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        瑪湖凹陷風城組堿湖烴源巖基本特征及其高效生烴

        2018-03-01 10:27:26王小軍王婷婷曹劍
        新疆石油地質(zhì) 2018年1期
        關(guān)鍵詞:風城瑪湖母質(zhì)

        王小軍,王婷婷,曹劍

        準噶爾盆地是中國西北地區(qū)典型的大型疊合含油氣盆地[1-2],其西北緣瑪湖凹陷是國內(nèi)外著名的富烴凹陷。近年來,在斜坡—凹陷區(qū)下三疊統(tǒng)百口泉組—上二疊統(tǒng)上烏爾禾組連獲勘探突破,大面積成藏特點逐步顯現(xiàn),展現(xiàn)出了新的“瑪湖大油氣區(qū)”輪廓,正在形成新疆油田新的油氣基地,為國內(nèi)外勘探界所矚目[3]。

        前人研究認為,瑪湖凹陷內(nèi)的主力烴源巖為下二疊統(tǒng)風城組(P1f),沉積環(huán)境為咸水湖相[4]。然而,隨勘探程度的不斷加深和研究資料的不斷積累,近期有研究者提出,風城組發(fā)育于比較特殊的堿湖沉積環(huán)境,進一步比對國內(nèi)外已有實例[5-6],認為它是古老的堿湖優(yōu)質(zhì)烴源巖,同時較之同類實例又有一定獨特性,特別是在大油氣田發(fā)現(xiàn)方面,展示出極重要的基礎(chǔ)科學與實踐應用研究價值[7]。

        盡管前人的研究已取得不少成果,但仍存在不少問題,比如該套烴源巖及其成烴演化特征并不十分清楚,原因在于沒有先例可循。如前所述,迄今全球發(fā)現(xiàn)的堿湖烴源巖實例并不多,最為典型的是美國大綠河盆地的始新統(tǒng)綠河頁巖[8],該套頁巖以分布范圍廣(70 000 km2)、有機質(zhì)豐度高(總有機碳含量多高于10%)、有機質(zhì)類型好(Ⅰ型為主)為特征,但因尚處于未成熟—低成熟演化階段,因此僅具油頁巖意義[9-11]。堿湖烴源巖的特征與成烴演化并不十分清楚,這是陸(湖)相生油理論中欠缺的重要研究內(nèi)容。有鑒于此,本文力圖通過地球化學分析,結(jié)合巖石礦物學、生烴母質(zhì)的研究,分析風城組堿湖烴源巖及其生烴的基本特征。

        1 地質(zhì)背景

        瑪湖凹陷位于準噶爾盆地中央坳陷西北端[3,12],其西側(cè)與烏夏斷裂帶及克百斷裂帶相鄰,西南側(cè)與中拐凸起相接,東南側(cè)分布有達巴松凸起、夏鹽凸起和英西凹陷,北面為石英灘凸起(圖1)?,敽枷菪逼聟^(qū)地層發(fā)育較全,自下而上有石炭系—白堊系,發(fā)育了多套潛在烴源巖,由老至新包括石炭系,下二疊統(tǒng)佳木河組、風城組,中二疊統(tǒng)下烏爾禾組[13]。其中主要烴源巖層為下二疊統(tǒng)風城組[14],厚度800~1 800 m,分布面積約5 000 km2,總體呈西厚東薄的楔狀[15]。據(jù)其巖性和電性特征,風城組自下而上可分為風一段(P1f1)、風二段(P1f2)和風三段(P1f3)。

        圖1 準噶爾盆地瑪湖凹陷構(gòu)造位置

        2 風城組堿湖烴源巖巖相學特征

        風城組的巖石過去根據(jù)粒級通常稱之為泥巖,隨著研究程度的不斷深入,發(fā)現(xiàn)其成分相當復雜,主要由陸源碎屑、碳酸鹽組分和火山物質(zhì)3個端元以不同比例混積而成(圖2),為發(fā)育于堿湖環(huán)境的一套較特殊的白云質(zhì)混積巖。根據(jù)不同端元所占比例,又可進一步細分出泥質(zhì)巖、泥質(zhì)白云巖、凝灰?guī)r和混積巖4大類(圖3)??傮w而言,風城組中黏土礦物含量低,有機質(zhì)結(jié)構(gòu)保存不好。

        圖2 研究區(qū)風城組白云質(zhì)混積巖組成示意

        (1)泥質(zhì)巖 黏土礦物含量低,正交偏光下亮度較高,幾乎見不到干涉色?;|(zhì)主要由細粒堿性長石和部分碳酸鹽礦物組成,較粗的石英長石顆粒在單偏光下無色透明,正交偏光下干涉色為一級灰白,具有一定分選性,但呈現(xiàn)尖銳棱角狀且顆粒間不接觸,具明顯的風成特點。有機質(zhì)保存較好,可見細胞結(jié)構(gòu)。

