河流-三角洲体系微相控烃及机理研究：以珠江口盆地恩平组煤系烃源岩为例

李 燕，邓运华，李友川

(1.中国海洋石油国际有限公司，北京 100028；2.中海油研究总院，北京 100028)

0 引 言

河流-三角洲环境形成的煤系烃源岩是重要的油气来源，国内外很多盆地都发现了河流-三角洲体系煤系烃源岩供源的油气藏[1-18]，如波德河盆地典型的河流环境煤系烃源岩，吉普斯兰盆地、波拿巴盆地及中国西湖凹陷平湖组等三角洲环境煤系烃源岩，都是油气的重要来源[19-24]。近年来沁水盆地、鄂尔多斯盆地东缘的煤层气勘探取得重大突破，研究表明该区含煤岩系主要形成于河流-三角洲环境[25]。我国河流-三角洲环境形成的煤系烃源岩分布广泛[26-28]，具有巨大的勘探潜力，有望成为未来油气勘探的重点对象。国内外学者对河流环境和三角洲环境煤系烃源岩的有机质丰度、类型等进行了研究，并开展了不同类型三角洲煤系烃源岩发育模式的分析；但是针对河流和三角洲环境各微相煤系烃源岩发育程度及空间分布规律的研究相对较少，制约了油气勘探中烃源岩的预测。珠江口盆地恩平组河流-三角洲体系煤系烃源岩是重要的油气来源[29-32]，油源对比分析表明，白云凹陷北坡及深水区的油气主要由恩平组煤系烃源岩供源[33]。但是，河流-三角洲体系烃源岩空间分布规律复杂[34-39]，预测难度大，是目前勘探面临的一项难题。李燕等总结了珠江口盆地恩平组煤层的测井响应特征和煤系烃源岩的发育特征，提出薄煤层的形成机理[24]。本文将在前期研究的基础上进行深化研究，总结研究区河流-三角洲体系煤系烃源岩的发育背景，分别对河流环境和三角洲环境开展煤层的发育特征以及煤系烃源岩的有机质丰度、类型和来源分析，提出微相控烃的理论及机理，并总结烃源岩的空间分布规律和建立研究区恩平组河流-三角洲体系煤系烃源岩的沉积模式。

1 区域地质背景

珠江口盆地是南海北部最大的被动大陆边缘盆地，位于太平洋板块、印度洋板块和欧亚板块交汇处，面积约17.5×104km2。盆地总体上呈北东向展布，盆地西侧和东侧均以北东向的断裂为界，北侧和南侧均以北西向断裂为界。盆地内部被北东—南西向的一级断裂切割而形成隆起和坳陷相间的结构(图1(a))，自北向南依次为北部隆起带、北部坳陷带(由珠一坳陷、珠三坳陷组成)、中央隆起带、南部坳陷带(由珠二坳陷和潮汕坳陷组成)和南部隆起带，盆地内次一级的北西—南东向断裂将坳陷进一步划分为次一级的凹陷。

图1 珠江口盆地构造格局(a)及地层综合柱状图(b) [40]

珠江口盆地位于欧亚板块、太平洋板块和印度板块的交汇处，其形成具有复杂的动力学背景，受到太平洋板块和欧亚板块的碰撞挤压作用和太平洋板块俯冲作用的影响[41]。总体来说，珠江口盆地新生代可以划分为裂陷期、坳陷期和新构造活动期[42-43]。裂陷期为古新世—早渐新世(图1(b)，呈现幕式裂陷的特征，早期活动强烈，形成孤立、分散的断陷；晚期断裂活动逐渐减弱，呈现断-坳过渡的特征。坳陷期为晚渐新世—早中新世，断裂活动不活跃，主要为热沉降。新构造活动期为中中新世—上新世，盆地内构造活动的不均衡形成了东、西向明显的差异。

