引用本文
权骋, 于春勇, 何成山, 柴晓武, 吴志超. 南堡3号构造带烃源岩生排烃史数值模拟[J]. 录井工程, 2025,36(2): 142-148.
QUAN Cheng, YU Chunyong, HE Chengshan, CHAI Xiaowu, WU Zhichao. Numerical simulation of hydrocarbon-generating and hydrocarbon-expulsing histories of source rocks in Nanpu No.3 structural belt[J]. Mud Logging Engineering, 2025,36(2): 142-148.
Doi:10.3969/j.issn.1672-9803.2025.02.021  
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南堡3号构造带烃源岩生排烃史数值模拟
权骋①, 于春勇②, 何成山①, 柴晓武②, 吴志超②
①中国石油大港油田公司勘探事业部
②中国石油渤海钻探第一录井公司

作者简介：权骋 工程师,1985年生,2008年毕业于中国石油大学（华东）地质学专业,硕士学位,现在中国石油大港油田公司勘探事业部从事录井工程管理工作。通信地址：300280 天津市滨海新区大港油田三号院勘探事业部。E-mail：yq_quanch@petrochina.com.cn

收稿日期: 2025-04-11
摘要

为充分认识南堡3号构造带油气成藏过程,提升油气勘探效果,基于地质、地球化学等资料,运用含油气盆地数值模拟技术,在系统分析烃源岩发育特征的基础上,定量重建主要烃源岩层系的生排烃史,并探讨成藏过程匹配关系。结果表明：研究区发育沙三段、沙一段和东三段3套烃源岩,有机质丰度高,有机质类型以Ⅱ型为主;沙三段烃源岩处于成熟和高成熟阶段,生排烃强度高,大规模生排烃时间主要集中在东营组沉积末期至明化镇组沉积中期;沙一段和东三段烃源岩处于成熟阶段,生排烃强度中等,主要生排烃时间在明化镇组沉积中期至今;圈闭的形成期与油气生、排、运、聚具有良好的匹配关系。研究建议,中深层油气勘探应以沙三段烃源岩为油源,中浅层油气勘探应以“沙一段+东三段”烃源岩为油源,以紧邻曹妃甸次洼且有断层垂向沟通烃源岩与储层的构造和岩性圈闭为主要目标。

关键词: 烃源岩; 生烃史; 排烃史; 盆地模拟; 南堡3号构造带
中图分类号:TE132.1 文献标志码:A
Numerical simulation of hydrocarbon-generating and hydrocarbon-expulsing histories of source rocks in Nanpu No.3 structural belt
QUAN Cheng①, YU Chunyong②, HE Chengshan①, CHAI Xiaowu②, WU Zhichao②
①Exploration Department of PetroChina Dagang Oilfiled Company, Tianjin 300280,China
②No.1 Mud Logging Company,BHDC, CNPC, Tianjin 300280,China
Abstract

In order to fully understand the hydrocarbon accumulation process in Nanpu No.3 structural belt, and improve the effectiveness of oil and gas exploration, based on the data of geology and geochemistry, and using the technique of petroliferous basin numerical simulation, this paper reconstructs hydrocarbon-generating and hydrocarbon-expulsing histories, and discusses the matching relation of hydrocarbon accumulation on the basis of the systematic analysis of the source rock. The results show that there are three sets of source rock,including Es3, Es1 and Ed3 in the study area,and the main types of organic matter are Ⅱ with high organic matter abundance. The Es3 source rock have high hydrocarbon-generating and hydrocarbon-expulsing intensity at the stage of maturity and high maturity, and the mass process of hydrocarbon generation and expulsion happened from the end of Dongying sedimentation to the middle of Minghuazhen sedimentation. The Es1 and Ed3 source rocks have medium hydrocarbon-generating and hydrocarbon-expulsing intensity at the stage of maturity, and the main process of hydrocarbon generation and expulsion happened from the middle Minghuazhen sedimentation to present. The trap forming epoch matches well with generation, expulsion, migration and accumulation of hydrocarbon. The deep and middle-deep oil and gas exploration in the study area should take the source rocks of the Es3 as the oil source, and the middle-shallow oil and gas exploration should take the source rocks of Es1+Ed3 as the oil source. The favorable exploration objects include structural and lithologic traps that are adjacent to Caofeidian sub-sag and have faults vertically connecting the source rocks and reservoirs.

