石炭系—二叠系烃源岩生烃条件静态评价

中—新元古界烃源岩生烃条件静态评价~

1.有机质丰度
研究区中—新元古界主要发育于冀北地区，其中洪水庄组泥、页岩有机质丰度最高，平均有机碳含量为2.84%，最高可达6.1%（表4-2-1），氯仿沥青“A”含量平均值为0.1808%，为一套好烃源岩；有机碳含量在宽城化皮背斜及其周边和双洞背斜最高，平均值分别在4.0%和3.0%以上，在党坝向斜内多为有机碳含量大于2.0%分布区（图4-2-1）。其次为下马岭组泥页岩，有机碳含量平均值为1.67%，最高可达16.7%，已达到好烃源岩的评价标准，但可溶有机质含量相对较低，可能与辉绿岩烘烤有关；有机碳含量在双洞背斜河承德县以西大营乡一带有机质丰度较高，有机碳含量大于2.0%（图4-2-2），化皮背斜带有机碳含量在0.51%～0.89%，党坝向斜其余地区为1.0%～2.0%分布区，大部分地区均为可形成工业油气流的好烃源岩分布区。铁岭组泥页岩虽然有机碳含量也较高，但厚度较薄；碳酸盐岩中铁岭组有机质丰度最高，有机碳含量平均为0.31%，最高者可达1.87%，并且具有较高的可溶有机质含量，为一套有效油源岩，有机碳含量在宽城至承德县大营乡和双洞背斜带最高，有机碳含量分别大于0.3%和0.35%；党坝向斜带内平泉县双洞至宽城化皮之间为有机碳含量0.2%～0.3%分布区，兴隆县被水泉乡一带有机碳含量大于0.1%，大部分地区均为有效气源—油源分布区（图4-2-3）。雾迷山组、高于庄组和串岭沟组有机质丰度较低，但部分样品达到了有效烃源岩的评价标准，特别是高于庄组灰岩有机碳含量平均值为0.23%，TOC＞0.25%达到有效气源岩标准的占42.1%。

表4-2-1 冀北坳陷烃源岩有机质丰度数据表


续表

注：1.67（45）为平均值（样品数）。

图4-2-1 中—新元古界洪水庄组有机碳含量等值线图


图4-2-2 中—新元古界下马岭组有机碳含量等值线图


图4-2-3 中—新元古界铁岭组有机碳含量等值线图

2.有机质类型
镜下观察表明，下马岭组页岩有机显微组分大多呈藻腐泥型球粒状无定性结构，类脂组含量大于60%，干酪根类型多属于Ⅱ1型，少数属于Ⅱ2型；铁岭组和雾迷山组有机显微组分中类脂组含量大于70%，干酪根类型属于Ⅰ—Ⅱ1型；洪水庄组类脂组含量大于85%，干酪根类型属于Ⅰ—Ⅱ1型；长城系高于庄组岩石样品，干酪根呈不规则粒状和无定形团块状结构，干酪根类脂组含量大于80%，干酪根属于Ⅰ型。中—新元古界各套烃源岩的总烃与δ13C的关系（图4-2-4a）同样表明各套烃源岩有机质类型以I型为主，少数样品为Ⅱ1类。但从干酪根的H/C-O/C原子比关系图中，各套烃源岩大部分样品在Ⅱ2—Ⅲ型的范围内（图4-2-4b）。分析认为地面露头样品因暴露地表，长时间遭受风化氧化，使干酪根的氧含量增加，O/C原子比明显变大，H/C原子比相应变小，干酪根类型变差。对于受到火成岩烘烤的地面样品来说，干酪根类型变得更差。这表明应用范氏图划分露头样品和受到火成岩烘烤样品的有机质类型偏低，如果要用，应加以校正。综合干酪根扫描电镜分析、镜下鉴定、元素组成及碳同位素组成分析认为，中—新元古界干酪根类型以Ⅰ型为主，少数样品为Ⅱ1型。

图4-2-4 冀北地区中—新元古界烃源岩有机质类型判识图

3.有机质成熟度
目前使用的比较多、可信度较大的热演化指标是镜质体反射率。但高等植物的真正出现是从泥盆纪以后，泥盆纪以前的中—新元古界和寒武系—奥陶系根本不存在镜质体，从而镜质体反射率指标在这些地层中无法应用。因此，在本研究中对中—新元古界和寒武系—奥陶系烃源岩主要采用了沥青反射率、海相镜质体反射率、最高热解峰温Tmax以及H/C比等多种方法对成熟度进行了确定。为了与其他层系烃源岩热演化程度相对应，还利用固体沥青反射率、海相镜质体反射率与镜质体反射率的关系换算成镜质体反射率，以便于对比研究。

图4-2-5 镜质体反射率与沥青反射率关系图

固体沥青反射率与镜质体反射率的对应关系是利用新疆和田探区石炭系、二叠系碳酸盐岩样品来建立的，这些样品中既含沥青，又含正常的陆源镜质体，通过对其中含两种显微组分的样品分别进行了沥青反射率和镜质体反射率测定（图4-2-5），建立了它们的相关关系式（公式4-2-1）：
Ro=0.6097Rb+0.4001 （4-2-1）
这与国际煤及有机岩石学会推荐的Jacob等（1985）、国内较有影响的丰国秀等（1988）、刘德汉等（1994）建立的Ro-Rb关系非常接近。根据以上关系式，利用固体沥青反射率确定碳酸盐岩成熟度时，可直接利用沥青反射率或把沥青反射率换算为等效镜质体反射率后，按以下标准进行划分成熟阶段（表4-2-2）。

