1. 引言
辽西地区位于华北克拉通燕辽裂陷带，中元古界广泛发育海相地层[1]，油气资源丰富。自上世纪60年代至今，已于冀北-辽西发现上百个油苗点及多个古油藏的存在，证实中新元古界存在过油气的形成、运移和破坏[2]，且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[3]。
目前对于燕辽裂陷带的研究多集中在冀北地区，主要研究内容包括沉积相、油气生烃潜力和烃源岩分布等[4]-[8]，其中华北克拉通拗拉槽中新元古界发育海岸相、陆棚相、台地相、生物礁相、扇三角洲相及冰川相等7种沉积相，并对其15种亚相及21种微相进行详细的描述[9]；另外河北下花园地区下马岭组三段油页岩由大量的底栖红藻堆积而成，而底栖红藻可以作为重要生烃母质并构成优质烃源岩[10]；燕山地区冀北、宣龙坳陷等地烃源岩层系发育，是潜在的有利区[11]；而且温润的中低纬度较适宜的古地理位置、生物勃发事件、水底缺氧事件、沉积物中磷组分的富集以及粘土矿物的赋存驻留均有利于中新元古界烃源岩富集[12]。对于辽西凹陷的烃源岩研究目前较少，本文基于野外露头及两口钻井对辽西地区中元古界铁岭组烃源岩进行研究，为后续有利储层的预测和勘探区带的优选提供重要的科学依据，从而为油气勘探领域带来新的突破。
2. 区域地质概况
辽西凹陷位于辽宁省西部，包括朝阳、建昌、喀左、凌源四县及周边中新元古界地表露头区，面积约30,000 km2，中新元古界厚度可达8000~9000 m (见图1)。蓟县系至青白口系是主要的烃源岩发育层位，包括碳酸盐岩和海相泥岩两大类烃源岩。其中蓟县系洪水庄组、铁岭组以及下马岭组则发育有一定规模的黑、灰色~绿灰色的海相页岩。
铁岭组主要为灰色、浅灰色泥云岩，灰色盆屑云岩夹页岩，局部见柱状叠层石。岩性组合特征反映当时沉积环境是低能与较高能环境交替出现。自下而上可划分为三个段，其中铁一段以云质石英砂岩、云岩为主，铁三段以泥晶云岩为主，铁二段以泥质岩为主。本组地面剖面厚度最大区位于凌源三家子–喀左辘轳井一带，厚约300 m，在宽城–平泉区一般厚度小于200 m。铁岭组二段是主要生油岩，厚度一般50 m左右。韩1井因断层缺失仅钻遇62米，杨1井钻遇270米，根据地震资料推测建昌盆地内厚度约300米以上。铁岭组工区地面剖面和井下都见到较多的油苗、沥青显示，推测有较好的生油条件。
3. 铁岭组烃源岩
铁岭组碳酸盐岩样品的有机碳在0.01%~0.85%区间变化，平均为0.16% (见表1)。约30%的TOC分布在0.25%~0.5%好生油岩区间，且有约5%已达到最好生油岩的级别。氯仿沥青“A”最低为0.0001%，
Figure 1. Location map of the research area
图1. 研究区位置图
最高已达0.0905%，平均值为0.0252%，已超出最好级别生油岩的低限(0.02%)。氯仿沥青“A”的频率分布也反映，铁岭组碳酸盐岩中等以上生油岩样品占52.9%，其中好生油岩样品占5.9%，“A”大于0.02%以上的最好生油岩样品高达35.2%，充分显示了较高的生烃能力。生烃潜量在0.01~2.65 mg/g区间变化，平均值为0.29 mg/g，总体上达到中等生油岩的标准。生烃潜量与有机碳和氯仿沥青“A”的分布规律不尽相同，究其原因主要是由成熟度较高所引起，从目前所测样品看，铁岭组的Tmax分布在460℃左右，已进入高成熟的凝析油阶段，因此生烃潜量较低。这些生烃潜量较高的样品主要分布在双洞一带，其值分布在0.43~2.65 mg/g之间，因正处于成熟阶段，因此仍具有较高的生烃潜量。本组碳酸盐岩以中等源岩为主。
铁岭组页岩有机碳值变化范围较大，最低仅为0.01%，最高为1.53%，平均有机碳含量0.37%。小于0.4%的非生油岩样品占71.6%，大于1.0%的好生油岩占21.4%。氯仿沥青“A”最高为0.0051%，最低为0.0002%，平均为0.0012%，远远低于碳酸盐岩类。“A”的频率分布以小于0.003%为主频，非~差烃源岩可占85.7%，只有14.3%的样品达到较好生油岩的级别。生烃潜量平均为0.26 mg/g，最高为2.07 mg/g，多数样品小于0.2 mg/g。其频率分布与氯仿沥青A一样，均以非生油岩为主频，达92.3%。页岩的各项丰度指标远远低于本组的碳酸盐岩类，反映了铁岭组页岩、碳酸盐岩具有较高的生烃能力(见图2)。杨1井区铁岭组揭示的黑色泥页岩很薄，未采集到合适的样品进行分析。
