北部湾盆地流二段油页岩形成条件与分布控制因素*

时间：2024-09-03

（中海油研究总院有限责任公司北京 100028）

北部湾盆地储量发现主要集中在涠西南凹陷和乌石凹陷，随着成熟区勘探程度的提高，储量发现难度日益加大，增储上产亟需勘探新区获得突破，而新区勘探评价的核心内容是烃源岩研究。钻井证实，已获商业发现的涠西南凹陷和乌石凹陷均发育较大规模的油页岩这一类优质烃源岩，而且油页岩对油气成藏具有重要贡献[1-2]。因此，如果能够准确预测勘探新区油页岩的规模与分布，对于客观评价新区勘探潜力与优选有利勘探方向将具有重要意义。钻井证实，油页岩在不同凹陷发育规模与分布模式存在明显差异，涠西南凹陷主要分布在流二段下层序，而乌石凹陷流二段上层序和下层序油页岩均较为发育，但油页岩形成条件与分布控制因素尚不清楚，严重制约了北部湾盆地新区的油页岩分布预测和勘探潜力评价。

本次研究在系统收集、梳理和分析已有录井、测井和分析化验资料的基础上，有针对性地采集11口井的岩心样品37个、岩屑样品248个，并开展样品热解、TOC、有机显微组分、常量与微量元素分析等测试项目共652样次。基于样品观察、采集与分析测试，开展了地质宏观分析与元素微观分析等多尺度的研究，提出了北部湾盆地油页岩形成的地质条件，并对油页岩在不同凹陷分布模式的差异性进行分析，从而明确了控制北部湾盆地流二段油页岩分布的控制因素，为新区油页岩预测提供参考依据，对推动北部湾盆地新区勘探评价具有重要理论和现实意义。类体，含少量结构藻类体，生烃潜量（S1+S2）分布范围为7.7～73.0 mg/g，平均33.0 mg/g。与油页岩相比，北部湾盆地流二段普通页岩有机碳含量分布范围为0.2%～11.7%，平均为2.3%，有机质类型大部分为Ⅱ1—Ⅱ2型，少数为Ⅰ型，显微组分以腐泥组（平均含量60%）和镜质组（平均含量30%）为主，腐泥组主要为无结构藻类体，镜质组以无结构镜质体为主，生烃潜量（S1+S2）分布范围为0.1～45.1 mg/g，平均8.1 mg/g。北部湾盆地流二段泥岩有机碳含量分布范围为0.1%～8.5%，平均2.4%，有机质类型大部分为Ⅱ1—Ⅱ2型，少数为Ⅰ型，显微组分以腐泥组（平均含量57%）和镜质组（平均含量38%）为主，腐泥组主要为无结构藻类体，镜质组以无结构镜质体为主，生烃潜量（S1+S2）分布范围为0.1～45.2 mg/g，平均8.7 mg/g。北部湾盆地流二段烃源岩Ro分布范围在0.24%～0.92%，平均值为0.56%。综合对比认为，北部湾盆地流二段油页岩有机质丰度高、类型好、生烃潜力大，是盆地内最优质的烃源岩（图1）。

1 有机地球化学特征

油页岩的概念最早源自岩矿行业，其定义为一种含油率大于3.5%的高灰分（40%～80%）可燃有机岩石[3-9]，然而油页岩传统定义中“含油率”和“灰分”两个指标并不适合于石油地质专业的烃源岩研究。针对这个问题，本次研究通过文献调研[3，10-15]、研究区油页岩样品观察、录井和测井等资料的综合分析，建立了适合于研究区烃源岩研究的油页岩界定标准（将油页岩界定为TOC大于3.5%，有机质类型为Ⅰ—Ⅱ1型的富有机质页岩），界定标准的明确为后续开展油页岩的单井识别和形成条件分析奠定了前提条件。

地化分析表明，北部湾盆地流二段油页岩有机碳含量分布范围为3.72%～11.27%，平均为6.3%，有机质类型大部分为Ⅰ型，少数为Ⅱ1型，显微组分以腐泥组为主（平均含量超过80%），主要为无定型藻

