阜阳凹陷石炭-二叠系地层烃源岩特征及有利区带评价优选

王宇涵

（中国石化石油工程地球物理公司华东分公司地球物理研究所，江苏南京 210000）

阜阳地区石炭-二叠系地层重复的海进、海退，形成了多套薄层烃源岩和致密砂岩储集体“互层式”的生储盖组合，构成了“源-储互层式沉积”模式[1]，大规模分布烃类物质，生成规模及分布范围都为较大的非常规油气藏。2002年钻探的古城1井钻遇到这套烃源岩，但烃源岩有机质丰度总体偏低[2]；张文茂认为此地区石炭–二叠系泥岩具有较高的生烃潜能，油气资源较为丰富[3]；徐行认为本区域烃源岩天然气资源潜力区集中于颜集凹陷和倪丘集凹陷，倪丘集凹陷和古城低凸起属于油资源潜力区。为进一步客观评价石炭-二叠系地层油气资源潜能，对阜阳石炭-二叠地区进行沉积特征分析，对地层进行精细评价，确定有利勘探目标区带区带。

1 区域地质概况

阜阳凹陷位于安徽省西北部，属周口盆地（图1）。经多年的勘探，仅在周口坳陷盆地北部的倪丘集大王庄构造古近系玉皇顶组发现工业油流，经油源对比认为，其油源来自于下伏石炭-二叠煤系地层[4]。而周口盆地南部的临泉凹陷、阜阳凹陷等地在浅、中、深不同地层都出现钻井油斑、油迹及气显示[5]。对阜阳凹陷及周边钻井分析认为，该区主要发育寒武-奥陶系、石炭-二叠系和下白垩统三套烃源岩，其中主要以石炭-二叠系烃源岩为主。

图1 阜阳凹陷区域位置

2 烃源岩特征

对阜阳地区地层沉积演化、区域沉积特征与泥页岩厚度等分析认为，阜阳地区大部分为石炭-二叠烃源岩。石炭-二叠系地层主要为一套煤系地层，其中暗色泥岩、煤岩和碳酸盐岩为烃源岩，主要为暗色泥岩和煤岩。层位包括太原组、山西组、下石盒子组及上石盒子组。石炭-二叠系烃源岩是构成阜阳地区非常规油气藏的关键物质基础。

2.1 有机质丰度（TOC）

页岩气评价包括烃源岩所含的有机质是否丰富充足，有机质丰度是页岩气勘探选区的重要参数之一。据勘探资料，北美五大页岩气盆地中TOC通常为1.5%～20.0%。

王延斌等分析渤海湾盆地煤岩的有机地化指标认为[6]，S1+S2、IH等烃源岩参数和煤岩中的壳质组和镜质组含量非常相关，特别是和E+S更加密切，并给出石炭–二叠系煤岩的TOC评价标准（表1）。

表1 华北石炭–二叠系煤的有机质丰度评价标准

山西组和太原组的有机碳含量为56.29%～63.06%，氯仿沥青“A”1.990 0%～2.340 0%，总烃5 426×10–6～7 024×10–6，生烃潜量平均值为146.63 mg/g，属于中等烃源岩；下石盒子组有机碳含量为62.31%～62.71%，氯仿沥青“A”为1.230 0%～3.600 0%，总烃2 056×10-6～6 132×10-6，为中等-好烃源岩。除二叠系山西组（P1s）以外，均达到中等烃源岩标准（表2）。

表2 阜阳地区石炭–二叠系煤岩有机质丰度

钱奕忠对煤系暗色泥岩有机地化指标统计显示，有机碳含量为0.36%～4.61%、暗色泥岩有机质丰度较高氯仿沥青“A”为0.005 4%～0.2110 0%，总烃（17×10-6～780×10-6）基本达到中等-好的烃源岩标准（表3）。