裂陷早期主要为河流-湖泊相沉积，具有多个沉积中心，沉积了神狐组和文昌组两套沉积地层。神狐组岩性主要为杂色砂岩夹紫红色泥岩，文昌组主要为灰黑色泥岩夹薄层砂岩和粉砂岩。裂陷晚期发育恩平组沉积，主要为陆相河湖相-海陆过渡相-海相沉积。恩平组是珠江口盆地重要的煤系烃源岩发育层位，在盆地的珠一坳陷、番禺低隆起、珠二坳陷的西侧均有煤系烃源岩发育。坳陷期发育珠海组和珠江组沉积，主要为海陆过渡相-浅海相沉积，珠一坳陷珠海组下段以砂岩为主，上段为砂泥岩互层；珠江组从下向上岩性依次为砂泥互层、碳酸盐岩、泥岩夹砂岩。白云凹陷以泥岩为主，夹砂岩沉积。新构造活动期，发育韩江组、粤海组和万山组沉积，主要为浅海-广海环境，岩性主要为泥岩、砂岩形成的正韵律及泥岩夹中细砂岩，常富含海绿石。

2 煤系烃源岩发育背景

恩平组沉积时期是珠江口盆地煤系烃源岩最发育的时期，盆地稳定沉降，沉积、沉降速率近平衡，气候温暖湿润，河流和三角洲环境广泛分布，为煤系烃源岩的发育提供了有利条件。

2.1 盆地稳定沉降，沉积、沉降速率近平衡

珠江口盆地基底沉降曲线与构造沉降曲线均呈三段式特征。文昌组时期基底沉降曲线和构造沉降曲线斜率大，反映文昌组时期构造活动强烈(图2(a))。恩平组时期，基底沉降曲线和构造沉降曲线斜率均变小，反映恩平组时期构造活动减弱。珠海组沉积期—第四纪，构造活动缓慢，基底沉降主要由热沉降引起。

沉降速率与沉积速率的相对平衡状态是影响煤系烃源岩发育的重要因素。盆地沉降过快，煤系烃源岩的堆积速率难以追上可容纳空间的增加速率，河流、三角洲环境被淹没，煤系烃源岩发育终止；盆地沉降过慢，沉积有机质暴露于地表，不利于有机质的保存。本次研究通过对珠江口盆地11个井区的沉积、沉降速率及煤层发育情况进行研究发现，恩平组沉积速率与沉降速率近平衡，为优质煤系烃源岩的发育提供了重要条件。恩平组沉积时期基底沉降速率与沉积速率的比值集中在0.9～1.0之间(图2(b))，表明恩平组总体处于近平衡补偿的环境，有利于有机质的保存。

图2 珠江口盆地埋藏及沉积特征

2.2 气候温暖湿润，植被繁茂

孢粉组合反映植物群落特征，是古气候分析的重要依据。珠江口盆地孢粉组成分析表明，常绿栎类花粉、倍什高腾粉、柯氏双沟粉发育(图3)，说明恩平组时期发育常绿阔叶植物和喜湿植物，恩平组时期气候温暖湿润。到珠海组时期，孢粉组成发生了明显的变化，栎类花粉、倍什高腾粉、柯氏双沟粉含量显著下降，桤木粉、双束松粉含量增加，表明从恩平组到珠海组气候由温暖湿润向较干凉变化，这一气候变化与始新世末到渐新世早期的全球性气候变冷相对应。

图3 珠江口盆地孢粉组成(LHAA井)

气候对植被的发育和有机质的保存具有重要的影响。珠江口盆地恩平组时期温暖湿润的气候有利于植被的大量繁殖，也有利于植被死亡后保存下来形成优质的烃源岩，为烃源岩的发育提供有利的条件。

2.3 大规模发育的河流-三角洲为煤系烃源岩的发育提供了有利场所

河流-三角洲为泥炭沼泽的广泛发育提供了有利场所，是形成煤系烃源岩的重要沉积环境。河流、三角洲环境的沼泽环境有利于高等植物的发育，同时又容易被保存下来形成煤系烃源岩，河流-三角洲体系的发育规模决定煤系烃源岩的发育程度。

