基于自然伽馬測井的徐家圍子斷陷沉積層生熱率研究

畢 然,朱煥來,2,杜先利,2

(1.東北石油大學地球科學學院,黑龍江 大慶 163318; 2.東北石油大學地熱能研究中心,黑龍江 大慶 163318)

地球內部主要的熱量來源于巖石中的放射性元素衰變釋放出的大量熱能。自然界中存在60多種極為不穩定的放射性元素,這些元素滿足一定豐度、較高的產熱量以及半衰期與地球年齡相當這3個條件才能明顯影響地球內部的熱量。而滿足這3種條件的放射性元素只有鈾(U)、釷(Th)、鉀(K),它們在地殼中所釋放的熱量對地表熱流的貢獻率高達30%～40%[1]。

巖石的放射性生熱率(A)是最主要的巖石熱物性之一,是單位時間內放射性元素衰變而釋放的大量熱能。由于巖石的生熱率等熱物性參數對研究地球內部熱情況、巖石圈的熱結構、地表熱流以及油氣勘探開發等有重要的指導意義[2-9],所以近年來愈發重視對巖石的熱物性參數的研究[10-11]。

目前,有3種方法可獲得巖石中放射性物質的生熱率:(1)結合巖石的測量密度,利用地球化學的方法直接測量巖石中鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)的含量,根據前人提出的經驗公式來計算巖石的放射性物質的生熱率[12-14],雖然這種方法確定的生熱率數據質量較好,但需要收集大量的巖石樣品,所需要測試的時間久且花費的成本較高;(2)利用地震波測量計算巖石中放射性物質的生熱率,由于該方法得到的生熱率數據質量較差,所以適用于中下層地殼放射性物質生熱率的測量計算[15-16];(3)通過地球物理測井的方法測得測井中巖石天然放射性強度(自然伽馬測井)或者鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)的含量(自然伽馬能譜測井),再根據前人提出的自然伽馬(GR)與巖石放射性物質生熱率(A)之間的經驗公式計算得到巖石放射性物質的生熱率[16-19],該方法相較于地球化學方法,得到的生熱率數據質量較高,同時簡明快速,節省成本。

前人研究表明[20],徐家圍子現今地溫梯度在3.7～4.7 ℃/100 m,平均為4.0 ℃/100 m;大地熱流在52.8～117.3 mW/m2之間,平均值為73.01 mW/m2;安達凹陷、升平凸起、徐西凹陷、徐東斜坡、徐南凹陷的大地熱流值分別為57.76 mW/m2、67.31 mW/m2、66.37 mW/m2、79.45 mW/m2、61.93 mW/m2?？傮w來說,地溫場的特征主要受基底起伏控制,凹陷區低,隆起區高。前人對徐家圍子生熱率研究較少,李志安[21]直接測量巖石樣品中放射性產熱元素U、Th、K元素的含量,根據生熱率和放射性元素之間的關系計算松遼盆地各地層的生熱率,但是對于深部巖層無法直接取樣計算。

為計算徐家圍子的巖石生熱率,利用該研究區18口井的自然伽馬值,采用Rybach[16]、Bücker等[17]及駱淼等[18]提出的3種計算方法。通過與實測數據的對比確定適用于研究區的GR-A的經驗關系,此外還計算沉積層放射性物質生熱對大地熱流的貢獻,定量分析沉積層放射性物質對深部地層的增溫效應。研究徐家圍子沉積層生熱率及其熱流貢獻,是研究該地區現今地溫場特征的一部分,可為研究區深層-超深層烴源巖熱演化、大地熱流、能源勘探等提供可靠的熱物性參數。

1 地質背景

徐家圍子斷陷是松遼盆地主要的生氣斷陷之一,該斷陷形成于晚侏羅紀-早白堊世早期[22]。徐家圍子的內部構造主要可劃分為：安達次坳、杏山次坳、薄荷臺次坳、徐西凹陷和徐東斜坡帶等,如圖1所示。徐家圍子斷陷是西斷東超型箕型斷陷,在沙河子組時期沉積后升西斷裂帶發生強烈活動,之后形成斷彎褶皺,褶皺頂部遭受到強烈侵蝕,在營城組沉積之后褶皺再次發育[23],徐家圍子斷陷內各個構造單元具有構造運動和火山活動雙重成因機制[24]。

徐家圍子斷陷地層由下到上依次發育有石炭-二疊系變質巖基底、白堊系下統火石嶺組、沙河子組、營城組、登婁庫組、泉頭組、青山口組、姚家組和嫩江組,如圖2所示[25],發育沖積扇相、河流相、湖漫相、湖泊相、扇三角洲相、湖底扇相等類型的沉積相[26]。

