杜世濤，田繼軍，李沼鵜，來(lái) 鵬，馬 群

(1.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局，新疆 烏魯木齊 830000；2.新疆大學(xué)，新疆 烏魯木齊 830011；3.中國(guó)石油塔里木油田分公司，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

0 引 言

準(zhǔn)噶爾盆地(以下簡(jiǎn)稱(chēng)盆地)賦存豐富的能源[1-5]，前人已從不同角度和領(lǐng)域在盆地開(kāi)展了大量的研究工作：秦勇等[6]從深部煤層氣理論角度，通過(guò)溫壓模擬實(shí)驗(yàn)建立了深部煤儲(chǔ)層滲透率預(yù)測(cè)模型；鄭金海[7]等通過(guò)阜康凹陷侏羅系泥頁(yè)巖特征與Barnett頁(yè)巖對(duì)比分析，認(rèn)為盆地具有較好的頁(yè)巖油氣生成潛力；曹劍[8]等根據(jù)盆地西北部的成堿演化序列、微生物及礦物(堿)特征、地球化學(xué)及生物化合物標(biāo)志等證據(jù)，推斷下二疊統(tǒng)風(fēng)城組為堿湖優(yōu)質(zhì)烴源巖；陳建平[2-3]等探討了盆地南緣油氣生成與分布規(guī)律，通過(guò)全面對(duì)比分析烴源巖抽提物與原油及烷烴類(lèi)分子碳同位素組成、生物標(biāo)志物組成特征，認(rèn)為盆地南緣原油來(lái)自不同時(shí)代的烴源巖；吳朝東[9]等研究了盆地南緣二疊紀(jì)—三疊紀(jì)原型盆地演化歷程，認(rèn)為盆地在該時(shí)期先后經(jīng)歷了碰撞伸展、擠壓沖斷、弱擠壓凹陷和削高補(bǔ)低、穩(wěn)定拗陷和準(zhǔn)平原化4個(gè)階段。然而，以往在盆地分區(qū)、分層的地質(zhì)研究工作中，缺乏全區(qū)域和連續(xù)層位的對(duì)比分析，整體研究非常規(guī)油氣地質(zhì)的工作更少，使得不同的參照依據(jù)與評(píng)價(jià)體系并存，忽略了新能源領(lǐng)域統(tǒng)一對(duì)比、擇優(yōu)分期、逐步整體推進(jìn)的勘探開(kāi)發(fā)原則。

通過(guò)收集石油及煤層氣井的巖性、樣品實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和國(guó)內(nèi)外最新的文獻(xiàn)資料等，對(duì)盆地二疊系頁(yè)巖儲(chǔ)層進(jìn)行分析，在與國(guó)內(nèi)外頁(yè)巖氣商業(yè)開(kāi)發(fā)案例區(qū)地質(zhì)數(shù)據(jù)對(duì)比的基礎(chǔ)上，提出了未來(lái)盆地頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)潛力區(qū)塊。

1 區(qū)域構(gòu)造背景及地層特征

準(zhǔn)噶爾盆地是在前寒武系結(jié)晶基底和古生界淺變質(zhì)基底上發(fā)育的大型陸內(nèi)疊合型盆地。從基底屬性和構(gòu)造演化史分析，盆地經(jīng)歷了3期前陸盆地的形成和發(fā)育階段：①受海西運(yùn)動(dòng)影響，早二疊世為前陸盆地?cái)?坳)陷發(fā)育階段，大部分區(qū)域地層的南斷北超伸展斷陷與東部的北斷南超組合形成不對(duì)稱(chēng)箕狀凹陷格局。至晚二疊世，由于印支運(yùn)動(dòng)的推動(dòng)，全盆構(gòu)造性質(zhì)轉(zhuǎn)換為南坳北斷。此階段盆緣表現(xiàn)為沖斷、推覆并強(qiáng)烈褶皺，盆內(nèi)以大型隆起的平緩褶皺為主，伴生逆沖斷裂，如西北部的克烏斷裂、紅車(chē)斷裂。②在燕山運(yùn)動(dòng)的作用下，中晚侏羅世時(shí)期，盆地處于弱擠壓撓曲狀態(tài)。殘留地層顏色以雜色的辮狀河—濱湖沉積相、低成熟度的砂礫巖為主，說(shuō)明沉積湖盆已縮小，地層因擠壓而隆升，如盆地腹部的車(chē)莫地區(qū)發(fā)生隆升，形成準(zhǔn)南、烏倫古前陸坳陷。③晚第三紀(jì)—第四紀(jì)為再生前陸盆地階段，盆地南緣山前坳陷受喜馬拉雅構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響，北天山強(qiáng)烈抬升，區(qū)域性南部掀斜，山前快速沉降，劇烈的構(gòu)造活動(dòng)推動(dòng)了油氣藏的調(diào)整[6，9]。

