雅布赖盆地萨尔台凹陷侏罗系新河组有效烃源岩研究

都鹏燕，高 岗，魏 涛，赵乐义 ，杨 军，李 涛，王建国

1.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249 2.同济大学海洋与地球科学学院，上海 200092 3.中国石油玉门油田公司勘探开发研究院，甘肃 酒泉 735019

0 引言

雅布赖盆地地跨内蒙古和甘肃两省，位于阿拉善地块北部弱活化带，其中的2条大的正断层分别沿北大山北部边缘和雅布赖山南部边缘呈东西向展布[1-2]，盆地面积约1.5×104km2。盆地具有“东隆西坳、南断北超”的构造格局，其中西部坳陷可划分为红杉湖凹陷、黑茨湾凸起、萨尔台凹陷3个二级构造带(图1)。萨尔台凹陷位于西部坳陷的南部，自西向东具有盐场次凹、黑沙低凸起、小湖次凹、红刺梁低凸起、梭托次凹5个三级构造带(图1)，其中盐场次凹、小湖次凹和梭托次凹是盆地的生烃中心[3]。

图1 雅布赖盆地构造单元划分图Fig.1 Teclonic units of the Yabrai basin

雅布赖盆地自下而上沉积了前侏罗系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系和第四系。其中中侏罗统湖相暗色泥岩发育，自下而上依次发育青土井组(J2q)、新河组下段(J2x1)、新河组上段(J2x2)3套烃源岩层，而新河组下段是主力烃源岩层[3]，地层厚度约1 100 m，岩性主要为深灰色泥岩与浅灰色砂岩互层[2]，是本文的目标层段。

有效烃源岩是指有油气生成和排出，并且生成和排出的烃类足以形成工业性油气藏的岩石。因此，识别有效烃源岩是油气成藏研究的基础，尤其是对于低勘探程度区的资源潜力评价起着重要作用[4-5]。但是，雅布赖盆地勘探程度低，从20世纪六七十年代至今虽然已有探井获得工业油流，但是受地质条件复杂以及勘探资料限制的影响，雅布赖盆地已有的研究仅仅是在宏观上对烃源岩的地化特征进行研究，以及对构造演化、成藏期次等方面进行分析[6-10]，而对雅布赖盆地有效烃源岩的分布特征还未做深入研究。本文以雅布赖盆地萨尔台凹陷新河组下段为研究对象，根据烃源岩排烃原理，分析热解参数w(S1)与w(TOC)之间的关系，确定雅布赖盆地新河组下段有效烃源岩的w(TOC)下限值及单井有效烃源岩厚度，结合该区沉积相特征，分析有效烃源岩的分布特征，并初步分析成熟度对有效烃源岩w(TOC)下限值的影响，以期对雅布赖盆地的资源评价和油气勘探提供一定的指导作用。

1 有效烃源岩判别

目前来看，前人对于有效烃源岩已有很多研究成果和认识，对于其w(TOC)下限问题，很多人已经从不同角度进行过探讨[11-16]，但是还没有得到一个统一的标准。而依据烃源岩的生排烃机理可以得出，岩石如果只生成烃而不排出，则这种烃源岩对于常规油气藏的形成是没有意义的，这样的烃源岩不能称为有效烃源岩[14-16]。因此，烃源岩排烃w(TOC)下限值的确定对于判别有效烃源岩具有重要的作用。

而一般情况下，烃源岩生成的油气首先满足自身的饱和吸附量，多余的烃类才会排出。而有机碳含量越高，相同条件下生烃量也越高，越有利于超出源岩的饱和吸附量，从而发生排烃，这样残留烃量相对于总有机碳含量就降低了。所以本文依据烃源岩的上述生排烃原理，利用实际资料确定萨尔台凹陷新河组下段有效烃源岩w(TOC)下限值。