        (2)凝灰?guī)r 有一定的陸源碎屑和碳酸鹽含量,但主要由凝灰質(zhì)組分構(gòu)成。正交偏光下,凝灰質(zhì)組分全消光。含有少量團塊狀的碳酸鹽組分,正交偏光下呈珍珠韻彩的高級白干涉色。

        (3)泥質(zhì)白云巖 主要由碳酸鹽礦物特別是白云石組成,部分樣品中含有特殊的堿類礦物。原生沉積形成的白云石顆粒細小均勻,部分樣品受后期作用影響,白云石部分或全部發(fā)生重結(jié)晶作用,形成大顆粒的碳酸鹽礦物。有機質(zhì)的保存受到堿性沉積環(huán)境的影響。

        (4)混積巖 在風城組所有巖石類型中所占比例最大,根據(jù)巖石中的白云質(zhì)、泥質(zhì)和凝灰質(zhì)組分所占比例,可以進一步劃分出3個亞相(圖2b)。含一定量的火山碎屑,反映火山活動特征;石英、長石碎屑含量相對于泥質(zhì)巖低,也呈尖銳棱角狀;碳酸鹽礦物多受后期成巖作用影響,聚集成較大的團塊或條帶,可能由新生變形作用形成。有機質(zhì)可分為瀝青質(zhì)和顆粒2大類,瀝青質(zhì)可能與微生物作用有關(guān),藍光激發(fā)下幾乎不顯熒光;顆粒有機質(zhì)顯黃色熒光,總體熒光不是太強。

        圖3 研究區(qū)風城組白云質(zhì)混積巖巖相特征

        這4種巖石類型在風一段—風三段均有分布,但具體比例隨沉積環(huán)境的演化而各有不同。風一段沉積期為成堿初期階段,巖石主要為白云質(zhì)泥巖、凝灰?guī)r和混積巖;風二段沉積期為成堿高峰階段,發(fā)育白云巖、泥質(zhì)白云巖和混積巖,以出現(xiàn)大量堿性蒸發(fā)巖礦物為特征;風三段沉積期為成堿消亡階段,發(fā)育泥質(zhì)白云巖、白云質(zhì)泥巖和混積巖。風二段沉積期,碳酸鹽礦物含量最高,對應于湖盆的收縮期,堿湖發(fā)育達到最高峰。

        3 風城組堿湖烴源巖生烴母質(zhì)組成特征

        瑪湖凹陷風城組堿湖生烴母質(zhì)組成特殊,可歸納成2大方面。

        (1)生烴母質(zhì)以菌藻類為主(圖4),高等植物豐度低,反映堿湖沉積環(huán)境。其中,藻類屬種多樣,可能包括褶皺藻、溝鞭藻、宏觀底棲藻類的紅藻以及少量疑源類等,成因復雜,兼具內(nèi)源與外源。細菌主要為藍細菌,有膠團群體和藻席,發(fā)育生長紋層,不具鞭毛;沒有真正細胞核,僅有核質(zhì),位于細胞體的中央部位;其典型特征是藍細菌為原核生物,不具真正細胞核。褶皺藻藻體具明顯粗大的中央莖,向外輻射出側(cè)枝;是一種真核生物,細胞壁分為2層,內(nèi)層由纖維素組成,外層為果膠質(zhì);典型特征為粗大的中央莖及不同類型側(cè)枝。溝鞭藻為單細胞,具一條橫向或是螺旋形狀的鉤(腰帶)和2條鞭毛;細胞壁(殼壁)被腰帶分成上下2部,一條鞭毛橫向插在腰帶中,另一條由腰帶向下方縱向伸展;典型特征為腰帶和鞭毛。宏觀底棲藻類的紅藻呈樹枝狀,葉狀體具有外部皮層和內(nèi)側(cè)髓部的分化,典型特征為四分孢子囊。疑源類為單細胞,不具板片、橫溝和縱溝,單細胞孢囊,分類位置不明。此外,還有很大一部分為藻質(zhì)來源的無定形體,無固定形態(tài),邊緣輪廓不清晰;無明顯細胞結(jié)構(gòu),少數(shù)殘留有藻類結(jié)構(gòu)特征。

