松遼盆地北部雙城地區白堊系營城組—登婁庫組石油勘探突破及地質意義

劉超，付曉飛，李揚成，王海學，孫立東，陸加敏，李軍輝，孫友海，施立冬，胡慧婷，袁紅旗，楊子成

（1.東北石油大學，黑龍江大慶 163318；2.東北石油大學“陸相頁巖油氣成藏及高效開發”教育部重點實驗室，黑龍江大慶 163318；3.大慶油田有限責任公司，黑龍江大慶 163712）

0 引言

含油氣系統指盆地中一個自然的烴類流體系統[1]，它包含 1套有效的烴源巖和與該烴源巖有關的油氣及油氣藏形成所必須的烴源巖、儲集層、蓋層等靜態地質要素，以及圈閉演化和烴類生成、運移、聚集等動態地質作用[2-7]。松遼盆地北部（以下簡稱松北）下白堊統發育沙河子組和營城組兩套分布面積較大的烴源巖層[8-9]。以沙河子組作為主要氣源的含氣系統已取得良好的勘探成效[10-12]，對營城組烴源巖及所生油氣的研究相對薄弱。盡管有學者指出營城組烴源巖可能對油氣成藏有貢獻[13-14]，但是受油氣源對比精度和多解性的影響，加上以往主要以高—過成熟的烴源巖為研究對象[15-16]，對營城組烴源巖的生烴性質及其所生油氣能否大量聚集甚至形成新的含油氣組合，則一直缺少充足的證據和油田實例。同時，以往對營城組碎屑巖和登婁庫組儲集層的研究主要集中于盆地內部的斷陷（如徐家圍子斷陷），由于儲集層發育規模有限且比較致密，一直沒有較大的油氣勘探發現，所以這兩套地層的勘探潛力并未引起足夠的關注。

松北雙城地區發現以營城組烴源巖為油源、登婁庫組砂巖為主要儲集層的含油組合，并取得了石油勘探的突破。雙城地區石油發現始于2013年，針對洼槽區實施的A井在營城組鉆遇67 m富含有機質的暗色泥巖，在暗色泥巖夾持的砂礫巖中見厚6.2 m含油顯示，壓裂后獲0.24 t/d低產油流。2016年，圍繞構造圈閉高部位實施B井，登婁庫組見厚8.2 m含油砂巖，壓裂后獲10.2 t/d工業油流；2018年，在三維地震資料及精細構造解釋與儲集層預測的基礎上，向東部、北部、南部甩開部署C、D、E和F井，采用常規方法對登婁庫組含油儲集層進行測試，均獲工業油流，自然產能最高達到90.97 t/d。2019年以來，秉承一體化高效勘探開發理念，立足登婁庫組，勘探開發整體部署探評井13口，圈定含油面積15.3 km2。此外，J井在營城組暗色泥巖及夾持的薄層粉砂巖中見厚 4.4 m含油顯示，壓裂后獲3.21 t/d工業油流，表明營城組可能蘊含頁巖油勘探潛力。

此前僅有少數學者對營城組烴源巖和營城組—登婁庫組儲集層開展了研究，如孫立東等通過TOC測試、巖石熱解等分析指出，雙城地區營城組發育富含有機質的優質烴源巖，通過三維地震資料預測了烴源巖的厚度及其分布[17]；筆者[18]通過巖心觀察和微量元素資料重構了烴源巖的發育環境，通過盆地模擬手段分析了烴源巖的生排烴潛力；另外筆者[19]還分析了登婁庫組儲集層的物性和孔隙結構特征，基于經驗統計法和孔喉結構參數將儲集層分為 3類；曾花森等[20]通過生物標志化合物研究指出雙城地區的原油與營城組烴源巖存在親緣關系。迄今為止，對烴源巖、儲集層及蓋層的研究還比較薄弱，關于圈閉演化、成藏時期、油藏類型還沒有研究涉及，制約了對石油成藏特征的認識。為此，在以往研究的基礎上，本文利用含油氣系統研究方法對油藏開展解剖，研究以油氣鉆探實踐、系統巖石樣品分析測試和盆地模擬為基礎，剖析烴源巖、儲集層、蓋層特征以及烴類生成、圈閉演化、石油充注的過程，建立含油系統地質要素與地質作用的關系，總結石油成藏的有利因素，對下一步勘探提出建議。