Keyword: source rock; hydrocarbon-generating history; hydrocarbon-expulsing history; basin modeling; Nanpu No.3 structural belt
0 引言

南堡凹陷位于渤海湾盆地黄骅坳陷北部, 是在华北地台基底上发育起来的一个北断南超复合箕状凹陷[1, 2, 3], 面积为1 932 km2（陆地面积570 km2, 海域面积1 362 km2）。南堡凹陷自下而上依次充填寒武系, 奥陶系, 石炭系-二叠系, 古近系沙河街组（进一步划分为沙三段、沙二段和沙一段）、东营组（进一步划分为东三段、东二段和东一段）, 新近系馆陶组、明化镇组以及第四系平原组。南堡凹陷内发育拾场次洼、林雀次洼、柳南次洼和曹妃甸次洼等多个生烃洼陷, 陆上油气分布在高尚堡、柳赞、老爷庙构造带, 海域油气分布在南堡1、2、3、4、5号构造带。

南堡3号构造带位于南堡凹陷南部, 有利勘探面积约为150 km2。勘探实践表明, 该构造带具备良好的油气成藏地质背景和条件。自2007年NP 3-2井在东营组获得工业油流以来, 已在构造主体部位发现多套含油气层系, 成为南堡凹陷“ 增储上产” 的重要区带。近年来, 随着油气勘探的逐步深入, 南堡3号构造带勘探目标逐步由中浅层向中深层、由构造高部位向构造斜坡、由构造油藏向构造-岩性油藏转变[4]。烃源岩是油气成藏的物质基础, 其与多幕式构造活动、多期次生排烃过程控制着油气藏的形成, 但是目前对研究区油气成藏过程认识程度较低。本研究从南堡3号构造带烃源岩发育特征分析入手, 采用含油气盆地数值模拟技术, 通过合理选取数学模型和模拟参数, 系统模拟烃源岩的生烃史和排烃史, 以深化对油气成藏过程的认识, 为油气勘探实践服务。

1 烃源岩特征

烃源岩是油气藏形成的物质基础, 其形成演化是控制油气藏形成与分布的重要因素。现有勘探实践证实[5, 6, 7], 南堡3号构造带自下而上发育3套烃源岩, 分别为沙三段、沙一段和东三段。其中, 沙三段烃源岩为深湖-半深湖相暗色泥岩, 分布广泛, 厚度分布在200~400 m之间; 沙一段烃源岩为半深湖相暗色泥岩, 平面分布较为稳定, 厚度在250 m左右; 东三段烃源岩为滨浅湖相暗色泥岩, 平均厚度在300~400 m之间, 自西南向东北方向逐渐增厚, 最厚可达500 m。

1.1 有机质丰度

根据湖相烃源岩有机质丰度判别标准[8], 基于65个泥岩样品地化数据统计分析了3套烃源岩有机质丰度特征。结果表明（表1）, 沙三段、东三段均属于好级别烃源岩, 总有机碳含量（TOC）分别为1.54%~4.02%、1.21%~4.12%, 生烃潜量（S1+S2）分别为1.61~4.85 mg/g、1.33~11.41 mg/g, 氯仿沥青“ A” 含量分别为0.109%~0.336%、0.037%~0.525%, 总烃分别为（453~2 208）× 10-6、（101~2 648）× 10-6, 两者均具有较好的生烃能力; 沙一段TOC为0.64%~2.51%, S1+S2为1.41~4.96 mg/g, 氯仿沥青“ A” 含量为0.129%~0.336%, 总烃为（1 032~2 090）× 10-6, 整体评价为中-好级别烃源岩。

表1 南堡3号构造带烃源岩样品基础地化数据
1.2 有机质类型

干酪根显微组分（腐泥组、壳质组、镜质组、惰质组）直接反映了烃源岩有机质生源构成[8, 9], 利用其相对含量可以判别有机质类型。镜检结果表明（表2）, 研究区3套烃源岩干酪根显微组分均以壳质组为主, 多数样品壳质组占总量90%以上, 仅含少量腐泥组和镜质组, 未检测到惰质组。另外, 利用干酪根显微组分相对含量计算的类型指数介于36.8~47.5之间, 依据湖相烃源岩有机质类型判别标准[8], 可以判定3套烃源岩有机质类型主要为腐殖-腐泥型（Ⅱ 1型）, 含有少量腐泥-腐殖型（Ⅱ 2型）。

表2 南堡3号构造带PG 2井干酪根显微组分数据

从岩石热解参数来看, 多数样品氢指数（HI）分布在120~300 mg/g之间, 反映出有机质类型以偏腐泥-腐殖型（Ⅱ 2型）为主。从65个泥岩样品Tmax-HI和OI（氧指数）-HI关系图板的投点结果来看（图1）, 沙三段有机质类型以Ⅱ 型为主, 含少量Ⅲ 型; 沙一段和东三段有机质类型均为Ⅱ 型。

