东营凹陷湖相烃源岩孢粉相特征及其意义

张晶巧¹，蔡进功¹，王学军²，徐金鲤²

(1. 同济大学 海洋地质国家重点实验室，上海，200092；

2. 中石化胜利石油分公司 地质科学研究院，山东 东营，257015)

摘要：选取东营凹陷S井6个层段的30个钻孔岩芯样品，开展孢粉相和热解检测分析，研究不同层段有机质来源、类型的差异性并探讨其页岩气勘探的意义。结果表明：东营凹陷沙河街组具有丰富的有机质来源，整体形成于安静低能的缺氧静水环境，这给页岩气的形成提供了物质基础。其中沙三下有机质以无定形为主，类型好，沙一段除无定形外，藻类特别发育，2个层段有机质丰度都较高，总有机碳质量分数(TOC)平均值大于2%。因此，沙河街组是烃源岩形成的最佳场所，特别是沙三下和沙一段，是页岩气勘探和开发的优选层段。综合孢粉相和热解资料，在考虑有机质丰度的基础上，也应考虑有机质的构成差异来进行烃源评价，它对有机质的演化和生烃具有较大影响，其中以无定形有机质和藻类为主要来源的烃源岩具有较好的生烃潜力。

关键词：东营凹陷；孢粉相；热解；生烃潜力；页岩气

中图分类号：TE 122.113          文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2013)08-3446-07

Palynofacies of lacustrine source rocks in Dongying Depression and its significance

ZHANG Jingqiao¹, CAI Jingong¹, WANG Xuejun², XU Jinli²

(1. State Key Laboratory of Marine Geology, Tongji University, Shanghai 200092, China;

2. Geological Scientific Research Institute, Shengli Oil field Company, SINOPEC, Dongying 257015, China)

Abstract: Based on the palynofacies analysis and Rock-Eval pyrolysis of 30 core samples collected from six different layers of the S borehole drilled in Dongying Depression, the origin, types of organic matter (OM) from each layer respectively were determined, and the source potential of shale gas in this region was discussed. The results show that: the Shahejie Formation has a rich source of OM, and is deposited within a relatively quiet and low-energy anoxic environment, which are in favor of the generation and accumulation of shale gas. The OM from lower part of Es3 is dominated by amorphous organic matter (AOM) with kerogen type Ⅰ, Es1 contains a high proportion of algae, and mean TOC values of both layers are greater than 2%. Therefore, the Shahejie Formation is one of the extremely favorable strata for the formation of effective source rocks, especially Es3x and Es1, and these two are the most preferred targets for shale gas exploration and development. The results also indicate that we should pay more attention to the composition of organic matter besides the quantity of OM, and this will affect the quality of OM and hydrocarbon generation. Source rocks containing high amount of OM that mainly comes from AOM and algae have a better hydrocarbon generation potential.

Key words: Dongying depression; palynofacies; rock-eval pyrolysis; hydrocarbon generation potential; shale gas

孢粉相最早是指“用HCl和HF孢粉分析技术从沉积物和沉积岩中获得的在显微镜下可观察的所有抗酸有机质”^[1]，通过透射光和荧光显微镜观察，依据有机组分的形态、结构及来源等进行分类。孢粉相分析蕴藏着丰富的地质学信息，是研究沉积环境乃至油气资源评价的最直观最有效的手段之一^[1-3]。东营凹陷是渤海湾盆地济阳坳陷中的一个次级构造单元，是中国东部最富油的凹陷之一^[4]。近年来的勘探开发实践表明，东营凹陷目前仍有较大的勘探开发潜力和空间^[5]。然而随着油气田的开发和勘探程度的不断提高，常规油气进一步挖潜的空间越来越小，难度越来越大，非常规油气资源接替已经成为许多国家资源战略和石油企业发展的重要组成部分。随着页岩气在北美等地区的快速发展，在我国也日趋受到关注，已有学者指出东营凹陷具备形成工业性页岩气的物质基础^[6]。因此正确的评价烃源岩，预测有效烃源岩的分布规律，探讨东营凹陷油气勘探的新领域显得尤为重要。朱光有等^[7-8]确立了东营凹陷沙河街组咸水湖相和半咸水深湖相烃源岩为其主力源岩；刘庆^[9]明确了东营凹陷东辛地区应加强勘探的2个领域；刘华等^[10]认为沙河街组三段和四段为东营凹陷主要油源；田继军等^[11]建立了东营凹陷沙四段上亚段沉积模式。对于东营凹陷烃源岩的研究，前人主要是以有机地球化学特征和沉积学特征进行评价，没有一口井对东营凹陷不同层段进行过系统取芯并做过细致的孢粉相分析对比研究。本文作者选取东营凹陷利津洼陷系统取芯的S井，采用孢粉相和热解相结合的方法，研究东营凹陷不同层段有机质的来源、类型和形成环境以及生烃的差异性，为进一步指导油气的勘探以及页岩气等非常规油气勘探提供科学依据。

