貝爾凹陷南屯組鈣質(zhì)泥巖地質(zhì)成因及其石油地質(zhì)意義

陳方舉

（大慶油田有限責(zé)任公司 勘探開發(fā)研究院，黑龍江 大慶 163712）

0 引言

優(yōu)質(zhì)烴源巖的展布范圍與油氣藏的分布范圍具有較好的相關(guān)性，優(yōu)質(zhì)烴源巖控藏理論已經(jīng)成為石油地質(zhì)工作者開展油氣藏勘探的重要理論基礎(chǔ)[1－3].人們研究貝爾凹陷的烴源巖發(fā)育特征和分布范圍，認(rèn)為南屯組源巖有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好且已成熟，為主要生油巖，主要分布在貝西洼陷和貝中次凹[4]；早期伸展斷裂溝通油源并控制反向斷層遮擋圈閉，形成源內(nèi)及源外多種成藏模式[5－7]，較好地指導(dǎo)凹陷的早期資源評價(jià)和油氣勘探，發(fā)現(xiàn)多個(gè)含油氣構(gòu)造，其中蘇德爾特、霍多莫爾和呼和諾仁構(gòu)造為受優(yōu)質(zhì)烴源巖層控制的高產(chǎn)、高豐度油田.隨著勘探技術(shù)的提高和勘探成果的豐富，貝爾凹陷油氣探明儲(chǔ)量已達(dá)1.59億t，近幾年新發(fā)現(xiàn)油氣儲(chǔ)量約0.50億t，兩者總量已經(jīng)超出第三次評價(jià)資源量1.63億t，違背發(fā)現(xiàn)量應(yīng)小于資源量的地質(zhì)學(xué)理論，需要重新評價(jià)該地區(qū)的資源規(guī)模和勘探前景.

貝爾凹陷優(yōu)質(zhì)烴源巖位于南屯組下部，為灰黑色鈣質(zhì)泥巖層，局部地區(qū)夾雜油頁巖和泥灰?guī)r.針對鈣質(zhì)層的分布及成因機(jī)理，O＇Brien G W等[8]認(rèn)為鈣質(zhì)層成因與烴類相關(guān)的成巖作用帶（HRDZs）有關(guān)；Ezat H等[9]、鐘大康[10]等認(rèn)為砂巖頂?shù)着c泥巖接觸的界面上存在鈣質(zhì)膠結(jié)現(xiàn)象.這些研究主要針對的是鈣質(zhì)儲(chǔ)層，而對鈣質(zhì)泥巖的研究相對較少.

通過井震精細(xì)對比及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，探討南屯組鈣質(zhì)泥巖層的“三高一低”識別特征；根據(jù)沉積水體、生物組成、氣候和氧化—還原環(huán)境分析地質(zhì)環(huán)境、生烴條件，確定南屯組鈣質(zhì)泥巖層與上下儲(chǔ)層形成最有利的成藏組合，有效地指導(dǎo)貝爾凹陷的精細(xì)勘探.

1 地質(zhì)概況

貝爾凹陷位于海拉爾盆地中部斷陷帶的南部，北接烏爾遜凹陷烏南次凹，南部與蒙古國塔木察格盆地南貝爾凹陷相連，向西超覆在嵯崗隆起上，為典型的復(fù)式箕狀斷陷，面積為3.01×103km2，是盆地最大的二級構(gòu)造單元.根據(jù)凹陷的構(gòu)造特征，凹陷主體可以劃分為“三凹兩隆一斜”，“三凹”為貝西次凹、貝中次凹和貝東次凹，“兩隆”為中部隆起帶（霍多莫爾、蘇德爾特及塔拉汗構(gòu)造帶）和布勒洪布斯隆起帶，“一斜”為貝西斜坡（見圖1）.