表3 石炭–二叠系源岩有机质丰度

石炭-二叠系烃源层暗色泥岩油源岩从上到下逐渐变好，气源岩则逐渐变差。从层位上看，下石盒子组（P2x）泥岩有机碳含量为0.74%～5.62%，平均为3.18%，为中等–好烃源岩；上石盒子组P2s泥岩有机碳含量为2.00%～7.58%，平均为4.79%，S1+S2为4.93～16.75 mg/g，平均为10.30 mg/g，达到中等–好烃源岩标准；二叠系太原组和山西组有机碳含量平均达2.46%～2.98%，氯仿沥青“A”为0.051 6%～0.272 2%、生烃潜量S1+S2为2.28～2.72 mg/g，总烃152.22×10-6～173.40×10-6，有机质丰度相对较高。

2.2 有机质类型

有机质类型对页岩气的生烃能力有重要影响，有机质类型主要通过干酪根的性质进行表现。由于烃源岩中的有机显微组分的形态、种类、成因、光学特征各异，因此其化学组成、结构、母质类型及生烃潜力也各不相同[7]。阜阳地区烃源岩的主力生油组分是壳质组和腐泥组，而除了富氢镜质体以外的镜质组和惰质组一般作为生气组分。

以有机岩石学定量分析法对某井石炭-二叠系烃源岩岩心样品中有机显微组分组成及含量统计。从生成的数据得出以下结论：①煤岩中的有机显微组分以镜质组和惰质组为主，其总含量为66%～80%；山西组（P1s）和下石盒子组（P1x）煤中的镜质组和惰质组含量基本持平，太原组（P1t）的煤中镜质组含量为58%，惰质组只有8%，低于镜质组，且太原组煤的富氢镜质体含量高于20%，较为丰富；可以得出阜阳地区石炭–二叠系煤生气能力较强的结论。②在泥岩中，壳质组与腐泥组也占有一定比例，可见泥岩具备作为烃源岩的条件，其具有很强的生油能力。

对古城1井石炭-二叠系的煤和暗色泥岩中的“A”组分分析显示，煤的饱和烃含量为3.90%～14.43%，暗色泥岩为6.31%～17.7%；煤的芳香烃含量为9.44%～28.36%，暗色泥岩芳香烃含量为3.60%～29.37%。煤和泥岩的饱和烃和芳香烃的总和均小于50%，饱和烃/芳香烃除太原组泥岩外都小于1。煤、暗色泥岩的沥青质含量相近且较多，表现为沥青质、非烃含量比芳香烃和饱和烃多的现象，有机质类型多为腐殖型（Ⅲ型），同时也含有富氢混合型母质（Ⅱ型）。烃源岩的有机岩石学资料、干酪根的元素、同位素资料以及热解资料也反映出同样特征。而富氢的显微组分有更大的液态烃生成潜力，一般主要是生气组分。将不同地层的煤系烃源岩进行对比归类，上石盒子组泥岩和煤属于Ⅲ型；下石盒子组泥岩属于Ⅲ-Ⅱ2型，煤属于Ⅲ型；山西组泥岩以Ⅲ-Ⅱ2型为主，煤属于Ⅲ型；太原组泥岩则为Ⅲ-Ⅱ2型，煤为Ⅲ型[8]（表4）。

表4 古城1井有机显微组分组成及含量

2.3 有机质成熟度（Ro）

页岩要成为潜在的页岩气勘探目标区带，其成熟度必须进入生气窗。因此，展开对研究区有机质成熟度Ro的研究。

据南4井的资料，石炭–二叠系每组段地层热解峰值温度高达500 ℃甚至更高，Ro为1.47%～2.45%，煤的种类为瘦煤、贫煤到高变质程度的无烟煤，有机质母岩处于高成熟–过成熟–变质阶段，热演化程度处于高成熟–过成熟阶段。

干气区周边Nan6井、Guchenl井所在的古城低凸起石炭–二叠纪煤系Ro值为0.62%～0.89%，煤阶正在由气煤到肥煤的相当成熟阶段，属于生烃高峰期。倪丘集凹陷Nan11井、MM3井的Ro为0.8%～0.88%，属于气–肥煤带，处在成熟阶段。以上两处烃源岩演化程度持平[7]。

