徐祖新，姜文亚，张义杰，赵 萌，王居峰

(1.中国石油勘探开发研究院 地质所，北京 100083；2.中国石油大港油田分公司 勘探开发研究院，天津 300280；3.中国石油勘探开发研究院 塔里木分院，北京 100083；4.西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500 )



渤海湾盆地沧东凹陷孔二段优质烃源岩成烃环境

徐祖新1，姜文亚2，张义杰3，赵 萌4，王居峰1

(1.中国石油勘探开发研究院 地质所，北京 100083；2.中国石油大港油田分公司 勘探开发研究院，天津 300280；3.中国石油勘探开发研究院 塔里木分院，北京 100083；4.西南石油大学 地球科学与技术学院，四川 成都 610500 )

以沧东凹陷孔二段为例，利用地球化学、微量元素和古生物鉴别等方法，分析烃源岩的分布和地球化学特征，研究烃源岩的成烃环境，建立孔二段湖盆烃源岩发育模式，确定烃源岩与常规油和致密油分布的关系.结果表明，研究区烃源岩厚度为50～450 m，暗色泥岩平均TOC质量分数为3.07%，Ro为0.5%～1.1%，有机质类型以Ⅰ-Ⅱ1型为主，优质烃源岩分布面积大；湖盆性质、古气候、古生产力和保存条件控制烃源岩的发育，孔二段沉积时期湖盆宽/深大，气候温暖湿润，水体为淡水—半咸水，上、下水体交换相对频繁，优质烃源岩主要分布于湖盆中心；湖盆中心以致密油勘探为主，湖盆边缘以常规油勘探为主.成烃环境的研究及烃源岩发育模式的建立对研究区常规油和致密油的勘探具有指导意义.

沧东凹陷； 孔二段； 优质烃源岩； 成烃环境； 发育模式

0 引言

烃源岩是形成大中型油气田的物质基础，其非均质性是产生油气平面分布的富集和贫化现象的核心因素.湖相烃源岩作为中国东部含油气盆地的主要油气来源，对其成因机理和空间分布特征的研究有重要意义.近年来，伴随着国内外现代湖泊研究技术和条件的日趋成熟，湖相烃源岩成烃环境研究逐渐受到重视[1-12].

渤海湾盆地发育多个富油气凹陷，其中优质烃源岩(平均TOC质量分数>2%)对油气成藏起重要作用，研究优质烃源岩的成烃环境，有助于认识油气分布规律，发现新的优质烃源岩发育地区和层系，扩大油气勘探范围.人们研究沧东凹陷孔二段烃源岩特征[13]，如刘子藏认为孔二段烃源岩是研究区主力烃源岩层[14]；高锡兴认为孔二段烃源岩有机质丰度高，有机质类型好，热成熟度适中，为一套优质烃源岩[15].人们对该套优质烃源岩的成烃环境缺少研究，制约对烃源岩空间展布特征的精细研究.近年来，随着对研究区孔二段致密油勘探的逐步深入，优质烃源岩的形成机理及其空间分布特征的研究日益重要.优质烃烃源岩发育环境、烃源岩分布范围，以及优质烃源岩与常规油和致密油的分布关系，是勘探选区亟需解决的问题.笔者分析研究区孔二段淡水—半咸水湖盆烃源岩的分布和地球化学特征，探讨优质烃源岩的成烃环境，建立淡水—半咸水湖盆烃源岩发育模式，归纳优质烃源岩与常规油和致密油分布的关系.

1 地质概况

沧东凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷南部，孔店凸起以南，沧县隆起以东，徐黑凸起以西，呈北东—南西向展布，勘探面积为1 500 km2.沧东凹陷构造单元可以划分为2个构造带及3个斜坡：孔店构造带、舍女寺断鼻带及孔东斜坡、孔西斜坡、南皮斜坡(见图1).

沧东凹陷构造演化大致经历初始断陷期、扩张深陷期、断陷活动稳定期、断陷活动衰减期和坳陷期[15]等阶段.自下而上发育的新生代地层为孔店组、沙河街组、东营组、馆陶组、明化镇组和第四系地层.孔店组地层自下而上划分为孔三段、孔二段及孔一段，总厚度超过2 km，与下伏中生界呈角度不整合.其中孔二段为深灰、黑灰色泥页岩夹浅灰色粉细砂岩韵律层，局部夹基性侵入岩，厚度约为400 m，是研究区主力烃源岩.

图1 沧东凹陷构造位置Fig.1 Structural position of Cangdong sag

2 烃源岩特征

2.1 分布特征

孔二段地层主要发育一套黑色、深灰色富含有机质的泥岩、灰褐色油页岩和泥灰岩.烃源岩岩性主要为暗色泥岩和盐岩2种类型，总厚度为50～450 m，平面上由中心向四周呈环带状逐渐变薄(见图2).

暗色泥岩厚度一般为50～250 m，面积约为740 km2；最大沉积厚度分布于南皮凹陷的王官屯北部及小集断裂构造带，沧东凹陷厚度相对较小，页岩厚度一般为50～200 m，面积约为375 km2；最大沉积厚度分布于风化店地区，南部厚度相对稍小，最大厚度分布于小集—叶三拨地区.

