塔里木盆地北部坳陷及周缘下寒武统烃源岩特征及分布

范秋海, 肖中尧, 张海祖, 赵 青, 易 艳,张 科, 罗彩明, 凡 闪

塔里木盆地北部坳陷及周缘下寒武统烃源岩特征及分布

范秋海*, 肖中尧, 张海祖, 赵 青, 易 艳,张 科, 罗彩明, 凡 闪

(中国石油天然气股份有限公司 塔里木油田分公司, 新疆 库尔勒 841000)

塔里木盆地北部坳陷周缘发现的大量油气主要来源于下寒武统泥质烃源岩。坳陷西部下寒武统发育玉尔吐斯组, 东部发育西大山和西山布拉克组, 两者在有机质丰度、类型和成熟度等方面存在明显不同, 微量元素显示玉尔吐斯组具有较高的古生产力, 总体反映西部水体较深的强还原斜坡相沉积环境, 而东部则反映为水体更深、还原程度更高的盆地相沉积环境。通过地震标定及解释, 刻画了下寒武统烃源岩厚度图, 发现了满西、满东两个沉积凹陷, 结合总有机碳(TOC)分布图, 对下寒武统烃源岩生烃潜力进行了计算及成图。北部坳陷生烃量巨大, 而目前已发现油气仅占很小一部分, 所以北部坳陷及周缘下步勘探潜力巨大。

下寒武统; 烃源岩; 北部坳陷; 塔里木盆地

0 引 言

20世纪80年代初, 利用二维地震大剖面基本搞清了塔里木盆地“三隆四坳”构造格局, 继而开始了围绕北部坳陷周缘寻找海相油气有利聚集带的勘探工作。至80年代末, 轮南、塔中地区先后在奥陶系、石炭系及三叠系获得勘探突破, 陆续发现了轮南、轮古、哈得逊、哈拉哈塘、塔河和塔中等多个整装大型油气田, 截止目前累计探明石油地质储量超过20亿吨, 成为塔里木盆地油气发现最为集中的地区(图1)。

一直以来, 众多研究者对北部坳陷存在两套烃源岩的观点趋于认同, 即中下寒武统-下奥陶统、中上奥陶统烃源岩, 但是具体哪套烃源岩为供烃主力却存在较大分歧。在烃源岩发育特征和油气源对比的研究基础上, 有些学者认为中、下寒武统是满加尔凹陷主要的烃源岩[1-3], 有些学者则认为上奥陶统是主要的油源[4-7]。而赵宗举等[8]通过对海平面变化及沉积相分析、地震反射特征识别和生烃成藏配置关系分析等, 认为中、下奥陶统是塔里木盆地满加尔凹陷海相原油的主力烃源岩。

以往烃源岩对比主要利用生物标志物, 认为寒武系-中下奥陶统烃源岩具有“六高一低”的特征, 而中上奥陶统烃源岩正好相反, 表现为“六低一高”的特征[9-10]。随着烃源岩样品数量的增加, 柯坪、巴楚和塔东地区的寒武系及柯坪地区中上奥陶统萨尔干组-印干组均表现为高伽马蜡烷、高C28甾烷及低重排甾烷特征, 这与早期认识不一致。另外, 以往认为寒武系烃源岩生成的原油应该富集重碳同位素, 奥陶系烃源岩生成的原油应该富集轻碳同位素[11-12], 而实际上, 除柯坪地区下寒武统玉尔吐斯组烃源岩干酪根具有较轻的碳同位素(−33.8‰ ～ −34.6‰)和塔东地区上寒武统-下奥陶统烃源岩具有较重的碳同位素组成(−25.0‰ ～ −27.1‰)外, 其他层位及地区的烃源岩, 无论是下寒武统-下奥陶统, 还是中上奥陶统, 其干酪根碳同位素基本分布在−30‰左右, 地层时代差异不明显。

生物标志物及碳同位素受成熟度、物理分异、氧化降解和物理分异的影响, 对比结果往往具有多解性, 而近年随着芳基类异戊二烯烃的应用, 越来越多的证据表明满加尔凹陷周缘油气主要来自于下寒武统[13-15]。本次研究在地层对比及沉积环境分析基础上, 拟利用地震资料对下寒武统烃源分布特征及生烃潜力进行预测, 以期对该区的油气勘探具有一定的指导意义。

