準噶爾盆地石樹溝凹陷平地泉組烴源巖地球化學特征

張 偉，趙莉莉，龔 鑫，王雪純，王遠皎

（中國石油吐哈石油勘探開發(fā)研究院，新疆 哈密 839009）

隨著油氣勘探開發(fā)的不斷深入發(fā)展，以頁巖油為代表的非常規(guī)油氣已在全球能源結構中占據(jù)重要地位。美國頁巖氣開發(fā)獲得成功后，其成功模式在頁巖油勘探開發(fā)中進行復制推廣，使頁巖油產(chǎn)量快速增長，展現(xiàn)了頁巖油資源勘探開發(fā)的巨大潛力［1］。據(jù)“十三五”全國資源評價，我國陸上頁巖油資源量283×108t，主要分布在松遼、鄂爾多斯、準噶爾、渤海灣等四大盆地，其中準噶爾盆地吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組頁巖油的勘探進展顯著［2］。位于準東地區(qū)沙奇凸起以北的石樹溝凹陷與吉木薩爾凹陷在二疊世具有相似的沉積環(huán)境和巖性，均廣泛發(fā)育優(yōu)質烴源巖［3］，是準東地區(qū)頁巖油勘探的潛力區(qū)［4］。

前人對吉木薩爾凹陷二疊系蘆草溝組烴源巖的研究程度較高，對石樹溝凹陷二疊系平地泉組烴源巖研究相對較少，僅于陳建平（2016）“準噶爾盆地烴源巖與原油地球化學特征”［5］及袁波（2014）“準東北部平地泉組致密油源巖生烴特征”［6］中見少量研究，研究主要集中于平地泉組主力生油段且數(shù)據(jù)相對較少。本文在前人研究的基礎上，根據(jù)新的地層劃分方案和新鉆井資料，對石樹溝凹陷平地泉組三個層段的烴源巖進行了系統(tǒng)研究，探討了烴源巖的有機質豐度、類型、成熟度及沉積環(huán)境和有機母質來源等，并開展了烴源巖的初步評價，對區(qū)內下步油氣勘探工作具有一定的指導意義。

1 地質背景

石樹溝凹陷位于準噶爾盆地東部，該凹陷西鄰沙帳斷褶帶，東接黃草湖凸起，北抵克拉美麗山，南與沙奇凸起相鄰，呈北北東向長條狀展布，南北長60 km，東西寬20 km，面積約1 200 km2（圖1）。凹陷內部構造較復雜，受近北東-南西向和北西-南東向兩期斷裂切割，凹陷北部呈向東上傾的鼻隆構造。區(qū)內自下而上發(fā)育石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系等地層，受構造運動影響局部地區(qū)存在地層缺失［5］。

圖1 準噶爾盆地石樹溝凹陷構造位置

平地泉組主要分布于克拉美麗山南的山前地區(qū)，以扇三角洲-湖泊沉積體系為主［5-7］，本文采用吐哈油田地層劃分方案，自下而上可劃分為平一段、平二段和平三段。平一段與平二段為湖擴展體系域，以半深湖-濱淺湖相沉積為主，其中，平一段巖性為深灰色泥巖夾砂巖、泥粉砂巖，平二段巖性為深灰色泥巖夾泥質粉砂巖、油頁巖；平三段為高水位體系域，巖性為灰色、深灰色泥巖夾塊狀砂巖、褐色泥巖、炭質泥巖薄層［7］。

2 烴源巖分布特征

石樹溝凹陷平地泉組烴源巖以灰黑色、灰色泥巖夾粉砂質泥巖為主，依據(jù)區(qū)內單井暗色泥巖厚度所占地層的比例勾繪烴源巖展布，平面上呈現(xiàn)南北兩個主要生烴中心，北部中心位于石樹1井-石樹6井一帶，平地泉組厚度430～468 m，暗色泥巖厚度177～280 m，其中石樹6井暗色泥巖厚達296 m；南部中心位于大8井-石樹4井一帶，地層厚度310～375 m，暗色泥巖厚度197～230 m（圖2）；垂向上烴源巖則主要集中在平地泉組平一段與平二段［4-5］。

