三塘湖盆地馬東地區(qū)卡拉崗組烴源巖特征與致密油意義

殷 越, 賈鵬飛, 黃志龍, 吳紅燭, 金 希, 劉國(guó)杰

1.中國(guó)石化西南油氣分公司勘探開發(fā)研究院，成都 610041 2.中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249 3.中國(guó)石化西南油氣分公司彭州氣田(海相)開發(fā)項(xiàng)目部，成都 610041 4.浙江省地球物理地球化學(xué)勘查院，杭州 310000

0 引言

三塘湖盆地石炭系卡拉崗組主要為一套巨厚的中基性火山巖夾薄層碎屑巖，是火山巖油藏主要的產(chǎn)油層位，前人研究的關(guān)注點(diǎn)側(cè)重于牛東地區(qū)和馬北地區(qū)風(fēng)化殼型火山巖儲(chǔ)層及油氣成藏方面[1-5]。隨著勘探程度的進(jìn)一步提高，在馬東地區(qū)卡拉崗組鉆遇了大套的暗色泥巖，同時(shí)在厚層暗色泥巖內(nèi)部的薄層凝灰?guī)r儲(chǔ)層中發(fā)現(xiàn)了良好的油氣顯示并試油成功；這一重大突破使得卡拉崗組勘探領(lǐng)域進(jìn)一步拓寬，由起初的風(fēng)化殼油藏過(guò)渡到致密凝灰?guī)r油藏的領(lǐng)域。但卡拉崗組鉆遇的厚層暗色泥巖是否具有良好的生烴潛力，是否對(duì)卡拉崗組致密凝灰?guī)r的成藏有一定的貢獻(xiàn)，關(guān)于此方面的問(wèn)題還未進(jìn)行系統(tǒng)的研究。前人的研究過(guò)多地關(guān)注哈爾加烏組的烴源巖地質(zhì)地球化學(xué)特征[5-9]，而對(duì)卡拉崗組復(fù)雜巖性的地質(zhì)特征及生烴潛力研究較少，尤其對(duì)該目的層段的致密油形成條件及意義很少提及。因此，有關(guān)卡拉崗組烴源巖的生烴潛力強(qiáng)弱及是否有利于致密油的形成等一些地質(zhì)問(wèn)題沒(méi)有得到很好的解決。本文通過(guò)對(duì)卡拉崗組細(xì)粒沉積巖的地球化學(xué)特征進(jìn)行評(píng)價(jià)，對(duì)不同巖性烴源巖的生烴潛力進(jìn)行對(duì)比分析，以揭示卡拉崗組的生烴潛力及對(duì)其致密油形成的意義。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

三塘湖盆地位于新疆東北部，為多旋回疊加的殘留盆地，盆地油氣資源豐富，多種油藏類型并存，屬于改造型油氣聚集盆地。馬朗凹陷地理位置在克拉美麗大黑山縫合帶與蒙古俯沖帶之間，位于三塘湖盆地的中央凹陷帶上，該凹陷又可分為馬北構(gòu)造、牛圈湖構(gòu)造、牛東構(gòu)造、馬中構(gòu)造、馬東構(gòu)造、黑墩構(gòu)造及岔哈泉構(gòu)造等7個(gè)三級(jí)構(gòu)造[10]。石炭系哈爾加烏組和卡拉崗組的火山活動(dòng)頻繁，火山噴發(fā)溢出的大量巖漿向低洼處流動(dòng)，形成大面積分布的溢流相熔巖[11]。其中馬朗凹陷東部地區(qū)為本次研究重點(diǎn)工區(qū)(圖1)。

馬朗凹陷石炭系自下而上發(fā)育下石炭統(tǒng)姜巴斯套組，上石炭統(tǒng)巴塔瑪依內(nèi)山組、哈爾加烏組和卡拉崗組，與上覆二疊系呈不整合接觸[12]。哈爾加烏組沉積時(shí)期，盆地處于擠壓環(huán)境，火山作用頻繁，火山噴發(fā)間歇期在盆地內(nèi)發(fā)育一套海陸交互相沉積的火山巖夾炭質(zhì)泥巖、油頁(yè)巖和凝灰質(zhì)泥巖，是石炭系主要烴源巖，卡拉崗組為大套陸相火山巖夾火山碎屑巖、碎屑巖組合[13-14]，其中馬東地區(qū)上石炭統(tǒng)卡拉崗組是本文研究的層段。