表4-2-2 碳酸盐岩成熟阶段划分标准

海相镜质组反射率与正常镜质组的关系主要利用钟宁宁（1995）的研究成果：
Rmv=0.805Rc-0.103（0.50＜Rc≤1.50）（4-2-2）
Rmv=2.844Rc-3.630（1.50＜Rc≤2.50）（4-2-3）
Rmv=1.082Rc+0.025（2.50＜Rc≤5.00）（4-2-4）
从各套烃源岩的有机质成熟度来看，下马岭组有机质成熟度较高，Tmax值表明从低成熟阶段到过成熟阶段均有分布（表4-2-3），从下马岭组各有机质成熟度指标折算镜质体反射率编制的有机质成熟度平面图（图4-2-6）来看，双洞至凌源市龙潭沟一带和承德县滴水崖至宽城之间有机质成熟度较高，折算镜质体反射率高于2.0%，已演化到高成熟阶段，主要由于这两个地区辉绿岩分布广、厚度大，由辉绿岩的高温烘烤所致。兴隆县以北及承德县大营相一带辉绿岩不发育，折算镜质体反射率小于1.3%，仍处于成熟阶段。

表4-2-3 冀北坳陷烃源岩成熟度参数

注：421～550/49449）为最小值～最大值/ 平均值（样品数）。

图4-2-6 下马岭组有机质成熟度平面分布图

（据华北石油，1996，修改）
铁岭组有机质热演化从低成熟阶段到过成熟阶段均有分布，主要处于成熟阶段，有机质成熟度比上覆下马岭组低（表4-2-3）。从铁岭组岩石折算镜质体反射率编制的有机质成熟度平面图（图4-2-7）来看，凌源市龙潭沟一带折算镜质体反射率已达1.5%，进入湿气阶段；党坝凹陷带边缘折算镜质体反射率为1.3%～1.4%，大约处于凝析油阶段。在党坝凹陷带内折算镜质体反射率均小于1.3%，仍约处于生油阶段，这表明下马岭组辉绿岩对铁岭组有机质的热演化影响不大。
洪水庄组有机质成熟度低于下马岭组，但高于铁岭组，主要处于成熟阶段。从洪水庄组折算镜质体反射率编制的有机质成熟度平面图（图4-2-8）来看，党坝凹陷带边缘和凌源县和承德县靠近火成岩的样品折算镜质体反射率多大于2.0%，已达干气阶段；在党坝凹陷带内广大地区折算镜质体反射率小于1.3%，仍约处于生油阶段。
雾迷山组有机质主要处于成熟—高成熟阶段，以生油和凝析油为主。高于庄组岩石样品Tmax平均值为492℃，大约有72.7%的样品Tmax＞475℃，处于以生气为主的阶段，仍有27.3%的样品Tmax＜475℃，处于凝析油阶段。
上述各层系岩石样品有机质成熟度指标所反映的成熟度基本上是一致的，即雾迷山组以上地层多处于以生油为主的热演化阶段。而下马岭组页岩处于以生气为主的阶段。

图4-2-7 铁岭组有机质成熟度平面分布图

（据华北油田，1996，修改）

图4-2-8 中—新元古界洪水庄组有机质成熟度平面分布图

4.典型地球化学剖面
从冀北凹陷中—新元古界典型地球化学剖面（化1井）来看（图4-2-9），洪水庄组页岩有机质丰度最高，有机碳含量平均值高达4.19%，氯仿沥青“A”平均值为3647×10-6，生烃潜力（S1+S2）平均值高达10.84mg/g岩石，有机质类型以Ⅰ—Ⅱ1型为主，热演化已进入成熟度阶段，综合评价为可形成大型油气田的烃源岩；铁岭组白云岩其次，有机碳含量平均值为0.48%，氯仿沥青“A”平均值为672×10-6，生烃潜力（S1+S2）平均值为1.19mg/g岩石，有机质类型以Ⅰ—Ⅱ1型为主，热演化已进入成熟度阶段，综合评价为有效生油——形成工业油气藏的烃源岩；雾迷山组白云岩达到有效气源岩的评价标准。与化1井相比较，处于隆起部分的京101井有机质丰度相对较低（图4-2-10），仅有铁岭组岩石样品有机碳含量高于0.5%，有机质成熟度也相对较低。
中—新元古界不同地区露头样品与井下样品相差甚远，从辽南，冀东的野外露头地球化学剖面来看（图4-2-11，图4-2-12），中—新元古界岩石（包括震旦系的泥岩和灰岩）样品有机质丰度普遍较低，基本达不到最低烃源岩的下限标准，可能是受地表风化作用影响所致。