Table 1. Organic matter abundance of Tieling Formation in Liaoxi Area
表1. 辽西地区铁岭组有机质丰度表
地区 |
岩性 |
|
TOC (%) |
氯仿沥青“A” |
S1 + S2 (mg/g) |
双洞 |
页岩 |
最小值~最大值 |
0.3~2.92 |
- |
0.07~2.07 |
平均值 |
1.61 (2) |
- |
1.07 (2) |
灰岩 |
最小值~最大值 |
0.23~0.59 |
0.0235~0.0905 |
0.43~2.65 |
平均值 |
0.33 (14) |
0.0695 (5) |
1.15 (8) |
北洞 |
灰岩 |
最小值~最大值 |
0.01~0.85 |
0.0001 |
0.11~0.17 |
平均值 |
0.43 (2) |
- |
0.14 (2) |
瓦房子 |
页岩 |
最小值~最大值 |
0.02 |
0.0004 |
0.01 |
平均值 |
- |
- |
- |
灰岩 |
最小值~最大值 |
0.08~0.14 |
0.0006 |
0.01~0.07 |
平均值 |
0.11 (2) |
- |
0.04 (2) |
辘轳井 |
页岩 |
最小值~最大值 |
0.03~0.3 |
0.0005~0.0009 |
0.01~0.05 |
平均值 |
0.17 (2) |
0.0007 (2) |
0.03 (2) |
灰岩 |
最小值~最大值 |
0.01~0.18 |
0.0059 |
0.01~0.38 |
平均值 |
0.11 (4) |
- |
0.13 (4) |
Figure 2. Histogram of organic matter abundance distribution in source rocks of Tieling Formation (left: field outcrop; right: Han 1)
图2. 铁岭组烃源岩有机质丰度分布直方图(左：野外露头；右：韩1)
3.1. 有机质类型
中新元古界的有机质以原核藻类占绝对优势，生烃母质主要是菌藻类等低等生物，干酪根为典型藻腐泥型。
从热演化程度相对较低的中新元古界源岩中分离出来的干酪根，多呈棕黄色–深棕色，呈以云雾状和絮状无定形结构为主的特征。在显微镜下铁岭组干酪根形态特征多呈棕黄色或棕色云雾状，类脂组含量大于70%，类型指数在50以上，类型为Ⅱ1-Ⅰ型。在扫描电镜下铁岭组干酪根多呈团状和球粒状无定形结构，为腐泥型。另外可以由δ13C来确定源岩原始母质类型：δ13C < −28‰ (PDB)为I型母质；δ13C%值−27‰~−24‰ (PDB)为П型母质；δ13C% > −24‰ (PDB)为Ⅲ型母质。铁岭组烃源岩的干酪根碳同位素分布在−33.85‰左右，来自同源的低等水生生物。从干酪根碳同位素和饱和烃 + 芳烃关系图上看出(见图3)：铁岭组烃源岩有机质类型为Ⅰ-Ⅱ1型。
Figure 3. Relationship between saturation + aroma and δ 13C‰ in source rocks
图3. 生油岩饱 + 芳与δ 13C‰关系图
3.2. 有机质成熟度
本次评价主要应用热解参数Tmax值作为成熟度分析指标，并结合HI、H/C原子比及干酪根颜色等辅助指标对中新元古界烃源岩的热演化程度进行分析，采用郝石生刘宝泉等的热演化阶段划分标准(见表2)，评价结果如表3、表4所示。
Table 2. Classification criteria for organic matter thermal evolution stages (Hao Shisheng, Liu Baoquan, etc.)
