阿姆河盆地別什肯特坳陷及鄰區(qū)中下侏羅統(tǒng)烴源巖地球化學(xué)特征與勘探意義

聶明龍 張 波 趙 威 徐樹寶 張 瑞 劉皓源

1.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院 2.礦山熱動力災(zāi)害與防治教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室·遼寧工程技術(shù)大學(xué) 3.貴州水礦集團(tuán)有限責(zé)任公司 4.中國石油勘探開發(fā)研究院 5.遼寧工程技術(shù)大學(xué)礦業(yè)學(xué)院

0 引言

阿姆河盆地位于中亞土庫曼斯坦、烏茲別克斯坦和阿富汗境內(nèi)，是中國油氣對外合作的最重要地區(qū)之一[1-2]。阿姆河盆地是一個大型的富天然氣盆地，以發(fā)育大型—巨型天然氣田而著稱[3-4]，2004年發(fā)現(xiàn)了地質(zhì)儲量為12×1012km3的世界第二大氣田[5-6]。什么烴源巖能生成如此巨量的天然氣引起學(xué)者們的極大興趣。蘇聯(lián)學(xué)者[7-8]研究認(rèn)為阿姆河盆地中下侏羅統(tǒng)海陸過渡相煤系是天然氣主力烴源巖，為腐殖型干酪根，處于高熱演化階段，以生氣為主，生烴灶位于盆地內(nèi)部穆爾加布坳陷和扎翁古茲坳陷，生成的天然氣向盆地東北緣斷階帶運(yùn)移成藏。戴金星等[9]認(rèn)為阿姆河盆地中下侏羅統(tǒng)與中國西北地區(qū)諸多盆地中下侏羅統(tǒng)具有成因聯(lián)系，并形成一個橫貫中亞的巨型煤成氣聚集域。

阿姆河盆地中下侏羅統(tǒng)為一套碎屑巖沉積，幾乎在整個盆地內(nèi)都有分布[7-8,10]。同時，中下侏羅統(tǒng)自身也是一套含油氣系統(tǒng)[8,11]，已發(fā)現(xiàn)了一系列小型油氣田，但是沒有取得重大油氣勘探突破。別什肯特坳陷位于阿姆河盆地東北緣，是一個中生代深埋的坳陷，其相鄰的基薩爾褶皺隆起區(qū)是一個勘探新區(qū)，區(qū)內(nèi)構(gòu)造眾多[12-13]，勘探潛力巨大。中國學(xué)者對別什肯特坳陷及鄰區(qū)中上侏羅統(tǒng)烴源巖進(jìn)行了研究[14-15]，但是關(guān)于中下侏羅統(tǒng)烴源巖的研究未見相關(guān)報道。為此，筆者通過鉆井巖心樣品有機(jī)地球化學(xué)分析，研究了中下侏羅統(tǒng)烴源巖生烴潛力及其形成環(huán)境，恢復(fù)了別什肯特坳陷中侏羅統(tǒng)烴源巖熱演化史，以期為阿姆河盆地油氣勘探提供參考，為中亞煤成氣聚集域?qū)Ρ妊芯刻峁┮罁?jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

阿姆河盆地面積為45×104km2，構(gòu)造上劃分為科佩達(dá)克、穆爾加布、扎翁古茲與別什肯特4 個坳陷，查爾朱與布哈拉2 個斷階帶以及卡拉庫姆和卡拉比爾2 個隆起。研究區(qū)位于阿姆河盆地東北緣，構(gòu)造上隸屬于別什肯特坳陷與查爾朱階地及其相鄰區(qū)（圖1）。阿姆河盆地自下而上主要發(fā)育了中下侏羅統(tǒng)赫塘階—巴通階碎屑巖、中上侏羅統(tǒng)卡洛夫階—牛津階碳酸鹽巖、上侏羅統(tǒng)基末利階—提塘階鹽膏巖、白堊系海相碎屑巖和碳酸鹽巖及古近系—第四系碎屑巖。中上侏羅統(tǒng)卡洛夫—牛津階石灰?guī)r與基末利階鹽膏巖形成良好儲蓋組合[8,10-11]。

阿姆河盆地別什肯特坳陷中—下侏羅統(tǒng)沉積相由海陸過渡相逐漸過渡到海相[16]。赫塘階—巴通階上段（J1-2hb）巖性以泥巖為主，夾薄層粉砂巖、碳質(zhì)泥巖，為海陸過渡相[17]；向上灰質(zhì)含量逐漸增加，為灰質(zhì)泥巖?？宸螂A下段（J2kdown）以泥質(zhì)石灰?guī)r為主，卡洛夫階上段（J2kup）為石灰?guī)r，為淺海相—海相[18]（圖1）。

