四棵树凹陷侏罗系烃源岩再认识

程长领

前人研究认为，准噶尔盆地四棵树凹陷烃源岩主要发育在古近系、白垩系及侏罗系等层段，且各套烃源岩没有完全成熟，生烃潜力较小，对四棵树凹陷及周边油气成藏贡献量不大[1-9]。2005年以来，中国石化探区内围绕四棵树凹陷及周边地区新近系沙湾组、古近系、白垩系及石炭系等多个勘探层系取得油气勘探突破。2005年，车排子凸起排2井新近系沙湾组获得日产60 t的稀油，发现了春光油田；2013年，四棵树凹陷北部春17井白垩系获日产近20 t的高产工业油流；2016年，四棵树凹陷北斜坡，石炭系勘探取得新突破；此外，在春50井区古近系也获得日产11 t原油。截至2016年底，中国石化探区内已累计上报三级石油地质储量1.2×108t.油源对比表明，已发现的多个层系的油藏主要来自四棵树凹陷。目前已发现的油气资源量已远超过前期对四棵树凹陷油气资源量的认识，因此有必要对四棵树凹陷烃源岩发育特征以及潜在的生烃资源量进行研究。

早期多位学者对四棵树凹陷不同层系的烃源岩发育状况做了大量研究。有学者通过对烃源岩有机质丰度、类型、成熟度等烃源岩指标分析，认为侏罗系八道湾组烃源岩生烃潜力较高，对车排子凸起油气成藏有一定贡献，白垩系及古近系烃源岩生烃潜力有限[2]。还有学者利用烃源岩指标及盆地模拟等手段研究认为，四棵树凹陷下侏罗统三工河组烃源岩较好，八道湾组烃源岩发育状况较差[4]。

本文在前人研究的基础上，利用原始沉积厚度恢复的方法，明确了四棵树凹陷发育3个烃源岩有利区，结合露头样品、岩心、岩屑等资料，开展烃源岩各指标分析，证实侏罗系八道湾组烃源岩已达成熟阶段，并采用压差法模型计算了四棵树凹陷侏罗系八道湾组烃源岩油气资源量，为四棵树凹陷及周边下步油气勘探部署提供了可靠的依据。

1 概况

四棵树凹陷位于准噶尔盆地西南缘，区域构造上属于北天山山前坳陷的次级构造单元，主体部位夹持于复杂的山前断褶带及车排子凸起之间，属于残留型凹陷（图1）。凹陷内地层发育较为齐全，自下而上发育有石炭系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系及第四系。目前已在凹陷带附近发现了独山子油田、卡因迪克油田、呼图壁气田等，2013年以来，在四棵树凹陷北斜坡以及车排子凸起之上的苏13井、春50井、苏1-5井等多口井多个层系均取得重大油气勘探突破。地化分析表明，四棵树凹陷及车排子凸起南部地区油气主要来自于侏罗系八道湾组烃源岩，岩性为湖相暗色泥岩和煤层。早期对四棵树凹陷，特别是侏罗系八道湾组沉积时期的古地貌没有开展精细的研究，对其之上地层剥蚀量及其原始沉积厚度缺乏系统认识，此外，钻井资料有限，地化分析指标相对缺乏，制约了对侏罗系八道湾组烃源岩的评价与认识。

2 基于古地貌分析的烃源岩发育区预测

古地貌恢复方法较多，主要有以沉积学为基础的层序地层学恢复法、以获取地层厚度为基础的印模法、基于沉降原理的回剥分析方法等。四棵树凹陷的形成受多期次区域构造运动影响，经历了多次沉降、抬升剥蚀，特别是在侏罗纪遭受大范围剥蚀，因此，明确侏罗系沉积前古地貌，落实四棵树凹陷沉积中心，对于明确侏罗系八道湾组烃源岩发育区具有重要意义。以研究区资料为基础，结合实际地质情况，确定恢复古地貌的具体步骤：①落实所要计算的时间窗口及相关地层间的接触关系；②求取时间窗口之间的地层残余厚度；③利用声波时差法、地层趋势法计算剥蚀厚度及推测原始沉积边界；④残留厚度与剥蚀厚度相加，计算出原始沉积厚度，进而明确四棵树凹陷侏罗纪的原始古地貌，预测烃源岩发育区。

