準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系頁巖氣地質(zhì)特征及勘探潛力區(qū)識別

杜世濤，廖清志，黃傳松，張豫疆

(1.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局 一六一煤田地質(zhì)勘探隊,烏魯木齊 830000；2.華北油田公司第一采油廠 工程技術(shù)研究所,河北 滄州 062550)

0 引言

準(zhǔn)噶爾盆地為典型的疊合含油氣盆地，沉積地層包括石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系、第三系以及第四系，中央坳陷區(qū)沉積厚度為4 000～14 000 m。區(qū)內(nèi)發(fā)育石炭系、二疊系、侏羅系、白堊系和下第三系等5套主要烴源巖層段[1-4]。歷經(jīng)近60年的油氣勘探，先后發(fā)現(xiàn)獨(dú)山子、克拉瑪依、齊古、五彩灣和石南等27個油氣田(其中氣田17個)，累計探明儲量為石油20.43×108t、天然氣2 136×108m3。勘探和研究成果證實，位于中央坳陷區(qū)的石炭、二疊系、三疊系和侏羅系烴源巖已進(jìn)入高過成熟生氣階段，是常規(guī)天然氣藏的主要?dú)庠磶r，也是頁巖氣附存的有利層系[5-6]。

但目前針對準(zhǔn)噶爾盆地頁巖氣的相關(guān)實質(zhì)性工作暫未開展，近幾年有關(guān)該盆地頁巖氣的理論探索有:錢宇等[7]通過對準(zhǔn)噶爾盆地東部侏羅系烴源巖地化特征的研究，認(rèn)為盆地東部侏羅系烴源巖有機(jī)碳含量差異大，烴源巖處于未成熟-低成熟階段，生油潛力為差-中等，生氣潛力大；錢海濤等[8]綜合運(yùn)用地質(zhì)、地震及分析化驗等資料，探索盆地瑪西斜坡油氣藏類型、成藏特征，成藏模式，認(rèn)為侏羅系八道灣組和三工河組為油氣的有利勘探方向；程長領(lǐng)等[9]通過剖面、地震、露頭樣品、巖心、巖屑及地化等資料對盆地油源進(jìn)行對比，認(rèn)為車排子區(qū)域四棵樹凹陷內(nèi)侏羅系八道灣組賦存的3個洼陷烴源巖區(qū)是該區(qū)域的油源區(qū)；鄭金海等[10]在研究準(zhǔn)噶爾盆地西部頁巖油氣工作中依據(jù)阜康凹陷的侏羅系烴源巖規(guī)模、干酪根類型、有機(jī)質(zhì)的豐度及其成熟階段，認(rèn)為阜康凹陷具有生成頁巖油氣的潛力；杜世濤等[11]通過常規(guī)油氣井巖性識別、樣品數(shù)據(jù)和文獻(xiàn)資料，分析了準(zhǔn)噶爾盆地二疊系頁巖儲層的分布面積、埋深、累計厚度、脆性礦物含量、孔隙度、滲透率、有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)成熟度以及有機(jī)質(zhì)生氣強(qiáng)度等參數(shù)，認(rèn)為盆地瑪湖凹陷—盆1井西凹陷為準(zhǔn)噶爾盆地二疊系頁巖氣的有利區(qū)；龔德瑜等[12]針對準(zhǔn)噶爾盆地南部侏羅系八道灣組與西山窯組煤系氣地球化學(xué)特征涵蓋頁巖氣儲層的相關(guān)指征，通過試采獲得工業(yè)氣流，推測盆地侏羅系地層頁巖氣具有一定的潛力。前人已公開的研究內(nèi)容凸顯以下特征：1)以直接研究頁巖氣勘探開發(fā)為目的的極少，針對侏羅系烴源巖的幾乎沒涉及；2)以往的研究主要圍繞常規(guī)油氣田做小區(qū)域性工作，對全盆地侏羅系烴源巖地層有待統(tǒng)一認(rèn)識；3)煤系氣概念的提出，對于頁巖氣勘探開發(fā)工作即是指示豐富了頁巖氣勘探開發(fā)內(nèi)涵。

