伊寧凹陷中二疊統(tǒng)膏鹽巖的發(fā)現(xiàn)、特征及油氣地質(zhì)意義

曹建康, 楊道慶, 蔣永福, 熊 翠, 董銀磊, 莊一鵬, 張紅軍, 顧 超

(1.中國(guó)石化河南油田分公司 勘探開發(fā)研究院，鄭州 450000； 2.中國(guó)石化河南油田分公司，河南 南陽(yáng) 473132)

伊寧凹陷中二疊統(tǒng)膏鹽巖的發(fā)現(xiàn)、特征及油氣地質(zhì)意義

曹建康1, 楊道慶2, 蔣永福1, 熊 翠1, 董銀磊1, 莊一鵬1, 張紅軍1, 顧 超1

(1.中國(guó)石化河南油田分公司 勘探開發(fā)研究院，鄭州 450000； 2.中國(guó)石化河南油田分公司，河南 南陽(yáng) 473132)

膏鹽巖常常是油氣藏的蓋層，研究伊寧凹陷是否存在膏鹽巖及膏鹽巖與烴源巖的關(guān)系對(duì)油氣勘探具有重要意義。通過野外地質(zhì)剖面精細(xì)測(cè)量、實(shí)驗(yàn)室X射線衍射分析、巖石薄片原巖恢復(fù)，在中二疊統(tǒng)中部發(fā)現(xiàn)含膏地層。其中潘津布拉克剖面含膏地層厚53 m，膏鹽巖層厚20 m，最大單層厚度13 m，其他剖面均有分布。區(qū)內(nèi)含膏地層厚度為36～53 m，分布穩(wěn)定。中二疊統(tǒng)優(yōu)質(zhì)烴源巖主要發(fā)育在膏鹽巖層之下，厚度大，分布廣，有機(jī)質(zhì)類型好，成熟度適中，生烴潛力大。鹽下油氣成藏條件優(yōu)越，野外剖面油苗豐富，是油氣勘探的主攻方向。

伊寧凹陷；烴源巖；膏鹽巖；資源潛力

伊寧凹陷屬伊犁盆地內(nèi)的最大凹陷，位于新疆維吾爾自治區(qū)伊犁哈薩克自治州境內(nèi)；區(qū)內(nèi)煤炭、金、銅、鈾等礦產(chǎn)資源豐富；油氣勘探發(fā)現(xiàn)4套烴源巖層系[1]，資源潛力較大，具有形成大-中型油田的物質(zhì)基礎(chǔ)。

伊寧凹陷油氣勘探歷時(shí)30余年，地震施工近萬(wàn)千米，鉆井10口，6口井見油氣顯示，2口井獲低產(chǎn)油氣流，但至今未獲得油氣勘探實(shí)質(zhì)性突破。近年來(lái)，本文的研究團(tuán)隊(duì)通過伊寧凹陷周邊露頭剖面的野外地質(zhì)調(diào)查、剖面詳測(cè)、實(shí)驗(yàn)室分析，在中二疊統(tǒng)首次發(fā)現(xiàn)一套區(qū)域性的膏鹽巖地層，該套地層的存在必將對(duì)區(qū)內(nèi)油氣勘探方向產(chǎn)生重大影響。

伊犁盆地跨越中國(guó)和哈薩克斯坦2國(guó)，夾持于南北天山之間，呈三角形向西敞開。該盆地是在前震旦系結(jié)晶基底之上發(fā)育的具有古生界、中生界、新生界多套蓋層結(jié)構(gòu)的沉積盆地[2]。在中國(guó)境內(nèi)呈現(xiàn)兩拗夾一隆的構(gòu)造格局，由南向北依次為南部拗陷、中部隆起和北部拗陷三大次級(jí)構(gòu)造單元。北部拗陷的伊寧凹陷面積為10 690 km2(圖1)，為晚古生代以來(lái)繼承性凹陷，沉積蓋層厚達(dá)萬(wàn)米，依次發(fā)育石炭系、二疊系、三疊系和侏羅系4套烴源巖。其中三疊系、侏羅系沉積厚度大，湖相、湖沼相煤系烴源巖發(fā)育；但整體處于未成熟-低成熟階段，資源潛力較小。石炭系為淺海-陸棚相沉積，泥巖、碳酸鹽巖烴源巖發(fā)育，有機(jī)質(zhì)豐度較高，生烴潛力較大；但埋藏深度大，有機(jī)質(zhì)成熟度高，成烴成藏條件復(fù)雜，勘探潛力有待進(jìn)一步評(píng)價(jià)和落實(shí)。中二疊統(tǒng)為厚逾1.5 km的湖相暗色地層，有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好、熱演化適中，油氣兼生，是該區(qū)的主力烴源巖和勘探層系。