图1 北部湾盆地烃源岩有机质类型与丰度对比Fig.1 Comparison of organic matter type and abundance of source rocks in Beibuwan basin

2 形成条件分析

本次研究利用沉积与地化多专业手段，开展了地质宏观分析与元素微观分析等多尺度多层次的研究，结果表明北部湾盆地流二段油页岩形成需要4方面条件：①富营养化的湖盆；②温暖湿润的气候；③还原性水体环境；④适中的地层沉积速率。其中，富营养化的湖盆和温暖湿润的气候主要控制有机质的高效产生，还原性水体环境和适中的地层沉积速率主要控制有机质的高效保存。

2.1 富营养化的湖盆

前人对现代湖泊水体富营养化和藻类勃发等方面的研究成果表明，磷（P）、铁（Fe）、钼（Mo）等元素作为藻类生长的所必需的营养物质，对藻类的生长勃发有重要促进作用[16]。值得说明的是，现代湖泊中由于工业排放原因导致的湖泊水体磷浓度过高，对湖泊中藻类的生长起到一定的限制作用，但在地质历史时期，古湖泊水体中可长期稳定维持的磷元素浓度是很低的（约0.01 mg/L）[17]，达不到限制藻类生长的浓度（0.445 mg/L）[18]，因此地质历史时期古湖盆中磷元素含量的增加对藻类的勃发是起促进作用，而不是起限制作用的。

油页岩有机质丰度高，显微组分以无定型藻类体为主，其形成对古湖盆藻类勃发程度和古生产力要求较高，因此富营养化湖盆是北部湾盆地流二段油页岩形成的先决地质条件。湖盆富营养化程度高有利于促进藻类勃发，提升湖盆的古生产力，有利于有机质的大量生产和富集。北部湾盆地流二段不同类型烃源岩样品元素分析结果表明，油页岩段钼（Mo）、磷（P）、铁（Fe）等营养元素含量丰富，油页岩发育段Mo、P、P/Al（磷铝元素比值）均呈现相对高值（图2、3），表明油页岩沉积时期古湖盆的富营养化程度较高，能够为油页岩的形成提供必要条件。

图2 北部湾盆地烃源岩TOC与Mo元素含量交会图Fig.2 Correlation diagram of TOC and molybdenum content of source rocks in Beibuwan basin

图3 北部湾盆地典型井流二段元素含量变化规律Fig.3 Change rule of element content in Liu 2 Member of typical wells，Beibuwan basin

前人研究表明，湖盆的富营养化程度主要受控于物源区母岩类型与物源输入规模[19-20]。本次研究发现，北部湾盆地涠西南和乌石凹陷流二段沉积时期湖盆的富营养化主要与凸起区花岗岩物源携带的营养物质输入有关。北部湾盆地涠西南凹陷和乌石凹陷流沙港组沉积时期主要有3个物源区，包括粤桂隆起、企西隆起和流沙凸起。钻井揭示企西隆起和流沙凸起基岩岩性主要为中生界花岗岩（图4），基岩之上覆被涠洲组覆盖，花岗岩物源区在流二段沉积时期为风化剥蚀区，向涠西南凹陷和乌石凹陷提供物源，并在涠西南凹陷南部、乌石凹陷南部和北部流二段形成了多个（扇）三角洲沉积体[21-22]。涠西南凹陷和乌石凹陷流二段油页岩发育段重矿物组合以锆石、金红石和褐铁矿为主，代表岩浆岩类的重矿物组合（如锆石、金红石和褐铁矿等）平均占比为57%～71%，且稀土元素含量表现出明显的铕元素负异常现象，进一步证实了流二段沉积时期企西隆起和流沙凸起上的花岗岩区对上述2个凹陷流二段具有重要物源输入贡献。前人研究表明，岩浆岩中的花岗岩与沉积岩、变质岩以及其他的岩浆岩类型相比较，所含磷（P）、铁（Fe）、钼（Mo）等营养元素是最丰富的[23]，这些元素主要赋存于花岗岩的黑云母、磷灰石等矿物中，在温暖湿润的气候条件下，经风化溶解随雨水、河流流入湖盆，为藻类勃发提供营养物质。