1  样品和方法

1.1  样品来源

样品选自东营凹陷S井的钻孔岩芯，深度从1 308.1 m至3 691.8 m，共计30块。层位由上而下分别为馆陶组(Ng)、东营组(Ed)、沙河街组一段(Es1)、沙河街组二段(Es2)、沙河街组三段上(Es3s)、沙河街组三段中(Es3z)、沙河街组三段下(Es3x)。岩性以深灰色泥岩、灰黑色泥岩为主，还有少量的灰色、深灰色、灰绿色粉砂质泥岩。

1.2  分析方法

1.2.1  孢粉相分析

孢粉学处理流程：盐酸(10%~15%)→氢氟酸(40%)→盐酸(10%~15%，煮沸)→重液浆选(d=2.1)→醋酸稀释(1‰)→收集残留物。每个流程之间都用去离子水反复水洗至中性。水洗在离心机内进行，转速300 r/m，时间10~20 min。反复水洗可能会遇到有机质悬浮现象，这时可加入几滴饱和氯化镁溶液，搅动后静止一定时间，再适量延长离心时间，确保有机质充分沉淀。

检测：获取的孢粉有机质先涂片，在ZEISS AxioskopⅡ显微镜下经过透射光和荧光分类鉴定，分别统计各类有机质300粒以上，然后计算各类有机质体积分数。孢粉有机质统计结果依照以下公式计算类型指数并划分干酪根类型：

T_i=(100A+50B-50C-100D)/(A+B+C+D)

式中：T_i为类型指数；A为无结构有机质——无定形有机质、均质体；B为壳质组——孢子花粉粒、沟鞭藻孢囊、其他藻类、角质层；C为镜质组——木质组织、其他组织、动物屑；D为惰质组——丝炭及其他黑色不透明团块、真菌的繁殖体。其中T_i＞80，为Ⅰ型；T_i=80-40，为Ⅱ₁型；T_i=40-0，为Ⅱ₂型；T_i＜0，为Ⅲ型。

1.2.2  热解检测

将少量样品粉末送入法国ROCK EVAL 6型热解仪，在氦气流中加热，由氢火焰离子检测仪分别测量自由烃w(S₁)(mg/g)、热解烃w(S₂)(mg/g)、最大热解温度t_max(℃)，并计算氢指数w(H_I)(mg/g)和氧指数w(O_I)(mg/g)。

2  分析结果

2.1  孢粉有机质类型

孢粉有机质类型的划分(表1)参照李建国等^[1]提出的分类方案，可识别出以下几种类型：(1) 孢型(Palynomorphs)：包括孢子花粉粒(图1(a))、沟鞭藻孢囊(图1(g))、绿藻类(图1(b))、疑源类、真菌繁殖体(图1(d))；(2) 结构有机质(STOM)包括植物屑、木质组织(图1(j))、角质层(图1(i))、表皮组织(图1(k))、丝炭(图1(m))及其他组织，如管状物(图1(q))、毛状物等；动物屑主要为动物外壳(图1(c))；(3) 无定形有机质(AOM)包括：微粒状(图1(o))和海绵状(图1(p))两类。此外，孢粉相还包括一些黑色不透明团块(图1(h))，包括具荧光和不具荧光的2种类型，前者可能与粪粒、生物铸体，或者其他聚合有机质有关，后者可能为丝炭屑，或其他黑色不透明物质。

图1  有机质类型及特征

Fig. 1  Characteristics and types of the organic matter

表1  有机质分类和次级分类^[1]

Table 1  Organic matter types and subtypes^[1]

2.2  热解地球化学特征

TOC(总有机碳)含量各层段变化大(图2)，具体表现为：沙三下TOC含量质量分数平均为2.02%，较为稳定；沙三上和沙三中TOC含量分布较为集中，基本在2%左右波动，最低0.79%，最高3.31%；沙二段TOC含量变化较大，最低仅为0.12%，而最高达所有样品中的最高为4.5%；沙一段TOC含量分布为0.75%~4.01%，平均达2.12%；东营组TOC含量很低，全都不超过0.5%，最低仅为0.09%；馆陶组TOC含量小于0.15%，无法获得足量孢粉有机质，故在以下内容中不予讨论。