2 有機(jī)地球化學(xué)特征

筆者本次研究的樣品取自于J1-2hb和J2kdown。J1-2hb樣品為灰黑色、深灰色泥巖，J2kdown樣品為泥質(zhì)石灰?guī)r和灰質(zhì)泥巖（表1）。

表1 中下侏羅統(tǒng)烴源巖地球化學(xué)數(shù)據(jù)表

2.1 有機(jī)質(zhì)豐度

J1-2hb泥巖樣品總有機(jī)碳含量（TOC）介于0.50%～3.53%（表1），平均值為1.27%；生烴潛量（S1＋S2）介于0.66～6.82 mg/g，平均值為2.37 mg/g（圖2）；氯仿瀝青“A”含量為0.431%，總烴含量為850 μg/g。

圖2 中下侏羅統(tǒng)烴源巖TOC 與S1 ＋S2 關(guān)系圖

J2kdown泥質(zhì)石灰?guī)r、灰質(zhì)泥巖樣品TOC介于0.19%～0.39%， 平均值為0.27%；S1＋S2介于0.16～0.82 mg/g，平均0.41 mg/g；氯仿瀝青“A”除個別較高值以外，大部分介于0.025%～0.079%，平均值為0.050%；總烴含量大部分介于123～460 μg/g，平均值為288.8 μg/g。按照烴源巖評價標(biāo)準(zhǔn)[19-20]，J1-2hb泥巖為一般到好烴源巖，J2kdown泥質(zhì)石灰?guī)r不能作為有效烴源巖。

2.2 有機(jī)質(zhì)類型

中下侏羅統(tǒng)烴源巖干酪根H/C 原子比偏低（小于1.0），O/C 原子比偏高（圖3-a）。從H/C—O/C 原子比關(guān)系看，中下侏羅統(tǒng)烴源巖似乎應(yīng)為腐殖型烴源巖。J1-2hb泥巖樣品氫指數(shù)介于60～160 mg/g，J2kdown灰質(zhì)泥巖、泥質(zhì)石灰?guī)r樣品氫指數(shù)介于46～87 mg/g，氫指數(shù)偏低。從氫指數(shù)（HI）與最高熱解溫度（Tmax）的關(guān)系看，J1-2hb泥巖樣品有機(jī)質(zhì)類型為偏腐殖混合型，J2kdown泥質(zhì)石灰?guī)r樣品有機(jī)質(zhì)類型似乎是腐殖型（圖3-b）。

圖3 中下侏羅統(tǒng)烴源巖H/C—O/C 和HI—Tmax 關(guān)系圖

干酪根顯微組分分析結(jié)果表明，J1-2hb泥巖樣品以腐殖無定型為主，平均占73%，殼質(zhì)碎屑體平均占1%，正常鏡質(zhì)體介于17%～19%，惰性組介于6%～8%，類型系數(shù)介于16～17，有機(jī)質(zhì)類型為偏腐殖混合型。

J1-2hb泥巖樣品干酪根和氯仿瀝青碳同位素δ13C較輕，一般介于－27.2‰～－28.2‰（圖4），根據(jù)參考文獻(xiàn)[21-22]，為偏腐殖混合型烴源巖；J2kdown泥質(zhì)石灰?guī)r樣品干酪根和氯仿瀝青抽提物碳同位素δ13C變化范圍較大，在－24.5‰～－29.7‰，一般情況下，族組分的碳同位素δ13C 表現(xiàn)為飽和烴、芳香烴、非烴、瀝青質(zhì)均小于干酪根的特征[21]，即干酪根碳同位素稍重于族組分同位素。為此，根據(jù)干酪根同位素劃分有機(jī)質(zhì)類型標(biāo)準(zhǔn)[21-22]，J2kdown泥質(zhì)石灰?guī)r可能為偏腐殖混合型干酪根，與干酪根顯微組分分析結(jié)果一致。

圖4 中下侏羅統(tǒng)烴源巖樣品干酪根及抽提物碳同位素圖

綜上分析表明，J1-2hb泥巖樣品氫指數(shù)、干酪根顯微組分和碳同位素特征表現(xiàn)為偏腐殖混合型烴源巖，但是H/C 原子比和氫指數(shù)偏低，而J2kdown泥質(zhì)石灰?guī)r樣品H/C 原子比和氫指數(shù)均偏低，與干酪根組分和碳同位素分析反應(yīng)的烴源巖類型不一致?？紤]多數(shù)J2kdown泥質(zhì)石灰?guī)r樣品熱解峰溫小于435 ℃（表1），這是有機(jī)質(zhì)熱演化未成熟的標(biāo)志，與鏡質(zhì)體反射率和生物標(biāo)志化合物反應(yīng)的有機(jī)質(zhì)成熟度是不一致的（見2.3 節(jié)），用這些數(shù)據(jù)的H/C 原子比來判識有機(jī)質(zhì)類型是不可靠的。同時，由于烴源巖已經(jīng)大量生烴，也可能導(dǎo)致H/C 原子比降低，因此，有機(jī)質(zhì)類型劃分應(yīng)該以干酪根顯微組分和碳同位素為準(zhǔn)，即J1-2hb泥巖和J2kdown泥質(zhì)石灰?guī)r有機(jī)質(zhì)類型均為偏腐殖混合型烴源巖。