圖1 海拉爾盆地貝爾凹陷地質(zhì)特征Fig.1 Geological characteristics of Bei＇er sag in Hailaer basin

貝爾凹陷經(jīng)歷三期構(gòu)造演化，為早期斷陷、后期坳陷的復(fù)合型盆地，形成斷陷（銅缽廟組、南屯組）、斷—坳轉(zhuǎn)化（大磨拐河組、伊敏組）和坳陷（青元崗組）3套構(gòu)造層，其中斷陷期沉積的南屯組為主要勘探層系，已發(fā)現(xiàn)的絕大部分儲(chǔ)量賦存于該地層（見圖1（a））.

貝爾凹陷南屯組形成于斷陷強(qiáng)烈拉張發(fā)育期，沉積分布范圍較廣的暗色泥巖累計(jì)厚度較大，在150～500m之間.鈣質(zhì)泥巖層在南屯組下部發(fā)育（見圖1（b）），是在裂陷早期湖盆強(qiáng)烈擴(kuò)張期深水強(qiáng)還原環(huán)境下沉積的相對穩(wěn)定的一套暗色泥巖.

2 鈣質(zhì)泥巖層發(fā)育特征

2.1 巖性特征

鈣質(zhì)泥巖層巖性主要為黑色泥巖，局部夾雜泥灰?guī)r、油頁巖的薄互層，單層泥巖厚度在0.15～0.50m之間；普遍發(fā)育脆性裂縫，裂縫含油，呈油浸或油斑狀，裂縫充填方解石脈；孔隙除了少部分泥質(zhì)雜基充填外，主要為碳酸鹽礦物膠結(jié)，以鐵方解石為主，部分為泥、粉晶白云石，個(gè)別為含鈣較高的生物碎屑，碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，滴酸起泡.實(shí)驗(yàn)室薄片鑒定分析結(jié)果顯示該層屬泥狀結(jié)構(gòu)，見少量粉砂級碎屑，呈定向分布，粒度較細(xì)，無法辨別巖塊成分；見少量火山灰與泥質(zhì)混雜；部分碎屑顆粒全部被碳酸鹽交代呈現(xiàn)假象[11]；巖石中分布介屑碎片，質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為8%，呈定向排列；泥質(zhì)中混雜微晶碳酸鹽.

碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)分析結(jié)果表明，普通泥巖碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2%～5.1%之間，平均為1.4%；砂巖碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.2%～2.9%之間，平均為0.5%；鈣質(zhì)泥巖層碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)在1.3%～20.3%之間，平均為9.8%，約為普通泥巖的7倍、砂巖的20倍.

2.2 電性特征

由于巖性復(fù)雜，鈣質(zhì)泥巖層與油頁巖、泥灰?guī)r段巖石成分及結(jié)構(gòu)差距大，測井曲線齒化均勻，與常規(guī)泥巖的較平直的電測特征區(qū)分明顯.鈣質(zhì)泥巖層為細(xì)粒沉積，比表面積大，吸附性強(qiáng)，巖石放射性元素含量高，自然伽馬一般在70～197API之間，平均為135API，區(qū)域上為高自然伽馬特征.鈣質(zhì)泥巖層位于南屯組下部，埋藏深度一般大于1 800m，泥巖成熟并已經(jīng)生排烴，巖石內(nèi)部孔隙被烴類充注，造成高電阻特征，深側(cè)向電阻率在5.0～110.0Ω·m之間，平均為15.0Ω·m，較縱向其他泥巖段（深側(cè)向電阻率在3.0～5.0Ω·m之間）的平均高3～5倍；有機(jī)質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，巖石結(jié)構(gòu)疏松，傳遞聲波能力較差，聲波時(shí)差在80～132μs／ft之間，平均為95μs／ft，較縱向其他泥巖段（聲波時(shí)差數(shù)在70～90μs／ft之間）的高；巖石富含藻類，有機(jī)質(zhì)密度在1.03～1.10g／cm3之間，巖石骨架密度在2.30～3.10g／cm3之間，因此鈣質(zhì)泥巖層巖石整體密度降低，在2.35～2.45g／cm3之間，常規(guī)泥巖段巖石密度在2.40～2.60g／cm3之間（見圖2）.

