基于自然伽马测井的徐家围子断陷沉积层生热率研究

毕 然,朱焕来,2,杜先利,2

(1.东北石油大学地球科学学院,黑龙江 大庆 163318; 2.东北石油大学地热能研究中心,黑龙江 大庆 163318)

地球内部主要的热量来源于岩石中的放射性元素衰变释放出的大量热能。自然界中存在60多种极为不稳定的放射性元素,这些元素满足一定丰度、较高的产热量以及半衰期与地球年龄相当这3个条件才能明显影响地球内部的热量。而满足这3种条件的放射性元素只有铀(U)、钍(Th)、钾(K),它们在地壳中所释放的热量对地表热流的贡献率高达30%～40%[1]。

岩石的放射性生热率(A)是最主要的岩石热物性之一,是单位时间内放射性元素衰变而释放的大量热能。由于岩石的生热率等热物性参数对研究地球内部热情况、岩石圈的热结构、地表热流以及油气勘探开发等有重要的指导意义[2-9],所以近年来愈发重视对岩石的热物性参数的研究[10-11]。

目前,有3种方法可获得岩石中放射性物质的生热率:(1)结合岩石的测量密度,利用地球化学的方法直接测量岩石中铀(U)、钍(Th)、钾(K)的含量,根据前人提出的经验公式来计算岩石的放射性物质的生热率[12-14],虽然这种方法确定的生热率数据质量较好,但需要收集大量的岩石样品,所需要测试的时间久且花费的成本较高;(2)利用地震波测量计算岩石中放射性物质的生热率,由于该方法得到的生热率数据质量较差,所以适用于中下层地壳放射性物质生热率的测量计算[15-16];(3)通过地球物理测井的方法测得测井中岩石天然放射性强度(自然伽马测井)或者铀(U)、钍(Th)、钾(K)的含量(自然伽马能谱测井),再根据前人提出的自然伽马(GR)与岩石放射性物质生热率(A)之间的经验公式计算得到岩石放射性物质的生热率[16-19],该方法相较于地球化学方法,得到的生热率数据质量较高,同时简明快速,节省成本。

前人研究表明[20],徐家围子现今地温梯度在3.7～4.7 ℃/100 m,平均为4.0 ℃/100 m;大地热流在52.8～117.3 mW/m2之间,平均值为73.01 mW/m2;安达凹陷、升平凸起、徐西凹陷、徐东斜坡、徐南凹陷的大地热流值分别为57.76 mW/m2、67.31 mW/m2、66.37 mW/m2、79.45 mW/m2、61.93 mW/m2。总体来说,地温场的特征主要受基底起伏控制,凹陷区低,隆起区高。前人对徐家围子生热率研究较少,李志安[21]直接测量岩石样品中放射性产热元素U、Th、K元素的含量,根据生热率和放射性元素之间的关系计算松辽盆地各地层的生热率,但是对于深部岩层无法直接取样计算。

为计算徐家围子的岩石生热率,利用该研究区18口井的自然伽马值,采用Rybach[16]、Bücker等[17]及骆淼等[18]提出的3种计算方法。通过与实测数据的对比确定适用于研究区的GR-A的经验关系,此外还计算沉积层放射性物质生热对大地热流的贡献,定量分析沉积层放射性物质对深部地层的增温效应。研究徐家围子沉积层生热率及其热流贡献,是研究该地区现今地温场特征的一部分,可为研究区深层-超深层烃源岩热演化、大地热流、能源勘探等提供可靠的热物性参数。

1 地质背景

徐家围子断陷是松辽盆地主要的生气断陷之一,该断陷形成于晚侏罗纪-早白垩世早期[22]。徐家围子的内部构造主要可划分为：安达次坳、杏山次坳、薄荷台次坳、徐西凹陷和徐东斜坡带等,如图1所示。徐家围子断陷是西断东超型箕型断陷,在沙河子组时期沉积后升西断裂带发生强烈活动,之后形成断弯褶皱,褶皱顶部遭受到强烈侵蚀,在营城组沉积之后褶皱再次发育[23],徐家围子断陷内各个构造单元具有构造运动和火山活动双重成因机制[24]。

