塔里木盆地北部坳陷寒武系烴源巖特征及熱演化史模擬

李飛龍　楊圣

摘? 要：寒武系烴源巖是塔里木盆地北部地區(qū)海相油氣最為主要的來源，長期以來—對這套烴源巖發(fā)育特征研究多停留在全盆地或單一區(qū)塊分析，給油田資源評價(jià)帶來了諸多不確定性。利用野外露頭和新井鉆探取心，在分析寒武紀(jì)沉積環(huán)境及構(gòu)造格局基礎(chǔ)上，總結(jié)北部凹陷寒武系烴源巖的發(fā)育及分布特征，對所采樣品選取多參數(shù)進(jìn)行評價(jià)，然后通過盆地模擬軟件模擬寒武系烴源巖熱演化史。樣品分析結(jié)果表明，北部凹陷寒武系烴源巖厚度為160 ～280 m，有機(jī)碳含量均值為2.10%、鏡質(zhì)體反射率均值為2.09%。熱史模擬結(jié)果表明，塔里木盆地北部凹陷寒武系烴源巖，自加里東中期進(jìn)入成熟階段，加里東晚期—海西早期處于生油高峰期，海西中期達(dá)到過成熟階段，海西晚期之后源巖逐步失去生烴能力，至燕山期全部停止生烴。

關(guān)鍵詞：塔里木盆地;北部坳陷;寒武系;烴源巖

塔里木盆地是我國海相烴源巖較為發(fā)育的盆地之一，隨著塔河油田及塔中油田的發(fā)現(xiàn)，探明儲量不斷增加，原油產(chǎn)量也持續(xù)提高，表明北部地區(qū)一定存在優(yōu)質(zhì)海相烴源巖。朱傳玲等發(fā)現(xiàn)塔里木盆地寒武系烴源巖埋深大[1]，僅滿加爾坳陷周緣塔東1、塔東2、庫南1井及星火1井等少量鉆井揭示，這對系統(tǒng)研究烴源巖的特征帶來一定困難。趙孟軍、紀(jì)紅等認(rèn)為寒武系烴源巖在整個(gè)塔里木盆地都有分布[2-3]，可作為主力烴源巖來對待;張慶玉認(rèn)為寒武系烴源巖只發(fā)育在盆地東部滿加爾凹陷和西部阿瓦提斷陷[4]。在塔里木盆地臺盆區(qū)原油主要來源問題上，金之鈞、王毅等認(rèn)為早期成藏的寒武系烴源巖是主要貢獻(xiàn)者[5-6];鮑典、張朝軍等則強(qiáng)調(diào)臺盆區(qū)海相原油的主要來源是奧陶系烴源巖的晚期貢獻(xiàn) [7-8]。因這些優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育特征直接影響了塔里木盆地西部和南部地區(qū)勘探工作的推進(jìn)。本文基于上述研究，通過對樣品的測試分析和軟件的熱史模擬，對盆地北部凹陷寒武系烴源巖發(fā)育及分布特征進(jìn)行研究，旨在明確各時(shí)期烴源巖所處演化程度。

1? 地質(zhì)概況

早古生代時(shí)期，寒武—奧陶紀(jì)盆地南部處在大洋環(huán)境，格局呈南北分異演化，盆地歷經(jīng)多期構(gòu)造運(yùn)動改造，其中加里東中期、海西早期及海西晚期影響顯著[9]。加里東中期中昆侖地塊與塔里木地塊碰撞，塔里木盆地北部由拉張轉(zhuǎn)變?yōu)閿D壓環(huán)境，塔中、塔北等隆起基本定型[10，11]。其中塔北地區(qū)表現(xiàn)為以輪臺古隆起為區(qū)域高背景斜坡區(qū)，塔中地區(qū)東部大幅度抬升剝蝕，形成向西散開的“帚狀”，中上奧陶統(tǒng)遭受大面積風(fēng)化剝蝕，巖溶作用明顯[12，13]。海西早期南天山洋向北俯沖，塔中、滿加爾凹陷北緣、塔北等地區(qū)志留系大量剝蝕，塔北地區(qū)繼續(xù)隆升。海西晚期古特提斯洋板塊向塔里木板塊俯沖，塔南、塔中局部逆沖推覆，形成背斜、斷背斜等構(gòu)造圈閉。

