羅 曦 ，劉子勝 ，胥 玲，譚靜娟 ，尹 安

(1.中國(guó)石化河南油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南鄭州 450046；2.中國(guó)石化河南油田分公司新疆采油廠)

泌陽(yáng)凹陷陸相頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)特征及富集因素分析

羅 曦1，劉子勝2，胥 玲1，譚靜娟1，尹 安1

(1.中國(guó)石化河南油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，河南鄭州 450046；2.中國(guó)石化河南油田分公司新疆采油廠)

采用地球化學(xué)與沉積學(xué)理論方法并結(jié)合元素分析、高分辨掃描電鏡等實(shí)驗(yàn)技術(shù)手段，以中國(guó)典型陸相斷陷湖盆泌陽(yáng)凹陷為例，探討了頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)發(fā)育特征、形成環(huán)境及富集影響因素，研究表明富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)是頁(yè)巖油形成的物質(zhì)基礎(chǔ)，決定著頁(yè)巖的生烴潛力和生烴量；有機(jī)質(zhì)主要來(lái)源于低等的浮游藻類，有機(jī)質(zhì)發(fā)育環(huán)境主要為緩慢沉積的、干旱-半干旱的還原條件下、具有中等-高生產(chǎn)力的咸水湖泊環(huán)境；無(wú)定形有機(jī)質(zhì)是有機(jī)質(zhì)的主要賦存形式；生烴作用產(chǎn)生大量有機(jī)質(zhì)孔隙能為頁(yè)巖油提供有效的儲(chǔ)集空間；古環(huán)境決定了有機(jī)質(zhì)保存條件，沉積相帶控制有機(jī)質(zhì)富集的平面展布。

泌陽(yáng)凹陷；頁(yè)巖油；富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖；有機(jī)質(zhì)特征；古環(huán)境；富集影響因素

泌陽(yáng)凹陷位于南襄盆地東北部，為一中新生代斷控凹陷，河南油田2011年率先在泌陽(yáng)凹陷取得國(guó)內(nèi)陸相頁(yè)巖油勘探重要進(jìn)展，前期研究主要集中在頁(yè)巖油形成條件、儲(chǔ)層特征及富集因素分析上，而對(duì)富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖形成中有機(jī)質(zhì)來(lái)源、富集影響因素及形成古地理環(huán)境探討較少。因此，本文以泌陽(yáng)富油凹陷為例，從頁(yè)巖分布、有機(jī)質(zhì)發(fā)育特征出發(fā)，探討了富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖中有機(jī)質(zhì)形成的古環(huán)境及富集影響因素，為頁(yè)巖油勘探提供借鑒。

1 富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖發(fā)育特征

頁(yè)巖的分布與沉積體系域發(fā)育密切相關(guān)，湖侵體系域相對(duì)低位體系域、高位體系域來(lái)說(shuō)，藻類更為發(fā)育，有機(jī)質(zhì)含量相對(duì)較高，因此，湖侵體系域有利于富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖的形成[1]。泌陽(yáng)凹陷廣泛分布的富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖為頁(yè)巖油形成及富集提供了物質(zhì)基礎(chǔ)，研究表明泌陽(yáng)凹陷古近系自下而上發(fā)育6套富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層(圖1)，主要分布在H32層序和H31層序的湖侵體系域，橫向延伸較遠(yuǎn)，其中第5套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖目前已經(jīng)取得突破，是最有利的頁(yè)巖層系。泥頁(yè)巖沉積厚度具有東南厚、西北薄的特點(diǎn)。平面上頁(yè)巖層厚度分布與半深湖-深湖相吻合較好，具有圍繞湖盆呈環(huán)帶狀分布、向湖中心逐漸增大的特點(diǎn)，富含有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖層單層厚度30～80 m，分布面積80～120 km2，累計(jì)厚度200～600 m，疊合分布面積近400 km2。

2 有機(jī)質(zhì)發(fā)育特征

沉積有機(jī)質(zhì)是指來(lái)源于生物的遺體或其分泌物和排泄物，直接或間接進(jìn)入沉積物中，或經(jīng)生物降解作用和沉積埋藏作用被掩埋在沉積物中，或經(jīng)縮聚作用演化成新的有機(jī)化合物及其衍生物的那部分有機(jī)質(zhì)[2]。

