新疆北部石炭系烴源巖發(fā)育模式及潛力研究

程世偉，林會喜，李艷麗，張奎華

(中國石化勝利油田分公司，山東 東營 257000)

0 引 言

新疆北部廣泛分布著石炭紀(jì)沉積巖層，露頭和鉆井資料均不同程度地揭示了此套潛在烴源巖的存在，克拉美麗氣田的發(fā)現(xiàn)進(jìn)一步證實(shí)石炭系具備較高的勘探和研究價值[1-2]。然而，由于勘探程度較低，資料來源主要是零星露頭和滴西部分鉆井，因此，目前對石炭系的研究比較局限[3-4]。由于石炭系沉積環(huán)境多樣，既有海相沉積，又有陸相沉積，不同沉積環(huán)境之間生烴潛力的差異性仍不明確；同時石炭系充填系列復(fù)雜，既有沉積巖，也有火山巖，烴源巖巖石類型多樣化，火山活動對烴源巖生烴性的影響也不明確[5-6]，加大了研究難度。目前尚無烴源巖潛力及分布規(guī)律的系統(tǒng)闡述[7-8]，石炭系資源前景不明朗。因此，將烴源巖沉積環(huán)境、地球化學(xué)特征、有機(jī)巖石學(xué)特征等相結(jié)合，系統(tǒng)開展了烴源巖沉積有機(jī)相分析，綜合評價了烴源巖的生烴潛力，并建立了復(fù)雜成盆背景烴源巖發(fā)育模式，旨在明確有利的生烴環(huán)境和有利烴源巖的平面展布規(guī)律，為該區(qū)油氣綜合評價和勘探服務(wù)。

1 烴源巖發(fā)育背景

新疆北部石炭系總體發(fā)育一套復(fù)雜的火山-沉積建造[9]。早石炭世時期，準(zhǔn)噶爾盆地多為島弧、殘留洋并存的復(fù)雜構(gòu)造格局，南部以淺?！肷詈３练e為主，北部火山作用明顯加強(qiáng)，形成陸緣島弧與弧間盆地相間分布的格局，發(fā)育淺?！肷詈－h(huán)境[10-11]。晚石炭世時期，準(zhǔn)噶爾板塊整體進(jìn)入陸內(nèi)裂谷發(fā)展階段，形成陸內(nèi)河湖環(huán)境，火山活動極為活躍，僅有北天山和西北緣達(dá)爾布特部分地區(qū)仍處于殘留海盆階段。

石炭系發(fā)育殘留洋盆、弧后盆地、弧間盆地、湖泊等多種沉積背景，具備形成烴源巖的背景條件。巖性組合特征總體上表現(xiàn)為火成巖與沉積巖交互的特點(diǎn)。沉積巖主要發(fā)育于下統(tǒng)姜巴斯套組中段(C1j2)、上統(tǒng)巴塔瑪依內(nèi)山組中段(C2b2)以及同時代的地層單元[12]。C1j2在北緣是一套重要的區(qū)域性烴源巖，為溝-弧-盆體系的海相沉積，巖性主要為灰色、深灰色、灰黑色泥巖以及炭質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖，主要分布于陸東—五彩灣一帶以及烏倫古坳陷，厚度一般為61～500 m。C2b2烴源巖分布比較局限，在烏倫古坳陷大部分地區(qū)缺失，在陸東—五彩灣—英西一帶為以炭質(zhì)泥巖為主的煤系烴源巖，厚度為200～500 m；在西緣和南緣以海相沉積的泥巖為主。整體來看，石炭系暗色沉積巖普遍發(fā)育但在各區(qū)的分布存在差異。

2 烴源巖沉積有機(jī)相及潛力評價

2.1 烴源巖沉積有機(jī)相劃分

有機(jī)相的劃分能充分體現(xiàn)地質(zhì)單元中有機(jī)質(zhì)的來源，能夠直觀地展現(xiàn)成烴條件。根據(jù)國內(nèi)外沉積有機(jī)相劃分方案[13-15]，將研究區(qū)石炭系劃分為6種沉積有機(jī)相(表1)，分別是較深水-深水藻質(zhì)有機(jī)相(B)、局限海灣草本-藻質(zhì)有機(jī)相(BC1)、濱淺水草本-藻質(zhì)有機(jī)相(BC2)、湖泊覆水沼澤草木混生有機(jī)相(C)、濱淺水草木混生有機(jī)相(CD)、三角洲覆水草木有機(jī)相(D)。由于巖相古地理環(huán)境的差異，上下石炭統(tǒng)烴源巖的發(fā)育背景存在顯著差異，因此，其沉積有機(jī)相類型也差異明顯。按烴源巖發(fā)育層系來看，C1j主要為溝-弧-盆沉積體系，主要發(fā)育B、BC1、BC2、CD、D等沉積有機(jī)相；而上統(tǒng)為陸相和海相均有發(fā)育，主要發(fā)育B、BC1、BC2、C、CD、D等相帶。