2.1 残留地层厚度求取

残余地层厚度的求取多利用钻井和地震资料，但研究区内井数量较少，分布不均匀，研究区内基本上已被三维地震资料覆盖，没有三维地震的区域二维测线也能达到2 km×2 km的密度，且能够全区追踪。因此，利用精细合成地震记录标定侏罗系底界面以及下侏罗统顶界面的反射同相轴，对地震资料精细解释，将解释的时间界面经过时深转换，利用软件将时深转换后底、顶2个地层界面相减，可求得下侏罗统的残余地层厚度。

2.2 声波时差法恢复剥蚀量

泥岩压实外推法计算剥蚀厚度的原理是，在正常压实的情况下，泥页岩的孔隙度随埋深的增大呈指数衰减，而在均匀分布的小孔隙的固结地层中，孔隙度与声波传播时间之间又存在着正比例的线性关系，因此声波时差与深度在半对数坐标系中为线性关系[10]。声波时差法在剥蚀量较大而埋藏较浅的不整合面的剥蚀厚度估算中较为适用。四棵树凹陷具备利用声波时差法计算剥蚀量的条件，以固1井为例进行说明（图2）。首先利用地震资料及测井曲线特征，确定地层不整合界面，在此基础上利用泥岩声波时差法对固1井各不整合面上下泥岩进行分析，以Δt0为630 μs/m进行剥蚀量研究，分别计算出固1井自侏罗纪至新近纪的剥蚀量，侏罗纪剥蚀厚度达到850 m，白垩纪剥蚀厚度达到880 m，古近纪剥蚀厚度达到1 500 m.利用同样方法分别计算出该区其余井各层系剥蚀厚度（表1）。结果表明：四棵树凹陷各探井在侏罗纪末期、白垩纪末期以及古近纪末期等多个时期均有较大的剥蚀量，说明烃源岩在早期有过深埋过程，为烃源岩的成烃演化奠定了基础。

2.3 地层趋势法恢复原始沉积边界

任何一个盆地，在某一地史时期，总会有一个或者多个沉降中心，在沉降中心位置沉积的地层比其他相邻区域沉积的地层要厚，而且向盆地边缘，沉积地层的厚度变薄，直至尖灭。假设剥蚀前地层的厚度均一，依据区域地震资料上地层沉积的地球物理成像特征，在完整剖面上被剥蚀层段内寻找剥蚀原点，并找出全区较易追踪的、厚度稳定的“视层段”，依据前述的盆地沉积原理，算出该视层段的沉积变薄率，再依据几何学原理，求出对应地层的剥蚀量及原始沉积边界。基于地震资料，寻找凹陷内残留相对完整地层发育点，在地层发育的各个方向上，利用地层趋势法，通过三角函数计算，确定该层系的原始沉积边界及该层平面剥蚀量。

图2 四棵树凹陷固1井泥岩声波时差法恢复剥蚀量图版

表1 四棵树凹陷单井各时期剥蚀厚度统计 m

首先，对已钻井开展精细层序划分对比及沉积相研究；其次，对四棵树凹陷南部野外露头区托斯特沟剖面、大西沟剖面、四棵树沟剖面等侏罗系典型剖面进行精细观察描述，并建立露头岩性综合柱状图；第三，制作精细合成地震记录标定，井震资料结合，落实地震相平面特征；最后，利用钻井资料、露头资料、地震资料等相结合的方法，建立单井相、连井相剖面，落实侏罗纪时期沉积相平面展布。侏罗纪四棵树凹陷南部发育冲积扇—扇三角洲沉积体系，岩性以砾岩—砂砾岩为主；凹陷主体以湖相沉积为主，发育厚层暗色泥岩夹薄层砂岩；在四棵树凹陷北部以辫状河三角洲沉积为主，岩性组合以灰色砂泥岩剖面为主。研究认为，四棵树凹陷在侏罗纪沉积环境较为稳定，沉积旋回性清楚，后期南部山前带受构造应力场影响变形复杂，难以有效推测原始边界，但是，四棵树凹陷北翼地区构造相对稳定，地震上剥蚀反射特征较为清楚，可以利用地层趋势法恢复原始沉积边界。

