘海地區(qū)以唐海油田最大。南堡凹陷主要發(fā)育古近系沙河街組、東營(yíng)組和新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組地層。主要的烴源巖層為東營(yíng)組東三段泥巖和沙河街組泥巖、油頁(yè)巖，儲(chǔ)集層為館陶組、東營(yíng)組和沙河街組，蓋層為明化鎮(zhèn)組的泥巖(圖1[7])。

2 烴源巖地質(zhì)特征

根據(jù)冀東油田研究院于2017年對(duì)南堡凹陷最新的分層數(shù)據(jù)，系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)了鉆遇南堡凹陷東營(yíng)組的95口探井資料，對(duì)暗色泥巖厚度進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，并對(duì)取心樣品進(jìn)行了觀察?？傮w而言，東三段暗色泥巖具有一定厚度，平均為180～360 m，主要分布在高柳斷層以南的林雀洼陷洼陷以及曹妃甸洼陷洼陷。

2.1 單井厚度統(tǒng)計(jì)

南堡凹陷東三段暗色泥巖厚度為0～600 m，平均值為180～360 m。從各洼陷來看，林雀洼陷單井暗色泥巖厚度明顯大于曹妃甸洼陷(表1)，而拾場(chǎng)洼陷的暗色泥巖厚度普遍較小。林雀洼陷中，顯示在NP5-98井、NP5-85井、NP5-80井、BS28井暗色泥巖厚度達(dá)到500 m以上；在曹妃甸洼陷洼陷中，暗色泥巖厚度在NP4-20井處達(dá)到最大值，為410 m。而在南堡凹陷內(nèi)缺少鉆井顯示的地方，則單井厚度不足以反應(yīng)全區(qū)各凹陷的暗色泥巖分布特征，需進(jìn)行暗色泥巖平面分布特征預(yù)測(cè)，以便于進(jìn)一步對(duì)東三段烴源巖的地質(zhì)地化特征進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 平面分布特征

烴源巖厚度平面分布預(yù)測(cè)的基本方法是依據(jù)95口探井暗色泥巖厚度統(tǒng)計(jì)資料，對(duì)少井和無井區(qū)采用暗泥地比與沉積相的關(guān)系進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，獲得不同沉積相類型暗色泥巖占地層厚度比例數(shù)據(jù)，進(jìn)而采用相控方法預(yù)測(cè)少井和無井區(qū)的暗色泥巖厚度[8]。預(yù)測(cè)結(jié)果顯示(圖2)，東三段暗色泥巖的平均厚度為180～360 m。在拾場(chǎng)洼陷、林雀洼陷、曹妃甸洼陷的暗色泥巖最大厚度達(dá)到600 m，表明該套烴源巖十分發(fā)育。烴源巖在洼陷內(nèi)分別呈現(xiàn)中心厚、兩邊薄的特點(diǎn)，主要是由于東營(yíng)組沉積時(shí)期，高柳斷層將凹陷分為南、北兩個(gè)獨(dú)立的沉積系統(tǒng)，渤海灣盆地的沉積中心位于南堡凹陷，沉積良好的烴源巖層[9]。

圖1 南堡凹陷構(gòu)造格局與地層組合圖[7]Fig.1 Structural pattern and stratigraphic association diagram of Nanpu sag[7]

井號(hào)洼陷暗泥厚度/m地層厚度/m最大單層厚度/m平均厚度/m暗泥地比/%G27柳南231.5278.558184.783.12NP5-80林雀556.0661.022353.784.87NP4-20曹妃甸410.0487.057282.084.19

3 烴源巖質(zhì)量評(píng)價(jià)

3.1 有機(jī)質(zhì)豐度

本次有機(jī)質(zhì)豐度的預(yù)測(cè)采用了探井地化數(shù)據(jù)加權(quán)平均與沉積相特征相結(jié)合的方法[9]，利用95口探井的熱解分析數(shù)據(jù)，共678個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)。預(yù)測(cè)結(jié)果表明，東三段烴源巖的總有機(jī)碳含量(total organic carbon，TOC)為0.5%～3%，平均值為1.19%，各洼陷存在一定差異，其中灘海地區(qū)有機(jī)碳含量高于高柳斷層以北地區(qū)，但也大部分在1.0%以上，總體而言，有機(jī)質(zhì)豐度已經(jīng)達(dá)到好的烴源巖標(biāo)準(zhǔn)(圖3)。