表1 石炭系烴源巖沉積有機(jī)相劃分標(biāo)準(zhǔn)

2.2 烴源巖潛力評價

2.2.1 較深水-深水藻質(zhì)有機(jī)相(B)

該相主要發(fā)育于弧間及弧后盆地的深水—較深水海洋環(huán)境、殘留洋及裂谷湖泊環(huán)境下深水—較深水環(huán)境。由于處于沉積中心，烴源巖厚度大，巖性以泥巖、凝灰質(zhì)泥巖為主。顯微組分中以無定形的腐泥組分為主，含量為62.3%～97.7%，其次為鏡質(zhì)體，表明生物來源以藻源以及細(xì)菌等低等水生生物為主(圖2)。如烏參1井，顯微組分以無定形體及貧氫次生組分為主，且全巖光片中有機(jī)質(zhì)與礦物成層狀、條帶狀間互分布，顯示出有機(jī)質(zhì)層狀富集的特點(diǎn)。通過對有機(jī)質(zhì)恢復(fù)，烏參1井原始有機(jī)碳分布于1.12%～2.95%，顯示了高豐度的特征，表明生烴物質(zhì)基礎(chǔ)好。B相烴源巖熱模擬最大產(chǎn)油率和產(chǎn)氣率分別為245、250 mg/g，顯示出較高的生油生氣能力，為下石炭統(tǒng)最具潛力的沉積有機(jī)相類型。

圖1 石灰系不同沉積有機(jī)相烴源巖顯微有機(jī)組分特征

2.2.2 局限海灣草本-藻質(zhì)有機(jī)相(BC1)

該相主要發(fā)育于陸緣，受火山島弧的影響，水體被分割開來，形成相對獨(dú)立的成烴環(huán)境。物源主要為來自陸地的碎屑物質(zhì)，受火山作用影響要明顯弱于B相。在盆地北緣的滴水泉剖面，為典型的局限海灣沉積，V與V+Ni的相對質(zhì)量比為0.75～0.95，V與Cr相對質(zhì)量比為2.00～4.00，指示貧氧—厭氧的環(huán)境；Pr/Ph值為0～2，反映為還原的環(huán)境。沉積背景顯示有利于發(fā)育較好的烴源巖，烴源巖以泥巖為主，厚度為800 m。腐泥組分含量為13.0%～95.7%，鏡質(zhì)體含量為4.3%～94.3%，含少量礦物瀝青基質(zhì)和貧氫次生組分，顯示低等水生生物和高等植物的混合貢獻(xiàn)。烴源巖原始有機(jī)碳含量平均為1.64%，熱模擬最大產(chǎn)油率和產(chǎn)氣率分別為60、210 mg/g，顯示較高的生油生氣能力。

2.2.3 濱淺水草木-藻質(zhì)有機(jī)相(BC2)和濱淺水草木混生有機(jī)相(CD)

這2個沉積有機(jī)相沉積背景相似，均發(fā)育于海洋、湖泊濱岸淺水的弱還原—弱氧化環(huán)境。兩者顯微組分差異顯著，BC2相以無定形和鏡質(zhì)組的混合為特征，CD相以鏡屑體為主，表明前者的生物源中低等水生生物的貢獻(xiàn)大于后者。兩者原始有機(jī)碳含量平均值分別為1.38%和0.73%，熱模擬產(chǎn)物均以生氣為主，但產(chǎn)率前者比后者高50 mg/g，生烴潛力前者顯著優(yōu)于后者。研究發(fā)現(xiàn)，造成兩者生烴能力差異顯著的主要原因是有無火山活動的影響。BC2相不僅Mn與Al相對質(zhì)量比和La與Yb相對質(zhì)量比等火山活動相關(guān)性顯著高于CD相，而且Ba、Cu、Ni等反映有機(jī)質(zhì)通量的參數(shù)均高于不受火山影響的地區(qū)，說明火山活動給水體帶來了大量的營養(yǎng)物質(zhì)，使得低等水生生物富集，能夠?yàn)樾纬珊玫臒N源巖提供物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.2.4 湖泊覆水沼澤草木混生有機(jī)相(C)

該沉積有機(jī)相是上石炭統(tǒng)最重要的沉積有機(jī)相類型。由于以陸相湖泊、沼澤為主要沉積背景，整體水體較淺，以覆水沼澤沉積相為主，發(fā)育炭質(zhì)泥巖類烴源巖。烴源巖顯微組分以鏡質(zhì)組為主，含量為22.3%～85.7%，反映有機(jī)母質(zhì)主要為高等植物(僅在較深水的局部地區(qū)有低等水生生物的輸入)。烴源巖原始有機(jī)碳含量為4.12%～8.76%，平均為5.90%，具有高的有機(jī)質(zhì)豐度，具備良好的生氣條件。