恩平组时期珠一坳陷主要发育大面积连片分布的河流相、浅湖相、湖沼相沉积，在坳陷的边缘靠近隆起区发育冲积扇、扇三角洲沉积，坳陷两侧的北部隆起带和中央隆起带为珠一坳陷提供物源。珠二坳陷恩平组沉积时期主要发育滨浅海、三角洲沉积，并在坳陷的边缘发育扇三角洲沉积。白云凹陷的北部发育大规模的海相三角洲，面积可达4 500 km2，在地震剖面上可以识别出大规模的S型或叠瓦状前积反射。三角洲的大规模分布为煤系烃源岩的发育提供了有利场所[44](图4)，如PYBB井发育在此三角洲上，发育煤层20层(表1)，累计厚度23 m，因此，三角洲发育非常巨大的烃源岩体。

图4 白云—荔湾凹陷恩平组三角洲分布特征[44]

表1 PYBB井煤层统计

3 煤系烃源岩发育特征

3.1 煤层的发育特征

录井、岩心分析表明，研究区煤系烃源岩有3种类型，分别是煤、炭质泥岩和煤系泥岩。煤层是煤系烃源岩的主体与核心，是煤成烃的主要贡献者[45]。本次研究采用逻辑判别法、聚类分析法和蜘蛛网图法等方法对盆地内发育的煤层进行了综合识别(图5)。逻辑判别法主要是通过分析取心段煤层的测井响应特征，根据取心段煤层的测井响应特征识别未取心井的煤层。珠江口盆地的煤层具有明显的测井响应特征，如PYAA井煤层发育层段总体上表现为高电阻、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，根据这些典型的测井异常响应特征进行煤层的识别。本次研究对珠江口盆地20多口井的测井资料进行聚类分析研究，完成了煤层的识别。测井蜘蛛网图法的原理是不同的岩性具有不同的测井响应特征，投在蜘蛛网图上会呈现不同的图形形态，根据“相似相近”的原则，与标准煤层的蜘蛛网图相同或相似的层段为煤层。

分析结果显示(图5)，珠江口盆地恩平组河流-三角洲体系发育的煤层呈薄层状产出，纵向上发育的层数多。恩平组河流和三角洲环境煤层单层厚度相近，河流环境钻遇煤层的单层平均厚度为0.74～1.17 m；三角洲环境钻遇煤层的单层平均厚度为0.73～1.12 m(图6)。薄煤层纵向上与河道砂岩、分流河道砂岩交互，形成多个含煤沉积序列，多口钻井揭示煤层超过15层，如PYBB井恩平组纵向上发育20层薄煤层，累计厚度近23 m。

图5 珠江口盆地煤层发育纵向序列(PYAA井)

图6 珠江口盆地恩平组河流、三角洲环境煤层单层厚度

研究区煤层横向连续性分析表明，煤层横向变化快，因此很难预测煤层的空间展布。相邻两口钻井揭示的煤层发育情况明显不同，煤层层数差别很大，煤层发育的相对早晚也明显不同。以珠江口盆地PYDD—PYAA—PYCC—PYBB井区为例，PYDD、PYAA、PYCC、PYBB井是相邻的4口钻井，但是煤层发育特征明显不同(图7)。PYDD井、PYCC井恩平组均不发育煤层；PYAA井恩平组发育煤层21层，累计厚度15.4 m；PYBB井恩平组发育煤层20层，累计厚度23 m。PYAA井与PYBB井煤层发育的早晚也不一致，横向对比困难。

3.2 烃源岩有机质丰度、类型及来源

研究区煤系烃源岩品质很好，煤层的平均有机碳含量达到60%，炭质泥岩和暗色泥岩的有机碳含量也较高，平均有机碳含量都大于1%，属于好-很好的烃源岩，具有很大的生烃能力[46]。河流环境和三角洲环境形成的煤系烃源岩的有机质丰度和生烃潜量相近(图8)，河流和三角洲环境形成的煤系烃源岩TOC都主要集中于1%～6%，河流环境煤系烃源岩平均有机碳含量为7.5%，三角洲环境煤系烃源岩平均有机碳含量为6.5%；河流和三角洲环境形成烃源岩的生烃潜量均主要集中在1～10 mg/g之间，说明河流和三角洲环境形成的煤层的生烃能力相近。

