塔里木盆地西南地區(qū)石炭系煤系烴源巖識(shí)別與分布特征

趙永強(qiáng) ，蘇思羽 ，蒲仁海 ，姚 威 ，季天愚

(1.中國石化石油勘探開發(fā)研究院 無錫石油地質(zhì)研究所，江蘇 無錫 214126;2.中國石化油氣成藏重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 無錫 214126；3.西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069；4.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069；5.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

0 引 言

煤系一般發(fā)育多層源巖、儲(chǔ)層和蓋層組合，具有內(nèi)幕油氣聚集潛力，可以形成多個(gè)大型常規(guī)和非常規(guī)天然氣田[1-2]。塔里木盆地西南部巴楚隆起和麥蓋提斜坡兩個(gè)構(gòu)造單元(簡稱巴麥地區(qū))的多年的勘探實(shí)踐表明，寒武系—下奧陶統(tǒng)的烴源巖為優(yōu)質(zhì)烴源巖，為玉北氣田、和田河氣田、鳥山氣田和巴探5井等奧陶系氣田提供了烴源[3-7]。巴麥地區(qū)石炭系烴源巖也具有一定的生烴作用，可能是巴什托和亞松迪油氣藏的次要烴源巖，但石炭系源巖成熟度偏低[5, 8]，僅在昆侖山前柯東1井附近達(dá)到了成熟階段[9]。石炭系存在淺?；旆e陸棚泥巖和碳酸鹽巖兩類烴源巖[10-11]，但從未發(fā)現(xiàn)煤系烴源巖。近年來在巴探5井、巴探10井和羅西1井石炭系卡拉沙依組發(fā)現(xiàn)了煤層和炭質(zhì)泥巖，它們是如果在混積臺(tái)地背景中發(fā)育和分布的，是否具備足夠的生供烴潛力尚不清楚。本文通過巖心和巖屑樣品的地球化學(xué)測試，測井和二、三維地震屬性和反演等方法進(jìn)行了煤系烴源巖的識(shí)別與分布研究，同時(shí)分析了卡拉沙依組的三角洲成因及其控煤作用，為尋找與煤系烴源巖有關(guān)的油氣藏提供了地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

石炭系是塔里木盆地油氣勘探的主要層系之一[12-15]，自下而上發(fā)育巴楚組下泥巖段、生屑灰?guī)r段、中泥巖段、標(biāo)準(zhǔn)灰?guī)r段、卡拉沙依組上泥巖段、砂泥巖段、含灰?guī)r段、小海子組灰?guī)r段等(圖1(b))，在氣候干濕交替及海平面升降的作用下，主要發(fā)育深水陸棚、淺水陸棚、混積臺(tái)地、潟湖海灣等沉積環(huán)境[16-17]，其主要巖性為灰?guī)r、白云巖、泥灰?guī)r、泥巖等，局部夾煤層和膏云巖與膏泥巖[18-20]。與塔河和塔中地區(qū)相比，巴麥地區(qū)的泥巖段中的碳酸鹽巖含量顯著增多，灰?guī)r段中白云巖含量增多，且局部含石膏，反映了相對(duì)咸化的環(huán)境特點(diǎn)[16, 21-22]。但較為特殊的是在巴麥地區(qū)卡拉沙依組局部出現(xiàn)了較多的煤層和炭質(zhì)泥巖，其形成可能與局部淡水河流的注入和三角洲沉積有關(guān)。

圖1 巴麥地區(qū)構(gòu)造單元?jiǎng)澐謭D(a)巴麥地區(qū)上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)綜合柱狀圖(b)Fig.1 Tectonic unit division map of Bamai area (a) and Upper Carboniferous to Lower Permian comprehensive histogram in Bamai area (b)

研究區(qū)包含三個(gè)三維地震勘探區(qū)塊，分別為XBZ三維區(qū)(面積約600 km2)、Lx1井三維區(qū)(面積約350 km2)、BT5井三維區(qū)(面積約400 km2)(圖1(a))，地震資料主頻約35 Hz。包含18條二維地震測線和15口探井資料，其中9口鉆井位于三維地震區(qū)內(nèi)。鉆井揭示的上古生界地層包括二疊系庫普庫茲滿組、南閘組、小海子組、石炭系卡拉沙依組、巴楚組，這些地層組分別以地震反射界面T52、T54、T56、T57為其底界(圖1(b))。鉆井在石炭系目的層平均每5 m有一包鉆屑混合樣品。BT5井取心井段為2 077.5～2 084 m，頂部主要分布灰黑色炭質(zhì)泥巖，中下部發(fā)育深灰色泥巖夾灰黑色炭質(zhì)泥巖及淺灰色粉砂質(zhì)條帶，局部斷面見灰黑色植物印模(圖2)。煤巖樣品來自于巖屑，呈暗黑色，小顆粒狀、玻璃光澤且染手，由后續(xù)的地化測試確定其巖性。