2.1 有機(jī)質(zhì)來(lái)源

有機(jī)質(zhì)來(lái)源于陸源高等植物輸入或者湖泊內(nèi)浮游藻類等低等生物，通常可用正構(gòu)烷烴(CnH2n+2)來(lái)進(jìn)行判別。正構(gòu)烷烴的碳優(yōu)勢(shì)指數(shù)(CPI)和奇偶優(yōu)勢(shì)(OEP)通?？捎脕?lái)表征沉積物中不同生物源對(duì)有機(jī)質(zhì)的貢獻(xiàn)量，CPI或OEP明顯高于1.0時(shí)具有奇碳優(yōu)勢(shì)，明顯低于1.0時(shí)具偶碳優(yōu)勢(shì)。以C15、C17為主，奇偶優(yōu)勢(shì)不明顯的中等相對(duì)分子質(zhì)量(nC15～nC21)的正構(gòu)烷烴可能指示藻類等低等浮游生物來(lái)源；具奇偶優(yōu)勢(shì)的高碳數(shù)(>C23)正構(gòu)烷烴的分布可能指示陸源有機(jī)質(zhì)的輸入[2]。泌陽(yáng)凹陷頁(yè)巖生物標(biāo)志化合物中正構(gòu)烷烴的分布分為前高(C17)后低(C23)的雙峰及單峰型(C17)，顯示浮游藻類生物降解作用的結(jié)果，表明有機(jī)質(zhì)主要來(lái)自藻類等水生生物，受陸源輸入的影響較少。

2.2 有機(jī)質(zhì)賦存形式

泌陽(yáng)凹陷有機(jī)質(zhì)按結(jié)構(gòu)分類可以分為結(jié)構(gòu)有機(jī)質(zhì)和無(wú)定形有機(jī)質(zhì)。結(jié)構(gòu)有機(jī)質(zhì)屬于生物殘?bào)w等有機(jī)質(zhì)顆粒，包括木質(zhì)組織、絲炭、藻團(tuán)塊，富集在較粗粒中，對(duì)TOC貢獻(xiàn)較低；而無(wú)定形有機(jī)質(zhì)是指無(wú)一定形態(tài)結(jié)構(gòu)的沉積有機(jī)質(zhì)，鏡下多是不規(guī)則的微粒、漸變的模糊邊緣，形成凝塊或絮團(tuán)。大多數(shù)是浮游植物成因，源于有機(jī)質(zhì)腐解后產(chǎn)生的溶解有機(jī)質(zhì)和膠體有機(jī)質(zhì)，富集在細(xì)粒中，常與黏土礦物吸附成有機(jī)黏土復(fù)合體，對(duì)TOC貢獻(xiàn)大。鏡下可觀察到有機(jī)質(zhì)有三種賦存狀態(tài)：分散狀、斷續(xù)條帶狀以及順層富集狀。順層富集的有機(jī)質(zhì)易形成紋層，鏡下顏色偏暗，呈紅褐色。富有機(jī)質(zhì)紋層與浮游藻類的定期繁盛有關(guān)，是湖盆在極度缺乏其他物質(zhì)沉淀時(shí)期，由藻類大量死亡后分解出來(lái)的有機(jī)質(zhì)緩慢沉淀形成的。

圖1 泌陽(yáng)凹陷核三段泌49井-泌270井層序地層格架下富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖分布

2.3 有機(jī)質(zhì)地化特征

有機(jī)質(zhì)是油氣生成與富集的物質(zhì)基礎(chǔ)。泌陽(yáng)凹陷核三段頁(yè)巖樣品有機(jī)質(zhì)類型主要為I型-II1型干酪根，Ro分布在0.51%～1.2%，平均0.72%；Tmax范圍主要分布在435～456 ℃，指示該區(qū)有機(jī)質(zhì)處于低熟-成熟階段。有機(jī)質(zhì)含量的多少是決定烴源巖生烴能力的一個(gè)重要指標(biāo)，有機(jī)質(zhì)的含量通常以總有機(jī)碳(TOC)含量來(lái)進(jìn)行評(píng)判。一般認(rèn)為，要達(dá)到工業(yè)開(kāi)采價(jià)值的頁(yè)巖油藏，TOC含量要求大于2%。本區(qū)頁(yè)巖平均TOC含量均達(dá)到2%以上[3-6]。通常，有機(jī)質(zhì)豐度越高，越有利于頁(yè)巖油的富集。有機(jī)質(zhì)豐度越高，頁(yè)巖氣測(cè)異常越明顯(圖2)。在頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)類型和成熟度相似的情況下，有機(jī)質(zhì)豐度與含油飽和度、S1、氯仿瀝青“A”具有正相關(guān)關(guān)系，表明有機(jī)質(zhì)含量的高低決定著頁(yè)巖含油量的多少，有機(jī)碳含量越高，頁(yè)巖生烴潛力越大，頁(yè)巖含油量越大。

