珠江口盆地河流—三角洲体系煤系烃源岩发育特征及有利相带

李　燕, 邓运华, 李友川, 侯读杰

( 1. 中海油研究总院，北京　100028；　2. 中国地质大学(北京) 博士后流动站，北京　100083；　3. 中国海洋石油总公司，北京　100010 )



珠江口盆地河流—三角洲体系煤系烃源岩发育特征及有利相带

李燕1,2, 邓运华3, 李友川1, 侯读杰2

( 1. 中海油研究总院，北京100028；2. 中国地质大学(北京) 博士后流动站，北京100083；3. 中国海洋石油总公司，北京100010 )

根据地震、钻井、测井和地球化学等资料，采用沉积学与地球化学结合的方法，研究珠江口盆地恩平组河流—三角洲体系煤系烃源岩。结果表明：研究区河流—三角洲体系煤系烃源岩包括煤、碳质泥岩和煤系泥岩3种类型，典型发育特征为煤层单层厚度薄、层数多、横向变化大，呈薄层状分布在河道、分流河道的厚砂体之间。该体系煤系烃源岩有机质丰度较高，生烃能力较强；有机质主要类型为Ⅱ2型，多来自陆生高等植物，孢子和花粉含量很高，藻类含量非常低，烃源岩有机组成中煤质、木质、壳质含量高，无定形有机质含量很低。该体系煤系烃源岩非均质性强，受沉积相带控制，河流的河漫沼泽、三角洲平原沼泽高等植物大量发育且有利于有机质保存，是河流—三角洲体系煤系烃源岩发育的有利相带。河道、分流河道的迁移改道、决口和沼泽逐渐淤积填平是导致珠江口盆地恩平组河流—三角洲体系发育薄煤层的重要原因。该结论对于认识河流—三角洲体系煤系烃源岩的发育特征，以及在源控论的指导下寻找油气具有指导意义。

煤系烃源岩； 河流—三角洲体系； 有利相带； 形成机理； 珠江口盆地

0　引言

煤系烃源岩是一种重要的烃源岩类型[1-9]，随着油气勘探的不断发展，河流—三角洲体系形成的煤系烃源岩在油气生成中的作用越来越突出。许多盆地发现河流—三角洲体系形成的煤系烃源岩，如波拿巴盆地下—中侏罗统煤系烃源岩、吉普斯兰盆地煤系烃源岩、库帕盆地新近系煤系烃源岩[10-17]、准噶尔盆地下—中侏罗统煤系烃源岩、鄂尔多斯盆地下侏罗统煤系烃源岩等发育于三角洲平原环境[18-20]，波德河盆地第三系煤系烃源岩发育于河流环境。与浅湖沼泽化、滨岸带泻湖沼泽化发育的煤系烃源岩不同，河流—三角洲体系形成的煤系烃源岩横向连片性差，分布规律更加复杂[21-23]。目前，对河流—三角洲体系煤系烃源岩的发育特征及有利相带研究相对较少[24-26]，研究该问题对以河流—三角洲体系煤系烃源岩供源的油气田勘探开发具有指导意义。

恩平组时期河流—三角洲体系煤系烃源岩是珠江口盆地重要的烃源岩类型，白云凹陷北坡和白云深水区的油气与恩平组煤系烃源岩的有机地化对比表明，恩平组煤系烃源岩是一套有效的烃源岩，并且是番禺低隆起的主力烃源岩[27-29]。笔者利用地震、录井、测井和地球化学等资料，根据珠江口盆地恩平组煤系烃源岩煤层厚度及煤层发育特征，以及有机质丰度、类型和来源，分析煤系烃源岩发育的有利相带及薄煤层的形成机理。

