塔里木盆地阿瓦提断陷中-上奥陶统萨尔干组沉积地质模型与烃源岩分布预测

姚 尧，何治亮，李慧莉，张 瑜，高晓鹏，王康宁，焦存礼

(1.中国石化 石油勘探开发研究院，北京 100083； 2.中国石油化工股份有限公司，北京 100728)

塔里木盆地长期的勘探实践和研究基本达成共识：海相原油的主力油源岩是下古生界寒武系-奥陶系烃源岩[1-4]。尽管前人已经做过大量的油源对比研究，但烃源岩赋存层位具体是寒武系还是奥陶系仍未有定论[5-8]。阿瓦提断陷位于塔里木盆地北部坳陷西部，面积约30 000 km2(图1)，区内及周缘露头、井下具有丰富的志留系和三叠系油气显示[9-13]。近期在塔里木盆地西北缘新柯探1井、苏地1井先后在寒武系和志留系获得油气新发现，均表明阿瓦提断陷可能是重要的潜在供烃区，可能存在多套烃源岩发育层系，具有多个勘探有利方向。目前区内研究程度仍然较低，钻井较少且尚未获得工业油气流，因此，进一步明确该区不同层系烃源岩分布特征具有重要意义。

图1 塔里木盆地阿瓦提断陷位置Fig.1 Location of the Awati fault depression in the Tarim Basin a.露头剖面、井位及区域二维地震测线分布;b.塔里木盆地构造区划

发育于柯坪断隆的中-上奥陶统萨尔干组页岩是一套重要的海相烃源岩已是共识[6-8，14-16]。该套烃源岩在柯坪露头区的多个剖面均有出露，厚度一般小于20 m，地化分析表明为优质烃源岩[9，17]，而在其东部的阿瓦提断陷内是否仍有分布，分布范围和厚度如何，以及对盆地内的油气成藏是否有所贡献，一直存在较大争议。前人对中-上奥陶统萨尔干组烃源岩的研究多集中在柯坪露头烃源岩的沉积与地化特征[17-21]，或是从层序的角度探讨烃源岩的发育位置[22-25]，涉及烃源岩的展布多是根据沉积环境而进行的大致推测[25-26]。高志勇等[27]首次采用探地雷达手段，在柯坪野外露头建立了岩-震关系的地球物理剖面，以此为依据进行区域地震剖面解释，大致刻画了阿瓦提断陷中-上奥陶统烃源岩的分布边界，并对烃源岩厚度进行了初步预测。由于阿瓦提断陷内中-上奥陶统深度大于8 000 m，未有钻井揭示，地质模式不清。前人结合柯坪露头区所揭示的中-上奥陶统萨尔干组烃源岩及断陷周缘钻井电性特征，认为在阿瓦提内部也有分布[28]，但限于缺乏钻井进行层位标定，烃源岩发育层段的地震响应特征不明，制约了对该套烃源岩分布范围和厚度的认识。针对上述问题，本文基于前人的研究成果，以巴楚-柯坪-乌什地区露头剖面的勘测结果为基础，开展了详细的露头区沉积建模，明确了纵横向上该套地层的地质结构和相变规律，建立地质模型并进行地震正演模拟，通过对研究区地震相识别追踪，从而对阿瓦提断陷中-上奥陶统萨尔干组烃源岩进行分布预测，以期为该区勘探实践提供依据。

1 沉积地质建模

中奥陶世所发生的加里东中期Ⅰ幕构造运动，使塔里木盆地的应力背景转变为南“压”北“张”[29]，盆地西台东盆的沉积-构造格局发生改变。柯坪北部-阿瓦提断陷经历了同沉积断裂活动而快速沉降[30]，萨尔干组主要沉积于中-上奥陶统达瑞威尔阶晚期，在桑比阶早期沉积厚度较薄(图2)，分布于柯坪地区[18]；同时期，巴楚地区则为台地相区，对应一间房组上部和恰尔巴克组下部[19](图2)。

图2 塔里木盆地阿瓦提断陷及周缘奥陶系层序地层划分Fig.2 Sequence stratigraphy division of the Ordovician in the Awati fault depression and its periphery,Tarim Basin

