柴窩堡凹陷二疊系蘆草溝組頁巖氣烴源巖評價

張遜，莊新國，涂其軍，徐仕琪

（1.中國地質大學（武漢）構造油氣資源教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.新疆維吾爾自治區(qū)地質調查院，新疆 烏魯木齊 830000）

柴窩堡凹陷二疊系蘆草溝組頁巖氣烴源巖評價

張遜1，莊新國1，涂其軍2，徐仕琪2

（1.中國地質大學（武漢）構造油氣資源教育部重點實驗室，湖北 武漢 430074；2.新疆維吾爾自治區(qū)地質調查院，新疆 烏魯木齊 830000）

在野外露頭觀測及樣品有機地球化學分析基礎上，明確陸相盆地烴源巖評價條件和標準，對柴窩堡凹陷二疊系蘆草溝組頁巖有機質豐度、成熟度、有機質類型等烴源巖重要評價參數(shù)進行研究。結果表明，柴窩堡凹陷蘆草溝組頁巖有機質豐度較高，總體為中等-好烴源巖，熱演化程度處于成熟-高成熟階段，有機質類型主要為Ⅲ型，以生氣為主。近源沉積不僅稀釋了研究區(qū)蘆草溝組頁巖有機質含量，導致有機質降解，并造成柴窩堡凹陷與準南地區(qū)有機質類型和豐度的差異。沉積環(huán)境的不同導致柴窩堡凹陷蘆草溝組頁巖有機質豐度北高、南低，有機質類型北好、南差狀況。

準南；柴窩堡凹陷；蘆草溝組；烴源巖

對頁巖氣烴源巖評價是頁巖氣藏勘探的基本前提和關鍵環(huán)節(jié)[1-5]。前人對柴窩堡凹陷的研究主要集中在新近—二疊紀的綜合劃分與對比、二疊系蘆草溝組高分辨率層序地層分析、儲層非均質性研究、盆地構造樣式及石油地質特征等方面[6-9]，而對柴窩堡凹陷蘆草溝組頁巖烴源巖評價等方面研究較少。本文在前人研究基礎上，采用野外地質調查、樣品分析測試等方法，據(jù)有機地球化學分析對三葛莊凸起以東柴窩堡凹陷蘆草溝組烴源巖進行生烴潛力評價，以期為該地區(qū)頁巖氣勘探提供重要地質依據(jù)。

1 區(qū)域地質背景

圖1 柴窩堡凹陷構造單元劃分及樣點分布Fig.1 Tectonic unit division and sampling point distribution in Chaiwopu Sag1.造山帶；2.逆沖斷層；3.剝蝕邊界；4.沉積邊界；5.鉆井及編號；6.野外露頭；7.二疊系蘆草溝組；8.二疊系紅雁池組；9.二疊系下倉溝群；10.三疊系上倉房溝群；11.三疊系克拉瑪依組；12.侏羅系；13.白堊系

柴窩堡凹陷位于準噶爾盆地南部東段，烏魯木齊市南東方，構造位置處于博格達構造帶與中天山伊連哈比爾尕構造帶之間，為下石炭統(tǒng)褶皺基底上發(fā)育的小型山間疊合凹陷（圖1）。前人據(jù)其分隔性將柴窩堡凹陷由西向東分為永豐次凹、三葛莊次凸和達坂城次凹等3個二級構造單元（圖1）[10，11]。三葛莊次凸以東的柴窩堡凹陷為本次主要研究區(qū)。柴窩堡凹陷及周緣出露地層主要包括上石炭統(tǒng)、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、古近—新近系和第四系。其中二疊系蘆草溝組為研究區(qū)主力烴源巖，主要為淺湖-半深湖相細碎屑沉積物，勘探和研究程度很低，屬頁巖氣資源調查與評價新領域。研究區(qū)蘆草溝組地層出露良好，頁巖露頭新鮮，發(fā)育完整。本文有機地球化學數(shù)據(jù)分析和測試由中國地質大學地質過程與礦產資源國家重點實驗室完成。