圖2 貝爾凹陷B70井鈣質(zhì)泥巖層識別特征Fig.2 Identification diagram of calcareous mudstone strata of B70well in Bei＇er sag

鈣質(zhì)泥巖層具有“三高一低”的電性特征（高自然伽馬、高電阻率、高聲波時(shí)差、低密度），測井曲線呈正旋回，表現(xiàn)為與上覆反旋回的突變接觸，易于識別和標(biāo)定.地震同向軸呈中高頻、中強(qiáng)反射、中等—好連續(xù)性的反射特征；該層上下發(fā)育的厚層暗色泥巖表現(xiàn)為低頻、中弱反射、連續(xù)性較差的特征.

2.3 厚度及分布特征

鈣質(zhì)泥巖層主要發(fā)育在南屯組下部水進(jìn)體系域，沉積厚度一般在30～50m之間，單井最厚可達(dá)80 m，約占南屯組暗色泥巖總厚度的15%.平面上該層在全區(qū)有分布，厚度及規(guī)模展布具有一定規(guī)律性，主要集中在貝西次凹的中部和南部、蘇德爾特—霍多莫爾構(gòu)造帶的鞍部地區(qū)、貝中次凹及貝東次凹，在貝東北次凹?xì)埩舻耐莶廴阂舶l(fā)現(xiàn)一定規(guī)模及分布，與已發(fā)現(xiàn)的油氣藏形成良好的匹配（見圖3）.

圖3 貝爾凹陷南屯組鈣質(zhì)泥巖層與油藏分布疊合Fig.3 Composite map of calcareous mudstone strata and oil reservoirs in Bei＇er sag

3 地質(zhì)成因

貝爾凹陷鈣質(zhì)泥巖區(qū)別于普通泥巖的標(biāo)志主要為有機(jī)質(zhì)的高豐度和鈣質(zhì)的高質(zhì)量分?jǐn)?shù)，其中有機(jī)質(zhì)的高豐度取決于有機(jī)質(zhì)的高產(chǎn)出及保存埋藏，鈣質(zhì)的高質(zhì)量分?jǐn)?shù)受控于古沉積環(huán)境.有機(jī)質(zhì)的分布、數(shù)量和質(zhì)量，特別是生物標(biāo)志化合物的組成與分布，與沉積水體深度和鹽度、水生或陸源生物加入、區(qū)域氣候條件、沉積體氧化—還原環(huán)境等因素密切相關(guān)[12－13].

3.1 沉積水體

貝爾凹陷南屯組形成于斷陷強(qiáng)烈拉張發(fā)育期，盆地快速沉降，沉積水體加深（古沉積水體恢復(fù)在100～300m之間），湖面相對上升，可容空間急劇增大，物源供給遠(yuǎn)小于盆地的沉積容納量，且主要分布在盆地的邊緣，在盆地沉降中心造成欠補(bǔ)償饑餓沉積.南屯組下部湖侵體系域形成的鈣質(zhì)泥巖 “凝縮層”沉積速度慢、范圍廣且穩(wěn)定，富含有機(jī)質(zhì)及介殼等生物化石，有利于有機(jī)質(zhì)的形成和保存，是形成優(yōu)質(zhì)烴源巖的關(guān)鍵.

咸化湖盆的優(yōu)質(zhì)烴源巖常與深水—較深水相的碳酸鹽、硫酸鹽和氯化鹽沉積共存、分布一致[14].南屯組鈣質(zhì)泥巖色譜質(zhì)譜圖含有β－胡蘿卜烷，證實(shí)為微咸水湖盆.鈣質(zhì)泥巖生油母質(zhì)以腐泥型和腐殖—腐泥型為主，有機(jī)質(zhì)干酪根以Ⅰ和Ⅱ1型為主，證明水生微生物及藻類發(fā)育.這與湖盆咸化后藻類等生物的勃發(fā)吻合，同時(shí)還誘發(fā)鈣質(zhì)紋層泥巖的廣泛沉積，大量藻類沉積后在深水微生物降解下形成無定形有機(jī)質(zhì)紋層.