图8 珠江口盆地恩平组河流与三角洲环境煤系烃源岩有机碳含量(a)、 生烃潜量分布图(b)

将样品岩石热解分析得到的氢指数(HI)和最大热解温度(Tmax)数据与沉积环境分析的结果相结合，得到恩平组河流和三角洲环境中煤系烃源岩氢指数与最大热解温度的交汇图(图9)。数据分析表明，珠江口盆地恩平组煤系烃源岩的有机质类型主要为Ⅱ型。河流环境和三角洲环境形成的烃源岩氢指数相差不大，河流环境形成的烃源岩氢指数平均为291.1 mg/g，三角洲环境形成的烃源岩氢指数平均为250.3 mg/g。

图9 珠江口盆地恩平组河流和三角洲环境煤系烃源岩最大热解温度与氢指数关系图

孢粉藻类组成是反映烃源岩有机质来源的重要指标。珠江口盆地恩平组煤系烃源岩中含有丰富的孢粉藻类化石，根据样品的鉴定成果，分析每个样品中蕨类孢子、裸子植物花粉、被子植物花粉、盘星藻、球藻、海相沟鞭藻和疑源类各自的占比，以及孢粉和藻类各自的总占比。分析结果显示，珠江口盆地恩平组煤系烃源岩中孢子和花粉的含量很高，一般超过90%(图10)，藻类化石的含量非常低，一般都小于10%；表明珠江口盆地恩平组煤系烃源岩有机质主要来自陆生高等植物，部分有机质来自藻类的贡献，但藻类的贡献不大。

图10 珠江口盆地恩平组孢粉藻类组成(HZAA井)

4 煤系烃源岩沉积模式及其与油气勘探的关系

珠江口盆地河流-三角洲体系煤层主要呈薄层状，纵向上河道砂体、分流河道砂体与煤层交互沉积，煤层横向对比困难、尖灭快。烃源岩发育的非均质性是造成油气差异聚集的根本因素，因此探讨烃源岩发育的有利相带和分布规律有助于准确评价与预测烃源岩的分布，并且对寻找富烃凹陷及在“源控论”的指导下寻找油气具有重要的指导意义[45-46]。

对于烃源岩的研究，传统研究方法主要是针对已钻井的单井点分析，对研究区的勘探程度和资料的完备程度依赖较大，往往认识滞后于勘探。本次研究将沉积微相的分析与烃源岩的地球化学指标(有机质丰度、生烃潜量、氢指数)相结合，总结了烃源岩的空间分布规律，提出了微相控烃的机理，对于烃源岩的预测及战略选区具有重要的指导意义。

4.1 河流和三角洲环境呈微相控烃的特点

珠江口盆地恩平组煤系烃源岩主要分布在珠一坳陷和白云凹陷的北部，白云凹陷东部的局限浅海环境是海相烃源岩的发育区。煤系烃源岩的发育明显受沉积微相的控制，呈现明显的微相控烃的特点。

河流环境中河漫沼泽有机质丰度最高，其次为河漫滩和决口扇，天然堤的有机质丰度最低(图11)。河漫沼泽微相烃源岩的有机碳含量一般为0.7%～80.8%，平均有机碳含量为12.4%；河漫滩微相烃源岩的有机碳含量一般为0.1%～5.5%，平均有机碳含量为1.4%；决口扇烃源岩平均有机碳含量为0.7%；天然堤微相的有机质丰度最低，烃源岩的有机碳含量一般为0.15%～0.75%，平均有机碳含量仅为0.38%。