2 頁巖有機地球化學特征

2.1 有機質豐度

有機質豐度是評價黑色富有機質頁巖生氣潛力的重要地球化學指標，主要包括有機碳含量（TOC）和氯仿瀝青“A”等[12]。在前人研究基礎上，結合露頭剖面樣品測試成果（表1），對研究區(qū)蘆草溝組頁巖有機質豐度及變化進行評價，并與準南蘆草溝組頁巖有機質分布特征進行對比。結果表明，研究區(qū)以北鍋底坑剖面蘆草溝組總有機碳（TOC）含量平均為1.54%，生烴潛力（S1+S2）平均4.13 mg/g，屬中等烴源巖；塔爾朗剖面和小平槽剖面TOC值大于2%，生烴潛力分別為10.75 mg/g和8.4 mg/g，屬優(yōu)質烴源巖；PM-Ⅵ剖面TOC均值5.45%，生烴潛力為26.88 mg/g，氯仿瀝青“A”均值0.13%，屬好-優(yōu)質烴源巖（圖2，3）。研究區(qū)以南柴參1、側1井、達1井、柴3井TOC較低，生烴潛力較小，氯仿瀝青“A”值小于0.007%，屬非烴源巖（圖3）；PM-Ⅰ和PM-Ⅱ剖面TOC均值分為0.45%和0.9%，生烴潛力分別為0.08 mg/g和0.96 mg/g，氯仿瀝青“A”均值0.01%，屬差烴源巖（圖2，3）。

表1 柴窩堡凹陷蘆草溝組頁巖巖石熱解參數(shù)、鏡質組反射率Ro、氯仿瀝青“A”Table 1 Rock pyrolysis parameter,vitrinite reflectance(Ro) and chloroform bitumen“A”in shale of Lucaogou formation in Chaiwopu Sag

圖2 柴窩堡凹陷蘆草溝組有機質豐度直方圖Fig.2 Histogram of organic matter abundance of Lucaogou formation in Chaiwopu SagPMⅠ、PMⅡ、PMⅥ剖面數(shù)據(jù)為本次測試數(shù)據(jù)；鍋底坑剖面數(shù)據(jù)（王俊明等，2002）；塔爾朗剖面、坂參1井、小平槽溝剖面、柴參1、柴3井（李紅，2006）；側1井數(shù)據(jù)和達1井數(shù)據(jù)（郭建軍等，2006）

綜上所述，研究區(qū)有機質豐度自南向北呈增高趨勢，沿達1井-PM-I剖面一線以北，TOC含量達中等-優(yōu)質烴源巖，該線以南TOC含量屬差-非烴源巖。

2.2 有機質成熟度

2.2.1 鏡質組反射率Ro

柴窩堡凹陷蘆草溝組頁巖熱演化程度總體處于成熟-高成熟階段，有機質成熟度自南向北明顯降低。PM-I剖面以北有機質處于低成熟階段；PM-I剖面以南有機質成熟度由低成熟逐漸過渡到成熟階段，至達1-柴參1一線，達到高成熟階段（表2）。達坂城次凹蘆草溝組頁巖成熟度自南向北呈降低趨勢，受控于構造運動。地震剖面解釋和地層厚度特征揭示，二疊紀末期凹陷北部隆升形成單斜構造，與博格達山構造演化一致[13]。

圖3 柴窩堡凹陷蘆草溝組頁巖TOC與生烴潛力交會圖Fig.3 Crossplot between TOC and hydrocarbon potential of shale in Lucaogou formation of Chaiwopu Sag

表2 蘆草溝組頁巖鏡質組反射率和最大熱解溫度均值Table 2 Mean value of vitrinite reflectance and maximum pyrolysis temperature of shale in Lucaogou formation

2.3 有機質類型

干酪根類型鑒別方法較多，如干酪根顯微組分分析、干酪根元素組成分析、巖石熱解分析、碳同位素特征、干酪根熱解產物特征可溶有機組分分析及熱解產物（原油或抽提物）的生物標記化合物特征分析等。本次研究采用干酪根顯微組分分析、干酪根有機元素組成分析、干酪根碳同位素分析、巖石熱解分析4種方法，以三類四分方案劃分研究區(qū)蘆草溝組頁巖有機質類型[14-15]。