图4-2-9 化1井综合地球化学剖面图


图4-2-10 京101井综合地球化学剖面图


图4-2-11 辽南复州湾地区综合地球化学剖面图


图4-2-12 冀东地区野外露头综合地球化学剖面图

5.有效烃源岩的分布
下马岭组沉积中心在宣龙坳陷的新保安一带，暗色泥岩厚度大于300m（图4-2-13），向南向东逐渐变薄，在保定—天津以北尖灭，大部分烃源岩厚度在100～300m之间。铁岭组烃源岩厚度多在150～400m之间（图4-2-14），分布范围与下马岭组大体相当而略宽。洪水庄组烃源岩分布范围略小于下马岭组，有效烃源岩最大厚度达140m（图4-2-15）。雾迷山组以白云岩为主，岩性相似，泥质含量较少，有机质丰度低，其中暗色泥岩可按烃源岩对待，在冀北平泉一带厚度超过3000m。高于庄组烃源岩厚度在房山—蓟县一带超过1300m，在冀北宽城一带超过1100m，向西、向南两侧逐渐减薄，分布范围大于雾迷山组。

图4-2-13 下马岭组有效烃源岩等厚图


图4-2-14 中—新元古界铁岭组有效烃源岩等厚图


图4-2-15 中—新元古界洪水庄组有效烃源岩等厚图

华北地区属于稳定的地台型陆表海沉积，在寒武纪—奥陶纪时期沉积了以海相碳酸盐岩为主的海相地层。
1.黄骅坳陷寒武系—奥陶系烃源岩黏球形藻的发现及意义
（1）黏球形藻样品分析
在黄骅拗陷孔西潜山带烃源岩研究过程中，从孔古4井奥陶系（3809.86m，O2f）烃源岩中发现了黏球形藻（图版4-2-1，图版4-2-2，图版4-2-3）。样品肉眼观察为灰黑色灰岩，白色细晶碳酸盐岩矿物和黑色岩石无规律混杂存在，有明显的碳酸盐岩条带或缝合线出现。此外，尚见有黑色沥青脉出现。从保存形态和荧光特征来看，发现广泛分布有强荧光的似分散状和叠层状黏球形藻，富集程度高，形态分布保存完好，可与前人提供的彩色图片对比（Fowler et al.，2004 ；Mastalerz et al.，2003 ；Blocker et al.，2001）。
样品分析显示（表4-2-4）TOC为0.43%，S1为0.12mg/g岩石，S2为0.38mg/g岩石，有效碳PC为0.06%，表明有机质丰度指标接近或达到烃源岩标准，特别是Tmax为443℃，说明样品成熟度不太高。另外，样品中测出的MinC为10.42%，比一般泥岩明显较高，也说明样品属碳酸盐岩。对孔古4井富黏球形藻样品干酪根裂解分析发现，样品富含酚类化合物（图4-2-16）。与前人发现黏球形藻富含苯酚的现象相吻合。

表4-2-4 孔古4井（O2f）具G.prisca样品基础地球化学数据

（2）黏球形藻简介
黏球形藻（Gloeocapsomorpha prisca，简称 G.Prisca），最早是 Zalessky（1916）在爱沙尼亚kukersite油页岩中发现，由于其形态学特征与现代蓝绿藻纲的黏球藻属（Gloeocapsa，Kutzing，1898）的形态非常相似，因此命名为黏球形藻（Zalessky，1916），后来Burns（1982）通过光学特征对比也证实了G.Prisca和Gloeocapsa之间的联系。