总的来看，S井的H_I含量较高，一般在200-500 mg/g范围内，最高达638 mg/g；O_I含量较低，一般＜50 mg/g，少数样品O_I含量＞100 mg/g。

沙三以上层段大部分样品的S₁含量都较低，基本＜1 mg/g，而沙三段的S₁含量较高，平均为2.17 mg/g，最高达4.28 mg/g；S₂含量多为5 mg/g左右，部分样品的S₂含量＞10 mg/g，最高为25.6 mg/g，这与孢粉有机质特征有关。

S井的t_max高低变化显著，可以划分为2组：第1组(1~5，7和16号样品)477~504 ℃，第2组427~446 ℃，物质组成可能是引起t_max高低变化的决定因素。

图2  烃源岩热解参数柱状图

Fig. 2  Histogram of Rock-Eval pyrolysis data of source rocks

3  讨论

3.1  有机质的特征及来源

3.1.1  不同层段有机质特征

经过孢粉学处理，多数样品都获得较丰富的孢粉有机质，而1~5和7号样的孢粉有机质太少，统计数量有限，未计算其含量。

沙三下有机质组成较为单一，以无定形为绝对优势，平均含量达88%，并与大量草莓状黄铁矿共生在一起，陆生高等植物碎屑已成为极次要成分，干酪根类型属于Ⅰ型。

沙三上和沙三中大部分样品的无定形含量在80%以上，发育有沟鞭藻孢囊，少见孢粉粒、丝炭和黑团块。部分样品中木质组织和孢型含量有所增加，无定型随之减少，这些样品干酪根类型较差，其余类型以Ⅰ型为主。

沙二段有机质组成变化较大，无定形含量为20.5%~76.7%，结构有机质含量为9.9%~78%。木质组织或丝炭、黑团块的组合较为有优势，沟鞭藻及其他藻类很少，但见一定数量的孢粉粒、角质和其他组织。干酪根类型较差，属Ⅲ或Ⅱ₂型。

沙一段无定形含量为24%~70.7%，平均达54.6%，沟鞭藻和其他藻类较为发育，含量高达15.5%~40.5%，其次是孢粉粒、木质组织，少见丝炭和黑团块，干酪根类型属于Ⅱ₁型。

东营组主要以藻类和木质、丝炭等结构有机质为主，沟鞭藻孢囊特别发育，含量高达41.9%，无定形含量低，仅为14%，显示Ⅱ₂型干酪根特性。

从各个层段无定形、孢型、结构有机质3个组分的分布上(图3)可以看出，沙河街组无定形含量普遍较高，基本都在50%以上，沙二段稍低。东营组和沙一段孢型含量最多，结构有机质主要分布在东营组和沙二段。

以热解参数(t_max-H_I)反映出的有机质类型(图4)与孢粉相统计得出的有机质类型相比较，两者大体上一致，但沙一、沙二、沙三上相比孢粉相，类型有偏好的趋势，沙三中、下段相比却偏差。单一的某种方法可能具有局限性，因此，在讨论有机质类型时，应结合多种有效的烃源岩研究和评价方法。

3.1.2  不同层段有机质来源

将S井有机质组成数据投在Tyson(1993年)^[12]三角关系中(图5)，可以根据无定形与植物碎屑的比例判断出东营凹陷各个层段孢粉相和陆源有机物源头的相对距离(近源还是远源)以及与控制无定形有机质保存有关的氧化还原沉积亚环境^[12-14]。

图3  S井6个层段3个组分含量

Fig. 3  Mean percentage values of three groups for samples from each layer of S borehole

图4  t_max-w(H_I)图版划分有机质类型

Fig. 4  t_max-w(H_I) diagram showing keroge type of S borehole samples

图5  孢粉组成三角图

Fig. 5  Ternary diagram of palynologic components

孢粉相分析显示，沙三下以低等水生生物高度发育为特征，湖泊具备缺氧的强还原条件，是较深水、闭塞、厌氧的半深湖-深湖环境下的产物。沙三上和沙三中整体上显示封闭-开放的深湖-半深湖相特征，但并不十分稳定，有机质以湖泊水生生物为主，时有陆源碎屑物输入。水生生物和陆源高等植物均是沙二段有机质的来源，沉积微环境变化频繁，水体缺氧程度不稳定，导致沙二段有机质组成变化快。沙一段陆源碎屑供应较弱，藻类发育说明水体能量相对较高，无定形的聚集受到抑制，以远岸的浅湖相沉积为主。东营组以沟鞭藻和陆源高等植物输入为主，反映了弱还原、弱氧化的近源沉积水体条件。