2.3.1 干酪根顯微組分組成

柴窩堡凹陷蘆草溝組頁巖干酪根鏡下鑒定結果揭示（圖4），達坂城次凹PM-Ⅰ剖面和PM-Ⅱ剖面蘆草溝組頁巖鏡質組含量為67%~85%，惰質組為3%~ 23%，腐泥組+殼質組為11%~26%，主體以Ⅲ型干酪根為主（表3）。達1井、坂參1井、柴3井和柴參1井蘆草溝組烴源巖腐泥組+殼質組含量為6.61%~ 25.6%，鏡質組含量為28.25%~81.9%，惰質組為6.9% ~58%，均為Ⅲ型干酪根[14]。側1井蘆草溝組烴源巖顯微組分中鏡質組含量80.6%~88.1%，腐泥組+殼質組為13.8%~16.4%，表明蘆草溝組烴源巖有機質類型以Ⅲ型為主[15]。小平槽溝剖面蘆草溝組頁巖腐泥組+殼質組含量為50%~70%，表明有機質類型以Ⅱ1為主（圖4）。此外，達1井、側1井和鍋底坑剖面烴源巖的TI值一般小于0，揭示有機質以Ⅲ型干酪根為主[15]。表明柴窩堡凹陷母質主要來源于陸源高等植物供給。

圖4 柴窩堡凹陷蘆草溝組頁巖干酪根顯微組分Fig.4 Maceral of Kerogen in shale of Lucaogou formation in Chaiwopu Sag

表3 柴窩堡凹陷蘆草溝組頁巖干酪根顯微組分Table 3 Maceral of Kerogen in shale of Lucaogou formation in Chaiwopu Sag 單位：%

2.3.2 干酪根有機元素組成

柴窩堡凹陷蘆草溝組頁巖有機元素范氏圖揭示，達坂城次凹有機質類型以Ⅱ2-Ⅲ型干酪根為主。PM-Ⅰ和PM-Ⅱ剖面蘆草溝組頁巖有機質類型以Ⅲ型干酪根為主（圖5-A），該認識與干酪根顯微組分揭示結果相一致。

圖5 柴窩堡凹陷蘆草溝組干酪根類型圖解Fig.5 Diagram of Kerogen type in Lucaogou formation of Chaiwopu Saga——范氏圖；b——TOC與S2交會圖；c——Tmax與氫指數(shù)（HI）交會圖；d——δ13C和氫指數(shù)（HI）交會圖

2.3.3 巖石熱解分析

柴窩堡凹陷蘆草溝組頁巖TOC與S2交會圖和Tmax與HI交會圖共同揭示，研究區(qū)南部有機質類型主要以Ⅲ型干酪根為主，含少量Ⅳ型干酪根（惰性碳，無生烴能力）（圖5-b,c），北部塔爾朗剖面和小平槽溝剖面蘆草溝組頁巖有機質以Ⅱ1-Ⅱ2型干酪根為主。柴窩堡凹陷蘆草溝組頁巖有機質類型以Ⅲ型干酪根為主，揭示該區(qū)蘆草溝組頁巖以生氣為主。

2.3.4 干酪根碳同位素分析

干酪根碳同位素組成取決于母質生源同位素組成及干酪根形成和化學演化過程中的同位素分異。干酪根δ13C不受提純時所用溶劑和方式影響，熱演化程度對其類型影響較小。因此，干酪根δ13C能較好地反映干酪根母質類型。Ⅰ型干酪根碳同位素較輕，δ13C＜-28‰；Ⅲ型干酪根碳同位素最重δ13C＞-23‰；Ⅱ1型干酪根的δ13C介于-26‰~-28‰；Ⅱ2型干酪根的δ13C介于-23‰~-26‰[16]。

PM-Ⅰ剖面蘆草溝組頁巖干酪根δ13C值為-20.29‰，PM-Ⅱ剖面δ13C為-19.32‰，坂參1井蘆草溝組δ13C值介于-21‰~-23‰，側1井δ13C值介于-20.24‰~-22.73‰，均指示有機質類型為Ⅲ型。研究區(qū)北部PM-Ⅵ剖面蘆草溝組頁巖干酪根δ13C值為-29.13‰，有機質類型為Ⅰ型；小平槽溝剖面蘆草溝組δ13C值為-27.5‰，有機質類型為Ⅱ1型。此外，研究區(qū)蘆草溝組頁巖的δ13C和氫指數(shù)（HI）圖解揭示結果與上述一致（圖5-d）。