3.2 生物組成

透射光—熒光干酪根顯微組分鑒定分析發(fā)現(xiàn)，鈣質(zhì)泥巖層中有機(jī)質(zhì)層狀富集，主要為層狀藻，腐泥無定形（達(dá)到280以上），含有少量的無結(jié)構(gòu)鏡質(zhì)體及惰質(zhì)組絲質(zhì)體.該層有機(jī)質(zhì)主要來源于低等水生生物、水生微生物及藻類，如介形類、腹足類、溝鞭藻和層狀藻等.

3.3 區(qū)域氣候

南屯組早期是海拉爾盆地火山活動(dòng)頻繁期，氣溫升高，湖平面上升，加速水侵體系域的發(fā)育.火山灰為藻類等生物提供多種生長所需的元素，具有“施肥”或者“加營養(yǎng)”的效應(yīng)，促使藻類勃發(fā)瘋長[15].火山灰的加入也增高水體的鹽度，導(dǎo)致水體分層和底部還原環(huán)境的形成，增加鈣等元素含量.

鈣質(zhì)泥巖、泥灰?guī)r及油頁巖的集中出現(xiàn)代表全球性的缺氧事件.海拉爾盆地缺氧事件形成的鈣質(zhì)泥巖層可與別里亞斯和凡蘭今期的缺氧事件沉積層進(jìn)行對比[16]，把海拉爾盆地與整個(gè)東北亞地區(qū)白堊系斷陷盆地（如銀額盆地、二連盆地）有機(jī)地聯(lián)系起來，形成區(qū)域上統(tǒng)一的認(rèn)識.

3.4 氧化—還原環(huán)境

色譜質(zhì)譜圖分析表明，鈣質(zhì)泥巖層含有三降藿烷、甾烷及β－胡蘿卜烷，證實(shí)水體為微咸水強(qiáng)還原、厭氧沉積環(huán)境[17].飽和烴氣相色譜分析表明，鈣質(zhì)泥巖Pr／Ph（姥鮫烷與植烷的比值）主要分布在0.65～0.91之間，為深水還原環(huán)境.萜烷色譜質(zhì)譜圖（M／Z＝191）上Ts相對豐度明顯高于Tm相對豐度，且發(fā)現(xiàn)伽馬蠟烷，反映還原環(huán)境（見圖4（a））；TIC總離子流圖（質(zhì)核比M／Z＝125）呈前鋒型，含有一定量的β－胡蘿卜烷，證實(shí)生油巖母質(zhì)主要來源于藻類和微生物（見圖4（b））.甾烷色譜圖分析表明，鈣質(zhì)泥巖層含有呈不對稱的倒“V”字型分布的孕甾烷和重排甾烷，為咸化環(huán)境（見圖4（c））.

圖4 貝爾凹陷鈣質(zhì)泥巖層色譜—質(zhì)譜Fig.4 Chromatogram and mass－spectrogram maps of calcareous mudstone strata in Bei＇er sag

貝爾凹陷斷陷期早期，咸化湖泊深水廣闊湖盆分布，縱向水體分層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，有機(jī)質(zhì)沉積和保存環(huán)境最佳.鈣質(zhì)泥巖層屬于沉積密集段，發(fā)育水平層理，偶見黃鐵礦結(jié)核及魚骨化石.玻片顯微鏡下鑒定發(fā)現(xiàn)，含有大量的介形蟲、生物介殼及藻類化石，膠結(jié)物為泥晶方解石，質(zhì)量分?jǐn)?shù)在5.0%～20.0%之間，為穩(wěn)定的深水還原環(huán)境.因此，貝爾凹陷南屯組鈣質(zhì)泥巖形成于水體分層明顯、藻類生長豐富、微生物發(fā)育、沉積緩慢且水體開闊的微咸水湖相環(huán)境.

