2024, Vol. 36
2. 中国石油大学（北京）油气资源与探测国家 重点实验室，北京 102249;
3. 中国石油长庆油田公司 第七采油厂，西安 710018;
4. 中国石油辽河油田 公司 勘探开发研究院，辽宁 盘锦 124010;
5. 中国石油长庆油田公司 第八采油厂，陕西 榆林，718600;
6. 中国石油玉门油田公司 勘探开发研究院，甘肃 酒泉，735000
2. State Key Laboratory of Petroleum Resources and Prospecting, China University of Petroleum(Beijing), Beijing 102249, China;
3. No. 7 Oil Production Plant, PetroChina Changqing Oilfield Company, Xi'an 710018, China;
4. Research Institute of Exploration and Development, PetroChina Liaohe Oilfield Company, Panjin 124010, Liaoning, China;
5. No. 8 Oil Production Plant, PetroChina Changqing Oilfield Company, Yulin 718600, Shaanxi, China;
6. Research Institute of Exploration and Development, Petro China Yumen Oilfield Company, Jiuquan 735000, Gansu, China
清水洼陷是渤海湾盆地辽河坳陷西部凹陷最大的生烃洼陷，成藏条件优越[1-3]。研究人员对该区烃源岩进行过诸多研究，认为沙三段和沙四段是该区古近系的主力烃源岩层。谢武仁等[4]、刘立峰等[5]、李琳等[6]根据总有机碳（TOC）含量和生烃潜力等的分析认为沙三段为好烃源岩，沙四段为较好烃源岩。一些学者[6-7]通过对显微组分、干酪根碳同位素和生物标志化合物等的分析，认为沙三段有机质类型以Ⅱ1—Ⅱ2型为主，也有学者[7-9]认为沙四段有机质类型仍为腐泥型和腐殖型。在有机质热演化方面，研究人员[6-8]结合镜质体反射率（Ro）和奇偶优势（OPE）值判断西部凹陷深层烃源岩处于中—高成熟演化阶段，以生油为主，生气为辅[4]。刘立峰等[5]的研究表明，清水洼陷烃源岩主要发生过2期排烃作用，分别为东营组沉积期和明化镇组沉积期。大多学者[8-10]认为目前发现的油藏主要来自沙三段和沙四段烃源岩，但也有学者[7]认为浅层油气主要来自沙一段烃源岩。
近年来，在清水洼陷深层陆续发现了油气显示，尤其是在该区SX1井发现了高成熟的腐殖型天然气[8]。前期对于该区烃源岩的研究仅局限于盆地尺度下的宏观评价，并未对各个小层的有机质特征进行描述，深层主力烃源岩的分布和地球化学特征还需进一步认识，此外，沙四段烃源岩的有机质类型还需进一步确定。通过对清水洼陷深层烃源岩有机碳、岩石热解、氯仿沥青“A”和饱和烃色谱-质谱进行分析，综合评价该区古近系沙河街组深层烃源岩的有机质丰度、类型、成熟度及沉积环境，明确深层主力烃源岩的分布，并结合油气充注特征，对油气成藏模式进行总结，以期为辽河油田下一步深层油气勘探提供一定的理论依据。
1 地质概况清水洼陷位于渤海湾盆地辽河坳陷的西部凹陷南部（图 1a），面积超300 km2，是西部凹陷内最大的生烃洼陷。洼陷内烃源岩主要发育在沙河街组沙四段（E2s4）、沙三段（E2s3）、沙一段（E2s1）及东营组（E3d）等4套地层中，其中E2s4和E2s3为主力烃源岩层（图 1b）。目前已发现的石油和天然气主要分布在E3d，E2s1，E2s2和E2s3中[11-12]。西部凹陷新生代主要经历了4次构造演化[13-15]：①E2s4沉积时期，西部凹陷进入初陷期[16]，开始稳定下沉，沉积相主要表现为浅湖—深湖—浅湖，以暗色泥岩和砂岩互层沉积为主[17]；②E2s3沉积时期，西部凹陷进入深陷期，开始快速下沉[14]，清水洼陷是该时期面积最广、深度最大的沉积洼陷，主要发育深湖—半深湖相沉积，以暗色泥岩沉积为主，同时研究区碎屑物质沿断裂带进入深水湖盆，形成湖底扇沉积体系[18]；③E2s2—E2s1沉积时期，西部凹陷进入衰减期，断裂活动减弱，以滨浅湖沉积为主，并在西侧发育扇三角洲沉积，至E2s1沉积时期，由于水体扩张，湖盆面积变大，扇三角洲规模缩小[19-20]；④E2d沉积时期，西部凹陷进入再陷期，受郯庐断裂带影响，西部凹陷的构造作用由拉张作用转变为走滑作用[15]，发育以河流相为主的沉积，部分地区发育湖泊和沼泽相，沉积了厚度大于1 km的砂泥岩组合[21-22]。清水洼陷E2s3和E2s4烃源岩厚度大，分布面积广，具有良好的成藏条件及勘探潜力。