1 下寒武统对比

北部坳陷东西长900余千米, 横跨西部的柯坪地层分区和东部的库鲁克塔格地层分区[16], 造成同是早寒武世的沉积物, 地层名称上差别很大。柯坪地层分区下寒武统自下而上可分为3个组, 即玉尔吐斯组、肖尔布拉克组和吾松格尔组。其中肖尔布拉克组和吾松格尔组主要岩性为厚层灰岩、白云岩及薄层泥岩; 玉尔吐斯组厚度及岩性横向变化较大, 在柯坪地区的昆盖阔坦、什艾日克及库瓦提等野外剖面发育厚度10～16 m的暗色-黑色泥岩、硅质岩[17], 台盆区星火1井发育24 m灰黑色碳质页岩[18], 向南的巴楚隆起上的舒探1、方1井仅钻遇7 m左右褐色泥岩, 巴楚隆起中-东部的和4、楚探1等井缺失玉尔吐斯组, 肖尔布拉克组白云岩直接覆盖在前寒武系之上。库鲁克塔格地层分区下寒武统自下而上分为西山布拉克组和西大山组, 露头区乌里格孜塔格剖面西山布拉克组黑色硅质泥岩、黑色泥岩总厚度48.32 m, 占地层总厚度的24%, 西大山组黑色泥岩厚度70.41 m, 占地层总厚度的71.7%1)黄智斌, 王振华, 杨芝林, 钟端, 杨先茂, 张志斌, 库鲁克塔格地区石油地质综合研究及库车地区野外地质考察基地建设, 塔里木油田内部资料, 2009; 台盆区塔东地区多口井钻穿下寒武统, 岩性以黑灰色、黑色泥岩为主, 间夹灰岩、泥质灰岩, 地层分段特征不明显, 通常难以将西大山组与西山布拉克组分开。

图1 塔里木盆地北部坳陷周缘勘探成果及资料点位置

在等时框架下开展下寒武统对比, 从已有地层对比资料来看(图2), 北部坳陷的西部与东部沉积厚度及岩性变化较大, 反映了沉积时期构造格局、水深及沉积环境具有明显的差异性。尽管露头和钻井都是分布在北部坳陷的边缘高部位, 不能完全代表坳陷内部深色泥岩厚度, 但是下寒武统黑色泥岩自西向东逐渐变厚的趋势还是十分明显。

2 烃源岩地球化学特征

2.1 有机质丰度

坳陷东部下寒武统烃源岩主要发育于西山布拉克和西大山组。塔东1、塔东2、库南1和米兰1井钻遇该套烃源岩, 其中库南1井下寒武统烃源岩总有机碳(TOC)为0.4%～5.5%, 平均值为1.2%; 塔东1井下寒武统烃源岩TOC值为0.1%～5.5%, 平均值为2.3%。有机碳含量大于0.5%的样品数量占总样品数量的75%, 氯仿沥青“A”值较高, 变化也较大, 分布在70～520 μg/g之间, 平均值为283 μg/g, 生烃潜量为0.15～1.45 mg/g, 平均为0.86 mg/g, 达到了好烃源岩的标准。坳陷西部下寒武统烃源岩主要发育于玉尔吐斯组。星火1井钻遇该套烃源岩, 厚度为33 m, 虽然厚度不大, 但分布稳定, TOC值高达7%～14%, 坳陷西部氯仿沥青“A”为10～330 μg/g, 总体上大部分都低于200 μg/g, 平均值为113 μg/g, 生烃潜量(1+2)在坳陷西部为0.72～0.35 mg/g, 平均值为0.54 mg/g (图3)。

图2 塔里木盆地北部坳陷EW向下寒武统对比图

GR为放射性测井数据。

2.2 有机质类型

根据全岩和干酪根镜检结果, 坳陷东部下寒武统烃源岩有机显微组分主要是藻类体、无定形、镜状体和动物有机碎屑等, 次要组分为固体沥青, 反映有机质类型主体具有Ⅰ型或Ⅱ型有机质的特点。从干酪根同位素看, 塔东2井寒武系干酪根同位素为−25.2‰ ～ −29.5‰, 平均值为−26.79‰, 依据干酪根碳同位素划分有机质类型的标准(干酪根碳同位素轻于−28‰为Ⅰ型, −28‰ ～ −25‰之间为Ⅱ型[19]), 坳陷东部地区下寒武系烃源岩为Ⅰ～Ⅱ型有机质。坳陷西部玉尔吐斯组烃源岩有机显微组分中腐泥组有机质高达70.6%, 干酪根同位素较轻, 分布于−34.63‰ ～ −33.83‰之间, 表明玉尔吐斯组烃源岩有机质类型属于腐泥型, 为Ⅰ型有机质。