該研究探討準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系烴源巖地層，主要研究方法為：1)常規(guī)油氣烴源巖與頁巖氣儲層資源潛力評價指標(biāo)屬同根同源，認(rèn)真梳理常規(guī)油氣勘探開發(fā)成果，能較快地確定研究頁巖氣的重點(diǎn)層系與重點(diǎn)地區(qū)，縮短前期認(rèn)識時間；2)提取以往大量油氣生產(chǎn)資料和數(shù)據(jù)中涉及頁巖氣儲層資料、測錄井資料、地質(zhì)資料及地球化學(xué)分析數(shù)據(jù)，概略性地判斷出頁巖氣的重點(diǎn)層系或重點(diǎn)領(lǐng)域，了解目標(biāo)層系、目標(biāo)領(lǐng)域的基本地質(zhì)信息，提出進(jìn)一步評價、研究的方向與主要工作；3)通過露頭地質(zhì)調(diào)查，研究泥頁巖有機(jī)質(zhì)富集段特征、巖性組合及富有機(jī)質(zhì)泥頁巖剖面展布特征；4)收集、整理和編制關(guān)鍵圖件，形成對研究區(qū)頁巖氣儲層的認(rèn)識，為有利區(qū)的評價優(yōu)選提供依據(jù)。

1 準(zhǔn)噶爾盆地頁巖氣地質(zhì)特征

準(zhǔn)噶爾盆地，位于我國新疆北部，是我國第二大內(nèi)陸盆地。從沉積構(gòu)造演化過程看，準(zhǔn)噶爾盆地自晚古生代至第四紀(jì)經(jīng)歷了海西、印支、燕山和喜馬拉雅等構(gòu)造運(yùn)動，形成了以前寒武結(jié)晶基底和古生界淺變質(zhì)基底為基底的雙重結(jié)構(gòu)，整體展布狀態(tài)下斷上坳。圖1所示為準(zhǔn)噶爾盆地地震解譯地層與構(gòu)造特征綜合大剖面[11,13-14]。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地地震解譯地層與構(gòu)造特征綜合大剖面Fig.1 Comprehensive section of seismic interpretation of stratigraphic and structural features in Junggar Basin

1.1 前陸盆地的形成和發(fā)育

準(zhǔn)噶爾盆地前陸盆地的形成和發(fā)育可分為3期[10,15]：第1期為早二疊世前陸盆地發(fā)展階段，以邊緣沖斷、推覆并強(qiáng)烈褶皺和盆地內(nèi)以大型隆起平緩褶皺為主，并發(fā)育逆沖斷裂，形成準(zhǔn)南與西北緣2個前陸盆地，接受蓋層沉積，發(fā)育烏爾禾組、風(fēng)城組和佳木河組3套烴源巖，為盆地?zé)N源巖發(fā)育極盛期；第2期為中晚侏羅紀(jì)前陸盆地階段，腹部車莫地區(qū)發(fā)生隆升，形成準(zhǔn)南和烏倫古2個前陸盆地，同時為二疊系烴源巖生排烴高峰期和成藏期；第3期即晚第三紀(jì)-第四紀(jì)再生前陸盆地階段，盆地南緣山前坳陷受喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動影響，北天山強(qiáng)烈抬升，區(qū)域性南部掀斜，山前快速沉降，形成準(zhǔn)南再生前陸盆地，該期為油氣藏的調(diào)整與形成期，同時是侏羅系煤系地層的主要成氣期[12,16]。在前兩期前陸盆地形成之間為內(nèi)陸坳陷盆地發(fā)展階段，盆地性質(zhì)為陸相盆地復(fù)合疊加坳陷盆地，盆內(nèi)受拉張作用而穩(wěn)定沉降，發(fā)育三疊系、下侏羅統(tǒng)多套廣覆式湖相煤系烴源巖。圖2所示為準(zhǔn)噶爾盆地形成演化過程模式。

