锦州25-1地区烃源岩地球化学特征研究

Geochemical Characteristics of Source Rocks in Jinzhou 25-1 Area

摘要: 在锦州25-1地区分布三套生油岩系，分别为沙河街组沙三段、沙一段及东营组东三段。此次研究通过对该区多口钻井的三套层系烃源岩进行地球化学特征研究，从有机碳含量、干酪根有机显微组分、镜质体反射率Ro以及生物标志化合物特征等方面，讨论了辽西低凸起三套泥/页岩地球化学特征及生烃潜力。研究认为该区烃源岩有机质丰度高，有机质显微组分显示为含壳质组组分占优势的Ⅱ1型有机质类型，为生烃能力强的油型有机质；该区Es₃段烃源岩的成熟度处于成熟~生油高峰阶段，Ed₃~Es₁烃源岩成熟度处于未成熟阶段，可见该区主力烃源岩为Es₃段，次要烃源岩层为Ed₃、Es₁段；该区生物标志物特征总体上表现为“4-甲基甾烷含量高，甲藻甾烷丰富”，规则甾烷为不对称V型，淡水、富沟鞭藻类沉积有机相，以低等水生生物和藻类占优势，陆源有机质为辅的混合型的母源特征。

Abstract: Three sets source rocks are distributed in the Jinzhou 25-1 region, namely, the third member of Shahejie formation, the first member of Shahejie Formation and the three member of Dongying formation. This study based on the study of three sets source rocks of the drilling wells from geochemistry, from the aspects of organic carbon content, kerogen macerals, vitrinite reflectance Ro and features of biomarkers, discusses three sets mud/shale geochemical characteristics and hydrocarbon generation potential in Liaoxi low uplift. Study shows that the hydrocarbon source rocks in this region have high abundance of organic matter, organic macerals show II1 type organic matter of containing dominant exinite components , hydrocarbon generation ability for oil type organic matter; the maturity of the source rocks in the Es₃ section is in the mature to oil generating peak stage, and the maturity of source rocks in the Ed₃ - Es₁ is in immature stage, it can be seen that the main source rocks in this area are Es₃, and the secondary hydrocarbon source rocks are Ed₃ and Es₁; the characteristics of biomarkers in this area are characterized by “high content of 4- methyl steroids and abundance of dinoflagellate", the regular steroids are asymmetric V type, and the organic compounds are dominated by fresh water and dinoflagellate, which are dominated by lower aquatic organisms and algae, and are characterized by a mixed source parent.

1. 引言

近年来，地球化学特征研究在理论和应用方面取得了迅速发展，成为近代地球化学研究不可缺少的一部分，其在揭示沉积盆地演化历史、沉积环境及沉积物物质来源等方面，越来越多应用于实际研究 [1] [2] [3] [4] [5] 。曹剑等 [1] 认为，元素地球化学性质的不同会使原油中的元素组成出现差异，基本不发生或少发生变化的元素，即可能是好的油源对比指标，为油源对比提供理论基础。白宪洲等 [2] 认为通过对区域层位的地球化学特征研究，结合区域的其他资料分析沉积物特征，进而为油气资源的物源区提供依据。邓南涛等 [3] 认为进行不同层段暗色泥岩、碳质泥岩及油页岩样品等相关地球化学实验分析，可以建立烃源岩的地球化学和地球物理综合识别标志，以揭示烃源岩的空间分布规律，进而为区域内油气资源深入勘探提供地质依据。

渤海油田是中国东部一个重要的产油区，近年来随着辽东湾地区勘探深入，发现的锦州25-1油田是目前渤海最大的轻质油田，是首次在辽西凹陷发现的油气当量超过亿吨的优质油田 [6] [7] 。目前很多学者对锦州地区25-1地区油气藏分布规律、成藏过程、资源评价等方面进行了深入研究 [6] [7] [8] 。田立新等 [7] 认为，锦州25-1大型轻质油气田的形成具有大型圈闭群、充足的烃源岩、大型优质储集体系与完美的储盖组合、断层与砂体复合输导等有利的静态成藏要素的完美配置。对于地球化学特征研究前人主要通过对区域典型样品的有机碳含量、碳氧同位素和热成熟度方面进行探讨研究 [9] [10] [11] 。此次对研究区的不同层系烃源岩进行地球化学特征研究，从有机碳含量、干酪根有机显微组分、镜质体反射率Ro以及生物标志化合物特征方面，进行多层面多标准分析验证，从而对该区烃源岩的地球化学特征及生烃潜力进行一个准确的综合评价。

