贝尔凹陷南屯组钙质泥岩地质成因及其石油地质意义

陈方举

（大庆油田有限责任公司 勘探开发研究院，黑龙江 大庆 163712）

0 引言

优质烃源岩的展布范围与油气藏的分布范围具有较好的相关性，优质烃源岩控藏理论已经成为石油地质工作者开展油气藏勘探的重要理论基础[1－3].人们研究贝尔凹陷的烃源岩发育特征和分布范围，认为南屯组源岩有机质丰度高、类型好且已成熟，为主要生油岩，主要分布在贝西洼陷和贝中次凹[4]；早期伸展断裂沟通油源并控制反向断层遮挡圈闭，形成源内及源外多种成藏模式[5－7]，较好地指导凹陷的早期资源评价和油气勘探，发现多个含油气构造，其中苏德尔特、霍多莫尔和呼和诺仁构造为受优质烃源岩层控制的高产、高丰度油田.随着勘探技术的提高和勘探成果的丰富，贝尔凹陷油气探明储量已达1.59亿t，近几年新发现油气储量约0.50亿t，两者总量已经超出第三次评价资源量1.63亿t，违背发现量应小于资源量的地质学理论，需要重新评价该地区的资源规模和勘探前景.

贝尔凹陷优质烃源岩位于南屯组下部，为灰黑色钙质泥岩层，局部地区夹杂油页岩和泥灰岩.针对钙质层的分布及成因机理，O＇Brien G W等[8]认为钙质层成因与烃类相关的成岩作用带（HRDZs）有关；Ezat H等[9]、钟大康[10]等认为砂岩顶底与泥岩接触的界面上存在钙质胶结现象.这些研究主要针对的是钙质储层，而对钙质泥岩的研究相对较少.

通过井震精细对比及实验数据分析，探讨南屯组钙质泥岩层的“三高一低”识别特征；根据沉积水体、生物组成、气候和氧化—还原环境分析地质环境、生烃条件，确定南屯组钙质泥岩层与上下储层形成最有利的成藏组合，有效地指导贝尔凹陷的精细勘探.

1 地质概况

贝尔凹陷位于海拉尔盆地中部断陷带的南部，北接乌尔逊凹陷乌南次凹，南部与蒙古国塔木察格盆地南贝尔凹陷相连，向西超覆在嵯岗隆起上，为典型的复式箕状断陷，面积为3.01×103km2，是盆地最大的二级构造单元.根据凹陷的构造特征，凹陷主体可以划分为“三凹两隆一斜”，“三凹”为贝西次凹、贝中次凹和贝东次凹，“两隆”为中部隆起带（霍多莫尔、苏德尔特及塔拉汗构造带）和布勒洪布斯隆起带，“一斜”为贝西斜坡（见图1）.

图1 海拉尔盆地贝尔凹陷地质特征Fig.1 Geological characteristics of Bei＇er sag in Hailaer basin

贝尔凹陷经历三期构造演化，为早期断陷、后期坳陷的复合型盆地，形成断陷（铜钵庙组、南屯组）、断—坳转化（大磨拐河组、伊敏组）和坳陷（青元岗组）3套构造层，其中断陷期沉积的南屯组为主要勘探层系，已发现的绝大部分储量赋存于该地层（见图1（a））.

贝尔凹陷南屯组形成于断陷强烈拉张发育期，沉积分布范围较广的暗色泥岩累计厚度较大，在150～500m之间.钙质泥岩层在南屯组下部发育（见图1（b）），是在裂陷早期湖盆强烈扩张期深水强还原环境下沉积的相对稳定的一套暗色泥岩.

2 钙质泥岩层发育特征

2.1 岩性特征

钙质泥岩层岩性主要为黑色泥岩，局部夹杂泥灰岩、油页岩的薄互层，单层泥岩厚度在0.15～0.50m之间；普遍发育脆性裂缝，裂缝含油，呈油浸或油斑状，裂缝充填方解石脉；孔隙除了少部分泥质杂基充填外，主要为碳酸盐矿物胶结，以铁方解石为主，部分为泥、粉晶白云石，个别为含钙较高的生物碎屑，碳酸盐质量分数高，滴酸起泡.实验室薄片鉴定分析结果显示该层属泥状结构，见少量粉砂级碎屑，呈定向分布，粒度较细，无法辨别岩块成分；见少量火山灰与泥质混杂；部分碎屑颗粒全部被碳酸盐交代呈现假象[11]；岩石中分布介屑碎片，质量分数约为8%，呈定向排列；泥质中混杂微晶碳酸盐.

