塔里木盆地北部坳陷寒武系烃源岩特征及热演化史模拟

李飞龙　杨圣

摘  要：寒武系烃源岩是塔里木盆地北部地区海相油气最为主要的来源，长期以来—对这套烃源岩发育特征研究多停留在全盆地或单一区块分析，给油田资源评价带来了诸多不确定性。利用野外露头和新井钻探取心，在分析寒武纪沉积环境及构造格局基础上，总结北部凹陷寒武系烃源岩的发育及分布特征，对所采样品选取多参数进行评价，然后通过盆地模拟软件模拟寒武系烃源岩热演化史。样品分析结果表明，北部凹陷寒武系烃源岩厚度为160 ～280 m，有机碳含量均值为2.10%、镜质体反射率均值为2.09%。热史模拟结果表明，塔里木盆地北部凹陷寒武系烃源岩，自加里东中期进入成熟阶段，加里东晚期—海西早期处于生油高峰期，海西中期达到过成熟阶段，海西晚期之后源岩逐步失去生烃能力，至燕山期全部停止生烃。

关键词：塔里木盆地;北部坳陷;寒武系;烃源岩

塔里木盆地是我国海相烃源岩较为发育的盆地之一，随着塔河油田及塔中油田的发现，探明储量不断增加，原油产量也持续提高，表明北部地区一定存在优质海相烃源岩。朱传玲等发现塔里木盆地寒武系烃源岩埋深大[1]，仅满加尔坳陷周缘塔东1、塔东2、库南1井及星火1井等少量钻井揭示，这对系统研究烃源岩的特征带来一定困难。赵孟军、纪红等认为寒武系烃源岩在整个塔里木盆地都有分布[2-3]，可作为主力烃源岩来对待;张庆玉认为寒武系烃源岩只发育在盆地东部满加尔凹陷和西部阿瓦提断陷[4]。在塔里木盆地台盆区原油主要来源问题上，金之钧、王毅等认为早期成藏的寒武系烃源岩是主要贡献者[5-6];鲍典、张朝军等则强调台盆区海相原油的主要来源是奥陶系烃源岩的晚期贡献 [7-8]。因这些优质烃源岩发育特征直接影响了塔里木盆地西部和南部地区勘探工作的推进。本文基于上述研究，通过对样品的测试分析和软件的热史模拟，对盆地北部凹陷寒武系烃源岩发育及分布特征进行研究，旨在明确各时期烃源岩所处演化程度。

1  地质概况

早古生代时期，寒武—奥陶纪盆地南部处在大洋环境，格局呈南北分异演化，盆地历经多期构造运动改造，其中加里东中期、海西早期及海西晚期影响显著[9]。加里东中期中昆仑地块与塔里木地块碰撞，塔里木盆地北部由拉张转变为挤压环境，塔中、塔北等隆起基本定型[10，11]。其中塔北地区表现为以轮台古隆起为区域高背景斜坡区，塔中地区东部大幅度抬升剥蚀，形成向西散开的“帚状”，中上奥陶统遭受大面积风化剥蚀，岩溶作用明显[12，13]。海西早期南天山洋向北俯冲，塔中、满加尔凹陷北缘、塔北等地区志留系大量剥蚀，塔北地区继续隆升。海西晚期古特提斯洋板块向塔里木板块俯冲，塔南、塔中局部逆冲推覆，形成背斜、断背斜等构造圈闭。

根据地震资料与钻探取心资料揭示，塔里木盆地北部坳陷自东向西（由满加尔-阿瓦提）沉积相带表现为深海-半深海盆地相、斜坡陆棚相、局限台地相的变化[14-15]。深海-半深海盆地相出现在满加尔凹陷东部，岩性组合为黑色泥岩、硅质粉晶白云岩夹深灰色细砂岩，其中黑色泥岩为品质较好的烃源岩，对应早寒武世海侵，与下伏震旦系呈假整合接触[16]。斜坡陆棚相位于塔河1井至满参1井一线，当前缺乏钻井取心资料，据地震资料，推测岩性为深灰色泥微晶灰岩、砂屑灰岩与黑色泥岩互层。局限台地相位于北部坳陷中、西部地区，早期主要为深浅海陆棚相的薄层灰岩、黑色泥岩与硅质岩，以及亚浅海孤立台地相白云岩;晚期海水逐渐变浅，形成广阔的碳酸盐岩台地，以泥微晶灰岩、砂屑灰岩及白云岩为主（图1-a，b）。

