曹婷婷，姚 威，李志明，李 政，黎茂穩(wěn)

(1.中國石化 石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126；2.頁巖油氣富集機(jī)理與有效開發(fā)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214126；3.國家能源頁巖油研發(fā)中心，江蘇 無錫 214126；4.中國石化油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214126；5.中國石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257000)

我國東部古近系非常規(guī)頁巖油主要分布于斷陷湖盆的暗色泥頁巖層系[1]。渤海灣盆地沾化凹陷沙三段沉積了面積廣、厚度大、含碎屑組分的碳酸鹽巖，蘊(yùn)含著大量頁巖油。2011年以來，在東營凹陷和沾化凹陷部署了一系列頁巖油專探井，但頁巖油產(chǎn)量并未達(dá)到預(yù)期效果，表明前期對東營凹陷和沾化凹陷陸相有機(jī)質(zhì)及頁巖油的富集規(guī)律認(rèn)識不清。

本文以沾化凹陷羅69井沙三下亞段為研究對象，在對全取心泥頁巖層段巖心觀察的基礎(chǔ)上，結(jié)合測井資料劃分了三級層序下的體系域，并在層序格架內(nèi)運(yùn)用地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)，開展湖相地層不同體系域有機(jī)質(zhì)來源及沉積環(huán)境分析，進(jìn)而探討了有機(jī)質(zhì)富集規(guī)律，為頁巖油的勘探提供理論指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

沾化凹陷位于濟(jì)陽坳陷東北部，其北接埕東、埕北凸起，南臨陳家莊凸起，西部以義東斷裂與車鎮(zhèn)凹陷相接，東南部以墾東凸起為界[2-3]。沾化凹陷斷裂較發(fā)育，可將其劃分為多個次一級的洼陷、凸起等構(gòu)造單元，是一個“北斷南超”的箕狀盆地[4]。始新世早期，構(gòu)造運(yùn)動相對穩(wěn)定，湖盆持續(xù)下沉，湖盆發(fā)育進(jìn)入鼎盛期，陸源碎屑向湖泊注入，帶來了大量營養(yǎng)物質(zhì)，加上溫暖潮濕氣候的作用，湖中水生生物大量繁盛，為沙四上亞段、沙三下亞段與中亞段及沙一段烴源巖的發(fā)育提供了良好物質(zhì)基礎(chǔ)[5-6]。鉆井資料顯示濟(jì)陽坳陷沙四上亞段、沙三下亞段和沙一段發(fā)育的頁巖層系具有厚度大、有機(jī)質(zhì)類型好、豐度高的特點(diǎn)，頁巖油氣資源潛力較大[7-9]。

2 實(shí)驗(yàn)對象及方法

樣品的分析測試由中國石化無錫石油地質(zhì)研究所和中國石化勝利油田實(shí)驗(yàn)測試中心完成，各項(xiàng)分析測試方法見文獻(xiàn)[10-12]。其中色譜—質(zhì)譜分析方法為冷浸泡萃取，選取新鮮樣品，加入二氯甲烷浸泡并超聲后靜置12 h，取萃取溶液進(jìn)行濃縮后利用Agilent 6890-5795MSD氣相色譜—質(zhì)譜連用儀分析；分析條件為采用30 m長的DB-5MS石英彈性毛細(xì)柱來進(jìn)行化合物的分離，飽和烴組分的色譜升溫程序?yàn)?0 ℃保持2 min，以50 ℃/min的速度升溫至140 ℃，然后以3 ℃/min的速度升溫至300 ℃并保持10 min。色譜分析采用J&W DB-5MS色譜柱，質(zhì)譜儀離子源溫度為230 ℃，電壓為70 eV，設(shè)置為50～800道爾頓的全掃描模式，載氣設(shè)置為1.0 mL/min的恒流模式。

3 層序地層特征

羅69井沙三下亞段是一個三級沉積旋回[13-14]，基于測井曲線、巖性組合特征可以將沙三下亞段分為3個體系域，分別為湖侵體系域(3 040～3 127 m)、早期高位體系域(2 990～3 040 m)和晚期高位體系域(2 930～2 990 m)。