4 石油地質(zhì)意義

4.1 優(yōu)質(zhì)烴源巖層

鈣質(zhì)泥巖層是貝爾凹陷的優(yōu)質(zhì)烴源巖層，與普通烴源巖（層）相比，有機(jī)質(zhì)的豐度高，類型好，為Ⅱ1—Ⅰ型（見圖5（a））.盧雙舫等在研究海拉爾盆地優(yōu)質(zhì)烴源巖評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，推薦將TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.0%作為優(yōu)質(zhì)油源巖的下限標(biāo)準(zhǔn)[18]，貝爾凹陷鈣質(zhì)泥巖層樣品的平均TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于2.0%（見表1）.

圖5 貝爾凹陷鈣質(zhì)泥巖層與普通泥巖層有機(jī)質(zhì)類型和生烴潛力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 貝爾凹陷鈣質(zhì)泥巖層與普通泥巖層生烴指標(biāo)Table 1 Comparison of hydrocarbon index between calcareous mudstone strata and ordinary mudstone in Bei＇er sag

根據(jù)貝爾凹陷貝西次凹不同泥巖有機(jī)質(zhì)豐度統(tǒng)計(jì)結(jié)果，南屯組鈣質(zhì)泥巖層的有機(jī)質(zhì)干酪根類型、有機(jī)碳和生烴潛量等生烴指標(biāo)分?jǐn)?shù)均好于普通泥巖層的，而氫指數(shù)、降解潛力、排烴因數(shù)和聚集因數(shù)為普通泥巖層的1.5倍以上（見表2）.根據(jù)兩者生烴指標(biāo)對比關(guān)系，若將前三項(xiàng)指標(biāo)之一與排烴、聚集因數(shù)的乘積作為生烴潛力比值，鈣質(zhì)泥巖層的生烴潛力將達(dá)到普通泥巖層的6倍以上（見圖5（b）和表2）.

表2 貝爾凹陷生烴次凹鈣質(zhì)泥巖層與普通泥巖層生烴潛力比值Table 2 Ratio tables for hydrocarbon potential between calcareous mudstone strata and ordinary mudstone of three secondary sags in Bei＇er sag

油源對比結(jié)果表明，貝爾凹陷原油屬于成熟原油，與南屯組鈣質(zhì)泥巖層（w（TOC）＞2.0%）的樣品最為接近，表現(xiàn)出較好的親緣關(guān)系（見圖5（c））.該段烴源巖排烴效率高，是普通泥巖層的4～6倍.應(yīng)用氯仿瀝青“A”法重新計(jì)算貝爾凹陷貝西次凹的資源量，結(jié)果為2.136 8億t，較鈣質(zhì)泥巖發(fā)現(xiàn)前的資源量多1.100 0億t，其中鈣質(zhì)泥巖層資源量最大，生烴量占南屯組生烴總量的40%，達(dá)到0.890 0億t，是其他細(xì)分層單元的3～8倍（見表3）.

4.2 最有利成藏組合

貝爾凹陷成熟烴源巖的展布控制油藏的分布范圍[19]，由于油藏類型多樣、分布層位廣泛，在基巖、南屯組和大磨拐河組發(fā)現(xiàn)油氣流，各層油藏成因不同、規(guī)模各異，明確最有利成藏組合是勘探的最大目標(biāo).根據(jù)沉積旋回、巖性和電性等特征將南屯組縱向細(xì)分為8個(gè)地層單元（相當(dāng)于百米級的沉積旋回），該層與上下儲(chǔ)層形成最有利的成藏組合.

南屯組鈣質(zhì)泥巖與上覆南1—1、南1—2形成上部成藏組合，與南1—3、南1—4形成中部成藏組合，與下伏南1—6形成下部成藏組合.在下部成藏組合中，鈣質(zhì)泥巖為優(yōu)質(zhì)烴源巖及局部蓋層；在中、上部成藏組合中，鈣質(zhì)泥巖為主要的烴源巖.南屯組鈣質(zhì)泥巖層上、下儲(chǔ)層油氣最富集，中、下部成藏組合已發(fā)現(xiàn)產(chǎn)油井（見圖6（a））及儲(chǔ)量（見圖6（b））占貝爾凹陷總量的67%，是最主要的勘探目的層.鈣質(zhì)泥巖層的發(fā)現(xiàn)明確油氣最為富集層段，該層上下自生自儲(chǔ)是油氣聚集成藏的最主要形式.