2.3 有機(jī)質(zhì)成熟度

鏡質(zhì)體反射率（Ro）是反映熱演化程度最好的指標(biāo)，研究區(qū)樣品鏡質(zhì)體反射率主要介于0.7%～1.1%（圖5），J1-2hb泥巖最高熱解溫度主要介于444～457 ℃（圖3-b），說明烴源巖已成熟，處于生液態(tài)烴高峰階段。

圖5 中下侏羅統(tǒng)烴源巖鏡質(zhì)體反射率分布圖

可溶有機(jī)物碳奇偶優(yōu)勢比（OEP）和C29甾烷異構(gòu)化是反映成熟度的常用指標(biāo)。J1-2hb泥巖樣品和J2kdown泥質(zhì)石灰?guī)r樣品碳優(yōu)勢指數(shù)（CPI）值介于0.98～1.12，碳奇偶優(yōu)勢比介于0.95～1.03；C29甾烷20S/（20S＋20R）值介于0.42～0.45，C29甾烷ββ/（ββ＋αα）值介于0.40～0.42，接近于平衡值，根據(jù)本文參考文獻(xiàn)[23]，為成熟烴源巖，與鏡質(zhì)體反射率和最高熱解溫度反映的成熟度一致。

3 烴源巖形成環(huán)境

生物標(biāo)志化合物反映了有機(jī)質(zhì)生源環(huán)境。別什肯特坳陷N10 井J1-2hb泥巖樣品（井深4 315 m）正構(gòu)烷烴以低碳數(shù)短鏈為主，氣相色譜呈典型單峰分布（圖6），碳數(shù)主要介于nC15～nC32，主峰碳一般為nC17，C21-/C22+和C21+22/C28+29比值分別為1.91 和3.12，低碳烷烴反映了J1-2hb泥巖烴源巖有機(jī)質(zhì)來源于菌藻類生源[23-24]。

圖6 N10 井J1-2hb 泥巖氣相色譜圖

N10 井J1-2hb泥巖樣品（井深4 315 m）C27、C28、C29規(guī)則甾烷呈“V”字形，并且C27甾烷異構(gòu)體化合物含量高于C29甾烷（圖7-a）。J1-2hb泥巖C19—C23三環(huán)萜烷高，四環(huán)萜烷含量較高，而γ-蠟烷含量低（圖7-b），反映了J1-2hb泥巖烴源巖有機(jī)質(zhì)來自海相菌藻類生源[24]。

圖7 N10 井J1-2hb 泥巖氣相質(zhì)譜圖

N10 井J1-2hb泥巖樣品表現(xiàn)出了姥鮫烷優(yōu)勢（圖6），Pr/Ph 值為1.27，Pr/nC17值為0.37，Ph/nC18值為0.34，指示J1-2hb泥巖烴源巖形成于弱還原環(huán)境[25]。孕甾烷含量高（圖7-a），反映了有機(jī)質(zhì)形成于高鹽度環(huán)境。

芳香烴芴系列、氧芴（二苯并呋喃）系列和硫芴（二苯并噻吩）系列生物標(biāo)志化合物相對組成特征常用來表征烴源巖沉積環(huán)境的變化。陸相淡水—微咸水湖相烴源巖的芴含量較高，沼澤相煤的氧芴含量較高，鹽湖相和海相烴源巖的硫芴含量較高[26-27]。N10 井J1-2hb泥巖樣品（井深4 315 m）硫芴含量高，為76.51%，氧芴含量9.12%，芴含量14.35%（圖8），反映了高鹽度的還原環(huán)境。

圖8 N10 井J1-2hb 泥巖芳烴氣相質(zhì)譜圖

綜上分析表明，J1-2hb泥巖有機(jī)質(zhì)生源來自海相菌藻類，為高鹽度還原環(huán)境。但是，可溶有機(jī)物族組分分析表明，J1-2hb泥巖樣品可溶有機(jī)質(zhì)族組分飽和烴含量為4.998%，芳香烴含量14.718%，飽和烴/芳香烴為0.34，芳香烴占優(yōu)勢，并且飽和烴以低碳數(shù)短鏈為主，說明J1-2hb泥巖有機(jī)質(zhì)可能來源于宏觀底棲藻類[20,24]，形成于水體較淺的潟湖環(huán)境。