圖2 巴探5井石炭系卡拉沙依組鉆井綜合剖面圖Fig.2 Comprehensive stratigraphic profile of Carboniferous Karashayi Formation of well BT5

2 方 法

在巖心庫采集石炭系巖芯巖屑樣品30個(gè)，重點(diǎn)采集了BT5、BT10、BT7等5口井卡拉沙依組的煤、炭質(zhì)泥巖和暗色泥巖樣品。在完成樣品整理、篩選等前期處理步驟后，選出石炭系卡拉沙依組和巴楚組的巖屑樣品12個(gè)，巖心樣品2個(gè)。所有14塊樣品均在西北大學(xué)大陸動(dòng)力學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室完成了有機(jī)質(zhì)提取和熱解實(shí)驗(yàn)，測定了各樣品的有機(jī)碳含量、類型和成熟度。

在全區(qū)測井資料標(biāo)準(zhǔn)化基礎(chǔ)上，根據(jù)BT5、BT10井巖心、巖屑錄井和測井解釋等成果建立AC-GR和RD-DEN測井交會(huì)圖與巖性識(shí)別圖版，確定測井資料定量識(shí)別煤層、炭質(zhì)泥巖、頁巖、砂巖和碳酸鹽巖的閥值。

然后對(duì)工區(qū)內(nèi)的鉆井制作合成地震記錄完成井震標(biāo)定，對(duì)巴探5三維區(qū)進(jìn)行測井約束的疊后波阻抗反演。在反演數(shù)據(jù)體上根據(jù)煤層、炭質(zhì)泥巖和砂巖波阻抗提取卡拉沙依組相關(guān)巖性百分含量和厚度。

根據(jù)不同鉆井所測定的不同深度烴源巖樣品的Ro值和井深的線性關(guān)系以及卡拉沙依組底面構(gòu)造圖，得到研究區(qū)目的層烴源巖成熟度隨深度的變化趨勢。

在煤系烴源巖分布和沉積相分析基礎(chǔ)上，探討混合臺(tái)地地區(qū)三角洲發(fā)育特殊性及其對(duì)煤系烴源巖的控制。

3 結(jié)果分析

3.1 烴源巖地球化學(xué)特征

BT5、BT10、KT1、BT7、BT9井石炭系卡拉沙依組和巴楚組的樣品測試結(jié)果表明，卡拉沙依組煤的有機(jī)碳含量介于58.1%～63.2%，平均值為60.65%，Ro值介于0.93%～1.29%，平均1.11%。炭質(zhì)泥巖的有機(jī)碳含量為10.6%～18.5%，平均14.43%，Ro值介于0.78%～1.65%之間，平均1.00%。暗色泥巖有機(jī)碳含量介于0.01%～2.36%之間，平均值為0.91%，Ro介于0.80%～1.33%之間，平均1.00%。依據(jù)IH-Tmax圖解[23-25]計(jì)算結(jié)果，絕大多數(shù)的煤層、炭質(zhì)泥巖的有機(jī)質(zhì)類型為III型，個(gè)別炭質(zhì)泥巖為II2-III型(表1)。

綜合石炭系卡拉沙依組煤和暗色泥巖的測試結(jié)果，其有機(jī)碳含量介于0.15%～63.2%之間，有機(jī)質(zhì)類型為II2-III型，Ro值介于0.80%～1.65%，達(dá)到成熟-高成熟階段。Tmax值介于424～437 ℃，平均值為430 ℃，比Ro指示的成熟度偏低。

表1 研究區(qū)不同巖性TOC含量、Ro及有機(jī)碳類型測定結(jié)果

圖3 KT1、BT5、BT10井巴楚組連井剖面圖(剖面位置見圖1)Fig.3 KT1-BT5-BT10 well linked cross-section in Bachu Formation (seeing Fig.1 for the well locations)

前期樣品篩選工作中發(fā)現(xiàn)石炭系巴楚組中、下泥巖段的所采巖屑樣品大多數(shù)不滿足純暗色泥巖的送樣條件，或者與干化泥漿難以區(qū)分，或者為帶褐色調(diào)的氧化色。中、下泥巖段各只有一個(gè)樣品滿足測試條件(見圖3黃色深度處)。根據(jù)有機(jī)質(zhì)熱演化特征，綜合分析得出石炭系巴楚組中、下泥巖段暗色泥巖有機(jī)碳含量較低，介于0.01%～0.15%，平均值為0.08%，不具備生烴條件(表1)。

