辽西拗陷凌源地区洪水庄组烃源岩石油地质特征及生烃潜力

2022-05-12宗文明孙求实郜晓勇李永飞孙守亮

地质与资源 2022年2期

宗文明，孙求实，郜晓勇，郑磊，石蕾，李永飞，孙守亮，张涛

1. 中国地质调查局沈阳地质调查中心，辽宁沈阳 110034；2. 油气资源与勘探技术教育部重点实验室/长江大学，湖北武汉 430100

0 前言

近年来，随着一系列前寒武系油气藏的发现［1-3］，前寒武纪地质学与化石能源成为国际地质界研究的热点问题. 中国是全球中—新元古界沉积地层发育最完整的国家之一，20 世纪60 年代，地球元古宙早期生命演化的基础性研究取得重大进展［4］，在石油地质领域发现中—新元古界（1800～541 Ma）古老地层中存在大量未被破坏的油苗、沥青以及富含有机质的烃源岩.这些有机质跨越未成熟—过成熟不同热演化阶段，部分地区依然处在“生油液态窗”范围内，表明中—新元古界完全具备形成与富集规模性油气资源的条件［5-9］.

20 世纪60 年代以来，广大石油地质工作者在燕辽裂陷带中—新元古界开展了大量工作，发现在该带的宣龙、冀北、辽西3 个北部沉积拗陷中，油苗、固体沥青点广泛分布［7-11］. 王铁冠等［7］在该地区发现了距今1300 Ma 的古油藏，并首次论证燕辽裂陷带中—新元古界油苗的原生属性，为该地区中—新元古界油气地质学研究奠定了理论基础. 燕辽裂陷带中元古界蓟县系的高于庄组、洪水庄组、铁岭组以及待建系下马岭组均具有生烃潜力，其中高于庄组黑色泥晶白云岩与洪水庄组黑色页岩具有高有机质丰度，是该地区主要烃源层，特别是洪水庄组烃源岩，有机质丰度可以媲美渤海湾盆地古近系、新近系最佳烃源岩［12］.

洪水庄组在冀北拗陷出露较多，前人研究较为深入［13-17］，而辽西拗陷大部分地区上覆古生界和中生界沉积盖层，对洪水庄组烃源岩层的油气地球化学特征的研究相对薄弱. 本研究以辽西拗陷凌源地区老庄户黄花沟剖面、侯杖子南剖面、孟家窝铺剖面以及中国地质调查局沈阳地质调查中心实施的辽凌地2（LLD2）井的洪水庄组烃源岩为研究对象，开展油气地球化学特征及生烃潜力研究，以期为辽西拗陷凌源地区乃至整个燕辽裂陷带中—新元古界油气勘探部署提供数据支撑，为明确该地区前寒武系未来油气勘探方向提供参考.

1 地质概况

辽西拗陷位于辽宁省西部阜新、朝阳、凌源等市县，地理上属于燕山地区西缘，地质构造上属于燕辽裂陷带西北部的一个中—新元古界沉积拗陷. 该拗陷北以承德－平泉－凌源大断裂与“内蒙地轴”相邻，西以凌源－刀尔登走滑断裂与冀北拗陷连接，东南接山海关隆起，总体上构成燕辽裂陷带“五拗－两隆”的区域构造轮廓（图1）. 燕辽裂陷带5 个沉积拗陷均发育中元古界巨厚沉积，地层划分为“三系十组”，包含长城系（Pt21，1800～1600 Ma）、蓟县系（Pt22，1600～1400 Ma）和待建系下部（Pt23，1400～1327 Ma）. 地层缺失待建系上部（Pt24，1327～1000 Ma）. 新元古界地层沉积厚度较薄，划分为“一系两组”，包含唯一青白口系（Pt31，1000～800 Ma），缺失南华系（Pt32）和震旦系（Pt33）地层沉积（图2）［10-11］.