圖2 石樹溝凹陷平地泉組烴源巖展布

3 烴源巖地球化學特征

根據(jù)鉆探成果，區(qū)內大部分鉆井均鉆遇平、地泉組，本次重點對平地泉組187件烴源巖樣品的有機碳、生烴潛量、氯仿瀝青“A”、總烴、巖石熱解等地球化學參數(shù)進行分析評價。

3.1 烴源巖有機質豐度

有機質豐度主要包括泥頁巖總有機碳含量（TOC）、生烴潛量（S1+S2）、氯仿瀝青“A”含量及總烴含量（HC）等，本次研究對石樹溝凹陷15口探井平地泉組烴源巖樣品的有機質豐度參數(shù)進行了統(tǒng)計分析（表1）。

由表1可知，二疊系平地泉組不同層段有機質豐度普遍較高，TOC為0.51% ～14.34%，平均4.41%；S1+S2為0.34～100.91 mg／g，平均24.75 mg／g；氯仿瀝青“A”為0.02% ～1.70%，平均0.62%；總烴含量為166～13 288μg／g，平均3 704 μg／g，均達到好烴源巖標準，尤其是平地泉組平二段，具有非常強的生烴能力。

表1 平地泉組烴源巖有機質豐度參數(shù)統(tǒng)計

3.2 烴源巖有機質類型

烴源巖中有機質類型可以直接反映烴源巖的質量優(yōu)劣。本文通過對平地泉組烴源巖飽和烴組分、干酪根顯微組分、干酪根碳同位素、熱解參數(shù)等分析進行有機質類型研究。

平一段烴源巖氫指數(shù)為85～785 mg／g（平均379 mg／g），飽和烴為39.01% ～59.64%（平均50.11%），芳 烴 為 8.35% ～18.99% （平 均14.83%），非烴+瀝青質為21.36% ～52.64%（平均35.07%）（圖3），表明有機質類型總體為Ⅰ-Ⅱ1型；干酪根顯微組分殼質組含量為42.04%～86.27%（平均66.54%），鏡質組含量為4.96% ～18.00%（平均9.70%），揭示有機質類型為Ⅰ-Ⅱ1型。

平二段烴源巖氫指數(shù)為145～766 mg／g（平均421 mg／g），飽和烴為25.01% ～74.42%（平均46.59%），芳 烴 為 10.06% ～28.38% （平 均17.21%），非烴+瀝青質為13.25% ～58.76%（平均36.20%）（圖3），表明有機質類型總體為Ⅰ-Ⅱ1型；干酪根顯微組分殼質組含量為4.09%～57.24%（平均32.18%），鏡質組含量為1.11% ～50.00%（平均22.08%），揭示有機質類型為Ⅰ-Ⅱ2型。

平三段烴源巖氫指數(shù)為283～605 mg／g（平均477 mg／g），飽 和 烴 為16.76%～72.68%（平 均49.55%），芳烴為14.07% ～27.79%（平均18.6%），非烴+瀝青質為11.83%～59.62%（平均31.84%）（圖3），表明有機質類型總體為Ⅰ-Ⅱ1型；干酪根顯微組分殼質組含量為4.86% ～48.16%（平均31.84%），鏡質組含量為4.86% ～26.63%（平均13.38%），揭示有機質類型為Ⅱ1-Ⅱ2型。

圖3 平地泉組烴源巖族組分三角圖

研究表明，烴源巖熱演化過程中干酪根碳同位素組成變化不明顯，是良好的有機質母質類型劃分指標［8］。來源于水生藻類植物的Ⅰ型干酪根碳同位素組分偏輕，一般δ13C＜-28.00‰；來源于陸生高等植物的III型干酪根碳同位素組分偏重，大多數(shù)δ13C＞-25‰，混合型介于二者之間［9-11］。石樹溝凹陷平地泉組烴源巖干酪根碳同位素值為-28.92‰～-21.84‰，平均值為-25.87‰，屬于Ⅱ1型干酪根。

