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(xué)地球科學(xué)學(xué)院,黑龍江 大慶 163318; 2.東北石油大學(xué)地?zé)崮苎芯恐行?黑龍江 大慶 163318)

地球內(nèi)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(wěn)定的放射性元素,這些元素滿足一定豐度、較高的產(chǎn)熱量以及半衰期與地球年齡相當(dāng)這3個(gè)條件才能明顯影響地球內(nèi)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(xiàn)率高達(dá)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(shí)間內(nèi)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(shù)對研究地球內(nèi)部熱情況、巖石圈的熱結(jié)構(gòu)、地表熱流以及油氣勘探開發(fā)等有重要的指導(dǎo)意義[2-9],所以近年來愈發(fā)重視對巖石的熱物性參數(shù)的研究[10-11]。

目前,有3種方法可獲得巖石中放射性物質(zhì)的生熱率:(1)結(jié)合巖石的測量密度,利用地球化學(xué)的方法直接測量巖石中鈾(U)、釷(Th)、鉀(K)的含量,根據(jù)前人提出的經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算巖石的放射性物質(zhì)的生熱率[12-14],雖然這種方法確定的生熱率數(shù)據(jù)質(zhì)量較好,但需要收集大量的巖石樣品,所需要測試的時(shí)間久且花費(fèi)的成本較高;(2)利用地震波測量計(jì)算巖石中放射性物質(zhì)的生熱率,由于該方法得到的生熱率數(shù)據(jù)質(zhì)量較差,所以適用于中下層地殼放射性物質(zhì)生熱率的測量計(jì)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(qiáng)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(jù)前人提出的自然伽馬(GR)與巖石放射性物質(zhì)生熱率(A)之間的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到巖石放射性物質(zhì)的生熱率[16-19],該方法相較于地球化學(xué)方法,得到的生熱率數(shù)據(jù)質(zhì)量較高,同時(shí)簡明快速,節(jié)省成本。

前人研究表明[20],徐家圍子現(xiàn)今地溫梯度在3.7～4.7 ℃/100 m,平均為4.0 ℃/100 m;大地?zé)崃髟?2.8～117.3 mW/m2之間,平均值為73.01 mW/m2;安達(dá)凹陷、升平凸起、徐西凹陷、徐東斜坡、徐南凹陷的大地?zé)崃髦捣謩e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(qū)低,隆起區(qū)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(chǎn)熱元素U、Th、K元素的含量,根據(jù)生熱率和放射性元素之間的關(guān)系計(jì)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(jì)算。

為計(jì)算徐家圍子的巖石生熱率,利用該研究區(qū)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(jì)算方法。通過與實(shí)測數(shù)據(jù)的對比確定適用于研究區(qū)的GR-A的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系,此外還計(jì)算沉積層放射性物質(zhì)生熱對大地?zé)崃鞯呢暙I(xiàn),定量分析沉積層放射性物質(zhì)對深部地層的增溫效應(yīng)。研究徐家圍子沉積層生熱率及其熱流貢獻(xiàn),是研究該地區(qū)現(xiàn)今地溫場特征的一部分,可為研究區(qū)深層-超深層烴源巖熱演化、大地?zé)崃?、能源勘探等提供可靠的熱物性參?shù)。

1 地質(zhì)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(jì)-早白堊世早期[22]。徐家圍子的內(nèi)部構(gòu)造主要可劃分為：安達(dá)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(shí)期沉積后升西斷裂帶發(fā)生強(qiáng)烈活動,之后形成斷彎褶皺,褶皺頂部遭受到強(qiáng)烈侵蝕,在營城組沉積之后褶皺再次發(fā)育[23],徐家圍子斷陷內(nèi)各個(gè)構(gòu)造單元具有構(gòu)造運(yùn)動和火山活動雙重成因機(jī)制[24]。

徐家圍子斷陷地層由下到上依次發(fā)育有石炭-二疊系變質(zhì)巖基底、白堊系下統(tǒng)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(fā)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(jì)算生熱率的理論基礎(chǔ)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(fā)出的γ射線,探測器發(fā)生電離,將γ射線轉(zhuǎn)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(jì)數(shù)率電路,該電路會將脈沖信號轉(zhuǎn)換成單位時(shí)間內(nèi)與脈沖數(shù)成正比的電位差,由記錄儀器記錄連續(xù)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(gòu)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(guān)系為