1.2 侏羅紀(jì)地層發(fā)育

盆地在沉積演化過程中，泥頁巖烴源巖主要發(fā)育在對應(yīng)的盆地沉積演化階段的湖侵(湖泛面)期或海侵期(海泛面),如圖3所示。侏羅紀(jì)早期，盆地沉積中心主要位于昌吉凹陷西部至盆1井西凹陷；中晚期以陸梁隆起為界，形成了南、北2個沉積中心，即南緣沉積凹陷和烏倫古沉積坳陷，而南緣沉積凹陷又可分為2個沉積中心，即南緣西部的四棵樹沉積凹陷和南緣山前斷褶帶的東部，其中烏倫古坳陷和四棵樹凹陷為2個新的侏羅系沉積凹陷。侏羅系烴源巖主要賦存于下侏羅統(tǒng)八道灣組、三工河組和中侏羅統(tǒng)西山窯組，如圖3和圖4所示。

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地沉積演化與烴源巖發(fā)育剖面示意圖Fig.3 Schematic diagram of the sedimentary evolution and source rock development section of the Junggar Basin

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地區(qū)塊劃分圖Fig.4 Block division map of Junggar Basin

八道灣組沉積期，沉積范圍擴(kuò)大至盆地南部邊緣，沉積中心位于中部，圍繞馬橋凹陷展開，厚度可達(dá)約800 m；其次為北部索索泉凹陷，沉積厚度可達(dá)800 m；再者為盆地東部區(qū)域，沉積厚度較小，約為200 m，經(jīng)沉積后造山運(yùn)動隆起剝蝕，殘留厚度較小。

在八道灣沉積的基礎(chǔ)上，盆地侏羅系地層三工河組整合繼承發(fā)育，兩組地層分布范圍相當(dāng)，不同的是在盆地西—北部邊緣的克百斷裂帶、烏夏斷裂帶以及紅巖斷裂帶也有三工河組地層分布，沉積地層厚度整體較均勻。在南部邊緣昌吉凹陷內(nèi)有一呈近東西向帶狀展布的沉積凹陷，中心厚度為600～800 m，向南部山前漸深，向北部漸薄。

西山窯組沉積范圍與三工河組的沉積范圍相當(dāng)。不同之處在于：馬橋凸起的高部位缺失西山窯組煤系地層，烏倫古坳陷東北部、四棵樹凹陷東部-南緣山前斷褶帶發(fā)育兩處新的西山窯組煤系地層，昌吉凹陷內(nèi)的沉積中心在三工河組沉積中心的基礎(chǔ)上向東遷移，同時范圍縮小，全區(qū)沉積中心厚度在600 m以下。

盆地3套主要侏羅系地層展布呈現(xiàn)以下3個特征：1)縱向疊置上3套地層呈整合接觸；2)3套地層沉積范圍相當(dāng)，橫向展布上呈條帶狀與盆緣平行；3)整體厚度較大，平均超過1 000 m。

1.3 侏羅系地層泥頁巖展布及地化特征

下侏羅系八道灣組泥頁巖主要發(fā)育于半深湖相泥巖及沼澤相，厚度為100～300 m，在中央坳陷區(qū)南部最厚達(dá)350 m以上，其中優(yōu)質(zhì)泥頁巖面積 9×104km2，厚度為50～320 m，平均為112 m；在阜康凹陷—東道海子凹陷、盆1井西凹陷及三工河組發(fā)育半深湖相泥巖及沼澤相煤巖，厚為160～270 m，優(yōu)質(zhì)泥頁巖面積為9.1×104km2，厚度為40～240 m，平均厚度為60 m。另外，侏羅系還發(fā)育豐富的煤系煤巖，即煤系頂?shù)装遒x存高炭質(zhì)優(yōu)質(zhì)泥頁巖，是頁巖氣勘探開發(fā)值得重視的領(lǐng)域。侏羅系八道灣組煤系煤巖厚度為0～35 m，分布面積為7.5×104km2，煤巖厚度大于20 m的分布面積為0.23×104km2，占總面積的3.13%。西山窯組煤巖厚度為0～30 m，煤巖總分布面積為6.5×104km2，煤巖厚度大于20 m的分布面積為0.48×104km2，占總面積的7.45%。