        圖4 研究區(qū)風城組烴源巖生烴母質(zhì)特征

        (2)風城組堿湖烴源巖生烴母質(zhì)組成的第二個特點是,微生物的活動(含量)與沉積環(huán)境的堿性呈正比,堿性越強,結(jié)構(gòu)藻類體含量越低,無定形體含量越高。在成堿初期,水體的堿度較弱,生烴母質(zhì)主要以結(jié)構(gòu)藻類體為主,細胞結(jié)構(gòu)清晰,疑源類可清晰觀察到其圓口。成堿初期是一個堿度不斷增強的階段,在此階段中,微生物的活動不斷增強,結(jié)構(gòu)藻類體不斷被改造,無定形體含量增加,此時的無定形體還殘留有一些藻類的結(jié)構(gòu)(細小紋孔)。到堿性最高的強成堿階段,生烴母質(zhì)幾乎全部為無定形體,觀察不到指示來源的殘余結(jié)構(gòu),根據(jù)對其他階段生烴母質(zhì)的觀察,推測此時的無定形體是由各種藻類、疑源類和少量高等植物經(jīng)細菌改造形成。其后水體再逐漸淡化,發(fā)展至演化終止階段,此時的生烴母質(zhì)特征與成堿初期相似,以結(jié)構(gòu)藻類體為主,無定形體含量降低。

        進一步對比常見湖相烴源巖的生烴母質(zhì)組成特征發(fā)現(xiàn),風城組的這種堿湖生烴母質(zhì)特征展現(xiàn)出了獨特的優(yōu)勢。湖沼相主要以高等植物為主,典型實例為西北地區(qū)侏羅系煤系;淡水湖相烴源巖生烴母質(zhì)為淡水藻類和高等植物,如柴達木盆地侏羅系;咸水湖相則為咸水藻類和高等植物,如準噶爾盆地蘆草溝組;硫酸鹽鹽湖生烴母質(zhì)主要為浮游生物、藻類、高等植物等,如濟陽坳陷、潛江凹陷和柴達木盆地古近系。與以上這些類型的湖相沉積相比,瑪湖凹陷堿湖烴源巖生烴母質(zhì)獨特,優(yōu)質(zhì)生烴主要有3大物質(zhì)基礎(chǔ):細菌、藻類和無定形體。細菌將藻類改造成無定形體,是堿湖的生烴母質(zhì)類型區(qū)別于其他湖相烴源巖生烴母質(zhì)類型的最根本特征。

        4 風城組堿湖烴源巖地球化學特征

        4.1 有機質(zhì)豐度

        烴源巖中的有機質(zhì)是油氣生成的物質(zhì)基礎(chǔ),常見判識其豐度的指標參數(shù)包括總有機碳含量、巖石熱解中的生烴潛量、氯仿瀝青A含量等[16-18]。

        在準噶爾盆地瑪湖凹陷,從總有機碳含量、生烴潛量和氯仿瀝青A含量3方面來看(表1),風城組總體都達到了中等—優(yōu)質(zhì)烴源巖的標準。風一段總有機碳含量為0.03%~1.76%,平均為0.79%;風二段總有機碳含量為0.28%~3.58%,平均為1.03%;風三段總有機碳含量為0.12%~2.73%,平均為0.92%.總有機碳含量風二段最高。

        表1 準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組烴源巖有機地球化學特征

        風一段、風二段和風三段樣品生烴潛量分別為0.02~17.51 mg/g(均值3.55 mg/g)、0.06~24.58 mg/g(均值5.43 mg/g)、0.01~25.29 mg/g(均值4.10 mg/g);氯仿瀝青A含量分別為0.011‰~4.564‰(均值1.125‰)、0.060‰~11.088‰(均值 2.017‰)、0.025‰~6.821‰(均值1.247‰)。同樣表現(xiàn)出風二段最優(yōu)。

        綜上所述,從總有機碳含量、生烴潛量和氯仿瀝青A含量來看,風城組大部分樣品屬中等—優(yōu)質(zhì)烴源巖。風一段、風二段和風三段垂向差異明顯,風二段烴源巖最優(yōu),與堿性沉積旋回的演化相一致。

        4.2 有機質(zhì)類型

        烴源巖的有機質(zhì)豐度是能否大量生烴的關(guān)鍵,而有機質(zhì)類型則在很大程度上決定著所生烴類的性質(zhì)、組成以及量的大小,常見用來判斷烴源巖有機質(zhì)類型的地球化學參數(shù)包括:熱解氫指數(shù)、干酪根元素比值和干酪根碳同位素等[16,19-21]。本文主要采用熱解氫指數(shù)與熱解氧指數(shù)相關(guān)圖、熱解氫指數(shù)與熱解峰溫相關(guān)圖,以及干酪根碳同位素,結(jié)合生烴母質(zhì)顯微鑒定,來確定風城組烴源巖的有機質(zhì)類型。