本次野外地质建模对西克尔剖面、南一沟剖面、羊吉坎剖面、喀玛提坎剖面、通古斯布隆剖面、大湾沟剖面、亚科瑞克剖面和牙尔巴哈剖面该层段的野外露头进行了详细的观察与实测。在巴楚主体区，与萨尔干组时代相当的层位表现为暴露缺失，仅在台缘附近有沉积(图2)；柯坪地区的喀玛提坎、通古斯布隆和大湾沟剖面均见萨尔干组出露，大致呈北东-南西向带状分布，向南至羊吉坎剖面缺失萨尔干组，相变为大湾沟组顶部的过渡相沉积；乌什地区亚科瑞克剖面一间房组和恰尔巴克组为碎屑流沉积，牙尔巴哈剖面缺失该层段沉积。该时期阿瓦提断陷西北缘古地理格局表现为南北分异的隆-坳特征。

巴楚地区一间房组与柯坪地区大湾沟组和萨尔干组中下部时代相当(图2)，恰尔巴克组对应萨尔干组上部和坎岭组，良里塔格组对应其浪组和印干组。巴楚西克尔剖面上奥陶统铁热克阿瓦提组碎屑岩不整合于下奥陶统鹰山组灰岩之上(图3a)。向东至巴楚南一沟剖面一间房组实测厚度为61 m，包括砂屑灰岩段、生物灰岩段和泥晶灰岩段(图3a)，下部水体较浅，以棘屑滩沉积为主，向上水体变深，发育粘结-障积生物礁，至该组上部水体迅速加深，主要发育泥晶灰岩，下伏鹰山组未见底，上覆恰尔巴克组厚度10 m左右，为紫红色瘤状泥质灰岩与灰质泥岩互层，其上连续沉积良里塔格组生屑灰岩、瘤状灰岩间含较多泥质，厚度约180 m。

柯坪地区羊吉坎剖面鹰山组之上连续沉积大湾沟组中层状含海绿石藻粘结生物灰岩，实测厚度43 m，该剖面不发育萨尔干组黑色页岩，与萨尔干组时代相当的地层相变为与大湾沟组相似的含泥质瘤状灰岩(图3a)，其上覆盖12 m厚坎岭组红褐色中-薄层状泥质泥晶灰岩和110 m厚其浪组灰绿色中-薄层状泥晶灰岩夹薄层状灰质泥岩。向北延伸至喀玛提坎剖面开始出现萨尔干组黑色页岩(图3a)，自喀玛提坎剖面向北东至通古斯布隆剖面和大湾沟剖面，中-上奥陶统地层均呈现类似的岩性组合(图3a)，区别仅在于萨尔干组沉积厚度逐渐增加，实测厚度分别为8.7，10.6和13.4 m。以大湾沟剖面为例，萨尔干组底部为灰绿色含粉砂质泥岩夹薄层黑色炭质页岩，向上泥岩颜色变深，见黄铁矿结核，向上灰黑-黑色含钙质页岩层内密集发育黄铁矿结核及粉末状黄铁矿，夹薄层含钙粉砂质条带和透镜体，发育水平层理，笔石类化石丰富，中部为薄层黑色泥岩夹含沥青质条带或条纹灰-浅灰色薄层泥晶灰岩，上部为灰-浅灰色中-薄层泥晶灰岩夹极薄层黑色泥岩，可见深水相三叶虫和腕足类等化石碎片，顶部为浅灰-灰色中-薄层泥晶灰岩，透镜状沥青质微晶灰岩。自下而上呈粒度逐渐变粗的反旋回，反映了深水陆棚相沉积环境。其下大湾沟组瘤状生屑灰岩25 m,上覆8 m厚坎岭组紫红色泥质泥晶灰岩夹同色灰质泥岩和159 m厚其浪组灰绿色泥质泥晶灰岩夹同色灰质泥岩，以及29 m厚印干组灰黑色厚层状钙质泥岩夹泥灰岩。乌什地区亚科瑞克剖面奥陶系整体为碎屑岩夹灰岩沉积，未划分出中-上奥陶统，牙尔巴哈剖面缺失该套地层(图3a)。

图3 塔里木盆地阿瓦提断陷及周缘一间房组沉积期剖面沉积充填特征Fig.3 Sedimentary filling features during the deposition of Yijianfang Formation in Awati fault depression and its periphery,Tarim Basin a.近南北向剖面C—C′沉积充填特征;b.近东西向剖面D—D′沉积充填特征;c.C—C′和D—D′剖面位置