图4 北部湾盆地基底岩性分布（据文献[24]修改）Fig.4 Distribution of basement lithology in Beibuwan basin（adapted from reference[24]）

2.2 温暖湿润的气候

微量元素及其比值能较好地反映环境信息[25-28]。Sr的高含量是干旱炎热气候条件下水体浓缩沉淀的结果，因此Sr元素的含量随着降雨量的增加而减少，低值指示温暖潮湿的气候条件，高值则指示干旱炎热的气候条件。Sr/Cu值对古气候的变化也很敏感，通常Sr/Cu值1～10指示温暖湿润的气候，而Sr/Cu值＞10则指示炎热干旱的气候。沉积物中Fe/Mn高值对应温湿气候，低值是干热气候的响应。Sr/Ca低值则指示温暖湿润的气候，高值指示炎热干旱的气候。Mg/Sr值升高，指示温度升高，反之则指示温度降低。

微量元素和孢粉分析表明，北部湾盆地流二段沉积时期整体为热带-亚热带温湿气候，能够为油页岩形成提供有利的生态条件。流二段Sr/Cu值介于1～10，流三段和流一段Sr/Cu比值基本大于10，说明北部湾盆地流二段沉积时期基本为温暖湿润气候，流三段和流一段沉积时期气候较流二段相对干旱。同时，流二段内部Sr/Cu及Sr/Ca值从下部—中部—上部呈现出小—大—小的变化趋势，Fe/Mn和Mg/Sr比值为大—小—大的变化趋势，反映出油页岩发育层段比泥岩和页岩段具有更低的Sr/Cu比和更高的Fe/Mn和Mg/Sr比，说明北部湾盆地流二段沉积尽管整体表现为温湿气候，但也呈现温暖潮湿—稍温凉干燥—温暖潮湿的变化趋势，油页岩形成时期气候更加温暖湿润，有利于藻类勃发和有机质的大量生成（图5）。

图5 北部湾盆地WXN-25井流沙港组微量元素含量变化规律Fig.5 Change rule of trace element content in Liushagang Formation of Well WXN-25 in Beibuwan basin

2.3 还原性水体环境

图6 北部湾盆地烃源岩TOC与二价硫含量交汇图Fig.6 Correlation diagram of TOC and divalent sulfur content of source rocks in Beibuwan basin

烃源岩中还原硫含量的高低可以较好地反映其沉积环境还原性的强弱，一般还原硫含量越高，沉积环境的还原性越强。分析表明，涠西南凹陷和乌石凹陷流二段油页岩段S2-、Fe2+含量明显高于流二段泥岩和页岩发育段，表明油页岩形成时期水体还原性更强，更加有利于有机质保存和富集（图6）。微量元素比值也可用来判别沉积水体的氧化还原性[29]，如V/（V+Ni）比值大于0.46代表厌氧环境，比值0.46～0.6指示贫氧环境，比值小于0.46表示富氧环境；Ni/Co、U/Th等也被用于判断氧化还原条件，一般比值越大，还原性越强。涠西南凹陷WXN-26井流二段下部油页岩段V/（V+Ni）值为0.77～0.85，平均值0.81，指示厌氧还原环境；而该井流二段泥岩段V/（V+Ni）值为0.75～0.79，平均值0.77，反映流二段底部油页岩段沉积时期较泥岩沉积时期具有更强的水体还原性。乌石凹陷WS-23井流二段油页岩段V/（V+Ni）值为0.74～0.84，平均值0.80，指示厌氧还原环境，同样表明流二段油页岩沉积时期湖盆水体还原性较强，更加有利于有机质的保存。

2.4 适中的地层沉积速率

前人研究表明，沉积速率是影响有机质丰度的一个重要因素[30-31]。有机质丰度一开始随着沉积速率的增加而增加，当沉积速率达到临界值时，有机质丰度又随沉积速率的增大而减小。过低的沉积速率无法提供足够的有机质，同时会导致有机质被氧化破坏；而过高的沉积速率会导致有机质的稀释。一般来讲，沉积速率在0.03～0.15 mm/a（即30～150 m/Ma）之间（也有学者研究认为20～80 m/Ma），烃源岩的有机质丰度相对最高[30-31]，有利于形成高质量烃源岩。