1 地質概況

雙城地區位于松遼盆地東南部，包括雙城、廟臺子和鶯山3個凹陷（見圖1a）。本研究以鉆探和分析測試資料豐富、勘探已經突破的雙城凹陷為研究對象。研究區呈北北東向展布（見圖1b），勘探面積約500 km2。研究區深層發育侏羅系火石嶺組，下白堊統營城組、登婁庫組和泉頭組，上白堊統多數被剝蝕，僅殘留部分青山口組（見圖1c）。其早期地層充填與松遼盆地整體特征相似：火石嶺組沉積期火山開始噴發，形成火山巖與碎屑巖伴生的沉積建造。沙河子組沉積期盆地內部的裂陷作用加劇[21]，但是研究區在該階段斷裂活動較弱，導致沙河子組不發育。營城組沉積早期火山大規模噴發，營城組沉積末期火山活動減弱并沉積了一套以湖相泥巖為主的碎屑巖，依據鋯石測年和孢粉分析資料，火山巖和碎屑巖分別歸屬營一段和營四段。營城組沉積之后裂陷作用趨于終止并發生構造抬升，導致登婁庫組僅中晚期沉積了登三段和登四段。此后，在拗陷背景下，泉頭組開始廣泛發育分布（見圖1d）。研究區營四段現今頂面埋深一般為1 300～1 600 m，地層厚度一般為 100～400 m，巖性組合以暗色泥巖夾薄層砂巖為主，凹陷的邊緣發育暗色泥巖與砂礫巖互層沉積。登婁庫組現今構造頂面埋深一般為900～1 300 m，地層厚度一般為 300～600 m，主要發育礫巖、砂巖和泥巖，自下而上巖性呈變細趨勢。研究區登婁庫組已提交規模探明儲量并成功開發，典型探井試油情況見表1。由于儲集層埋深較淺、儲集層含油性好，取得了良好的經濟效益。

表1 雙城地區典型探井石油產量及其物性數據表

圖1 研究區構造單元劃分和地層柱狀圖（剖面位置見圖1b）

2 石油成藏條件與特征

2.1 烴源巖特征與油源對比

與徐家圍子等大型斷陷深層發育兩套（沙河子組和營城組）主要烴源巖層不同，鉆井揭示研究區下白堊統僅發育1套烴源巖層。該套烴源巖發育在厚層的火山巖之上，火山巖鋯石年齡（距今110 Ma左右）和烴源巖層中發現的典型花粉組合（古松柏類花粉和費克斯孢）表明其歸屬營城組（命名為營四段）。烴源巖的巖性主要為暗色泥巖，局部見凝灰質泥巖和膨潤土層，厚度一般為20～100 m，從洼槽內部至邊緣逐漸變薄[17]。

烴源巖有機質豐度與巖性有關，統計表明，不同巖性的烴源巖TOC平均值都大于2.0%（見表2），達到了優質烴源巖級別[22]。烴源巖鏡質體反射率（Ro）為 0.80%～1.25%，Tmax為 446～469 ℃（峰值約為455 ℃），OEP平均值為1.06，CPI平均值為1.16，表明烴源巖處于成熟演化階段（見表2）。通過TOC測井評價方法[23-25]，得到優質烴源巖累計厚度一般為10～50 m（單層厚度一般為2～5 m）。