2 烴源巖地質(zhì)特征

三塘湖盆地馬朗凹陷馬東地區(qū)卡拉崗組距火山活動(dòng)帶位置較遠(yuǎn)[15]，沉積了厚層的烴源巖，厚度最大達(dá)到500 m左右[16](圖2)。烴源巖巖性較為復(fù)雜，主要包括深灰色凝灰質(zhì)泥巖、深灰色含灰泥巖、深灰色泥巖和深灰色白云質(zhì)泥巖，4種巖性縱向分布特征具有一定差異性?？ɡ瓖徑M火山活動(dòng)整體經(jīng)歷強(qiáng)-弱-強(qiáng)的階段[15]，沉積初期火山活動(dòng)較強(qiáng)，導(dǎo)致大量的火山灰入湖與泥巖共同沉積形成凝灰質(zhì)泥巖；至卡拉崗組中期，火山噴發(fā)減弱，湖盆水體受周圍火山活動(dòng)影響變?nèi)?，在相?duì)封閉的湖盆中沉積了大套的含灰泥巖和白云質(zhì)泥巖；而到卡拉崗組晚期時(shí)，火山活動(dòng)再一次增強(qiáng)，頻繁的火山活動(dòng)使得火山巖不斷入湖，造成湖盆水體長(zhǎng)期處于動(dòng)蕩的環(huán)境中，不利于有機(jī)質(zhì)的沉積和保存，導(dǎo)致卡拉崗組頂部沉積以氧化色泥巖夾薄層火山巖為主；同時(shí)又由于后期的構(gòu)造抬升使得部分地區(qū)卡拉崗組頂部被剝蝕，最終造成馬東地區(qū)卡拉崗組呈暗色泥巖的分布特征，即底部以深灰色凝灰質(zhì)泥巖和深灰色泥巖為主，中上部以深灰色含灰泥巖和深灰色白云質(zhì)泥巖為主，頂部為氧化色泥巖(圖3)。

圖2 三塘湖盆地馬朗凹陷卡拉崗組烴源巖厚度等值線圖

3 烴源巖有機(jī)地球化學(xué)特征

三塘湖盆地馬朗凹陷石炭系卡拉崗組發(fā)育多種類型的烴源巖，主要包括深灰色白云質(zhì)泥巖、深灰色含灰泥巖、深灰色凝灰質(zhì)泥巖和深灰色泥巖。本次研究采集了卡拉崗組烴源巖樣品，進(jìn)行了有機(jī)碳、Rock-Eval熱解實(shí)驗(yàn)，并對(duì)其中的樣品進(jìn)行了干酪根碳同位素、干酪根顯微組分以及鏡質(zhì)體反射率(Ro)的測(cè)定。從有機(jī)質(zhì)豐度、類型和成熟度等方面對(duì)烴源巖的地球化學(xué)特征進(jìn)行研究。

3.1 烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)豐度是烴源巖生油氣重要的物質(zhì)基礎(chǔ)，三塘湖盆地卡拉崗組烴源巖主要包括深灰色凝灰質(zhì)泥巖、白云質(zhì)泥巖、含灰泥巖和泥巖，不同巖性烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度差異較大，這可能與其中的礦物組成、沉積形成環(huán)境和保存條件等具有一定的關(guān)系[17-18]。

研究區(qū)卡拉崗組不同巖性烴源巖的測(cè)試分析結(jié)果表明，卡拉崗組有機(jī)質(zhì)豐度分布范圍和集中程度具有一定的差異性(圖4)：深灰色凝灰質(zhì)泥巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本大于2%，w(S1+S2)基本大于6 mg/g，好烴源巖占94%以上；深灰色白云質(zhì)泥巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)分布基本大于1%，w(S1+S2)大多在6 mg/g以上，屬于中等-好烴源巖；深灰色含灰泥巖數(shù)據(jù)較少，但TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本大于1%，w(S1+S2)大部分大于6 mg/g，屬于好的烴源巖；深灰色泥巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)和w(S1+S2)值較其他3種巖性稍低，但基本屬于中等-好烴源巖。總體來(lái)說(shuō)，從有機(jī)質(zhì)豐度分析數(shù)據(jù)來(lái)看，卡拉崗組4種巖性烴源巖都為好的烴源巖，其中深灰色凝灰質(zhì)泥巖和白云質(zhì)泥巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)和w(S1+S2)值均較高，為卡拉崗組好-極好的烴源巖，而深灰色含灰泥巖和深灰色泥巖TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，但w(S1+S2)相對(duì)較低，其質(zhì)量要次于深灰色凝灰質(zhì)泥巖和白云質(zhì)泥巖。