图11 珠江口盆地恩平组河流环境各微相烃源岩TOC与S1+S2关系图

三角洲环境中沼泽微相有机质丰度最高，其次为分流河道间，决口扇的有机质丰度最低(图12)。沼泽微相烃源岩的有机碳含量一般为1.7%～33.3%，平均有机碳含量为10.5%；分流河道间微相烃源岩的有机碳含量一般为0.26%～6.30%，平均有机碳含量为1.60%；决口扇微相烃源岩的平均有机碳含量仅为0.91%。

通过对珠江口盆地恩平组河流环境烃源岩分布规律的研究发现，在垂直于河道走向的剖面上，靠近河道烃源岩发育差，远离河道烃源岩发育好。从河道向远离河道的河漫沼泽烃源岩发育逐渐变好，天然堤微相烃源岩的平均有机碳含量为0.38%，平均氢指数127.9 mg/g；逐渐远离河道的河漫滩微相烃源岩的平均有机碳含量为1.4%，平均氢指数178.8 mg/g；河漫沼泽微相烃源岩发育最好，平均有机碳含量达到12.4%，平均氢指数219.9 mg/g(图12)。

图12 珠江口盆地恩平组三角洲各微相烃源岩TOC与S1+S2关系图

三角洲环境烃源岩的有机质丰度、氢指数均呈规律性变化，靠近分流河道烃源岩发育差，远离分流河道烃源岩发育好。分流河道间烃源岩的平均有机碳含量为1.6%，平均氢指数为144.9 mg/g；沼泽微相烃源岩的平均有机碳含量达到10.5%，平均氢指数达到252.5 mg/g(图12)。

通过上述分析可见，河流和三角洲环境煤系烃源岩的发育受沉积微相的控制，在垂直于河道方向上呈规律性变化，靠近河道、分流河道烃源岩发育差，远离分流河道烃源岩发育好。

4.2 河流和三角洲环境微相控烃机理

为了探索造成河流、三角洲环境各微相烃源岩发育差异的原因，利用岩心、薄片、粒度分析等资料开展了珠江口盆地恩平组古地理条件分析，分析结果表明，河流、三角洲环境各微相的古地形、水动力条件、氧化还原条件等古地理条件的不同是造成各微相烃源岩发育差异的重要原因。

珠江口盆地恩平组河道、分流河道微相主要以粗碎屑沉积为主，岩性主要为粗砂岩、砂岩，细粒沉积含量较少，并常见平行层理、板状交错层理等强水动力作用的沉积构造(图13(a))，属于强水动力环境。在这种强水动力环境中，植被难以生长，有机质主要来自冲刷上游及周围堤岸的植被，同时由于水体搅动使氧气混入，不利于有机质保存。岩心观察发现，在河道、分流河道中烃源岩发育差，有机质仅以炭屑的形式零星分散在砂体颗粒之间(图13(b))。珠江口盆地恩平组河流的河漫沼泽、三角洲平原沼泽沉积物类型主要为灰色、深灰色泥岩(图13(c)和(d))，常见水平层理，表明水动力条件很弱，为在河道、分流河道之间地势较低的地带形成浅覆水的局限环境，有利于植被的大量发育；并且泥岩中常见黄铁矿结核，表明河流的河漫沼泽和三角洲平原沼泽属于还原环境，有利于植被的保存。因此，河流的河漫沼泽、三角洲平原沼泽是烃源岩最发育的微相，常见煤层、炭质泥岩发育。天然堤的沉积物类型为泥岩、粉砂质泥岩与粉砂岩互层，具有明显的洪水期和枯水期之分。枯水期暴露于水面之上，有利于植被的大量发育，但由于直接暴露在空气中，保存条件较差，岩心观察发现有机质主要为炭屑。河流的河漫滩和三角洲分流河道间沉积物类型主要为粉砂岩、泥岩，水动力条件和氧化还原条件都介于天然堤和河漫沼泽、沼泽之间，烃源岩发育中等。

图13 岩心素描及岩心照片(PYBB井)