2 方法與原理

自然伽馬測井計算生熱率的理論基礎是:γ射線探測器可以探測到地層巖石中U、Th、40K等放射性元素衰變發出的γ射線,探測器發生電離,將γ射線轉換為電脈沖信號,并將此信號送到井下的前置放大器放大,然后再將其送到地面的放大器再次放大,最后送入地面上的控制面板中的計數率電路,該電路會將脈沖信號轉換成單位時間內與脈沖數成正比的電位差,由記錄儀器記錄連續的電位差,最終得到自然伽馬測井曲線[27-28]。

圖1 徐家圍子斷陷構造Fig.1 Geological setting of Xujiaweizi fault depression

1986年,Rybach[16]提出巖石生熱率與自然伽馬值的線性關系為

A1=0.014 5(GR(API)-5.0)。

(1)

1996年,Bücker等[17]通過大量的實測資料,對生熱率和自然伽馬值的線性關系做進一步的修改:

A2=0.015 8(GR(API)-0.8)。

(2)

2008年,駱淼等[18]利用中國大陸科學鉆探(CCSD)主孔自然放射性測井數據資料,計算出新的巖石生熱率和自然伽馬值線性關系為

A3=0.011 5(GR(API)+9.1)。

(3)

由于自然伽馬測井儀對地層中放射性元素U、Th、40K的靈敏性和公式(1)對應的元素含量具有相似的系數,并且地層中放射性元素Th/U、K/U的比值是恒定的[28],則在一定的鉆孔深度間隔,放射性元素的生熱率與自然伽馬測井值必然有線性關系[27]。

注:層序級別和層序界面的劃分依據2006年大慶油田研究院研究成果。圖2 徐家圍子斷陷地層綜合柱狀圖Fig.2 Lithology histogram of Xujiaweizi fault depression

收集整理研究區137口鉆井數據,選取其中18口重點井,運用公式(1)～(3)3種方法計算研究區的巖石生熱率。以肇深10井為例,3種方法計算得到的生熱率如圖3所示。3種計算公式的結果表明生熱率的變化趨勢是一致的,僅為計算的數據結果不同,式(2)計算得到的巖石生熱率值最大,式(1)計算得到的巖石生熱率值次之,式(3)計算得出的巖石生熱率最小。巖石生熱率與巖石巖性密切相關,巖性不同,巖石生熱率有所差異。

注:A1為根據式(1)計算的生熱率; A2為根據式(2)計算的生熱率;A3為根據式(3)計算的生熱率。圖3 徐家圍子斷陷肇深10井GR-A曲線圖Fig.3 GR-A graph of borehole zhaoshen 10 inXujiaweizi fault depression

3 計算結果

為提高數據計算的準確性,每3 m取一個自然伽馬值,如對肇深10井進行取樣,分別取1 530 m、1 533 m、…、4 276 m、4 279 m深度的伽馬值,18口井總共取3 063個自然伽馬值。不同公式計算出的生熱率值與實測值對比如表1所列。表1中公式(1)計算得到的生熱率的平均值為(1.070±0.360) μW/m3;公式(2)計算得到的生熱率的平均值為(1.229±0.394) μW/m3;公式(3)計算得到的生熱率的平均值為(1.008±0.287) μW/m3。

徐家圍子斷陷生熱率統計直方圖如圖4所示。由圖4可以看出3種公式計算得到的生熱率數值均在0.8～2.4 μW/m3之間,占主體的90%左右。而公式(2)計算的得到生熱率與實測值最為接近,所以公式(2)計算得出的結果是可靠的。

表1 不同公式計算出的生熱率值與實測值對比

圖4 徐家圍子斷陷生熱率統計直方圖Fig.4 Statistical histogram of heat production rate in Xujiaweizi fault depression

將公式(2)計算得到的3 063個生熱率數值按層位進行統計,得到不同層位的巖石生熱率的平均值如圖5所示。由圖5可知,青一段的生熱率值最高,為1.90 μW/m3；而登一段的生熱率數值最低,為0.81 μW/m3。

將公式(2)計算得到的3 063個生熱率數值按巖性進行統計,得到了不同巖性的生熱率的平均值及范圍如表2所列,生熱率分布直方圖如圖6所示。主要巖性的生熱率分布范圍顯示,流紋巖的生熱率主要分布在1.38～3.2 μW/m3;火山角礫巖主要分布在0.8～3.2 μW/m3;礫巖主要分布在0.8～2 μW/m3;砂巖主要分布在0.8～2 μW/m3;泥巖主要分布在1.6～2.8 μW/m3;煤主要分布在0.8～3.2 μW/m3;安山巖主要分布在0.8～2.8 μW/m3。