烃源岩中一旦生成油气，则其中的有机质就包括生成的油气与残余的固体有机质。对一套母质特征与成熟度变化不大的烃源岩来说，如果不发生排烃，则烃源岩中的生成物含量与总有机质含量之间存在正相关关系，即有机质含量越高，生成的油气就越多。由于岩石一般都存在饱和吸附量，一旦生成的油气量超过饱和吸附量，多余的油气必然要排出烃源岩，这样总有机质含量与生成的油气量之间的相关关系就会发生变化。在母质特征相近时，随有机碳含量增加，生成的烃量也增加；当有机碳含量达到一定值后，生成的烃量就会达到烃源岩饱和吸附；当有机碳含量继续增加时，生成的烃满足饱和吸附后就会排出；从而较高的有机碳含量对应的烃源岩中的已生烃量就代表了部分烃类排出后残留的烃类，其含量就偏离正常的变化趋势而降低。此时正常变化趋势下残余烃类含量开始降低时所对应的w(TOC)就预示了烃源岩开始排烃而成为有效烃源岩，因此该w(TOC)即为有效烃源岩的w(TOC)下限值[16-17]。

在烃源岩有机地化分析测试中，w(TOC)与热解w(S1)是常规的分析项目，其中w(TOC)代表总有机碳质量分数，热解w(S1)代表烃源岩的残留生烃量。根据上述有效烃源岩判别的基本原理，利用烃源岩的常规有机地化分析测试数据，即可识别有效烃源岩。

为了防止不同次凹有机质类型和成熟度不同而导致有效烃源岩的w(TOC)下限值不同，本文对萨尔台凹陷盐场次凹、小湖次凹以及梭托次凹的新河组下段泥岩样品进行测试，分别选取盐场次凹347个、小湖次凹354个、梭托次凹66个有机质成熟样品，分析热解参数w(S1)与w(TOC)的关系。

萨尔台凹陷新河组下段烃源岩在一定范围内，烃源岩热解w(S1)与w(TOC)具有正相关关系，即随w(TOC)的增大，w(S1)也增大；随着源岩丰度增加，当w(TOC)达到一定值后，w(TOC)和w(S1)不再具有正相关关系。即在w(TOC)达到一个高值之后，大多数源岩样品的w(S1)随w(TOC)的增加变得比较平缓，有些甚至具有减少的趋势(图2a—c)。根据前述烃源岩生排烃原理可理解为，由于烃源岩生成的烃在w(TOC)达到一定值之后排出源岩，从而导致了w(TOC)和w(S1)关系的上述变化特征。

S1/ TOC 与w(TOC)的关系趋势可以更明了地表示w(TOC)和w(S1)的关系变化(图2d—f)：在相同的烃源岩w(TOC)条件下， S1/ TOC越高，表示烃源岩排出的烃越少；而随着w(TOC)增加， S1/ TOC反而降低的部分就代表了烃源岩生成的烃类排出了源岩。随着w(TOC)的增加， S1/ TOC开始时为上升趋势，后来在w(TOC)的某个点之后而出现下降趋势；这一上升和下降的拐点所对应的w(TOC)即是烃源岩的w(TOC)下限值。

用上述方法所确定的萨尔台凹陷盐场次凹新河组下段烃源岩w(TOC)下限值约为1.00%(图2a)，小湖次凹新河组下段w(TOC)下限值约为0.70%(图2b)；如果w(TOC)低于该下限值，泥岩不发生排烃，梭托次凹新河组下段明显没有上述的拐点特征，说明该层段泥岩还不具备排烃条件(图2c)。

a，d. 盐场次凹； b，e. 小湖次凹；c，f. 梭托次凹。图2 萨尔台凹陷新河组下段有效烃源岩排烃w(TOC)下限分析图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 有效烃源岩分布特征

萨尔台凹陷已钻遇探井有十几口，可以通过统计每口井新河组下段w(TOC)大于下限值的暗色泥岩厚度，然后结合不同沉积相的泥地比计算各井新河组下段的有效烃源岩厚度，从而绘制有效烃源岩厚度等值线图。然而，由于实验测得的w(TOC)往往是部分泥岩段的w(TOC)，数据有限、分布离散，很难进行有效烃源岩厚度的确定。因此，需要利用测井方法对各井的w(TOC)进行预测，从而得到连续的w(TOC)数据。