2.2 地球化学特征

有机质丰度是油气生成的物质基础.孔二段烃源岩有机质丰度高，最高质量分数等值线值为5.0%，分布于风化店—王官屯—段六拨地区，并以此为中心呈条环带状向四周逐渐变小(见图3).根据烃源岩评价标准，暗色泥岩和页岩属于好—很好烃源岩，有利于生成大量油气(见表1).

图2 沧东凹陷孔二段烃源岩厚度Fig.2 Thickness of Ek2 source rocks in Cangdong sag

图3 沧东凹陷孔二段烃源岩w(TOC)和Ro叠合Fig.3 w(TOC) and Ro of Ek2 source rocks in Cangdong sag

表1 沧东凹陷有机质丰度Table 1 Organic matter abundance of Cangdong sag

图4 沧东凹陷孔二段烃源岩有机质类型Fig.4 Organic matter type of Ek2 source rocks in Cangdong sag

孔二段烃源岩的生烃门限深度在2 600 m左右，Ro为0.5%～1.1%(见图3).在沧东凹陷沉积中心和南皮小集—乌马营地区，地层埋深较大，已经进入生油高峰期；在沉积边缘地带及舍女寺—孔店低凸起区，地层埋深相对较小，主要处于低成熟阶段.由孔二段烃源岩氢指数(HI)和热解峰温(Tmax)关系图(见图4)可以看出，数据点大部分集中于Ⅰ和Ⅱ1型区域，部分数据点处于Ⅱ2型区域，判定孔二段有机质类型主要为Ⅰ—Ⅱ1型.

孔二段烃源岩主要分布于孔店以南至乌马营地区，厚度大于50 m的区域达到740 km2.暗色泥岩和页岩有机质丰度高(好—很好烃源岩)，类型好(Ⅰ—Ⅱ1型)，门限深度为2 600 m[13]，总体处于低成熟—成熟阶段，为一套优质烃源岩.

3 成烃环境影响因素

构造运动控制盆地的古地貌特征，决定湖盆的形成和演化，不同湖盆演化阶段烃源岩发育特征不同.研究区孔二段烃源岩成烃环境与湖盆性质、古气候条件、古生产力和保存条件有关[16-20].

3.1 湖盆性质

沧东凹陷在孔二段时期为坳陷型湖盆沉积，沧东断层和徐西断层两条边界断裂对盆地沉积不起控制作用[14-15].孔二段时期物源区主要为东部的徐黑凸起和西部的沧县隆起[21]，在湖盆边缘为砂岩等粗粒沉积，在湖盆中心主要为泥岩和页岩等细粒沉积.此外，由于该时期沉积速率较高，在湖盆中心沉积厚度较大的暗色泥岩和页岩.

微量元素分析结果表明，w(Sr)/w(Ba)小于1，判断孔二段时期湖盆水体性质为淡水—半咸水环境(见图5(a))，表明湖盆大气降水(包括河流注入)作用大于水体蒸发作用，有利于有机质的形成.在沉积水体中w(B)随盐度的增加而增加，在淡水环境水体中w(Ga)比咸水环境水体的高，w(B)/w(Ga)也可以作为盐度指标的基础，进一步区分海相和陆相沉积[16]；孔二段w(B)/w(Ga)小于6，表明该层为陆相沉积(见图5(b)).

沧东凹陷在孔二段沉积时期为淡水—半咸水坳陷型湖盆，徐黑凸起和沧县隆起向湖盆输入大量有机质，且沉降速率相对较高，有利于优质烃源岩的发育，在湖盆中心沉积泥岩和页岩等细粒沉积物，为致密油勘探有利区.

3.2 古气候条件

古生物资料分析表明，孔三段、孔二段和孔一段沉积时期发现植物化石，但是只有孔二段时期发育生物化石(见图6).孔二段孢粉组合为刺鹰粉属—杉粉属—三角孢粉属亚组合，古气候为温暖湿润的亚热带气候，孔三段和孔一段为半干旱—干旱气候.

图5 沧东凹陷孔二段微量元素关系Fig.5 Trace element of Ek2 source rocks in Cangdong sag

图6 沧东凹陷孔店组古生物发育特征Fig.6 Paleontological development of Kongdian formation in Cangdong sag

孔二段介形类主要为五图真星介、潍县湖花介、沼泽拟星介和真星介等属种.真星介动物群是世界上广泛分布的属，广泛分布在淡水—半咸水湖泊中，多见于滨浅湖沉积.湖花介主要生活于淡水环境，多见于浅湖相沉积.拟星介主要生活于沼泽化的淡水湖泊.此外，在孔二段发现不少鱼类化石，表明湖泊水体较深，是深湖相的代表生物.

孔二段时期湖泊水体较深，主要为滨浅湖—半深湖—深湖相，古气候类型是潮湿气候，雨量充沛，易于形成较高的初始成产力，同时有利于有机质的聚集和保存.

