塔里木盆地北部坳陷及周緣下寒武統烴源巖特征及分布

范秋海, 肖中堯, 張海祖, 趙 青, 易 艷,張 科, 羅彩明, 凡 閃

塔里木盆地北部坳陷及周緣下寒武統烴源巖特征及分布

范秋海*, 肖中堯, 張海祖, 趙 青, 易 艷,張 科, 羅彩明, 凡 閃

(中國石油天然氣股份有限公司 塔里木油田分公司, 新疆 庫爾勒 841000)

塔里木盆地北部坳陷周緣發現的大量油氣主要來源于下寒武統泥質烴源巖。坳陷西部下寒武統發育玉爾吐斯組, 東部發育西大山和西山布拉克組, 兩者在有機質豐度、類型和成熟度等方面存在明顯不同, 微量元素顯示玉爾吐斯組具有較高的古生產力, 總體反映西部水體較深的強還原斜坡相沉積環境, 而東部則反映為水體更深、還原程度更高的盆地相沉積環境。通過地震標定及解釋, 刻畫了下寒武統烴源巖厚度圖, 發現了滿西、滿東兩個沉積凹陷, 結合總有機碳(TOC)分布圖, 對下寒武統烴源巖生烴潛力進行了計算及成圖。北部坳陷生烴量巨大, 而目前已發現油氣僅占很小一部分, 所以北部坳陷及周緣下步勘探潛力巨大。

下寒武統; 烴源巖; 北部坳陷; 塔里木盆地

0 引 言

20世紀80年代初, 利用二維地震大剖面基本搞清了塔里木盆地“三隆四坳”構造格局, 繼而開始了圍繞北部坳陷周緣尋找海相油氣有利聚集帶的勘探工作。至80年代末, 輪南、塔中地區先后在奧陶系、石炭系及三疊系獲得勘探突破, 陸續發現了輪南、輪古、哈得遜、哈拉哈塘、塔河和塔中等多個整裝大型油氣田, 截止目前累計探明石油地質儲量超過20億噸, 成為塔里木盆地油氣發現最為集中的地區(圖1)。

一直以來, 眾多研究者對北部坳陷存在兩套烴源巖的觀點趨于認同, 即中下寒武統-下奧陶統、中上奧陶統烴源巖, 但是具體哪套烴源巖為供烴主力卻存在較大分歧。在烴源巖發育特征和油氣源對比的研究基礎上, 有些學者認為中、下寒武統是滿加爾凹陷主要的烴源巖[1-3], 有些學者則認為上奧陶統是主要的油源[4-7]。而趙宗舉等[8]通過對海平面變化及沉積相分析、地震反射特征識別和生烴成藏配置關系分析等, 認為中、下奧陶統是塔里木盆地滿加爾凹陷海相原油的主力烴源巖。

以往烴源巖對比主要利用生物標志物, 認為寒武系-中下奧陶統烴源巖具有“六高一低”的特征, 而中上奧陶統烴源巖正好相反, 表現為“六低一高”的特征[9-10]。隨著烴源巖樣品數量的增加, 柯坪、巴楚和塔東地區的寒武系及柯坪地區中上奧陶統薩爾干組-印干組均表現為高伽馬蠟烷、高C28甾烷及低重排甾烷特征, 這與早期認識不一致。另外, 以往認為寒武系烴源巖生成的原油應該富集重碳同位素, 奧陶系烴源巖生成的原油應該富集輕碳同位素[11-12], 而實際上, 除柯坪地區下寒武統玉爾吐斯組烴源巖干酪根具有較輕的碳同位素(?33.8‰ ～ ?34.6‰)和塔東地區上寒武統-下奧陶統烴源巖具有較重的碳同位素組成(?25.0‰ ～ ?27.1‰)外, 其他層位及地區的烴源巖, 無論是下寒武統-下奧陶統, 還是中上奧陶統, 其干酪根碳同位素基本分布在?30‰左右, 地層時代差異不明顯。