图1 燕辽裂陷带地质构造单元及研究区位置（据文献［3］修改）Fig. 1 Tectonic units of Yanliao rift zone with location of the study area（Modified from Reference［3］）

图2 研究区中—新元古界地层时代柱状图Fig. 2 The Meso-Neoproterozoic stratigraphic column of the study area

燕辽裂陷带中—新元古界地层的沉降中心位于裂陷带东段冀东－冀北－辽西拗陷一带，沉积厚度巨大.辽西拗陷中—新元古界沉积厚度达7 567 m，以碳酸盐岩为主，含部分碎屑岩沉积，上覆为古生界和中生界［7］. 本研究的目的层洪水庄组下部为灰黑色含硅质页岩与中薄层泥质白云岩互层组成，向上泥质白云岩消失，以灰黑色页岩为主，含黄铁矿结核；上部为含粉砂泥质页状白云岩、含砂白云岩及含锰泥晶白云岩.洪水庄期继雾迷山期大规模海侵之后，基底上升，海水退却，海域面积大幅度缩小，整体上为一套以暗色含石英粉砂伊利石页岩为主的潟湖相沉积. 洪水庄组在辽西拗陷区域上岩性稳定，但厚度变化较大，在老庄户黄花沟剖面厚度最大，达183.63 m，平均厚度131 m.

2 样品与实验

本研究共采集中元古界蓟县系洪水庄组烃源岩样品51 块，分别来自辽西拗陷凌源地区孟家窝铺P1701剖面（7 块）、侯杖子南P1702 剖面烃源岩（3 块）、老庄户黄花沟LP11 剖面（10 块）和辽凌地2 井洪水庄组井深380.8～495.5 m 泥岩段（31 块）（图3）. 剖面及钻孔信息见表1. 样品测试分析在长江大学油气资源与勘探教育部重点实验室完成包括气相色谱－质谱（GCMS）分析测试、岩石热解（Rock-Eval）、镜质体反射率和显微组分分析测试. 其中，GC-MS 分析采用HP6890N/59751I MSD 气相色谱－质谱联用仪；Rock-Eval 分析采用OGE-VI 油气评价工作站；镜质体反射率分析采用Leica MPV-SP 显微光度计；显微组分鉴定采用Axioskop 2 plus 生物显微镜.

表1 取样剖面／钻孔基本信息表Table 1 Basic information of sampled section／borehole

图3 研究区地质简图及样品位置Fig. 3 Geological sketch map of the study area with sampling location1—第四系（Quaternary）；2—白垩系（Cretaceous）；3—侏罗系（Jurassic）；4—三叠系（Triassic）；5—寒武系－奥陶系并层（Cambrian-Ordovician）；6—蓟县系洪水庄组－待建系下马岭组（Jixianian Hongshuizhuang fm.-Xiamaling fm.）；7—蓟县系雾迷山组（Jixianian Wumishan fm.）；8—蓟县系杨庄组（Jixianian Yangzhuang fm.）；9—蓟县系高于庄组（Jixianian Gaoyuzhuang fm.）；10—长城系大红峪组（Changchengian Dahongyu fm.）；11—长城系串岭沟组－团山子组（Changchengian Chuanlinggou fm.-Tuanshanzi fm.）；12—长城系常州沟组（Changchengian Changzhougou fm.）；13—变质表壳岩（metamorphic supracrustal rock）；14—侵入岩（intrusive rock）；15—断层（fault）

3 烃源岩有机地球化学特征及生烃潜力

3.1 有机质丰度

按照华北地区泥岩有机质丰度评价标准对凌源地区中元古界蓟县系洪水庄组烃源岩样品进行评价［18-20］（表2）.

表2 华北地区泥岩有机质丰度评价标准Table 2 Evaluation criteria for organic matter abundance of mudstone in North China

（1）有机碳（TOC）

孟家窝铺P1701 剖面洪水庄组烃源岩样品TOC分布范围在0.59%～2.00%，平均值为1.35%. 其中TOC 在0.5%～1.0%之间的样品有1 件，占14.29%；在1.0%～3.0%之间的样品有6 件，占85.71%.

侯杖子南P1702 剖面洪水庄组烃源岩样品TOC分布范围在0.38%～1.56%，平均值为0.79%. 其中TOC 小于0.5%的样品有2 件，占66.67%；在1.0%～3.0%之间的样品有1 件，占33.33%.

