柳 波，賈夢成，黃志龍，陳 旋，申 英，吳紅燭

(1.東北石油大學 非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)省部共建國家重點實驗室培育基地，黑龍江 大慶 163318； 2.黑龍江省高等學?？萍紕?chuàng)新團隊“斷裂變形、封閉性及與流體運移”，黑龍江 大慶 163318； 3.中國石油大學 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 4.中國石油 吐哈油田公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 哈密 839009)

三塘湖盆地馬朗凹陷石炭系火山巖系烴源巖識別與預測

柳 波1,2，賈夢成1,2，黃志龍3，陳 旋4，申 英4，吳紅燭3

(1.東北石油大學 非常規(guī)油氣成藏與開發(fā)省部共建國家重點實驗室培育基地，黑龍江 大慶 163318； 2.黑龍江省高等學?？萍紕?chuàng)新團隊“斷裂變形、封閉性及與流體運移”，黑龍江 大慶 163318； 3.中國石油大學 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 4.中國石油 吐哈油田公司 勘探開發(fā)研究院，新疆 哈密 839009)

對三塘湖盆地馬朗凹陷主要探井的巖心進行了觀察、取樣，明確了烴源巖區(qū)別于火山巖尤其是凝灰?guī)r的測井響應特征，并通過地質(zhì)背景與實際井震對比分析，以火山巖與烴源巖的共生關系為依據(jù)，通過數(shù)學計算模型預測了本區(qū)石炭系各主要源巖層系的烴源巖分布。研究結果表明，本區(qū)火山巖系共發(fā)育兩大類烴源巖賦存型式，在火山巖與烴源巖之間存在4種共生關系，測井—地震響應特征明顯。石炭系哈爾加烏組和卡拉崗組火山巖與烴源巖的接觸關系不同，分屬2種不同的火山巖系烴源巖賦存型式，適用于不同的烴源巖厚度數(shù)學預測模型。烴源巖分布預測結果表明，卡拉崗組火山巖為陸上噴發(fā)，烴源巖空間上與火山巖相隔、獨立、正常沉積，分布相對局限；哈爾加烏組火山巖為水下噴發(fā)，烴源巖分布廣泛但在火山口之間形成多個次級厚度中心，平面分布非均質(zhì)性較強。

烴源巖預測；測井識別；地震相；火山巖系；馬朗凹陷；三塘湖盆地

隨著烴源巖非均質(zhì)性研究的深入，我國陸相碎屑沉積地區(qū)優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的有利環(huán)境，以及通過烴源巖地球化學評價、測井評價及地震識別相結合預測烴源巖分布范圍的研究，已經(jīng)收到了良好的勘探效果[1-3]。火山活動對同期鄰近地區(qū)湖泊、海洋生物的生長和優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育有重要影響。國內(nèi)外油氣勘探過程中也經(jīng)?？梢妰?yōu)質(zhì)烴源巖與火山巖相伴生的情況，如厄瓜多爾Oriente盆地圣地亞哥組[4]、我國鄂爾多斯盆地長7段[5]、漠河盆地伊列克的組[6]等?？傮w而言，由于火山巖系烴源巖橫向相變快，目前對火山巖與烴源巖發(fā)育之間的內(nèi)在聯(lián)系，尤其是用以指導優(yōu)質(zhì)烴源巖分布預測方面的研究還有所欠缺[7]。

新疆北部的準噶爾盆地、吐哈盆地、三塘湖盆地及周邊在經(jīng)歷石炭—二疊紀的克拉通過渡發(fā)展階段時，沉積了厚達2 000～5 000 m的火山巖系地層[8-9]，受海侵范圍控制，大規(guī)?；鹕絿姲l(fā)間歇期發(fā)育了大量烴源巖[10-11]。但是目前對新疆北部石炭系火山巖系烴源巖的發(fā)育模式、分布特征、預測方法還缺乏深入的研究[12-13]。其中，三塘湖盆地石炭系為1套海陸過渡相火山噴發(fā)巖及火山碎屑巖沉積，由于井數(shù)較少且鉆井取心資料相對缺乏，再加上火山巖的影響，凝灰?guī)r與泥巖物理性質(zhì)又極為相近，使得烴源巖識別準確性降低，錄井資料誤差較大，因此必須綜合各種資料和方法來識別烴源巖。此外，該套源巖與玄武巖、安山巖、火山碎屑巖共生，源巖非均質(zhì)性極強，厚度及分布預測難度大?？碧綄嵺`證實，目前已發(fā)現(xiàn)的石炭系火山巖油氣藏的空間位置均與共生烴源巖的分布有關，而烴源巖分布不明，嚴重制約了下一步油氣勘探[14]。