生物標志物及碳同位素受成熟度、物理分異、氧化降解和物理分異的影響, 對比結果往往具有多解性, 而近年隨著芳基類異戊二烯烴的應用, 越來越多的證據表明滿加爾凹陷周緣油氣主要來自于下寒武統[13-15]。本次研究在地層對比及沉積環境分析基礎上, 擬利用地震資料對下寒武統烴源分布特征及生烴潛力進行預測, 以期對該區的油氣勘探具有一定的指導意義。

1 下寒武統對比

北部坳陷東西長900余千米, 橫跨西部的柯坪地層分區和東部的庫魯克塔格地層分區[16], 造成同是早寒武世的沉積物, 地層名稱上差別很大。柯坪地層分區下寒武統自下而上可分為3個組, 即玉爾吐斯組、肖爾布拉克組和吾松格爾組。其中肖爾布拉克組和吾松格爾組主要巖性為厚層灰巖、白云巖及薄層泥巖; 玉爾吐斯組厚度及巖性橫向變化較大, 在柯坪地區的昆蓋闊坦、什艾日克及庫瓦提等野外剖面發育厚度10～16 m的暗色-黑色泥巖、硅質巖[17], 臺盆區星火1井發育24 m灰黑色碳質頁巖[18], 向南的巴楚隆起上的舒探1、方1井僅鉆遇7 m左右褐色泥巖, 巴楚隆起中-東部的和4、楚探1等井缺失玉爾吐斯組, 肖爾布拉克組白云巖直接覆蓋在前寒武系之上。庫魯克塔格地層分區下寒武統自下而上分為西山布拉克組和西大山組, 露頭區烏里格孜塔格剖面西山布拉克組黑色硅質泥巖、黑色泥巖總厚度48.32 m, 占地層總厚度的24%, 西大山組黑色泥巖厚度70.41 m, 占地層總厚度的71.7%1)黃智斌, 王振華, 楊芝林, 鐘端, 楊先茂, 張志斌, 庫魯克塔格地區石油地質綜合研究及庫車地區野外地質考察基地建設, 塔里木油田內部資料, 2009; 臺盆區塔東地區多口井鉆穿下寒武統, 巖性以黑灰色、黑色泥巖為主, 間夾灰巖、泥質灰巖, 地層分段特征不明顯, 通常難以將西大山組與西山布拉克組分開。

圖1 塔里木盆地北部坳陷周緣勘探成果及資料點位置

在等時框架下開展下寒武統對比, 從已有地層對比資料來看(圖2), 北部坳陷的西部與東部沉積厚度及巖性變化較大, 反映了沉積時期構造格局、水深及沉積環境具有明顯的差異性。盡管露頭和鉆井都是分布在北部坳陷的邊緣高部位, 不能完全代表坳陷內部深色泥巖厚度, 但是下寒武統黑色泥巖自西向東逐漸變厚的趨勢還是十分明顯。

2 烴源巖地球化學特征

2.1 有機質豐度

坳陷東部下寒武統烴源巖主要發育于西山布拉克和西大山組。塔東1、塔東2、庫南1和米蘭1井鉆遇該套烴源巖, 其中庫南1井下寒武統烴源巖總有機碳(TOC)為0.4%～5.5%, 平均值為1.2%; 塔東1井下寒武統烴源巖TOC值為0.1%～5.5%, 平均值為2.3%。有機碳含量大于0.5%的樣品數量占總樣品數量的75%, 氯仿瀝青“A”值較高, 變化也較大, 分布在70～520 μg/g之間, 平均值為283 μg/g, 生烴潛量為0.15～1.45 mg/g, 平均為0.86 mg/g, 達到了好烴源巖的標準。坳陷西部下寒武統烴源巖主要發育于玉爾吐斯組。星火1井鉆遇該套烴源巖, 厚度為33 m, 雖然厚度不大, 但分布穩定, TOC值高達7%～14%, 坳陷西部氯仿瀝青“A”為10～330 μg/g, 總體上大部分都低于200 μg/g, 平均值為113 μg/g, 生烴潛量(1+2)在坳陷西部為0.72～0.35 mg/g, 平均值為0.54 mg/g (圖3)。