1　研究区概况

珠江口盆地位于南海北部，呈北东向展布，盆地内隆凹相间，总体上呈“南北分带，东西分块”的构造格局[30]。由北向南依次为北部隆起带、北部坳陷带、中央隆起带、南部坳陷带、南部隆起带，北部坳陷带又被北西向的隐伏断层分割成珠一坳陷和珠三坳陷，南部坳陷带被分割成珠二坳陷和潮汕坳陷(见图1(a))，研究区范围包括珠一坳陷、珠二坳陷和中央隆起带。

图1　珠江口盆地区域地质构造及地层格架剖面Fig.1 Stratigraphic framework of Pearl River Mouth basin

珠江口盆地新生代以来经历裂陷期、断拗期和拗陷期3个演化阶段[31](见图1(b))。裂陷初期，珠江口盆地发育神狐组沉积，主要为冲积—洪积的近源粗粒沉积，分布范围非常局限。快速裂陷期发育文昌组沉积，主要为一套陆内的滨浅湖、深湖相沉积，周边为河流相的砂泥沉积、扇三角洲沉积等，在珠一坳陷受断裂控制呈多个沉积中心，而珠二坳陷沉积受断裂的分隔不明显，具有统一的沉积中心，整体上坳陷中心沉积厚，向周边逐渐减薄。裂陷晚期，珠江口盆地发育恩平组沉积，沉积初期，凹陷分隔现象减弱，从珠一坳陷到珠二坳陷依次发育陆内河流—湖泊沉积、海陆过渡的三角洲沉积和滨浅海沉积；沉积晚期，珠一坳陷和珠二坳陷形成统一的源—汇沉积体系，从珠一坳陷到珠二坳陷的白云凹陷依次为河流—三角洲—滨浅海沉积，三角洲向海洋推进距离较远，规模达4 500 km2，是煤系烃源岩的重要发育期。断拗期，珠江口盆地发育珠海组沉积，总体为三角洲—滨浅海沉积，陆架上发育来自北部的大型三角洲沉积，地震剖面上呈高角度的前积斜层。新近纪进入拗陷阶段，在广泛的海侵背景下发育碎屑岩和碳酸盐岩沉积。

珠江口盆地恩平组沉积时期属于湿热性气候，孢粉组成中以热带、亚热带的组分含量高，如杉科粉、双沟粉和栎粉等。珠海组沉积时期，气候发生重大转变，变得温凉干燥，云杉、铁杉、冷杉和雪松等温带针叶树花粉含量明显增多[32]。

恩平组为珠江口盆地煤系烃源岩最发育时期，湿热的气候条件、广泛的河流环境及不断向海推进形成的大规模三角洲为煤系烃源岩的发育提供有利条件。

2　煤层发育特征

分析研究区录井、岩心和测井等资料，珠江口盆地恩平组煤系烃源岩可分为煤、碳质泥岩和煤系泥岩3种类型。煤层是煤系烃源岩的主体和核心，是煤系烃源岩的主要贡献者[33]，对煤层发育特征的研究是煤系烃源岩研究的重要内容。

珠江口盆地恩平组煤层在录井和岩心上显示为薄层状产出，一般为黑色、灰黑色，无光泽—中等光泽，常见裂缝发育。煤层常见黄铁矿伴生，反映沉积环境为还原环境。煤层在测井曲线上具有明显的响应特征，总体上表现为高电阻(中等变质的烟煤)、高声波、高中子孔隙度、低密度、中—低自然伽马和井径扩径的特点。以沉积学、测井地质学和地球化学理论为指导，采用逻辑判别法、聚类分析法和蜘蛛网图法等识别研究区煤层(见图2)。