表2 烴源巖地球化學指標統計表

筆者采用不同方法對有機質來源和類型進行了研究。全巖鏡檢普遍可見層狀藻類和鏡質體，部分受陸源輸入影響較大的樣品中見惰質體（見圖 2）；Tmax-IH圖版（見圖 3a）反映營四段主要發育Ⅱ1—Ⅱ2型有機質；TOC-S2關系圖版揭示有機質類型以Ⅱ型為主（見圖3b），發育一定量Ⅲ型有機質；除了2個位于洼槽邊緣的樣品揭示可能有陸源有機質輸入之外，規則甾烷三角圖表明浮游生物和藻類為有機質的主要來源（見圖3c）；泥巖正構烷烴的主峰碳主要為C17—C19，部分樣品主峰碳為C25—C27（見圖3d），也反映有機質主要來源于低等水生生物且有陸源高等植物的貢獻?？紤]到圖3a、圖3b中IH和S2的數值很可能由于烴源巖已經大量排烴而明顯低于其原始數值，進而導致有機質類型變差，綜合分析認為有機質主要來源于低等水生生物，伴有陸源碎屑有機質的輸入。關于研究區優質烴源巖的形成機制，研究表明其與火山活動密切相關（另文闡述）。

圖2 雙城地區營城組烴源巖顯微照片

圖3 雙城地區營城組烴源巖有機質來源

研究區原油具有高凝固點（大于20 ℃）、中高蠟（一般大于13%）、輕質（密度小于0.9 g/cm3）的特征（見表1）。通過油源對比和石油成藏地質背景分析，認為營四段烴源巖為已發現石油的來源。首先，研究區青山口組烴源巖尚未成熟，與被廣泛應用于有機質成熟度研究的 C29甾烷異構化指標 20S/(20S+20R)和ββ/(αα+ββ)[26-27]反映石油是由成熟烴巖生成的（見圖4a）不匹配；研究區石油中伽馬蠟烷含量比青山口組烴源巖及生成石油的高伽馬蠟烷含量[28]明顯偏低，正構烷烴單體碳同位素（-32.7‰～-28.8‰，平均為-30.99‰）比青一段烴源巖（-35‰～-31‰）[29]及所生石油（一般-33‰～-30‰）[29]的碳同位素重?；谏鲜鎏卣?，能夠排除石油來自青山口組烴源巖的可能。同時，受對青山凸起的遮擋，其他凹陷的油氣無法運移至研究區營城組和登婁庫組，即不具備側向供烴的地質條件，故能夠排除石油來自相鄰凹陷烴源巖的可能。最后，原油樣品與營城組烴源巖樣品的單體烴碳同位素數值和分布形態接近（見圖4b），兩者也具有一致的甾、萜類生物標志物分布特征（見圖 5）：即甾烷組成均以 C27重排甾烷（C27Dia）、C29重排甾烷為主（C29Dia），萜烷化合物均以藿烷為主，伽馬蠟烷（Ga）含量相對低，重排藿烷含量相對高[20]。綜上，可以確定研究區的石油來源于營四段烴源巖。

圖4 營城組烴源巖和營城組—登婁庫組原油地球化學特征

圖5 松遼盆地雙城凹陷營城組烴源巖、油典型甾萜烷質量色譜圖[20]

2.2 儲蓋條件

研究區營四段主要發育湖相沉積，其次是扇三角洲沉積；登婁庫組由下至上主要發育沖積扇、河流、三角洲相沉積（見圖6）。受沉積相控制，主要發育砂巖和砂礫巖兩類儲集層。

登婁庫組儲集層主要發育在登三段中上部，為三角洲平原和前緣亞相。巖性以長石砂巖為主，其次是巖屑長石砂巖，儲集空間主要為原生粒間孔（見圖 7a—圖7d），其次是粒間溶蝕孔（見圖7e—圖7f）。泥質（見圖7c—圖7e）和碳酸鹽礦物含量（見圖7d）較高時孔隙發育明顯變差?？紫抖戎饕獮?5.0%～20.0%，滲透率多數（占比75.7%）大于1×10-3μm2。相同構造背景下達到油浸級別儲集層的滲透率一般超過 10×10-3μm2（見圖6）。從儲集層孔喉半徑-滲透率關系圖發現，當滲透率超過10×10-3μm2時，孔喉半徑快速增大，孔喉連通性明顯變好。