老庄户黄花沟LP11 剖面洪水庄组烃源岩样品TOC 分布范围在0.35%～2.65%，平均值为1.35%. 其中TOC 小于0.5%的样品有2 件，占20.00%；在0.5%～1.0%之间的样品有2 件，占20.00%；在1.0%～3.0%之间的样品有6 件，占60.00%.

辽凌地2 井洪水庄组烃源岩样品TOC 分布范围在0.16%～5.42%，平均值为2.14%. 其中TOC 小于0.5%的样品有2 件，占6.06%；在0.5%～1.0%之间的样品有3 件，占9.09%；在1.0%～3.0%之间的样品有24件，占72.73%；在3.0%～5.0%之间的样品有2 件，占6.06%；TOC 大于5.0%的优质烃源岩有2 件，占6.06%（表3）.

参考华北地区泥岩有机质丰度评价标准，样品TOC 数据结果表明：凌源地区中元古界蓟县系洪水庄组有机质丰度处于较好—好烃源岩.

（2）氯仿沥青“A”

氯仿沥青“A”及相应的族组分也是有机地球化学研究的重要内容. 氯仿沥青为烃源岩中可溶于氯仿的有机物，可分为饱和烃（Ali）、芳烃（Aro）、沥青和非烃4类组分，同时根据各族组分的相对百分比、氯仿沥青“A”含量和样品重量，可以计算总烃含量：总烃＝10×（饱和烃＋芳烃）×氯仿沥青“A”/样品重量. 鉴于受风化影响，野外氯仿沥青“A”和总烃含量较低，且为了取得更有说服力的数据，本研究主要对岩心样品进行氯仿沥青“A”抽提和族组分分离.

孟家窝铺P1701 剖面洪水庄组烃源岩氯仿沥青“A”分布在0.0025%～0.0081%之间，平均为0.0043%，所有样品中氯仿沥青“A”含量均小于0.010%. 侯杖子南P1702 剖面洪水庄组烃源岩仅一件氯仿沥青“A”样品，数值为0.0035%. 老庄户黄花沟LP11 剖面洪水庄组烃源岩氯仿沥青“A”分布在0.0172%～0.0677%之间，平均为0.0333%，所有样品中氯仿沥青“A”含量在0.010%～0.050%之间的样品8 件，占80.00%，大于0.050%的样品2 件，占20.00%.

辽凌地2 井洪水庄组烃源岩氯仿沥青“A”分布在0.0044%～0.2556%之间，平均为0.023%. 所有样品中氯仿沥青“A”含量小于0.010%的样品16 件，占51.61%；在0.010%～0.050%之间的样品13 件，占41.93%；大于0.050%的样品2 件，占6.45%（表3）.

表3 凌源地区洪水庄组烃源岩有机质丰度参数Table 3 Organic matter abundance parameters of the source rocks from Hongshuizhuang Formation in Lingyuan area

整体来看，凌源地区洪水庄组烃源岩中可溶烃含量较低，且不同位置剖面（井）中样品的氯仿沥青“A”含量差异较大：辽凌地2 井和老庄户黄花沟LP11 剖面中烃源岩品质优于P1701 剖面和P1702 剖面.

（3）总烃和生烃潜力

总烃（HC）和生烃潜力（S1＋S2）是评价烃源岩丰度的重要指标. 孟家窝铺P1701 剖面洪水庄组烃源岩总烃分布范围7.24×10－6～27.50×10－6，平均为18.63×10－6；辽凌地2 井洪水庄组烃源岩总烃分布范围16.07×10－6～730.29×10－6，平均为96.35×10－6；老庄户黄花沟LP11 剖面洪水庄组烃源岩总烃分布范围86.44×10－6～423.40×10－6，平均为176.2×10－6；侯杖子南P1702 剖面仅一个样品，总烃值为9.89×10－6. 样品总烃含量整体上较低，为非烃源岩—差烃源岩.