巖石熱解參數(shù)常用來確定烴源巖的有機質類型。研究區(qū)平地泉組樣品的Tmax值為418～453℃，平均442℃，從Tmax-IH圖來看，平地泉組烴源巖主要為Ⅰ-Ⅱ1型，少部分為Ⅱ2型（圖4）。

總體而言，石樹溝凹陷平地泉組各層段烴源巖有機質類型以Ⅰ-Ⅱ1型為主，少部分為Ⅱ2型。

3.3 有機質成熟度特征

鏡質體反射率（Ro）和熱解分析（Tmax）是最常用的衡量有機質成熟度的參數(shù)，石樹溝凹陷平一段烴源巖Ro為0.67% ～0.75%（平均0.71%），Tmax值為418～451℃（平均442℃）；平二段泥巖Ro為0.54%～1.29%（平均0.84%），Tmax值為422～453℃（平均443℃）；平三段泥巖Ro為0.71%～1.30%（平均0.96%），Tmax值為423～451℃（平均442℃）；表明平地泉組平一段、平二段、平三段烴源巖均處于成熟階段（圖4）。

圖4 平地泉組烴源巖干酪根熱解有機質類型劃分

有機質隨著熱演化作用加強，正烷烴的低碳數(shù)組分含量增加，奇數(shù)碳優(yōu)勢減弱，成熟烴源巖中正烷烴奇偶優(yōu)勢小于1.2［12］。平地泉組各段烴源巖的正構烷烴的奇碳優(yōu)勢指數(shù)（CPI）和奇偶碳優(yōu)勢指數(shù)（OEP）的平均值分別為1.37～1.41和1.03～1.18，呈現(xiàn)由深到淺逐漸增大特征（表2），表明干酪根已經(jīng)大量向石油轉化，各段烴源巖均進入成熟階段。這與鏡質體反射率（Ro）和熱解分析（Tmax）結果一致。

表2 平地泉組烴源巖成熟度及飽和烴參數(shù)統(tǒng)計

4 生物標志化合物特征

4.1 正構烷烴

正構烷烴的碳數(shù)分布和相對豐度可反映有機質類型、沉積環(huán)境和熱演化程度［13-14］。根據(jù)可溶有機質飽和烴氣相色譜分析結果，平地泉組樣品的正構烷烴碳數(shù)分布范圍較寬，介于nC11-nC47，峰型多呈前高雙峰型，前主峰碳以nC17為主，后主峰碳以C23為主，低碳數(shù)烷烴占優(yōu)勢，奇偶優(yōu)勢不十分明顯，反映研究區(qū)烴源巖母質以低等水生生物為主、高等植物為輔的混源輸入，沉積環(huán)境以半咸水-咸水環(huán)境為主。前后碳比nC21-／nC22+為0.51～2.80，平均1.14，低碳數(shù)正構烷烴含量高于高碳數(shù)正構烷烴含量，縱向上三個層段nC21-／nC22+依次增高（表2），反映在平地泉組沉積時期母質中高等植物的輸入比例隨時間逐漸增加。

4.2 類異戊二烯烷烴

在油氣地球化學中，姥植比（Pr／Ph）是指示烴源巖沉積氧化還原環(huán)境的指標［15］。當姥植比小于0.8時指示強還原環(huán)境，0.8～3.0指示還原環(huán)境，大于3.0指示氧化環(huán)境下陸源有機質輸入［16］。平地泉組各層段樣品的姥植比為1.17～1.60，平均1.39，指示還原環(huán)境，表明研究區(qū)烴源巖為還原環(huán)境下的沉積產(chǎn)物。

研究區(qū)樣品的Pr／nC17為0.20～2.61（平均1.02），Ph／nC18為0.16～2.49（平均0.78）；從Pr／nC17與Ph／nC18比值關系（圖5）可得，研究區(qū)平一段的母質類型以腐泥型為主，平二段、平三段以腐殖-腐泥型為主，少量為腐泥型和腐殖型，成烴母質形成于還原、弱還原沉積環(huán)境。