湖侵體系域巖性主要為含泥灰?guī)r，其黏土礦物含量低(4%～32%)，長英類礦物含量低(5%～27%)，碳酸鹽礦物(方解石+白云石)含量高(37%～89%)；測井曲線上表現(xiàn)為低幅齒狀GR。高位體系域以最大湖泛面與湖侵體系域相隔，其中，最大湖泛面在測井上對應(yīng)GR極大值。高位體系域沉積時期，水體相對較深，黏土含量相對較高。高位體系域分為早期高位和晚期高位體系域。早期高位體系域巖性主要為泥質(zhì)灰?guī)r夾含泥灰?guī)r，其黏土礦物含量較高(11%～45%)，長英類礦物含量較高(15%～45%)，碳酸鹽礦物含量為13%～69%；測井曲線上GR高值對應(yīng)泥質(zhì)灰?guī)r，低值對應(yīng)含泥灰?guī)r，電阻率整體較高。晚期高位體系域黏土礦物含量高(11%～48%)，碳酸鹽礦物含量相對較低(12%～66%)，長英類礦物含量(16%～42%)稍高于早期高位體系域，反映了晚期可能有相對較多的陸源碎屑輸入；測井曲線上GR整體較高，而電阻率較低(圖1)。

圖1 渤海灣盆地沾化凹陷羅69井沙三下亞段層序地層柱狀圖

4 地球化學(xué)特征

4.1 巖石熱解參數(shù)

從熱解數(shù)據(jù)來看，羅69井取樣段整體上有機(jī)質(zhì)豐度較高，有機(jī)碳(TOC)含量普遍大于1%，反映有機(jī)質(zhì)較為富集(圖2)。但各個體系域表現(xiàn)不同：湖侵體系域中的TOC含量基本處于1%～2%之間；高位體系域中TOC含量明顯大于2%，其中早期高位體系域樣品的TOC含量平均值為3.8%，晚期高位體系域TOC含量低于早期高位體系域，平均值為3.6%。熱解參數(shù)S1和S2值在湖侵體系域表現(xiàn)為低值，分別為0.03～3.54 mg/g(平均為1.19 mg/g)和1.19～37.93 mg/g(平均為8.71 mg/g)，反映其生烴潛能低，油飽和指數(shù)[S1/w(TOC)]較低，為2.18～188.30 mg/g，平均65.44 mg/g。早期高位體系域S1與油飽和指數(shù)高，分別為1.2～13.12 mg/g(平均3.46 mg/g)和31.29～220.88 mg/g(平均94.57 mg/g)；S2較高(6.75～56.81 mg/g，平均為19.90 mg/g)，生烴潛能最高。晚期高位體系域S1較低(0.24～4.13 mg/g，平均為1.97 mg/g)，S2高(2.35～78.59 mg/g，平均為22.61 mg/g)，生烴潛能較高，油飽和指數(shù)低(28.24～151.84 mg/g，平均為58.44 mg/g)。

圖2 渤海灣盆地沾化凹陷羅69井取心層段TOC與巖石熱解參數(shù)分布特征

4.2 分子地球化學(xué)

4.2.1 正構(gòu)烷烴和類異戊二烯烷烴

羅69井沙三下亞段巖心樣品中正構(gòu)烷烴的分布在不同體系域中存在差異(表1)。其中，湖侵體系域樣品中正構(gòu)烷烴分布呈前峰型，主峰碳為C16-C18，在C20-C30碳數(shù)之間呈偶碳優(yōu)勢，正構(gòu)烷烴輕/重比(∑C21-/C22+)較低；早期高位體系域樣品中正構(gòu)烷烴分布呈前峰雙峰型，前峰主峰碳以C17-C18為主，后峰主峰碳以C25為主，在C20-C30碳數(shù)之間呈偶碳優(yōu)勢，∑C21-/C22+高；晚期高位體系域樣品中正構(gòu)烷烴分布呈后峰型，主峰碳為C23-C25，在C20-C30碳數(shù)之間呈奇碳優(yōu)勢，∑C21-/C22+低。