侏羅系烴源巖有機(jī)碳TOC為 0.37%～43.54%，其中，三工河組主要檢測樣品的有機(jī)碳含量值集中在0.32%～3.00%，占樣品量的89.5%；八道灣組檢測樣品的有機(jī)碳含量分布較三工河組分散，主要集中在0.36%～3.42%，占樣品總量的73.7%。從樣品氯仿瀝青“A”、總烴和(S1+S2)含量看，八道灣組明顯優(yōu)于三工河組(如圖5和表1所示)。

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地三工河組/八道灣組烴源巖TOC柱狀圖Fig.5 TOC histogram of source rocks of Sangonghe/Badaowan Formation in Junggar Basin

表1 準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系煤巖有機(jī)質(zhì)豐度表Table 1 Organic matter abundance table of Jurassic coal rocks in Jungar Basin

研究區(qū)總體烴源巖以半深湖相的暗色泥巖和碳質(zhì)泥巖為主，多與煤巖互層疊置，TOC主要富集于1 400～2 500 m和3 000～3 400 m深度區(qū)間，以八道灣組地層為主，含量為0.0～6.0%；成熟度Ro為0.45%～1.36%，與深度(2 000～5 000 m)呈明顯的正相關(guān)關(guān)系，至4 000 m深度Ro與埋深正相關(guān)關(guān)系減緩(如圖6所示)，Ro總體為低-成熟區(qū)間階段。由于侏羅系烴源巖為煤系烴源巖(母質(zhì)類型以Ⅱ2-Ⅲ型為主)，是以生氣為主的烴源巖類型[17](見表2)。

表2 準(zhǔn)噶爾盆地主要泥頁巖層系地質(zhì)特征表Table 2 Geological characteristics of the main shale strata in the Junggar Basin

圖6 準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系烴源巖TOC/Ro與深度關(guān)系圖Fig.6 The relationship between TOC/Ro and depth of Jurassic source rocks in Junggar Basin

1.4 侏羅系頁巖儲層含氣性

通過復(fù)雜盆地老井，在盆地南緣、吉木乃等地區(qū)發(fā)現(xiàn)有侏羅系泥頁巖地層存在頁巖氣，圖7所示為準(zhǔn)噶爾盆地侏羅系烴源巖等厚、勘探潛力區(qū)圖，準(zhǔn)噶爾盆地頁巖氣老井復(fù)查結(jié)果見表3。南緣第一排構(gòu)造帶兩端南安1井和牧7井分別在八道灣組泥質(zhì)巖中見頁巖氣顯示，其中南安1井八道灣組509～534 m獲產(chǎn)氣2 450 m3/d，牧7井侏羅系有8層氣測顯示好，解釋為氣層，但大部分所對應(yīng)的砂層不發(fā)育，為泥質(zhì)砂巖或砂質(zhì)泥巖，推測為泥巖裂縫型氣藏。

表3 準(zhǔn)噶爾盆地頁巖氣老井復(fù)查結(jié)果Table 3 Recheck resultsof old shale gas wells in Junggar Basin

盆參2井在下侏羅統(tǒng)常規(guī)儲層射孔噴出大量天然氣，表明中央坳陷下侏羅統(tǒng)烴源巖已達(dá)到高成熟生氣階段。盆參2井侏羅系八道灣組井深5 115～5 144 m淺灰色細(xì)砂巖中測試，獲日產(chǎn)油12.54 t、日產(chǎn)水15.7 m3、日產(chǎn)氣9 233 m3，地層凈壓力為105.979 MPa，壓力系數(shù)2.1，井底實測溫度130.62 ℃。根據(jù)準(zhǔn)噶爾盆地中-下侏羅統(tǒng)烴源巖總生氣強(qiáng)度模擬，總生氣強(qiáng)度大于20×108m3/ km2的面積有20 000 km2，其中盆地南緣為主要高強(qiáng)度生氣區(qū)。

