0 引言
南阳凹陷位于南襄盆地中部，是一个独立的断陷构造单元，面积约为3 600 km2，其构造演化受南部新野断裂及内部各级断层控制。南阳凹陷整体呈北浅南深的箕状形态，自北向南可划分为北部斜坡带，中央坳陷带和南部陡坡带（图1）。南阳凹陷经历了古近纪初始断陷期（玉皇顶组、大仓房组沉积期）、强烈断陷期（核三段、核二段沉积期）、断陷萎缩期（核一段、廖庄组沉积期）和新近纪拗陷期4个构造演化阶段，沉积了厚约２000~３000 ｍ的核桃园组，该地层又可细分为核三2段（H3 2）、核三1段（H3 1）、核二段（H2）和核一段（H1）［1］。南阳凹陷自西向东分布有东庄次凹和牛三门次凹，其中后者勘探程度高，实施钻井多，目前发现有张店油田和魏岗油田；东庄次凹勘探程度低，实施钻井少，目前发现有东庄油田［2］。近年来，南阳凹陷勘探层系逐渐向深层核三段转移，在成烃方面很有必要加强优质烃源岩研究。
1 烃源岩地球化学特征
为评价南阳凹陷核三段优质烃源岩，本次研究收集了36个烃源岩样品地球化学数据，其测试结果来自中国石化河南油田勘探开发研究院化验室；同时对35口钻井另行采集岩心、岩屑样品145个，原油（油砂）样品11个，全部送中国石油大学（北京）重质油国家重点实验室分析测试中心进行测试，相关测试项目、测试仪器和测试条件见表1。35口钻井主要围绕东庄油田、魏岗油田和张店油田分布，陡坡带、拗陷带和斜坡带分布的井位分别为7口、18口和10口；牛三门次凹核三1段烃源岩样品埋深为1 598~2 941 m，核三2段样品埋深为1 957~3 301 m。由于东庄次凹钻遇核三段的井位较少，所取烃源岩样品仅有8个，且缺少原油样品，因此本文主要针对牛三门次凹烃源岩进行研究。
表1 烃源岩及原油样品分析测试条件Table 1 The testing conditions of the samples of source rocks and oil |
| 测试样品 | 测试项目 | 测试仪器 | 分析测试条件 |
|---|---|---|---|
| 岩心、 岩屑（145） | R O | LeitzMPV⁃III 显微光度计 | 每件样品R O测点数不少于20个 |
| TOC | LECOCS230 碳硫测定仪 | 按照《沉积岩中有机质测定》国家标准检测，条件为：载气压力为0.27 MPa、氧气纯度为99.5%，燃烧气体流速为2 L/min，分析气体流速为0.5 L/min | |
| 氯仿沥青“A” | 应用索氏抽提法对氯仿沥青“A”含量进行测定 | ||
| 岩石热解 | OGE⁃II型 岩石热解 | 按照《岩石热解分析》国家标准进行检测，检测条件为：高纯度氦气压力为0.20~0.30 MPa，空气压力为0.30~0.40 MPa，氢气压力为0.20~0.30 MPa | |
| 岩心（28）， 原油、油砂（11） | GC-MS | AgilentGC-MS7890B5977 | 主要实验条件包括：HP⁃5MS石英毛细管柱（30 m×0.25 mm×0.25 μm），载气为氦气，初始温度120 ℃，以4 ℃/min的速率升温至300 ℃终温并恒定15 min |
1.1 暗色泥岩分布
南阳凹陷核三段发育半深湖—深湖相暗色泥岩，钻井结果显示，核三2段暗色泥岩厚度一般大于300 m（暗地比大于0.6），沉积中心位于南部新野断裂附近的深洼带；核三1段暗色泥岩厚度一般大于250 m（暗地比大于0.7），沉积中心相对核三2段向南偏移。
1.2 有机质丰度
表2 南阳凹陷核三段烃源岩地球化学参数Table 2 Geochemical test data of He3 source rocks in Nanyang Depression |