1 研究區(qū)地質(zhì)背景

三塘湖盆地中部自北向南依次發(fā)育了條山凸起、馬朗凹陷、葦北凸起、南緣沖斷帶4個二級構造單元(圖1)。研究區(qū)北—東部地區(qū)條山—葦北凸起是在石炭—二疊系火山巖噴發(fā)的古隆起基礎上繼承發(fā)育的?；鹕綆r屬堿性和鈣堿性系列，以玄武巖—玄武安山巖為主，其間夾有厚度小于10 m的單層，累積厚度20～80 m的鈣質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)泥巖。

26口井巖心觀察結果表明，本區(qū)石炭系內(nèi)幕哈爾加烏組火山碎屑巖比例小，顏色多為深灰綠色，火山沉積巖極為發(fā)育，并且含有豐富的海相化石?；鹕綆r與暗色泥巖之間為巖性突變面，上部為黑色泥巖，質(zhì)純，呈塊狀層理，下部為深灰色玄武巖，可見長石輕微蝕變，發(fā)生鈉長石化，總體以水下噴發(fā)堆積環(huán)境為主(圖2)。相比之下，卡拉崗組火山巖整體呈“紅頂綠底”的分帶現(xiàn)象，頂部為噴發(fā)間歇期紅褐色風化殼，發(fā)育柱狀節(jié)理，為陸上噴發(fā)環(huán)境，同沉積巖石形成于平面上遠離火山口分布的正常沉積體系。

圖2 三塘湖盆地馬朗凹陷哈爾加烏組烴源巖與火山巖接觸關系

2 石炭系烴源巖地球化學特征

馬朗凹陷哈爾加烏組烴源巖是石炭系主要的烴源巖和油氣來源[15]。由于以往認識的局限性，傳統(tǒng)觀點推測石炭系火山巖主要分布在研究區(qū)西南的深凹處。而隨著勘探程度的提高，目前已經(jīng)認識到這套提供油氣來源的烴源巖主要分布在東北凸起火山口之間，并與火山巖油藏緊密接觸，是火山噴發(fā)間歇期沉積產(chǎn)物；巖性以碳質(zhì)泥巖為主，暗色泥巖、油頁巖和煤層也見發(fā)育。烴源巖有機碳含量為0.19%～21.02%，生烴潛量為0.18～69.9 mg/g，平均達20.9 mg/g，熱解、H/C-O/C原子比等數(shù)據(jù)判識有機質(zhì)以Ⅱ-Ⅲ型干酪根為主，個別樣品為Ⅰ型干酪根。Ro為0.68%～1.12%，平均為0.92%，整體處于生油窗范圍內(nèi)。

最近又在哈爾加烏組上覆石炭系卡拉崗組鉆遇暗色灰質(zhì)泥巖，改變了以往該套地層為大套陸相火山巖夾紫紅色泥巖組合的認識[16]。地球化學分析表明，這套暗色泥巖有機碳含量為1.71%～6.89%，生烴潛量為4.58～31.22 mg/g，平均18.62 mg/g，有機質(zhì)類型以Ⅱ1型干酪根為主，Ro為0.83%左右，是一套潛在的烴源巖。

3 烴源巖測井識別方法

3.1 凝灰?guī)r與暗色泥巖的測井響應區(qū)別

泥質(zhì)烴源巖由于具有豐富的黏土礦物和有機質(zhì)，與自然伽馬、聲波時差、電阻率等不同測井參數(shù)之間具有較好的響應關系，關于測井識別和評價烴源巖的方法有大量的成功應用實例[17-19]。在取心井巖心觀察和巖石薄片鑒定，并結合地化數(shù)據(jù)的基礎上，對三塘湖盆地石炭系火山巖、凝灰?guī)r及烴源巖在單井上進行了標定。結果表明，具備生烴能力的源巖以碳質(zhì)泥巖為主，兼有凝灰質(zhì)泥巖及其他暗色泥巖。與凝灰?guī)r相比，由于烴源巖粒度較細，對有機質(zhì)的吸附性強，且飽含自身生成的烴類，而具有聲波時差較大、電阻率低到中等、中子密度較低、自然伽馬較高等特點。火山凝灰?guī)r測井響應特征則表現(xiàn)為中子密度值中到高，聲波時差低到中等，電阻率中到高值。