2. 地质背景

辽西低凸起位于渤海湾盆地东北部辽东湾地区，长174 km，宽4~9 km，面积1150 km²。辽西低凸起东邻辽中凹陷，西以辽西一号断层为界与辽西凹陷相邻，呈北北东向展布，具有“凹中隆”的特点，是油气聚集的有利区带。辽西低凸起被东西相邻的辽西凹陷和辽中凹陷所夹持，辽西凹陷和辽中凹陷均为东断西超，各个凹陷由北向南又均可细分为北、中、南三个次洼(图1) [12] [13] 。

构造上辽东湾地区分为辽西凹陷、辽西凸起、辽中凹陷、辽东凸起、辽东凹陷共5个次级构造单元。前人研究认为中生代至古近纪早期(42 Ma之前)，由于扬子板块向北楔入，持续作用于华北板块，太平洋板块向北北西向俯冲，使北北东向的郯庐断裂带发生左旋走滑运动 [14] 。晚始新世沙三期(42 Ma以来)，太平洋板块转为北西西向俯冲，使郯庐断裂带转为右旋走滑运动 [15] 。渐新世东营期(32.8~24.6 Ma)，渤海湾盆地东西两侧的走滑构造系统加剧了走滑运动，盆地局部派生挤压应力场，伸展作用减弱，而反转构造和花状构造在走滑构造带上比较发育。中新世馆陶期(24.6 Ma至今)开始，盆地便进入坳陷阶段 [16] 。

Figure 1. Geographical location and tectonic zoning map of paleogene in Liaoxi low uplift

图1. 辽西低凸起地区地理位置及古近纪构造区划图(修改自吕丁友，2009)

锦州25-1地区钻遇地层为新近系明化镇组、馆陶组、古近系东营组、沙河街组一段、二段、三段，基底为前第三系地层。基底前第三系主要包括太古界、中上元古界变质岩、花岗岩，古生界碳酸盐岩和中生界火成岩地层，且不同部位基底的时代和岩性不同。古近纪主要为断陷期，沉积了孔店组、沙河街组和东营组，以泥岩与碳酸盐岩互层为主，且均夹有红色岩层，总体上为干旱环境下的小型湖泊沉积和冲积扇沉积。新近系为裂后坳陷期沉积，自下而上为馆陶组和明化镇组，在全区为一套辫状河到曲流河的陆源粗碎屑沉积 [17] [18] [19] 。

3. 锦州25-1地区暗色泥岩的分布

在研究区锦州25-1地区分布三套生油岩系，分别为沙河街组沙三段、沙一段及东营组东三段。沙三段以暗色泥岩或油页岩为主，沉积环境主要为湖泊环境，边缘发育扇三角洲或水下扇，是主力烃源岩发育层段；该区的沙一段为特殊岩性段，暗色泥岩与油页岩较为广泛发育，底部为生物碎屑灰岩、碎屑云岩，为湖泊和碳酸盐生物滩环境；该区的东三段为深灰色泥岩夹砂岩透镜体，其以湖泊沉积环境为主，主要为区域盖层，但在辽中凹陷的深洼部位也可以成熟供烃。

对锦州25-1地区三套烃源岩地层的泥岩厚度统计发现，东营组地层厚度为674 m~1083 m，中、下段暗色泥岩十分发育，具有地层厚度大，泥岩单层厚度大，泥/地、暗泥/地比高，都在90%左右，该套地层在构造部位可作为区域性的盖层有较强的封盖性能，在埋藏较深的凹陷部位，埋藏深热演化高，可作为一套潜在的烃源岩。沙一段在该区地层分布相对较薄，地层厚度小于100 m，泥岩以褐灰色、灰色、浅灰色为主，泥/地、暗泥/地高，一般在80%左右。沙三段在本区大多数的钻井并未钻穿该套地层，在该区揭示厚度为200 m~800 m，在构造高部位揭示的厚度大，近洼带揭示的厚度较小，根据揭示地层来看，沙三段泥岩质纯，颜色以黑色、灰黑色、褐灰色、浅灰色为主，泥/地、暗泥/地变化较大，泥/地、暗泥/地比值在50%~60%左右。