圖1 伊犁盆地構(gòu)造單元及中二疊統(tǒng)膏鹽巖剖面位置圖Fig.1 Map showing tectonic units and distribution of Middle Permian gypseous-salt rock in the Ili Basin

1 中二疊統(tǒng)膏鹽巖特征

王東旭等將膏鹽巖定義為“主要由石膏、硬石膏、變水石膏組成，含少量石鹽、鹽類礦物、白云石……等組成的蒸發(fā)類巖石”[3]。

本區(qū)膏鹽巖主要由石膏、硬石膏、方解石和少量泥質(zhì)組成。本文研究團(tuán)隊(duì)在2010—2015年期間，在伊犁盆地重點(diǎn)針對(duì)伊寧凹陷周邊進(jìn)行了3次大規(guī)模的野外地質(zhì)調(diào)查。2010年首次在伊寧凹陷的北緣潘津布拉克二疊系剖面中發(fā)現(xiàn)了呈疙瘩狀團(tuán)塊石膏和石膏脈，單層厚度不超過10 cm，并未引起足夠重視。2014年和2015年通過野外剖面精細(xì)測(cè)量，大量的實(shí)驗(yàn)室X射線衍射和薄片分析，首次在伊寧凹陷中二疊統(tǒng)塔姆其薩依組(P2t)多條剖面發(fā)現(xiàn)厚層狀粉晶—泥晶(多被方解石交代)含泥質(zhì)灰質(zhì)膏鹽巖層；在已鉆井復(fù)查中，凹陷南部邊緣的N6等井碎屑巖中見到了石膏和硬石膏膠結(jié)物，與剖面膏鹽巖層位對(duì)應(yīng)，展示了凹陷內(nèi)膏鹽巖可能存在區(qū)域性分布的特點(diǎn)。

1.1 膏鹽巖發(fā)育層位

作者在伊寧凹陷北部、東部多條露頭剖面發(fā)現(xiàn)膏鹽巖。以潘津布拉克剖面為例，剖面位于伊寧縣以北的潘津布拉克鄉(xiāng)潘津布拉克村西與彼得其里河之間，剖面底部與下二疊統(tǒng)烏朗群火山碎屑巖不整合接觸；頂部為斷層接觸。剖面走向近東西向，全長(zhǎng)2 km，地層厚度945 m。該剖面是伊犁盆地塔姆其薩依組出露相對(duì)完整的剖面；全剖面分81層，采集巖礦、古生物、烴源巖等各類樣品200余塊。第1～第22層，主要為灰白色砂巖、灰色泥巖、灰?guī)r，厚53.8 m；第23～第42層，主要為灰黑色鈣質(zhì)頁(yè)巖、泥灰?guī)r、泥巖夾粉砂巖，厚383.7 m；第43～第53層，主要為灰色、灰白色、土黃色膏鹽巖、含膏質(zhì)灰?guī)r、含膏泥巖，其中膏鹽巖3層，最大單層厚度13.5 m，最薄1.32 m，3層累計(jì)厚度20.31 m，含膏地層累計(jì)厚度53.2 m； 第54～第61層為灰黑色鈣質(zhì)頁(yè)巖、泥灰?guī)r，厚137.0 m ；第62～第80層為灰色、灰綠色泥巖、鈣質(zhì)砂巖、雜色礫巖，厚316.54 m(圖2)。