營四段儲集層主要發育于扇三角洲平原和前緣亞相（見圖 6）。巖性主要為砂礫巖，礫石成分多為凝灰巖和流紋巖，直徑一般為5～20 mm，顆粒磨圓度呈次棱角—次圓狀（見圖 7g、圖 7h）。儲集空間主要為粒間溶蝕孔（見圖7g—圖7i）和粒內溶蝕孔（見圖7g），流紋巖顆粒表面可見氣孔（見圖 7i）?？紫抖戎饕獮?.0%～15.0%，滲透率一般小于1×10-3μm2，達到油浸級別儲集層的滲透率一般大于 1×10-3μm2。與登婁庫組砂巖類似，營四段砂礫巖滲透率超過1×10-3μm2時，孔喉半徑快速增大，孔喉連通性明顯變好。

圖6 雙城地區儲集層物性、含油性及孔隙結構特征

圖7 雙城地區儲集層孔隙發育特征

登婁庫組頂部（登四段）主要發育三角洲平原沉積（見圖6），地層巖性以紫紅色泥巖為主，泥地比一般大于 75%，最高達 90%。登四段厚度一般為 70～110 m，直接覆蓋在登三段含油儲集層之上，為油藏的直接蓋層。此外，泉頭組、青山口組和嫩江組廣泛發育的泥質巖層也可作為區域性蓋層。

2.3 圈閉形成與演化

研究區構造圈閉的形成受營城組沉積末期擠壓、泉頭組沉積末期走滑、嫩江組沉積末期反轉 3期主要的構造活動控制[30]，經歷了“孕育，發展、定型”3個演化階段（見圖 8）。①孕育階段，早期沉積在古凸起部位的地層（如D井區），在營城組沉積末期擠壓應力的作用下發生彎曲變形，為構造圈閉的形成奠定了基礎（見圖8a）。②發展階段，在泉頭組沉積末期左旋扭動應力作用下，研究區發育一系列北北東向展布的斷裂[31]，多數斷裂的垂向斷距（一般小于50 m）小于蓋層的厚度（一般為70～100 m），斷層下盤的登三段砂巖儲集層與上盤的登四段—泉頭組泥巖側向對接，形成具有封堵性的斷塊（見圖8b）。③定型階段，受嫩江組沉積末期近東西向應力擠壓影響[32]，地層進一步彎曲隆起，圈閉幅度增大，形成大型背斜構造背景下發育多個斷塊圈閉的構造格局（見圖8c、圖1b）。

圖8 雙城地區構造演化剖面圖（剖面位置見圖1b）

2.4 成藏過程

包裹體類型、均一溫度已被廣泛應用于油氣成藏期次研究[33-35]。綜合構造演化史、埋藏史、生烴史以及包裹體賦存狀態與均一溫度分析，推測研究區發生過兩期石油充注。

第1期為白堊紀晚期（距今76～82 Ma），此期間（對應嫩江組沉積期）營城組烴源巖已經成熟（Ro接近0.9%，見圖9）并達到排烴門限[18]，登婁庫組構造圈閉已初具雛形，營城組烴源巖生成的石油能夠沿斷裂、不整合面等通道向構造圈閉中運移。反映該期油氣充注的油包裹體主要沿石英次生加大邊或未切穿石英次生加大邊的微裂隙分布（見圖9），表明包裹體的捕獲發生在石英加大之前；含油包裹體在反射光下呈褐色、淺褐色，紫外光下呈亮黃色、綠黃色熒光，與油包裹體伴生的鹽水包裹體均一溫度的峰值為 110～130 ℃，對應成藏時期為距今76～82 Ma。

