雅布賴盆地薩爾臺凹陷侏羅系新河組有效烴源巖研究

都鵬燕，高 崗，魏 濤，趙樂義 ，楊 軍，李 濤，王建國

1.中國石油大學(北京)地球科學學院，北京 102249 2.同濟大學海洋與地球科學學院，上海 200092 3.中國石油玉門油田公司勘探開發研究院，甘肅 酒泉 735019

0 引言

雅布賴盆地地跨內蒙古和甘肅兩省，位于阿拉善地塊北部弱活化帶，其中的2條大的正斷層分別沿北大山北部邊緣和雅布賴山南部邊緣呈東西向展布[1-2]，盆地面積約1.5×104km2。盆地具有“東隆西坳、南斷北超”的構造格局，其中西部坳陷可劃分為紅杉湖凹陷、黑茨灣凸起、薩爾臺凹陷3個二級構造帶(圖1)。薩爾臺凹陷位于西部坳陷的南部，自西向東具有鹽場次凹、黑沙低凸起、小湖次凹、紅刺梁低凸起、梭托次凹5個三級構造帶(圖1)，其中鹽場次凹、小湖次凹和梭托次凹是盆地的生烴中心[3]。

圖1 雅布賴盆地構造單元劃分圖Fig.1 Teclonic units of the Yabrai basin

雅布賴盆地自下而上沉積了前侏羅系、侏羅系、白堊系、古近系、新近系和第四系。其中中侏羅統湖相暗色泥巖發育，自下而上依次發育青土井組(J2q)、新河組下段(J2x1)、新河組上段(J2x2)3套烴源巖層，而新河組下段是主力烴源巖層[3]，地層厚度約1 100 m，巖性主要為深灰色泥巖與淺灰色砂巖互層[2]，是本文的目標層段。

有效烴源巖是指有油氣生成和排出，并且生成和排出的烴類足以形成工業性油氣藏的巖石。因此，識別有效烴源巖是油氣成藏研究的基礎，尤其是對于低勘探程度區的資源潛力評價起著重要作用[4-5]。但是，雅布賴盆地勘探程度低，從20世紀六七十年代至今雖然已有探井獲得工業油流，但是受地質條件復雜以及勘探資料限制的影響，雅布賴盆地已有的研究僅僅是在宏觀上對烴源巖的地化特征進行研究，以及對構造演化、成藏期次等方面進行分析[6-10]，而對雅布賴盆地有效烴源巖的分布特征還未做深入研究。本文以雅布賴盆地薩爾臺凹陷新河組下段為研究對象，根據烴源巖排烴原理，分析熱解參數w(S1)與w(TOC)之間的關系，確定雅布賴盆地新河組下段有效烴源巖的w(TOC)下限值及單井有效烴源巖厚度，結合該區沉積相特征，分析有效烴源巖的分布特征，并初步分析成熟度對有效烴源巖w(TOC)下限值的影響，以期對雅布賴盆地的資源評價和油氣勘探提供一定的指導作用。

1 有效烴源巖判別

目前來看，前人對于有效烴源巖已有很多研究成果和認識，對于其w(TOC)下限問題，很多人已經從不同角度進行過探討[11-16]，但是還沒有得到一個統一的標準。而依據烴源巖的生排烴機理可以得出，巖石如果只生成烴而不排出，則這種烴源巖對于常規油氣藏的形成是沒有意義的，這樣的烴源巖不能稱為有效烴源巖[14-16]。因此，烴源巖排烴w(TOC)下限值的確定對于判別有效烴源巖具有重要的作用。

而一般情況下，烴源巖生成的油氣首先滿足自身的飽和吸附量，多余的烴類才會排出。而有機碳含量越高，相同條件下生烴量也越高，越有利于超出源巖的飽和吸附量，從而發生排烴，這樣殘留烴量相對于總有機碳含量就降低了。所以本文依據烴源巖的上述生排烴原理，利用實際資料確定薩爾臺凹陷新河組下段有效烴源巖w(TOC)下限值。