剖面中孢粉化石豐富，孢粉植物群以裸子植物花粉占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)、蕨類植物孢粉含量稀少為特征，其中單氣囊花粉Cordaitina極度繁盛，具肋雙氣囊花粉Protohaploxypinus等含量較高，缺少晚二疊世的特征分子，其組合特征與準(zhǔn)噶爾盆地中二疊世蘆草溝-紅雁池組孢粉組合相似，時(shí)代屬中二疊世。

圖2 潘津布拉克P2t實(shí)測(cè)剖面柱狀圖Fig.2 Middle Permian stratigraphic colume from measured Panjinbulake profile

1.2 石膏富集特征

目前野外剖面上膏鹽巖主要由石膏組成，井下為石膏和硬石膏。據(jù)剖面上石膏富集狀態(tài)，筆者將石膏分為4種類型[4]。第一類為疙瘩狀石膏，此類石膏晶體顆粒粗大，單晶通常大于1 cm，集合體呈團(tuán)塊狀，一般團(tuán)塊直徑5～8 cm，沿層面不連續(xù)分布，剖面中含量較少，偶爾可見到。作者認(rèn)為該類石膏結(jié)晶環(huán)境優(yōu)越，主要形成于沉積期高鹽度底層水體中(圖3-C、D)。第二類為同生脈狀石膏，主要由垂直于層面的纖狀石膏集合體組成，脈體厚度一般為1～2 cm，延伸數(shù)米，多平行于層面分布，局部穿越層面；脈體形成于同生期，是高鹽度底層水在松散(沉積物未壓實(shí)，石膏有充分的結(jié)晶空間)的沉積物層內(nèi)或?qū)用娼Y(jié)晶的產(chǎn)物(圖3-C、D)。第三類為泥晶、粉晶膏巖，石膏主要以細(xì)小晶粒為主，粒徑一般為0.001～0.004 mm，最大晶體為0.2 mm，石膏多為自形到半自形晶體，常與泥晶方解石共生(圖3-B)。通過X射線衍射分析，現(xiàn)今石膏的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為45%～55%，方解石的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～40%，陸源碎屑及泥質(zhì)的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～20%；但薄片中常見石膏被方解石交代，保留石膏晶體輪廓，說(shuō)明沉積時(shí)原巖中石膏含量應(yīng)大于現(xiàn)在X射線衍射分析結(jié)果。該類膏鹽巖普遍含泥質(zhì)，風(fēng)化后呈土黃色，容易與鈣質(zhì)泥巖混淆，野外識(shí)別難度較大；但該類膏鹽巖是區(qū)內(nèi)膏鹽巖的主要類型，單層厚度達(dá)13.5 m。第四類為亮晶膠結(jié)物，有石膏和硬石膏，晶體較為粗大，常與亮晶方解石共生；從成巖期次等綜合分析認(rèn)為，該類石膏形成較早，為同生-早成巖階段的產(chǎn)物，目前僅在南部邊緣的N6井碎屑巖中見到，層位與野外剖面膏鹽巖層位基本一致。

圖3 潘津布拉克剖面膏巖層特征Fig.3 Characteristics of the gypseous-salt rock from Panjinbulake profile

1.3 膏鹽巖層形成氣候條件及展布特征

膏鹽巖是由于水體補(bǔ)給量小于蒸發(fā)量，水體中礦物質(zhì)不斷濃縮結(jié)晶而成，這個(gè)過程多是由于氣候條件變化或湖盆進(jìn)入萎縮期的產(chǎn)物。

1.3.1 膏鹽巖形成氣候條件分析

由于不同氣候條件下水體所攜帶的金屬元素富集程度不同，通過對(duì)相對(duì)穩(wěn)定的泥巖、碳酸鹽巖等巖石中各類元素比值的分析，可間接反映當(dāng)時(shí)的古氣候條件。