圖2 塔里木盆地北部坳陷EW向下寒武統對比圖

GR為放射性測井數據。

2.2 有機質類型

根據全巖和干酪根鏡檢結果, 坳陷東部下寒武統烴源巖有機顯微組分主要是藻類體、無定形、鏡狀體和動物有機碎屑等, 次要組分為固體瀝青, 反映有機質類型主體具有Ⅰ型或Ⅱ型有機質的特點。從干酪根同位素看, 塔東2井寒武系干酪根同位素為?25.2‰ ～ ?29.5‰, 平均值為?26.79‰, 依據干酪根碳同位素劃分有機質類型的標準(干酪根碳同位素輕于?28‰為Ⅰ型, ?28‰ ～ ?25‰之間為Ⅱ型[19]), 坳陷東部地區下寒武系烴源巖為Ⅰ～Ⅱ型有機質。坳陷西部玉爾吐斯組烴源巖有機顯微組分中腐泥組有機質高達70.6%, 干酪根同位素較輕, 分布于?34.63‰ ～ ?33.83‰之間, 表明玉爾吐斯組烴源巖有機質類型屬于腐泥型, 為Ⅰ型有機質。

2.3 有機質成熟度

下寒武統由于埋藏深度大、時間長, 盆地熱演化程度普遍較高。構造位置不同、地溫梯度的變化造成寒武系烴源巖熱演化過程及現今成熟度差異明顯。加里東期, 寒武系地溫梯度達3.5 ℃/hm, 同時地層快速沉積, 盆地東部地區寒武系烴源巖快速深埋進入成熟-高成熟演化階段, 坳陷深部地區可達過成熟演化階段。西部寒武系烴源巖以碳酸鹽巖為主, 相對泥巖生烴具有滯后性, 以成熟演化階段為主。晚海西期, 隆起與斜坡區烴源巖進入大規模生油階段, 坳陷區烴源巖持續深埋, 進入高-過成熟演化階段。燕山期至喜山期, 東部坳陷區寒武系烴源巖達到過成熟階段、以生干氣為主, 盆地中西部的隆起及斜坡區寒武系烴源巖上覆地層沉積厚度迅速增大, 烴源巖成熟度進入高-過成熟演化階段, 如坳陷東部的塔東1井和塔東2井成熟度最高, 均處于過成熟階段,o值分別為2.45%～2.75%和2.67%～2.75%。西部的柯坪露頭區肖爾布拉克剖面玉爾吐斯組o值為2.63%～2.85%, 星火1井下寒武統烴源巖o值為1.5%, 處于高-過成熟干氣階段。

2.4 生物標志物特征

下寒武統烴源巖坳陷東部與西部正構烷烴特征有所區別, 坳陷東部下寒武統烴源巖正構烷烴系列顯示低碳數豐度占優勢的前鋒型分布型式, 富含姥鮫烷和植烷系列, 姥植比(Pr/Ph)比值多小于1.0。西部玉爾吐斯組烴源巖含有豐富的異構烷烴, 呈現出以后峰為主峰的后峰型雙峰態分布型式, 并且含有豐富的姥鮫烷和植烷系列, 呈現出姥鮫烷對植烷均勢或略具優勢的分布特征(圖4), Pr/Ph比值為1.05～ 1.24。

下寒武統烴源巖含有豐富的三環萜烷系列和一定量的四環萜烷。大多數寒武系烴源巖具有C21三環萜烷優勢, C21/C23三環萜烷大于1.0, (C20+C21)/ (C23+C24)三環萜烷也大于1.0; 藿烷系列豐富, 包括C29～C35αβ藿烷系列, 以C30αβ藿烷系列為主峰。C27～C29規則甾烷呈現出C27≥C28＜C29型的“V”字型、“L”型或反“L”型分布。