图4-2-16 孔古4井（3809.86m）干酪根裂解产物中的高含量酚类化合物

Foster et al.（1986）首先将澳大利亚Canning 盆地中奥陶系源岩中呈现“挤压成层的呈强烈黄色—橙色荧光”的藻类体，根据形态学特征归属于黏球形藻（G.prisca，Zalessky，1916）。同时，美国学者Reed等（1986），通过对加拿大、美国、爱沙尼亚和澳大利亚盆地中的奥陶系原油和干酪根开展对比研究，发现普遍具有C9—C19正构烷烃优势、略具奇碳优势和较低的 正构烷烃和类异戊二烯含量等特征，基于kukersite油页岩干酪根中富含黏球形藻（大于98%）以及地球化学特征相似性，首次将黏球形藻的生烃贡献与奥陶系原油联系起来。以后，多数学者发现全球范围内奥陶系烃源岩干酪根热解产物及其生成的原油地球化学特征具有普遍相似性（Rullkotter et al.，1986；Fowler，1992）。这些共性不仅支持了Reed et al.（1986）发现的事实，也支持了其关于奥陶系原油主要来自黏球形藻生烃贡献的结论。至此，黏球形藻被认为是全球范围内中、上奥陶统烃源岩的一种重要生烃母质，与奥陶系原油的母质成因联系被建立起来（Reed et al.，1986 ；HoffMan et al.，1987 ；Fowler，1992），吸引了许多学者对其地质分布和可能的生物属性开展了研究。
法国学者Derennne et al.（1992）利用电子显微镜和热解质谱对富黏球形藻的干酪根样品进行研究发现，从形态学和化学特征上可划分出2类明显的G.Prisca，一种是细胞壁封闭的富含苯酚的干酪根，另一种属细胞壁开放的贫苯酚的干酪根。针对上述事实，加拿大学者Fowler（1992）对奥陶系烃源岩进行了分类：①Kukersite型：其有机质几乎全部由G.Prisca组成；②稀释的Kukersite型：有机质中G.Prisca有明显贡献；③非Kukersite型：有机质中基本没有G.Prisca贡献。根据统计资料，Fowler（1992）认为北美地台寒武系—奥陶系碳酸盐岩油气田的形成，主要来自Kukersite型和稀释Kukersite型烃源岩的生烃贡献，仍然维持了G.Prisca 作为全球奥陶系烃源岩生烃母质的重要结论。
我国塔里木盆地塔中12井（4970m，丘间洼地相，泥晶灰岩）和塔参1井奥陶系中发现了典型的富含G.Prisca 的微细层，在鄂尔多斯盆地下奥陶统条纹状碳酸盐岩样品中也发现广泛分布有强荧光的黏球形藻。但是，由于镜下形态、形状不是特别好，并且上述两个盆地的样品需要在激光荧光下才能分辨出黏球形藻。因此，G.Prisca 在我国一直未有正式的专题文章报道。虽然，寒武系—奥陶系来源的工业性油气藏已有发现，但是未见有文献明确地将寒武系—奥陶系原油归功于G.Prisca的生烃贡献。
鉴于目前国际上一直未见有地质研究大国——中国发现G.Prisca 的报道，以及国内有关G.Prisca的研究成果相对较少，而且富含有利于生烃的G.Prisca 的存在，暗示了可能存在黏球形藻相对富集的层位，亦即寒武系—奥陶系优质烃源岩的存在，从而为寻找渤海湾盆地寒武系—奥陶系优质烃源岩提供了有力的佐证，也预示了寒武系—奥陶系可能存在较大的生烃潜力。但是，以往认为我国塔里木和鄂尔多斯等盆地奥陶系黏球形藻少，不是主要生烃母质，渤海湾地区的沉积条件可能有所不同，不仅存在结构藻类体、层状藻类体和富纤维素的褐藻而且富含有利于生烃的似黏球形藻，其生态环境和生烃贡献值得进一步研究。

表4-2-5 华北东部寒武系—奥陶系岩石有机质丰度参数统计表

注：括号内为样品数。
2.有机质丰度
奥陶系有机质丰度高于寒武系（表4-2-5；图4-2-17），寒武系除了府君山组、馒头组和凤山组极少样品达到烃源岩评价标准外，基本上被排除烃源岩的范围。在有机质丰度较高的奥陶系中，上马家沟组岩石样品有机质丰度最高，有机碳含量平均值为0.21%，最高可达0.93%，其次为峰峰组，有机碳含量平均值为0.18%，最高可达0.82%，下马家沟组有机质丰度相对较低，有机碳含量平均值为0.17%，三者部分样品达到有效气源岩和有效油源岩的标准。冶里组和亮甲山组仅少数样品达到烃源岩的评价标准。寒武系有机质丰度除了凤山组外，由新到老有机质丰度逐渐增高，大部分样品有机质丰度低于0.20%，达不到有效烃源岩的评价标准。但是，在华北北部的冀北平泉双洞子地区，有些寒武系岩石样品有机质丰度较高，岩性以泥质岩为主，有机碳含量可达1.0%以上，具有较大的生烃潜力。

图4-2-17 华北东部寒武系—奥陶系不同层位平均有机碳含量对比图


表4-2-6 济阳坳陷寒武系—奥陶系海相碳酸盐岩沉积有机相划分表

值得指出的是，不仅在孔古4井奥陶系峰峰组中发现了黏球形藻，而且在黄骅坳陷南部的乌深1井、徐13井附近补充的钻孔样品地球化学分析表明，有机碳含量最高可达0.8%，远高于以往报道的数值，虽然面积较小，但预示奥陶系可能存在更优质的烃源岩。
研究区内不同坳陷寒武系—奥陶系有机质丰度有一定差异，即使在同一坳陷的不同凹陷内也有变化，分析认为主要受有机质沉积环境和成熟度的影响。此外，寒武系—奥陶系烃源岩样品采集难度较大，尽管对前人研究资料进行了较全面地收集，但平面上相关资料仍不够系统，因此，对有机质丰度的研究是根据海相碳酸盐岩不同沉积相的沉积环境、有机岩石学特征及地球化学特征，首先对济阳坳陷海相碳酸盐岩的沉积有机相进行划分（表4-2-6），确定了局限海有机相为一类有利生烃区，开阔海、泥灰云坪为二类有利生烃区，浅滩有机相为三类生烃区。结合沉积有机相的划分及分布编制了奥陶系和寒武系有机碳以及有机质相对富集的峰峰组和马家沟组有机碳含量的平面分布图。从奥陶系有机碳平面等值线图（图4-2-18）上看出，在东濮凹陷—临清东部—黄骅南部和冀中坳陷一线有机质丰度较高，有机碳含量可在0.2%以上。寒武系在冀中坳陷北部有机质丰度相对较高（图4-2-19），有机碳含量在0.15%，其余地区有机碳含量均小于0.15%。峰峰组黄骅坳陷南部地区有机质丰度最高（图4-220），有机碳含量在0.3%以上，其次在济阳坳陷南部和临清凹陷中部地区有机质丰度可达0.25%以上，东濮凹陷南部有机碳含量在0.2%以上。马家沟组与峰峰组高有机质丰度值区域有些改变（图4-2-21），东濮凹陷东南部为有机质丰度最高的地区，有机碳含量在0.3%以上，黄骅坳陷南部、冀中坳陷东北部和济阳坳陷南部—临清坳陷一线有机质碳含量均在0.2%以上。