烴源巖中一旦生成油氣，則其中的有機質就包括生成的油氣與殘余的固體有機質。對一套母質特征與成熟度變化不大的烴源巖來說，如果不發生排烴，則烴源巖中的生成物含量與總有機質含量之間存在正相關關系，即有機質含量越高，生成的油氣就越多。由于巖石一般都存在飽和吸附量，一旦生成的油氣量超過飽和吸附量，多余的油氣必然要排出烴源巖，這樣總有機質含量與生成的油氣量之間的相關關系就會發生變化。在母質特征相近時，隨有機碳含量增加，生成的烴量也增加；當有機碳含量達到一定值后，生成的烴量就會達到烴源巖飽和吸附；當有機碳含量繼續增加時，生成的烴滿足飽和吸附后就會排出；從而較高的有機碳含量對應的烴源巖中的已生烴量就代表了部分烴類排出后殘留的烴類，其含量就偏離正常的變化趨勢而降低。此時正常變化趨勢下殘余烴類含量開始降低時所對應的w(TOC)就預示了烴源巖開始排烴而成為有效烴源巖，因此該w(TOC)即為有效烴源巖的w(TOC)下限值[16-17]。

在烴源巖有機地化分析測試中，w(TOC)與熱解w(S1)是常規的分析項目，其中w(TOC)代表總有機碳質量分數，熱解w(S1)代表烴源巖的殘留生烴量。根據上述有效烴源巖判別的基本原理，利用烴源巖的常規有機地化分析測試數據，即可識別有效烴源巖。

為了防止不同次凹有機質類型和成熟度不同而導致有效烴源巖的w(TOC)下限值不同，本文對薩爾臺凹陷鹽場次凹、小湖次凹以及梭托次凹的新河組下段泥巖樣品進行測試，分別選取鹽場次凹347個、小湖次凹354個、梭托次凹66個有機質成熟樣品，分析熱解參數w(S1)與w(TOC)的關系。

薩爾臺凹陷新河組下段烴源巖在一定范圍內，烴源巖熱解w(S1)與w(TOC)具有正相關關系，即隨w(TOC)的增大，w(S1)也增大；隨著源巖豐度增加，當w(TOC)達到一定值后，w(TOC)和w(S1)不再具有正相關關系。即在w(TOC)達到一個高值之后，大多數源巖樣品的w(S1)隨w(TOC)的增加變得比較平緩，有些甚至具有減少的趨勢(圖2a—c)。根據前述烴源巖生排烴原理可理解為，由于烴源巖生成的烴在w(TOC)達到一定值之后排出源巖，從而導致了w(TOC)和w(S1)關系的上述變化特征。

S1/ TOC 與w(TOC)的關系趨勢可以更明了地表示w(TOC)和w(S1)的關系變化(圖2d—f)：在相同的烴源巖w(TOC)條件下， S1/ TOC越高，表示烴源巖排出的烴越少；而隨著w(TOC)增加， S1/ TOC反而降低的部分就代表了烴源巖生成的烴類排出了源巖。隨著w(TOC)的增加， S1/ TOC開始時為上升趨勢，后來在w(TOC)的某個點之后而出現下降趨勢；這一上升和下降的拐點所對應的w(TOC)即是烴源巖的w(TOC)下限值。

用上述方法所確定的薩爾臺凹陷鹽場次凹新河組下段烴源巖w(TOC)下限值約為1.00%(圖2a)，小湖次凹新河組下段w(TOC)下限值約為0.70%(圖2b)；如果w(TOC)低于該下限值，泥巖不發生排烴，梭托次凹新河組下段明顯沒有上述的拐點特征，說明該層段泥巖還不具備排烴條件(圖2c)。

a，d. 鹽場次凹； b，e. 小湖次凹；c，f. 梭托次凹。圖2 薩爾臺凹陷新河組下段有效烴源巖排烴w(TOC)下限分析圖Fig.2 Low limit value analysis of TOC content of the effective source rocks of low member of the Xinhe Formation in Sartai sag

2 有效烴源巖分布特征

薩爾臺凹陷已鉆遇探井有十幾口，可以通過統計每口井新河組下段w(TOC)大于下限值的暗色泥巖厚度，然后結合不同沉積相的泥地比計算各井新河組下段的有效烴源巖厚度，從而繪制有效烴源巖厚度等值線圖。然而，由于實驗測得的w(TOC)往往是部分泥巖段的w(TOC)，數據有限、分布離散，很難進行有效烴源巖厚度的確定。因此，需要利用測井方法對各井的w(TOC)進行預測，從而得到連續的w(TOC)數據。