在構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的改造下，盆地呈“東西分塊，南北分帶”的隆凹相間格局，隆凹區(qū)帶以斷層為界分開(kāi)，走向基本與山體平行或垂直。盆緣呈高角度逆沖斷裂，腹部以漸緩的褶皺為主。地層埋深在山前逆沖位置較盆地腹部深，斷裂在山前較為發(fā)育，以逆沖斷層為主(圖1、2)。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地構(gòu)造分區(qū)

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地地層、構(gòu)造剖面

以往研究顯示[7-13]，盆地二疊系主要優(yōu)質(zhì)烴源巖地層包括下烏爾禾組(東南緣：蘆草溝組、平地泉組)和風(fēng)城組(表1)。其中，盆1井西凹陷下烏爾禾組烴源巖為侏羅系上部或白堊系的常規(guī)油氣源，地球化學(xué)數(shù)據(jù)證實(shí)，當(dāng)前的陸梁油田、莫索灣油氣田、莫北油氣田、石西油田等都由水平距離為40 km、垂直距離為4 km的凹陷中心下烏爾禾組烴源巖供給，證明該組生烴潛力巨大。文獻(xiàn)資料顯示，風(fēng)城組屬于堿湖強(qiáng)還原環(huán)境下發(fā)育的陸(湖)相優(yōu)質(zhì)烴源巖，具備較強(qiáng)的頁(yè)巖氣勘探開(kāi)發(fā)潛力。蘆草溝組發(fā)育于博格達(dá)山與克拉美麗山之間，巖性特征、化石指向、礦物特征和鹽度等證據(jù)表明，該組泥頁(yè)巖由南至北，沉積環(huán)境由半深湖—深湖的高鹽強(qiáng)還原環(huán)境過(guò)渡為扇三角洲前緣—半深湖的還原環(huán)境，泥頁(yè)巖厚度逐漸變薄，砂泥比逐漸增大。初步判斷該區(qū)塊總體生烴潛力較強(qiáng)，但存在由南至北減弱的趨勢(shì)。由于盆地頁(yè)巖氣勘探工作仍處于初期，對(duì)主要目的層系、資源潛力、勘探區(qū)域和制約因素等問(wèn)題的研究仍依靠常規(guī)油氣地質(zhì)、地球物理和化學(xué)資料，因此，有利區(qū)的選定與評(píng)價(jià)主要參考烴源巖的展布面積、厚度、埋深、有機(jī)質(zhì)豐度、成熟度、脆性礦物含量等常規(guī)參數(shù)。

表1 二疊系主要烴源巖特征

2 泥頁(yè)巖分布區(qū)域及層位優(yōu)選

目前，盆地常規(guī)油氣井及油田主要分布于西北部的中拐凸起、克百斷裂帶和烏夏斷裂帶與瑪湖凹陷的交界處、腹部的陸梁隆起、東道海子凹陷與盆1井西凹陷合圍的三角區(qū)和東南部準(zhǔn)東、北三臺(tái)、火燒山和五彩灣等地(圖1)。常規(guī)油氣鉆井過(guò)程中，二疊系頁(yè)巖顯示出一定的含氣性，在盆地東南緣和西北部的二疊系地層均獲得過(guò)低產(chǎn)氣流。

2.1 泥頁(yè)巖分布區(qū)域及層位初選

頁(yè)巖氣生于泥頁(yè)巖，儲(chǔ)于泥頁(yè)巖[14-17]。盆地二疊系泥頁(yè)巖主要發(fā)育于中—下二疊統(tǒng)，自下而上分別為佳木河組、風(fēng)城組、夏子街組和下烏爾禾組(不同區(qū)域組名不同，見(jiàn)表1)，區(qū)域性分布差異較大。