从平面上分析，阜阳地区石炭系-二叠系烃源岩热演化程度呈现北高南低，以鹿邑-颜集凹陷为变质带中心，呈带状展布。古城低凸起、倪丘集凹陷煤系烃源岩有机质处于气煤-肥煤的相当成熟阶段[10]，北部鹿邑-颜集凹陷石炭-二叠系的烃源岩有机质为高成熟-过成熟阶段。阜阳地区石炭-二叠系煤系烃源岩的有机质热演化程度已达到成熟阶段，其中大部分为煤成气，少量Ⅱ型干酪根可生成液态石油（表5）[7]。

表5 阜阳地区及周边钻井石炭–二叠系煤岩的Ro

3 储层特征及物性条件

3.1 储层岩石学特征及空间关系

石炭-二叠系的煤系地层是阜阳地区非常规油气的主力分布层位。华北地区在整体海退的背景下，得以形成晚古生代沉积建造，其海进、海退频率较高。石炭-二叠系地层沉积了一套煤、泥岩、砂岩、灰岩交互叠置、频繁互层的海陆过渡相沉积结构，构成了“源-储互层式沉积”模式。自下而上，陆相沉积作用不断加剧，大陆环境自北向南逐渐推进，北部的阴山（内蒙）古陆作为其主要的物源。因此，石炭-二叠系沉积相自北而南表现为冲积扇体系、砾质辫状河体系、砂质辫状河体系、曲流河体系、三角洲体系及碎屑滨岸体系。

将生储盖层的空间组合关系作为评价标准，阜阳地区生储盖层组合方式分为自生自储型、新生古储型和古生新储型。阜阳地区石炭-二叠系地层成藏模式以自生自储型为主，古生新储型和新生古储型占比较少[8-9]。

区域沉积演化显示，阜阳地区晚古生代沉积建造是在整体海退背景下，频繁发生海进、海退而形成的，其砂岩、泥岩相互叠置，形成了大量薄层烃源岩和致密砂岩等储集体“互层式”的生储盖组合，因此整个石炭-二叠系烃类物质分布较多；同时由于储层相对致密、物性较差，减弱了油气大范围、长距离运移的能力，因此，煤系烃源岩生成的油气主要赋存于其内部及周围的致密储层内，自生自储非常规油气藏得以形成[9]。

阜阳地区石炭-二叠系地层成藏模式以自生自储型为主，总体上表现为上古生界烃源岩在二叠纪晚期小规模生烃，在三叠纪生烃规模增大，是其生烃高峰期，且达到成熟阶段（图2）。由于印支运动的影响，地层抬升剥蚀，生烃量开始降低。早白垩世，部分凹陷地区由于再次沉降，接受沉积，生烃量有一定增加，部分地区有机质成熟度达到过熟阶段，而白垩系地层厚度小，因此凸起地区的生烃高峰表现较弱。晚白垩世以后，生烃期规模都较小，在古近纪晚期，生烃量才逐渐上升。由于盆地内不同构造单元的演化不同，造成石炭–二叠系烃源岩自进入生烃门限后，保持持续生烃，且受后期断裂作用较小，保存条件较好，易形成“源-储互层式”的非常规油气藏。

图2 阜阳凹陷自生自储型成藏模式

阜阳地区烃源层的第一次生烃期为三叠纪，之后的早白垩世和古近纪中后期由于烃源层再次埋深，古近纪中后期的二次生烃是本区油气成藏的关键时期。

3.2 物性特征

周口盆地阜阳地区石炭系灰岩-砂岩储层为该区域主要储层，从沉积物转变为沉积岩的变化较强，岩石致密，地层较薄，物性一般不理想。据前人资料，二叠系砂岩的发育程度较好，砂岩厚度为335.0～428.5 m，砂岩含量一般为21%～39%，是烃源岩内部的一套主要储层。样品物性分析显示，孔隙度为0.06%～8.4%，均值为3.3%；渗透率为0.007×10-3～33.370×10-3μm2，均值为0.640×10-3μm2，除少量样品的孔渗参数出现高值，全区样品大体为特低-超低孔渗储层（表6）。通过测井剖面观察，煤系地层内砂岩自然电位曲线近于平直。储层和烃源岩互层沉积，煤系烃源层将产生的天然气快速运移进储层中，成岩作用被相对抑制，砂岩储层得以保护，产生了大面积气藏。由于构造作用，砂岩物性较差，研究区普遍存在裂缝，如MM1井太原组取心段为1 566.45～1 566.84 m，岩心表现为方解石充填粉砂岩裂缝，孔洞发育，油存在于裂缝中；铸体薄片中可见较多微缝，微缝宽为0.003～0. 006 mm，断续分布，可见分叉状、两头尖灭状微缝。