珠江口盆地恩平组时期煤层主要发育于河流、三角洲平原环境，向三角洲前缘、浅海煤层消失。煤层呈薄层状夹在河流的河道和三角洲平原分流河道形成的厚层砂岩之间，纵向上形成典型的岩相组合，从下向上依次为：(1)厚层的河道、分流河道砂岩—灰色泥岩—煤—灰色泥岩见碳屑—灰色粉砂岩—厚层的河道、分流河道砂岩；(2)厚层的河道、分流河道砂岩—煤—厚层河道、分流河道砂岩；(3)厚层的河道、分流河道砂岩—灰色泥岩—煤—灰色泥岩—厚层河道、分流河道砂岩；(4)厚层的河道、分流河道砂岩—灰色泥岩—煤—厚层的河道、分流河道砂岩。这种纵向上河道、分流河道砂与煤层交互沉积的组合是河流—三角洲体系煤系烃源岩发育的典型特征，是受河流—三角洲体系的沉积演化形成的。

图2　珠江口盆地恩平组煤层测井响应特征(PYAA井)Fig.2 Logging response characteristics of coal seam in Enping group of Pearl River Mouth basin (well PYAA)

珠江口盆地恩平组河流—三角洲体系发育的煤层具有单层厚度薄、层数多、横向变化大的特点。统计研究区煤层单层厚度，河流与三角洲环境形成的煤层呈薄层状，单层煤层厚度相近，主要为0.5～1.0 m，极少数煤层厚度达2.0 m(见图3(a))。煤层在纵向上发育层数多，单井上可形成多个含煤沉积序列，很多井钻遇恩平组煤层数超过15层，累计厚度较大，如PYBB井钻遇恩平组煤层数达20层(见图3(b))，累计厚度约为23.0 m。研究区河流—三角洲体系煤层非均质性强，横向变化大，尖灭快，横向上对比追踪很困难。相邻两口钻井煤层的发育层数和时间明显不同。

图3　珠江口盆地恩平组单层煤层厚度分布及煤层数Fig.3 Single layer thickness and layer number of coal seam in Enping group of Pearl River Mouth basin

3　煤系烃源岩的地化特征

3.1有机质丰度较高

珠江口盆地恩平组煤系烃源岩有机质丰度普遍较高(见表1)。有机碳(TOC)平均质量分数为60.6%，最高达80.8%，生烃潜量(S1+S2)平均为184.2 mg/g，最高达262.6 mg/g。碳质泥岩平均有机碳质量分数为17.2%，生烃潜量为42.5 mg/g；暗色泥岩平均有机碳质量分数为1.6%，生烃潜量为4.5 mg/g(见图4)。表明研究区煤系烃源岩具有较强的生烃能力。

表1珠江口盆地恩平组煤系烃源岩有机质丰度和类型

Table 1 Organic matter abundance and type of coal measure source rock in Enping group of Pearl River Mouth basin

烃源岩类型w(TOC)/%S1+S2/(mg·g-1)HI/(mg·g-1)煤60.6(26)184.2(26)282.2(15)碳质泥岩17.2(39)42.5(39)245.7(23)暗色泥岩1.6(317)4.5(317)173.9(268)

注：数据代表平均值(样品数)

3.2有机质主要来源于陆生高等植物

珠江口盆地恩平组煤系烃源岩主要有机质类型为Ⅱ2型(见图5)。煤的氢指数(HI)一般高于碳质泥岩和暗色泥岩的，为142.0～355.0 mg/g，平均为282.2 mg/g(见表1)；碳质泥岩的氢指数为86.0～385.6 mg/g，平均为245.7 mg/g；暗色泥岩的氢指数为36.0～440.0 mg/g，平均为173.9 mg/g。

图4　珠江口盆地恩平组煤系烃源岩有机碳质量分数与生烃潜量关系Fig.4 Relationship between w(TOC) and S1+S2 of coal measure source rocks in Enping group of Pearl River Mouth basin

图5　珠江口盆地恩平组煤系烃源岩最大热解温度与氢指数关系Fig.5 Relationship between Tmax and HI of coal-measure source rocks in Enping group of Pearl River Mouth basin