2  寒武系烃源岩分布及特征

2.1  寒武系烃源岩分布

塔里木盆地北部坳陷地区寒武系自下而上主要发育玉尔吐斯组、西大山组、莫合尔山组等烃源岩。源岩按照沉积时的相带特征分为2种类型：一是陆棚-斜坡、盆地相泥质岩，主要分布在盆地东部，满加尔坳陷区周缘的库南1、塔东1、塔东2、尉犁1等井钻井有揭示;二是局限台地相碳酸盐岩，主要分布在盆地中、西部，阿瓦提凹陷南缘，和4、方1井钻井有揭示。

古城墟隆起塔东1井揭示，寒武系烃源岩上部为厚层深灰色含泥质泥晶灰巖[17]，对应斜坡相，厚度在80 m以上;中部为厚层灰黑色泥灰岩夹同色泥岩，对应深水陆棚相;下部为巨厚层黑色硅质泥岩，对应欠补偿盆地相，中、下部烃源岩厚度约145 m。塔东2井揭示，寒武系烃源岩上部为瘤状泥质灰岩，对应斜坡相，厚度约70 m;中部为灰黑色泥灰岩夹泥岩，对应深水陆棚相[18];下部为富含C，Si，P的灰质或白云质泥页岩，对应欠补偿盆地相，中、下部烃源岩厚度约为130 m。孔雀河斜坡尉犁1井揭示，寒武系烃源岩上部为灰色泥质灰岩，对应欠补偿盆地相，厚度约45 m;中、下部烃源岩岩性组合为硅质泥岩、灰质泥岩、页岩夹薄层状泥质泥晶灰岩，对应欠补偿盆地相，厚度约235 m。库南1井揭示，寒武系烃源岩上部为薄层状泥质泥晶灰岩，对应斜坡相，厚度约98 m;下寒武统为灰黑-灰色灰质泥岩、泥质泥晶灰岩夹薄层泥岩，对应欠补偿盆地相，厚度约90 m[1]。阿瓦提坳陷南缘和4井、方1井揭示，寒武系中—底部烃源岩发育，岩性组合为深灰色-灰色云岩、泥晶云岩、灰色泥岩，对应碳酸盐岩局限台地相，厚度约为160 m;上部烃源岩不发育，钻井无揭示。统计满加尔凹陷周缘和阿瓦提凹陷南缘烃源岩厚度发现，盆地北部凹陷区源岩厚度自东向西有减薄趋势（图1-b）。

2.2  寒武系烃源岩特征

对各井采集到的59个寒武系烃源岩样品进行系统的有机岩石学和有机地球化学分析，从烃源岩有机质丰度、有机质类型以及有机质成熟度3个方面对烃源岩特征进行研究，具体过程及结果如下。

2.2.1  有机质丰度

有机质丰度是保证油气产生的物质基础，是评价烃源岩最为基本的参数。选取总有机碳含量（TOC）、氯仿沥青“A”含量和生烃潜力（S1+S2）这3个参数对塔里木盆地北部凹陷寒武系烃源岩有机质丰度进行定性及半定量分析。

满加尔凹陷周缘塔东1井TOC为0.34%～6.85%，均值超过3.5%;塔东2井有机碳含量为0.95%～7.65%，均值3.72%;尉犁1井TOC为0.55%～2.36%，均值1.80%;库南1井TOC为0.21%～2.45%，均值1.36%。阿瓦提凹陷南緣和4井TOC在0.44%～2.41%，均值1.22%;方1井TOC在0.21%～2.36%，均值1.01%（表1）。对采集样品的深度进行分析发现，寒武系下部烃源岩有机质丰度高，垂向上具有上低下高的特征，从有机质丰度来看，满加尔凹陷东部烃源岩质量最优。

对样品进行可溶有机质的抽提检测结果显示，氯仿沥青“A”含量分布于45×10-6～350×10-6  mg/g，一般不超过200×10-6  mg/g，整体来说含量都不高。北部凹陷寒武系烃源岩有机碳含量平均值大于1.05%，但是现今残余有机质量却很少，推测可能原因是源岩演化程度较高导致。对方1井所采样品进行热解分析测试显示，S1+S2为0.08～0.45 mg/g，样品生烃潜力非常低，生烃潜力指数值不足0.5 mg/g，说明烃源岩经历了较为彻底的热演化。