4. 锦州25-1地区烃源岩地球化学特征

4.1. 有机质丰度

通过对该区JZ 25-1-3 、JZ25-1-4、JZ25-1-5、JZ25-1-6、JZ25-1-8五口钻井的暗色泥岩岩屑生油岩有机地球化学参数统计，根据陈义才 [20] 对有机碳含量、氯仿沥青“A”、总烃的研究标准，研究该地区有机质丰度特征(表1)。

Table 1. Organic matter abundance statistics forms of hydrocarbon source rocks in Jinzhou 25-1 area

表1. 锦州25-1地区烃源岩有机质丰度统计表

沙三段单井泥岩有机碳含量(TOC)平均值范围为1.53%~3.21%，S₁ + S₂范围为7.25 mg/g~20.15 mg/g，氯仿沥青“A”平均含量为0.23%~0.94%，总烃含量为1209.19 ppm~3299.17 ppm，氯仿沥青“A”/TOC(油气转化率)一般在15%以上，最高达30%~40%，具有极高的转化率，可见锦州25-1地区沙三段烃源岩有机质丰度具有有机碳含量高、生油潜量高、可溶有机质含量高及有机质转化率高的特点。

沙一段仅在JZ 25-1-6 、JZ25-1-8两口井有分析资料，其中JZ25-1-6井1810 m~1900 m有3块暗色泥岩岩屑样品，其TOC的平均值为2.44%，S₁ + S₂平均为12.5 mg/g，氯仿沥青“A”平均为0.25%，总烃平均为869.83 ppm；JZ25-1-8井2260 m~2370 m有5块暗色泥岩岩屑样品，其TOC的平均值为3.43%，S₁ + S₂平均为21.88 mg/g，氯仿沥青“A”平均为0.61%，总烃平均为2115.25 ppm；两口井在沙一段均表现了为较好烃源岩。

东营组只有在JZ25-1-8井有分析资料，1400 m~2260 m深度段有9块泥岩岩屑样品，样品有机碳平均为1.90%，S₁ + S₂为8.53 mg/g，氯仿沥青“A”为0.16%，总烃含量为516.83 ppm，总的来看该井东营组有机碳含量高，但转化率较低。

4.2. 有机质类型

对锦州25-1地区JZ 25-1-3 、JZ25-1-4、JZ25-1-5三口井干酪根有机显微组分鉴定，根据陈义才 [20] 对干酪根的显微组分特征研究，分析认为该区干酪根主要的显微组分中壳质体占绝对优势、其次为腐泥组与镜质组，惰质组份分布少(表2)。腐泥组分中含有较多的腐泥无定型组分与少量的藻类体；在壳质组分中，主要亚组分为腐殖无定型组分份占50%~90%，其次为壳质碎屑体与孢粉体，占1%~3%，无树脂体、木栓质体等亚组分，镜质组分中的亚组分为常规镜质体，无富氢镜质体；惰质组含量稀少。从显微组分组成来看，主要生油组分为腐泥组中的腐泥无定型组分与壳质组中的腐泥无定形组分，表明有机质为水生生物与陆源有机质的混合型有机质，其中陆源有机质是经过一定的改造作用。可知锦州25-1地区沙三段泥岩主要生成石油的母质有机质类型为腐殖–腐泥型(II₁)。

该区沙三段烃源岩干酪根C、H、O元素分析表明(表2)，干酪根具有较高的H/C比与较低的O/C比，根据蒂索有机质类型划分方案 [21] ，有机质主要类型为腐殖–腐泥型(II₁型)，少量为腐泥–腐殖型(II₂型)。