第 2期為古近系晚期—新近系中期（距今 12～28 Ma），在第1期油氣充注之后，營四段烴源巖繼續深埋和生烴，直至嫩江組沉積末期，構造抬升導致烴源巖生烴作用終止和早期圈閉的進一步隆升。推測受抬升造成的減壓增容效應作用[36]，在古近紀晚期—新近紀中期，油氣發生第 2期充注。反映該期油氣充注的油包裹體形成于石英次生加大之后（見圖 9），主要沿貫穿石英碎屑顆粒（包括石英加大邊）的微裂隙分布；含油包裹體在反射光下呈褐色、淺褐色，紫外光下呈亮黃色、黃綠色熒光。與油包裹體伴生的鹽水包裹體均一溫度峰值為70～90 ℃。

需要指出的是，盡管晚白堊世早期的地層溫度也與 70～90 ℃的包裹體均一溫度匹配（見圖 9），但該期間烴源巖尚未或剛剛成熟，與研究區石油已經成熟不符，也與前文描述的包裹體賦存狀態指示其為第 2期油氣充注相悖。此外，盡管研究區石油的氣相色譜、質譜未見“UCM”鼓包、25-降藿烷、去甲基三環萜烷等反映生物降解的參數，表明油藏并未被明顯破壞。但是，從其他地區的相關報道[37]以及研究區同一油藏構造低部位的儲集層見石油顯示但測試結果為水層來看，也存在早期油藏被調整（如油水界面抬升）的可能。如圖1b中位于凹陷西側的圈閉，其在白堊紀晚期幅度較低，在經歷嫩江組沉積晚期及后期構造擠壓之后，圈閉幅度增大并伴隨油水界面的抬升，造成位于原始油水界面位置的儲集層具有較好的錄井顯示，但測試證實為水層。

圖9 雙城地區烴源巖熱演化、石油成藏期次與含油系統事件圖

2.5 主要成藏模式

綜上分析，研究區油源來自營四段烴源巖，登婁庫組砂巖和營四段砂礫巖為有效儲集層，登婁庫組頂部（登四段）泥質巖為直接蓋層，即營城組—登婁庫組形成了完整的含油系統。烴源巖層（中部）至蓋層（底部）的垂向距離一般不超過200 m，石油無需長距離運移（側向運移距離不超10 km）即可成藏。筆者總結出了研究區的“源內復合”和“源上構造”兩類油藏模式。

“源內復合”模式，即構造-巖性油藏，該類油藏發育在斜坡帶營四段中，油藏無統一的油水界面（見圖10），同一砂體內構造高部位的相對高滲透性儲集層為主要含油儲集層（構造低部位含水），探井壓裂后產油0.24～3.21 t/d。

“源上構造”模式，該類油藏主要分布在登婁庫組的斷塊和斷背斜圈閉中，具有“一塊一藏”特征。受油源制約，隨著油藏遠離生烴洼槽，含油高度呈下降趨勢（見圖10）。該類油藏常規測試后自然產能一般為4.23～33.84 t/d，最高為90.97 t/d。良好的生儲蓋組合、晚期充注、近距離運移、穩定的構造背景為油藏形成的有利因素。