表1 渤海灣盆地沾化凹陷羅69井沙三下亞段不同體系域的分子地球化學(xué)參數(shù)

在類異戊二烯烴方面，可溶抽提物中Pr/Ph比值在湖侵體系域與早期高位體系域均較低(普遍小于1)，而在晚期高位體系域該數(shù)值較高，普遍大于1。

4.2.2 甾、萜烷類化合物

羅69井沙三下亞段巖心樣品中甾烷類化合物整體表現(xiàn)出相對較高含量的規(guī)則甾烷(圖3)，其中，湖侵體系域中規(guī)則甾烷C27、C28與C29呈“V”型，C29ααα甾烷相對含量稍占優(yōu)勢；早期高位體系域規(guī)則甾烷C27、C28與C29呈“V”型，C27ααα甾烷具有明顯的優(yōu)勢分布；晚期高位體系域規(guī)則甾烷C27、C28與C29呈“L”型，C27ααα甾烷具有明顯的優(yōu)勢分布，同時R構(gòu)型的顯著優(yōu)勢，表明了未熟的特征。

圖3 渤海灣盆地沾化凹陷羅69井沙三下段典型樣品中甾、萜類化合物分布特征

萜類化合物在湖侵體系域中呈現(xiàn)伽馬蠟烷含量高，伽馬蠟烷指數(shù)(Gam/C30H)高(0.03～0.23，平均0.11)，C29/C30H普遍大于1(0.85～1.44，平均為1.15)，升藿烷優(yōu)勢明顯(C35/C34H處于0.73～2.78之間，平均1.46)；早期高位體系域中樣品伽馬蠟烷含量極低，Gam/C30H低(0.01～0.06，平均0.04)，C29/C30H小于1(0.38～0.83，平均為0.51)，升藿烷優(yōu)勢不明顯；晚期高位體系域中伽馬蠟烷含量極低，Gam/C30H低，C29/C30H小于1(0.34～0.68，平均為0.56)，無升藿烷優(yōu)勢(圖3)。

4.3 元素地球化學(xué)分布

為了分析沙三下亞段的元素分布特征，應(yīng)用XRF手持式熒光光譜分析儀對取心段進(jìn)行間隔為4 cm的高密度測試，同時為了便于分析，對這約4 800個測點(diǎn)進(jìn)行抽稀顯示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)(圖4)，湖侵體系域中Ca、S、Sr元素含量最高(平均分別為29.05%，2.39%，0.21%)，Al、Si、Fe元素含量相對較低(平均分別為3.18%，8.80%，1.53%)；早期高位體系域中Ca、Sr元素含量相對降低(平均分別為22.92%和0.11%)，Si、Fe元素含量相對增加(平均分別為11.13%和2.14%)，而S、Al元素含量變化不明顯；而在晚期高位體系域中Ca、S、Sr元素出現(xiàn)低值響應(yīng)，Si、Fe元素含量達(dá)到高值(平均值分別為12.07%和2.43%)。

圖4 渤海灣盆地沾化凹陷羅69井沙三下亞段巖心樣品中無機(jī)元素分布特征

5 有機(jī)質(zhì)沉積環(huán)境及富集規(guī)律

5.1 有機(jī)質(zhì)來源

根據(jù)指示特定環(huán)境生源輸入的規(guī)則甾烷C27-C29的相對比例來看，C27規(guī)則甾烷在早期高位、晚期高位體系域優(yōu)勢分布明顯，而在湖侵體系域則以C29規(guī)則甾烷占優(yōu)勢，表明早期高位體系域與晚期高位體系域有機(jī)質(zhì)生源以低等水生生物和藻類貢獻(xiàn)為主，這一結(jié)果與羅69井沙三下亞段泥頁巖樣品的藻類化石豐度由底向頂逐漸增加的現(xiàn)象一致。據(jù)彭麗等[15]的研究，在沙三下亞段，藻類化石豐度整體上有由下往上增加的趨勢，反映古湖泊生產(chǎn)力逐步增強(qiáng)。湖侵體系域中藻類化石種類較少，僅見光面球藻屬、粒面球藻屬和網(wǎng)面球藻屬，豐度較低；早期高位體系域的藻類化石種類變得豐富起來，可見有渤海藻屬、粒面渤海藻、皺網(wǎng)渤海藻和副渤海藻屬，但藻類化石豐度一般；到了晚期高位體系域，浮游藻類豐度達(dá)到最大，各種藻類開始繁盛起來。