本次研究，根据沉积物中MnO的含量，利用前人经验公式[32]计算出北部湾盆地不同类型烃源岩段的沉积速率。分析结果表明，有机质丰度相对较高的烃源岩对应的地层沉积速率主要集中在20～130 m/Ma（图7），油页岩在沉积速率适中的条件下较发育，沉积速率过快有机质被稀释、过慢有机质被氧化，都会导致TOC下降，不利于油页岩形成。

3 分布差异性及其控制因素分析

北部湾盆地涠西南凹陷和乌石凹陷揭示油页岩的钻井较多，油页岩总体上分布在流二段的上部和下部，中部不发育。油页岩单井厚度与分布位置统计发现，涠西南凹陷和乌石凹陷油页岩分布的模式存在较大差异，其形成机理与分布控制因素不清楚，严重制约着新区的油页岩预测。本次研究通过地质宏观分析与元素微观分析相结合，明确了北部湾盆地不同凹陷油页岩差异分布的控制因素，从而为新区油页岩预测提供参考依据。

3.1 分布差异性

北部湾盆地涠西南凹陷和乌石凹陷流二段沉积时期是湖盆发育全盛时期，全区水体较深，但其内部存在一次短期的湖平面下降，形成了自下而上细—粗—细的沉积旋回，同时也形成了一个明显的三级层序界面，据此可将流二段分为上、下2个三级层序。钻井揭示，涠西南凹陷和乌石凹陷流二段上层序和下层序都有油页岩发育，且主要发育在湖侵体系域、高位体系域底部的半深—深湖相。分析认为，湖侵体系域与高位体系域早期半深—深湖相范围内水体深度大、还原性较强，且盆缘沉积体系以退积或加积为主，盆内地层沉积速率适中，有利于有机质富集和保存，是形成油页岩的有利层序位置和沉积相带（图8）。

图8 北部湾盆地WXN-11井流二段层序与沉积相划分Fig.8 Sequence and sedimentary facies division in Liu 2 Member of Well WXN-11，Beibuwan basin

对比研究发现，尽管涠西南凹陷与乌石凹陷流二段上层序和下层序都发育较大规模的半深—深湖相，但2个凹陷油页岩在不同层序发育规模却表现出明显的差异性。截至2018年底，涠西南凹陷有124口井钻至流二段（其中钻穿流二段的井82口），有30口井揭示流二段下层序油页岩，厚度范围13～231 m，平均厚度66.2 m；但是，仅有2口井揭示流二段上层序油页岩，厚度14～23 m。乌石凹陷有55口井钻至流二段（其中钻穿流二段的井23口），有7口井揭示流二段上层序油页岩，厚度范围9～224.5 m，平均厚度73.2 m；有14口井揭示流二段下层序油页岩，范围厚度6.6～154.3 m，平均厚度77.5 m。总的来讲，涠西南凹陷和乌石凹陷流二段下层序油页岩发育程度较高，厚度基本相当，而涠西南凹陷流二段上层序油页岩分布局限（主要分布在凹陷南部距离企西隆起较近的半深—深湖相带），且厚度较薄，发育规模明显较乌石凹陷流二段上层序要小。

3.2 控制因素

涠西南凹陷流二段油页岩具有“上薄下厚”特点，而乌石凹陷流二段油页岩具有“上厚下厚”特点，到底是什么因素造成涠西南凹陷和乌石凹陷流二段上部层序油页岩发育规模出现较大差异呢？从气候条件看，流二段上层序沉积时期，涠西南和乌石凹陷气候条件相同，都是温暖湿润的气候，均有利于藻类勃发，因此气候条件不是造成上述差异的原因。从湖盆水体氧化还原条件看，涠西南凹陷流二段上层序沉积时期，湖平面整体处于逐渐上升的过程，且控凹断层活动强度较流二段下层序沉积时期明显增加（1号断层的古落差平均值由68 m增加到112 m），造成流二段上层序半深—深湖相面积较流二段下层序明显增加（由679 km2增加到966 km2），因此有机质保存条件与流二段下层序相比不会有明显变差的情况；涠西南凹陷流二段上层序揭示油页岩的井主要分布在凹陷南部涠洲11-7和涠洲12-11构造，这2个构造处于半深—深湖相边缘，凹陷内半深—深湖相主体部位水体还原性应该更强，更加有利于有机质的保存。由此可见，湖盆水体氧化还原条件也不是造成涠西南凹陷上层序油页岩发育规模明显变小的主控因素。