為了研究卡拉沙依組上部烴源巖成熟度的分布規(guī)律，利用所測Ro與所采樣品深度(H)(表1)，通過線性擬合得到Ro-H之間的線性關(guān)系Ro=0.0001H+0.622。通過井震標(biāo)定二、三維地震地震解釋的卡拉沙依組雙程時(shí)間T56和時(shí)深轉(zhuǎn)換可以制作出巴麥地區(qū)卡拉沙依組底界的深度圖。利用Ro-H的線性關(guān)系，可以把卡拉沙依組頂面深度圖轉(zhuǎn)換為鏡質(zhì)體反射率等值線平面圖(圖4)。該圖反映巴麥地區(qū)卡拉沙依組烴源巖Ro值介于0.7%～1.3%，具有朝西南增高之勢。

圖4 巴麥地區(qū)石炭系卡拉沙依組頂面鏡煤反射率等值線平面圖Fig.4 Contour map of coal vitrinite reflectance of the top Carboniferous Kalashayi Formation in Bamai area

3.2 石炭系烴源巖測井識(shí)別

從測井曲線(圖4)和巖性AC-GR交會(huì)圖(圖5)上，可以看出煤、暗色泥巖的共同點(diǎn)為低密度、高聲波時(shí)差和低電阻率，其聲波時(shí)差值均大于300 μs/m，電阻率值均小于50 Ω·m，且在測井曲線的形態(tài)上易于識(shí)別，表現(xiàn)為高聲波時(shí)差和低密度的高幅尖刺狀，其密度值一般小于2.3 g/cm3。煤、炭質(zhì)泥巖、暗色泥頁巖的不同則主要表現(xiàn)在自然伽馬值的大小上，煤層GR值小于75 API，炭質(zhì)泥巖GR值介于75～100 API；泥頁巖GR值大于100 API(圖3，圖4)。因此，依據(jù)高幅尖刺狀的AC、DEN測井曲線特征和GR值的大小可以識(shí)別出煤、炭質(zhì)泥巖和暗色泥巖，依據(jù)上述測井特征識(shí)別出BT5井煤層2層，累加厚度約6 m；炭質(zhì)泥巖5層，累加厚度約10 m；暗色泥巖9層，累加厚度約50 m，三者總厚約66 m，其中煤層和炭質(zhì)泥巖占比24.2%。砂巖在測井曲線上表現(xiàn)為箱狀，AC<240 μs/m，GR<60 API，與高電阻率碳酸鹽巖易于區(qū)分，二者電阻率值界線約80 Ω·m。

圖5 塔西南卡拉沙依組不同巖性的AC-GR和RD-DEN交會(huì)圖Fig.5 Crossplots of AC-GR and RD-DEN logging values of different lithology of Kalashayi Formation in southwest Tarim Basin

3.3 卡拉沙依組煤系烴源巖的三維地震識(shí)別與分布

根據(jù)研究區(qū)測井識(shí)別圖版分析得到的卡拉沙依組煤層和炭質(zhì)泥巖測井曲線閥值A(chǔ)C>300 μs/m、DEN<2.2 g/cm3，計(jì)算得到其波阻抗(速度乘以密度)上限值為7 333 m·s-1·g·cm-3。在BT5井區(qū)三維地震波阻抗反演體上提取卡拉沙依組中波阻抗小于7 333 m·s-1·g·cm-3百分含量圖(圖6)，由圖可知，該區(qū)煤層和炭質(zhì)泥巖向東南方向加厚。根據(jù)下一節(jié)沉積相分析，該三維區(qū)為三角洲前緣沉積區(qū)，朝東南方向變深。

圖6 BT5三維地震區(qū)波阻抗小于閥值的卡拉沙依組煤系烴源巖百分含量圖Fig.6 Percentage diagram of coal measure source rocks in Kalashayi Formation with wave impedance less than the threshold in BT5 three-dimension seismic area

利用Landmark的SUM模塊統(tǒng)計(jì)了13口鉆井井點(diǎn)卡拉沙依組烴源巖累計(jì)厚度并通過三維地震區(qū)反演得出的煤層、炭質(zhì)泥巖和暗色泥巖百分含量的約束下，勾畫出研究區(qū)煤層、炭質(zhì)泥巖厚度等值線圖(圖7)。該圖顯示研究區(qū)內(nèi)卡拉沙依組煤系烴源巖厚度為0～20 m，從北西向南東加厚，厚煤層(局部大于20 m)的面積約40 km2。

圖7 巴麥地區(qū)石炭系C1k煤層和炭質(zhì)泥巖累加厚度等值線圖Fig.7 Isopach map of cumulative thickness of Carboniferous coal seam and Carbonaceous mudstone in Bamai area