利用地层趋势法恢复四棵树凹陷侏罗纪的原始沉积边界，在四棵树凹陷内，下侏罗统残留地层向西可以外推近25 km的沉积范围（图3），向北原始沉积边界达到35 km，说明侏罗纪时期原始沉积范围远大于现今残余范围。同时，可以利用层速度与时间差的乘积计算单点剥蚀量，利用这种方法计算出的剥蚀量与泥岩声波时差法计算的剥蚀量基本一致。从而明确了该层的平面剥蚀量及原始沉积范围。从下侏罗统剥蚀厚度图（图4）可以看出，原始沉积边界向北超越加依尔山界，向西基本达到精河地区，南部山前变形较严重，剥蚀量恢复困难，粗略估算也基本上能达到依连哈比尔尕山南侧。在四棵树凹陷除苏6井区下侏罗统地层剥蚀量较小外，其余地区剥蚀量普遍为300～1 000 m.

2.4 原始沉积厚度恢复及烃源岩发育区预测

在明确下侏罗统平面剥蚀量及原始沉积范围的基础上，结合四棵树凹陷内下侏罗统残留地层的认识，可相加计算原始沉积厚度，从厚度图（图5）上可以看出，在侏罗纪，四棵树凹陷与沙湾凹陷为相对独立的沉积单元，车排子凸起的低幅隆起带将2个构造单元分开。四棵树凹陷可划分为中央凹陷带、北部缓坡带和南部陡坡带。其中，中央凹陷带发育3个次洼，分别为西次洼、中次洼和东次洼，四棵树凹陷原始沉积厚度中心在固1井北—苏6井南近北西—南东向展布，可进一步细化为3个次级沉积厚度中心。处于中次洼北带的苏6井钻遇近200 m的厚层灰色—灰黑色泥岩以及煤层，四参1井钻遇130 m灰色泥岩；处于东次洼边部托斯特沟野外露头区也能见到80 m的黑色泥岩；西次洼没有钻井资料，但与中次洼、东次洼具有相似的沉积背景，推测西次洼也发育较厚的暗色泥岩。基于以上研究，3个次洼内均发育厚层的暗色泥岩，为烃源岩的发育奠定了物质基础，推测3个次洼为烃源岩主要发育区。

图3 四棵树凹陷东西向剥蚀范围恢复示意图

图4 四棵树凹陷下侏罗统剥蚀厚度分布

图5 准噶尔盆地西缘下侏罗统原始沉积厚度分布

3 有效烃源岩分布的量化表征

钻井及野外露头资料揭示，侏罗系八道湾组在四棵树凹陷内广泛发育，岩性以暗色泥岩和煤层为主，3个次洼内暗色泥岩厚度最大，其中，东次洼暗色泥岩最大厚度可达500 m，中次洼暗色泥岩最大厚度为400 m，西次洼暗色泥岩最大厚度可达200 m.

3.1 烃源岩基本特征

四棵树凹陷侏罗系八道湾组烃源岩岩性主要为暗色泥岩和黑色煤层。对烃源岩指标进行分析（表2）。其中暗色泥岩总有机碳含量为0.26%～3.52%，有机质类型主要为Ⅱ2—Ⅲ型，生烃潜量（S1+S2）为0.05～5.30 mg/g，镜质体反射率为0.40%～1.08%，大部分样品达到成熟阶段；煤层总有机碳含量为41.60%～59.91%，有机质类型主要为Ⅲ型，生烃潜量（S1+S2）为88.56～152.47 mg/g，镜质体反射率（Ro）为 0.47%～1.13%，据新完钻的苏6井烃源岩指标（表3）分析，认为处于四棵树凹陷3个次洼中的侏罗系八道湾组烃源岩已成熟。

3.2 有效烃源岩的展布特征

3.2.1 八道湾组暗色泥岩空间分布特征

四棵树凹陷有8口探井钻遇八道湾组暗色泥岩和煤层，其中以苏6井钻遇厚度最大（暗色泥岩厚120 m，煤层厚60 m）。利用精细合成地震记录标定苏6井，井震结合分析认为，八道湾组暗色泥岩和煤层具有低频、强振幅、强连续的地震反射特征（图6），利用地震资料落实了八道湾组暗色泥岩的平面展布。四棵树凹陷八道湾组暗色泥岩分布面积较大，可达4 500 km2.