圖3 北部坳陷下寒武統烴源巖地球化學特征統計

圖4 塔東2與星火1井下寒武統烴源巖飽和烴色譜圖

2.5 微量元素及特殊生物標志物特征

古生產力水平和古氧化還原條件是控制古代海相沉積物中有機質保存的兩個關鍵因素, 古生產力為海底沉積物中有機碳含量提供重要物質基礎, 古氧化還原條件則是影響有機質保存的重要因素[20], 用多個微量元素來反映這兩方面的因素要比用單一因素更加可靠[21]。本次研究通過系統測定什艾日克剖面樣品微量元素值, 用元素Ba、Cu、Zn和Ni的質量百分分數化反映古生產力水平, 用元素U、V和Ni的質量百分分數變化反映古氧化條件。將這些微量元素與玉爾吐斯組TOC值進行比較(圖5), 可以看出, TOC值與Ba、Cu等元素的質量百分分數變化具有非常好的相關性及對應性, 在有機質豐度高的玉爾吐斯組, 其Ni、Cu和Zn的含量也是急劇增加, 暗示曾有較高含量的有機質將其帶到沉積物中或者具有較好的溫度、光線和水深條件用以產生大量有機質, 在隨后的還原條件下, 沉積物中的Ni、Cu和Zn被保存下來。另外, V/(V+Ni)、V/Cr這兩個比值在玉爾吐斯組明顯比上、下地層要高, 顯示玉爾吐斯組沉積時期為缺氧的還原環境, 為有機質的保存提供了良好的條件。

芳基類異戊二烯烴是一類特殊的具有明確特定前身和生源的典型生物標志物, 來源于光合作用綠硫細菌, 通常用來反映強還原、中鹽-高鹽的水體環境[22], 代表了透光厭氧環境。什艾日克剖面下寒武統頁巖芳基類異戊二烯烴/(芳基類異戊二烯烴+烷基甲苯)比值在0.75以上, 說明該化合物的含量較高, 反映了透光的水下還原環境, 水體深度有限, 生物比較繁盛; 而東部的庫魯克塔格露頭下寒武統泥巖該項值僅為0.2左右, 說明芳基類異戊二烯烴含量低, 透光厭氧的環境持續時間短, 水體深度很快就發生了變化。

3 下寒武統烴源巖分布預測

北部坳陷下寒武統烴源巖分布廣泛, 但由于埋藏較深, 僅坳陷周緣隆起部位鉆遇, 坳陷中心還沒有鉆井直接鉆遇, 以往坳陷中心烴源巖巖性、厚度和生烴指標研究也是通過各種方法預測得到, 目前來看, 用地震資料進行預測仍是缺乏鉆井資料地區烴源巖預測的主要方法。由于該地區地表為沙漠所覆蓋, 地表能量吸收強, 加上目的層埋藏深, 地震資料在寒武系的成像較差, 造成地層、構造解釋誤差大和多解性強等不足。為加強該區石油地質綜合研究, 2017年塔里木油田組織了該區42條大剖面二維地震資料針對深部的重新處理, 新資料在深部無論是品質、分辨率還是信噪比都有了明顯改進, 為下寒武統玉爾吐斯組泥巖的標定及精細解釋打下了堅實的資料基礎。

位于塔北隆起上的星火1井及塔東隆起上的塔東2井均鉆遇了下寒武統泥質烴源巖, 且泥巖上、下都與灰巖-白云巖接觸, 形成良好的波阻抗界面, 可以形成較強地震波反射。從地震標定來看, 泥巖底(寒武系底)為一套波峰強反射(T?, 寒武系底), 泥巖頂為一套波谷強反射(T?2, 中寒武統底), 這兩套強反射波組連續性好, 可在整個北部坳陷進行連續對比、追蹤(圖6), 其間夾持的地層即為下寒武統泥巖。以高品質地震資料為基礎, 用鉆井資料進行標定, 加上精細的地震資料解釋, 下寒武統泥巖的評價工作是比較可靠的。