在潮濕氣候條件下,沉積巖中Fe、Mn、Cr、V、Ni、Co 等元素含量較高。在干燥氣候條件下，大氣降水減少，蒸發(fā)量增加，盆地水介質(zhì)的堿性增強(qiáng)，Ca，Mg，K，Na，Sr，Ba 等被大量析出沉積在水底，巖石中含量相對(duì)較高。利用這2類元素的質(zhì)量比值計(jì)算氣候指數(shù)C值 (引自蘭州地質(zhì)研究所的劃分標(biāo)準(zhǔn))：C=(Fe+Mn+Cr+V+Ni+Co)/(Ca+Mg+K+Na+Sr+Ba)，可將氣候劃分為干燥到潮濕5個(gè)級(jí)別[5]。按此方法計(jì)算，伊犁盆地中二疊世氣候指數(shù)主要在0.4以下，整體為干燥到半干燥氣候背景，個(gè)別時(shí)期為半濕潤(rùn)到濕潤(rùn)氣候(圖4)。從氣候指數(shù)上看，區(qū)內(nèi)具有形成膏鹽巖的干燥氣候條件。

圖4 伊犁盆地中二疊世氣候指數(shù)分析圖Fig.4 Analysis of climate index of Permian period in Ili Basin

1.3.2 膏鹽巖平面展布

在伊寧凹陷周邊中二疊統(tǒng)剖面中，除潘津布拉克為典型代表外，尼勒克縣群吉薩依剖面發(fā)現(xiàn)含膏地層36 m；鞏留縣瓊布拉克觀察剖面含膏地層數(shù)十米。同時(shí)在凹陷南部山前唯一鉆穿中二疊統(tǒng)的N6井深度1 413～1 418 m的塔姆其薩依組礫巖孔隙中存在石膏、硬石膏膠結(jié)物，在西南部(哈薩克斯坦境內(nèi))的3г、6г井中二疊統(tǒng)多層見石膏和硬石膏報(bào)道。

目前見到的膏鹽巖層(或膠結(jié)物)，縱向上分布于中二疊統(tǒng)中上部；平面上，潘津布拉克剖面位于伊寧凹陷北部，群吉薩依剖面和瓊布拉克剖面位于凹陷東部，N6井位于凹陷南部邊緣，3г、6г井位于凹陷西南邊緣，從地理位置看，凹陷的東南西北對(duì)應(yīng)層位均有石膏出現(xiàn)，由此推測(cè)石膏可能分布于整個(gè)凹陷。沉積相[6-7]研究表明，中二疊世，南北天山隆起，山間的伊犁盆地接受沉積，盆地邊緣主要為沖積扇和三角洲沉積，湖盆中心為濱淺湖沉積，形成了一套膏巖單層最大厚度超過13 m、含膏地層超過53 m的膏鹽巖沉積(圖5)。

2 膏鹽巖發(fā)育的油氣地質(zhì)意義

世界上許多含油氣盆地中油氣藏的形成與膏鹽巖有關(guān)，據(jù)前人統(tǒng)計(jì)[12]，334 個(gè)大油氣田中蓋層與膏鹽巖有關(guān)的占33%，其中66 個(gè)有膏鹽巖分布的含油氣盆地?fù)碛惺澜缟弦话胍陨系奶矫鲀?chǔ)量。

2.1 膏鹽巖層之下有機(jī)質(zhì)富集

通常含膏鹽巖盆地富含有機(jī)質(zhì)是因?yàn)楦帑}巖沉積環(huán)境為高鹽度水體，在淡水或正常海水補(bǔ)給過程中攜帶大量生物，當(dāng)正常鹽度生物進(jìn)入高鹽度水體時(shí)，生存環(huán)境發(fā)生變化，生物大量死亡堆積、埋藏，再加上膏鹽結(jié)晶，容易形成封閉的弱氧化-還原環(huán)境，有利于有機(jī)質(zhì)的保存和烴類轉(zhuǎn)化。

圖5 伊犁盆地中二疊世含膏地層沉積期古地理圖Fig.5 The paleogeographic map showing depositional stage of gypsum strata of Permian in Ili Basin