图4-2-18 华北东部奥陶系碳酸盐岩有机碳含量等值线图


图4-2-19 华北东部寒武系碳酸盐岩有机碳含量等值线图


图4-2-20 华北东部奥陶系峰峰组碳酸盐岩有机碳含量等值线图


图4-2-21 华北东部奥陶系马家沟组碳酸盐岩有机碳含量等值线图

3.有机质类型
华北东部寒武系—奥陶系源岩有机质生源为低等植物菌藻类和一些浮游动物，其原始有机质类型以Ⅰ、Ⅱ型干酪根为主。为了对寒武系—奥陶系有机显微组分有更深入的认识，选取工区内胜利油区寒武系—奥陶系不同层位的样品进行了有机质富集，由显微组分鉴定结果可以看出（表4-2-7），所鉴定样品有机显微组分组成主要以低等水生生物来源的腐泥组分为主，相对含量在80%以上，部分样品含有一定量的海相镜质体和次生固体沥青，因透光下不易区分，而统一归于类镜质组，有机质类型鉴定结果均为I型干酪根。
黄骅坳陷寒武系—奥陶系镜鉴结果表明，有机质类型以Ⅰ—Ⅱ1型为主，Ⅱ2型较少发育，渤中坳陷寒武系—奥陶系有机质显微组分中腐泥组含量很低，壳质组含量较高基本都在80%以上，有机质类型属于Ⅱ1—Ⅱ2型。总的来说，寒武系—奥陶系所含有机质的是以Ⅰ—Ⅱ1型为主，比较利于成烃。

表4-2-7 胜利探区部分寒武系—奥陶系碳酸盐岩干酪根类型鉴定表


续表

4.有机质热演化
华北东部寒武系—奥陶系不同地区成熟度差异较大，济阳坳陷、临清寒武系—奥陶系有机质成熟度主要分布在高成熟阶段（图4-2-22），部分样品处于过成熟和成熟阶段。黄骅坳陷寒武系—奥陶系烃源岩有机质成熟度主要处于成熟阶段，部分处于高成熟阶段，冀中坳陷寒武系—奥陶系烃源岩主要处于成熟与高成熟阶段。

图4-2-22 华北东部寒武系—奥陶系烃源岩换算镜质体反射率频率分布图

从寒武系—奥陶系烃源岩换算镜质体反射率平面分布图上（图4-2-23）可以看出，总体呈现南高北低、东南最高的分布格局，南部东濮、临清和济阳坳陷大部分地区达到高成熟阶段，东濮南缘局限的地带存在过成熟分布区，其余地区也基本上进入了成熟中—晚期；北部的黄骅、冀中坳陷仍以成熟阶段为区域热演化背景，并具有中部高、东西低的分布规律，在冀中坳陷东部和临清坳陷西北部发育有过成熟中心，围绕这些中心出现了较大面积的成熟—高成熟环带。在沿黄骅坳陷中轴方向上存在处于成熟中—晚期的中心地带。

图4-2-23 华北东部寒武系—奥陶系有机质成熟度平面分布图

5.典型地球化学剖面
从济阳坳陷惠民凹陷曲古1井奥陶系和沾化凹陷寒武系综合地球化学剖面（图4-2-24，图4-2-25）来看，纵向上，奥陶系有机碳以八陡组和上马家沟组含量最高，有机碳含量平均值分别为0.14%和0.16%，曲古1井在八陡组下部和上马家沟组上部均存在有机碳含量高于0.5%的井段；寒武系总体表现为越老的地层有机碳含量越高，下寒武统馒头组最高，平均为0.15%，上寒武统和中寒武统上部小于0.1%。
沧参1井综合地球化学剖面图显示有机质丰度较低，相对而言，峰峰组和上马家沟组有机质丰度稍高（图4-2-26）。虽然黄骅坳陷孔西潜山发现来源于寒武系—奥陶系的原油，但从孔西潜山寒武系—奥陶系综合地球化学剖面来看，其寒武系—奥陶系有机质丰度也不高（图4-2-27）。
6.奥陶系有效烃源岩平面分布
寒武系—奥陶系有效烃源岩主要分布在峰峰组和上、下马家沟组，其沉积相为局限海台地相，而下奥陶统的泥灰岩则主要为泥坪沉积物，沉积环境较为氧化，有机质丰度相对较低。根据测井曲线与有机碳含量的关系，伽马值高于100的样品有机质丰度值基本达到或超过0.25%，即为有效烃源岩。将有限的钻孔资料结合沉积有机相、残余地层厚度等研究资料，可在全盆地范围内大致推测有效烃源岩的厚度。由图4-2-28可见，寒武系—奥陶系有效烃源岩呈南厚北薄的特点，有效烃源岩厚度大致为50～300m。在临清坳陷西部厚度最大，最厚在300m以上，东濮凹陷东南部、黄骅坳陷东南部和济坳陷南部及冀中坳陷中部、东部地区有效烃源岩厚度在100m以上。