图1 南堡3号构造带烃源岩Tmax-HI和OI-HI关系图板

显然, 通过岩石热解分析所得有机质类型较干酪根显微组分分析结果低半个等级, 尤其是沙三段烃源岩表现明显。这主要与有机质经历的热演化程度较高有关, 其导致氢指数降低, 进而使有机质类型变差[10]。

综上所述, 研究区3套烃源岩具有油气兼生的能力, 现有的油气勘探成果也充分证实了这一点。

1.3 有机质成熟度

南堡3号构造带44个烃源岩样品实测镜质体反射率（Ro）分布在0.55%~1.46%范围内, 对应分布深度在3 500~4 830 m之间（图2）。按照有机质成熟阶段划分标准[8], 研究区烃源岩埋深在2 900 m进入低成熟阶段（Ro为0.5%~0.7%）, 3 550 m进入成熟阶段（Ro为0.7%~1.3%）, 4 720 m进入高成熟阶段（Ro为1.3%~2.0%）, 约在4 250 m进入生烃高峰（Ro为1.0%）。层位上, 沙三段烃源岩由于埋藏深且热演化时间较长, 其底部已经进入凝析气生成的高成熟阶段, 顶部正处于大量凝析油生成的成熟阶段; 沙一段烃源岩同样处于大量凝析油生成的成熟阶段; 东三段烃源岩虽已进入成熟阶段, 但尚未达到生烃高峰。显然, 上述3套烃源岩有机质热演化程度有所不同, 也就决定了其生排烃强度和生排烃过程存在差异。

图2 南堡3号构造带烃源岩Ro随深度变化

2 生烃史和排烃史模拟
2.1 原理与数学模型

目前, 用于模拟烃源岩生烃史和排烃史的常用方法多达二三十种[11, 12]。生烃史模拟方法包括岩石热解模拟实验法、化学动力学法、残留烃法等; 排烃史模拟方法包括压实法、压差法、残留烃法和渗流力学法等。本研究生烃史模拟采用岩石热解模拟实验法, 其基本思路是在构建地史、热史和成熟史模拟的基础上, 利用大量的生烃热解实验数据, 建立烃源岩生烃率与成熟度的关系, 进而还原烃源岩的生烃过程, 并计算出不同地质时期的生烃量[11]。排烃史模拟则采用压实法, 该方法基于压实原理和初次运移模型, 假设烃源岩孔隙度的减小完全源于孔隙流体排出, 借助泥岩压实曲线可以求得烃源岩的排烃量[11]。

2.2 模拟参数选取

合理选取盆地模拟参数是决定模拟结果精度和可信度的关键[13, 14]。本研究模拟地质模型应用到的层位数据有平原组、明化镇组、馆陶组、东一段、东二段、东三段、沙一段、沙二段、沙三段, 输入的模拟参数主要有地质参数（顶底地质年代、顶底深度、地层厚度、岩性属性、烃源岩属性等）、地质边界参数（古水深、古热流、古沉积-水界面温度和地层剥蚀量等）、岩石物理学参数（岩石密度、孔隙度、渗透率、热导率等）和流体动力学参数（流体密度、粘度等）。其中, 古水深、古热流值等参考南堡凹陷新一轮资源评价采用的模拟参数（表3）; 地层厚度参考钻井分层数据, 未钻遇的地层依据地震剖面解释成果经时-深关系转换确定; 岩性属性根据实际统计的录井数据进行指定; 假设水深的变化不影响沉积-水界面温度, 将古、今沉积-水界面温度参数统一取值为15 ℃; 古近系与新近系之间存在区域不整合面处（东营组剥蚀量）取200~250 m[15]。其他模拟参数可以通过钻井样品实测数据直接或间接获取。

表3 南堡凹陷盆地模拟参数统计
2.3 模拟结果分析

基于上述原理、数学模型及合理选取的模拟参数, 利用含油气盆地数值模拟软件BasinMod对研究区代表性井点PG 2井烃源岩的生烃史和排烃史进行了模拟计算。

2.3.1 生烃史

生烃史模拟结果表明（图3）, 研究区3套烃源岩均具有油气兼生的能力, 但由于受到有机质成熟度及类型等因素制约, 生油强度大于生气强度。层位上, 沙三段烃源岩（底部）的生烃量最高, 单位质量TOC累计生油量和生气量分别为328 mg/g和74 mg/g; 沙一段烃源岩（底部）次之, 单位质量TOC累计生油量和生气量分别为156 mg/g和28 mg/g; 东三段烃源岩（底部）最小, 单位质量TOC累计生油量和生气量分别为146 mg/g和26 mg/g, 这主要与有机质受热时间较短有关。