2.3 有机质成熟度

下寒武统由于埋藏深度大、时间长, 盆地热演化程度普遍较高。构造位置不同、地温梯度的变化造成寒武系烃源岩热演化过程及现今成熟度差异明显。加里东期, 寒武系地温梯度达3.5 ℃/hm, 同时地层快速沉积, 盆地东部地区寒武系烃源岩快速深埋进入成熟-高成熟演化阶段, 坳陷深部地区可达过成熟演化阶段。西部寒武系烃源岩以碳酸盐岩为主, 相对泥岩生烃具有滞后性, 以成熟演化阶段为主。晚海西期, 隆起与斜坡区烃源岩进入大规模生油阶段, 坳陷区烃源岩持续深埋, 进入高-过成熟演化阶段。燕山期至喜山期, 东部坳陷区寒武系烃源岩达到过成熟阶段、以生干气为主, 盆地中西部的隆起及斜坡区寒武系烃源岩上覆地层沉积厚度迅速增大, 烃源岩成熟度进入高-过成熟演化阶段, 如坳陷东部的塔东1井和塔东2井成熟度最高, 均处于过成熟阶段,o值分别为2.45%～2.75%和2.67%～2.75%。西部的柯坪露头区肖尔布拉克剖面玉尔吐斯组o值为2.63%～2.85%, 星火1井下寒武统烃源岩o值为1.5%, 处于高-过成熟干气阶段。

2.4 生物标志物特征

下寒武统烃源岩坳陷东部与西部正构烷烃特征有所区别, 坳陷东部下寒武统烃源岩正构烷烃系列显示低碳数丰度占优势的前锋型分布型式, 富含姥鲛烷和植烷系列, 姥植比(Pr/Ph)比值多小于1.0。西部玉尔吐斯组烃源岩含有丰富的异构烷烃, 呈现出以后峰为主峰的后峰型双峰态分布型式, 并且含有丰富的姥鲛烷和植烷系列, 呈现出姥鲛烷对植烷均势或略具优势的分布特征(图4), Pr/Ph比值为1.05～ 1.24。

下寒武统烃源岩含有丰富的三环萜烷系列和一定量的四环萜烷。大多数寒武系烃源岩具有C21三环萜烷优势, C21/C23三环萜烷大于1.0, (C20+C21)/ (C23+C24)三环萜烷也大于1.0; 藿烷系列丰富, 包括C29～C35αβ藿烷系列, 以C30αβ藿烷系列为主峰。C27～C29规则甾烷呈现出C27≥C28＜C29型的“V”字型、“L”型或反“L”型分布。

图3 北部坳陷下寒武统烃源岩地球化学特征统计

图4 塔东2与星火1井下寒武统烃源岩饱和烃色谱图

2.5 微量元素及特殊生物标志物特征

古生产力水平和古氧化还原条件是控制古代海相沉积物中有机质保存的两个关键因素, 古生产力为海底沉积物中有机碳含量提供重要物质基础, 古氧化还原条件则是影响有机质保存的重要因素[20], 用多个微量元素来反映这两方面的因素要比用单一因素更加可靠[21]。本次研究通过系统测定什艾日克剖面样品微量元素值, 用元素Ba、Cu、Zn和Ni的质量百分分数化反映古生产力水平, 用元素U、V和Ni的质量百分分数变化反映古氧化条件。将这些微量元素与玉尔吐斯组TOC值进行比较(图5), 可以看出, TOC值与Ba、Cu等元素的质量百分分数变化具有非常好的相关性及对应性, 在有机质丰度高的玉尔吐斯组, 其Ni、Cu和Zn的含量也是急剧增加, 暗示曾有较高含量的有机质将其带到沉积物中或者具有较好的温度、光线和水深条件用以产生大量有机质, 在随后的还原条件下, 沉积物中的Ni、Cu和Zn被保存下来。另外, V/(V+Ni)、V/Cr这两个比值在玉尔吐斯组明显比上、下地层要高, 显示玉尔吐斯组沉积时期为缺氧的还原环境, 为有机质的保存提供了良好的条件。