| 地层 | 样品数/个 | w(TOC)/% | w(A)/% | （S1+S2）/(mg/g) | R O/% |
|---|---|---|---|---|---|
| 核三1 | 113 | (0.52~2.72)/1.25 | (0.019~0.358)/0.186 | (1.53~18.03)/9.2 | (0.56~1.23)/0.91 |
| 核三2 | 68 | (0.54~2.27)/1.24 | (0.054~0.308)/0.171 | (1.42~17.13)/8.5 | (0.65~1.26)/0.96 |
|
1.3 有机质类型
有机质类型是烃源岩生烃潜力及烃类产物的重要影响因素，本次研究采用干酪根元素参数和岩石热解参数来划分烃源岩有机质类型。
1.4 有机质成熟度
有机质成熟度反映了烃源岩有机质向油气转化的热演化程度，镜质体反射率（R O）、C29ββ/（ββ+αα）等甾烷参数常用于反映有机质成熟度。
1.5 烃源岩沉积环境
姥鲛烷（Pr）、植烷（Ph）和姥植比（Pr/Ph）常作为判断原始沉积环境条件的标志，其中植烷优势一般反映还原条件，姥鲛烷优势一般反映弱氧化条件。伽马蜡烷是指示盐湖沉积环境的重要标志物，王志勇等［13］提出当伽马蜡烷指数（GI＝伽马蜡烷/C30藿烷）小于0.08，指示淡水环境；当GI值介于0.08~0.30之间，指示淡水咸水环境；当GI值介于0.30~0.78之间，指示咸水环境；当GI值介于0.78~1.45之间，指示强盐度的沉积环境，这与FU等［14］在盐湖沉积环境中发现的有机质地球化学特征一致。如图4（a）所示，核三2段烃源岩Pr/Ph值分布范围为0.36~0.8，GI分布范围为0.98~1.58，反映了咸水、强还原沉积环境。20个核三1段样品中，有85%样品Pr/Ph值介于0.38~1.16之间，GI值介于0.32~0.77之间，反映了半咸水—咸水、还原沉积环境；仅有15%样品Pr/Ph值介于0.82~1.06之间，GI值介于0.18~0.28之间，反映淡水—微咸水、还原沉积环境。
Pr/C17、Ph/C18、Pr/Ph三角图解显示［图4（b）］，8个核三2段样品中有7个位于Ⅳ区，反映核三2段烃源岩主要为盐湖相成因；20个核三1段样品中，有25%样品位于Ⅱ区，75%样品位于Ⅲ区，反映核三1段烃源岩主要为半咸水—咸水环境成因，少部分为淡水湖相成因。
2 优质烃源岩判别
南阳凹陷经历了40多年的勘探和开发，前人根据陆相烃源岩评价标准将w（TOC）>1%的烃源岩视为好的烃源岩［15］。对于优质烃源岩丰度下限值，卢双舫等［16］利用物质平衡原理计算的烃源岩排烃量与有机质丰度（TOC）关系曲线拐点来确定优质烃源岩的下限标准，即当TOC含量较低时，烃源岩排烃量有限，难以形成优质烃源岩；当TOC含量升高到某一阈值时，排烃量随TOC含量升高会明显增大，这一拐点即为优质烃源岩下限，该下限值与有机质类型、成熟度等因素有关。王振升等［10］、谈玉明等［11］分别提出用泥岩残留的氯仿沥青“Ａ”、热解可溶烃含量S 1代替难计算的排烃量，当TOC增加而氯仿沥青“A”、S 1不再显著增加的拐点定为优质烃源岩的丰度下限。高岗等［17］采用生烃量参数HCI［HCI=S 1/w（TOC）］和沥青转化率［w（A）/w（TOC）］判别排烃源岩的总有机碳阈值，高于该值的烃源岩即为排烃源岩。本文在以上方法的基础上采用w（A）、HCI与A/TOC最大值（最大包络线）随w（TOC）的变化关系来确定核三段优质烃源岩下限值，由于核三段烃源岩有机质类型以I型为主（样品比例达62%），Ⅱ1型较少（样品比例为34%），因此本次研究重点考虑有机质成熟度对下限值影响。前人关于成熟度对下限值影响大多分层系来研究，但同一层系不同区带烃源岩成熟度存在差异，南阳凹陷陡坡带和拗陷带样品大多为成熟烃源岩，斜坡带样品大多为低成熟烃源岩，因此本文将核三段烃源岩分为低成熟和成熟2类烃源岩来研究。