徐家围子断陷地层由下到上依次发育有石炭-二叠系变质岩基底、白垩系下统火石岭组、沙河子组、营城组、登娄库组、泉头组、青山口组、姚家组和嫩江组,如图2所示[25],发育冲积扇相、河流相、湖漫相、湖泊相、扇三角洲相、湖底扇相等类型的沉积相[26]。

2 方法与原理

自然伽马测井计算生热率的理论基础是:γ射线探测器可以探测到地层岩石中U、Th、40K等放射性元素衰变发出的γ射线,探测器发生电离,将γ射线转换为电脉冲信号,并将此信号送到井下的前置放大器放大,然后再将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计数率电路,该电路会将脉冲信号转换成单位时间内与脉冲数成正比的电位差,由记录仪器记录连续的电位差,最终得到自然伽马测井曲线[27-28]。

图1 徐家围子断陷构造Fig.1 Geological setting of Xujiaweizi fault depression

1986年,Rybach[16]提出岩石生热率与自然伽马值的线性关系为

A1=0.014 5(GR(API)-5.0)。

(1)

1996年,Bücker等[17]通过大量的实测资料,对生热率和自然伽马值的线性关系做进一步的修改:

A2=0.015 8(GR(API)-0.8)。

(2)

2008年,骆淼等[18]利用中国大陆科学钻探(CCSD)主孔自然放射性测井数据资料,计算出新的岩石生热率和自然伽马值线性关系为

A3=0.011 5(GR(API)+9.1)。

(3)

由于自然伽马测井仪对地层中放射性元素U、Th、40K的灵敏性和公式(1)对应的元素含量具有相似的系数,并且地层中放射性元素Th/U、K/U的比值是恒定的[28],则在一定的钻孔深度间隔,放射性元素的生热率与自然伽马测井值必然有线性关系[27]。

注:层序级别和层序界面的划分依据2006年大庆油田研究院研究成果。图2 徐家围子断陷地层综合柱状图Fig.2 Lithology histogram of Xujiaweizi fault depression

收集整理研究区137口钻井数据,选取其中18口重点井,运用公式(1)～(3)3种方法计算研究区的岩石生热率。以肇深10井为例,3种方法计算得到的生热率如图3所示。3种计算公式的结果表明生热率的变化趋势是一致的,仅为计算的数据结果不同,式(2)计算得到的岩石生热率值最大,式(1)计算得到的岩石生热率值次之,式(3)计算得出的岩石生热率最小。岩石生热率与岩石岩性密切相关,岩性不同,岩石生热率有所差异。

注:A1为根据式(1)计算的生热率; A2为根据式(2)计算的生热率;A3为根据式(3)计算的生热率。图3 徐家围子断陷肇深10井GR-A曲线图Fig.3 GR-A graph of borehole zhaoshen 10 inXujiaweizi fault depression

3 计算结果

为提高数据计算的准确性,每3 m取一个自然伽马值,如对肇深10井进行取样,分别取1 530 m、1 533 m、…、4 276 m、4 279 m深度的伽马值,18口井总共取3 063个自然伽马值。不同公式计算出的生热率值与实测值对比如表1所列。表1中公式(1)计算得到的生热率的平均值为(1.070±0.360) μW/m3;公式(2)计算得到的生热率的平均值为(1.229±0.394) μW/m3;公式(3)计算得到的生热率的平均值为(1.008±0.287) μW/m3。

徐家围子断陷生热率统计直方图如图4所示。由图4可以看出3种公式计算得到的生热率数值均在0.8～2.4 μW/m3之间,占主体的90%左右。而公式(2)计算的得到生热率与实测值最为接近,所以公式(2)计算得出的结果是可靠的。

表1 不同公式计算出的生热率值与实测值对比

图4 徐家围子断陷生热率统计直方图Fig.4 Statistical histogram of heat production rate in Xujiaweizi fault depression

将公式(2)计算得到的3 063个生热率数值按层位进行统计,得到不同层位的岩石生热率的平均值如图5所示。由图5可知,青一段的生热率值最高,为1.90 μW/m3；而登一段的生热率数值最低,为0.81 μW/m3。