孟家窝铺P1701 剖面洪水庄组烃源岩S1＋S2分布范围为0.02×10－3～0.08×10－3，平均为0.05×10－3，S1＋S2全部小于0.5×10－3. 侯杖子南P1702 剖面洪水庄组烃源岩S1＋S2分布范围0.08×10－3～0.17×10－3，平均为0.14×10－3，S1＋S2全部小于0.5×10－3. 老庄户黄花沟LP11 剖面洪水庄组烃源岩S1＋S2分布范围0.48×10－3～8.37×10－3，平均为2.80×10－3. 其中S1＋S2小于0.5×10－3的样品1 件，占10%；在0.5×10－3～2.5×10－3之间的有5件，占50.00%；在2.5×10－3～6.0×10－3之间的有2 件，占20.00%；在6.0×10－3～20.0×10－3之间的有2 件，占20.00%.

辽凌地2 井洪水庄组烃源岩S1＋S2分布范围0.03×10－3～1.08×10－3，平均为0.04×10－3. 其中S1＋S2小于0.5×10－3的样品17 件，占54.84%；在0.5×10－3～2.5×10－3之间的有14 件，占45.16%（表3）.

参考华北地区泥岩有机质丰度评价标准，凌源地区洪水庄组烃源岩生烃潜量不同剖面（井）的差异较明显. 老庄户黄花沟LP11 剖面洪水庄组页岩生烃潜量处于较好—好烃源岩；辽凌地2 井部分处于较好烃源岩；而另外两条剖面的生烃潜量较差.

凌源地区中元古界蓟县系洪水庄组烃源岩在区域上存在较大差异（图4）. 有机碳受热演化程度影响相对较小，能更准确地反映源岩中有机质丰度高低. 研究区3 条剖面和辽凌地2 井中的洪水庄组烃源岩样品的TOC 数据较好，为较好—好烃源岩. 由于中元古界烃源岩整体热演化程度偏高，源岩中生烃潜量和氯仿沥青“A”含量整体偏低，且不同剖面（井）的样品差异较大. 老庄户黄花沟LP11 剖面和辽凌地2 井的数据较好，多为较好烃源岩；孟家窝铺P1701 剖面和侯杖子南P1702 剖面数据较差，多为非烃源岩或差烃源岩.根据前人研究成果［7-9］，在冀北拗陷的洪水庄组具有较好的生烃潜力，氯仿沥青“A”和生烃潜力的结果与老庄户黄花沟剖面的结果较为接近. 那么，造成孟家窝铺P1701 剖面和侯杖子南P1702 剖面数据结果较差的原因可能是因为两剖面分布在凌源－刀尔登走滑断裂周围，后期的构造破坏可能是导致凌源地区局部洪水庄组烃源岩有机质丰度较差的主要原因，而未受构造运动影响的老庄户黄花沟LP11 剖面则能较为真实地反映凌源地区洪水庄组的有机质丰度.

图4 凌源地区洪水庄组烃源岩有机质丰度分布图Fig. 4 Organic matter abundance distribution for the source rocks of Hongshuizhuang Formation from different strata in Lingyuan area 1—孟家窝铺剖面（Mengjiawopu section）；2—辽凌地2 井（LLD2 well）；3—侯仗子南剖面（Houzhangzinan section）；4—老庄户黄花沟剖面（Laozhuanghu Huanghuagou section）

整体来看，凌源地区中元古界蓟县系洪水庄组有机质丰度各剖面（钻孔）具有差异性，LP11 剖面和辽凌地2 井部分样品处于较好—好烃源岩，P1701 剖面和P1702 剖面烃源岩品质一般.

3.2 有机质类型

烃源岩有机质类型的优劣实质上就是有机质富氢程度的高低，最终表现为生烃潜力的大小，所以划分烃源岩有机质类型的目的是为了评价烃源岩的生烃品质. 本研究利用干酪根碳同位素、干酪根显微组分方法综合评价洪水庄组烃源岩有机质类型.

（1）干酪根碳同位素

碳同位素是一种间接确定有机质类型的手段，干酪根碳同位素组成能反映有机质的生源组成，腐泥型干酪根相对富集轻碳同位素12C，腐殖型干酪根相对富集重碳同位素13C［18-19］.

从干酪根碳同位素值分布特征来看（图5），中元古界干酪根样品碳同位素偏轻，基本都小于－27‰，具有明显的偏腐泥型有机质的特征，这与其当时生物处于初级发育阶段有关.