3.2 烴源巖測井識別

由此可采用聲波時差與密度測井曲線作為主要區(qū)分標準，自然伽馬、電阻率為輔助?？紤]到單一曲線區(qū)分的難度較大，引入2條復合曲線參數(shù)，以增加曲線對烴源巖的響應幅度：

AD=AC/DEN

(1)

GD=50GR/RD

(2)

式中：AC為聲波時差值，μs/m；DEN為中子密度，g/cm3；GR為自然伽馬，API；RD為電阻率，·m。

通過對全區(qū)取心段的測井標定，烴源巖與凝灰?guī)r的AD界線為105，GD界限為45左右。用2條復合參數(shù)曲線綜合起來區(qū)分火山凝灰?guī)r與烴源巖，識別的準確性大大加強，由此建立了三塘湖盆地火山巖與泥巖測井曲線定性識別模式(圖3)。

4 烴源巖地震識別方法

4.1 烴源巖地震響應模式

關于火山活動對優(yōu)質(zhì)烴源巖形成的影響[20]，主要表現(xiàn)為2方面：首先先期的火山噴發(fā)可能造就了有利于沉積的負地形；其次同期噴發(fā)的火山物質(zhì)以及熱作用形成的湖底熱液均有利于生物勃發(fā)。通過對石炭系地震反射特征以及地球化學、測井的

圖3 三塘湖盆地石炭系巖性測井識別模式AD=AC/DEN; GD=50GR/RD

綜合研究表明，在火山巖地層中，烴源巖主要有2種賦存型式(表1，圖4)：

(1)正常沉積型。烴源巖的形成時間與火山噴發(fā)期次無關，空間分布在火山活動的影響范圍之外，剖面巖性以厚層泥巖為主，與薄層砂巖、白云質(zhì)泥巖互層，地震剖面為充填型，為中—弱振幅、高頻率、較連續(xù)地震相。

正常沉積型的烴源巖賦存型式，與火山巖的共生關系存在2種方式。一是空間上遠離火山口，陸

上形成溢流相、溫度較高的中基性熔巖流遇到溫度較低的湖水，會在入湖處形成爆發(fā)相，這樣就在平面上形成了向湖方向依次發(fā)育的溢流相、爆發(fā)相及正常沉積相(圖4，A型)；另一種關系為火山水下噴發(fā)，在垂向上，巖漿底部為溢流相，向上與湖水接觸部為爆發(fā)相，火山噴發(fā)停止后，火山體上部接受水下沉積，形成厚層烴源巖(圖4，B型)。

(2)火山碎屑沉積型?？梢孕纬捎诨鹕絿姲l(fā)同期，受火山噴發(fā)中心位置影響，遠離火山口分布，巖性為薄層泥巖、凝灰質(zhì)泥巖，與火山熔巖、火山沉積巖互層，地震剖面為層狀，中—弱振幅、高頻率、斷連續(xù)地震相；也可以形成于火山噴發(fā)間歇期，受火山噴發(fā)中心位置影響，披覆于火山體之上，以薄層泥巖、碳質(zhì)泥巖為主，地震剖面為席狀披覆，中—強振幅、中頻率、較連續(xù)地震相。

火山碎屑沉積型亦分別對應于2種與火山巖的共生關系。一種是空間上受火山口分布控制，遠離火山口的部位沉積，常發(fā)育在2個火山錐體之間的凹地部位，距離火山口位置越近，泥質(zhì)含量越低，凝灰質(zhì)含量越高(圖4，C型)；另一種發(fā)育在多期火山噴發(fā)間歇期，這種沉積往往具有較高的凝灰質(zhì)含量，烴源巖厚度較薄(圖4，D型)。

以上4種烴源巖與火山巖的共生關系基本概括了本區(qū)中基性火山巖地層的烴源巖分布型式。以這種共生關系為指導，相比以往簡單的通過單井標定地震相的方法，更有助于從成因角度對三維區(qū)進行準確率較高的烴源巖追蹤識別，對地震資料品質(zhì)較差的深層做出有依據(jù)的推測(圖5)。

4.2 烴源巖厚度預測模型

地震相特征反映了地下巖性的變化，本次研究按照振幅強—中—弱、頻率高—中—低、連續(xù)性好—中—差，地震反射外形的丘狀、板狀，劃分為若干種地震相，按照井震對比、中基性火山巖相分布模式、烴源巖與火山巖共生關系，對三維工區(qū)卡拉崗組、哈爾加烏組上段、哈爾加烏組下段3層進行地震相解釋，按照對應關系解釋為暗色泥巖相、厚層紅色泥巖相、爆發(fā)相、丘狀溢流相、板狀溢流相。