1.5 勘探潛力區(qū)劃定

準(zhǔn)噶爾盆地下侏羅統(tǒng)泥頁巖分布廣、厚度大，有效氣源巖主要分布于中央坳陷區(qū)及以南區(qū)域(如圖7所示)。根據(jù)控制頁巖氣成藏的關(guān)鍵參數(shù)[18-21]和滾動勘探開發(fā)、逐步深入及最大規(guī)避風(fēng)險的原則，對比優(yōu)選研究區(qū)烴源巖展布、厚度、埋深、TOC和Ro等生氣強(qiáng)度參數(shù)(見表1、表2和表3)可得：1)八道灣組和三工河組主要烴源巖昌吉凹陷、達(dá)巴松凸起、盆1井西凹陷、莫北凸起、馬橋凸起的大部分、東道海子北凹陷的一部分以及索索泉凹陷北部，總厚在150～600 m,確定侏羅系八道灣組和三工河組為初步勘探的優(yōu)選地層；2)中央坳陷區(qū)優(yōu)質(zhì)泥頁巖面積為9×104km2，阜康凹陷—東道海子凹陷、盆1井西凹陷區(qū)域優(yōu)質(zhì)泥頁巖面積為9.1×104km2。此外，侏羅系八道灣組煤系煤巖厚度為0～35 m，分布面積為7.5×104km2，煤巖厚度大于20 m的分布面積為0.23×104km2，占總面積的3.13%。由此進(jìn)一步把潛力勘探范圍劃定在盆地中部及其以南區(qū)域；3)盆地主要烴源巖賦存區(qū)埋深在1 000～7 000 m,結(jié)合TOC主要富集深度區(qū)間(1 400～3 400 m)成熟度Ro受深度控制的密切程度，從經(jīng)濟(jì)和勘探潛力推斷盆地優(yōu)勢勘探深度為2 000～4 000 m；4)根據(jù)南安1井、牧7井、盆參2井和八道灣組烴源巖產(chǎn)氣表現(xiàn)及中—下侏羅統(tǒng)烴源巖總生氣強(qiáng)度模擬結(jié)果，進(jìn)一步證實了盆地中部凹陷至南部山前的中—下侏羅統(tǒng)烴源巖在全盆地具有較可觀的勘探潛力。

2 結(jié)論與建議

1)常規(guī)油氣烴源巖與頁巖氣烴源巖屬“同根同源”，利用常規(guī)油氣地質(zhì)成果作為頁巖氣勘探開發(fā)前期依據(jù)是科學(xué)合理的，不但節(jié)省了前期人力物力的投入，而且縮短了工作周期，實現(xiàn)了資源最大化整合利用；

2)八道灣組和三工河組主要烴源巖賦存于盆地中央坳陷至盆地南部邊緣，中央坳陷區(qū)優(yōu)質(zhì)泥頁巖面積為9×104km2，阜康凹陷—東道海子凹陷、盆1井西凹陷區(qū)域優(yōu)質(zhì)泥頁巖面積為9.1×104km2，烴源巖厚為150～600 m，TOC為0.77%～23.45%，Ro為0.45%～2.00%，有機(jī)質(zhì)類型為Ⅱ2-Ⅲ型，由此推斷盆1井西凹陷—中央坳陷—準(zhǔn)南區(qū)域的侏羅系八道灣組和三工河組地層為先期探索性勘探的最有利區(qū)域。

3)目前新疆區(qū)域頁巖氣勘探進(jìn)展基礎(chǔ)工作特別滯后，而根據(jù)資源賦存潛力預(yù)測，該區(qū)域頁巖氣賦存潛力較大，有待該領(lǐng)域工作者重視。