4.3 煤系烃源岩的沉积模式

珠江口盆地恩平组河流环境和三角洲环境是煤系烃源岩的有利发育区，到海相环境逐渐过渡为以浮游藻类为主的海相烃源岩。河流、三角洲环境的煤系烃源岩发育具有很强的非均质性，在对珠江口盆地恩平组河流和三角洲环境煤层发育特征、煤层发育的有利微相、各微相烃源岩发育差异及微相控烃机理研究的基础上，建立研究区河流-三角洲体系煤系烃源岩发育模式(图14)。

图14 河流-三角洲体系煤系烃源岩发育模式

在河流-三角洲体系(图14)中，煤层主要发育在河漫沼泽和三角洲平原沼泽微相，平面上受河道、分流河道的分隔而形成多个相对孤立的沉积区，总体上走向平行于分流河道方向。剖面上煤层横向规模不大、尖灭快，被河道和分流河道砂体分割；纵向上煤层呈多层薄互层，与泥岩、河道和分流河道砂岩垂向上叠置。河漫滩和分流河道间微相煤系烃源岩发育较好，平均有机碳含量都大于1%，泥岩段富含植物碎屑和炭屑。天然堤微相煤系烃源岩的发育较差，有机质主要为炭屑。河道和分流河道形成了河流和三角洲的骨架，是砂体最发育的微相，煤系烃源岩发育差，有机质主要为炭屑。

4.4 煤系烃源岩与油气勘探的关系

河流-三角洲体系煤系烃源岩是我国近海天然气的主要贡献源。勘探实践证明，河流-三角洲体系煤系烃源岩目前已成为南海北部断陷盆地重要的天然气来源。珠江口盆地白云凹陷北坡发现的天然气主要为煤型气，气源对比分析表明天然气与恩平组烃源岩有密切的相关性，主要源于恩平组河流-三角洲体系煤系烃源岩，如番禺35-2、番禺30-1等。

珠江口盆地恩平组煤系烃源岩与河流-三角洲体系砂体形成良好的烃源岩与储层配置，垂向上煤系烃源岩与分流河道交互叠置，形成了多套互层，横向上煤系烃源岩与河道砂、分流河道砂相邻，有利于煤系烃源岩中生成的油气进入砂体中聚集成藏。珠江口盆地恩平组时期广泛发育河流、三角洲环境，为煤系烃源岩的发育提供了有利场所；并且烃源岩现今已经成熟，所以恩平组河流-三角洲体系煤系烃源岩是目前及今后勘探的重要方向。

5 结 论

珠江口盆地恩平组沉积时期，构造活动减弱，盆地沉降稳定，沉积速率与沉降速率近平衡；气候温暖湿润，植被繁盛；并且盆地内大规模发育河流和三角洲环境，为煤系烃源岩的发育提供了有利的地质条件。

珠江口盆地河流-三角洲体系煤层呈薄层状产出，纵向上发育多套含煤沉积序列，横向连续性差。河流和三角洲环境形成的煤系烃源岩有机质丰度均较高，生烃潜量和氢指数相近；有机质类型主要为Ⅱ型；有机质主要来自陆生高等植物，孢子和花粉含量很高，藻类的含量非常低。煤系烃源岩发育非均质性很强，呈现明显的微相控烃的特点。河流环境中河漫沼泽有机质丰度最高，其次为河漫滩和决口扇，天然堤的有机质丰度最低；三角洲环境中沼泽微相有机质丰度最高，其次为分流河道间，决口扇的有机质丰度最低。河流和三角洲环境烃源岩发育均呈现由河道、分流河道向远离河道和分流河道的河漫沼泽、沼泽，有机质丰度增高以及有机质类型变好的规律。研究区呈微相控烃的特点，各微相的古地形、水动力条件、氧化还原条件等古地理条件的不同是造成各微相烃源岩发育差异的重要原因。

珠江口盆地河流-三角洲环境煤系烃源岩与河道、分流河道的大型砂体紧邻，形成良好的烃源岩与储层配置关系，有利于油气充注成藏，是目前及今后油气勘探的重要方向。