碳酸盐质量分数分析结果表明，普通泥岩碳酸盐质量分数在0.2%～5.1%之间，平均为1.4%；砂岩碳酸盐质量分数在0.2%～2.9%之间，平均为0.5%；钙质泥岩层碳酸盐质量分数在1.3%～20.3%之间，平均为9.8%，约为普通泥岩的7倍、砂岩的20倍.

2.2 电性特征

由于岩性复杂，钙质泥岩层与油页岩、泥灰岩段岩石成分及结构差距大，测井曲线齿化均匀，与常规泥岩的较平直的电测特征区分明显.钙质泥岩层为细粒沉积，比表面积大，吸附性强，岩石放射性元素含量高，自然伽马一般在70～197API之间，平均为135API，区域上为高自然伽马特征.钙质泥岩层位于南屯组下部，埋藏深度一般大于1 800m，泥岩成熟并已经生排烃，岩石内部孔隙被烃类充注，造成高电阻特征，深侧向电阻率在5.0～110.0Ω·m之间，平均为15.0Ω·m，较纵向其他泥岩段（深侧向电阻率在3.0～5.0Ω·m之间）的平均高3～5倍；有机质质量分数高，岩石结构疏松，传递声波能力较差，声波时差在80～132μs／ft之间，平均为95μs／ft，较纵向其他泥岩段（声波时差数在70～90μs／ft之间）的高；岩石富含藻类，有机质密度在1.03～1.10g／cm3之间，岩石骨架密度在2.30～3.10g／cm3之间，因此钙质泥岩层岩石整体密度降低，在2.35～2.45g／cm3之间，常规泥岩段岩石密度在2.40～2.60g／cm3之间（见图2）.

图2 贝尔凹陷B70井钙质泥岩层识别特征Fig.2 Identification diagram of calcareous mudstone strata of B70well in Bei＇er sag

钙质泥岩层具有“三高一低”的电性特征（高自然伽马、高电阻率、高声波时差、低密度），测井曲线呈正旋回，表现为与上覆反旋回的突变接触，易于识别和标定.地震同向轴呈中高频、中强反射、中等—好连续性的反射特征；该层上下发育的厚层暗色泥岩表现为低频、中弱反射、连续性较差的特征.

2.3 厚度及分布特征

钙质泥岩层主要发育在南屯组下部水进体系域，沉积厚度一般在30～50m之间，单井最厚可达80 m，约占南屯组暗色泥岩总厚度的15%.平面上该层在全区有分布，厚度及规模展布具有一定规律性，主要集中在贝西次凹的中部和南部、苏德尔特—霍多莫尔构造带的鞍部地区、贝中次凹及贝东次凹，在贝东北次凹残留的洼槽群也发现一定规模及分布，与已发现的油气藏形成良好的匹配（见图3）.

图3 贝尔凹陷南屯组钙质泥岩层与油藏分布叠合Fig.3 Composite map of calcareous mudstone strata and oil reservoirs in Bei＇er sag

3 地质成因

贝尔凹陷钙质泥岩区别于普通泥岩的标志主要为有机质的高丰度和钙质的高质量分数，其中有机质的高丰度取决于有机质的高产出及保存埋藏，钙质的高质量分数受控于古沉积环境.有机质的分布、数量和质量，特别是生物标志化合物的组成与分布，与沉积水体深度和盐度、水生或陆源生物加入、区域气候条件、沉积体氧化—还原环境等因素密切相关[12－13].

3.1 沉积水体

贝尔凹陷南屯组形成于断陷强烈拉张发育期，盆地快速沉降，沉积水体加深（古沉积水体恢复在100～300m之间），湖面相对上升，可容空间急剧增大，物源供给远小于盆地的沉积容纳量，且主要分布在盆地的边缘，在盆地沉降中心造成欠补偿饥饿沉积.南屯组下部湖侵体系域形成的钙质泥岩 “凝缩层”沉积速度慢、范围广且稳定，富含有机质及介壳等生物化石，有利于有机质的形成和保存，是形成优质烃源岩的关键.

咸化湖盆的优质烃源岩常与深水—较深水相的碳酸盐、硫酸盐和氯化盐沉积共存、分布一致[14].南屯组钙质泥岩色谱质谱图含有β－胡萝卜烷，证实为微咸水湖盆.钙质泥岩生油母质以腐泥型和腐殖—腐泥型为主，有机质干酪根以Ⅰ和Ⅱ1型为主，证明水生微生物及藻类发育.这与湖盆咸化后藻类等生物的勃发吻合，同时还诱发钙质纹层泥岩的广泛沉积，大量藻类沉积后在深水微生物降解下形成无定形有机质纹层.