结合顺北-塔北地区的钻井资料，将顺北-塔北地区井下和柯坪露头中-上奥陶统岩相进行对比，在奥陶系碳酸盐岩台地演化背景下，探讨萨尔干组烃源岩的分布。顺北-塔北地区在一间房组沉积期整体为开阔台地环境，台内广泛发育厚层台内滩沉积，滩间海沉积相对较少，且自西向东滩间海沉积厚度逐渐减薄(图3b)。顺北蓬1井主要发育泥晶生屑灰岩和含砂屑泥晶灰岩，指示该沉积期处于较深水环境，最深处可达风暴浪基面之下，且环境局限(藻屑、潜穴、砂屑和核形石)。跃进1X井多发育亮晶生屑灰岩、藻粘结灰岩和泥晶灰岩。艾丁11井为浅灰色亮晶颗粒灰岩。塔深1井周围可见点礁。中-上奥陶统沉积期塔北台地自北向南泥晶灰岩含量逐渐增多(图3b)，反映出受构造运动影响海平面上升速率加快[31]，沙雅隆起西北部-阿瓦提断陷表现为向南倾的缓坡[28]。塔北-阿瓦提地区东浅西深，并且地形分异大，隆-坳相间，与巴楚-柯坪地区存在类似的岩相组合和岩性变化规律，在断陷内受海底地形起伏而导致水体循环连通受阻，容易在闭塞滞留的环境中发育烃源岩。

本文据上述露头剖面的地层发育沉积特征和萨尔干组缺失程度及分布特征，勾勒出自南向北开阔台地-台地边缘-浅水陆棚-深水陆棚的相变过程(图4)。巴楚主体区一间房组原始沉积厚度较小或缺失，可能代表该期沉积水体较浅或暴露于海平面以上[32-34]，马璐等据西克尔剖面缺失包括萨尔干组在内的大部分奥陶纪地层，判断其为古陆区，并推测亚科瑞克剖面可能与羊吉坎剖面同属浅海区，在萨尔干组沉积期处于更靠近陆源剥蚀区的滨岸带位置，南一沟剖面一间房组缺乏格架礁，说明为形成于缓坡背景下相对低能的台缘[35]。在柯坪自西南至东北，萨尔干组经历了从无到有的变化，即周志毅等、倪寓南等所界定的非补偿沉积或陆架滞留沉积[36-37]。烃源岩的发育受海平面升降作用控制明显，海侵体系域是烃源岩最为发育的部位[22](图2)。随着早-中奥陶世全球海平面上升[31]，受南天山洋伸展作用影响，盆地西北缘柯坪基底中北东向古沙井子断裂、东西向古吐木休克断裂活化，柯坪-阿瓦提地区由早-中奥陶世的台地内坳陷快速沉降为深水陆棚-浅水陆棚相区，形成一向西开口与南天山洋连通的陆源海湾[32]，在快速水进背景下，在闭塞滞留的环境中发育中-上奥陶统萨尔干组欠补偿的滞留海湾深水陆棚相凝缩段(CS)沉积。

图4 塔里木盆地柯坪地区中-上奥陶统沉积相对比Fig.4 Correlation of the sedimentary facies of the Middle-Upper Saergan Formation in Kalpin area，Tarim Basin

2 地震正演

基于上述野外研究工作，构建了简化地质模型(图5a)，并以此为依据建立了地震正演模型(图5b)，开展地震正演模拟，从而建立烃源岩地震相识别特征。

图5a为设计的地质模型，二维模型可分为3个部分:不发育萨尔干组的台地相沉积,岩性序列为鹰山组灰岩、一间房组生屑灰岩、泥灰岩、恰尔巴克组泥灰岩夹灰质泥岩、良里塔格组生屑灰岩和泥灰岩；不发育萨尔干组的过渡相沉积，岩性序列为鹰山组灰岩、大湾沟组生屑灰岩、瘤状灰岩、坎岭组和其浪组泥灰岩夹灰质泥岩；以及发育萨尔干组的深水陆棚相沉积，萨尔干组为泥页岩，下伏地层为生屑灰岩、瘤状灰岩，上覆地层为泥灰岩和灰质泥岩。

地震正演基于符合实际的烃源岩层系地震地质介质模型,模拟记录与实际地震记录对比，使地震解释更接近与地下真实的地质情况，可以避免地震预测的多解性，提高地震解释精度[38]。针对研究区海相碳酸盐非均质性较强的特点，在分析了大量钻井的测井声波速度及各种岩性平均速度的基础上，建立速度模型，层位速度的赋值参考顺北1、顺北2、顺北3、顺北7、满西2、阿东1以及中探1等测井声波速度，由参考井位的声波曲线换算岩性-速度数据，为地质模型各层填充了符合实际情况的速度：下伏基岩鹰山组速度为6 284 m/s，大湾沟组速度为5 687 m/s，萨尔干组速度为4 156 m/s,坎岭组、其浪组和恰尔巴克组岩性基本一致，速度为5 231 m/s，一间房组速度为6 129 m/s,良里塔格组速度为6 068 m/s。