表1 三塘湖盆地馬朗凹陷石炭系烴源巖賦存型式

Table 1 Occurrence of Carboniferous source rocks in Malang Sag, Santanghu Basin

圖4 三塘湖盆地馬朗凹陷石炭系烴源巖與火山巖共生關系

圖5 三塘湖盆地馬朗凹陷石炭系烴源巖與火山巖共生關系典型地震剖面

在烴源巖發(fā)育的地震相進行解釋的基礎上，烴源巖的厚度(h)就等于這種地震相的解釋厚度(sd)乘以烴源巖所占厚度的比例系數(shù)(r)，即h=sdr。比例系數(shù)r的確定，有2種方法。

一是直接通過單井計算結果，比例系數(shù)等于單井烴源巖厚度(w)比單井沉積巖地震解釋厚度(sj)，即r=w/sj。在烴源巖形成環(huán)境單一、各井比例系數(shù)變化不大的情況下，可以用多井統(tǒng)計后求取一個平均比例系數(shù)，代表全區(qū)的烴源巖比率。在烴源巖形成環(huán)境稍為復雜的情況下，可以用各井計算的比例系數(shù)插值，形成比例系數(shù)網(wǎng)格，通過網(wǎng)格計算進而得到烴源巖厚度分布圖。

另外一種計算方法考慮了火山噴發(fā)物對沉積的影響，通過與比例系數(shù)相關的一個參數(shù)(c=沉積地震相解釋厚度/火成地震相解釋厚度)反算比例系數(shù)，要求這個參數(shù)與比例系數(shù)相關性好，并且可以表征計算點相對于火山體的位置。能表示某點距離火山噴發(fā)中心與沉積巖比率關系的參數(shù)主要有該點距火山口的距離(l)、該點火成巖厚度(v)、該點沉積巖厚度(sc)。如噴發(fā)—沉積模式圖所示(圖6)，設A，B，C井距火山口Ⅰ的距離相同，顯然優(yōu)質(zhì)烴源巖比率B%>C%>A%；而當下部鉆遇的火山巖厚度相同時(A井和C井)，A井同時還受火山口Ⅱ的影響，導致烴源巖比率A%E%。以上分析可以看出，一維參數(shù)難以表征火山噴發(fā)位置與烴源巖厚度的關系，選用參數(shù)等于沉積地震相厚度比火成地震相厚度后，即c=sc/v，可得出烴源巖比率B%≈D%>C%>A%>E%，符合實際地質(zhì)情況。

圖6 火山巖系烴源巖厚度解釋模型

5 烴源巖分布預測

5.1 卡拉崗組

卡拉崗組烴源巖與火山巖的共生關系以“入湖型”為主(圖5，A型)，在馬33井至馬39井區(qū)附近存在1套湖相厚層泥巖。由于井區(qū)烴源巖形成環(huán)境單一，各單井計算所得烴源巖比率相差不大，因此采用第一種比例系數(shù)確定方法，即各解釋沉積巖地震相厚度通過相乘一個多井統(tǒng)計平均比率系數(shù)，算得最終烴源巖厚度(圖7)?？ɡ瓖徑M烴源巖分布較為局限，只有馬33至馬39井附近有較厚的烴源巖分布，馬23井附近烴源巖分布較少，推測南部深陷區(qū)可能有烴源巖。

圖7 三塘湖盆地馬朗凹陷卡拉崗組烴源巖等厚圖

5.2 哈爾加烏組

哈爾加烏組火山巖面貌總體為暗色玄武巖，具有暗色泥巖、碳質(zhì)泥巖、凝灰?guī)r夾層，地震反射連續(xù)，為1套連續(xù)噴發(fā)、沉積的水下火山巖體，烴源巖與火山巖的共生關系以“水下噴發(fā)型”為主(圖5，B型)，可見“兩火山體間同沉積型”(圖5，C型)。在地震剖面上具有強振幅、高頻率、連續(xù)性好—中的反射特征。根據(jù)單井測井重新解釋的烴源巖厚度w，與sd和v建立關系可以看出，w與sd呈正相關關系，與v近似為負相關關系，說明烴源巖厚度不但與含凝灰?guī)r的沉積層厚度有關，還與其所處的火山噴發(fā)位置有關，適用于第二種計算方法計算烴源比例系數(shù)r。