对比分析认为，湖盆富营养化程度是造成涠西南凹陷和乌石凹陷流二段上层序油页岩发育规模差异性的主要因素，即涠西南凹陷流二段上层序沉积时期湖盆富营养化程度降低造成油页岩不发育。涠西南凹陷流二段上层序湖盆富营养化程度的变化主要受湖盆水体体积增加和营养物质输入量减少两方面因素控制。流二段上层序沉积时期，涠西南凹陷控凹断层活动强度加大、半深—深湖相面积增加，造成湖盆水体体积增加。与流二段下层序相比，涠西南凹陷流二段上层序沉积时期，物源输入规模明显减小，凹陷边缘（扇）三角洲面积由223 km2减小到75 km2，物源规模减小造成营养物质输入量减少。钻井重矿物组合分析表明，流二段下层序沉积时期涠西南凹陷和乌石凹陷物源区母岩类型均以岩浆岩（研究区主要为花岗岩）为主，代表岩浆岩类的重矿物组合Ⅰ1+Ⅰ2（其中，Ⅰ1：锆石+金红石+锐钛矿+白钛矿+独居石，Ⅰ2：磁铁矿+角闪石+辉石）平均值分别为71%和64%；流二段上层序沉积时期，涠西南凹陷母岩区变质岩的贡献明显增加，代表岩浆岩类的重矿物组合Ⅰ1+Ⅰ2平均值降到41%，花岗岩母岩区物源输入量减少，除凹陷南部有一定规模花岗岩物源输入外，大部分地区变质岩物源输入为主；而乌石凹陷流二段上层序代表岩浆岩类的重矿物组合Ⅰ1+Ⅰ2平均值为57%，物源区母岩类型仍然以花岗岩母岩为主（图9）。那么，造成流二段上层序沉积时期涠西南凹陷花岗岩物源区输入量发生较大变化的原因是什么呢？利用地震资料分析凸起区基岩地貌形态发现，企西隆起向北与涠西南凹陷主要以平缓的斜坡形式过渡，向南与乌石凹陷主要以较陡的断坡形式过渡（6号断层）；流二段沉积时期企西隆起之上存在分水岭，分水岭两侧均有较大面积剥蚀区，同时向涠西南凹陷和乌石凹陷提供物源输入；随着流二段不断沉积，涠西南凹陷地层逐渐向企西隆起之上超覆，并将花岗岩基岩覆盖，造成企西隆起区分水岭以北的花岗岩物源区面积不断减小，向涠西南凹陷供应的营养物质也随之减少；受断层陡坡控制（北部为6号断层和南部为7号断层），乌石凹陷不存在上述明显变化，而且南部的流沙凸起花岗岩物源区也可以向乌石凹陷提供花岗岩物源输入[22]，从而保障了乌石凹陷流二段沉积早、晚时期都有较为充足的花岗岩物源输入和营养物质供应。

流二段上层序沉积时期，涠西南凹陷花岗岩母岩区营养物质输入减少，营养元素Mo含量明显降低，使得藻类发育程度降低，湖盆古生产力也随之降低。尽管涠西南凹陷流二段上层序发育大规模深湖环境，但由于湖盆古生产力低，有机质丰度不够，也不能形成规模性油页岩，岩性则以大套泥岩、页岩为主（图3a）。

图9 涠西南凹陷和乌石凹陷流二段重矿物组合特征对比Fig.9 Comparison of heavy mineral assemblages in Liu 2 Member of Weixinan sag and Wushi sag