圖4 馬東地區(qū)卡拉崗組不同巖性烴源巖w(TOC)和w(S1+S2)頻率分布圖

3.2 烴源巖有機(jī)質(zhì)類型

在本次研究中，選取了不同巖性烴源巖樣品進(jìn)行顯微組分分析，根據(jù)顯微組分體積分?jǐn)?shù)計(jì)算類型指數(shù)來(lái)劃分有機(jī)質(zhì)類型[19]，統(tǒng)計(jì)結(jié)果(表1)表明，卡拉崗組烴源巖樣品殼質(zhì)組占比較高，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ型。

表1 馬東地區(qū)卡拉崗組不同巖性烴源巖干酪根顯微組分體積分?jǐn)?shù)

烴源巖干酪根碳同位素主要取決于它們生物母質(zhì)類型的碳同位素組成，具有繼承性，并且隨成熟度增加變化不大，是一個(gè)比較穩(wěn)定的指標(biāo)，可作為區(qū)分母質(zhì)類型的一個(gè)可靠指標(biāo)[20]。研究區(qū)卡拉崗組有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ型為主，凝灰質(zhì)泥巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅰ-Ⅱ型，有機(jī)質(zhì)類型較好，白云質(zhì)泥巖有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ-Ⅲ型，類型次之(表2)。總體來(lái)說(shuō)，卡拉崗組不同巖性烴源巖有機(jī)質(zhì)類型較好，具有一定的生烴潛力。結(jié)合各種指標(biāo)判斷，卡拉崗組源巖類型以Ⅱ型為主，其中凝灰質(zhì)泥巖以Ⅰ-Ⅱ1為主，白云質(zhì)泥巖和含灰泥巖Ⅱ2型居多，具有一定的生烴潛力。

表2 馬東地區(qū)卡拉崗組不同巖性烴源巖干酪根碳同位素值

3.3 烴源巖有機(jī)質(zhì)熱演化特征

有機(jī)質(zhì)豐度決定了烴源巖生烴的物質(zhì)基礎(chǔ)，有機(jī)質(zhì)類型決定烴源巖的生烴潛力，但能否生成油或氣與有機(jī)質(zhì)的熱演化程度有密切關(guān)系。目前確定成熟度的指標(biāo)有許多種，常用的為鏡質(zhì)體反射率Ro、巖石最高熱解峰溫Tmax、巖石熱解產(chǎn)率指數(shù)S1/(S1+S2)、CPI(碳優(yōu)勢(shì)指數(shù))、OEP(奇碳優(yōu)勢(shì))和生物標(biāo)志物參數(shù)等。鏡質(zhì)體反射率是應(yīng)用效果最好的指標(biāo)，其次為Tmax，其他指標(biāo)參數(shù)作為輔助評(píng)價(jià)指標(biāo)。

從烴源巖的演化剖面可以看出，卡拉崗組烴源巖從1 500 m進(jìn)入生油窗，1 500～2 200 m為低熟階段(Ro為0.5%～0.7%)，2 200～3 800 m為成熟階段(Ro為0.7%～1.2%)，3 800 m以下為高熟階段(Ro大于1.2%)。從研究區(qū)烴源巖演化剖面圖(圖5)分析可知，卡拉崗組埋深介于1 300～2 800 m之間，平均深度達(dá)2 000 m，卡拉崗組烴源巖Ro為0.5%～0.8%，Tmax值為427～453 ℃，OEP和CPI值基本大于1，烴源巖基本處于低熟階段；結(jié)合S1/(S1+S2)和Tmax數(shù)據(jù)分析埋深較大的樣品(2 200～3 000 m)處于成熟階段(圖5)?？傮w來(lái)說(shuō)，卡拉崗組烴源巖處于低熟—成熟階段，具有良好的生烴潛力。