通常情况下，对于不同的岩性，他们各自的声波时差(AC)、自然伽马(GR)和电阻率(Rt)等测井曲线都具有不同的特征[16]。对于烃源岩，尤其是成熟烃源岩，普遍具有低密度、高声波时差、高中子、高电阻率、高自然伽马的测井曲线特征[18-19]。因此可以通过以上测井曲线特征在单井中识别烃源岩。利用测井资料计算烃源岩有机碳含量可以有多种方法。调研前人的研究得知，将声波时差和电阻率结合来预测w(TOC)的方法——ΔlogR法是最准确、最常用的方法，其在国外许多海相盆地和我国东部中新生代盆地中得到了应用，且应用效果较好[20-22]。利用该方法可以对萨尔台凹陷各井新河组下段中无分析数据的烃源岩w(TOC)进行预测，然后与实测w(TOC)相结合进行有机质丰度评价。

ΔlogR法是以烃源岩的生烃会导致电阻率的增大，烃源岩的高w(TOC)一般会引起声波时差的增大为原理，利用电阻率测井曲线和声波时差测井曲线重叠来对烃源岩w(TOC)进行预测[25]。具体预测方法如下：

1)首先需将电阻率和声波时差的坐标轴按相反的方向放置，其中电阻率用对数坐标，声波时差用算术坐标。在坐标刻度的选择上，电阻率刻度的一个数量级(如1～10 Ω·m)对应声波时差间隔为164 μs/m。

2)其次，结合自然伽马或自然电位曲线特征，划分渗透性与非渗透性岩层。

3)然后确定基线。声波时差曲线和电阻率曲线在一定深度范围内完全重叠时为基线。w(TOC)预测的关键是基线的确定，基线段对应于非烃源岩段，声波时差和电阻率都最小。因为电阻率曲线采用对数坐标，水平方向移动时，刻度不方便把握。所以，一般采取的做法是固定其左右端点值，水平方向移动声波时差曲线来实现两条曲线的重叠。值得注意的是，移动声波时差曲线时，应整体移动，保持左右端点处的刻度区间长度不变，使得电阻率每个数量级对应于声波时差的间隔为164 μs/m。

4)ΔlogR法重叠曲线的变量关系如下：

ΔlogR=lg(Rt/Rt基线)+0.02(Δt-Δt基线)。

(1)

式中：Rt指岩石电阻率，Ω·m；Δt指声波时差，μs/m；Δt基线指声波时差的基线值；Rt基线指对应于声波时差基线的电阻率基线值；系数0.02是基于上述所阐述的每164 μs/m的声波时差Δt相当于电阻率Rt的一个数量级，也即电阻率的一个对数坐标单位[26]。

5)将标准井的w(TOC)与ΔlogR进行拟合，确定系数a，b，得到如下拟合公式：

w(TOC)=aΔlogR+b。

(2)

6)最后通过标准井得到的拟合公式(2)进行其他井的烃源岩w(TOC)预测(图3)，本文所确定的系数a=2.004 6，b=0.599 6。

值得注意的是，这里应该选择实测w(TOC)数据多、与周围井处于相同环境的探井作为标准井。此外，由于测井的深度与取心深度有时会存在误差，所以在用ΔlogR法进行w(TOC)预测前，首先需要对各单井的实测w(TOC)进行深度归位，提高w(TOC)预测的准确度。

根据预测的w(TOC)数据和w(TOC)下限值，在各单井上识别有效烃源岩，并结合沉积相特征，统计每口井新河组下段有效烃源岩的厚度，绘制出萨尔台凹陷新河组下段的有效烃源岩厚度等值线图(图4)。可以得出：萨尔台凹陷新河组下段有效烃源岩在小湖次凹分布广泛，累计厚度大，最厚将近600 m；而在盐场次凹，有效烃源岩累计厚度小，大都小于100 m；梭托次凹有效烃源岩不发育。