圖5 什艾日克剖面古生產力指標與TOC關系對比圖1)王云鵬, 潘長春, 廖澤文, 田輝, 賈望魯, 于雙, 熊永強, 程斌, 周秦, 李騰飛, 鄒艷榮, 塔里木盆地下寒武統烴源巖地球化學特征和生烴潛力評價, 塔里木油田內部資料, 2019。

通過骨架剖面的解釋, 北部坳陷沉積結構非常清晰, 奧陶系-寒武系在坳陷內部沉積厚度大, 向塔北隆起、塔中隆起和塔東隆起逐漸超覆尖滅(圖7), 反映了元古代末期北部坳陷周緣高、中間低的盆地構造格局基本定型, 周圍隆起向坳陷內部提供物源, 自寒武紀早期開始填平補齊的沉積格局。

通過地震解釋, 得到了下寒武統烴源巖厚度平面分布情況(圖8)。從圖上可以看出, 北部坳陷中心泥巖厚度最大, 向南北兩個方向減薄、尖滅; 發育滿西凹陷、滿東凹陷兩個大的沉積中心, 其中滿西凹陷呈近圓形, 面積5.75×104km2, 東西長400 km, 南北寬160 km, 中心最大厚度達到200 m, 滿東凹陷則大致呈EW向展布, 面積2.5×104km2, 東西長300 km,南北寬100 km, 中心最大厚度達到160 m。

根據下寒武統泥巖厚度, 結合各樣品點的有機碳含量, 對整個北部坳陷下寒武統烴源巖有機碳含量進行了預測(圖9)。與厚度發育特征相似, 有機碳含量在凹陷中心最高, 向周緣隆起逐漸降低, 且自北部坳陷西部向東部共有4個富集區。西面的富集區有機碳含量最高達到5.5%, 但是面積不大, 是一個小而肥的沉積區, 該區多個露頭樣品顯示有機碳平均含量高于2.5%。滿西凹陷與滿東凹陷是主要沉積區, 面積大, 比較平緩, 有機碳含量在沉積中心最高達到4.5%。東部富集區呈條帶狀近EW向展布, 位于庫魯克塔格露頭以南, 有機碳含量最高達到5.0%。

4 下寒武統生烴潛力分析

烴源巖的生烴強度是評價烴源巖生烴潛力的重要指標, 代表了烴源巖在單位面積上的生烴量, 另外, 烴源巖在不同地質歷史時期的生烴量不同, 考慮到北部坳陷周緣主要成藏期為海西期, 利用“有機質質量平衡法”[23]原理, 用公式計算得到該區主要海西期生烴強度。計算公式如下:

圖6 過星火1-塔東2井近SN向地震剖面解釋圖(位置見圖1)

TE-古近系底; TK-白堊系底; TJ-侏羅系底; TT-三疊系底; TD-泥盆系底; TC-石炭系底; TS-志留系底; TO3s-奧陶系桑塔木組底; TO-奧陶系底; T?2-中寒武統底; T?-寒武系底。

圖7 過塔中隆起北緣SN向地震剖面解釋圖(YL-16-NS20剖面, 位置見圖1)

TO3s-奧陶系桑塔木組底; TO-奧陶系底; T?2-中寒武統底; T?-寒武系底。

圖8 塔里木盆地北部坳陷下寒武統烴源巖厚度分布圖

圖9 塔里木盆地北部坳陷周緣下寒武統烴源巖TOC分布圖

式中,為生烴強度;為烴源巖厚度;為烴源巖密度, 取值2.3 g/cm3;R為實測(殘余)有機碳含量;H為有機碳含量換算成生油生成量的換算系數, 取值1.10;為有機碳降解率。值主要取決于有機質的熱演化程度, 熱演化程度越高,越大; 研究區下寒武統烴源巖有機質的熱演化程度普遍高于1.6%, 有機碳降解率變化不大, 取固定值38.75%。