5.2 有機(jī)質(zhì)沉積環(huán)境

生物體死亡后，體內(nèi)的生物化學(xué)物質(zhì)受地質(zhì)環(huán)境的影響而形成分子化石，但仍然保存了有機(jī)質(zhì)來源、沉積和埋藏過程中環(huán)境信息[16]。此外，利用元素含量或元素比值進(jìn)行的沉積環(huán)境識別已取得了良好的效果[17]。因此，本文將利用分子地球化學(xué)與元素地球化學(xué)參數(shù)，來指示沉積地層的古環(huán)境變化(圖5)。

圖5 渤海灣盆地沾化凹陷羅69井沙三下亞段體系域中古水體介質(zhì)參數(shù)分布

5.2.1 古氣候

沉積巖中的礦物成分或元素含量會隨著氣候的變化而發(fā)生變化，一般來說碳酸鹽礦物的出現(xiàn)標(biāo)志著氣候由濕潤向干熱轉(zhuǎn)變，湖水蒸發(fā)作用增強(qiáng)[18-19]，而Fe/Mn比值則受干/濕氣候的影響導(dǎo)致在湖水中的沉淀能力不同，比值高反映的是溫濕氣候，比值低代表干熱氣候[20]。羅69井沙三下亞段泥頁巖取心樣品全巖礦物成分結(jié)果指示，沙三下亞段在湖侵體系域時期，碳酸鹽礦物含量高，而石英、長石等陸源碎屑含量較低，表示此時氣候較為干熱，沉積水體較封閉，湖水的蒸發(fā)作用強(qiáng)；早期高位體系域發(fā)育時期，碳酸鹽礦物含量降低，指示此時氣候逐漸由干旱變得濕潤，石英、長石礦物含量的增加也反映了陸源物質(zhì)輸入的增加，這可能是由于湖平面逐漸升高而帶來的；晚期高位體系域時期碳酸鹽礦物含量持續(xù)降低，陸源碎屑(石英、長石等)含量顯著增加，反映此時的氣候更為濕潤。結(jié)合微量元素Fe/Mn比值從下而上也呈現(xiàn)明顯的增加趨勢(圖5)，總體揭示了從湖侵體系域到晚期高位體系域，沙三下亞段的沉積環(huán)境經(jīng)歷了從干熱—相對濕熱—濕熱的變化。

5.2.2 鹽度

Sr/Ba通常用來指示古水體鹽度及水體氧化還原條件[17]?？傮w來看，羅69井沙三下亞段在湖侵體系域中Sr/Ba比值平均為3.32，指示較高鹽度的水體環(huán)境；早期高位體系域中Sr/Ba比值相對降低(平均為1.83)，反映半咸水環(huán)境；晚期高位體系域中Sr/Ba比值持續(xù)降低(平均為1.50)，指示半咸水環(huán)境。

5.2.3 氧化還原條件

以Ph和Pr為代表的植烷系列類異戊二烯烷烴是光合生物中葉綠素的植醇側(cè)鏈的成巖產(chǎn)物，植醇在還原條件下脫水成植烯，加氫還原形成植烷；在氧化條件下先形成植烷酸，進(jìn)而脫羧基形成姥鮫烷。故姥鮫烷和植烷的分布特征可以反映沉積環(huán)境的氧化還原條件，Pr/Ph<1或Pr/Ph>1分別指示還原和氧化沉積環(huán)境。