圖8 三塘湖盆地馬朗凹陷哈爾加烏組烴源巖等厚圖

例如，根據(jù)馬朗凹陷哈爾加烏組上段的實際地質(zhì)數(shù)據(jù)分析得出參數(shù)c與烴源巖比率r的相關關系。哈爾加烏組烴源巖預測采用第二種算法較第一種算法具有更好的線性相關規(guī)律。這是由于哈爾加烏組上段火山錐體形態(tài)明顯，起伏較大，遠離火山口陸源物質(zhì)豐富，沉積層火山凝灰?guī)r比率較低，而烴源巖比率較高，受距離火山噴發(fā)中心的遠近影響明顯。

將三維工區(qū)解釋的沉積地震相解釋厚度圖與火成地震相厚度圖進行網(wǎng)格化計算，并代入擬合公式(r=0.508 1c-0.030 5)得到全區(qū)烴源巖比率r網(wǎng)格圖，乘以沉積地震相解釋厚度，即得到哈爾加烏組上段、下段烴源巖厚度圖(圖8)，用預留井驗證后，烴源巖厚度誤差小于10 m。

預測結果表明，哈爾加烏組下段烴源巖主要分布在馬38至馬40井附近，南部深陷區(qū)及馬42井附近也有厚層烴源巖分布；哈爾加烏組上段烴源巖主要在北部及南部深陷區(qū)，北部烴源巖具有多個烴源巖厚度中心，主要分布在馬13井、馬19井及馬33井附近。

6 結論

(1)暗色泥巖具有聲波時差較大、電阻率低到中等、中子密度較低、自然伽馬較高等測井響應特征。通過曲線重構，烴源巖與凝灰?guī)r的AD界線為105，GD界線為45。

(2)火山巖與烴源巖具有4種分布模式，其中卡拉崗組烴源巖與火山巖的共生關系以“入湖型”為主(A型)，哈爾加烏組烴源巖與火山巖的共生關系以“水下噴發(fā)型”(B型)、“兩火山體間同沉積型”(C型)為特征。

(3)卡拉崗組烴源巖分布較為局限，只有馬33至馬39井附近有較厚的烴源巖分布。哈爾加烏組烴源巖受火山水下噴發(fā)控制，呈現(xiàn)出多個厚度中心的特征，平面分布極為不均。

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(編輯 黃 娟)

Identification and prediction of source rocks in Carboniferous volcanic systems in Malang Sag, Santanghu Basin

Liu Bo1,2, Jia Mengcheng1,2, Huang Zhilong3, Chen Xuan4, Shen Ying4, Wu Hongzhu3

(1.AccumulationandDevelopmentofUnconventionalOilandGas,StateKeyLaboratoryCultivationBaseJointly-constructedbyHeilongjiangProvinceandMinistryofScienceandTechnology,NortheastPetroleumUniversity,Daqing,Heilongjiang163318,China;2. “FaultDeformation,SealingandFluidMigration”ScienceandTechnologyInnovationTeaminCollegesandUniversitiesofHeilongjiang,Daqing,Heilongjiang163318,China; 3.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourceandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 4.PetroChinaTurpan-HamiOilfieldCompany,CNPC,Hami,Xinjiang839009,China)

The formation of volcanic reservoirs in the Malang Sag, the Santanghu Basin is obviously controlled by the distribution of hydrocarbon source rocks. As a result, the identification and prediction of source rocks in the volcanic systems are significant for petroleum exploration. Some core samples have been collected from the study area to calibrate the logging response of source rocks. The distribution of source rocks in different formations of Carboniferous is predicted through mathematical modeling based on the comparison between geologic background and actual logging data, and combined with the symbiotic relationship between source rocks and volcanic rocks. The occurrence of source rocks in the volcanic systems can be categorized into two types, and volcanic rocks coexist with source rocks in four ways, showed by distinctive logging-seismic responses. The contact relationships between source rocks and volcanic rocks in the Haerjiawu and Kalagang formations are quite different, referring to two occurrence types which should be studied with different mathematical models. The Kalagang source rocks are separate and limited in space formed in the normal sedimentation not belonging to the onshore volcanic system. The Haerjiawu source rocks are widespread, forming multiple thickness centers between volcanic vents.

source rock prediction; well logging identification model; seismic facies; volcanic system; Malang Sag; Santanghu Basin

1001-6112(2015)04-0452-08

10.11781/sysydz201504452

2014-05-18；

2015-05-06。

柳波(1983—)，男，博士，副教授，從事油氣成藏地質(zhì)學、非常規(guī)油氣地質(zhì)與勘探。E-mail:liubo6869@163.com。

國家自然科學基金項目(41472125)、國家青年自然科學基金(41202101)、中國博士后科學基金(2013M541338)和黑龍江省教育廳科學技術研究項目(12541084)聯(lián)合資助。

TE122.1

A