3 有機質豐度與類型受控因素

前人研究表明[13]，準南地區(qū)蘆草溝組TOC較高，大于4%，生烴潛力大于14 mg/g，屬優(yōu)質烴源巖，有機質類型主要為I型-Ⅱ1型，與本文研究區(qū)存在一定差異。蘆草溝組沉積期，博格達山處于沉積中心位置，此時柴窩堡凹陷、博格達山地區(qū)和準南地區(qū)為同一湖盆[17]。不同的是柴窩堡凹陷沉積物供給來源于南部北天山地區(qū)，而準南地區(qū)沉積物供應主要來自東北部卡拉麥里山[17]?？ɡ溊锷教峁┑奈镌撮L距離搬運到達準南一帶并沉積于淺湖-半深湖環(huán)境 ，此時碎屑物質對有機質的稀釋和進入湖盆的水體含氧量都較小。柴窩堡凹陷同時期屬近源沉積，自南至北依次沉積扇三角洲平原、扇三角洲前緣和濱淺湖-半深湖[18]。近源沉積一方面大大稀釋了有機質含量，同時經(jīng)河流輸入湖盆的水體含大量氧，進一步導致有機質降解，造成柴窩堡盆地與準南地區(qū)有機質類型和豐度的差異。

研究表明，柴窩堡凹陷蘆草溝組烴源巖有機質豐度具北高南低、有機質類型具北好南差特點，因此認為其極大程度上受控于沉積環(huán)境控制。蘆草溝組烴源巖是在裂谷盆地湖盆擴張背景下形成的陸源湖相細碎屑沉積物。該時期淺湖-半深湖相分布于柴窩堡凹陷北部地區(qū)，烴源巖具有機質豐度高、干酪根類型好和生烴潛力高的特點，是柴窩堡地區(qū)最重要的優(yōu)質烴源巖。柴窩堡凹陷南部由于緊鄰物源，地勢較高，發(fā)育近岸濱淺湖和扇三角洲前緣和平原相沉積，由于碎屑物源的稀釋作用和富含氧水的輸入，導致有機質豐度降低和難以保存，難以形成好的烴源巖。由于靠近湖岸，湖相菌藻類生物相對減少，混入較多的陸相高等植物，干酪根類型以Ⅲ型干酪根為主，導致產烴潛率下降。因此，研究區(qū)南部蘆草溝組烴源巖不如北部好。

4 結論

（1）柴窩堡凹陷有機質豐度呈自南向北增高趨勢，研究區(qū)北部TOC含量達中等-優(yōu)質烴源巖，有機質成熟度較低，有機質類型主要為Ⅰ-Ⅱ1型；南部TOC含量屬差-非烴源巖，有機質成熟度相對較高，有機質類型主要為Ⅲ型；南北有機質豐度及類型的差異主要由沉積環(huán)境不同造成。

（2）柴窩堡凹陷與準南地區(qū)有機質豐度的差異主要歸因于蘆草溝組形成時期研究區(qū)主要為近源沉積，該環(huán)境不僅稀釋了有機質含量，并導致有機質降解，造成該區(qū)有機質豐度低于沉積物搬運距離相對較遠的準南地區(qū)。

[1] Romero A M,Philp R P.Organic geochemistry of the Woodford Shale,southeastern Oklahoma:How variable can shales be?[J]. AAPG bulletin,2012,96(3):493-517.

[2] Jarvie D M,Hill R J,Ruble T E,et al.Unconventional shale-gas systems:The Mississippian Barnett Shale of north-central Texas as one model for thermogenic shale-gas assessment[J].AAPG bulletin,2007,91(4):475-499.

[3] Ganz H,Kalkreuth W.Application of infrared spectroscopy to the classification of kerogentypes and the evaluation of source rock and oil shale potentials[J].Fuel,1987,66(5):708-711.

[4] Bowker K A.Barnett Shale gas production,Fort Worth Basin:issues and discussion[J].AAPG bulletin,2007,91(4):523-533.