利用已建立的地质模型，根据波的动力学特点，考虑地层界面的反射系数和透射系数等影响，应用地震地质综合研究软件SMI，选取波动方程正演方法对模型进行正演模拟,获得与实际地层最为接近的地震正演记录(图5b)。结果表明，正演模拟中萨尔干组低速泥页岩层与上、下高速灰岩层之间产生强波阻抗差异，呈现强振幅，连续性较好的同相轴地震反射特征，从而可以在地震剖面上识别萨尔干组烃源岩顶和底界面。烃源岩层系地震波组振幅特征与上、下地层地震相区别较为明显，显示为弱振幅背景下的中频强振幅连续平行反射，随着地层厚度的增大，振幅也逐渐增强，强振幅中频连续的地震相特征表明岩石组合为不同密度的岩石互层的反射特征，对应深水陆棚相地震响应。在未发育烃源岩的开阔台地，为中振幅低频较连续的地震相特征，对应灰岩局部夹泥灰岩的台内地震响应。在过渡相区，则表现为和围岩相一致的弱振幅空白反射特征，无振幅异常现象(图5b)。

图5 塔里木盆地柯坪地区萨尔干组简单地质模型(a)及其对应的正演模拟速度模型与地震剖面(b)Fig.5 The simple geological model of the Saergan Formation in Kalpin area，Tarim Basin(a),and the velocity model and seismic forward modeling profile in correspondence to the geologic model(b)

3 烃源岩分布地震预测

3.1 地震相

依据野外剖面沉积地质模型和地震正演结果，开展研究区地震资料解释。阿瓦提断陷及周缘地震测网密度为2 km×2km～4 km×4km，通过对74条二维地震测线(约7 798 km)的追踪和烃源岩解释，预测烃源岩发育层系的分布范围。

对研究区内二维地震测线依次进行地震反射特征分析，在此基础上对剖面地震相进行分类，以近东西向地震剖面A—A′和近南北向地震剖面B—B′为例进行说明。层序内部地震相在A—A′剖面上总体为中-弱振幅、中频反射，横向连续性变化较大；弱振幅低频较连续地震相由东向西逐步过渡为强振幅中频连续地震相(图6a)，指示沉积体系发生了较大变化，发生沉降的地区由碳酸盐岩开阔台地演变为陆棚沉积环境。近南北向剖面B—B′同样表现出类似的变化特征，中振幅低频较连续地震相向北逐步过渡为强振幅中频连续地震相(图6b)。

图6 塔里木盆地阿瓦提断陷内A—A′测线(a)和B—B′测线(b)地震相Fig.6 Seismic facies of seismic lines A—A′ (a) and B—B′ (b) in Awati fault depression,Tarim Basin (①—⑧为地震相类型，具体参考表1。)

对比前文烃源岩的正演模拟结果，表1分类中的③型对应烃源岩层系正演模拟地震反射特征(图6)，正演剖面上烃源岩层系表现出弱振幅背景下的中频强振幅连续平行反射地震响应特征，与上、下地层振幅强度差异明显，易于识别。

表1 塔里木盆地阿瓦提断陷中-上奥陶统SQ6内的地震相类型Table 1 Seismic facies types of the Middle-to-Upper Ordovician SQ6 in Awati fault depression,Tarim Basin

③型地震相在剖面上总体呈现断续、槽状结构，横向连续性变化较大，如图6a蓝色区域，局部较为连续，如图6b，较连续区域主要分布在断陷的西南方向。对研究区二维地震测线逐一进行地震相精细解释，确定③型地震相的平面分布范围(图7)。

图7 塔里木盆地阿瓦提断陷萨尔干组烃源岩地震相平面分布Fig.7 Seismic facies map of hydrocarbon source rocks of the Saergan Formation in Awati fault depression,Tarim Basin