經過模擬計算, 得到了北部坳陷周緣下寒武統烴源巖生油強度平面變化情況(圖10)。北部坳陷沉積中心生油強度最大可達500×104t/km2, 向周緣逐漸減小, 形成滿西凹陷和滿東凹陷兩個主要生烴中心, 其中滿西凹陷面積更大, 生油強度更大, 這與目前勘探發現的主要油氣田分布于滿西凹陷周緣相符合。

從總的生烴量來看, 滿西凹陷海西期生油量可以達到502×108t, 再加上其他時期的生油量, 油氣資源總量是十分巨大的, 而目前發現的油氣儲量主要集中在塔北、塔中地區碳酸鹽巖儲層中, 且僅占了很小一部分, 所以該地區碳酸鹽巖及碎屑巖均具備較大的勘探潛力。

圖10 塔里木盆地北部坳陷周緣下寒武統烴源巖海西期生油強度圖

5 結 論

(1) 盡管塔里木盆地北部坳陷主力烴源巖的分布層位還存在爭議, 但是越來越多的學者發現了下寒武統主力烴源巖的證據。

(2) 下寒武統在西部發育玉爾吐斯組泥巖, 在東部發育西大山和西山布拉克組泥巖, 兩者在有機質豐度、有機質類型、有機質成熟度和生物標志物方面差異較明顯, 但均具有較高的生烴潛力。尤其是玉爾吐斯組, 微量元素顯示具有較高的有機質古生產力及強的還原環境, 這都為有機質的積累及保存奠定了良好的基礎。

(3) 北部坳陷在元古代基本定型, 自寒武紀早期開始填平補齊接受沉積, 在地震剖面上可以識別出上超界面。通過地震解釋, 刻畫了下寒武統烴源巖的厚度及TOC分布特征, 并計算了生烴強度。該區生烴量大, 未來還有很大的勘探潛力。

本文在修改過程中得到了中國科學院廣州地球化學研究所王云鵬研究員、潘長春研究員和廖澤文研究員的指導和幫助, 并引用了他們的古生產力指標相關圖件, 在此一并表示感謝！另外, 由于作者水平有限, 文中可能存在不妥之處, 敬請讀者批評指正。

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Characteristics and distribution of the Lower Cambrian source rocks in the Northern Depression, Tarim Basin

FAN Qiu-hai*, XIAO Zhong-yao, ZHANG Hai-zu, ZHAO Qing, YI Yan, ZHANG Ke, LUO Cai-ming and FAN Shan

(Research Institution of Petroleum Exploration and Development, Tarim Oilfield, PetroChina, Kolar 841000, china)

A great quantity of oil and gas has been found in the periphery of the Northern Depression in the Tarim Basin, which was primarily derived from Lower Cambrian source rocks. These Lower Cambrian source rocks comprise the Yuertusi Formation in the west and the Xidashan-Xishabulake Formation in the East. Several differences were observed between the formations, including total organic carbon content (TOC), kerogen types, and maturities. Biomarker composition and life trace elemental concentration demonstrated that the Lower Cambrian source rocks were deposited in a strong reducing slope environment in the west but in a deeper and stronger reducing basin environment in the east. Isopaches for the source rocks demonstrated that there were two depositional sags at Manxi and Mandong in the Northern Depression, which were plotted based on seismic tracing and interpretation. Hydrocarbon generative potential for the source rocks was estimated based on the contours of thickness and the TOC in the Northern Depression. The amount of oil that has been found to date only accounts for a small portion of this estimate, suggesting that a huge amount of oil remains undiscovered in the depression.

Lower Cambrian; source rocks; Northern Depression; Tarim Basin

P593

A

0379-1726(2021)03-0251-10

10.19700/j.0379-1726.2021.03.003

2019-05-20;

2019-06-20;

2019-07-22

國家重點基礎研究發展計劃(2017YFC0603106)

范秋海(1979-), 男, 博士研究生, 主要從事油氣成藏及石油地質綜合研究工作。

Corresponding author): FAN Qiu-hai, E-mail: fanqh-tlm@petrochina.com.cn; Tel: +86-996-2174736