表2 准噶尔盆地西缘下侏罗统八道湾组烃源岩综合评价

表3 苏6井烃源岩指标

图6 准噶尔盆地西缘过苏6井南北向地震剖面

3.2.2 八道湾组有效烃源岩展布

根据烃源岩埋藏史、热史分析，结合暗色泥岩展布特征及有机地化特征，以镜质体反射率不小于0.6%为本次烃源岩计算标准，基本落实了下侏罗统八道湾组有效烃源岩分布（图7）。从有效烃源岩平面展布来看，有效烃源岩均分布在凹陷中央深埋区，呈北西—南东向展布，基本与凹陷整体走向一致，展布面积约3 770 km2.具体可分为东、中和西3个有效烃源岩发育中心，东次洼有效烃源岩最厚可达550 m，中次洼最大厚度可达400 m，根据已钻井特别是苏6井烃源岩成熟度分析认为，处于3个次洼内的烃源岩绝大部分已进入成熟阶段。

3.3 资源量计算

烃源岩生烃及油气资源量计算的方法很多，前人开展了大量的研究工作[11-15]。本文利用压差法模型对生烃潜力进行计算，计算式如下：

式中 Eex——排烃强度，t/km2；

Cex——排出系数，由（2）式确定；

Ps——烃源岩层的砂岩含量，%；

Pm——烃源岩层的泥岩含量，%；

ϕcm——烃源岩生烃门限时泥岩孔隙度，可根据埋藏史和成熟度计算得到；

ϕcs——烃源岩生烃门限时砂岩孔隙度，可根据埋藏史和成熟度计算得到；

ϕs——烃源岩任一时刻砂岩孔隙度，可根据埋藏史计算得到；

图7 四棵树凹陷下侏罗统八道湾组有效源岩分布

ϕm——烃源岩任一时刻泥岩孔隙度，可根据埋藏史计算得到；

So——烃源岩任一时刻含油饱和度，可根据生烃史计算得到。

在埋藏史、热史、生烃史等资源量参数选取的基础上，计算四棵树地区下侏罗统八道湾组烃源岩生烃量、排烃量和资源量分别为90.5×108t，40.7×108t和2.8×108t.利用原始沉积厚度恢复对四棵树凹陷侏罗系烃源岩生烃资源量重新评价，依靠新钻井烃源岩参数指标和野外露头区烃源岩参数指标，分析认为侏罗系成熟烃源岩面积较之前扩大了近2 500 km2，早期研究认为，四棵树凹陷侏罗系烃源岩成熟区仅发育在高泉1井以东地区，而本次利用原始沉积厚度恢复，认为3个次洼中均发育成熟的烃源岩，成熟烃源岩面积的增加使得新计算油气资源量有了较大幅度的提高。

4 结论

（1）四棵树凹陷在侏罗纪前与沙湾凹陷为相对独立的沉积单元，2个凹陷具有相对独立的的沉积演化过程，四棵树凹陷在侏罗纪发育3个次洼，是侏罗纪的沉积中心，发育了厚度较大的暗色泥岩，为烃源岩有利发育区。

（2）四棵树凹陷侏罗系八道湾组烃源岩有机碳含量高，具有较高的生烃潜量，同时烃源岩热演化成熟度处于生烃阶段，整体评价为一套较好的烃源岩，生烃模拟结果显示，该层段可提供的油气资源量为2.8×108t，为四棵树凹陷及周边地区油气勘探奠定了坚实的物质基础。

（3）四棵树凹陷侏罗系烃源岩重新评价结果表明，四棵树凹陷及其周边地区仍然具有较大的勘探潜力，加强石油地质条件综合研究及井位部署，有望在四棵树凹陷及周边地区取得重大勘探突破。

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