3.2 生物组成

透射光—荧光干酪根显微组分鉴定分析发现，钙质泥岩层中有机质层状富集，主要为层状藻，腐泥无定形（达到280以上），含有少量的无结构镜质体及惰质组丝质体.该层有机质主要来源于低等水生生物、水生微生物及藻类，如介形类、腹足类、沟鞭藻和层状藻等.

3.3 区域气候

南屯组早期是海拉尔盆地火山活动频繁期，气温升高，湖平面上升，加速水侵体系域的发育.火山灰为藻类等生物提供多种生长所需的元素，具有“施肥”或者“加营养”的效应，促使藻类勃发疯长[15].火山灰的加入也增高水体的盐度，导致水体分层和底部还原环境的形成，增加钙等元素含量.

钙质泥岩、泥灰岩及油页岩的集中出现代表全球性的缺氧事件.海拉尔盆地缺氧事件形成的钙质泥岩层可与别里亚斯和凡兰今期的缺氧事件沉积层进行对比[16]，把海拉尔盆地与整个东北亚地区白垩系断陷盆地（如银额盆地、二连盆地）有机地联系起来，形成区域上统一的认识.

3.4 氧化—还原环境

色谱质谱图分析表明，钙质泥岩层含有三降藿烷、甾烷及β－胡萝卜烷，证实水体为微咸水强还原、厌氧沉积环境[17].饱和烃气相色谱分析表明，钙质泥岩Pr／Ph（姥鲛烷与植烷的比值）主要分布在0.65～0.91之间，为深水还原环境.萜烷色谱质谱图（M／Z＝191）上Ts相对丰度明显高于Tm相对丰度，且发现伽马蜡烷，反映还原环境（见图4（a））；TIC总离子流图（质核比M／Z＝125）呈前锋型，含有一定量的β－胡萝卜烷，证实生油岩母质主要来源于藻类和微生物（见图4（b））.甾烷色谱图分析表明，钙质泥岩层含有呈不对称的倒“V”字型分布的孕甾烷和重排甾烷，为咸化环境（见图4（c））.

图4 贝尔凹陷钙质泥岩层色谱—质谱Fig.4 Chromatogram and mass－spectrogram maps of calcareous mudstone strata in Bei＇er sag

贝尔凹陷断陷期早期，咸化湖泊深水广阔湖盆分布，纵向水体分层结构稳定，有机质沉积和保存环境最佳.钙质泥岩层属于沉积密集段，发育水平层理，偶见黄铁矿结核及鱼骨化石.玻片显微镜下鉴定发现，含有大量的介形虫、生物介壳及藻类化石，胶结物为泥晶方解石，质量分数在5.0%～20.0%之间，为稳定的深水还原环境.因此，贝尔凹陷南屯组钙质泥岩形成于水体分层明显、藻类生长丰富、微生物发育、沉积缓慢且水体开阔的微咸水湖相环境.

4 石油地质意义

4.1 优质烃源岩层

钙质泥岩层是贝尔凹陷的优质烃源岩层，与普通烃源岩（层）相比，有机质的丰度高，类型好，为Ⅱ1—Ⅰ型（见图5（a））.卢双舫等在研究海拉尔盆地优质烃源岩评价标准时，推荐将TOC质量分数为2.0%作为优质油源岩的下限标准[18]，贝尔凹陷钙质泥岩层样品的平均TOC质量分数大于2.0%（见表1）.

图5 贝尔凹陷钙质泥岩层与普通泥岩层有机质类型和生烃潜力Fig.5 Comparison diagram about types and hydrocarbon potential of the organic matter between calcareous mudstone strata and ordinary mudstone in Bei＇er sag

表1 贝尔凹陷钙质泥岩层与普通泥岩层生烃指标Table 1 Comparison of hydrocarbon index between calcareous mudstone strata and ordinary mudstone in Bei＇er sag

根据贝尔凹陷贝西次凹不同泥岩有机质丰度统计结果，南屯组钙质泥岩层的有机质干酪根类型、有机碳和生烃潜量等生烃指标分数均好于普通泥岩层的，而氢指数、降解潜力、排烃因数和聚集因数为普通泥岩层的1.5倍以上（见表2）.根据两者生烃指标对比关系，若将前三项指标之一与排烃、聚集因数的乘积作为生烃潜力比值，钙质泥岩层的生烃潜力将达到普通泥岩层的6倍以上（见图5（b）和表2）.