[5] Montgomery S L,Jarvie D M,Bowker K A,et al.Mississippian Barnett Shale,Fort Worth basin,north-central Texas:Gas-shale play with multi-trillion cubic foot potential[J].AAPG bulletin, 2005,89(2):155-175.

[6] 牛曉燕,張奎華.準噶爾盆地南緣柴窩堡地區(qū)地層綜合劃分與對比[J].石油天然氣學報,2014,36（5）:48-54.

[7] 鄭慶華;柴窩堡盆地中二疊統(tǒng)蘆草溝組高分辨率層序地層與儲層非均質性研究[D].西北大學,2007.

[8] 陳嘉明,呂寶鳳,段艷秋.新疆柴窩堡盆地構造樣式及勘探思路[J].天然氣勘探與開發(fā),2002,25（2）:31-36

[9] 王俊明,竇松江,肖建玲.柴窩堡盆地石油地質特征與油氣勘探前景[J].新疆石油地質,2002,20(4):384-388

[10]顧連興,胡受奚,于春水,等.論博格達俯沖撕裂型裂谷的形成與演化[J].巖石學報,2001,17（4）:585-597

[11]王宗秀.博格達山鏈造山活動與山體形成演化[D].北京:中國地震局地質研究所,2003.1-125.

[12]王麗波,久凱,曾維特,等.上揚子黔北地區(qū)下寒武統(tǒng)海相黑色泥頁巖特征及頁巖氣遠景區(qū)評價[J].巖石學報,2013,29(9):3263-3278.

[13]吳光紅,巴秀娥,馮永宏,等.柴窩堡凹陷石油地質特征及勘探方向[J].新疆石油地質,2004,24(6):523-526.

[14]李紅.準噶爾盆地柴窩堡凹陷油氣地質條件綜合研究[D].西北大學,2006.

[15]郭建軍,陳踐發(fā),朱忠云,等.柴窩堡凹陷達坂城次凹上二疊統(tǒng)烴源巖的地球化學特征及勘探方向[J].沉積學報,2006,24(3): 446-454.

[16]蘆雙舫,徐慶霞,劉紹軍,等.評價生物氣生成量,生成期的碳同位素平衡法及其應用[J].沉積學報,2008,26(2):308-313.

[17]張傳恒,劉典波,張傳林,等.新疆博格達山初始隆升時間的地層學標定[J].地學前緣,2005,12(1):294-302.

[18]曠理雄,郭建華,梅廉夫,等.從油氣勘探的角度論博格達山的隆升[J].吉林大學學報:地球科學版,2005,35(3):346-350.

Source Rock Evaluation of Shale Gas of Lucaogou Formation in Chaiwopu Sag,Southern of Junggar Basin

Zhang Xun1,Zhuang Xinguo1,Tu Qijun2,Xu Shiqi2
(1.Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources,Ministry of Education,China University of Geosciences, Wuhan,Hubei,430074,China;2.Geological Survey Academy of Xinjiang,Urumqi,Xinjiang,830000,China)

Through outcrops observation and systematic sampling,on the basis of organic geochemical analysis of outcrops samples,there has been clear about the requirements and standards of the hydrocarbon source rock evaluation in continental basin and important evaluation parameters of hydrocarbon source rock like the organic matter abundance,maturity and type of Lucaogou formation in Chaiwopu sag have been systematically studied.The result showed that this set of source rocks are abundant in organic material,during the high mature and post mature phases and the typeⅢof organic matter is dominant,and at stage of mainly producing gas.Proximal deposit is not only dilute the organic matter content and led to the organic matter degradation,and make organic matter abundance differences between Chaiwopu Sag and south Junggar Basin.Organic matter abundance differences of northern and southern sag are most attributed to the differences of sedimentary environment.

Southern of Junggar basin;Chaiwopu Sag;Lucaogou formation;Source rock

1000-8845(2016)02-280-06

P618.130.2

A

項目資助：新疆維吾爾自治區(qū)地質調查院項目準噶爾盆地南緣柴窩堡凹陷頁巖氣烴源巖評價與研究資助

2015-07-27;

2015-09-17;作者E-mail：panzertiger@126.com

張遜（1987-），男，安徽合肥人，2013級中國地質大學（武漢）在讀博士，主要從事沉積學與石油地質學