圖5 徐家圍子斷陷不同地層平均生熱率Fig.5 The mean heat production rate of the sedimentary formations in Xujiaweizi fault depression

表2 不同巖性生熱率統計

圖6徐家圍子斷陷巖性-生熱率分布直方圖Fig.6 Histogram of heat production rate of different lithologoes in Xujiaweizi fault depression

不同巖性生熱率的差別較大,流紋巖的生熱率最高,平均值為2.30 μW/m3,凝灰巖、安山巖、火山角礫巖的生熱率平均值也較高,分別為2.19 μW/m3、1.75 μW/m3、1.69 μW/m3,而礫巖的生熱率最低,為1.00 μW/m3,砂巖的生熱率平均值為1.07 μW/m3,泥巖的生熱率平均值為1.72 μW/m3,煤的生熱率平均值為1.32 μW/m3。

4 討論

4.1 影響因素

(1) 深度 從姚二三段至青一段的生熱率數值具有上升趨勢,而從泉二段至登四段生熱率數值下降,可見生熱率和深度的變化并沒有明顯的線性關系。結合生熱率隨深度變化圖,并參考黃少鵬[29]的觀點,可知生熱率和深度并不存在簡單的一元線性關系。

(2) 巖性 巖石中的自然伽馬值與黏土礦物的含量有關,巖石中黏土礦物的含量越低巖石的放射性就越低[29],所以礫巖的放射性要低于砂巖和泥巖,因而徐家圍子斷陷沉積層中礫巖的生熱率要略低于砂巖,泥巖的生熱率高于砂巖。而煤是由生物遺體堆積經物理化學作用轉化而成,放射性物質含量較低,生熱率的值也較低,故煤層的生熱率要明顯低于泥巖。

放射性物質在火山巖中含量較多,U和Th在酸性巖石的含量是其他巖性巖石的百倍,同時K在酸性鹽和中性巖中的含量也不低于其他巖石[26]。徐家圍子斷陷中含有的火山巖有火山熔巖類、火山碎屑熔巖類、正?；鹕剿樾紟r類、火山-沉積碎屑巖類4類巖石?；鹕饺蹘r類從基性到酸性分別為玄武巖、安山巖、英安巖、流紋巖、粗面巖;火山碎屑熔巖分別為火山角礫巖、火山角礫凝灰巖、凝灰熔巖;正?；鹕剿樾紟r分別為火山集塊巖、火山角礫巖、凝灰巖、熔結凝灰巖;火山-沉積碎屑巖分別為火山角礫巖、沉凝灰巖、凝灰質砂礫(或者砂、粉砂、泥)巖。所以徐家圍子斷陷火山巖中流紋巖的生熱率最高,安山巖和火山角礫巖的生熱率也較高,且遠遠高于礫巖、砂巖和泥巖的生熱率。

4.2 生熱率與熱流

熱流(q)可分為地幔熱流(qm)和地殼熱流(qc),地殼熱流(qc)主要來自沉積層放射性物質(U、K、Th)衰變所產生的熱量;地幔熱流(qm)則來自軟流圈傳遞給巖石圈的固體的熱量。沉積層放射性物質的熱流貢獻主要由沉積層的厚度和沉積層放射性元素的豐度決定[31]。

沉積層的熱流(qs)計算公式為

(4)

其中:Ai是沉積層第i層的生熱率的數值;Zi是沉積層第i層的厚度;n是沉積層的層數。

根據鉆井資料顯示,安達凹陷、升平凸起、徐西凹陷、徐東斜坡、徐南凹陷的沉積層平均厚度分別是4 200 m、3 300 m、3 800 m、400 m、4 600 m,由式(4)計算得到的沉積層熱流貢獻率分別為5.16 mW/m2、4.06 mW/m2、4.67 mW/m2、5.28 mW/m2、5.69 mW/m2,大地熱流值分別為57.76 mW/m2、67.31 mW/m2、66.37 mW/m2、79.45 mW/m2、61.93 mW/m2。沉積層放射性物質生熱對這5個地區的大地熱流的貢獻率分別為9%、6%、7%、6%、9%。沉積層放射性物質生熱對地表熱流的貢獻率與地表熱流呈負相關,表明沉積層放射性物質產生的熱量對大地熱流的影響并不是主要的?？刂片F今大地熱流的主要因素是基地起伏,隆起區的大地熱流值較高,但在凹陷地區生熱率較高,沉積厚度大,則沉積層放射性物質生熱對大地熱流的熱流貢獻將占較高的比重。