芳基类异戊二烯烃是一类特殊的具有明确特定前身和生源的典型生物标志物, 来源于光合作用绿硫细菌, 通常用来反映强还原、中盐-高盐的水体环境[22], 代表了透光厌氧环境。什艾日克剖面下寒武统页岩芳基类异戊二烯烃/(芳基类异戊二烯烃+烷基甲苯)比值在0.75以上, 说明该化合物的含量较高, 反映了透光的水下还原环境, 水体深度有限, 生物比较繁盛; 而东部的库鲁克塔格露头下寒武统泥岩该项值仅为0.2左右, 说明芳基类异戊二烯烃含量低, 透光厌氧的环境持续时间短, 水体深度很快就发生了变化。

3 下寒武统烃源岩分布预测

北部坳陷下寒武统烃源岩分布广泛, 但由于埋藏较深, 仅坳陷周缘隆起部位钻遇, 坳陷中心还没有钻井直接钻遇, 以往坳陷中心烃源岩岩性、厚度和生烃指标研究也是通过各种方法预测得到, 目前来看, 用地震资料进行预测仍是缺乏钻井资料地区烃源岩预测的主要方法。由于该地区地表为沙漠所覆盖, 地表能量吸收强, 加上目的层埋藏深, 地震资料在寒武系的成像较差, 造成地层、构造解释误差大和多解性强等不足。为加强该区石油地质综合研究, 2017年塔里木油田组织了该区42条大剖面二维地震资料针对深部的重新处理, 新资料在深部无论是品质、分辨率还是信噪比都有了明显改进, 为下寒武统玉尔吐斯组泥岩的标定及精细解释打下了坚实的资料基础。

位于塔北隆起上的星火1井及塔东隆起上的塔东2井均钻遇了下寒武统泥质烃源岩, 且泥岩上、下都与灰岩-白云岩接触, 形成良好的波阻抗界面, 可以形成较强地震波反射。从地震标定来看, 泥岩底(寒武系底)为一套波峰强反射(TЄ, 寒武系底), 泥岩顶为一套波谷强反射(TЄ2, 中寒武统底), 这两套强反射波组连续性好, 可在整个北部坳陷进行连续对比、追踪(图6), 其间夹持的地层即为下寒武统泥岩。以高品质地震资料为基础, 用钻井资料进行标定, 加上精细的地震资料解释, 下寒武统泥岩的评价工作是比较可靠的。

图5 什艾日克剖面古生产力指标与TOC关系对比图1)王云鹏, 潘长春, 廖泽文, 田辉, 贾望鲁, 于双, 熊永强, 程斌, 周秦, 李腾飞, 邹艳荣, 塔里木盆地下寒武统烃源岩地球化学特征和生烃潜力评价, 塔里木油田内部资料, 2019。

通过骨架剖面的解释, 北部坳陷沉积结构非常清晰, 奥陶系-寒武系在坳陷内部沉积厚度大, 向塔北隆起、塔中隆起和塔东隆起逐渐超覆尖灭(图7), 反映了元古代末期北部坳陷周缘高、中间低的盆地构造格局基本定型, 周围隆起向坳陷内部提供物源, 自寒武纪早期开始填平补齐的沉积格局。

通过地震解释, 得到了下寒武统烃源岩厚度平面分布情况(图8)。从图上可以看出, 北部坳陷中心泥岩厚度最大, 向南北两个方向减薄、尖灭; 发育满西凹陷、满东凹陷两个大的沉积中心, 其中满西凹陷呈近圆形, 面积5.75×104km2, 东西长400 km, 南北宽160 km, 中心最大厚度达到200 m, 满东凹陷则大致呈EW向展布, 面积2.5×104km2, 东西长300 km,南北宽100 km, 中心最大厚度达到160 m。

根据下寒武统泥岩厚度, 结合各样品点的有机碳含量, 对整个北部坳陷下寒武统烃源岩有机碳含量进行了预测(图9)。与厚度发育特征相似, 有机碳含量在凹陷中心最高, 向周缘隆起逐渐降低, 且自北部坳陷西部向东部共有4个富集区。西面的富集区有机碳含量最高达到5.5%, 但是面积不大, 是一个小而肥的沉积区, 该区多个露头样品显示有机碳平均含量高于2.5%。满西凹陷与满东凹陷是主要沉积区, 面积大, 比较平缓, 有机碳含量在沉积中心最高达到4.5%。东部富集区呈条带状近EW向展布, 位于库鲁克塔格露头以南, 有机碳含量最高达到5.0%。