如图5所示，对于成熟烃源岩，当w（TOC）<1%时，随w（TOC）增加，w（A）、HCI和A/TOC均呈增加趋势，表明烃源岩尚未排烃，其所生成烃类均被岩石所吸附；w（TOC）>1%时，w（A）急剧增加并趋于稳定，HCI和A/TOC均呈逐渐减小趋势，表明烃源岩大量生烃使岩石吸附烃达到饱和并开始排烃，残留烃w（A）渐趋稳定，但由于w（TOC）还在增加，HCI和A/TOC会相应减小。基于以上分析，可以将w（TOC）＝1%视为成熟优质烃源岩下限值。对于低成熟烃源岩，w（A）、HCI和A/TOC随w（TOC）的变化特征与成熟烃源岩相似，不同在于当w（TOC）>1.2%时，HCI和A/TOC趋势线出现转折，这是因为成熟烃源岩在w（TOC）＝1%时所生成的烃类已超过岩石吸附要求并开始排烃，而此时低成熟烃源岩由于热演化程度相对较低，生成烃类较少，岩石吸附烃尚未饱和，直到w（TOC）>1.2%时，低成熟烃源岩生成烃类才满足岩石吸附烃饱和要求并排烃。综上所述，为简明实用，综合定量评价认识，以w（TOC）＝1.2%作为确定核三段优质烃源岩的下限值。
3 优质烃源岩识别与分布
3.1 优质烃源岩识别
TOC=（a×LgR+b×∆t+c）/ρ
式中：ρ为密度测井值；a、b、c为系数，值可通过对研究区样品（单井或邻井实测烃源岩TOC）进行分析，用最小二乘法拟合获得。
由于测井评价烃源岩受烃源岩岩性、成熟度、所含有机质等因素影响。为此，本次研究利用上述公式分层系估算了部分钻井的烃源岩TOC含量，并根据实测与预测的TOC含量数据识别优质烃源岩（图6）。泥岩由于含有铀和有机质，在测井曲线上一般具有较高的自然伽马、声波时差和电阻率的特征，在地震剖面上具有低频率、高连续、强振幅的反射特征；但湖相泥岩不一定是优质烃源岩，部分三角洲前缘砂体也具有类似特征。同普通泥岩相比，优质烃源岩由于有机质丰度较高，干酪根和油气会使电阻率和声波时差相对泥岩增大，同时在地震剖面上具有典型的平行—亚平行结构地震反射特征。
以N124井为例（图6），经测井识别，优质烃源岩具有高声波时差（24~33 μs/m）、高电阻率（8~20 Ω·m）和高自然伽马（180~300 API）的特点，核三1段优质烃源岩共计71.34 m/42层，整体为3套优质烃源岩，自下而上w（TOC）值依次为0.8%~3.5%、1%~2.8%、0.8%~4%；核三2段优质烃源岩共计62.6 m/46层，其中上段优质烃源岩尤为发育，w（TOC）值为0.8%~3.4%。从切过张店油田的地震剖面上可以看出（图7），核三段优质烃源岩在N79-N104-1井区比较发育，表现为低频率、高连续和强振幅且具有平行—亚平行结构的地震反射特征，核三1段可见3根稳定的强轴，核三2段中上部可见2根稳定的强轴，反映湖相的暗色泥岩沉积，侧向上极易追踪，向北至N45井区，反射呈现逐渐断续、弱反射特点，表明优质烃源岩厚度在逐渐减薄。
3.2 优质烃源岩分布
4 油气成藏特征
4.1 油源对比
Ⅱ类原油来自核三1段半咸水—咸水湖相烃源岩，主要分布在张店—白秋地区和魏岗北部核三1段（ 样品5个），具有相对较低的伽马蜡烷指数（GI值0.26~0.56）和较高姥植比（0.82~1.16），成熟度为低成熟—成熟，由于核二段原油与核三1段烃源岩在沉积环境和成熟度方面相似，表明Ⅱ类原油在核二段也有分布（图9）。
4.2 油气分布