        風一段、風二段和風三段樣品的熱解氫指數(shù)分別為21~794 mg/g,3~982 mg/g和3~801 mg/g,均值分別為241 mg/g,363 mg/g和322 mg/g(表1,圖5)。風城組樣品有機質(zhì)類型從Ⅰ型—Ⅲ型均有分布,表明其有機質(zhì)來源復雜。風二段主要為Ⅰ型—Ⅱ型,有機質(zhì)類型最好;風一段和風三段樣品有機質(zhì)類型分布較為分散,從Ⅰ型—Ⅲ型均有分布,總體表現(xiàn)出風二段有機質(zhì)類型優(yōu)于風三段、風三段優(yōu)于風一段的特征。

        有機質(zhì)穩(wěn)定碳同位素主要取決于有機質(zhì)的來源,受熱演化作用影響較小,因此,在烴源巖的成烴演化階段,尤其是其高演化階段,干酪根碳同位素也是反映烴源巖有機質(zhì)類型的一項重要的有效參數(shù)。從瑪湖凹陷樣品干酪根碳同位素分布特征來看(表1,圖5),風二段有機質(zhì)類型最好,主要為Ⅱ型;其次為風三段,Ⅱ1型—Ⅲ型均有分布,主要為Ⅱ2型;再次為風一段,主要為Ⅱ2型—Ⅲ型。需要注意的是,由于風城組發(fā)育于堿湖(堿性鹽湖)沉積環(huán)境,碳同位素整體偏重,因此實際的有機質(zhì)類型要比根據(jù)碳同位素判識的結(jié)果好,而且風城組有機質(zhì)類型的變化趨勢,與巖石熱解氫指數(shù)判識結(jié)果基本一致。

        圖5 準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組烴源巖有機質(zhì)類型分布

        對風城組樣品巖石薄片和干酪根進行顯微觀察,發(fā)現(xiàn)風城組3段之間存在明顯差異(圖3,圖4),風一段碳酸鹽含量最低,生烴母質(zhì)以結(jié)構(gòu)藻類體為主,見少量孢粉和疑源類;風二段碳酸鹽含量最高,部分樣品碳酸鹽含量超過50%,生烴母質(zhì)以無定形體為主;風三段碳酸鹽含量介于風一段和風二段之間,生烴母質(zhì)多以無定形體為主(部分藻類的結(jié)構(gòu)特征被保留下來,如圓形紋孔、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)),見少量結(jié)構(gòu)藻類體。顯微鑒定結(jié)果與地球化學分析相似,風二段有機質(zhì)類型最優(yōu),其次為風三段,風一段相對較差。

        綜合上述,準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組有機質(zhì)來源復雜,有機質(zhì)類型Ⅰ型—Ⅲ型均有分布,以Ⅱ型為主,傾向于生油。風城組有機質(zhì)類型呈風二段優(yōu)于風三段、風三段優(yōu)于風一段的趨勢。

        5 風城組堿湖烴源巖高效生烴

        5.1 烴源巖生烴潛力

        理論而言,烴源巖的生烴能力受諸多因素影響,如烴源巖的分布與厚度,烴源巖中有機質(zhì)的豐度、類型及其熱演化程度等[22]。通常來說,生烴潛力大的烴源巖一般分布廣、厚度大,有機質(zhì)豐度高、類型好、成熟度適中[16]。根據(jù)前文分析,風城組烴源巖的有機質(zhì)豐度都達到了中等—優(yōu)質(zhì)烴源巖標準,并表現(xiàn)出風二段有機質(zhì)豐度高于風三段、風三段高于風一段的特點。因此,對于生烴,有機質(zhì)數(shù)量不存在問題。從有機質(zhì)類型來看,整體主要為腐泥型,更傾向于生油,也表現(xiàn)出風二段優(yōu)于風三段、風三段優(yōu)于風一段的特點,與有機質(zhì)的豐度變化特點一致。

        從有機質(zhì)成熟度看,目前所研究樣品多處于成熟演化階段,但這并不能完全代表凹陷區(qū)烴源巖的熱演化程度,據(jù)此,綜合前人對區(qū)域地溫分布[23-24]和地層層序[13]的研究結(jié)果,選取了瑪湖凹陷沉積中心的虛擬井進行了數(shù)值模擬(圖6)。結(jié)果表明,風城組在二疊紀末期進入生烴門限,在三疊紀末期進入生油高峰期,目前已進入高成熟演化階段(埋深大于5 000 m)。