圖2 泌陽(yáng)凹陷安深1井綜合柱狀圖

2.4 有機(jī)質(zhì)孔隙特征

有機(jī)質(zhì)孔隙即以有機(jī)質(zhì)團(tuán)塊為載體的孔隙，有機(jī)質(zhì)團(tuán)塊的成分較為復(fù)雜，主要由豐富的有機(jī)質(zhì)、微晶方解石、黏土礦物等混雜而成。有機(jī)孔隙的形成和富集受有機(jī)質(zhì)豐度、類型及演化程度的控制，熱成熟度Ro一般大于0.6%時(shí)，有機(jī)孔隙形成。其具體成因有：①干酪根生烴演化形成有機(jī)質(zhì)孔；②瀝青質(zhì)裂解階段產(chǎn)生有機(jī)質(zhì)孔隙,主要是有機(jī)質(zhì)邊緣收縮縫[7]；③釋放的有機(jī)酸對(duì)包裹的方解石、黏土礦物進(jìn)行溶蝕而成。按照孔隙載體及成因不同，有機(jī)質(zhì)孔隙可分為：有機(jī)質(zhì)邊緣與碎屑顆粒間孔隙、有機(jī)質(zhì)溶蝕孔隙和生烴演化孔隙。不同類型的有機(jī)質(zhì)孔隙，尺寸變化較大，大者達(dá)到 3～4 μm，小至幾個(gè)納米。

3 有機(jī)質(zhì)形成古環(huán)境分析

一個(gè)盆地或凹陷內(nèi)充填的沉積物或沉積巖常常清楚地記錄著其在歷史演化過(guò)程中的古環(huán)境特征與變遷，比如巖石的顏色、 巖性、 沉積構(gòu)造以及古生物反映了當(dāng)時(shí)的沉積環(huán)境, 泥巖中的微量元素如硼、鍶、鋇、鐵、錳、鈷、鎳等反映了盆地當(dāng)時(shí)的古鹽度、古氣候、古水深或氧化還原條件、沉積速率[8]。研究表明，泌陽(yáng)凹陷富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖B(硼)、Th(釷)，Si(鍶)含量較高，反映了較高的古鹽度特征，表明此時(shí)為半咸水-咸水湖泊環(huán)境。從氧化還原條件來(lái)看，實(shí)測(cè)樣品V(釩)/(V+Ni(鎳))為0.71～0.84，δCe (Ce鈰)指數(shù)(稀土元素指數(shù))均大于-0.1，說(shuō)明泥頁(yè)巖沉積時(shí)水體分層性中等，以厭氧環(huán)境為主，水體處于還原環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)的保存。氣候條件可通過(guò)氣候指數(shù)及黏土礦物含量中伊利石所占的比值來(lái)判別，研究區(qū)頁(yè)巖氣候指數(shù)小于0.2，伊利石在黏土礦物中所占比值較高，表明泌陽(yáng)凹陷富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖沉積時(shí)期為相對(duì)干旱的氣候條件。

沉積速率的判定主要通過(guò)稀土元素的分配模式判別，通常當(dāng)沉積速率較快時(shí)，稀土元素分配模式圖平緩，La/Yb(鑭/鐿)比值約為1。稀土元素通常以吸附于陸源物質(zhì)的懸浮物表面或絡(luò)離子的形式進(jìn)入湖泊，當(dāng)沉積速度較慢時(shí)，黏土物質(zhì)吸附輕稀土、重稀土與碳酸和有機(jī)質(zhì)形成絡(luò)合物等化學(xué)反應(yīng)更為徹底，REE(Rare Earth Element稀土元素)分餾程度較高。研究區(qū)稀土元素分配模式均呈現(xiàn)向右傾斜的趨勢(shì)，輕稀土富集而重稀土虧損，(La/Yb)n介于8.67～40.34，平均17.24，δCe為0.93～1.17，平均0.99，Ce(鈰)異常性不明顯或?yàn)檎惓＃甘境练e速率相對(duì)較低。這可能是高鹽度水體浮力相對(duì)較大、湖泊水體較深所致。綜上所述，泌陽(yáng)凹陷富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖形成于干旱-半干旱的還原條件下緩慢沉積的、具有中等-高生產(chǎn)力的咸水湖泊環(huán)境。

4 有機(jī)質(zhì)富集影響因素分析

沉積物中有機(jī)質(zhì)的聚集是由很多地質(zhì)邊界條件所控制的,但最重要的控制因素還是沉積環(huán)境。三個(gè)最主要的直接控制變量是有機(jī)質(zhì)的生產(chǎn)力、無(wú)機(jī)氧化物對(duì)有機(jī)質(zhì)的破壞力和碎屑物對(duì)有機(jī)質(zhì)的稀釋[11-13]。只有在有機(jī)質(zhì)來(lái)源豐富、氧化作用最小和碎屑物沉積速度適中的沉積環(huán)境下,才能形成較高豐度的有機(jī)質(zhì)。Creaney等(1993)認(rèn)為較低的沉積速率和沉積界面處的貧氧環(huán)境，影響泥頁(yè)巖有機(jī)碳總量。一旦確立了缺氧環(huán)境，沉積速率則成為控制TOC大小的主要因素，因此有利的沉積相帶和適宜的古環(huán)境對(duì)有機(jī)質(zhì)的富集與保存具有重要的作用。