图4-2-24 济阳坳陷曲古1井综合地球化学剖面


图4-2-25 济阳坳陷沾化凹陷寒武系综合地球化学剖面


图4-2-26 黄骅坳陷沾沧参1井综合地球化学剖面


图4-2-27 黄骅坳陷孔西潜山孔古2井综合地球化学剖面


图4-2-28 华北东部奥陶系有效烃源岩等厚图

研究区石炭系—二叠系烃源岩主要是煤系中的泥岩、煤层及碳酸盐岩，煤系烃源岩的发育分布特征与聚煤作用的发生、发展有密切的联系。灰岩有机质丰度参数均明显小于泥岩及有机岩，在石炭系—二叠系烃类生成贡献较小。

1.有机质丰度

石炭系—二叠系太原组煤系烃源岩有机质丰度最高，其次为山西组，本溪组泥岩有机质丰度一般低于太原组和山西组，但高于其他层系烃源岩，灰岩有机质丰度含量较低。

（1）泥岩

研究区内山西组暗色泥岩有机碳含量在0.1%～4.2%，主要分布在1.5%～2.0%，其生烃潜量差异大，变化在0.02～4.12mg/g岩石，各地区平均值不高于1.50mg/g岩石，整体应属于差—中等烃源岩（表4-2-8）。山西组暗色泥岩的有机碳含量分布规律性较明显，整体呈西好东差，但其数值差距较小，最大值位于冀南地区巨鹿一带，大于3%，而东部济阳地区相对较小，其有机碳含量大多小于2%（图4-2-29）。太原组暗色泥岩有机碳含量在0.1%～5.3%，主要分布在2.0%～2.5%，其整体好于山西组，其生烃潜量差异性更大，变化在0.02～9.96mg/g岩石之间，整体为一套中等烃源岩。太原组暗色泥岩的有机碳含量整体呈西高东低的特征，最大值位于冀中坳陷，大于5%，在东部济阳地区普遍较小，烃源岩的质量相对较差（图4-2-30）。本溪组的暗色泥岩的有机碳含量为0.1%～4.2%，各地区平均值一般不高于1.5%，低于太原组和山西组，其生烃潜量0.02～4.35mg/g 岩石，低于太原组，与山西组相当。石盒子组暗色泥岩有机碳含量在0.1%～2.5%之间，生烃潜量最高为1.72mg/g岩石，为一套差烃源岩。

表4-2-8 石炭系—二叠系泥岩有机质丰度统计表

注：22.6～62.7（48.3/3）为最小值～最大值（平均值/样品数）。

图4-2-29 华北东部山西组暗色泥岩有机碳含量等值线图

图4-2-30 华北东部太原组暗色泥岩有机碳含量等值线图

（2）煤及炭质泥岩

煤和炭质泥岩主要分布在山西组、太原组，研究区东南部东濮坳陷的石盒子组也有发育。黄骅、冀中、济阳、临清和东濮坳陷的石炭系煤层的生烃潜量大小差异较大，一般可分为2个分布区间，一个在小于80mg/g岩石的范围，一个在100～200mg/g岩石之间，最高值可达231.2mg/g岩石；氯仿沥青“A”含量一般均高于0.1%，最高可达9%以上（黄骅坳陷），鉴于有机质成熟度对可溶有机质影响较大，评价针对成熟度相对较低的煤进行，综合评价为非—差油源岩（表4-2-9；图4-2-31），中等—较好气源岩，以生气为主。二叠系煤的有机质丰度略低于石炭系，评价结果一致。石盒子组煤仅在东濮坳陷分析了3 块样品，氯仿沥青“A”为0.0965%，生烃潜量小于40mg/g 岩石，达不到油源岩的评价标准。

表4-2-9 石炭系—二叠系煤和炭质泥岩有机质丰度统计表

续表

注：22.6～62.7（48.3/3）为最小值～最大值（平均值/样品数）。

图4-2-31 石炭系—二叠系煤和炭质泥岩综合评价图

山西组和太原组炭质泥岩有机质丰度值相近，有机碳含量一般低于40%，主要分布在10%～30%，不同地区平均值也分布在此区间内（表4-2-9），生烃潜量一般低于80mg/g岩石，个别样品可达100mg/g岩石以上，氯仿沥青“A”含量在0.0032%～1.862%之间，各地区均有含量相对较高的样品，综合评价为差—中等烃源岩。山西组和太原组炭质泥岩的生烃潜力在分布上虽有一定差别（山西组有部分小于30mg/g岩石），但其平均值相差不大，山西组为41.91mg/g岩石，太原组为40.98mg/g岩石，均达到中等烃源岩的评价标准。其次为冀中，济阳、临清和东濮坳陷有机质丰度更低，相对而言，辽河坳陷和渤海海域石炭系—二叠系煤和炭质泥岩生烃能力较差，达不到油源岩的评价标准。