大地熱流值與基底起伏呈正相關，與沉積層放射性物質的生熱對大地熱流的貢獻呈負相關，如圖7所示。由圖7可知,大地熱流變化曲線圖與基底起伏變化趨勢相同，隆起區的熱流較高，凹陷區的熱流較低，安達凹陷區的熱流值明顯低于升平凸起區的熱流值；在高大地熱流的隆起區，沉積層放射性生熱對大地熱流的貢獻小，而在低大地熱流值的凹陷區，沉積層放射性物質對大地熱流的貢獻高。因此在研究凹陷地區的地溫場特征時，沉積層放射性物質生熱對地溫場影響更加顯著。

圖7 徐家圍子斷陷AA′剖面熱流結構示意圖Fig.7 Schematic diagram of heat flow distribution in AA′ section of Xujiaweizi fault depression

不同地區沉積層放射性物質生熱率對大地熱流的貢獻結果表明,徐家圍子斷陷沉積層放射性物質生熱對大地熱流的貢獻平均值是4.92 mW/m2,約占大地熱流70.5 mW/m2的7%,這種增溫意義直觀表現在地溫梯度上,使得徐家圍子斷陷現今地溫梯度40.8 ℃/km中2.8 ℃/km由沉積層放射性物質生熱引起。沉積層放射性物質生熱的增溫效應會明顯增加深層(深度大于4.5 km)和超深層(深度超過6 km)溫度,分別能提高12.6 ℃和16.8 ℃。根據油氣有機成因理論,烴源巖的熱演化與時間呈線性關系,與溫度呈指數關系,溫度每升高10 ℃,反應速率將提高1倍。所以沉積層放射性物質生熱的增溫效應對徐家圍子斷陷深層-超深層烴源巖熱演化有促進意義,在對松遼盆地進行油氣資源評價時要重點研究。同時對于“冷盆”即地低溫梯度、低大地熱流值的盆地,沉積層放射性物質生熱對地殼流和地表熱流的貢獻要更大,對地溫場特征影響顯著,所以在研究盆地熱狀態時,沉積層放射性物質生熱的研究不可或缺。

5 結論

基于GR-A公式計算的徐家圍子斷陷沉積層3 063個生熱率數據,對徐家圍子斷陷沉積層放射性物質生熱率的特征以及生熱率與大地熱流之間的關系進行分析,得到以下結論:

(1) 由計算所得的生熱率值與實測值進行對比,Bücker等[17]提出的公式(2)對徐家圍子斷陷沉積層生熱率計算是可靠的,徐家圍子斷陷的生熱率值為(1.229±0.394) μW/m3。

(2) 生熱率和深度沒有顯著的關系,青一段的生熱率值最高,為1.90 μW/m3,登一段的生熱率數值最低,為0.81 μW/m3,嫩二段、嫩一段、姚二三段、姚一段、青二三段、泉四段、泉三段、泉二段、泉一段、登四段、登三段、登二段、登一段、營城組、沙河子組和火石嶺組的生熱率值分別為1.47 μW/m3、1.64 μW/m3、1.12 μW/m3、1.12 μW/m3、1.73 μW/m3、1.38 μW/m3、1.19 μW/m3、1.73 μW/m3、1.06 μW/m3、1.04 μW/m3、1.19 μW/m3、1.73 μW/m3、1.06 μW/m3、1.50 μW/m3、1.33 μW/m3、0.98 μW/m3。

(3) 巖性是生熱率的主要影響因素。流紋巖的生熱率最高,平均值為2.30 μW/m3,火山角礫巖的生熱率平均值也較高,為1.69 μW/m3,而礫巖的生熱率最低,為1.00 μW/m3,砂巖的生熱率平均值為1.07 μW/m3,泥巖的生熱率平均值為1.72 μW/m3,煤的生熱率平均值為1.32 μW/m3。

(4) 沉積層放射性物質生熱對大地熱流的貢獻為4.92 mW/m2,約占大地熱流70.5 mW/m2的7%,與大地熱流呈負相關,地表熱流主要受基地起伏影響。沉積層放射性物質對大地熱流的貢獻在凹陷區較高,隆起區較低。

(5) 沉積層放射性物質生熱能夠有效促進烴源巖深層-超深層的熱演化,沉積層放射性生熱的增溫效應對凹陷地區的地溫場研究有重要意義。在研究盆地熱狀態時,對沉積層放射性物質生熱的研究不可或缺。