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下载原图 图 1 辽河坳陷清水洼陷构造位置（a）及岩性地层综合柱状图（b） Fig. 1 Structural location(a)and stratigraphic column(b)of Qingshui subsag, Liaohe Depression |
清水洼陷沙河街组深层烃源岩主要发育在E2s3和E2s4。由表 1可看出，E2s4暗色泥岩厚度为14~327 m，平均为110 m，泥岩厚度与地层厚度的比值平均为57%；沙三段三亚段（E2s33）暗色泥岩厚度为13~250 m，平均为109 m，泥岩厚度与地层厚度的比值平均为65%；沙三段二亚段Ⅱ小层[E2s32（Ⅱ）] 暗色泥岩厚度为28~439 m，平均为177 m，泥岩厚度与地层厚度的比值平均为67%；沙三段二亚段Ⅰ小层[E2s32（Ⅰ）]暗色泥岩厚度为61~395 m，平均为197 m，泥岩厚度与地层厚度的比值为67%。
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下载CSV 表 1 辽河坳陷清水洼陷古近系沙河街组深层暗色泥岩厚度统计 Table 1 Statistics of deep dark mudstone thickness of Paleogene Shahejie Formation in Qingshui subsag, Liaohe Depression |
E2s32（Ⅱ）和E2s32（Ⅰ）的TOC平均值较高，分别为1.77% 和1.61%，而E2s33亚段和E2s4段TOC平均值较低，分别为1.48% 和1.28%。E2s32（Ⅱ）和E2s32（Ⅰ）的氯仿沥青“A”质量分数较高，平均值分别为0.15% 和0.14%，单项指标评价为好烃源岩，E2s33亚段和E2s4段氯仿沥青“A”质量分数平均值分别为0.07% 和0.20%，单项指标评价为中等—好烃源岩。E2s32（Ⅱ）和E2s32（Ⅰ）生烃潜量（S1+S2）较高，平均值分别为3.14% 和3.38%，单项指标评价为中等烃源岩；E2s33亚段和E2s4段S1+S2相对较低，平均值分别为1.87% 和1.99%，单项指标评价为差烃源岩（表 2）。
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下载CSV 表 2 辽河坳陷清水洼陷古近系沙河街组深层烃源岩有机质丰度统计 Table 2 Statistics of organic matter abundance of deep source rocks of Paleogene Shahejie Formation in Qingshui subsag, Liaohe Depression |
清水洼陷沙河街组深层烃源岩TOC主要为1%~2%（图 2a），单项指标均达到好烃源岩级别。研究区深层烃源岩S1+S2小于6 mg/g（图 2b），单项指标均评价为中等—差烃源岩，与TOC相比，研究区深层烃源岩S1+S2偏低，随深度增加，生烃潜力指数[（S1+S2）/TOC]的值先增大后减小（图 2c）。以往研究[23-25]表明，清水凹陷烃源岩热演化程度高，发生排烃作用会导致S1与S2含量偏低，S1+S2减小。研究区E2s33亚段和E2s4段烃源岩埋藏深度较大，达到成熟—高成熟演化阶段，因此可以推断，研究区深层烃源岩以好烃源岩为主，且烃源岩已发生排烃作用。
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下载原图 图 2 辽河坳陷清水洼陷古近系沙河街组深层烃源岩地球化学参数 Fig. 2 Geochemical parameters of deep source rocks of Paleogene Shahejie Formation in Qingshui subsag, Liaohe Depression |
烃源岩的生烃特征本质上是由显微组分的组成特征决定的。不同的显微组分其生烃特征不同[26]。E2s32（Ⅰ）有机质显微组分以腐泥组和壳质组为主，二者体积分数平均值分别为50.3% 和28.0%（表 3），其中腐泥组以各种藻类体为主（图 3a，3b）；E2s32（Ⅱ）中孢子体和镜质体数量增多（图 3c，3d），腐泥组和壳质组体积分数平均值分别为35.0% 和36.5%；E2s33有机质显微组分以腐泥组为主，体积分数平均值为58.6%，部分样品含有壳质组（图 3e）；E2s4段有机质显微组分以镜质组和腐泥组为主（（图 3f），二者体积分数平均值分别为37.2% 和36.9%。总体来看，研究区深层烃源岩样品中惰质组含量较低，以腐泥组、镜质组和壳质组为主，表明深层烃源岩有机质类型主要为Ⅱ—Ⅲ型。