圖5 三塘湖盆地馬朗凹陷烴源巖演化剖面圖

4 烴源巖形成環(huán)境特征

烴源巖抽提物中的姥鮫烷Pr與植烷Ph比值Pr/Ph與沉積環(huán)境的氧化-還原條件有密切關(guān)系，Pr/Ph越高，沉積水體的氧化性越強(qiáng)，Pr/Ph越低，沉積水體的還原性越強(qiáng)[21-23]。一般而言，鹽湖、咸水湖有機(jī)質(zhì)的Pr/Ph普遍低于0.8，具植烷優(yōu)勢(shì)，屬于強(qiáng)還原環(huán)境；半咸水—淡水環(huán)境湖相的Pr/Ph介于0.8～2.8之間，屬于還原—弱氧化環(huán)境；淡水湖相的Pr/Ph普遍大于2.8，最高可大于4.0，屬于弱氧化—氧化條件。伽馬蠟烷指數(shù)的相對(duì)值大小可以指示沉積時(shí)的水體鹽度，伽馬蠟烷指數(shù)值越高，水體越咸。研究區(qū)烴源巖Pr/Ph值大部分小于0.8，僅有含灰泥巖的伽馬蠟烷指數(shù)相對(duì)較高，含灰泥巖和白云質(zhì)泥巖伽馬蠟烷指數(shù)稍高于凝灰質(zhì)泥巖，認(rèn)為該地區(qū)可能處于還原的微咸水環(huán)境(圖6)。

圖6 馬東地區(qū)不同巖性烴源巖伽馬蠟烷指數(shù)-Pr/Ph交會(huì)圖

為了進(jìn)一步判斷研究區(qū)烴源巖的形成環(huán)境，需結(jié)合生物標(biāo)志化合物特征來(lái)間接反映不同巖性烴源巖的沉積環(huán)境以及馬東地區(qū)卡拉崗組平面上沉積環(huán)境的變化[24]。本次研究共采集了馬朗凹陷馬東地區(qū)卡拉崗組不同巖性烴源巖樣品進(jìn)行飽和烴色質(zhì)譜分析，不同巖性烴源巖抽提物的生物標(biāo)志物響應(yīng)特征具有一定差異性。

凝灰質(zhì)泥巖抽提物飽和烴正構(gòu)烷烴呈近正態(tài)分布，主峰碳為nC21，伽馬蠟烷不高，無(wú)β胡蘿卜烷，凝灰質(zhì)泥巖大部分Pr/Ph值<0.8,可能形成于還原的淡水—微咸水環(huán)境；三環(huán)萜含量較低，Ts(18α-22,29,30-三降藿烷)

m/z為質(zhì)核比。

結(jié)合馬東地區(qū)構(gòu)造地質(zhì)條件，目的層的埋深由馬33井區(qū)向馬71井區(qū)逐漸變深(圖3)，且由馬33井沿近東西向過(guò)渡到馬71井的伽馬蠟烷指數(shù)變小，同時(shí)馬71井區(qū)沒(méi)有β胡蘿卜烷，而馬33井區(qū)有β胡蘿卜烷；反映了馬33井區(qū)向馬71井區(qū)的水體鹽度和還原性降低，由還原—強(qiáng)還原的微咸水環(huán)境變?yōu)槿踹€原—弱氧化的淡水—微咸水環(huán)境。而馬33井區(qū)TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)也高于馬71井區(qū)，說(shuō)明烴源巖沉積環(huán)境和有機(jī)碳含量具有一定的相關(guān)性。生物標(biāo)志物分析顯示，馬33井區(qū)Ts/(Ts+Tm)和重排甾烷含量等成熟度參數(shù)都低于馬71井區(qū)；這表明馬33井區(qū)熱演化程度低于馬71井區(qū)，這與馬71井區(qū)埋藏較深相一致?？傮w來(lái)說(shuō)，卡拉崗組不同巖性烴源巖的沉積環(huán)境大體相似，除去生油母質(zhì)本身的差異，其氧化還原特征具有一定的相似性，即不同巖性烴源巖可能沉積于相似的弱氧化—弱還原的微咸水沉積環(huán)境。