4.3 成藏条件
4.3.1 构造条件
4.3.2 储集条件
张店油田砂体主要源于北东向的张店三角洲，在核三段以水下分流河道、远砂坝和席状砂沉积为主，岩性为细砂岩和粉砂岩，储层厚度为100~160 m，孔隙度为10%~25%，渗透率为（50~800）×10-3 µm2，属于中低孔—中渗储层（图8）。魏岗油田位于张店三角洲和北西向的焦店三角洲的交会处，在核三段以水下分流河道、河口坝及前缘席状沉积为主，岩性为中、细砂岩。魏岗北部储层厚度为40~80 m，孔隙度平均为18%、渗透率平均为497×10-3 µm2，属于中孔中渗储层；魏岗南部砂体不发育。
4.3.3 保存条件
南阳凹陷核三2段和核三1段分别为盐湖相和半咸水—咸水湖相沉积环境，厌氧还原环境为有机质保存提供了条件。牛三门次凹核三1段和核二段底部分别沉积有厚约70 m和50 m的区域性泥岩盖层，同时三角洲前缘砂体伸入湖盆形成砂、泥岩互层沉积，泥岩隔挡层物性封闭能力强，是良好的局部盖层。
4.3.4 优质烃源岩
核三2段优质烃源岩厚度中心在N108井—N120井一带，该区位于张店背斜高部位，断层圈闭和砂体发育（砂厚60~80 m），有利于油气近源运聚成藏。魏岗地区尽管优质烃源岩发育，但是魏岗背斜此时尚未形成，不利于油气成藏［图8（a）］。
核三1段优质烃源岩厚度中心在N37井—W16井一带，N37井区和W16井区分别位于张店和魏岗背斜带上，砂体厚度分别为60~80 m和20~40 m，有利于油气近源聚集成藏；魏岗南部由于砂体不发育（砂厚小于20 m），不利于油气成藏［图8（b）］。张店地区原油可沿砂体向构造高部位运移，在白秋地区N108井区聚集成藏。由于N109井和W191井以北构造圈闭不发育，目前油气发现较少。
在过凹陷的剖面（图10）上，Ⅰ和Ⅱ类原油的分布与相应烃源岩有密切关系，Ⅰ类原油在核三2段主要是在Z28—N108井区分布，属于近源运移聚集，源控特征显著，部分原油沿断层向上运移至核三1段构造圈闭聚集。Ⅱ类原油在核三1段的N37—N124井区和N108井区均有分布，表明一部分原油近源运移聚集，另一部分原油沿核三1段砂体侧向向白秋地区构造高部位运移、调整。同时Ⅱ类原油在核二段也有分布，断裂成为运移、调整的通道。
5 结论
（1）南阳凹陷核三段暗色泥岩厚度大，有机质丰度高、类型好（以Ⅰ—Ⅱ1型为主），整体处于低成熟—成熟演化阶段，核三2段（H3 2）和核三1段（H3 1）烃源岩分别形成于咸水、强还原沉积环境和半咸水—咸水、还原沉积环境。依据生排烃原理，利用热解可溶烃含量S 1、氯仿沥青“A”含量与有机碳含量w（TOC）的关系确定优质烃源岩w（TOC）下限值为1.2%左右。
（2）优质烃源岩、储层、盖层及构造控制了核三段油气分布。核三2段优质烃源岩在平面上主要分布于牛三门次凹中东部白秋—魏岗地区，w（TOC）最高可达2.27%，与之有亲缘关系的Ⅰ类原油主要是同层近源运移聚集，少量通过断层向上运移至核三1段构造圈闭聚集。
（3）核三1段优质烃源岩在平面上主要分布于牛三门次凹中东部的张店—魏岗地区，w（TOC）最高可达2.72%，与之有亲缘关系的Ⅱ类原油主要分布于核三1段—核二段，在平面上既可围绕优质烃源岩近源聚集，也可沿核三1段砂体长距离侧向运移至白秋地区构造高部位聚集。
（4）建议在核三段围绕优质烃源岩厚度中心寻找构造—岩性油藏；同时在核三1段白秋及魏岗北（W29井）等构造高部位地区寻找构造油藏。
（5）根据少量钻井和烃源岩样品推测，东庄地区核三段优质烃源岩厚度较大，建议未来加大东庄地区核三段勘探力度。
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