2.2.2  有机质类型

研究区寒武系烃源岩沉积环境主要分为两类，一是台地相;二是斜坡-陆棚、盆地相。按照沉积相带分类，主要有机质来源为浮游植物、浮游动物及其他微生物，若按干酪根分类标准，属于Ⅰ型和Ⅱ型原始有机质。阿瓦提凹陷南缘和4井5 650～5 931 m所采样品做干酪根检测结果显示：来源不明的管状体质量分数为18%;与大型藻类相关的长孢子，质量分数为17%;游离藻孢囊的质量分数为12%，总的质量分数为47%，烃源岩有机质类为I型。所有60件样品的干酪根显微组分研究表明，镜下有机质多为无定形，可见一些藻类生物碎片，紫外光激发下有黄绿色、蓝绿色荧光，恢复结果揭示原始生烃母质是以蓝绿藻为主的浮游藻类，有机质类型为I型，2种方法所得结果一致。

2.2.3  有机质成熟度

确定烃源岩有机质成熟度的方法主要包括有机岩石学、有机地球化学、矿物学和从埋藏史-热历史计算4个方面[19]。参照前人研究思路，将寒武系烃源岩有机质成熟度研究分为两个步骤：①将有机组分（如大型藻类）反射率换算为等效镜质体反射率，用以定量表征烃源岩有机质成熟度;②利用干酪根H/C原子比划分有机质演化阶段。实验过程中，对TOC过低的样品未进行有机组分反射率测试，最终获得45块样品有效测试数据（表2）。

由表2可知，台盆区东部的塔东1井和塔东2井寒武系成熟度最高，均达到过成熟阶段，剩余的库南1、尉犁1、方1井以及和4井成熟度相对较低，处于高成熟阶段;满加尔凹陷北缘的库南1井寒武系成熟度明显低于满加尔凹陷南缘的塔东1井和塔东2井。从目前探井和露头区样品有机组分反射率分析数据来看，塔里木盆地寒武系源岩均处于高过成熟阶段，尚未发现仍处于生油阶段的寒武系成熟源岩。目前钻揭寒武系探井多位于隆起带，预测在埋藏更深的坳陷区和斜坡带寒武系烃源岩有机质成熟度更高。

塔东1井、塔东2井，库南1井、尉犁1井、方1井以及和4井30个干酪根样品分析测试表明，总体上呈现有机质成熟度增加，干酪根H/C原子比降低。库南1井和尉犁1井寒武系烃源岩样品H/C原子比大于0.5，塔东1井和塔东2井寒武系烃源岩样品H/C原子比为0.1～0.25，说明孔雀河斜坡有机质成熟度明显低于古城墟隆起有机质成熟度，这与有机组分换算出的镜质体反射率完全一致。孔雀河斜坡和古城墟隆起镜质体反射率为1.73%～2.95%，推测满加尔凹陷，镜质体反射率在3.0%以上，凹陷腹地可达4.0%。阿瓦提凹陷南缘镜质体反射率为1.39%～1.90%，推测阿瓦提凹陷，镜质体反射率约为2.5%（图2）。

3  烃源岩热演化模拟

3.1  模拟参数分析

热史模拟的目的在于恢复盆地基底之上沉积盖层的受热历史，或者说就是要解决在各个地质时期各烃源层的温度及成熟度，确定受热史的关键是恢复热流或地温梯度在三维空间上随时间的变化规律。一般通过古水深、古地温以及热流值分析来探讨。

3.1.1  古水深

古水深分析对于再造古环境、盆地构造及演化具有重要意义[20]。本次研究主要根据塔里木盆地海平面升降历史和沉积相分析，对盆地的古水深进行确定（表3）。

3.1.2  古地温

古地温包含两重含义，一为古地表温度;二为古地温梯度。对于前者，一般直接使用盆地模拟软件PetroMod中的wygrala（1989）模型，同时配合古水深数据加以约束，可以较好的反映地质历史时期地表温度变化特征（表4）。

塔里木盆地出现过两次地温梯度较高的时期。第一次高温期出现在奥陶纪，地温梯度高达3.5～4.0 ℃/km;进入志留纪以后地温逐渐降低，地温梯度2.8～3.2 ℃/km，这种低温状态一直保持到石炭纪末。第二次高温期出现在二叠纪，地温梯度达到3.3～3.8 ℃/km;三叠纪以来地层盆地进入缓慢降温时期，经历喜山运动后，降温速率加快，当前地温梯度分布在2.2～2.5 ℃/km。