3.3 古生产力

在海相和陆相地层中发现优质烃源岩的形成与浮游藻类具有密切关系.沉积地层中的藻类化石往往被作为高生产力和湖盆水体发育的标志.根据薄片鉴定结果，在孔二段地层中发现大量藻类(见图7)，表明孔二段烃源岩沉积时期具有较高的古生产力.

微量元素如C、N、O、Si、P、Ba等也常用来反映古生产力.w(Ba)与w(TOC)具有明显的相关关系，并且Ba聚集后可以长期稳定保存，因此Ba元素也能够反映湖泊古生产力的高低.由图5(a)可以看出，孔二段烃源岩w(Ba)相对较高，为0.04%～0.10%，具有较高的古生产力.

3.4 保存条件

有机质的聚集和保存条件是形成优质烃源岩的重要因素.只有在相对还原环境中,沉积有机质才能被保存下来.w(Pr)/w(Ph)(老鲛烷/植烷质量分数比)常用于指示氧化还原环境，低w(Pr)/w(Ph)反映还原环境.孔二段烃源岩w(Pr)/w(Ph)主要为0.3～1.0，对比判别标准，反映该套烃源岩沉积时期为还原环境，对有机质的保存极为有利(见图8).

图7 沧东凹陷孔二段藻类发育特征Fig.7 Algae growth of Ek2 source rocks in Cangdong sag

图8 沧东凹陷孔二段w(Pr)/w(Ph)关系Fig.8 w(Pr)/w(Ph) of Ek2 source rocks in Cangdong sag

孔二段沉积时期为坳陷型湖盆，沉积速率较大，水体性质为淡水—半咸水，有利于有机质的保存；对于孔二段烃源岩，古生产力和保存条件为最重要因素，对优质烃源岩的分布起到决定性作用.因此，根据孔二段烃源岩的藻类质量分数和w(Pr)/w(Ph)，并结合烃源岩厚度(见图2)和有机质丰度及有机质成熟度(见图3)，预测孔二段烃源岩的有利区.当孔二段烃源岩w(藻类)>5%，w(Pr)/w(Ph)>0.8时，两者的叠合区域与烃源岩厚度及w(TOC)大值区域吻合较好.沧东凹陷孔二段优质烃源岩分布见图9.由图9可以看出，沧东凹陷孔二段优质烃源岩发育主要位于湖盆中心西缘，为致密油气勘探的有利区带.

图9 沧东凹陷孔二段优质烃源岩分布Fig.9 High quality source rocks of Ek2 in Cangdong sag

4 烃源岩发育模式

湖相烃源岩主要受控于有机质产率和保存的外部条件(气候、构造演化等)和内部环境(湖泊水体介质变化、生产力、保存条件)的平衡.

孔二段沉积时期湖泊宽/深大，湖水的交换能力和交换频率较强，随着气候转为暖湿，水和沉积物的供给增多，随着大量淡水注入，水体盐度降低，出现温度分层，湖盆表现出缺氧的还原环境，有利于有机质保存.同时，大量湖水的注入带来丰富的营养盐类和大量高等植物碎屑，湖泊的生产力水平相对较高，发育大量的藻类，使孔二段w(Ba)相对较高，相对较高生产力在孔二段优质烃源岩的形成中起到关键作用(见图10).在该模式中，由于湖平面不断升高，湖泊以退积式充填为主，湖泊水域面积扩大，横向上沉积相带分布相对稳定，在湖盆边缘发育辨状河三角洲相，沉积物粒度较粗；在湖盆中心为半深湖—深湖相沉积，细粒沉积物发育.因此，湖盆中心以致密油勘探为主，在湖盆边缘以常规油勘探为主，整个沧东凹陷具有“满凹含油”的特征.

图10 沧东凹陷孔二段烃源岩发育模式Fig.10 Sedimentary models of Ek2 source rocks in Cangdong sag

5 结论

(1)渤海湾盆地沧东凹陷孔二段烃源岩属于好—很好烃源岩，烃源岩厚度为50～450 m，平均TOC质量分数为3.07%，Ro为0.5%～1.1%，有机质类型以Ⅰ—Ⅱ1型为主，优质烃源岩分布面积大.

(2)孔二段优质烃源岩的形成主要受湖盆性质、古气候、古生产力和保存条件因素控制，沧东凹陷优质烃源岩主要分布于湖盆中心西缘.孔二段沉积时期湖盆宽/深大，水体性质为淡水—半咸水，气候温暖湿润，上、下水体交换相对频繁，有利于优质烃源岩发育.

(3)沧东凹陷湖盆中心以致密油勘探为主，在湖盆边缘以常规油勘探为主，具有“满凹含油”的特征.

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2015-03-20；编辑：张兆虹

国家科技重大专项(2011ZX05006-005)

徐祖新(1988-)，男，博士研究生，主要从事油气成藏方面的研究.

TE122.1

A

2095-4107(2015)04-0071-08

DOI 10.3969/j.issn.2095-4107.2015.04.009