研究表明，二疊系為海陸過渡相沉積，烴源巖厚度大、分布廣、有機(jī)質(zhì)豐度高、熱演化適中，生烴潛力大。該套烴源巖主要發(fā)育于中二疊統(tǒng)，從下到上分別為曉山薩依組、哈米斯特組、塔姆其薩依組。烴源巖縱向上發(fā)育在上下2個(gè)組內(nèi)，膏鹽巖分布于中二疊統(tǒng)上部的塔姆其薩依組中部。

膏鹽巖層之上烴源巖，在潘津布拉克剖面，以灰色泥巖、鈣質(zhì)泥巖為主，厚度260 m，有機(jī)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wTOC)平均為1.04%，氯仿瀝青“A”質(zhì)量分?jǐn)?shù)(wA)平均為0.025%，鏡質(zhì)體反射率(Ro)為0.5%～0.7%。盆內(nèi)N3井烴源巖厚292 m，wTOC平均為1.00%，wA平均為0.024%(表1)，Ro為1.00%～1.90%；井下有機(jī)質(zhì)處于成熟-高成熟階段[8-10]，有機(jī)質(zhì)類型均為Ⅱ-Ⅲ型，以Ⅲ型為主。

膏鹽巖層之下烴源巖，塔姆其薩依組主要為灰黑色泥頁(yè)巖及灰色灰?guī)r、泥灰?guī)r等。在潘津布拉克剖面，烴源巖厚度330 m，wTOC平均為3.30%，wA平均為0.123%，Ro為0.5%～0.7%，處于低成熟階段。曉山薩依組以群吉薩依剖面為代表，巖性主要為灰黑色泥巖、頁(yè)巖、泥灰?guī)r和灰色砂巖；烴源巖主要為灰黑色泥頁(yè)巖，厚520 m，wTOC平均為1.18%；wA平均為0.152%，Ro為0.72%～1.43%，處于成熟階段，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ-Ⅱ型，以Ⅱ型為主，部分Ⅲ型(表1)。

表1 伊寧凹陷中二疊統(tǒng)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度

綜合評(píng)價(jià)認(rèn)為，中二疊統(tǒng)膏巖層之下，烴源巖厚度、豐度、類型均好于(或大于)膏鹽巖之上，經(jīng)計(jì)算二疊系油氣總資源量>0.4×109t， 80%在膏鹽巖層以下。

2.2 膏鹽巖的封蓋作用

膏鹽巖在深埋后，隨著溫度、壓力的增加，礦物具有塑性的特性，對(duì)油氣具有非常好的封蓋作用[11]。在世界范圍內(nèi)，膏鹽層作為蓋層的有效厚度從美國(guó)Little Sand Draw油田最薄只有1.2 m到俄羅斯的Mar Kovo油田1.3 km均有，據(jù)統(tǒng)計(jì)[11]有效厚度<10 m的油氣田占21%，<50 m的占60%。伊寧凹陷已測(cè)量剖面膏鹽層單層厚度達(dá)13.5 m，含膏地層36～53 m，單從厚度看伊寧凹陷中二疊統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的膏鹽巖層應(yīng)具備良好的封蓋能力。從野外剖面油苗分布看，潘津布拉克剖面見油苗8處，7處位于膏鹽巖層間及以下，只有一處位于膏鹽層以上；瓊布拉克剖面和群吉薩依剖面油苗全部位于膏鹽巖層間及以下，從油苗的分布看膏鹽巖在本區(qū)具有非常好的封蓋作用。