4 下寒武统生烃潜力分析

烃源岩的生烃强度是评价烃源岩生烃潜力的重要指标, 代表了烃源岩在单位面积上的生烃量, 另外, 烃源岩在不同地质历史时期的生烃量不同, 考虑到北部坳陷周缘主要成藏期为海西期, 利用“有机质质量平衡法”[23]原理, 用公式计算得到该区主要海西期生烃强度。计算公式如下:

图6 过星火1-塔东2井近SN向地震剖面解释图(位置见图1)

TE-古近系底; TK-白垩系底; TJ-侏罗系底; TT-三叠系底; TD-泥盆系底; TC-石炭系底; TS-志留系底; TO3s-奥陶系桑塔木组底; TO-奥陶系底; TЄ2-中寒武统底; TЄ-寒武系底。

图7 过塔中隆起北缘SN向地震剖面解释图(YL-16-NS20剖面, 位置见图1)

TO3s-奥陶系桑塔木组底; TO-奥陶系底; TЄ2-中寒武统底; TЄ-寒武系底。

图8 塔里木盆地北部坳陷下寒武统烃源岩厚度分布图

图9 塔里木盆地北部坳陷周缘下寒武统烃源岩TOC分布图

式中,为生烃强度;为烃源岩厚度;为烃源岩密度, 取值2.3 g/cm3;R为实测(残余)有机碳含量;H为有机碳含量换算成生油生成量的换算系数, 取值1.10;为有机碳降解率。值主要取决于有机质的热演化程度, 热演化程度越高,越大; 研究区下寒武统烃源岩有机质的热演化程度普遍高于1.6%, 有机碳降解率变化不大, 取固定值38.75%。

经过模拟计算, 得到了北部坳陷周缘下寒武统烃源岩生油强度平面变化情况(图10)。北部坳陷沉积中心生油强度最大可达500×104t/km2, 向周缘逐渐减小, 形成满西凹陷和满东凹陷两个主要生烃中心, 其中满西凹陷面积更大, 生油强度更大, 这与目前勘探发现的主要油气田分布于满西凹陷周缘相符合。

从总的生烃量来看, 满西凹陷海西期生油量可以达到502×108t, 再加上其他时期的生油量, 油气资源总量是十分巨大的, 而目前发现的油气储量主要集中在塔北、塔中地区碳酸盐岩储层中, 且仅占了很小一部分, 所以该地区碳酸盐岩及碎屑岩均具备较大的勘探潜力。

图10 塔里木盆地北部坳陷周缘下寒武统烃源岩海西期生油强度图

5 结 论

(1) 尽管塔里木盆地北部坳陷主力烃源岩的分布层位还存在争议, 但是越来越多的学者发现了下寒武统主力烃源岩的证据。

(2) 下寒武统在西部发育玉尔吐斯组泥岩, 在东部发育西大山和西山布拉克组泥岩, 两者在有机质丰度、有机质类型、有机质成熟度和生物标志物方面差异较明显, 但均具有较高的生烃潜力。尤其是玉尔吐斯组, 微量元素显示具有较高的有机质古生产力及强的还原环境, 这都为有机质的积累及保存奠定了良好的基础。

(3) 北部坳陷在元古代基本定型, 自寒武纪早期开始填平补齐接受沉积, 在地震剖面上可以识别出上超界面。通过地震解释, 刻画了下寒武统烃源岩的厚度及TOC分布特征, 并计算了生烃强度。该区生烃量大, 未来还有很大的勘探潜力。

本文在修改过程中得到了中国科学院广州地球化学研究所王云鹏研究员、潘长春研究员和廖泽文研究员的指导和帮助, 并引用了他们的古生产力指标相关图件, 在此一并表示感谢！另外, 由于作者水平有限, 文中可能存在不妥之处, 敬请读者批评指正。

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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

国家重点基础研究发展计划(2017YFC0603106)

范秋海(1979-), 男, 博士研究生, 主要从事油气成藏及石油地质综合研究工作。

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