A1=0.014 5(GR(API)-5.0)。

(1)

1996年,Bücker等[17]通過大量的實(shí)測資料,對生熱率和自然伽馬值的線性關(guān)系做進(jìn)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(xué)鉆探(CCSD)主孔自然放射性測井?dāng)?shù)據(jù)資料,計(jì)算出新的巖石生熱率和自然伽馬值線性關(guān)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(yīng)的元素含量具有相似的系數(shù),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(guān)系[27]。

注:層序級別和層序界面的劃分依據(jù)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(qū)137口鉆井?dāng)?shù)據(jù),選取其中18口重點(diǎn)井,運(yùn)用公式(1)～(3)3種方法計(jì)算研究區(qū)的巖石生熱率。以肇深10井為例,3種方法計(jì)算得到的生熱率如圖3所示。3種計(jì)算公式的結(jié)果表明生熱率的變化趨勢是一致的,僅為計(jì)算的數(shù)據(jù)結(jié)果不同,式(2)計(jì)算得到的巖石生熱率值最大,式(1)計(jì)算得到的巖石生熱率值次之,式(3)計(jì)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(guān),巖性不同,巖石生熱率有所差異。

注:A1為根據(jù)式(1)計(jì)算的生熱率; A2為根據(jù)式(2)計(jì)算的生熱率;A3為根據(jù)式(3)計(jì)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(jì)算結(jié)果

為提高數(shù)據(jù)計(jì)算的準(zhǔn)確性,每3 m取一個(gè)自然伽馬值,如對肇深10井進(jìn)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(gè)自然伽馬值。不同公式計(jì)算出的生熱率值與實(shí)測值對比如表1所列。表1中公式(1)計(jì)算得到的生熱率的平均值為(1.070±0.360) μW/m3;公式(2)計(jì)算得到的生熱率的平均值為(1.229±0.394) μW/m3;公式(3)計(jì)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(tǒng)計(jì)直方圖如圖4所示。由圖4可以看出3種公式計(jì)算得到的生熱率數(shù)值均在0.8～2.4 μW/m3之間,占主體的90%左右。而公式(2)計(jì)算的得到生熱率與實(shí)測值最為接近,所以公式(2)計(jì)算得出的結(jié)果是可靠的。

表1 不同公式計(jì)算出的生熱率值與實(shí)測值對比

圖4 徐家圍子斷陷生熱率統(tǒng)計(jì)直方圖Fig.4 Statistical histogram of heat production rate in Xujiaweizi fault depression

將公式(2)計(jì)算得到的3 063個(gè)生熱率數(shù)值按層位進(jìn)行統(tǒng)計(jì),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(shù)值最低,為0.81 μW/m3。

將公式(2)計(jì)算得到的3 063個(gè)生熱率數(shù)值按巖性進(jìn)行統(tǒng)計(jì),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(tǒng)計(jì)

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?guī)r、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(shù)值具有上升趨勢,而從泉二段至登四段生熱率數(shù)值下降,可見生熱率和深度的變化并沒有明顯的線性關(guān)系。結(jié)合生熱率隨深度變化圖,并參考黃少鵬[29]的觀點(diǎn),可知生熱率和深度并不存在簡單的一元線性關(guān)系。

(2) 巖性 巖石中的自然伽馬值與黏土礦物的含量有關(guān),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(jīng)物理化學(xué)作用轉(zhuǎn)化而成,放射性物質(zhì)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(zhì)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(shí)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?guī)r、凝灰熔巖;正常火山碎屑巖分別為火山集塊巖、火山角礫巖、凝灰?guī)r、熔結(jié)凝灰?guī)r;火山-沉積碎屑巖分別為火山角礫巖、沉凝灰?guī)r、凝灰質(zhì)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(yuǎn)遠(yuǎn)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(zhì)(U、K、Th)衰變所產(chǎn)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(zhì)的熱流貢獻(xiàn)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(jì)算公式為

(4)