3.2 沉积相

阿瓦提坳陷中-上奥陶统萨尔干组烃源岩层系的发育受沉积相带控制作用明显，结合野外地质建模和地震相认识，研究区中-上奥陶统萨尔干组可划分出4个相带(图8)：深水陆棚相主要呈中频强振幅中连续-连续地震反射特征，为该时期烃源岩的主要发育区；浅水陆棚相带主要环绕深水陆棚相分布，呈中-低频中-强振幅连续或中连续地震反射特征，相比深水陆棚相，该相带地层平行性相对较低；开阔台地相分布于研究区南部及东部，主要呈中-高频中-弱振幅连续反射特征，其中弱振幅反射特征居多；台地边缘相带主要发育在开阔台地与浅水陆棚相的过渡带，在地震剖面上具有明显超覆特征，主要呈低频或中频中振幅低连续反射特征，相比其余相带，该相带地震相连续性较差。

图8 塔里木盆地阿瓦提断陷萨尔干组沉积相Fig.8 Sedimentary facies map of the Saergan Formation in Awati fault depression,Tarim Basin

3.3 烃源岩厚度预测

在对烃源岩层系地震相-沉积相对应关系认识的基础上，对烃源岩层系的厚度进行预测。萨尔干组烃源岩层系对应三级层序SQ6内海平面迅速上升达到最大海泛面(MFS6)时低速率沉积的凝缩段(CS)，在地震剖面上，凝缩段的范围由上覆地层一系列下超点确定。在上述标定下，参考断陷周缘井位的地层速度完成时深转换，从而得到研究区萨尔干组烃源岩层系厚度分布图(图9)。由图可知，该套烃源岩层系在研究区内分布广泛但厚度并不均匀，整体厚度范围为0～120 m，较厚部分主要分布在阿瓦提断陷的中西部，约为50～100 m，其中西南部最厚，最高可达120 m，西南方向展布受控于阿恰断裂和吐木休克断裂，烃源岩层系向断陷东北方向逐渐减薄，厚度范围主要分布在20～70 m，向北超覆尖灭于英买3井以南，向东至阿-满过渡带西缘仍有少量分布，厚度减薄至10 m左右。

图9 塔里木盆地阿瓦提断陷萨尔干组烃源岩等厚图Fig.9 Isopach map of hydrocarbon source rocks in the Saergan Formation in Awati fault depression,Tarim Basin

值得注意的是，野外地质建模结果和地震相平面分布特征均表明萨尔干组烃源岩层系在研究区内并不是厚度平滑稳定的遍布式发育，而是在断陷内缓坡背景下的凹洼处发育较厚，与前人的认识，海相盆地往往沉降中心≠沉积中心≠生油中心的观点基本相符[15]，由断陷沉降中心向东的剖面可以看出(图10)，在当时的沉积环境下，椭圆内的凹洼位置较其他位置而言具有更大的沉积物容纳空间，受沉积相带控制，相对较厚的烃源岩层系分布在凹洼处深水陆棚相带。

图10 塔里木盆地阿瓦提断陷古地貌(现今)Fig.10 A palaeogeomorphic map(at present) of the in Awati fault depression,Tarim Basin

4 讨论与结论

针对阿瓦提断陷内该套烃源岩分布特征和厚度预测这一难题，本文通过基于沉积地质模型进行地震正演研究，进而刻画其地震相、沉积相并预测厚度分布，取得了以下几方面认识：

1) 根据柯坪露头区奥陶系岩相组合和萨尔干组烃源岩分布进行野外沉积建模，类比断陷周缘地区的沉积剖面与钻井资料，认为阿瓦提断陷与塔北隆起和塔中古隆起相邻，在中晚奥陶世存在沉积相变，中-上奥陶统萨尔干组烃源岩发育受海平面上升控制作用明显，主要发育于欠补偿的滞留海湾深水陆棚相凝缩段中。

2) 基于沉积地质模型的地震正演模拟，明确反映出烃源岩和非烃源岩的地震相特征，为弱振幅背景下的强振幅中频连续反射，有效指导了二维测线上地震相的精细解释，较为精细地刻画了无井控制的阿瓦提断陷内沉积相带，认为区内主要发育深水陆棚相、浅水陆棚相、台地边缘相和开阔台地相。

3) 基于萨尔干组烃源岩地震相-沉积相研究，开展烃源岩层系分布和厚度预测分析，认为区内烃源岩层系分布广泛但厚度并不均匀，厚度范围约为0～120 m，主要分布在研究区中西部，在西南部最厚，受控于阿恰断裂和吐木休克断裂，向北东方向逐渐减薄，向北超覆尖灭于英买3井以南，向东至阿-满过渡带西缘仍有少量分布。

致谢:感谢中国石化西北油田分公司提供资料，感谢中国石化石油勘探开发研究院西北中心冯帆、无锡所陈跃在野外工作期间给予的指导和帮助，感谢两位审稿人提出的修改意见。