羅69井沙三下亞段在湖侵體系域時具偶碳優(yōu)勢，同時Pr/Ph比值小于0.6，指示了還原的環(huán)境，同時較高的伽馬蠟烷指數(shù)(Gam/C30H)反映存在水體分層的現(xiàn)象；早期高位體系域中Pr/Ph比值接近0.6亦指示了還原環(huán)境，但伽馬蠟烷指數(shù)較低，指示水體分層不明顯；晚期高位體系域中Pr/Ph比值大于1，指示弱氧化環(huán)境，低伽馬蠟烷指數(shù)可能指示了水體分層不明顯(圖5)。

5.3 有機(jī)質(zhì)富集規(guī)律

湖盆沉積物中的有機(jī)質(zhì)來源、有機(jī)質(zhì)豐度、礦物成分、微量元素含量隨著構(gòu)造作用、物源供給、古氣候及古湖平面的改變而發(fā)生周期性的變化[17]，造成了不同體系域的有機(jī)質(zhì)富集程度發(fā)生變化。

湖侵體系域發(fā)育于干旱的氣候條件下，水體鹽度高。較高的含鹽度伴隨著水的分層作用和底水氧含量的減少，導(dǎo)致湖侵體系域整體呈缺氧、分層的咸水環(huán)境。盡管這種環(huán)境為有機(jī)質(zhì)的保存提供了優(yōu)質(zhì)的條件，但較為嚴(yán)苛的生存環(huán)境導(dǎo)致生物物種較為單一，藻類等水生生物含量低，造成有機(jī)質(zhì)較為貧乏，有機(jī)碳含量整體較低。

早期高位體系域形成于氣候相對濕潤的環(huán)境，對生物的生存與繁盛十分有利，外源物質(zhì)的輸入為有機(jī)質(zhì)的富集提供了充足的物質(zhì)基礎(chǔ)；較高的湖平面為大套富有機(jī)質(zhì)泥頁巖的發(fā)育提供了充足的可容納空間；沉積水介質(zhì)的半咸水弱還原特征，為沉積有機(jī)質(zhì)的埋藏和保存提供了有利條件。因此，這種發(fā)育條件下形成的有機(jī)質(zhì)母源類型好、豐度高，具備較高的生烴潛力；熱解參數(shù)中較高的油飽和指數(shù)與游離烴含量，也指示其屬于頁巖油勘探的有利層段。

晚期高位體系域發(fā)育在較為開放的環(huán)境中，濕潤的氣候及相對淡化的水體環(huán)境有利于生物的發(fā)育；而陸源碎屑輸入所帶來的營養(yǎng)物質(zhì)也為生物的繁盛提供了良好條件，造成沉積有機(jī)質(zhì)數(shù)量較高，但由于水體介質(zhì)的含氧量相對較高，呈弱氧化環(huán)境，導(dǎo)致大量死亡的有機(jī)質(zhì)不能得到較好的保存，其有機(jī)碳平均含量稍低于早期高位體系域。

6 結(jié)論

(1)渤海灣盆地沾化凹陷沙三下亞段層序可劃分為湖侵、早期高位、晚期高位體系域。其中湖侵體系域泥質(zhì)含量低、碳酸鹽含量高，而高位體系域則相反。

(2)元素地球化學(xué)與分子地球化學(xué)揭示，沾化凹陷沙三下亞段的湖侵體系域發(fā)育于高鹽度、分層且還原的水體中，藻類發(fā)育少；早期高位體系域發(fā)育于還原的半咸水環(huán)境，藻類相對發(fā)育；晚期高位體系域發(fā)育于弱氧化的半咸水環(huán)境，藻類發(fā)育程度高。

(3)生產(chǎn)力和保存條件共同控制了沾化凹陷沙三下亞段有機(jī)質(zhì)的富集，二者缺一不可。湖侵體系域缺乏大量的藻類，而晚期高位體系域缺乏良好的保存條件，對比而言，早期湖侵體系域二者兼具，為有機(jī)質(zhì)富集提供了有利的環(huán)境，也為頁巖油的富集提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。