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

根據(jù)鉆井資料顯示,安達(dá)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(jì)算得到的沉積層熱流貢獻(xiàn)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?zé)崃髦捣謩e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(zhì)生熱對這5個(gè)地區(qū)的大地?zé)崃鞯呢暙I(xiàn)率分別為9%、6%、7%、6%、9%。沉積層放射性物質(zhì)生熱對地表熱流的貢獻(xiàn)率與地表熱流呈負(fù)相關(guān),表明沉積層放射性物質(zhì)產(chǎn)生的熱量對大地?zé)崃鞯挠绊懖⒉皇侵饕摹？刂片F(xiàn)今大地?zé)崃鞯闹饕蛩厥腔仄鸱?隆起區(qū)的大地?zé)崃髦递^高,但在凹陷地區(qū)生熱率較高,沉積厚度大,則沉積層放射性物質(zhì)生熱對大地?zé)崃鞯臒崃髫暙I(xiàn)將占較高的比重。

大地?zé)崃髦蹬c基底起伏呈正相關(guān)，與沉積層放射性物質(zhì)的生熱對大地?zé)崃鞯呢暙I(xiàn)呈負(fù)相關(guān)，如圖7所示。由圖7可知,大地?zé)崃髯兓€圖與基底起伏變化趨勢相同，隆起區(qū)的熱流較高，凹陷區(qū)的熱流較低，安達(dá)凹陷區(qū)的熱流值明顯低于升平凸起區(qū)的熱流值；在高大地?zé)崃鞯穆∑饏^(qū)，沉積層放射性生熱對大地?zé)崃鞯呢暙I(xiàn)小，而在低大地?zé)崃髦档陌枷輩^(qū)，沉積層放射性物質(zhì)對大地?zé)崃鞯呢暙I(xiàn)高。因此在研究凹陷地區(qū)的地溫場特征時(shí)，沉積層放射性物質(zhì)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(jié)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of heat flow distribution in AA′ section of Xujiaweizi fault depression

不同地區(qū)沉積層放射性物質(zhì)生熱率對大地?zé)崃鞯呢暙I(xiàn)結(jié)果表明,徐家圍子斷陷沉積層放射性物質(zhì)生熱對大地?zé)崃鞯呢暙I(xiàn)平均值是4.92 mW/m2,約占大地?zé)崃?0.5 mW/m2的7%,這種增溫意義直觀表現(xiàn)在地溫梯度上,使得徐家圍子斷陷現(xiàn)今地溫梯度40.8 ℃/km中2.8 ℃/km由沉積層放射性物質(zhì)生熱引起。沉積層放射性物質(zhì)生熱的增溫效應(yīng)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(jù)油氣有機(jī)成因理論,烴源巖的熱演化與時(shí)間呈線性關(guān)系,與溫度呈指數(shù)關(guān)系,溫度每升高10 ℃,反應(yīng)速率將提高1倍。所以沉積層放射性物質(zhì)生熱的增溫效應(yīng)對徐家圍子斷陷深層-超深層烴源巖熱演化有促進(jìn)意義,在對松遼盆地進(jìn)行油氣資源評價(jià)時(shí)要重點(diǎn)研究。同時(shí)對于“冷盆”即地低溫梯度、低大地?zé)崃髦档呐璧?沉積層放射性物質(zhì)生熱對地殼流和地表熱流的貢獻(xiàn)要更大,對地溫場特征影響顯著,所以在研究盆地?zé)釥顟B(tài)時(shí),沉積層放射性物質(zhì)生熱的研究不可或缺。

5 結(jié)論

基于GR-A公式計(jì)算的徐家圍子斷陷沉積層3 063個(gè)生熱率數(shù)據(jù),對徐家圍子斷陷沉積層放射性物質(zhì)生熱率的特征以及生熱率與大地?zé)崃髦g的關(guān)系進(jìn)行分析,得到以下結(jié)論:

(1) 由計(jì)算所得的生熱率值與實(shí)測值進(jìn)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(jì)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(guān)系,青一段的生熱率值最高,為1.90 μW/m3,登一段的生熱率數(shù)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(zhì)生熱對大地?zé)崃鞯呢暙I(xiàn)為4.92 mW/m2,約占大地?zé)崃?0.5 mW/m2的7%,與大地?zé)崃鞒守?fù)相關(guān),地表熱流主要受基地起伏影響。沉積層放射性物質(zhì)對大地?zé)崃鞯呢暙I(xiàn)在凹陷區(qū)較高,隆起區(qū)較低。

(5) 沉積層放射性物質(zhì)生熱能夠有效促進(jìn)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(yīng)對凹陷地區(qū)的地溫場研究有重要意義。在研究盆地?zé)釥顟B(tài)時(shí),對沉積層放射性物質(zhì)生熱的研究不可或缺。