图5 凌源地区洪水庄组烃源岩干酪根碳同位素值划分类型图Fig. 5 δ13C distribution for the source rock kerogens of Hongshuizhuang Formation from different strata in Lingyuan area1—孟家窝铺剖面（Mengjiawopu section）；2—辽凌地2 井（LLD2 well）；3—侯仗子南剖面（Houzhangzinan section）；4—老庄户黄花沟剖面（Laozhuanghu Huanghuagou section）

（2）干酪根显微组分

根据干酪根显微组分有机质类型指数Ti判定结果显示（图6），凌源地区中元古界洪水庄组烃源岩干酪根类型指数均大于40，表明该组有机质类型主要为Ⅱ1型，少部分为Ⅰ型.

图6 凌源地区洪水庄组烃源岩干酪根类型指数分布直方图Fig. 6 Distribution histogram for the source rock kerogen type indexes of Hongshuizhuang Formation from different strata in Lingyuan area1—孟家窝铺剖面（Mengjiawopu section）；2—辽凌地2 井（LLD2 well）；3—侯仗子南剖面（Houzhangzinan section）；4—老庄户黄花沟剖面（Laozhuanghu Huanghuagou section）

综合上述研究结果，凌源地区洪水庄组烃源岩样品有机质类型偏腐泥型，主要为Ⅱ1型，少部分为Ⅰ型，为低等水生藻类及细菌贡献，具有较好的生烃物质基础.

3.3 有机质成熟度

有机质成熟度是指有机质向石油和天然气转化的热演化程度. 本文主要根据镜质体反射率（Ro）、热解峰温（Tmax）、饱和烃以及芳烃成熟度参数来判识有机质成熟度. 由于前寒武纪海相烃源岩普遍缺乏镜质体，文中讨论的镜质体反射率多为等效镜质体反射率，其成熟度研究没有陆相烃源岩可靠性高，尚未有国际统一的成熟度指标，故本研究采用陆相烃源岩成熟度标准（SY/T 5735—1995）进行评价（表4）.

表4 陆相烃源岩成熟阶段划分标准Table 4 Classification standards for mature stages of continental source rocks

（1）镜质组反射率

镜质组反射率是确定烃源岩有机质向烃类转化程度（热成熟度）的一项关键指标. 本研究对凌源地区洪水庄组均值镜质体进行反射率测定，由于泥盆纪以前的中—新元古界不存在镜质组显微组分，无法应用镜质组反射率来标定有机质的热演化程度，因此测试了其腐泥体的反射率，并根据腐泥体反射率（Rd）与其等效镜质体反射率（R′o）换算公式：R′o＝1.084＋0.551Rd进行镜质体反射率推算［20］.

对孟家窝铺P1701 剖面7 块和辽凌地2 井的31块洪水庄组烃源岩样品进行分析研究，结果如下：P1701 剖面7 块样品等效镜质体反射率值主要分布在1.15%～1.35%之间，平均值为1.27%，为成熟—高成熟特征；辽凌地2 井31 块样品等效镜质体反射率值主要分布在2.08%～2.26%之间，平均值为2.19%，为高—过成熟特征（图7）.

图7 凌源地区洪水庄组烃源岩Ro 值分布图Fig. 7 Ro distribution for the source rocks of Hongshuizhuang Formation from different strata in Lingyuan area1—孟家窝铺剖面（Mengjiawopu section）；2—辽凌地2 井（LLD2 well）

（2）生物标记化合物成熟度指标

甾萜等许多生物标志化合物都具有特征性的生物构型，在热应力的作用下，稳定性较低的生物构型要向稳定性较高的地质构型转化，其转化程度与热应力及受热时间有关. 因此可以根据这些构型参数发生变化来研究烃源岩成熟度特征.

图8 是甾烷异构化成熟度参数C2920S/（20S＋20R）和C29ββ/（αα＋ββ）相关关系图. 中元古界烃源岩中甾烷C29－αββ/（αββ＋ααα）和C29－ααα20S/（20S＋20R）基本大于0.4，表明两者比值均已达到热演化的平衡点附近，烃源岩基本处于成熟阶段.