表2 贝尔凹陷生烃次凹钙质泥岩层与普通泥岩层生烃潜力比值Table 2 Ratio tables for hydrocarbon potential between calcareous mudstone strata and ordinary mudstone of three secondary sags in Bei＇er sag

油源对比结果表明，贝尔凹陷原油属于成熟原油，与南屯组钙质泥岩层（w（TOC）＞2.0%）的样品最为接近，表现出较好的亲缘关系（见图5（c））.该段烃源岩排烃效率高，是普通泥岩层的4～6倍.应用氯仿沥青“A”法重新计算贝尔凹陷贝西次凹的资源量，结果为2.136 8亿t，较钙质泥岩发现前的资源量多1.100 0亿t，其中钙质泥岩层资源量最大，生烃量占南屯组生烃总量的40%，达到0.890 0亿t，是其他细分层单元的3～8倍（见表3）.

4.2 最有利成藏组合

贝尔凹陷成熟烃源岩的展布控制油藏的分布范围[19]，由于油藏类型多样、分布层位广泛，在基岩、南屯组和大磨拐河组发现油气流，各层油藏成因不同、规模各异，明确最有利成藏组合是勘探的最大目标.根据沉积旋回、岩性和电性等特征将南屯组纵向细分为8个地层单元（相当于百米级的沉积旋回），该层与上下储层形成最有利的成藏组合.

南屯组钙质泥岩与上覆南1—1、南1—2形成上部成藏组合，与南1—3、南1—4形成中部成藏组合，与下伏南1—6形成下部成藏组合.在下部成藏组合中，钙质泥岩为优质烃源岩及局部盖层；在中、上部成藏组合中，钙质泥岩为主要的烃源岩.南屯组钙质泥岩层上、下储层油气最富集，中、下部成藏组合已发现产油井（见图6（a））及储量（见图6（b））占贝尔凹陷总量的67%，是最主要的勘探目的层.钙质泥岩层的发现明确油气最为富集层段，该层上下自生自储是油气聚集成藏的最主要形式.

表3 贝西次凹应用氯仿沥青“A”法计算资源量Table 3 The amount of resources using chloroform asphalt"A"method in Beixi subsag

图6 贝尔凹陷纵向油气分布统计Fig.6 Statistical chart of oil and gas longitudinal distribution in Bei＇er sag

近30年来，霍多莫尔构造带勘探屡获油气显示，但始终未获规模油气储量.根据钙质泥岩层优质烃源岩理论，分析该区的生烃条件，发现存在优质烃源岩且进入大量生排烃期.这证明霍多莫尔构造带后期改造形成有利部位残留南屯组，具有形成中、下部成藏组合的有利条件，改变构造带为水上凸起而致使南屯组缺失的认识，终获高产工业油流（H3－6井日产量为382t），实现勘探重大突破.

4.3 其他凹陷借鉴意义

海拉尔盆地是典型的陆相断陷盆地，具有短物源、近物源的沉积特点，地层横向变化快，并且经历多期构造改造，地层对比困难.在乌尔逊凹陷和呼和湖凹陷发现该套优质烃源岩[20]，发育特征相似，能够准确识别，可以作为盆地级地层对比及资源评价的依据（见图7）.

根据贝西斜坡带钙质泥岩层的展布范围，斜坡带优质烃源岩控油作用非常明显，位于源岩附近的井显示较好，远离源岩的井显示较差.贝西斜坡带已发现油藏，具有优质烃源岩控油、扇三角洲前缘相带控储、反向断层控制构造高点控藏的特点，能够指导斜坡带勘探.钙质泥岩层的识别与应用在贝尔凹陷取得较好的效果，为海拉尔盆地巴彦呼舒和呼和湖等断陷的油气勘探提供新认识.

图7 海拉尔盆地钙质泥岩层Fig.7 Analysis diagram of calcareous mudstone strata in Hailaer basin

5 结论

（1）贝尔凹陷钙质泥岩在测井曲线上表现为高自然伽马、高电阻率、高声波时差和低密度的“三高一低”电性响应；地震同相轴为中高频、连续强反射；富含藻类、介形虫等生物化石，碳酸盐质量分数高，滴酸起泡，为密集段沉积.

（2）钙质泥岩形成于水体分层明显、藻类生长丰富、微生物发育、沉积缓慢且水体开阔的微咸水湖相环境；累计厚度在30～50m之间，主要分布在贝西次凹、苏德尔特—霍多莫尔构造带鞍部、贝中次凹、贝东次凹和贝东北次凹.

（3）钙质泥岩层生烃指标优越，有机质干酪根以Ⅰ和Ⅱ1型为主，有机质丰度高，是凹陷最优质的烃源岩层.生烃潜力是普通泥岩层的6倍以上，资源量占南屯组总资源量的40%，其中南屯组中、下部自生自储油藏油气最富集，是勘探重点目的层.

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