将公式(2)计算得到的3 063个生热率数值按岩性进行统计,得到了不同岩性的生热率的平均值及范围如表2所列,生热率分布直方图如图6所示。主要岩性的生热率分布范围显示,流纹岩的生热率主要分布在1.38～3.2 μW/m3;火山角砾岩主要分布在0.8～3.2 μW/m3;砾岩主要分布在0.8～2 μW/m3;砂岩主要分布在0.8～2 μW/m3;泥岩主要分布在1.6～2.8 μW/m3;煤主要分布在0.8～3.2 μW/m3;安山岩主要分布在0.8～2.8 μW/m3。

图5 徐家围子断陷不同地层平均生热率Fig.5 The mean heat production rate of the sedimentary formations in Xujiaweizi fault depression

表2 不同岩性生热率统计

图6徐家围子断陷岩性-生热率分布直方图Fig.6 Histogram of heat production rate of different lithologoes in Xujiaweizi fault depression

不同岩性生热率的差别较大,流纹岩的生热率最高,平均值为2.30 μW/m3,凝灰岩、安山岩、火山角砾岩的生热率平均值也较高,分别为2.19 μW/m3、1.75 μW/m3、1.69 μW/m3,而砾岩的生热率最低,为1.00 μW/m3,砂岩的生热率平均值为1.07 μW/m3,泥岩的生热率平均值为1.72 μW/m3,煤的生热率平均值为1.32 μW/m3。

4 讨论

4.1 影响因素

(1) 深度 从姚二三段至青一段的生热率数值具有上升趋势,而从泉二段至登四段生热率数值下降,可见生热率和深度的变化并没有明显的线性关系。结合生热率随深度变化图,并参考黄少鹏[29]的观点,可知生热率和深度并不存在简单的一元线性关系。

(2) 岩性 岩石中的自然伽马值与黏土矿物的含量有关,岩石中黏土矿物的含量越低岩石的放射性就越低[29],所以砾岩的放射性要低于砂岩和泥岩,因而徐家围子断陷沉积层中砾岩的生热率要略低于砂岩,泥岩的生热率高于砂岩。而煤是由生物遗体堆积经物理化学作用转化而成,放射性物质含量较低,生热率的值也较低,故煤层的生热率要明显低于泥岩。

放射性物质在火山岩中含量较多,U和Th在酸性岩石的含量是其他岩性岩石的百倍,同时K在酸性盐和中性岩中的含量也不低于其他岩石[26]。徐家围子断陷中含有的火山岩有火山熔岩类、火山碎屑熔岩类、正常火山碎屑岩类、火山-沉积碎屑岩类4类岩石。火山熔岩类从基性到酸性分别为玄武岩、安山岩、英安岩、流纹岩、粗面岩;火山碎屑熔岩分别为火山角砾岩、火山角砾凝灰岩、凝灰熔岩;正常火山碎屑岩分别为火山集块岩、火山角砾岩、凝灰岩、熔结凝灰岩;火山-沉积碎屑岩分别为火山角砾岩、沉凝灰岩、凝灰质砂砾(或者砂、粉砂、泥)岩。所以徐家围子断陷火山岩中流纹岩的生热率最高,安山岩和火山角砾岩的生热率也较高,且远远高于砾岩、砂岩和泥岩的生热率。

4.2 生热率与热流

热流(q)可分为地幔热流(qm)和地壳热流(qc),地壳热流(qc)主要来自沉积层放射性物质(U、K、Th)衰变所产生的热量;地幔热流(qm)则来自软流圈传递给岩石圈的固体的热量。沉积层放射性物质的热流贡献主要由沉积层的厚度和沉积层放射性元素的丰度决定[31]。

沉积层的热流(qs)计算公式为

(4)