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下载CSV 表 3 辽河坳陷清水洼陷古近系沙河街组深层烃源岩有机质显微组分 Table 3 Organic matter macerals of deep source rocks of Paleogene Shahejie Formation in Qingshui subsag, Liaohe Depression |
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下载原图 图 3 辽河坳陷清水洼陷古近系沙河街组深层烃源岩有机质显微照片 （a）荧光下腐泥组的藻类体显微照片，SX1井，4 191.9 m，E2s32（Ⅰ）；（b）荧光下层状藻类体显微照片，SS3井，3 296.0 m，E2s32（Ⅰ）；（c）单偏光下镜质体显微照片，SX1井，4 603.2 m，E2s32（Ⅱ）；（d）荧光下孢子体显微照片，SS3井，4 173.6 m，E2s32（Ⅱ）；（e）单偏光下富含孢子体显微照片，SS3井，4 866.6 m，E2s33；（f）单偏光下镜质体显微照片，SX1井，5 004.0 m，E2s4。 Fig. 3 Organic matter micrograph of Paleogene Shahejie Formation in Qingshui subsag, Liaohe Depression |
有机元素组成可用来评价有机质的类型，目前普遍采用O/C与H/C的关系图来进行评价[26]。通过绘制研究区烃源岩干酪根的O/C与H/C关系图（图 4）可以看到，清水洼陷深层烃源岩H/C的值为0.48~1.70，O/C的值为0.05~0.25，平均值分别为1.13和0.15。由此可见，研究区烃源岩干酪根的O/C和H/C分布范围广，但总体为Ⅱ—Ⅲ的过渡型有机质类型。
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下载原图 图 4 辽河坳陷清水洼陷古近系沙河街组深层干酪根H/C与O/C关系 Fig. 4 Relationship between H/C and O/C of deep kerogen of Paleogene Shahejie Formation in Qingshui subsag, Liaohe Depression |
有机质丰度和类型是油气生成的物质基础，而有机质只有达到一定的热演化程度才能开始大量生烃。目前有机质成熟度主要用镜质体反射率（Ro）来确定。由图 5可看出，E2s32（Ⅱ）和E2s32（Ⅰ）烃源岩的Ro分别为0.31%~1.10% 和0.39%~1.86%，平均值分别为0.72% 和0.85%，成熟度以低熟—成熟为主；E2s33和E2s4烃源岩Ro分别为0.55%~2.13% 和0.62%~2.03%，平均值分别为0.98% 和1.23%，成熟度以成熟为主，部分达到高成熟。总体来看，研究区深层烃源岩Ro为0.50%~1.50%，烃源岩热演化阶段整体处于成熟阶段，部分达到高成熟阶段。
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下载原图 图 5 辽河坳陷清水洼陷古近系沙河街组深层烃源岩Ro分布频率直方图 Fig. 5 Histogram of Ro distribution frequency of deep source rocks of Paleogene Shahejie Formation in Qingshui subsag, Liaohe Depression |
生物标志化合物对判断烃源岩的母质来源和成熟度均具有重要意义[27-29]。由图 6可看出，深层烃源岩色谱呈双峰型，反映了浮游植物与高等植物的共同贡献。在质谱图中，随深度增大，深层烃源岩的三环萜烷含量也随之增高，且在三环萜烷中C20和C21峰高于C23和C24峰；随温度增加，三环帖烷中低碳数萜烷含量逐渐增高，高碳数萜烷含量逐渐降低[30]，据此推断研究区深层烃源岩已达到较高的热演化程度。霍烷中伽马蜡烷含量较高，指示其为咸水沉积环境，常规甾烷C27，C28和C29相对含量呈现“V”字型，表明其母质来源总体以浮游植物与高等植物的共同贡献为主。
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下载原图 图 6 辽河坳陷清水洼陷古近系沙河街组深层烃源岩饱和烃的质量色谱图 Fig. 6 Mass chromatogram of saturated hydrocarbons of deep source rocks of Paleogene Shahejie Formation in Qingshui subsag, Liaohe Depression |