表2. 有机质热演化阶段划分标准(郝石生、刘宝泉等)
指标及界线 |
成熟生油 |
高成熟 |
过成熟干气 |
凝析油 |
湿气 |
干酪根H/C原子比 |
>0.7 |
0.7~0.6 |
0.6~0.45 |
<0.45 |
干酪根颜色 |
黄–深棕 |
深棕–棕黑 |
棕黑–黑 |
黑 |
热解峰温Tmax℃ |
<455 |
455~485 |
485~530 |
>530 |
沥青反射率 |
<1.3 |
1.3~1.6 |
1.6~2.2 |
>2.2 |
铁岭组一般处于生油主带的晚期或凝析油带的早期阶段，铁岭组的Tmax分布与本区的构造活动及构造位置密切相关。Tmax值随着埋藏深度的增加而增加，这是因为深埋的烃源岩经历了更高的温度和更长的热演化时间，导致有机质成熟度增加，进而表现为Tmax值的升高[13]。图4反映冀北坳陷平泉双洞地区Tmax值较低，仍处于生油主带阶段，说明双洞背斜形成较早，至少印支期以后埋藏深度就比较浅。辽西坳陷瓦房子、辘轳井处Tmax值也较低，处于生油主带和生油主带–凝析油过渡带，表明其与双洞地区一样，埋藏深度较浅。北洞区Tmax值最高，已经进入了过成熟的干气阶段，此现象主要与构造活动密切相关。
Table 3. Evolutionary indicators of source rocks in the middle proterozoic Tieling Formation in Liaoxi Area
表3. 辽西中元古界铁岭组烃源岩演化指标
井号/地点 |
岩性 |
|
有机碳(%) |
Tmax (℃) |
PI (s1/(s1 + s2)) |
演化阶段 |
韩1井 |
泥质云岩 |
最小~最大值 |
0.03~0.34 |
438~500 |
0.5 |
成熟~高熟 |
平均值 |
0.19 |
476 |
辽西露头 |
黑色页岩 |
最小~最大值 |
0.25~5.03 |
423~457 |
0~0.07 |
成熟~高熟 |
平均值 |
1.728 |
436 |
0.03 |
Table 4. Aromatic hydrocarbon parameters and calculated vitrinite reflectance of proterozoic source rocks in Liaoxi Area
表4. 辽西元古界烃源岩芳烃参数及计算镜质体反射率
地点 |
岩性 |
MNR = 2-/1-MN |
MPR1 = 1-MP/P |
MPR = 2-/1-MP |
MPI1 |
MPI2 |
MPI3 |
计算Rc (Ro < 1.35) |
演化阶段 |
双洞 |
灰黑色页岩 |
1.14 |
0.77 |
1.13 |
0.51 |
0.66 |
0.45 |
0.71 |
成熟生油 |
Figure 4. Distribution of pyrolysis peak temperatures of Tieling Formation source rocks in different regions
图4. 不同地区铁岭组烃源岩热解峰温分布图
4. 烃源岩综合评价
铁岭组下部主要为灰色、浅灰色泥云岩，灰色盆屑云岩夹页岩，上部为闭塞潮上带环境形成的灰色泥晶灰岩、含泥灰岩夹页岩。该组碳酸盐岩类的有机质丰度高，有机碳平均为0.2%，沥青“A”平均为0.0252%，为好生油岩。页岩类有机质丰度较高，有机碳0.01%~1.53%，平均为0.37%；沥青“A”0.0002%~0.0051%，平均为0.0012%，为较差生油岩。