珠江口盆地恩平组孢粉和藻类含量分析表明，以孢子和花粉为主，孢子和花粉的含量大于90%，说明煤系烃源岩的有机质主要来源于陆生高等植物。大部分井可见藻类化石，说明煤系烃源岩有机质有来源于藻类的贡献，但是藻类化石的含量很低，一般小于10%，远低于陆生高等植物孢子和花粉的含量。如HZEE井恩平组煤系烃源岩的孢子含量为9%～45%，花粉含量为45%～91%，藻类化石的含量小于10%(见图6)。

烃源岩有机质组成分析结果表明，恩平组煤系烃源岩中陆生高等植物有机组分含量高，煤质和木质含量较高，平均含量分别为24.5%和30.0%，壳质平均含量为35.5%；无定形有机质含量低，一般小于10%(见图7)。

图6　珠江口盆地恩平组河流环境孢粉和藻类含量(HZEE井)

图7　珠江口盆地恩平组三角洲平原环境有机质组成(PYBB井)Fig.7 Organic matter composition of delta plain in Enping group of Pearl River Mouth basin(well PYBB)

综上所述，珠江口盆地恩平组河流—三角洲体系煤系烃源岩有机质主要来源于陆生高等植物，藻类的贡献很小。

4　有利相带及薄煤层形成机理

4.1有利相带

恩平组沉积时期，珠江口盆地煤系烃源岩主要分布于珠一坳陷和珠二坳陷西部的河流—三角洲沉积环境，东部的局限浅海环境是海相烃源岩的发育区。河流—三角洲体系煤系烃源岩的分布横向变化很快，非均质性很强，煤系烃源岩的发育明显受沉积相带的控制。

分析研究区煤系烃源岩发育的有利相带，河流的河漫沼泽和三角洲平原的沼泽环境是河流—三角洲体系煤系烃源岩的有利发育相带(见图8)。研究区河流—三角洲体系煤层发育在河漫沼泽和三角洲平原沼泽环境中，并且层数多、累计厚度大。碳质泥岩和煤系泥岩也主要发育在河漫沼泽和三角洲平原沼泽环境中，仅少部分发育在其他相带中。分析河流—三角洲体系各相带烃源岩的有机质丰度，河流的河漫沼泽和三角洲平原沼泽在河流—三角洲体系煤系烃源岩中有机质丰度最高，河漫沼泽的平均有机碳质量分数达12.4%，三角洲平原沼泽平均有机碳质量分数达14.2%(见图9)。

图8　珠江口盆地恩平组煤系烃源岩发育有利相带Fig.8 Favorable facies of coal-measure source rocks in Enping group of Pearl River Mouth basin

图9　珠江口盆地恩平组不同微相烃源岩有机质丰度Fig.9 Organic matter abundance of different microfacies in Enping group of Pearl River Mouth basin

研究区河流—三角洲体系煤系烃源岩在各相带发育情况有显著差别，是由不同微相的地形、水动力和氧化还原条件等古地理条件的不同决定的。河漫沼泽和三角洲平原沼泽是河流—三角洲体系相对低洼的地带，由于恩平组时期气候湿热，低洼地带地表常年积水，有利于高等植物的大量发育，岩心观察发现沉积物中富含植物碎屑，并常见煤线。河漫沼泽和三角洲平原沼泽远离河道，粗碎屑沉积物的供应量相对较低，高等植物死亡后被地表水覆盖，使有机物处于还原环境而很少发生氧化，有利于有机质的堆积和保存，岩心观察常见黄铁矿伴生。河道和天然堤是河流—三角洲体系煤系烃源岩较不发育的相带。河道是陆地有机碳向海洋搬运的重要通道，河道中携带陆源有机碳，但是河道的水动力作用很强，水流流速快，有机质难以沉积下来，不易形成烃源岩沉积。研究区河道中沉积的少量碳屑呈斑点状分布在河道砂岩中，有机质丰度很低。天然堤只有在洪水期水流漫出河道时被淹没，平水期一直暴露于水面之上，天然堤表面生长的植被死亡后暴露于空气，有机质容易被氧化而难以保存下来。