3 成熟度对有效烃源岩w(TOC)下限值的影响

烃源岩有机质是否成熟决定了烃源岩是否大量生烃，那么对于有效烃源岩，其w(TOC)下限值是否会由于有机质处于成熟阶段，或高熟阶段等不同阶段而受到影响呢？本文以萨尔台凹陷小湖次凹为例，对该问题进行初步分析。

由前人[3，27]研究可知，雅布赖盆地新河组下段有机质类型以Ⅱ型为主，所以，根据邬立言等[28]的“Tmax划分有机质成熟度界限表”，可以将Tmax值大于435 ℃的有机质划分为成熟有机质，其中为435～455 ℃为成熟阶段，455～490 ℃为高成熟阶段，Tmax>490 ℃为过成熟阶段。Tmax值越大，说明有机质成熟度越高。本文将Tmax以10 ℃间距划分成不同成熟度区间，研究萨尔台凹陷烃源岩成熟度对有效烃源岩w(TOC)下限值的影响。由于萨尔台凹陷的盐场次凹和梭托次凹成熟烃源岩样品少且Tmax分布范围小，对于研究上述问题不具备典型性，而小湖次凹成熟烃源岩样品丰富，岩石热解峰温值分布范围大，因此本文用小湖次凹244个样品数据进行分析研究(图5)。

在Tmax为435～445 ℃区间内(194个样品)，由烃源岩w(TOC)与w(S1)的关系(图5a)可见，烃源岩在w(TOC)大约为1.1%处w(S1)值开始趋于平稳，不再增加， S1/ TOC也在w(TOC)为1.1%处从增加趋势转变为减小的趋势(图5b)，说明在该成熟度区间内，有效烃源岩的w(TOC)下限值大约为1.1%(图5a)。而在Tmax为445～455 ℃区间内(44个样品)，明显可以看到有效烃源岩的排烃w(TOC)下限值为0.5%(图5c)。Tmax> 455 ℃的样品只有6个，不具代表性。根据以上数据分析可知，烃源岩在成熟阶段，成熟度越高，其w(TOC)下限值越小。

图3 萨尔台凹陷雅探2井(标准井，左)、雅探3井(右)新河组下段w(TOC)预测结果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

图4 萨尔台凹陷新河组下段有效烃源岩厚度等值线图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 ℃。图5 小湖次凹新河组下段不同成熟度区间有效烃源岩w(TOC)下限分析图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

应该指出的是，对于烃源岩在高成熟和过成熟阶段，其w(TOC)下限值是否也会有这样的特征，还需要更多数据来分析研究。对于上述结论是否适用于其他盆地，也还需要通过分析更多盆地的样品数据来进一步落实。

4 结论

1)雅布赖盆地萨尔台凹陷不同次凹的新河组有效烃源岩下限值与发育特征各不相同，通过分析泥岩样品的w(TOC)和热解w(S1)的关系，确定了烃源岩排烃下限，其中盐场次凹新河组下段泥岩排烃w(TOC)下限约1.00%，小湖次凹新河组下段泥岩排烃w(TOC)下限约0.70%，梭托次凹新河组下段泥岩不具备排烃条件。这一方法同时考虑了烃源岩的生烃特征和排烃特征，具有很好的应用价值。

2)萨尔台凹陷新河组下段有效烃源岩分布范围广，厚度大，有效烃源岩主要分布在小湖次凹中央洼槽带，最大厚度将近600 m，在梭托次凹不发育有效烃源岩。

3)通过对有效烃源岩的排烃w(TOC)下限值与热解峰温进行分析对比，初步得出有效烃源岩排烃w(TOC)下限值与成熟度的关系：排烃萨尔台凹陷新河组下段处于成熟阶段的烃源岩，成熟度越高，有效烃源岩的w(TOC)下限值越低。

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