根據(jù)地震資料與鉆探取心資料揭示，塔里木盆地北部坳陷自東向西（由滿加爾-阿瓦提）沉積相帶表現(xiàn)為深海-半深海盆地相、斜坡陸棚相、局限臺地相的變化[14-15]。深海-半深海盆地相出現(xiàn)在滿加爾凹陷東部，巖性組合為黑色泥巖、硅質(zhì)粉晶白云巖夾深灰色細(xì)砂巖，其中黑色泥巖為品質(zhì)較好的烴源巖，對應(yīng)早寒武世海侵，與下伏震旦系呈假整合接觸[16]。斜坡陸棚相位于塔河1井至滿參1井一線，當(dāng)前缺乏鉆井取心資料，據(jù)地震資料，推測巖性為深灰色泥微晶灰?guī)r、砂屑灰?guī)r與黑色泥巖互層。局限臺地相位于北部坳陷中、西部地區(qū)，早期主要為深淺海陸棚相的薄層灰?guī)r、黑色泥巖與硅質(zhì)巖，以及亞淺海孤立臺地相白云巖;晚期海水逐漸變淺，形成廣闊的碳酸鹽巖臺地，以泥微晶灰?guī)r、砂屑灰?guī)r及白云巖為主（圖1-a，b）。

2? 寒武系烴源巖分布及特征

2.1? 寒武系烴源巖分布

塔里木盆地北部坳陷地區(qū)寒武系自下而上主要發(fā)育玉爾吐斯組、西大山組、莫合爾山組等烴源巖。源巖按照沉積時(shí)的相帶特征分為2種類型：一是陸棚-斜坡、盆地相泥質(zhì)巖，主要分布在盆地東部，滿加爾坳陷區(qū)周緣的庫南1、塔東1、塔東2、尉犁1等井鉆井有揭示;二是局限臺地相碳酸鹽巖，主要分布在盆地中、西部，阿瓦提凹陷南緣，和4、方1井鉆井有揭示。

古城墟隆起塔東1井揭示，寒武系烴源巖上部為厚層深灰色含泥質(zhì)泥晶灰?guī)r[17]，對應(yīng)斜坡相，厚度在80 m以上;中部為厚層灰黑色泥灰?guī)r夾同色泥巖，對應(yīng)深水陸棚相;下部為巨厚層黑色硅質(zhì)泥巖，對應(yīng)欠補(bǔ)償盆地相，中、下部烴源巖厚度約145 m。塔東2井揭示，寒武系烴源巖上部為瘤狀泥質(zhì)灰?guī)r，對應(yīng)斜坡相，厚度約70 m;中部為灰黑色泥灰?guī)r夾泥巖，對應(yīng)深水陸棚相[18];下部為富含C，Si，P的灰質(zhì)或白云質(zhì)泥頁巖，對應(yīng)欠補(bǔ)償盆地相，中、下部烴源巖厚度約為130 m?？兹负有逼挛纠?井揭示，寒武系烴源巖上部為灰色泥質(zhì)灰?guī)r，對應(yīng)欠補(bǔ)償盆地相，厚度約45 m;中、下部烴源巖巖性組合為硅質(zhì)泥巖、灰質(zhì)泥巖、頁巖夾薄層狀泥質(zhì)泥晶灰?guī)r，對應(yīng)欠補(bǔ)償盆地相，厚度約235 m。庫南1井揭示，寒武系烴源巖上部為薄層狀泥質(zhì)泥晶灰?guī)r，對應(yīng)斜坡相，厚度約98 m;下寒武統(tǒng)為灰黑-灰色灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)泥晶灰?guī)r夾薄層泥巖，對應(yīng)欠補(bǔ)償盆地相，厚度約90 m[1]。阿瓦提坳陷南緣和4井、方1井揭示，寒武系中—底部烴源巖發(fā)育，巖性組合為深灰色-灰色云巖、泥晶云巖、灰色泥巖，對應(yīng)碳酸鹽巖局限臺地相，厚度約為160 m;上部烴源巖不發(fā)育，鉆井無揭示。統(tǒng)計(jì)滿加爾凹陷周緣和阿瓦提凹陷南緣烴源巖厚度發(fā)現(xiàn)，盆地北部凹陷區(qū)源巖厚度自東向西有減薄趨勢（圖1-b）。

2.2? 寒武系烴源巖特征

對各井采集到的59個(gè)寒武系烴源巖樣品進(jìn)行系統(tǒng)的有機(jī)巖石學(xué)和有機(jī)地球化學(xué)分析，從烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)類型以及有機(jī)質(zhì)成熟度3個(gè)方面對烴源巖特征進(jìn)行研究，具體過程及結(jié)果如下。