通常情況下，對于不同的巖性，他們各自的聲波時差(AC)、自然伽馬(GR)和電阻率(Rt)等測井曲線都具有不同的特征[16]。對于烴源巖，尤其是成熟烴源巖，普遍具有低密度、高聲波時差、高中子、高電阻率、高自然伽馬的測井曲線特征[18-19]。因此可以通過以上測井曲線特征在單井中識別烴源巖。利用測井資料計算烴源巖有機碳含量可以有多種方法。調研前人的研究得知，將聲波時差和電阻率結合來預測w(TOC)的方法——ΔlogR法是最準確、最常用的方法，其在國外許多海相盆地和我國東部中新生代盆地中得到了應用，且應用效果較好[20-22]。利用該方法可以對薩爾臺凹陷各井新河組下段中無分析數據的烴源巖w(TOC)進行預測，然后與實測w(TOC)相結合進行有機質豐度評價。

ΔlogR法是以烴源巖的生烴會導致電阻率的增大，烴源巖的高w(TOC)一般會引起聲波時差的增大為原理，利用電阻率測井曲線和聲波時差測井曲線重疊來對烴源巖w(TOC)進行預測[25]。具體預測方法如下：

1)首先需將電阻率和聲波時差的坐標軸按相反的方向放置，其中電阻率用對數坐標，聲波時差用算術坐標。在坐標刻度的選擇上，電阻率刻度的一個數量級(如1～10 Ω·m)對應聲波時差間隔為164 μs/m。

2)其次，結合自然伽馬或自然電位曲線特征，劃分滲透性與非滲透性巖層。

3)然后確定基線。聲波時差曲線和電阻率曲線在一定深度范圍內完全重疊時為基線。w(TOC)預測的關鍵是基線的確定，基線段對應于非烴源巖段，聲波時差和電阻率都最小。因為電阻率曲線采用對數坐標，水平方向移動時，刻度不方便把握。所以，一般采取的做法是固定其左右端點值，水平方向移動聲波時差曲線來實現兩條曲線的重疊。值得注意的是，移動聲波時差曲線時，應整體移動，保持左右端點處的刻度區間長度不變，使得電阻率每個數量級對應于聲波時差的間隔為164 μs/m。

4)ΔlogR法重疊曲線的變量關系如下：

ΔlogR=lg(Rt/Rt基線)+0.02(Δt-Δt基線)。

(1)

式中：Rt指巖石電阻率，Ω·m；Δt指聲波時差，μs/m；Δt基線指聲波時差的基線值；Rt基線指對應于聲波時差基線的電阻率基線值；系數0.02是基于上述所闡述的每164 μs/m的聲波時差Δt相當于電阻率Rt的一個數量級，也即電阻率的一個對數坐標單位[26]。

5)將標準井的w(TOC)與ΔlogR進行擬合，確定系數a，b，得到如下擬合公式：

w(TOC)=aΔlogR+b。

(2)

6)最后通過標準井得到的擬合公式(2)進行其他井的烴源巖w(TOC)預測(圖3)，本文所確定的系數a=2.004 6，b=0.599 6。

值得注意的是，這里應該選擇實測w(TOC)數據多、與周圍井處于相同環境的探井作為標準井。此外，由于測井的深度與取心深度有時會存在誤差，所以在用ΔlogR法進行w(TOC)預測前，首先需要對各單井的實測w(TOC)進行深度歸位，提高w(TOC)預測的準確度。

根據預測的w(TOC)數據和w(TOC)下限值，在各單井上識別有效烴源巖，并結合沉積相特征，統計每口井新河組下段有效烴源巖的厚度，繪制出薩爾臺凹陷新河組下段的有效烴源巖厚度等值線圖(圖4)?？梢缘贸觯核_爾臺凹陷新河組下段有效烴源巖在小湖次凹分布廣泛，累計厚度大，最厚將近600 m；而在鹽場次凹，有效烴源巖累計厚度小，大都小于100 m；梭托次凹有效烴源巖不發育。