4 生烴史與勘探意義

選取N10 井J1-2hb泥巖烴源巖作為模擬樣品，在鏡質(zhì)體反射率約束下，恢復(fù)中下侏羅統(tǒng)烴源巖熱演化史。模擬結(jié)果（圖9）表明，中下侏羅統(tǒng)烴源巖早白堊世晚期（距今115 Ma）Ro達(dá)到0.5%的生烴門限值，進(jìn)入低成熟階段，開始生烴。隨著盆地沉降，在晚白堊世晚期（距今70 Ma），Ro值達(dá)0.8%，有機(jī)質(zhì)成熟，進(jìn)入生烴高峰期，現(xiàn)今熱演化程度超過1.0%，仍處于熱演化生烴高峰階段。前已述及，別什肯特坳陷J1-2hb烴源巖有機(jī)質(zhì)類型為偏腐殖混合型，熱演化成熟階段以生氣為主，兼生油。

圖9 N10 井中下侏羅統(tǒng)烴源巖生烴史圖

烴源巖生烴高峰時期與圈閉形成的匹配關(guān)系對圈閉能否充滿油氣具有重要意義，古近紀(jì)末期的新特提斯閉合事件，別什肯特坳陷及相鄰的基薩爾褶皺隆起區(qū)構(gòu)造圈閉形成[12-13,28]，從中下侏羅統(tǒng)烴源巖熱演化生烴史來看，別什肯特坳陷J1-2hb泥巖烴源巖在晚白堊世晚期達(dá)到生烴門限，現(xiàn)今仍處于生烴高峰階段。因此，別什肯特坳陷及相鄰基薩爾褶皺隆起帶圈閉均為油氣有利運(yùn)聚對象。

根據(jù)N10 井鉆井資料及相關(guān)文獻(xiàn)[29]統(tǒng)計(jì)，在別什肯特坳陷及相鄰的基薩爾褶皺隆起，中下侏羅統(tǒng)泥巖厚度介于100～200 m，大面積分布，中下侏羅統(tǒng)烴源巖生油氣潛力巨大。前期研究結(jié)果也認(rèn)為別什肯特坳陷上侏羅統(tǒng)烴源巖具有良好的生油潛力[14-15]，阿姆河盆地東北部的查爾朱階地和布哈拉階地天然氣主要來自盆地內(nèi)部的扎翁古茲坳陷[8,10-11]。筆者研究認(rèn)為別什肯特坳陷中下侏羅統(tǒng)烴源巖對東北部斷階帶烴類成藏不可忽視。

別什肯特坳陷及鄰區(qū)中下侏羅統(tǒng)發(fā)育了泥巖夾砂巖、粉砂巖，單層厚度介于10～20 m[17]，砂巖、粉砂巖被大段優(yōu)質(zhì)泥巖烴源巖所夾持，雖然儲層物性較差[30]，但是氣源充足。因此，中下侏羅統(tǒng)油氣勘探應(yīng)該以尋找致密氣為主，埋藏淺、儲層物性相對較好的區(qū)塊是天然氣勘探前景區(qū)，應(yīng)該突破常規(guī)天然氣勘探，開辟非常規(guī)天然氣勘探新領(lǐng)域。

5 結(jié)論

1）阿姆河盆地別什肯特坳陷及鄰區(qū)中下侏羅統(tǒng)上段發(fā)育一套海陸過渡相泥巖烴源巖，有機(jī)質(zhì)豐度一般到高，為偏腐殖混合型，處于成熟階段；中侏羅統(tǒng)卡洛夫階下段淺海相泥質(zhì)石灰?guī)r有機(jī)質(zhì)豐度較低，為非烴源巖。

2）中下侏羅統(tǒng)海陸過渡相烴源巖有機(jī)質(zhì)來源于淺水宏觀底棲藻類，形成于高鹽度弱還原—還原的潟湖環(huán)境。

3）別什肯特坳陷中下侏羅統(tǒng)烴源巖在早白堊世晚期開始生烴，晚白堊世達(dá)到生烴高峰階段，現(xiàn)今仍處于生烴高峰階段；偏腐殖混合型干酪根以生氣為主，兼生油，該觀點(diǎn)突破了前人對別什肯特坳陷生烴潛力的認(rèn)識。

4）致密氣是別什肯特坳陷及鄰區(qū)中下侏羅統(tǒng)天然氣勘探的新領(lǐng)域，烴源巖成熟度高、現(xiàn)今埋藏淺、儲層物性較好的區(qū)塊是致密砂巖氣勘探領(lǐng)域。

致謝：感謝中國石油勘探開發(fā)研究院陳建平教授和《天然氣工業(yè)》兩位審稿專家提出的中肯意見。