2.2.1? 有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)豐度是保證油氣產(chǎn)生的物質(zhì)基礎(chǔ)，是評價(jià)烴源巖最為基本的參數(shù)。選取總有機(jī)碳含量（TOC）、氯仿瀝青“A”含量和生烴潛力（S1+S2）這3個(gè)參數(shù)對塔里木盆地北部凹陷寒武系烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度進(jìn)行定性及半定量分析。

滿加爾凹陷周緣塔東1井TOC為0.34%～6.85%，均值超過3.5%;塔東2井有機(jī)碳含量為0.95%～7.65%，均值3.72%;尉犁1井TOC為0.55%～2.36%，均值1.80%;庫南1井TOC為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）。對采集樣品的深度進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，寒武系下部烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高，垂向上具有上低下高的特征，從有機(jī)質(zhì)豐度來看，滿加爾凹陷東部烴源巖質(zhì)量最優(yōu)。

對樣品進(jìn)行可溶有機(jī)質(zhì)的抽提檢測結(jié)果顯示，氯仿瀝青“A”含量分布于45×10-6～350×10-6? mg/g，一般不超過200×10-6? mg/g，整體來說含量都不高。北部凹陷寒武系烴源巖有機(jī)碳含量平均值大于1.05%，但是現(xiàn)今殘余有機(jī)質(zhì)量卻很少，推測可能原因是源巖演化程度較高導(dǎo)致。對方1井所采樣品進(jìn)行熱解分析測試顯示，S1+S2為0.08～0.45 mg/g，樣品生烴潛力非常低，生烴潛力指數(shù)值不足0.5 mg/g，說明烴源巖經(jīng)歷了較為徹底的熱演化。

2.2.2? 有機(jī)質(zhì)類型

研究區(qū)寒武系烴源巖沉積環(huán)境主要分為兩類，一是臺地相;二是斜坡-陸棚、盆地相。按照沉積相帶分類，主要有機(jī)質(zhì)來源為浮游植物、浮游動物及其他微生物，若按干酪根分類標(biāo)準(zhǔn)，屬于Ⅰ型和Ⅱ型原始有機(jī)質(zhì)。阿瓦提凹陷南緣和4井5 650～5 931 m所采樣品做干酪根檢測結(jié)果顯示：來源不明的管狀體質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18%;與大型藻類相關(guān)的長孢子，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為17%;游離藻孢囊的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為12%，總的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為47%，烴源巖有機(jī)質(zhì)類為I型。所有60件樣品的干酪根顯微組分研究表明，鏡下有機(jī)質(zhì)多為無定形，可見一些藻類生物碎片，紫外光激發(fā)下有黃綠色、藍(lán)綠色熒光，恢復(fù)結(jié)果揭示原始生烴母質(zhì)是以藍(lán)綠藻為主的浮游藻類，有機(jī)質(zhì)類型為I型，2種方法所得結(jié)果一致。

2.2.3? 有機(jī)質(zhì)成熟度

確定烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度的方法主要包括有機(jī)巖石學(xué)、有機(jī)地球化學(xué)、礦物學(xué)和從埋藏史-熱歷史計(jì)算4個(gè)方面[19]。參照前人研究思路，將寒武系烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度研究分為兩個(gè)步驟：①將有機(jī)組分（如大型藻類）反射率換算為等效鏡質(zhì)體反射率，用以定量表征烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度;②利用干酪根H/C原子比劃分有機(jī)質(zhì)演化階段。實(shí)驗(yàn)過程中，對TOC過低的樣品未進(jìn)行有機(jī)組分反射率測試，最終獲得45塊樣品有效測試數(shù)據(jù)（表2）。

由表2可知，臺盆區(qū)東部的塔東1井和塔東2井寒武系成熟度最高，均達(dá)到過成熟階段，剩余的庫南1、尉犁1、方1井以及和4井成熟度相對較低，處于高成熟階段;滿加爾凹陷北緣的庫南1井寒武系成熟度明顯低于滿加爾凹陷南緣的塔東1井和塔東2井。從目前探井和露頭區(qū)樣品有機(jī)組分反射率分析數(shù)據(jù)來看，塔里木盆地寒武系源巖均處于高過成熟階段，尚未發(fā)現(xiàn)仍處于生油階段的寒武系成熟源巖。目前鉆揭寒武系探井多位于隆起帶，預(yù)測在埋藏更深的坳陷區(qū)和斜坡帶寒武系烴源巖有機(jī)質(zhì)成熟度更高。