4 三角洲對(duì)煤系烴源巖的控制

BT5三維區(qū)石炭系卡拉沙依組存在疊瓦狀前積反射，自北西朝東南方向前積，三維區(qū)可識(shí)別出5個(gè)中強(qiáng)振幅前積波峰同相軸的疊置(圖8)。對(duì)5期前積體的地震反射同相軸進(jìn)行精細(xì)的追蹤解釋、閉合，得到5期前積體的平面展布(圖9)。碎屑巖地層的前積反射可存在于多種沉積環(huán)境[23-26]。BT5、BT10分別位于第一和第二前積葉上，其對(duì)應(yīng)卡拉沙依組向上變粗的三角洲前緣(圖4)，故該套前積體應(yīng)屬于三角洲反射。結(jié)合區(qū)域鉆井資料和前人研究，該套三角洲發(fā)育在潟湖沉積背景中，周邊為潮坪和障壁環(huán)境，由來自北西方向的淡水河流注入形成。

圖8 過巴探5-巴探10井的南東向卡拉沙依組三角洲前積反射地震剖面圖(剖面位置見圖6) Fig.8 Seismic section of NW-SE orientation delta progradational reflection of Karasayi Formation throughBT5-BT10 well (seeing Fig.6 for section location)

圖9 五期前積反射平面疊合圖(半透明色填充)Fig.9 Superposition distribution map of five-stage progradational reflections (filled with semi-translucent color)

圖10 巴麥地區(qū)石炭系卡拉沙依組沉積相平面圖Fig.10 Depositional facies map of Carboniferous Kalashayi Formation in Bamai area

筆者統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)內(nèi)卡拉沙依組13口測井的砂巖百分含量，結(jié)合三維地震巖性反演制作了巴麥地區(qū)卡拉沙依組沉積相平面圖(圖10)。該圖顯示研究區(qū)卡拉沙依組整體為潟湖沉積背景，其內(nèi)發(fā)育三個(gè)來自北西的三角洲前緣朵體，三角洲部位的砂巖百分含量較高，介于25%～45%之間。研究區(qū)西部過渡為混合臺(tái)地潮坪沉積。

比較圖7和圖10可以看出，巴麥地區(qū)的煤系烴源巖較厚區(qū)與三角洲前緣分布區(qū)基本吻合，說明在塔西南地區(qū)卡拉沙依組整體為混合臺(tái)地內(nèi)的潟湖沉積背景，巴探5井區(qū)存在一個(gè)來自北西淡水河流的注入，局部形成了三角洲沉積。不僅形成了三角洲前緣河口壩、分流河道等砂巖沉積，而且在三角洲平原上沉積了一定厚度的沼澤煤層和炭質(zhì)泥巖。煤層與前三角洲-潟湖相的暗色泥巖一起構(gòu)成了該區(qū)石炭系的烴源巖。由于煤層和炭質(zhì)泥巖的有機(jī)質(zhì)含量遠(yuǎn)高于潟湖相暗色泥巖，所以三角洲沉積區(qū)的煤系烴源巖比周邊其他地區(qū)應(yīng)該具有更好的生烴潛力。

巴探5井和巴探10井卡拉沙依組發(fā)育沼澤煤層的同時(shí)還沉積了一定厚度的三角洲前緣砂體，它們朝北西上傾方向尖滅，砂巖儲(chǔ)層和煤系烴源巖可以構(gòu)造較好的生儲(chǔ)蓋組合，具備形成自生自儲(chǔ)巖性或復(fù)合圈閉油氣藏的條件，是下一部油氣勘探的一個(gè)重要方向。

5 結(jié) 論

(1)巴麥地區(qū)卡拉沙依組發(fā)育煤系烴源巖，該套煤系烴源巖有機(jī)碳含量為10.6%～63.2%，干酪根類型為II2-III，鏡質(zhì)體反射率介于0.78%～1.65%之間，是一套較好的低成熟-高成熟烴源巖。

(2)卡拉沙依組煤層和炭質(zhì)泥巖具有低密度、高時(shí)差以及低波阻抗特征，卡拉沙依組煤系烴源巖厚度為0～20 m，從北西向南東加厚，厚煤層的面積約40 km2。

(3)卡拉沙依組烴源巖發(fā)育于三角洲-潟湖環(huán)境，其中三角洲平原相沉積了煤層和炭質(zhì)泥巖，而前三角洲和潟湖則發(fā)育了暗色泥巖，它們可為三角洲前緣砂巖儲(chǔ)層提供烴源，有望形成自生自儲(chǔ)的復(fù)合圈閉油氣藏。