Pr/Ph的值对烃源岩的形成环境具有较好的指示意义[31-33]。通过统计，研究区烃源岩Pr/Ph的值为0.92~1.74，平均值为1.20，说明深层烃源岩的沉积环境以还原环境为主。Ph/nC18和Pr/nC17的值也可以反映有机质的来源和形成环境[28]。由图 7可看出，研究区深层烃源岩的沉积环境既有氧化环境又有还原环境，有机质类型总体以Ⅱ—Ⅲ型的过渡型有机质为主。
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下载原图 图 7 辽河坳陷清水洼陷古近系沙河街组深层烃源岩Pr/nC17-Ph/nC18关系[28] Fig. 7 Relationship between Pr/nC17 and Ph/nC18 of deep source rocks of Paleogene Shahejie Formation in Qingshui subsag, Liaohe Depression |
甾烷和萜烷的生物标志化合物能够反映有机质的沉积环境、母质来源与及熟度等信息[34-35]。由图 8可看出，研究区深层烃源岩甾烷的生物标志化合物组成分布较为集中，绝大部分深层烃源岩样品均落在浮游植物与细菌和浮游植物/高等植物的过渡区域内，表明深层烃源岩的母质来源总体以浮游植物与高等植物的共同贡献为主。
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下载原图 图 8 辽河坳陷清水洼陷古近系沙河街组深层烃源岩中3种甾烷相对含量[35] Fig. 8 Relative content of 20R-ααα-C27, 20R-ααα-C28 and 20R-ααα-C29 steranes in deep source rocks of Paleogene Shahejie Formation in Qingshui subsag, Liaohe Depression |
在有机质丰度、类型、成熟度和生物标志化合物分析的基础上，结合其岩性特征、发育特征和测井响应特征，对烃源岩进行综合评价。SX1井位于研究区南部，是该区目前最深的探井，分析测试资料丰富。由图 9可看出，E2s32（Ⅰ）烃源岩以砂泥岩互层为主，TOC平均为1.60%，主要为Ⅱ1—Ⅱ2型有机质；E2s32（Ⅱ）和E2s33暗色泥岩发育，TOC平均为1.83%，主要为Ⅱ1—Ⅱ2型有机质，成熟度以成熟为主；E2s4段以砂泥岩互层为主，TOC平均为1.23%，主要为Ⅱ2—Ⅲ型有机质，成熟度以高成熟为主。E2s32（Ⅱ）暗色泥岩沉积厚度大，TOC含量整体较高，以Ⅱ1—Ⅱ2型有机质为主，目前总体处于成熟阶段。
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下载原图 图 9 辽河坳陷清水洼陷SX1井古近系沙河街组深层烃源岩有机地球化学剖面 Fig. 9 Organic geochemical characteristics of deep source rocks of Paleogene Shahejie Formation of well SX1 in Qingshui subsag, Liaohe Depression |
地层埋藏史是分析地热史、生烃史、排烃史和油气运聚史的基础[36-37]。SX1井是清水洼陷南部最深的探井，通过绘制该井的地层埋藏史-热演化史图（图 10a）可看出，清水洼陷沙河街组在E2s4—E2s3沉积期经历了大幅度的沉降，沉积了较厚的E2s4和E2s3；在E2s2—E2s1沉积期，构造活动减弱，沉降幅度变小，沉积了E2s2和E2s1；在E2d沉积早期，经历了小幅度的抬升后继续沉降，沉积了E2d及以上地层。
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下载原图 图 10 辽河坳陷清水洼陷SX1井古近系沙河街组地层埋藏史-热演化史 Fig. 10 Stratigraphic burial history and thermal evolution history of Paleogene Shahejie Formation of well SX1 in Qingshui subsag, Liaohe Depression |
采用平行化学反应模型（Easy Ro%）对SX1井的生烃演化史进行反演，模拟的Ro趋势与实测数据吻合较好（图 10b），表明反演结果较为可靠。研究区沙河街组深层烃源岩在距今约38 Ma达到中成熟热演化阶段，并开始大量生烃，在距今约20 Ma达到主要生气阶段，开始生成大量天然气。SX1井深层烃源岩比研究区烃源岩的热演化程度高，结合研究区地层埋藏深度，南部地层的埋藏深度比北部整体深约800 m，由此判断，研究区南部的烃源岩埋藏深度大，热演化程度更高。