塔東1井、塔東2井，庫南1井、尉犁1井、方1井以及和4井30個(gè)干酪根樣品分析測試表明，總體上呈現(xiàn)有機(jī)質(zhì)成熟度增加，干酪根H/C原子比降低。庫南1井和尉犁1井寒武系烴源巖樣品H/C原子比大于0.5，塔東1井和塔東2井寒武系烴源巖樣品H/C原子比為0.1～0.25，說明孔雀河斜坡有機(jī)質(zhì)成熟度明顯低于古城墟隆起有機(jī)質(zhì)成熟度，這與有機(jī)組分換算出的鏡質(zhì)體反射率完全一致?？兹负有逼潞凸懦切媛∑痃R質(zhì)體反射率為1.73%～2.95%，推測滿加爾凹陷，鏡質(zhì)體反射率在3.0%以上，凹陷腹地可達(dá)4.0%。阿瓦提凹陷南緣鏡質(zhì)體反射率為1.39%～1.90%，推測阿瓦提凹陷，鏡質(zhì)體反射率約為2.5%（圖2）。

3? 烴源巖熱演化模擬

3.1? 模擬參數(shù)分析

熱史模擬的目的在于恢復(fù)盆地基底之上沉積蓋層的受熱歷史，或者說就是要解決在各個(gè)地質(zhì)時(shí)期各烴源層的溫度及成熟度，確定受熱史的關(guān)鍵是恢復(fù)熱流或地溫梯度在三維空間上隨時(shí)間的變化規(guī)律。一般通過古水深、古地溫以及熱流值分析來探討。

3.1.1? 古水深

古水深分析對于再造古環(huán)境、盆地構(gòu)造及演化具有重要意義[20]。本次研究主要根據(jù)塔里木盆地海平面升降歷史和沉積相分析，對盆地的古水深進(jìn)行確定（表3）。

3.1.2? 古地溫

古地溫包含兩重含義，一為古地表溫度;二為古地溫梯度。對于前者，一般直接使用盆地模擬軟件PetroMod中的wygrala（1989）模型，同時(shí)配合古水深數(shù)據(jù)加以約束，可以較好的反映地質(zhì)歷史時(shí)期地表溫度變化特征（表4）。

塔里木盆地出現(xiàn)過兩次地溫梯度較高的時(shí)期。第一次高溫期出現(xiàn)在奧陶紀(jì)，地溫梯度高達(dá)3.5～4.0 ℃/km;進(jìn)入志留紀(jì)以后地溫逐漸降低，地溫梯度2.8～3.2 ℃/km，這種低溫狀態(tài)一直保持到石炭紀(jì)末。第二次高溫期出現(xiàn)在二疊紀(jì)，地溫梯度達(dá)到3.3～3.8 ℃/km;三疊紀(jì)以來地層盆地進(jìn)入緩慢降溫時(shí)期，經(jīng)歷喜山運(yùn)動后，降溫速率加快，當(dāng)前地溫梯度分布在2.2～2.5 ℃/km。

3.1.3? 熱流值

大地?zé)崃髦禐榈販靥荻扰c巖石熱導(dǎo)率的乘積，是熱史模擬中的重要參數(shù)之一[21]。根據(jù)不同構(gòu)造單元演化特征，運(yùn)用PetroMod軟件中Easy%Ro模型可以模擬計(jì)算大地?zé)崃髦?。但塔里木盆地?jīng)歷多期構(gòu)造運(yùn)動造成不同地區(qū)隆升剝蝕，給大地?zé)崃髦涤?jì)算帶來一定困難。統(tǒng)計(jì)塔里木盆地6口探井的50多個(gè)Ro數(shù)據(jù)，建立盆地寒武系烴源巖Ro與深度相關(guān)圖（圖3），作為對巖漿活動導(dǎo)致的Ro數(shù)據(jù)異常偏高值進(jìn)行合理刪除的依據(jù)。在此基礎(chǔ)上采用Easy%Ro模型方法模擬明確了對滿加爾凹陷以及阿瓦提凹陷不同地質(zhì)時(shí)期的大地?zé)崃髦担汉洹獖W陶紀(jì)為32～45 mW/m2;志留—泥盆紀(jì)為42～55 mW/m2;石炭—二疊紀(jì)為43～74 mW/m2;三疊—白堊紀(jì)為41～73 mW/m2;新生代為32～63 mW/m2;現(xiàn)今32～56 mW/m2。塔里木盆地大地?zé)崃髦底兓?guī)律呈現(xiàn)出：早古生代低，晚古生—中生代高，現(xiàn)今低的趨勢，與前人研究結(jié)果基本一致。