图3 南堡3号构造带PG 2井烃源岩生烃史和排烃史

受差异性构造沉降的控制, 沙三段烃源岩呈现显著的两期生烃过程（图4）：第一期生烃过程持续时间在距今25~14 Ma, 单位质量TOC生烃速率为16 （mg/g）/Ma; 距今13~7 Ma进入第二期, 单位质量TOC生烃速率为27 （mg/g）/Ma; 沙一段和东三段烃源岩发生大规模生烃作用较晚, 主要集中在10 Ma以内, 单位质量TOC生烃速率均为25 （mg/g）/Ma。

图4 南堡3号构造带PG 2井烃源岩生烃速率史

2.3.2 排烃史

排烃史模拟结果表明（图3）, 各层系烃源岩的排油强度大于排气强度。层位上, 沙三段烃源岩（底部）排烃量最高, 单位质量TOC累计排油量和排气量分别为178 mg/g和48 mg/g; 沙一段烃源岩（底部）次之, 单位质量TOC累计排油量和排气量分别为81 mg/g和17 mg/g; 东三段烃源岩（底部）最小, 现今单位质量TOC累计排油量和排气量分别为67 mg/g和15 mg/g。

南堡凹陷3套烃源岩的排气效率均高于排油效率, 且自下而上烃源岩的排烃效率依次降低。沙三段烃源岩在距今25~7 Ma持续排烃, 排烃量不断增加; 沙一段和东三段烃源岩分别在距今8 Ma和6 Ma进入主要排烃阶段, 至今排烃量及排烃范围不断扩大, 属于晚期排烃。

3 成藏过程匹配关系

油气能否聚集成藏取决于圈闭的形成时期与油气生、排、运、聚的匹配关系[16]。根据钻探及已有研究成果, 编制了南堡3号构造带含油气系统事件图（图5）。研究区圈闭类型丰富, 包括构造圈闭、岩性圈闭和构造-岩性圈闭3类, 其中, 主体部位以构造圈闭和构造-岩性圈闭为主, 而围斜部位发育上倾尖灭型岩性圈闭。中深层圈闭主要形成于始新世-渐新世的构造运动, 渐新世末期基本定型, 而中浅层圈闭主要定型于中新世末期。油源断层是研究区油气运移的主要通道[17], 烃源岩排出的油气只有在其活动时期才能大规模向上运移, 而断层活动史显示主干断层活动时间在东营组和馆陶组-明化镇组沉积时期。

图5 南堡3号构造带含油气系统事件图

南堡3号构造带烃源岩大规模生排烃时间主要集中在东营组沉积末期至今25 Ma以来, 与圈闭定型于渐新世末期或中新世末期的时间具有良好匹配关系, 有利于油气聚集成藏。重要的是, 研究区内油源断层在馆陶组-明化镇组沉积时期活化, 能有效沟通深部油气实现大规模向上运移, 使位于运移通道上的圈闭均具有捕获油气的机会。

例如, 堡古2断块沙一段油藏是沙三段生成原油沿油源断层向上运移成藏的, 南堡3-2断块东一段油藏是“ 沙一段+东三段” 生成原油沿油源断层向上运移成藏的。流体包裹体分析结果显示, 这些油藏的油气成藏时间为明化镇组中期至今, 这与油源断层活动时间吻合程度较高。因此, 南堡3号构造带中深层油气勘探应以沙三段烃源岩为油源、中浅层油气勘探则应以“ 沙一段+东三段” 烃源岩为油源, 以紧邻曹妃甸次洼且有断层垂向沟通烃源岩与储层的构造圈闭和岩性圈闭为主要目标。

4 认识与结论

（1）南堡3号构造带发育有沙三段、沙一段和东三段3套烃源岩, 其有机质丰度高, 有机质类型以Ⅱ 型为主, 具有油气兼生能力, 且均已进入成熟阶段。

（2）各层系烃源岩差异性埋深和热演化程度决定了其生排烃强度和过程不同。沙三段烃源岩处于成熟-高成熟阶段, 生排烃强度大、排烃效率高, 大规模生排烃时间主要集中在东营组沉积末期至明化镇组沉积中期; 沙一段和东三段烃源岩处于成熟阶段, 生排烃强度中等, 主要生排烃时间在明化镇组沉积中期至今。

（3）研究区圈闭的形成期与油气生、排、运、聚具有良好的匹配关系, 中深层油气勘探应以沙三段烃源岩为油源, 中浅层油气勘探应以“ 沙一段+东三段” 烃源岩为油源, 将紧邻曹妃甸次洼且有断层垂向沟通烃源岩与储层的构造圈闭和岩性圈闭作为主要目标。

（编辑 郑春生）

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