2.2.5 三角洲覆水草木有機(jī)相(D)

該相烴源巖多以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖為主。鏡下顯微組分以塊狀鏡屑體為主，體積百分含量為36.7%～87.0%，平均為72.7%，難見腐泥組和殼質(zhì)組等組分，反映母質(zhì)來源主要為高等植物。典型代表為薩爾布拉克剖面，其烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度大多小于0.5%，且Sr與Ba的含量比為0.49，V與Cr的含量比小于2.00，表明這種微咸的氧化的水體環(huán)境難以形成有利的烴源巖。

3 石炭系烴源巖發(fā)育模式及烴源巖分布

從上述石炭系沉積有機(jī)相劃分及潛力分析可以看出，火山活動對下統(tǒng)烴源巖的發(fā)育有著至關(guān)重要的作用，火山活動一方面改善了烴源巖原始生烴母質(zhì)類型，另一方面增加了原始生源數(shù)量。考慮火山活動對烴源巖形成及分布的影響[16-17]，建立了復(fù)雜成盆背景溝-弧-盆體系烴源巖沉積有機(jī)相發(fā)育模式(圖3)。由圖3可知，在鄰近火山島弧發(fā)育的區(qū)帶，主要發(fā)育以低等水生生物為主要來源的B和BC1、BC2相，是下石炭統(tǒng)重要的優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育區(qū)。相反，在遠(yuǎn)離島弧，而靠近陸源的區(qū)域主要發(fā)育D相，而CD相則主要發(fā)育在遠(yuǎn)離火山活動的淺水地帶。上石炭統(tǒng)除了溝-弧-盆體系外，還發(fā)育陸內(nèi)湖盆沉積，其主要的沉積有機(jī)相類型為C、CD、D相，其中C相以陸相沼澤背景，高等植物供給充足，是有利的氣源巖發(fā)育區(qū)。

根據(jù)建立的沉積有機(jī)相發(fā)育模式，結(jié)合野外露頭、鉆井、古地理分析、重磁電震等資料，厘定了石炭系有利烴源巖的空間展布。下石炭統(tǒng)C1j烴源巖主要分布在烏倫古地區(qū)、西北緣和吐哈等地，厚度為100～400 m。由于島弧的分割作用，在平面上形成多個厚度中心，在烏倫古坳陷以及英西凹陷—滴水泉凹陷—五彩灣凹陷一帶厚度最大。上石炭統(tǒng)C2b烴源巖主要分布在北部陸梁—五彩灣—準(zhǔn)東地區(qū)，受陸內(nèi)裂谷背景控制，加之后期殘留分布，形成多個厚度中心，在中部區(qū)塊和陸6井北等地區(qū)厚度為300 m以上；北緣烏倫古地區(qū)由于構(gòu)造缺失上石炭統(tǒng)烴源巖。C2b烴源巖在西緣以及南緣、吐哈地區(qū)分布范圍廣，在西緣呈北東向展布，北部地區(qū)厚度為100～500 m，英西凹陷最大厚度為400以上;在南緣呈近東西向展布，中心厚度為400 m。

圖2石炭系溝-弧-盆體系烴源巖沉積有機(jī)相發(fā)育模式

4 結(jié) 論

(1) 下石炭統(tǒng)姜巴斯套組烴源巖形成于海相沉積環(huán)境，半深海、淺海以及潟湖等較深水還原下形成的烴源巖，有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好，生烴潛力大，是重要的優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育區(qū)；同時，火山活動增加了烴源巖中有機(jī)質(zhì)的數(shù)量和質(zhì)量，凝灰質(zhì)泥巖也成為潛在的烴源巖巖石類型，因此，島弧發(fā)育區(qū)優(yōu)質(zhì)烴源巖的規(guī)模大于正常海相沉積區(qū)；烏倫古地區(qū)和西緣車排子地區(qū)均是下石炭統(tǒng)有利烴源巖的發(fā)育區(qū)。

(2) 上石炭統(tǒng)巴塔瑪依內(nèi)山組烴源巖南北差異大，在西緣和南緣吐哈地區(qū)與下統(tǒng)發(fā)育規(guī)律相似，沿著殘留洋盆的中心發(fā)育深水相的藻源烴源巖，是有利的烴源巖發(fā)育區(qū)；在北緣以陸相沉積為主，陸東—五彩灣一帶烴源巖受湖盆分割性呈局限分布，但由于陸相供給充足，仍不失為有利的氣源巖發(fā)育區(qū)。