3 成熟度對有效烴源巖w(TOC)下限值的影響

烴源巖有機質是否成熟決定了烴源巖是否大量生烴，那么對于有效烴源巖，其w(TOC)下限值是否會由于有機質處于成熟階段，或高熟階段等不同階段而受到影響呢？本文以薩爾臺凹陷小湖次凹為例，對該問題進行初步分析。

由前人[3，27]研究可知，雅布賴盆地新河組下段有機質類型以Ⅱ型為主，所以，根據鄔立言等[28]的“Tmax劃分有機質成熟度界限表”，可以將Tmax值大于435 ℃的有機質劃分為成熟有機質，其中為435～455 ℃為成熟階段，455～490 ℃為高成熟階段，Tmax>490 ℃為過成熟階段。Tmax值越大，說明有機質成熟度越高。本文將Tmax以10 ℃間距劃分成不同成熟度區間，研究薩爾臺凹陷烴源巖成熟度對有效烴源巖w(TOC)下限值的影響。由于薩爾臺凹陷的鹽場次凹和梭托次凹成熟烴源巖樣品少且Tmax分布范圍小，對于研究上述問題不具備典型性，而小湖次凹成熟烴源巖樣品豐富，巖石熱解峰溫值分布范圍大，因此本文用小湖次凹244個樣品數據進行分析研究(圖5)。

在Tmax為435～445 ℃區間內(194個樣品)，由烴源巖w(TOC)與w(S1)的關系(圖5a)可見，烴源巖在w(TOC)大約為1.1%處w(S1)值開始趨于平穩，不再增加， S1/ TOC也在w(TOC)為1.1%處從增加趨勢轉變為減小的趨勢(圖5b)，說明在該成熟度區間內，有效烴源巖的w(TOC)下限值大約為1.1%(圖5a)。而在Tmax為445～455 ℃區間內(44個樣品)，明顯可以看到有效烴源巖的排烴w(TOC)下限值為0.5%(圖5c)。Tmax> 455 ℃的樣品只有6個，不具代表性。根據以上數據分析可知，烴源巖在成熟階段，成熟度越高，其w(TOC)下限值越小。

圖3 薩爾臺凹陷雅探2井(標準井，左)、雅探3井(右)新河組下段w(TOC)預測結果Fig.3 TOC content prediction result of the low member of the Xinhe Formation in Well Yatan 2(left)and Yatan 3(right)of Sartai sag

圖4 薩爾臺凹陷新河組下段有效烴源巖厚度等值線圖Fig.4 Contour map of effective source rock thickness of the low member of the Xinhe Formation in Sartai sag

a，b.Tmax：435～445 ℃；c，d.Tmax：445～455 ℃。圖5 小湖次凹新河組下段不同成熟度區間有效烴源巖w(TOC)下限分析圖Fig.5 Low limit value analysis of TOC content of different maturity effective source rocks of low member of the Xinhe Formation in Xiaohu sag

應該指出的是，對于烴源巖在高成熟和過成熟階段，其w(TOC)下限值是否也會有這樣的特征，還需要更多數據來分析研究。對于上述結論是否適用于其他盆地，也還需要通過分析更多盆地的樣品數據來進一步落實。

4 結論

1)雅布賴盆地薩爾臺凹陷不同次凹的新河組有效烴源巖下限值與發育特征各不相同，通過分析泥巖樣品的w(TOC)和熱解w(S1)的關系，確定了烴源巖排烴下限，其中鹽場次凹新河組下段泥巖排烴w(TOC)下限約1.00%，小湖次凹新河組下段泥巖排烴w(TOC)下限約0.70%，梭托次凹新河組下段泥巖不具備排烴條件。這一方法同時考慮了烴源巖的生烴特征和排烴特征，具有很好的應用價值。

2)薩爾臺凹陷新河組下段有效烴源巖分布范圍廣，厚度大，有效烴源巖主要分布在小湖次凹中央洼槽帶，最大厚度將近600 m，在梭托次凹不發育有效烴源巖。

3)通過對有效烴源巖的排烴w(TOC)下限值與熱解峰溫進行分析對比，初步得出有效烴源巖排烴w(TOC)下限值與成熟度的關系：排烴薩爾臺凹陷新河組下段處于成熟階段的烴源巖，成熟度越高，有效烴源巖的w(TOC)下限值越低。

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