表3 貝西次凹應(yīng)用氯仿瀝青“A”法計(jì)算資源量Table 3 The amount of resources using chloroform asphalt"A"method in Beixi subsag

圖6 貝爾凹陷縱向油氣分布統(tǒng)計(jì)Fig.6 Statistical chart of oil and gas longitudinal distribution in Bei＇er sag

近30年來，霍多莫爾構(gòu)造帶勘探屢獲油氣顯示，但始終未獲規(guī)模油氣儲(chǔ)量.根據(jù)鈣質(zhì)泥巖層優(yōu)質(zhì)烴源巖理論，分析該區(qū)的生烴條件，發(fā)現(xiàn)存在優(yōu)質(zhì)烴源巖且進(jìn)入大量生排烴期.這證明霍多莫爾構(gòu)造帶后期改造形成有利部位殘留南屯組，具有形成中、下部成藏組合的有利條件，改變構(gòu)造帶為水上凸起而致使南屯組缺失的認(rèn)識，終獲高產(chǎn)工業(yè)油流（H3－6井日產(chǎn)量為382t），實(shí)現(xiàn)勘探重大突破.

4.3 其他凹陷借鑒意義

海拉爾盆地是典型的陸相斷陷盆地，具有短物源、近物源的沉積特點(diǎn)，地層橫向變化快，并且經(jīng)歷多期構(gòu)造改造，地層對比困難.在烏爾遜凹陷和呼和湖凹陷發(fā)現(xiàn)該套優(yōu)質(zhì)烴源巖[20]，發(fā)育特征相似，能夠準(zhǔn)確識別，可以作為盆地級地層對比及資源評價(jià)的依據(jù)（見圖7）.

根據(jù)貝西斜坡帶鈣質(zhì)泥巖層的展布范圍，斜坡帶優(yōu)質(zhì)烴源巖控油作用非常明顯，位于源巖附近的井顯示較好，遠(yuǎn)離源巖的井顯示較差.貝西斜坡帶已發(fā)現(xiàn)油藏，具有優(yōu)質(zhì)烴源巖控油、扇三角洲前緣相帶控儲(chǔ)、反向斷層控制構(gòu)造高點(diǎn)控藏的特點(diǎn)，能夠指導(dǎo)斜坡帶勘探.鈣質(zhì)泥巖層的識別與應(yīng)用在貝爾凹陷取得較好的效果，為海拉爾盆地巴彥呼舒和呼和湖等斷陷的油氣勘探提供新認(rèn)識.

圖7 海拉爾盆地鈣質(zhì)泥巖層Fig.7 Analysis diagram of calcareous mudstone strata in Hailaer basin

5 結(jié)論

（1）貝爾凹陷鈣質(zhì)泥巖在測井曲線上表現(xiàn)為高自然伽馬、高電阻率、高聲波時(shí)差和低密度的“三高一低”電性響應(yīng)；地震同相軸為中高頻、連續(xù)強(qiáng)反射；富含藻類、介形蟲等生物化石，碳酸鹽質(zhì)量分?jǐn)?shù)高，滴酸起泡，為密集段沉積.

（2）鈣質(zhì)泥巖形成于水體分層明顯、藻類生長豐富、微生物發(fā)育、沉積緩慢且水體開闊的微咸水湖相環(huán)境；累計(jì)厚度在30～50m之間，主要分布在貝西次凹、蘇德爾特—霍多莫爾構(gòu)造帶鞍部、貝中次凹、貝東次凹和貝東北次凹.

（3）鈣質(zhì)泥巖層生烴指標(biāo)優(yōu)越，有機(jī)質(zhì)干酪根以Ⅰ和Ⅱ1型為主，有機(jī)質(zhì)豐度高，是凹陷最優(yōu)質(zhì)的烴源巖層.生烴潛力是普通泥巖層的6倍以上，資源量占南屯組總資源量的40%，其中南屯組中、下部自生自儲(chǔ)油藏油氣最富集，是勘探重點(diǎn)目的層.

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