3.1.3  热流值

大地热流值为地温梯度与岩石热导率的乘积，是热史模拟中的重要参数之一[21]。根据不同构造单元演化特征，运用PetroMod软件中Easy%Ro模型可以模拟计算大地热流值。但塔里木盆地经历多期构造运动造成不同地区隆升剥蚀，给大地热流值计算带来一定困难。统计塔里木盆地6口探井的50多个Ro数据，建立盆地寒武系烃源岩Ro与深度相关图（图3），作为对岩浆活动导致的Ro数据异常偏高值进行合理删除的依据。在此基础上采用Easy%Ro模型方法模拟明确了对满加尔凹陷以及阿瓦提凹陷不同地质时期的大地热流值：寒武—奥陶纪为32～45 mW/m2;志留—泥盆纪为42～55 mW/m2;石炭—二叠纪为43～74 mW/m2;三叠—白垩纪为41～73 mW/m2;新生代为32～63 mW/m2;现今32～56 mW/m2。塔里木盆地大地热流值变化规律呈现出：早古生代低，晚古生—中生代高，现今低的趋势，与前人研究结果基本一致。

3.2  模拟结果

不同沉积盆地源岩的有机质类型、有机质丰度，地层的地温梯度、热流值存在差异，导致烃源岩成熟度阶段划分标准不会完全一致，所以在对烃源岩进行热演化史模拟之前，需先明确北部凹陷寒武系烃源岩成熟度階段划分的标准。笔者结合前文烃源岩特征研究及盆地古地温、热流值的变化规律，划分出以下6个阶段：①Ro<0.5%的烃源岩处于未成熟阶段，会形成一些生物成因的天然气;②0.5%2.0%，过成熟阶段，生成干气;⑥Ro>4.0%，生烃枯竭阶段，生烃终止。

以满参1井代表满加尔凹陷西部地区，满参1井未钻遇寒武系，以构造图虚拟分层进行热史模拟（图4）。寒武系下部烃源岩，中奥陶世早期进入低成熟阶段（Ro=0.5%）;在却尔却克组泥岩快速充填下，盆地快速沉降，烃源岩成熟度迅速增加，中奥陶世末期进入成熟阶段（Ro=0.7%）;早志留世进入高成熟阶段（Ro=1.3%），大量生成湿气;中泥盆世进入过成熟阶段（Ro=2.0%），大量生成干气;早二叠世中期到达生烃枯竭阶段（Ro=4.0%），再无生烃能力。寒武系上部烃源岩，晚奥陶世中期进入低成熟阶段（Ro=0.5%）;晚奥陶世末期进入成熟阶段（Ro=0.7%）;早泥盆世中期进入高成熟阶段（Ro=1.3%），大量生成湿气;石炭纪晚期进入过成熟阶段（Ro=2.0%），大量生成干气;晚三叠世进入生烃枯竭阶段（Ro=4.0%），再无生烃能力。

以阿满1井代表阿瓦提凹陷与满加尔凹陷过渡带地区，未钻遇地层以构造图虚拟分层进行热史模拟（图5）。寒武系下部烃源岩，早奥陶世即进入低成熟阶段（Ro=0.5%）;中奥陶世中期进入成熟阶段（Ro=0.7%）;早泥盆世进入高成熟阶段（Ro=1.3%），大量生成湿气;中石炭世进入过成熟阶段（Ro=2.0%），大量生成干气;中二叠世进入生烃枯竭阶段（Ro=4.0%），再无生烃能力。寒武系上部烃源岩，中奥陶世进入低成熟阶段（Ro=0.5%）;晚奥陶世进入成熟阶段（Ro=0.7%）;早石炭世中期进入高成熟阶段（Ro=1.3%），大量生成湿气;晚石炭世末期进入过成熟阶段（Ro=2.0%），大量生成干气;早三叠世中期进入生烃枯竭阶段（Ro=4.0%），再无生烃能力。

4  结论

（1） 北部凹陷寒武系烃源岩沉积环境自东向西呈现，欠补偿盆地相、斜坡-陆棚相、局限台地相变化，厚度上表现出东厚西薄的分布。烃源岩TOC值域分布广泛，为0.21%～7.65%，均值2.10%;Ro为1.64%～2.95%，均值2.09%，推测北部坳陷Ro最大值约4.0%。

（2） 热史模拟结果揭示，塔里木盆地北部凹陷寒武系烃源岩，自加里东中期进入成熟阶段，加里东晚期—海西早期处于生油高峰期，海西中期达到过成熟阶段，海西晚期之后源岩逐步失去生烃能力，至燕山期源岩全部停止生烃。

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