        圖6 準噶爾盆地瑪湖凹陷埋藏—熱演化史

        因此,瑪湖凹陷風城組烴源巖有機質(zhì)豐度高、有機質(zhì)類型以生油為主,成熟度在凹陷區(qū)進入成熟—高成熟演化階段,具備良好的生烴,特別是生油潛力,且風二段生烴潛力最大,其次為風三段,最后為風一段。

        5.2 烴源巖高效生烴

        根據(jù)上述分析,風城組堿湖混積巖從有機質(zhì)豐度、類型上達到了中等—優(yōu)質(zhì)烴源巖標準,物質(zhì)基礎(chǔ)良好,但與傳統(tǒng)湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖相比,優(yōu)勢并不顯著。為進一步查明其生烴特點,對總有機碳產(chǎn)烴率進行了分析,結(jié)果表明,風城組烴源巖大致存在3期生烴高峰(兩期生油,一期生氣)(圖7)。第一期為早期成熟油,高峰在鏡質(zhì)體反射率為0.8%左右,對應埋深3 500 m左右,總有機碳產(chǎn)烴率達到470 mg/g;第二期為晚期高熟油,高峰在鏡質(zhì)體反射率為1.3%左右,對應埋深4 500 m左右,總有機碳產(chǎn)烴率達到800 mg/g;第三期為天然氣,鏡質(zhì)體反射率在2.0%左右,對應埋深在5 700 m附近,總有機碳產(chǎn)烴率達到200 mg/g.與傳統(tǒng)湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖的生烴特點[18,25-27]相比,有2個重要的不同點,一是兩期生油,二是高效,特別是第二期高成熟油,總有機碳產(chǎn)烴率達到800 mg/g,幾乎近2倍于傳統(tǒng)湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖。

        圖7 準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組烴源巖生烴特征

        油氣標定也表明,瑪湖凹陷內(nèi)部存在多期成藏,成熟—高成熟油氣連續(xù)運聚(圖7)。儲集層中抽提出2種不同性質(zhì)的原油,一種為黑色,油質(zhì)較重;另一種為黃褐色,油質(zhì)較輕,分別對應著早、晚2期原油充注。此外,對儲集層顯微觀測也發(fā)現(xiàn),藍光激發(fā)下的薄片可以觀察到2種不同熒光色的有機質(zhì),分別為偏黃綠色和亮黃色,第一期成熟油,油質(zhì)較重,顏色深,熒光較弱;第二期高熟油,油質(zhì)輕,顏色淺,熒光強。總之,這一油氣連續(xù)充注特征與烴源巖的多期生烴相吻合。

        綜上所述,風城組堿湖白云質(zhì)混積巖與傳統(tǒng)湖相烴源巖相比,在基礎(chǔ)地球化學特征上優(yōu)勢并不顯著,但其生烴具有多期性和高效性,存在兩期生油高峰和一期生氣高峰,成熟—高成熟連續(xù)生烴,高效生烴,總有機碳產(chǎn)烴率大,最高峰達到800 mg/g,為目前研究區(qū)建成大油氣區(qū)奠定了資源基礎(chǔ),未來仍有廣闊的勘探空間。

        6 結(jié)論

        (1)準噶爾盆地瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組發(fā)育了一套特殊的堿湖白云質(zhì)混積巖,巖性組合復雜,主要由陸源碎屑、碳酸鹽組分和火山物質(zhì)3個端元以不同比例混積而成,可進一步細分出4大類:泥質(zhì)巖、泥質(zhì)白云巖、凝灰?guī)r和混積巖。

        (2)風城組烴源巖具有堿湖特色的生烴母質(zhì)——以菌藻類為特色的生烴母質(zhì),特別是細菌的參與,是堿湖不同于傳統(tǒng)酸性硫酸鹽鹽湖的關(guān)鍵;微生物的活動(含量)與沉積環(huán)境的堿性相關(guān),堿性越強,微生物活度越高,結(jié)構(gòu)藻類體含量越低,無定形體含量越高。

        (3)風城組烴源巖有機質(zhì)豐度都達到了中等—優(yōu)質(zhì)烴源巖標準,有機質(zhì)類型偏腐泥型,在凹陷區(qū)達到成熟—高成熟演化,具有良好的生烴潛力。風城組3段的生烴潛力存在一定差異,風二段最優(yōu),風三段次之,風一段再次之。

        (4)風城組烴源巖多期高效生烴,存在3期生烴高峰:早期成熟油、晚期高熟油和晚期天然氣。高成熟油生成階段,總有機碳產(chǎn)烴率峰值達到800 mg/g,幾乎2倍于傳統(tǒng)湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖。

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