该区沙三段泥岩热解氢指数(HI)在353 mg烃/g~775 mg烃/g，根据陈义才等对应用氢指数对源岩干酪根分类方法的研究 [20] ，认为HI大于650 mg烃/g，有机碳为I型有机质、HI在650 mg烃/g~300 mg烃/g，有机碳为II₁有机质，可知该区的烃源岩氢指数高，通过烃源岩热解氢指数判断该区沙三段泥岩有机质类型主要为II₁，含少量的I型有机质。

通过干酪根镜下鉴定、有机元素、岩石热解等地球化学资料研究表明，辽西低凸起烃源岩有机质主要类型为有机质类型以II₁型为主，含少量的II₂型，少见I型、III型有机质。

4.3. 有机质成熟度

根据锦州25-1地区四口井镜质体反射率Ro的实测资料(表3)，得出该区镜质体反射率与深度的关系图(图2)。根据陈义才对镜质体反射率演化阶段的研究 [20] ，Ro小于0.5%为未成熟，0.5%~0.7%为低成熟，0.7%~1.0%为成熟，因此分析认为近中洼的JZ25-1-3、JZ25-1-4、JZ25-1-5在2000 m左右Ro达到0.5%，开始进入生烃门限，数据主体分布在Es₃，即Es₃的Ro主体为0.65%~0.85%，为低成熟~成熟；近北洼的JZ25-1-8在2400 m左右Ro达到0.5%，有机质进入生烃门限，主体为未成熟或低成熟。通过对锦州25-1地区实测镜质体反射率(Ro，%)分析，对于陆相烃源岩开始大量生排烃对应的Ro一般为0.6%，因此在辽西低凸起大量生排烃的平均深度为2400 m，在构造高部位生排烃深度为2200 m，低部位生排烃的深度为2600 m。总体上辽西低凸起的Es₃段烃源岩已经进入低成熟~生油高峰阶段。

Table 2. Statistical classification forms of kerogen organic macerals in Jinzhou 25-1 area

表2. 锦州25-1地区干酪根有机显微组分统计类型划分表

Figure 2. Relationship between vitrinite reflectance (Ro) and depth in source rocks of Jinzhou 25-1 area

图2. 锦州25-1地区烃源岩镜质体反射率(Ro)与深度关系图

Table 3. Measured data of vitrinite reflectance in Jinzhou 25-1 area

表3. 锦州25-1地区镜质体反射率实测数据表

5. 烃源岩生物标志物特征

5.1. 烃源岩的环境参数特征

甾烷C₂₇、C₂₈、C₂₉相对含量能够反映烃源岩中水生生物与陆源有机质的相对大小，一般C₂₇甾烷来源于低等水生生物和藻类，C₂₉甾烷来源于藻类和陆源高等植物 [22] 。梅博文等认为Pr/Ph比值为0.2~0.8时，沉积环境为咸水深湖相，0.8~2.8时为淡–微咸湖相，2.8~4.0时为淡水湖泊相 [23] 。

图3为锦州25-1地区Es₃段烃源岩Pr/Ph与γ-蜡烷/C₃₀藿烷、αααRC₂₇/C₂₉甾烷对比图，从图中可以看出该取Pr/Ph在0.8~1.8，γ-蜡烷/C₃₀藿烷为0.08~0.1、αααRC₂₇/C₂₉甾烷在1.2~1.8，表明烃源岩沉积时期为弱还原~还原，水体含盐度较低，有机质输入以水生生物和藻类占优势，陆源有机质为辅的混合型的母源特征(图3)。

5.2. 烃源岩甾烷、萜烷指纹分布特征

傅家谟等认为淡水沉积物中具有4-甲基甾烷优势，并且沟鞭藻主要在淡水沉积中繁盛 [24] 。Whelan等认为甲藻甾烷来源于甲藻甾醇或甲藻烷醇，并且看来是唯一由沟鞭藻提供。伽马蜡烷是许多湖相石油和沥青中的主要生物标记化合物，且伽马蜡烷被认为是咸水还原沉积环境的标志物 [25] 。

辽西低凸起东三段烃源岩αααRC₂₇、C₂₈、C₂₉规则甾烷指纹分布表现为C₂₉略大于C₂₇的“V”字型分布，4-甲基甾烷丰度高，伽马蜡烷含量中等，甲藻甾烷含量丰富，表现为淡水、富沟鞭藻沉积有机相的特征(图4)。