4.1 沉積相帶控制有機(jī)質(zhì)的富集

研究表明，沉積物有機(jī)質(zhì)豐度在平面上呈環(huán)帶狀分布。近湖盆中央出現(xiàn)相對(duì)平滑的有機(jī)碳剖面，TOC含量細(xì)微增減；而在湖盆邊緣TOC剖面波動(dòng)劇烈，TOC含量迅速的增加或減小。半深湖-深湖環(huán)境中的有機(jī)碳含量總體較淺湖-前三角洲的有機(jī)碳含量高，有機(jī)質(zhì)類型也較好，總體說(shuō)明深湖-半深湖相帶較有利(表1，圖3)。當(dāng)湖盆底部水體為缺氧還原條件時(shí),降落到湖底的水生生物和陸源有機(jī)質(zhì)才能被保存到沉積物中。而這些濁積巖的出現(xiàn)打破了缺氧環(huán)境，溶解氧及其水生生物可以深入湖底，使泥頁(yè)巖有機(jī)碳含量降低，因此有機(jī)碳含量剖面在湖盆邊緣波動(dòng)較大而在湖盆中心相對(duì)穩(wěn)定。

圖3 泌陽(yáng)凹陷第5套富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖有機(jī)質(zhì)豐度與沉積相疊合圖

表1 不同環(huán)境中各巖性相有機(jī)碳含量統(tǒng)計(jì)

沉積相巖性相顏色TOC含量/%半深湖-深湖淺湖-前三角洲頁(yè)巖泥巖灰質(zhì)頁(yè)巖含云頁(yè)巖云質(zhì)頁(yè)巖頁(yè)巖泥巖云質(zhì)頁(yè)巖褐色、黑色、褐灰色灰黑色、深灰色黑色、灰黑色灰黑、深灰色深灰色褐灰色、褐色灰色、深灰色灰色1．08-6．48(2．79)0．81-3．41(2．28)1．24-4．96(2．59)0．91-4．35(2．14)1．02-3．12(2．00)1．34-3．77(2．43)0．75-3．58(1．89)0．71-3．57(2．03)

4.2 沉積古環(huán)境控制有機(jī)質(zhì)的富集

干旱-半干旱氣候條件下，蒸發(fā)量大于降雨量和陸地徑流量，湖泊水體濃縮、鹽度增大，生物所需的營(yíng)養(yǎng)物富集，促進(jìn)了浮游類生物的繁殖，有利于產(chǎn)生中等-高的原始有機(jī)質(zhì)產(chǎn)率；此時(shí)，泥頁(yè)巖形成于湖擴(kuò)體系域，較高的湖平面形成大的可容納空間，為有機(jī)質(zhì)富集提供足夠的空間；古水體鹽度存在差異，在半深湖-深湖區(qū)域形成鹽度分層，使底水缺氧而處于還原環(huán)境，較小的沉積速率又避免有機(jī)質(zhì)被稀釋破壞，從而使有機(jī)質(zhì)顯著富集。

5 結(jié)論

(1)泌陽(yáng)凹陷富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖主要集中在H32層序和H31層序的湖擴(kuò)體系域和緊鄰最大湖泛面的高位體系域，總體形成于半深湖-深湖環(huán)境，橫向延伸較遠(yuǎn)，從整體而言頁(yè)巖層厚度分布與湖相分布比較相似，具有圍繞湖盆呈環(huán)帶狀分布、向湖中心逐漸增大的特點(diǎn)。

(2)泌陽(yáng)凹陷有機(jī)質(zhì)不僅影響頁(yè)巖油的生油潛量還能改善頁(yè)巖的儲(chǔ)集物性，增加巖石脆性。有機(jī)質(zhì)主要以無(wú)定形有機(jī)質(zhì)為主要賦存形式，主要來(lái)源于浮游藻類等低等生物。

(3)有機(jī)質(zhì)的富集主要受沉積相帶及古環(huán)境兩個(gè)因素的控制，主要發(fā)育在湖盆中心相對(duì)穩(wěn)定的深湖-半深湖相帶，形成于干旱-半干旱的還原條件下緩慢沉積的、具有中等-高生產(chǎn)力的咸水湖泊環(huán)境。

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編輯：吳官生

1673-8217(2015)06-0011-04

2015-04-20

羅曦，工程師， 1984年生，2009年畢業(yè)于西南石油大學(xué)石油地質(zhì)專業(yè)，現(xiàn)主要從事油氣勘探研究工作。

TE112.113

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