图8 凌源地区洪水庄组烃源岩甾烷成熟度参数分布图Fig. 8 Distribution of sterane maturity parameters for the source rocks of Hongshuizhuang Formation from different strata in Lingyuan area1—孟家窝铺剖面（Mengjiawopu section）；2—辽凌地2 井（LLD2 well）；3—老庄户黄花沟剖面（Laozhuanghu Huanghuagou section）

综合测试样品的镜质组反射率和生物标记化合物成熟度指标，认为凌源地区洪水庄组烃源岩基本处于成熟阶段.

4 油气保存条件与成藏潜力

4.1 储层条件

通过对辽西拗陷洪水庄组烃源岩及其接触地层的油气基础地质调查研究，确认研究区中元古界有碳酸盐岩和碎屑岩两套储层［21-23］.

（1）碳酸盐岩储层

辽西拗陷中元古界雾迷山组和铁岭组可作为研究区的碳酸盐岩储层. 雾迷山组是下伏于洪水庄组的一套富镁碳酸盐岩，夹少量碎屑岩和黏土岩地层. 该组厚度巨大（最厚处达5 457.2 m），区域上岩性稳定，叠层石、硅质岩发育，且野外露头见油苗［24］. 该套储层原生孔隙发育，后期虽部分被充填，但仍然具有一定的粒间、晶间孔隙，且次生溶蚀孔洞发育. 该组孔隙度最大达4.7%，平均为1.82%，渗透率最大为8.04×10－3μm2，属于特低孔低渗碳酸盐岩储层. 雾迷山组顶部溶蚀现象明显，是优质的储集层. 铁岭组是上覆洪水庄组的一套含锰白云岩、叠层石灰岩和白云质灰岩，总厚度350 m，孔隙度0.1%～3.2%，渗透率最大0.202×10－3μm2，属于特低孔低渗碳酸盐岩储层.

值得注意的是，碳酸盐岩在构造应力作用下极易产生网状的构造裂缝，而辽西拗陷由于受后期燕山期构造事件影响，后期改造明显，因此雾迷山组和铁岭组都发育大量裂缝和溶孔. 虽然这些孔隙后期被部分充填，但依然大大增加了渗透率，可为油气的储集提供空间. 马满兴等［23］在研究区相邻的冰沟地区铁岭组的灰岩裂缝中见有黑色液态沥青渗出，表明辽西拗陷的碳酸盐岩可作为储层.

（2）碎屑岩储层

辽西拗陷待建系下马岭组和青白口系龙山组可作为碎屑岩储层. 下马岭组主要岩性为灰绿色中—粗粒砂岩，龙山组主要由一套含海绿石石英砂岩组成. 下马岭组储层以中—粗粒石英砂岩为主，孔隙度15%～25%，储集空间以原生孔隙和粒间孔隙为主；而龙山组砂岩中颗粒部分发生蚀变，孔隙度扩大，孔隙类型主要为残余粒间孔和溶蚀孔. 在凌源地区龙潭沟下马岭组底部发现了洪水庄组生油、下马岭组储油的沥青砂岩古油藏，该发现证明了辽西拗陷碎屑岩储层具有良好的储油能力［7］.

4.2 生储盖组合

迄今为止，在燕辽裂陷带北部冀北、辽西拗陷等进行野外地质油气地质调查过程中，发现了数量多达201 处的油苗、沥青、沥青砂岩等油气显示，其中主要分布于铁岭组和雾迷山组的碳酸盐岩以及下马岭组的底砂岩中［24］. 通过在研究区开展油气基础地质调查，结合前人的相关研究成果［19-22，25-26］，考虑到上覆雾迷山组的洪水庄组泥页岩、上覆铁岭组的下马岭组页岩都可作为良好的盖层，综合研究揭示辽西拗陷凌源地区以洪水庄组为生油层，可构成2 套完整的生储盖组合，且处于有利储集相带.

（1）上生下储：以洪水庄组泥页岩生油、雾迷山组碳酸盐岩储油、洪水庄组泥页岩作为盖层的洪水庄组－雾迷山组生储盖组合.

（2）下生上储：以洪水庄组泥页岩生油、铁岭组和下马岭组底部砂岩为储层、下马岭组页岩为盖层的洪水庄组－下马岭组生储盖组合.