辽西低凸起沙一段仅有JZ25-1S-1井的一个代表岩样，该岩样表现为规则甾烷指纹呈C₂₇ > C₂₉的不对称“V”字型分布特征，4-甲基甾烷丰度高，伽马蜡烷较为丰富，甲藻甾烷含量丰富，可见沙一段源岩的沉积环境与东三段相似，但水体盐度较东三段明显增高(图4)。

Figure 3. Pr/Ph, γ-wax alkane/C₃₀ hopanes and αααRC₂₇/C₂₉ sterane comparison chart of source rock in Jinzhou 25-1 area

图3. 锦州25-1地区烃源岩Pr/Ph，γ-蜡烷/C₃₀藿烷与αααRC₂₇/C₂₉甾烷对比图

(a) (b) (c)

Figure 4. Distribution of terpenes and steroids in source rocks of Ed₃ (a), Es₁ (b) and Es₃ (c) in Liaoxi low uplift

图4. 辽西低凸起Ed₃段(a)、Es₁段(b)、Es₃段(c)烃源岩萜烷、甾烷指纹分布

辽西低凸起沙三段烃源岩规则甾烷分布呈C₂₇ > C₂₈ < C₂₉ (C₂₇ > C₂₉)的偏“V”字型分布特征，C₂₈含量极低，4-甲基甾烷丰度高，伽马蜡烷丰度较低，甲藻甾烷含量丰富，表现为沙三段沉积期水体盐度较低，为淡水、富沟鞭藻类沉积有机相(图4)。

6. 烃源岩综合评价

辽西低凸起烃源岩有机质类型复杂，I、II、III型均有存在，但是有机质以II型为主，偶见I、III型有机质。辽西低凸起各烃源岩层有机质丰度均较高，有机碳含量绝大部分在1%以上，仅有沙二、沙三段少数几个样品有机碳含量小于1%；S₁ + S₂的含量也反映出同样的情况，大部分样品S₁ + S₂含量在6 mg/g以上，而下部沙二、沙三段少数样品S₁ + S₂含量在0.5~2 mg/g之间(图5)。因此，辽西低凸起烃源岩基本达到好~很好烃源岩的标准，但是不乏下部的沙二段和沙三段部分品质较差的烃源岩。在成熟度方面，辽西低凸起烃源岩主要处于一个未成熟~低成熟的演化阶段，烃源岩演化程度较低，仅下部的沙三段、沙一段以及上部的东三段的部分样品进入低成熟~成熟阶段。此外研究区在生物标志化合物上表现为“4-甲基甾烷含量高，甲藻甾烷丰富”的特点，且规则甾烷多为不对称“V”型，为淡水、富沟鞭藻类沉积有机相。

故而，通过对辽西低凸起烃源岩地球化学特征分析认为，Es₃段本地烃源岩可形成一定量的原油充注圈闭，可为锦州25-1地区提供油源，是该区油气藏重要的烃源岩。

7. 结论

通过对辽西低凸起烃源岩地球化学特征分析认为：该区有Ed₃、Es₁、Es₃三套烃源岩，有机质丰度高为好~极好，有机质类型为含壳质组组分占优势的II₁型，为生烃能力强的油型有机质；该区Es₃段烃源岩的成熟度处于成熟~生油高峰阶段，Ed₃~Es₁烃源岩成熟度处于未成熟阶段。因此锦州25-1地区主力烃源岩为Es₃段，次要烃源岩层为Ed₃、Es₁段。

通过生物标志化合物综合分析，该区总体上表现为“4-甲基甾烷含量高，甲藻甾烷丰富”的特点，且规则甾烷多为不对称V型，为淡水、富沟鞭藻类沉积有机相，即在烃源岩沉积时期为弱还原~还原，

Figure 5. Geochemical section map of Liaoxi low uplift

图5. 辽西低凸起地化剖面图

水体含盐度低的淡水沉积，有机质输入以低等水生生物和藻类占优势，陆源有机质为辅的混合型的母源特征。

基金项目

“十二五”国家科技重大专项(2011ZX0 5023-001-014 )。