2.有机质类型

华北东部石炭系—二叠系煤中富含有机质，有机显微组分占全岩体积的60%以上；炭质泥岩中有机显微组分可占10%以上，暗色泥岩和杂色泥岩有机质相对较少，一般在6%以下（表4-2-10）。在有机质显微组分中，一般以镜质组为主，占有机显微组分的40%以上，对华北东部石炭系—二叠系岩石样品中显微组分组成分别以腐泥组＋壳质组、镜质组和惰质组为端元组分制作三角图可以看出，大部分样品分布在腐泥组+壳质组小于25%，镜质组大于60%，惰质组小于50%的区域内（图4-2-32a），这反映了煤系烃源岩的特点，即有机母质主要为高等植物，有机质类型以Ⅱ₂—Ⅲ型为主。从研究区石炭系—二叠系煤系烃源岩的H/C与O/C原子比范氏图中可以看出（图4-2-32b），不同坳陷的岩石样品点同样落在Ⅱ₂—Ⅲ型的范围内，华北东部这种显微组分组成特征反映了该区石炭纪—二叠纪聚煤作用时整体环境的相似性的特征。

表4-2-10 石炭系—二叠系煤系地层不同岩性显微组分的组成表

图4-2-32 石炭系—二叠系煤系烃源岩有机质类型判识图

鉴于取样点分布局限，大部分取自斜坡或凸起上，为了把握石炭系—二叠系烃源岩生烃能力在平面上的分布，根据沉积环境特征、有机组分类型及其含量等方面的特征，并结合E.Stach（1982）对半球石炭纪煤相划分的认识，把研究区煤与泥岩沉积有机相划分为：①陆地森林沉积有机相；②浅沼森林沉积有机相；③深沼森林沉积有机相；④深沼芦苇沉积有机相；⑤流水沼泽沉积有机相；⑥开阔水域沉积有机相（表4-2-11）。整体而言，在相同的成熟度背景下，随覆水深度的增加，介质的还原性增加，沉积有机相的生烃潜力也增加。因此，从陆地森林沉积有机相→浅沼森林沉积有机相→深沼森林沉积有机相→深沼芦苇沉积有机相→流水沼泽沉积有机相→开阔水域沉积有机相，有机质生烃潜力呈增加趋势。

表4-2-11 石炭纪—二叠纪煤系沉积有机相划分方案

渤海湾地区在太原组沉积时期，整体背景为浅沼森林沉积有机相，有机相带大致呈东西向展布，在华北东部中部存在一呈近南北向的深沼森林相—深沼芦苇相—流水沼泽相，而济阳坳陷北部和临清坳陷等区还出现近东西向的深沼森林相，东濮凹陷中部发育有深沼芦苇相，生烃潜力相对较好（图4-2-33）。早二叠世，随着海水侵入范围的缩小，海水由北向南逐渐退缩，而现今的华北东部广大地带发育了以三角洲平原、

湖、潮坪等环境为主的沉积，渤海湾地区的浅沼森林沉积有机相明显减小，而在研究区北部广泛发育了陆地森林沉积有机相，济阳坳陷南部也发育有陆地森林沉积有机相，而其他沉积有机相则明显较太原组减少，分布范围也明显萎缩，在黄骅坳陷中南部发育有深沼芦苇相—流水沼泽相，济阳坳陷北部发育有深沼森林相，而在冀中坳陷—东濮凹陷局部发育有深沼芦苇相（图4-2-34），属于生烃潜力相对较好的地区。而对比太原组与山西组煤岩的沉积有机相来看，显示太原组煤的沉积有机相较山西组丰富得多，而太原组煤的生烃潜力也明显较山西组好，太原组煤岩的基质镜质体和壳质组成分较山西组丰富。

图4-2-33 华北东部太原组沉积有机相平面分布图

图4-2-34 华北东部山西组沉积有机相平面分布图

3.有机质成熟度

研究区内石炭系—二叠系有机质成熟度具有较大的差异性，其中济阳坳陷成熟度相对较高，分析样品主要为成熟—高成熟阶段，东濮、冀中和黄骅坳陷石炭系—二叠系有机质成熟度主要处于成熟阶段（图4-2-35）。

图4-2-35 华北东部不同坳陷石炭系—二叠系有机质成熟度频率分布图

图4-2-36 华北东部太原组有机质成熟度平面分布图

从平面上看，华北东部的太原组和山西组的成熟度分布趋势一致（图4-2-36，图4-2-37），大体呈现出“南高北低、东南最高”的空间展布背景，济阳坳陷是渤海湾盆地内古生界有机质成熟度较高的地区，以东营凹陷主体、沾化坳陷、惠民凹陷中央为高成熟度中心，呈环带状展布，东营凹陷以高成熟阶段为主，沾化凹陷、惠民凹陷以成熟中—晚期阶段为主，而西部局部地带仍处于成熟阶段。东濮坳陷石炭系—二叠系有机质成熟度具有自北往南逐渐增高的趋势，以成熟晚期阶段为主，局部仅达中成熟期阶段。临清坳陷以高—过成熟阶段为主，西部和东部有较大面积的成熟中—晚期地带分布。冀中坳陷具有“东高西低”的现今成熟度分布规律。在大城斜坡带、武清凹陷等处存在较高成熟度中心，太原组为成熟中—晚期阶段。在其余地带，太原组仅达成熟早期阶段。尤其坳陷北缘，是渤海湾盆地内石炭系—二叠系有机质成熟度最低的地带。而冀南地区的邱县凹陷是整个盆地石炭系—二叠系烃源岩成熟度最高地区，太原组已达过成熟度阶段。黄骅坳陷石炭系—二叠系有机质成熟度展布格局相对简单，以歧口凹陷为较高成熟度中心，形成成熟度向四周降低的等成熟带。太原组为成熟中期阶段，而在中心的周边则为成熟早期石炭系—二叠系的分布地带。