3.2? 模擬結(jié)果

不同沉積盆地源巖的有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)豐度，地層的地溫梯度、熱流值存在差異，導(dǎo)致烴源巖成熟度階段劃分標(biāo)準(zhǔn)不會完全一致，所以在對烴源巖進(jìn)行熱演化史模擬之前，需先明確北部凹陷寒武系烴源巖成熟度階段劃分的標(biāo)準(zhǔn)。筆者結(jié)合前文烴源巖特征研究及盆地古地溫、熱流值的變化規(guī)律，劃分出以下6個(gè)階段：①Ro<0.5%的烴源巖處于未成熟階段，會形成一些生物成因的天然氣;②0.5%2.0%，過成熟階段，生成干氣;⑥Ro>4.0%，生烴枯竭階段，生烴終止。

以滿參1井代表滿加爾凹陷西部地區(qū)，滿參1井未鉆遇寒武系，以構(gòu)造圖虛擬分層進(jìn)行熱史模擬（圖4）。寒武系下部烴源巖，中奧陶世早期進(jìn)入低成熟階段（Ro=0.5%）;在卻爾卻克組泥巖快速充填下，盆地快速沉降，烴源巖成熟度迅速增加，中奧陶世末期進(jìn)入成熟階段（Ro=0.7%）;早志留世進(jìn)入高成熟階段（Ro=1.3%），大量生成濕氣;中泥盆世進(jìn)入過成熟階段（Ro=2.0%），大量生成干氣;早二疊世中期到達(dá)生烴枯竭階段（Ro=4.0%），再無生烴能力。寒武系上部烴源巖，晚奧陶世中期進(jìn)入低成熟階段（Ro=0.5%）;晚奧陶世末期進(jìn)入成熟階段（Ro=0.7%）;早泥盆世中期進(jìn)入高成熟階段（Ro=1.3%），大量生成濕氣;石炭紀(jì)晚期進(jìn)入過成熟階段（Ro=2.0%），大量生成干氣;晚三疊世進(jìn)入生烴枯竭階段（Ro=4.0%），再無生烴能力。

以阿滿1井代表阿瓦提凹陷與滿加爾凹陷過渡帶地區(qū)，未鉆遇地層以構(gòu)造圖虛擬分層進(jìn)行熱史模擬（圖5）。寒武系下部烴源巖，早奧陶世即進(jìn)入低成熟階段（Ro=0.5%）;中奧陶世中期進(jìn)入成熟階段（Ro=0.7%）;早泥盆世進(jìn)入高成熟階段（Ro=1.3%），大量生成濕氣;中石炭世進(jìn)入過成熟階段（Ro=2.0%），大量生成干氣;中二疊世進(jìn)入生烴枯竭階段（Ro=4.0%），再無生烴能力。寒武系上部烴源巖，中奧陶世進(jìn)入低成熟階段（Ro=0.5%）;晚奧陶世進(jìn)入成熟階段（Ro=0.7%）;早石炭世中期進(jìn)入高成熟階段（Ro=1.3%），大量生成濕氣;晚石炭世末期進(jìn)入過成熟階段（Ro=2.0%），大量生成干氣;早三疊世中期進(jìn)入生烴枯竭階段（Ro=4.0%），再無生烴能力。

4? 結(jié)論

（1） 北部凹陷寒武系烴源巖沉積環(huán)境自東向西呈現(xiàn)，欠補(bǔ)償盆地相、斜坡-陸棚相、局限臺地相變化，厚度上表現(xiàn)出東厚西薄的分布。烴源巖TOC值域分布廣泛，為0.21%～7.65%，均值2.10%;Ro為1.64%～2.95%，均值2.09%，推測北部坳陷Ro最大值約4.0%。

（2） 熱史模擬結(jié)果揭示，塔里木盆地北部凹陷寒武系烴源巖，自加里東中期進(jìn)入成熟階段，加里東晚期—海西早期處于生油高峰期，海西中期達(dá)到過成熟階段，海西晚期之后源巖逐步失去生烴能力，至燕山期源巖全部停止生烴。

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