圖5 平地泉組烴源巖Pr／nC17與Ph／nC18比值關系

4.3 甾類化合物

樣品抽提物中的甾類化合物以規(guī)則甾烷為主，含有一定的重排甾烷，少量孕甾烷和升孕甾烷。C29甾烷異構化參數(shù)20S／（20S+20R）、ββ／（ββ+αα）能夠揭示熱成熟度，在熱演化過程中構型會發(fā)生轉變，比值逐漸增加直至達到平衡值［16］。平地泉組烴源巖C29甾烷20S／（20S+20R）為0.37～0.50，C29甾烷ββ／（ββ+αα）為0.24～0.61（表3）；在C29甾烷成熟度參數(shù)圖（圖6）中，平地泉組大部分樣品處于成熟階段，平二段部分樣品處于低熟階段。

圖6 平地泉組C29甾烷成熟度參數(shù)

由表3可知，平一段規(guī)則甾烷相對含量C27平均為17.60%，C28平均為27.98%，C29平均為54.79%；平二段規(guī)則甾烷相對含量C27平均為23.61%，C28平均為30.26%，C29平均為47.36%；平三段規(guī)則甾烷相對含量C27平均為28.71%，C28平均為28.73%，C29平均為44.74%；在C27-C28-C29甾烷三角分布關系圖中可以看出規(guī)則甾烷含量集中分布在Ⅳ區(qū)（圖7），說明石樹溝凹陷平地泉組各層段的有機質主要來源于低等水生生物與高等陸生植物的混合。

圖7 平地泉組烴源巖C27-C28-C29規(guī)則甾烷分布三角圖

4.4 萜類化合物

在同源條件下，Ts／Tm值可作為判定成熟度的一個指標，即隨著成熟度的升高，Ts／Tm值逐漸增大［17］。研究表明Ts／Tm值為0.20～0.30屬于低成熟-未成熟階段，0.30～0.60屬于成熟階段，大于0.60為高成熟階段［17］。研究區(qū)樣品的Ts／Tm均值主要為0.28～0.31，屬于低熟-成熟演化階段。

伽馬蠟烷被認為是咸水還原沉積環(huán)境的特征標志［18］。從伽馬蠟烷指數(shù)（伽馬蠟烷／C30藿烷）可以看出（表3），平地泉組伽馬蠟烷指數(shù)較低，為0.06～0.45，指示研究區(qū)烴源巖發(fā)育于微咸水-咸水環(huán)境。

表3 平地泉組烴源巖甾烷萜烷參數(shù)統(tǒng)計

研究表明17β（H）、21α（H）-莫烷與17α（H）、21β（H）-藿烷的比值隨著成熟度的增加而降低，從未熟瀝青到成熟烴源巖該比值從0.80降低到小于0.15，原油中則可低至0.05［19］。平地泉組烴源巖樣品中莫烷／藿烷比值為0.12～0.27，平均值0.17，屬于成熟階段。

5 結論

（1）平地泉組烴源巖是石樹溝凹陷的主力烴源巖，其總有機碳含量（TOC）、生烴潛量（S1+S2）、氯仿瀝青“A”含量及總烴含量都比較高，總體評價為好-優(yōu)質烴源巖。其中平二段烴源巖TOC均值為5.20%，S1+S2均值為31.13 mg／g，是區(qū)內最優(yōu)質的烴源巖。

（2）研究區(qū)烴源巖干酪根顯微組分以殼質組為主，綜合氫指數(shù)、烴組分、干酪根碳同位素、熱解等參數(shù)，均反映平地泉組各層段烴源巖有機質類型以Ⅰ-Ⅱ1型為主，少部分為Ⅱ2型。

（3）有機質成熟度參數(shù)Ro、Tmax、CPI、OEP、20S／（20S+20R）、ββ／（ββ+αα）、Ts／Tm、莫烷／藿烷等一致反映平地泉組烴源巖處于成熟演化階段。

（4）綜合分析研究區(qū)烴源巖生物標志化合物中正構烷烴的分布、Pr／nC17和Ph／nC18相對關系、規(guī)則甾烷C27、C28、C29相對含量變化等參數(shù)，顯示母質為低等水生生物和高等陸源植物混源輸入；Pr／Ph值、伽馬蠟烷指數(shù)則指示石樹溝凹陷平地泉組為弱還原-還原環(huán)境的微咸水沉積環(huán)境。