3.2  有机质丰度与孢粉相的关系

沙三下和沙一段TOC含量平均值＞2%，很少发育结构有机质(图6)，无定形是沙三下TOC的主要贡献者，沙一段除无定形外，藻类也是有机质的主要来源。沙三上和沙三中随着陆源输入组分的增加，有机碳丰度相对降低。此层段中木质组织较为发育的19和25号样，前者含一定数量的黑团块，后者丝炭含量较高，前者的TOC是后者的2倍，这说明丝炭几乎没有任何生烃潜力，而某些黑团块在镜鉴中出现微弱荧光，可能是水生浮游植物体或高等植物碎屑在一定条件下分解聚合而成的，对TOC含量具有一定的贡献量。沙二段17号样的TOC含量最高，木质组织含量高达61.6%，此层段沉积物中保存较多的是植物碎屑，有机质类型较差。东营组TOC含量都很低，6号样品藻类含量虽然丰富，无定形却是所有样品中最低的。

无定形有机质形成时所具备的缺氧环境，可以降低有机质的氧化分解速率，提高有机质埋藏量和保存率，增加有机质的丰度。而在相对氧化环境中，有机质不易保存，即使有少量有机质被保存下来并形成烃源岩，也倾向于形成腐殖型烃源岩^[15]。

3.3  有机质演化与生烃潜力

S井根据t_max的高低可分为2组，这2组样品的孢粉相有所不同，第1组t_max较高，其中16号样以惰性的丝炭为优势，达到所有样品中的最高值43.1%。第2组以无定形为主，或者含丰富的孢型(主要是藻类遗骸)、新鲜的木质组织等具活性物质，使得t_max较低。

S₁含量较高的8个样品(图7)，孢粉相中包含了大量的无定形有机质，含量都在80%以上，有机质类型基本为Ⅰ型。S₂的含量与有机质构成有关，沙一段8，9和10号样品除发育无定形外，沟鞭藻含量非常丰富；沙三段的21和22号样品可能与海绵状无定形团块有关，这些无定形网络大分子具有很大的比表面和空隙，吸附能力很强，可能包含大量选择性保存的脂类物质，使其S₂高，以上这些样品几乎不含陆生高等植物的组分。而TOC最高的沙二段17号样品，S₂含量并不是很高，它的结构有机质特别发育，达78%，无定形含量则很低。

上述结果表明，有机质的构成差异会影响有机质的演化和生烃的差异。众所周知，无定形有机质为富氢的类脂组分，是极好的生烃母质，而作为初级生产者的各种低等藻类，是有机质的主要来源，藻类勃发导致生产力高的同时还可以消耗水中大量的氧，使水体环境更加还原。充足的物质来源和还原环境可以提高有机质的生烃潜力，对有效烃源岩的形成极为有利，仅以有机质丰度来评价烃源岩并不能客观地解释和正确揭示有机质的生烃潜力，应该结合比较有机质的类型和构成。因此，沙河街组是烃源岩形成的最佳场所，特别是沙一段和沙三下最为有利，这对页岩气的形成打下了物质基础，是页岩气勘探和开发的优选层段。

图6  TOC和无定形、孢型、结构有机质3个组分含量的关系

Fig. 6  TOC versus content of amorphous organic matter, phytoclast and palynomorph

图7  S₁，S₂和无定形、孢型、结构有机质3个组分含量的关系

Fig. 7  Plot of S₁, S₂ versus content of amorphous organic matter, phytoclast and palynomorph

4  结论

(1) 对东营凹陷自下而上6个层位进行孢粉相和热解分析的综合研究表明，孢粉相是确定烃源岩有机质来源、类型、形成环境和生烃潜力评价的有效手段。

(2) 有机质的构成差异会影响有机质的演化和生烃的差异，在关注有机质丰度的基础上，应该结合有机质的类型和构成评价烃源岩。以无定形有机质和藻类为主要来源的烃源岩具有较好的生烃潜力。

(3) 沙河街组具有丰富的有机质来源，整体形成于安静低能的缺氧静水环境，其中沙三下有机质以无定形为主，类型好，沙一段除无定形外，藻类特别发育。沙河街组是烃源岩形成的最佳场所，特别是沙一段和沙三下最为有利，是页岩气勘探和开发的优选层段。

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(编辑  陈爱华)

收稿日期：2012-10-30；修回日期：2012-12-25

基金项目：国家自然科学基金资助项目(41072089)；国家油气重大专项(2011ZX05006-001)；中国石油化工有限公司科技局基金资助项目(P12062)

通信作者：蔡进功(1961-)，男，山东长岛人，博士，教授，博士生导师，从事海洋沉积学和石油地质学研究；电话：18621883689；E-mail：jgcai@tongji.edu.cn