图4-2-37 华北东部山西组有机质成熟度平面分布图

4.典型地球化学剖面

从黄骅坳陷庄古2井单井地球化学剖面上来看，有机质丰度较高的烃源岩主要分布在山西组和太原组（图4-2-38），其中太原组整体有机质丰度均较高，而山西组下部有机质丰度相对较高，达到差—中等油源岩、较好—好气源岩的标准，其次为本溪组，上、下石盒子组有机质丰度最低，未达到差烃源岩的评价标准。表征有机质类型的HI一般小于250mg/gTOC，表明有机质类型较差，T_max一般在440～560℃，热演化主要处于成熟—过成熟阶段。冀中坳陷、济阳坳陷不同凹陷的地球化学剖面同样表明（图4-2-39，图4-2-40），山西组和太原组有机质丰度高于本溪组和石盒子组，有机质类型以Ⅱ₂—Ⅲ型为主，为一套差—中等油源岩、中—好气源岩。

图4-2-38 黄骅坳陷庄古2井综合地球化学剖面

图4-2-39 冀中坳陷苏桥地区苏8井石炭系—二叠系综合地球化学剖面图

图4-2-40 济阳坳陷曲古3井石炭系—二叠系单井地球化学剖面图

5.烃源岩的平面分布

太原组煤层普遍发育，一般厚度分布在4～18m之间，明显存在厚度由南向北增厚的趋势。在东濮凹陷到临清一带，一般不超过8m；济阳坳陷煤厚8～12m；黄骅坳陷在大多在8～10m间；冀中坳陷一般在10m以上，最厚处位于其中的廊固凹陷，累计煤厚可超过了18m，反映该地区在太原组地层沉积时期沼泽相对发育（图4-2-41）。山西组煤层发育规律与太原组煤层存在一定的差异。山西组煤层一般厚度分布在4～20m，明显存在东薄西厚的特征，同时从南到北也有增厚的趋势。在济阳坳陷，其煤厚一般小于7m；在东濮—临清一带，煤厚一般介于10～12m；而到冀中坳陷的廊固凹陷，其累计煤厚可达20m以上（图4-2-42）。

图4-2-41 华北东部石炭系—二叠系太原组煤层残留厚度等值线图

图4-2-42 华北东部二叠系山西组煤层残留厚度等值线图

石炭系—二叠系煤系泥岩中有机质丰度最高的为太原组，其次为本溪组和山西组，再次为下石盒子组，在有效烃源岩厚度计算中主要考虑以上层位。太原组暗色泥岩整体呈东西向分布（图4-2-43），最厚处可以超过了100m，向南向北均有减薄的趋势；而山西组的暗色泥岩整体呈东薄西厚分布特征，最厚位于临清坳陷的巨鹿地区、黄骅坳陷的南部，可超过70m（图4-2-44）。对石炭系—二叠系煤系泥岩来讲，有必要建立有机质丰度与不同类型测井曲线之间的联系，进行回归计算，估算有效烃源岩的厚度，同时，对于部分层段全部或绝大多取样点有机质丰度均高于有效烃源岩下限的层段，可以认为这一段全部为有效烃源岩。此外，对于有钻孔柱状岩性描述的井位，砂泥岩分布情况也是一个参考。对于数据点缺乏的地区，则主要利用太原组、山西组地层等厚图、暗色泥岩等厚图的趋势，结合邻近地区的数值估算得出。

总体来看，石炭系—二叠系有效烃源岩在黄骅凹陷南部、冀中坳陷的苏桥-文安地区和临清坳陷西部较厚，有效烃源岩厚度在200～250m，最厚可达300m以上，东濮坳陷中东部有效烃源岩厚度在200m以上，济阳坳陷有效烃源岩呈零星分布，在各次级凹陷中均有小面积烃源岩的发育，厚度一般在100～150m（图4-2-45）。

与我国其他盆地的煤系烃源岩的地球化学指标进行对比，研究区冀中坳陷相对较好，其次为黄骅坳陷和济阳坳陷，总体处于中等—较好的水平（图4-2-46）。

图4-2-43 华北东部石炭系—二叠系太原组暗色泥岩残留厚度等值线图

图4-2-44 华北东部二叠系山西组暗色泥岩残留厚度等值线图

图4-2-45 研究区石炭系—二叠系有效烃源岩等厚图

图4-2-46 我国主要含煤盆地煤与泥岩有机质丰度对比图

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石炭系—二叠系烃源岩生烃条件静态评价视频