其中:Ai是沉积层第i层的生热率的数值;Zi是沉积层第i层的厚度;n是沉积层的层数。

根据钻井资料显示,安达凹陷、升平凸起、徐西凹陷、徐东斜坡、徐南凹陷的沉积层平均厚度分别是4 200 m、3 300 m、3 800 m、400 m、4 600 m,由式(4)计算得到的沉积层热流贡献率分别为5.16 mW/m2、4.06 mW/m2、4.67 mW/m2、5.28 mW/m2、5.69 mW/m2,大地热流值分别为57.76 mW/m2、67.31 mW/m2、66.37 mW/m2、79.45 mW/m2、61.93 mW/m2。沉积层放射性物质生热对这5个地区的大地热流的贡献率分别为9%、6%、7%、6%、9%。沉积层放射性物质生热对地表热流的贡献率与地表热流呈负相关,表明沉积层放射性物质产生的热量对大地热流的影响并不是主要的。控制现今大地热流的主要因素是基地起伏,隆起区的大地热流值较高,但在凹陷地区生热率较高,沉积厚度大,则沉积层放射性物质生热对大地热流的热流贡献将占较高的比重。

大地热流值与基底起伏呈正相关，与沉积层放射性物质的生热对大地热流的贡献呈负相关，如图7所示。由图7可知,大地热流变化曲线图与基底起伏变化趋势相同，隆起区的热流较高，凹陷区的热流较低，安达凹陷区的热流值明显低于升平凸起区的热流值；在高大地热流的隆起区，沉积层放射性生热对大地热流的贡献小，而在低大地热流值的凹陷区，沉积层放射性物质对大地热流的贡献高。因此在研究凹陷地区的地温场特征时，沉积层放射性物质生热对地温场影响更加显著。

图7 徐家围子断陷AA′剖面热流结构示意图Fig.7 Schematic diagram of heat flow distribution in AA′ section of Xujiaweizi fault depression

不同地区沉积层放射性物质生热率对大地热流的贡献结果表明,徐家围子断陷沉积层放射性物质生热对大地热流的贡献平均值是4.92 mW/m2,约占大地热流70.5 mW/m2的7%,这种增温意义直观表现在地温梯度上,使得徐家围子断陷现今地温梯度40.8 ℃/km中2.8 ℃/km由沉积层放射性物质生热引起。沉积层放射性物质生热的增温效应会明显增加深层(深度大于4.5 km)和超深层(深度超过6 km)温度,分别能提高12.6 ℃和16.8 ℃。根据油气有机成因理论,烃源岩的热演化与时间呈线性关系,与温度呈指数关系,温度每升高10 ℃,反应速率将提高1倍。所以沉积层放射性物质生热的增温效应对徐家围子断陷深层-超深层烃源岩热演化有促进意义,在对松辽盆地进行油气资源评价时要重点研究。同时对于“冷盆”即地低温梯度、低大地热流值的盆地,沉积层放射性物质生热对地壳流和地表热流的贡献要更大,对地温场特征影响显著,所以在研究盆地热状态时,沉积层放射性物质生热的研究不可或缺。

5 结论

基于GR-A公式计算的徐家围子断陷沉积层3 063个生热率数据,对徐家围子断陷沉积层放射性物质生热率的特征以及生热率与大地热流之间的关系进行分析,得到以下结论:

(1) 由计算所得的生热率值与实测值进行对比,Bücker等[17]提出的公式(2)对徐家围子断陷沉积层生热率计算是可靠的,徐家围子断陷的生热率值为(1.229±0.394) μW/m3。

(2) 生热率和深度没有显著的关系,青一段的生热率值最高,为1.90 μW/m3,登一段的生热率数值最低,为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、营城组、沙河子组和火石岭组的生热率值分别为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) 岩性是生热率的主要影响因素。流纹岩的生热率最高,平均值为2.30 μW/m3,火山角砾岩的生热率平均值也较高,为1.69 μW/m3,而砾岩的生热率最低,为1.00 μW/m3,砂岩的生热率平均值为1.07 μW/m3,泥岩的生热率平均值为1.72 μW/m3,煤的生热率平均值为1.32 μW/m3。

(4) 沉积层放射性物质生热对大地热流的贡献为4.92 mW/m2,约占大地热流70.5 mW/m2的7%,与大地热流呈负相关,地表热流主要受基地起伏影响。沉积层放射性物质对大地热流的贡献在凹陷区较高,隆起区较低。

(5) 沉积层放射性物质生热能够有效促进烃源岩深层-超深层的热演化,沉积层放射性生热的增温效应对凹陷地区的地温场研究有重要意义。在研究盆地热状态时,对沉积层放射性物质生热的研究不可或缺。