5 烴源巖綜合評(píng)價(jià)與致密油形成意義

5.1 卡拉崗組烴源巖綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)以上不同巖性烴源巖分析結(jié)果可以看出，卡拉崗組不同巖性烴源巖均具有良好的生油氣潛力，有機(jī)質(zhì)類型主要為Ⅱ型，其中深灰色凝灰質(zhì)泥巖和白云質(zhì)泥巖烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好，屬于好的烴源巖；根據(jù)有機(jī)質(zhì)熱演化分析結(jié)果，卡拉崗組烴源巖處在生油窗附近，基本達(dá)到成熟階段，但是從不同巖性烴源巖的地質(zhì)分布特征來(lái)看，深灰色凝灰質(zhì)泥巖在馬東地區(qū)卡拉崗組分布厚度大，平面分布較為穩(wěn)定，為該層位主力烴源巖(圖8)。

圖8 三塘湖盆地馬朗凹陷卡拉崗組烴源巖綜合評(píng)價(jià)圖

5.2 卡拉崗組致密油藏形成意義

鉆井揭示該區(qū)巖性組合為厚層暗色泥巖夾薄層凝灰?guī)r，且錄井顯示大部分凝灰?guī)r含油級(jí)別為油跡，少部分為熒光級(jí)別，通過(guò)統(tǒng)計(jì)卡拉崗組具有油氣顯示的凝灰?guī)r累計(jì)厚度較大，平均達(dá)194 m。該區(qū)卡拉崗組烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，處于低熟階段，可產(chǎn)生大量有機(jī)酸，從而對(duì)薄層凝灰?guī)r產(chǎn)生溶蝕作用，形成有利儲(chǔ)層。從巖心和薄片觀察以及儲(chǔ)層物性(圖9)來(lái)看，儲(chǔ)層巖性以玻屑沉凝灰?guī)r為主，發(fā)育溶蝕孔隙和微裂縫，孔隙度平均為12.5%，滲透率平均為0.5×10-3μm，屬于中高孔、特低滲儲(chǔ)層。油層的含油飽和度普遍大于40.0%，最高達(dá)58.6%，為中等含油飽和度油藏。其中馬33井和馬71井在卡拉崗組薄層致密凝灰?guī)r中試油成功，平均日產(chǎn)量較高，達(dá)7.03 t，試油階段累計(jì)產(chǎn)量達(dá)92.20 t?？ɡ瓖徑M烴源巖具有好的生烴潛力，烴源巖與凝灰?guī)r互層疊置，有利于形成自生自儲(chǔ)型源儲(chǔ)配置關(guān)系，且卡拉崗組厚層的暗色泥巖可作為良好的蓋層，因此，卡拉崗組具備形成致密凝灰?guī)r油藏的良好條件。

圖9 三塘湖盆地馬朗凹陷卡拉崗組源儲(chǔ)組合特征

6 結(jié)論

1)三塘湖盆地馬東地區(qū)卡拉崗組烴源巖主要為深灰色凝灰質(zhì)泥巖、深灰色白云質(zhì)泥巖、深灰色含灰泥巖和深灰色泥巖4種巖性，其中深灰色凝灰質(zhì)泥巖和深灰色泥巖主要分布在卡拉崗組底部，深灰色白云質(zhì)和含灰泥巖主要分布在中上部，且深灰色凝灰質(zhì)泥巖縱向分布厚度大，平面分布范圍廣，應(yīng)為卡拉崗組主力烴源巖。

2)研究區(qū)卡拉崗組烴源巖整體TOC質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高且大于2%，其中深灰色凝灰質(zhì)泥巖和白云質(zhì)泥巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，生烴潛力較大；整體類型較好，以Ⅱ型為主；烴源巖Ro主要分布在0.5%～0.8%，大部分處于低熟—成熟階段，具有良好的生烴潛力。

3)研究區(qū)卡拉崗組烴源巖有機(jī)碳含量和沉積環(huán)境具有一定的相關(guān)性，各種巖性烴源巖沉積環(huán)境條件相差不大，主要為弱氧化—弱還原的微咸水環(huán)境，且由馬33井區(qū)向馬71井區(qū)沿下傾方向的水體鹽度降低，還原性變?nèi)酢?/p>

4)卡拉崗組各種巖性烴源巖與凝灰?guī)r儲(chǔ)層互層疊置，有利于形成自生自儲(chǔ)型源儲(chǔ)配置關(guān)系，對(duì)卡拉崗組致密凝灰?guī)r油藏的形成具有重要意義。