4.2薄煤层形成机理

研究区恩平组煤层单层厚度薄、层数多、横向变化快，与中—深湖相、海相发育的连片分布、厚度可达上百米的巨厚烃源岩不同，这与河流—三角洲体系的沉积演化特点密切相关。中—深湖相、海相分布范围广，在一定地质历史时期是相对稳定的沉积环境，有利于有机质持续堆积形成巨厚的烃源岩沉积。利用岩心、录井和测井等资料，分析研究区煤层发育特征、沉积序列组合和沉积构造等发现，河道、分流河道的改道、决口和沼泽淤积填平是造成研究区薄煤层发育的重要原因。(1)河漫沼泽、三角洲平原沼泽是河流—三角洲体系煤层的有利发育相带(见图10(a))，但在河流—三角洲体系的演化过程中，河道、分流河道的迁移改道、决口和沼泽逐渐淤积填平，破坏有利于煤层发育的环境，容易形成薄煤层。(2)珠江口盆地恩平组时期河流、三角洲环境经常发生河道、分流河道的改道，冲刷沼泽环境形成的泥炭，使泥炭沉积终止，其上部发育河道或分流河道沉积，岩心观察常见明显的冲刷面(见图10(b))。(3)河道、分流河道的决口也是影响研究区煤层发育的因素。洪水期，水流的流量增大，河道、分流河道发生决口，决口水流携带碎屑物质冲出河道，在河道和分流河道的外侧形成决口扇沉积。决口扇携带的大量碎屑物质进入河漫沼泽和三角洲平原沼泽，破坏泥炭的堆积环境，影响煤层的发育。钻井资料揭示，在纵向上形成煤层沉积之上发育反旋回的决口扇沉积(见图10(c))。(4)沼泽淤积填平也影响烃源岩的发育，随着泥炭的不断堆积，可容纳空间的增长速率小于泥炭的堆积速率，河漫沼泽、三角洲平原沼泽逐渐淤积填平，有机物沉积后暴露在水面之上，不能形成煤层(见图10(d))。在纵向上形成煤层之上覆盖暗色泥岩的沉积组合。

图10　珠江口盆地恩平组河流—三角洲体系薄煤层形成机理

5　结论

(1)河流—三角洲体系煤系烃源岩是珠江口盆地重要的烃源岩，包括煤、碳质泥岩和暗色泥岩3种类型。煤层在测井曲线上呈高电阻、高声波、高中子孔隙度、低密度、中—低自然伽马和井径扩径的特点。煤层单层厚度薄、层数多、横向变化大，煤层呈薄层状夹在河道、分流河道的厚砂体之间，是河流—三角洲体系煤系烃源岩发育的典型特征。

(2)河流—三角洲体系煤系烃源岩有机质丰度较高，具有较强的生烃能力；有机质类型主要为Ⅱ2型，有机质主要来源于陆生高等植物，孢子和花粉含量很高，藻类含量非常低，烃源岩有机组成煤质、木质、壳质含量高，无定形有机质含量很低。

(3)珠江口盆地河流—三角洲体系煤系烃源岩发育具有很强的非均质性，明显受沉积相带的控制。河流的河漫沼泽、三角洲平原沼泽高等植物大量发育且有利于有机质保存，是河流—三角洲体系煤系烃源岩发育的有利相带。河道、分流河道的迁移改道、决口和沼泽逐渐淤积填平是导致研究区河流—三角洲体系发育薄煤层的重要原因。

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2015-12-04；编辑：张兆虹

国家科技重大专项(2011ZX0523)

李燕(1987-)，女，博士，在站博士后，工程师，主要从事沉积学、油气地球化学方面的研究。

10.3969/j.issn.2095-4107.2016.01.007

TE112.113

A

2095-4107(2016)01-0062-10