表6 阜阳地区石炭–二叠系储层物性

4 地震波品质因子Q属性分析

岩石一般是非弹性体，波在其中传播时，会有一部分机械能转换成热能，反映了岩石本身对波的吸收特性。波在岩石中的这种衰减性质通常用岩石的品质因子Q来表征。

岩石中所含流体的改变会导致Q值的不同，同一流体处于不同状态时也会引起Q值的变化，且Q值对这种情况很敏感，所以对探测岩石所含流体的类型与物理状态（相变）很重要。

Q属性可以用来探测气或流体的饱和度，只要知道地震波品质因子作为含气（流体）饱和度之函数和给定饱和度情形下作为这种天然气（流体）的几何分布之函数如何变化，就可以预测地层的含气性和渗透率等信息。

研究区测线FY02线Instantaneous Q属性显示，石炭-二叠系地层底部斜坡向深凹过渡地带具有较强的Q值及低频现象，表明该地带石炭-二叠系目的层段上含气性较好（图3）。

图3 FY02线Instantaneous Q属性剖面

5 有利区带优选

结合阜阳地区油气勘探现状及天然气资源特点，目标区带有利区的评价与其成藏条件密切相关，即由页岩TOC、Ro、储层物性、埋深等条件综合决定的。

在区域大套泥页岩较厚且分布稳定、地震品质较好、储集物性较好、有机质类型等多个条件较好的前提下，将目的层埋深、优质泥页岩厚度、TOC、Ro、沉积相等成藏条件分布图在平面上进行叠置，对目标区带有利区进行综合评价，优选有利区带。

基于目前工程技术条件，将埋深大于4 000 m的区域划为潜在区，埋深为1 500～4 000 m的区域划为有效区。以阜阳地区TP1t 向上200 ms层段主频分布图作为底图，综合地震品质、构造特征、埋深、地层厚度等信息进行有利区带的圈定工作。

如图4所示，红色虚线多边形范围内为石炭–二叠系目的层的有利区带，面积为110 km2，石炭–二叠系目的层有利区带位于阜阳凹陷中西部，埋深条件合适，地层较为稳定，构造特征良好，优质泥岩厚度较大，为本区的主要勘探区域。根据主频特征，有利区内存在两个低频部位，各项成藏指标较好，因此可将2个低频部位设定为2个井位目标区带。

图4 阜阳地区TP1t向上200 ms层段主频分布

1号目标区带位于阜阳凹陷缓坡带中部，面积约为20 km2，地震反射稳定，埋深为2 200～2 800 m，并在该有利区带形成低频点。太原组厚度达到100 m左右，TOC、Ro适中，处于成熟阶段，其他各项参数指标较好。2号目标区带位于阜阳凹陷下降盘沉积中心附近，有效面积约为18 km2，埋深为3 200～3 550 m。泥页岩厚度较大，本溪组厚度达到40 m左右，TOC、Ro适中、处于成熟阶段。其他各项参数指标较好，该目标区带可以兼探阜阳地区地层大体完整发育情况。

6 结论

（1）根据生储盖层的空间组合关系得出，阜阳地区存在古生新储型、自生自储型、新生古储型三类组合类型，其中以自生储型为主，石炭–二叠系烃源岩地层主要发育自生储型模式。

（2）以页岩TOC、Ro、储层物性、埋深等条件，将阜阳凹陷有利区带分为位于阜阳凹陷缓坡带中部的一号目标区带和位于阜阳凹陷下降盘沉积中心附近的二号目标区带。