3.2 有機(jī)質(zhì)類型

依據(jù)元素組成，確定了南堡凹陷東三段烴源巖有機(jī)質(zhì)類型多為Ⅱ1型、Ⅱ2型和Ⅲ型(圖4)。其中，林雀洼陷和曹妃甸洼陷中心分布Ⅱ1型干酪根，盆地周邊多分布Ⅱ2型和Ⅲ型干酪根。

圖4 南堡凹陷東三段烴源巖干酪根元素平面分布圖Fig.4 Planar distribution of kerogen elements in source rocks of the 3rd member of Dongying formation of Nanpu sag

3.3 有機(jī)質(zhì)熱演化程度

依據(jù)南堡凹陷東三段烴源巖已有的890個(gè)鏡質(zhì)體反射率Ro(reflectance of vitrinite)數(shù)據(jù)，與深度進(jìn)行了擬合，總體來看，鏡質(zhì)體反射率縱向上隨著深度增大而增大，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)主要分布在0.25%～1.5%范圍內(nèi)，據(jù)Ro變化趨勢(shì)看，顯示約在2 650 m進(jìn)入成熟階段，成熟與高成熟階段的界限大致在3 350 m深度左右，在深度為4 300 m時(shí)進(jìn)烴源巖達(dá)到過成熟階段，當(dāng)深度達(dá)到4 450 m時(shí)東三段烴源巖達(dá)到高成熟(圖5)；從平面分布特征來看，東三段烴源巖成熟度主要分布在0.6%～1.1%，在洼陷中心發(fā)育的成熟度高，邊緣較低，但總體上大于0.7%，達(dá)到成熟階段(圖6)。

圖5 南堡凹陷東三段烴源巖鏡質(zhì)體反射率與深度相關(guān)Fig.5 Correlation between Ro and depth of Ed3 Nanpu sag

3.4 烴源巖有效性

針對(duì)南堡凹陷烴源巖預(yù)測(cè)存在的問題和油氣勘探現(xiàn)狀，對(duì)有效源巖進(jìn)行了系統(tǒng)的分析和預(yù)測(cè)[6]，運(yùn)用生烴潛力法對(duì)源巖是否有效進(jìn)行了判別，依據(jù)生烴潛力指數(shù)剖面來判斷源巖是否進(jìn)入排烴門限，凡是進(jìn)入排烴門限的烴源巖才可能是有效烴源巖，未進(jìn)入排烴門限的烴源巖都不是有效烴源巖(圖7)。其中S1為殘留烴,S2為裂解烴。

圖7 南堡凹陷東三段烴源巖生烴潛力隨Ro變化特征Fig.7 Correlation between hydrocarbon generation potential and vitrinite reflection of source rocks in the 3rd member of Dongying formation of Nanpu sag

如圖8所示，南堡凹陷東三段整體上平均厚度約為200～300 m，最大厚度超過500 m。有效烴源巖主要分布在凹陷中心，包括林雀洼陷、曹妃甸洼陷，其中林雀洼陷有效烴源巖厚度最大。越靠近凹陷的周邊部位，南堡凹陷東三段有效烴源巖的分布越薄。

4 烴源巖排烴特征

用于研究烴源巖的生排烴特征應(yīng)用的是生烴潛力法，該方法基本原理前人做了大量闡述[7-11]，這里不再贅述。

4.1 排烴模式及排烴門限

根據(jù)生烴潛力法確定排烴門限的方法原理，通過對(duì)南堡凹陷95口典型井528組地化數(shù)據(jù)的分析處理，建立了南堡凹陷東三段有效烴源巖排烴模式圖(圖9)。

由圖9可知，當(dāng)鏡質(zhì)體反射率Ro達(dá)到0.82%時(shí)，烴源巖開始向外排烴，根據(jù)深度與鏡質(zhì)體反射率的對(duì)應(yīng)關(guān)系，對(duì)應(yīng)的埋藏深度為3 585 m，因此，按照鏡質(zhì)體反射率和埋藏深度即可確定排烴門限。

圖8 南堡凹陷東三段有效烴源巖厚度等值線圖Fig.8 The thickness contour map of the effective source rocks of Ed3 Nanpu sag