3.2 油气成藏期次分析对流体包裹体的研究主要包括包裹体的各种物理特征与成分等，物理性质包括包裹体的赋存特征、丰度、颜色、大小、气液比、盐度、状态、均一温度和类型等[38-39]。研究区深层主要发育2期含油气包裹体：第一期油气包裹体发育丰度高，分布于早期方解石矿物、长石溶蚀孔或石英加大边中，其中近无色的油包裹体约占55%，灰黑色的油气包裹体占40%，深灰色的气包裹体占5%；第二期油气包裹体主要发育于晚期亮晶方解石充填物或石英微裂隙中，发育丰度高，呈孤立状或带状分布，其中近无色的油包裹体占50%，黑色的油气包裹体占40%，深灰色的气包裹体占20%（图 11）。将与烃类包裹体同期的盐水包裹体均一温度投影到各自的埋藏史图上，即可获得各个测点各期次的充注年龄值，将这些年龄值投影到统一的时间轴上，即可对这些样品检测到的油气进行统一分期，并确定其成藏期次（图 12）。西部凹陷南部总体发育2期油气充注：第一期充注发生的时间为38~26 Ma，与东营组沉积期相对应；第二期充注发生的时间为20~0 Ma，与馆陶组、明化镇组沉积期相对应。
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下载原图 图 11 辽河坳陷清水洼陷SX1井古近系沙河街组三段储集层流体包裹体分布特征 （a）单偏光下穿过石英及其加大边的微裂隙中油包裹体群，显微照片，×630，SX1井，3 985.42 m，E2s32（Ⅰ）；（b）荧光下穿过石英及其加大边的微裂隙中油包裹体群，显微照片，与（a）相同视域；（c）单偏光下未穿过石英及其加大边的微裂隙中油包裹体群，显微照片，×630，SX1井，3 985.42 m，E2s32（Ⅰ）；（d）荧光下未穿过石英及其加大边的微裂隙中油包裹体群，显微照片，与（c）相同视域。 Fig. 11 Distribution characteristics of fluid inclusions of the third member of Paleogene Shahejie Formation of well SX1 in Qingshui subsag, Liaohe Depression |
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下载原图 图 12 西部凹陷南部油气充注期次 Fig. 12 Oil and gas charging stages in southern West Sag |
通过对清水洼陷沙河街组深层烃源岩特征和油气充注期次的分析，总结出研究区深层油气成藏模式（图 13）。研究区深层烃源岩在距今约38 Ma达到成熟阶段，并开始生烃，生成的大量石油和少量天然气在异常压力和浮力的作用下沿着断层和输导层向上运移，达到一定深度后向侧向的砂体内充注并聚集形成油藏。在距今20 Ma时，E2s3和E2s4烃源岩达到成熟—高成熟热演化阶段，生成了大量天然气和轻质油，天然气和轻质油在浮力和异常压力的作用下沿着断裂向上运移，进入早期聚集的石油中，形成气顶油藏，若气源充足，早期聚集的液态石油可能被完全驱替而形成纯气藏。E2s4烃源岩埋藏深度大于5 000 m，有机质类型以Ⅱ2-Ⅲ型为主，进入高成熟热演化阶段后生成大量天然气，天然气通过各种微裂缝或规模较小的断层运移至就近的砂体中形成岩性气藏，在SX1井发现的天然气即为该类型天然气。
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下载原图 图 13 辽河坳陷清水洼陷古近系沙河街组油气成藏模式 Fig. 13 Hydrocarbon accumulation model of Paleogene Shahejie Formation in Qingshui subsag, Liaohe Depression |
（1）渤海湾盆地辽河坳陷清水洼陷深层烃源岩主要发育在E2s32，E2s33和E2s4。TOC平均为1.60%，S1+S2平均为2.82 mg/g，氯仿沥青“A”质量分数平均为0.14%，有机质丰度评价为好烃源岩，随深度加大，深层源岩S1+S2表现出明显的递减趋势，表明其已发生了排烃作用。
（2）有机显微组分和生物标志物显示，深层烃源岩有机质类型随深度加大从Ⅱ1—Ⅱ2—Ⅲ型过渡；母质来源以浮游植物与高等植物的共同贡献为主，沉积环境为弱氧化—弱还原的湖相咸水环境。烃源岩Ro为0.5%~1.5%，成熟度以成熟为主，部分达到高成熟。其中，发育厚层泥岩的E2s32（Ⅱ）为研究区主力烃源岩。
（3）结合有机质生烃史和油气充注特征，在距今约38 Ma时，深层烃源岩达到成熟阶段，开始生烃，生成的液态烃向上运移并聚集形成油藏，油藏形成时间为距今38~26 Ma。在距今约20 Ma时，深层腐殖型烃源岩达到高成熟阶段，开始生成天然气，生成的天然气部分溶解进入早期形成的油藏中形成带气顶的油气藏，部分天然气通过微小的裂缝或规模较小的断层以扩散等方式运移至就近的砂体中形成纯气藏，气藏形成时间为距今20~0 Ma。
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