2.3 凹陷內(nèi)鉆井尚未揭示鹽下地層

伊寧凹陷周邊構(gòu)造復(fù)雜，斷層發(fā)育，二疊系露頭少，所測(cè)剖面塔姆其薩依組頂部均為斷層接觸，上部缺失地層厚度無(wú)法估量，給剖面與井下地層對(duì)比帶來(lái)了較大的困難。目前伊寧凹陷揭示中二疊統(tǒng)的鉆井4口，其中南部邊緣的N6井鉆穿了中二疊統(tǒng)，其他3口井僅揭示中二疊統(tǒng)膏鹽巖之上地層。

a. N6井位于凹陷南部邊緣，鉆遇中二疊統(tǒng)864 m，經(jīng)過地震剖面精細(xì)標(biāo)定，依據(jù)波組特征推測(cè)凹陷內(nèi)中二疊統(tǒng)厚逾1.5 km。N6井中二疊統(tǒng)距離頂部300 m處的巖心中見亮晶硬石膏、石膏和方解石充填于礫石孔隙中，之上地層對(duì)應(yīng)到凹陷內(nèi)厚度應(yīng)>500 m。目前凹陷內(nèi)鉆達(dá)中二疊統(tǒng)的探井揭示真厚度<400 m，從厚度推測(cè)凹陷內(nèi)鉆井未鉆穿膏鹽巖及以下地層。

b.從實(shí)測(cè)潘津布拉克剖面揭示塔姆其薩依組膏鹽巖以上地層厚度461 m(未見頂)，推測(cè)凹陷內(nèi)膏鹽巖層以上地層應(yīng)>400 m，鉆井尚未鉆揭此層系。

c.在地層對(duì)比中發(fā)現(xiàn)，區(qū)內(nèi)Cordaitina化石出現(xiàn)于泥盆紀(jì)，繁盛于石炭紀(jì)到中二疊世，滅絕于晚二疊世到三疊紀(jì)早期。從剖面獲得的孢粉組合中Cordaitina一般在40%～60%，而鉆井剖面中一般在20%以下，如N3井，由井底的24.26%下降到中二疊統(tǒng)頂部的1%以下，變化明顯，從該類孢粉演化規(guī)律分析，井下已經(jīng)揭示地層可能晚于剖面地層，間接說(shuō)明凹陷內(nèi)鉆井還未鉆到中二疊統(tǒng)中下部地層。

3 結(jié) 論

a.伊犁盆地二疊系首次大規(guī)模發(fā)現(xiàn)膏鹽層，該層具有厚度大、分布廣、封蓋能力強(qiáng)的特征，對(duì)油氣勘探具有重要意義。

b.膏鹽層以下烴源巖厚度大，有機(jī)質(zhì)中—好，成熟度適中，資源潛力大。

c.凹陷內(nèi)鹽下層系應(yīng)是油氣勘探的主要層系。

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The discovery of Middle Permian gypsolith gypsolyte in Ili Basin of Xinjiang and its petroleum geology significance

CAO Jiankang1, YANG Daoqing2, JIANG Yongfu1, XIONG Cui1,DONG Yinlei1, ZHUANG Yipeng1, ZHANG Hongjun1, GU Chao1

1.ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,HenanOilfieldBranchCompany,SINOPEC,Zhengzhou450000,China; 2.HenanOilfieldBranchCompany,SINOPEC,Nanyang473132,China

Middle Permian gypseous-salt rock occurred in the Yining sag of Xingjiang is studied through cross section measurement, X-ray diffraction analysis and observation of thin sections so as to discuss its relation with oil and gas. It shows that the Panjinbulake section contains 53 m of gypseous-salt rock formation, with 20 m gypsum layers and with largest single layer of 13 m. Gypseous-salt rock is also found and distributed in other cross sections. Generally, the distribution of gypseous-salt rock formation is stable in the area with a thickness of 36～53 m. High-quality hydrocarbon source rocks of Mid-Permian mainly develop under the gypseous-salt rock formation. The hydrocarbon source rocks of Mid-Permian are characterized by large thickness, stable distribution, quality organic type, medium maturity, great hydrocarbon generation potential, superior hydrocarbon accumulation condition and rich seepage in the field. Therefore, it is the main target of oil and gas exploration.

Ili Basin; hydrocarbon source rocks; gypseous-salt rock; resource potential

10.3969/j.issn.1671-9727.2017.03.02

1671-9727(2017)03-0286-07

2017-12-07。

曹建康(1961-)，男，高級(jí)工程師，從事油氣勘探研究工作, E-mail:hnytcjk@163.com。

P588.247; TE122.25

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