圖10 雙城地區石油成藏模式圖（剖面位置見圖1b）

3 油氣地質意義和啟示

營城組烴源巖在松遼盆地北部普遍發育，由于比沙河子組烴源巖厚度薄，加之以往未發現集中發育的優質烴源巖，也缺少烴源巖生成油氣大量聚集的直接證據，其油氣資源潛力未引起足夠重視。隨著在登婁庫組陸續發現源自營城組的油氣藏，并基于石油地質分析研究，得到一系列新的啟示：①營城組集中發育優質烴源巖，而且這些優質烴源巖發育在位于盆地邊緣、規模不大的斷陷中（見圖11），這很可能預示相鄰的凹陷（廟臺子、鶯山）以及位于盆地內部的大型斷陷（如徐家圍子斷陷）也發育營城組規模優質烴源巖，尤其是在鉆井取心地區已揭示營城組優質烴源巖的情況下[38]。同時，雙城地區營城組烴源巖有機質含量高，烴源巖層中普遍發育薄層（1～2 m）粉砂巖夾層，已有直井（J井）獲得工業油流，表明營城組頁巖油的勘探潛力也不容忽視。②營城組優質烴源巖所生石油聚集成藏的直接證據，證實規模不大的營城組優質烴源巖具有形成工業油藏的生烴潛力，在一定程度上解放了“規?！睂I城組烴源巖的“禁錮”，促進營城組烴源巖評價從重“規?！毕蛑亍捌焚|”轉變。③松北以往研究的主力烴源巖已處于高—過成熟演化階段，主要關注其生氣潛力，雙城地區成熟烴源巖及所生石油的發現，揭示深層烴源巖的生油潛力以及石油勘探潛力也值得關注。④深層烴源巖向上覆地層的供烴潛力也是值得關注和研究的問題，并可能為解答油氣勘探中的一些爭議問題提供新思路。如扶余油層的油源除了青山口組烴源巖“倒灌”外[39]，石油來源是否有營城組或沙河子組烴源巖的貢獻？從深層烴源巖具備一定的生油能力[40-41]并且不缺乏油氣輸導斷裂看，至少目前還不能否定這種可能。

圖11 松遼盆地北部營四段泥巖厚度與熱演化程度分布圖

本次研究利用地震和鉆井資料初步預測了松北營城組泥巖的厚度分布，結合烴源巖熱演化程度，劃分了石油勘探的潛力區（Ro值小于 1.3%）。結合前期工作，建議重點探索綏化和北安地區。對于位于盆地內部、熱演化程度較高的斷陷，盡管營城組現今有機質的熱演化程度較高（Ro值大于 1.3%），鑒于松北深層已經發現沙河子組烴源巖生成的凝析油及油型氣，營城組烴源巖在地史時期內是否生成石油并向上覆地層供烴也有必要引起關注?；谏鲜稣J識，建議加強營城組烴源巖的分布規律、沉積環境、生烴性質和成烴演化的研究。

4 結論

松北雙城地區發育營城組—登婁庫組含油組合，石油來源于營城組烴源巖，儲集層為登婁庫組砂巖和營四段砂礫巖，蓋層為登婁庫組頂部泥巖。研究揭示了營城組優質烴源巖良好的生烴潛力，提供了營城組烴源巖所生油氣高效成藏的油田實例。

雙城地區營城組烴源巖于姚家組—嫩江組沉積期生烴，圈閉經歷了（孕育、發展、定型）3期演化，石油分別于嫩江組沉積期和古近紀—新近紀期充注成藏，在登婁庫組和營四段形成構造與構造-巖性兩類油藏。盡管營城組優質烴源巖的發育規模不大，但是良好的生儲蓋組合、晚期石油充注、近距離運移、穩定的構造背景保障了石油的高效成藏和保存。

營城組優質烴源巖及所生石油的發現，進一步揭示松北深層除了發育以生氣為主的煤系烴源巖之外，也可能發育一定規模的腐泥型烴源巖。為此，有必要加強盆地范圍內營城組烴源巖形成環境、生烴性質、資源潛力、生烴演化的研究。

符號注釋：

CPI——正構烷碳優勢指數；GR——自然伽馬，API；IH——氫指數，mg/g；OEP——正構烷烴奇偶優勢指數；Ro——鏡質體反射率，%；Rt——電阻率，Ω·m；S1——游離烴含量，mg/g；S2——熱解烴含量，mg/g；Tmax——巖石熱解峰溫，℃。