另外，根據(jù)有效烴源巖的排烴率、排烴速率和排烴效率隨熱演化程度的變化還可以看出，當(dāng)Ro達(dá)到1.0%時(shí)，生烴潛力指數(shù)降至大約265 mg/g，排烴率大約增至170 mg/g，烴源巖達(dá)到排烴高峰，此時(shí)對(duì)應(yīng)的深度為3 897 m，此后，排烴速率迅速遞減，至現(xiàn)今其最大排烴效率可達(dá)57%。由此可知，烴源巖的大量排烴時(shí)期較晚，其排出的油氣有利于成藏和保存。

4.2 排烴強(qiáng)度及排烴量

以Ro=0.5%作為南堡凹陷源巖進(jìn)入生烴門限的標(biāo)準(zhǔn)，結(jié)合全區(qū)的埋藏條件與生烴潛力變化曲線，獲得了累積生烴強(qiáng)度。南堡凹陷東三段源巖的累積生烴強(qiáng)度圖如圖10所示，源巖層系的生烴中心與其源巖的空間展布相對(duì)應(yīng)。東三段源巖存在3個(gè)生烴中心，2個(gè)生烴中心位于凹陷中部，其中偏西南部生烴中心的生烴強(qiáng)度最大，生烴強(qiáng)度超過700×104t/km2，老爺廟生烴中心最大生烴強(qiáng)度超過500×104t/km2；另外一個(gè)生烴中心位于凹陷的東部，其最大生烴強(qiáng)度超過350×104t/km2。

圖9 南堡凹陷東三段排烴模式Fig.9 Hydrocarbon expulsion model of 3rd Dongying source rocks

圖10 南堡凹陷東三段現(xiàn)今累積生烴強(qiáng)度圖Fig.10 Hydrocarbon generation intensity contour of Ed3 source rocks

東三段有效源巖的累積排烴強(qiáng)度集中在250×104～500×104t/km2(圖11)。受有效源巖空間展布的控制，東三段有效源巖的累積排烴強(qiáng)度存在3個(gè)排烴中心。2個(gè)排烴中心位于凹陷中部，其中最大排烴強(qiáng)度均超過350×104t/km2；另外一個(gè)排烴中心位于凹陷的西部，其最大排烴強(qiáng)度超過280×104t/km2。南堡凹陷周邊地區(qū)由于東三段有效源巖發(fā)育條件較差，排烴強(qiáng)度較小。通過對(duì)南堡凹陷排烴強(qiáng)度圖進(jìn)行三維網(wǎng)格化處理，結(jié)合其分布面積(1 932 km2)，得出其排烴量為5.52×108t，東三段有效源巖的平均排烴強(qiáng)度為115.06×104t/km2。

4.3 排烴演化史

烴源巖層是油氣生成、運(yùn)移、聚集成藏的必要條件，其生成的油氣是油氣藏形成的物質(zhì)來源。烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)成熟度、密度以及規(guī)?？刂浦磶r層的生排烴量，進(jìn)而控制盆地(或凹陷的)油氣資源潛力[11]。結(jié)合南堡凹陷的埋藏歷史[12-16]，恢復(fù)了南堡凹陷東三段烴源巖在不同地質(zhì)歷史時(shí)期的排烴量。結(jié)果表明：沙河街組和東營(yíng)組沉積時(shí)期東三段沒有排烴，到館陶組沉積時(shí)期排烴量為1.09×108t；明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期排烴量為2.90×108t；第四系時(shí)期排烴量為1.53×108t(表2、圖12)。

表2 東三段源巖層系不同地質(zhì)時(shí)期排烴量對(duì)比Table 2 Comparison of hydrocarbon emission in different geological periods of Ed3 source rocks

圖12 東三段有效源巖層系不同地質(zhì)時(shí)期排烴量對(duì)比Fig.12 Comparison of hydrocarbon expulsion amount in different geological periods of the effective source rock system in the 3rd member of Dongying formation

5 結(jié)論

(1)南堡凹陷東三段存在有效烴源巖，并達(dá)到排烴門限，對(duì)應(yīng)的排烴門限為Ro=0.82%，主要分布在南堡凹陷中部地區(qū)，厚度約為200～300 m，在林雀洼陷厚度最大。

(2)南堡凹陷東三段烴源巖的累計(jì)排烴量為5.52×108t，排烴強(qiáng)度最大值為720×104t/km2，在北堡5號(hào)構(gòu)造東南部。

(3)南堡凹陷東三段烴源巖的主要排烴期為明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期，排烴期較晚，有利于成藏與保存。