西北部二疊系地層自山前沖斷帶至達(dá)巴松凸起埋深逐漸變淺，但總體埋藏較深(3.5～8.1 km)，偏北部的陸梁隆起、烏倫古凹陷和紅巖斷裂一帶缺失二疊系地層；正南部二疊系地層埋藏更深(8.0～14.0 km)；東南部二疊系地層埋深顯著變淺(1.0～4.0 km)(圖1、2，表1)。其中，西北緣烏爾禾組埋深為3.5～6.0 km，東南部埋深為1.0～1.2 km，東北部埋深為1.0～6.0 km；風(fēng)城組的埋深一般為5.5～13.0 km，西北緣埋深為5.5～7.5 km。受深度限制，首先排除南部、北部的陸梁隆起及烏倫古凹陷、紅巖斷裂帶作為目前技術(shù)條件下勘探開(kāi)發(fā)的探討區(qū)域，將盆地西北至腹部瑪湖凹陷—盆1井西凹陷和東南部列為此次研究的評(píng)價(jià)區(qū)。

2.2 泥頁(yè)巖展布特征

據(jù)盆內(nèi)老油氣田的20余口探井、巖心、錄井、測(cè)井、二維、三維地震及露頭等勘探資料顯示：盆地西北至腹部下烏爾禾組沉積范圍主要分布于瑪湖凹陷—盆1井西凹陷，瑪湖凹陷沉積中心的最大厚度可達(dá)1 000 m左右，盆1井西凹陷—昌吉凹陷內(nèi)沉積中心厚度約為600 m，其他地區(qū)厚度為200 m左右，展布面積達(dá)6.3×104km2，富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖累計(jì)厚度為50～450 m，平均厚度為125 m。盆地東南部主要分布于阜康凹陷、五彩灣凹陷、北三臺(tái)西斜坡，南部露頭剖面顯示蘆草溝組黑色湖相頁(yè)巖頁(yè)理發(fā)育，如妖魔山剖面蘆草溝組上段發(fā)育深灰色粉砂質(zhì)泥巖夾砂巖薄層和灰?guī)r透鏡體，阜康凹陷—北三臺(tái)西斜坡蘆草溝組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖展布面積達(dá)4×104km2，單層厚度為5～10 m，累計(jì)厚度為450 m，頁(yè)理發(fā)育；風(fēng)城組主要分布于瑪湖凹陷、盆1井西凹陷和昌吉凹陷，沉積厚度由北西向南東逐漸減薄，最大可達(dá)1 400 m，展布面積約為3.2×104km2，富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖厚度一般為50～300 m，平均厚度為116 m；佳木河組沉積中心主要分布在克-夏斷階帶，呈條帶狀薄層展布。

綜上所述，二疊系暗色泥頁(yè)巖主要分布于盆地內(nèi)瑪湖—中央坳陷區(qū)，累計(jì)厚度一般為100～650 m，平均厚度為200 m，其次為阜康凹陷—北三臺(tái)西斜坡一帶(圖3)。

2.3 泥頁(yè)巖物理特征

據(jù)盆1井西凹陷的風(fēng)7井鉆井及巖心資料顯示，西北及腹部的下烏爾禾組巖性為暗色泥頁(yè)巖夾白云質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖、粉砂巖薄層，泥頁(yè)巖宏觀裂隙較為發(fā)育，見(jiàn)油浸。風(fēng)城組礦物成分主要為云質(zhì)巖，其中泥質(zhì)、白云質(zhì)、硅質(zhì)含量分別為10.00%～90.00%、5.00%～80.00%、0.00～40.00%。盆地西北部6口井的199塊巖心測(cè)試結(jié)果顯示，孔隙度平均為4.65%，滲透率為0.003×10-3～47.900×10-3μm2，比較致密[18-19]。

X射線(xiàn)衍射分析表明，蘆草溝組巖石礦物斜長(zhǎng)石、白云石、石英、黏土礦物、方解石、鉀長(zhǎng)石含量分別為26.42%、23.64%、21.09%、11.67%、10.01%、4.87%；另外，據(jù)268個(gè)氣測(cè)孔隙度與滲透率結(jié)果顯示，頁(yè)巖氣儲(chǔ)層孔隙度為6.09%～25.79%，平均為10.99%，滲透率為0.002×10-3～2.760×10-3μm2；恒速壓汞實(shí)驗(yàn)表明，蘆草溝組樣品的孔隙半徑為90.0～180.0 μm，平均為124.5 μm，喉道半徑為0.1～0.4 μm，滲透率小于1.000×10-3μm2的樣品平均喉道半徑為0.3 μm，滲透率大于1.000×10-3μm2的樣品孔喉半徑為30.0～180.0 μm[19]?？梢?jiàn)，蘆草溝組孔喉半徑分布范圍大，滲透率稍低。根據(jù)巖性及其分布特征，將西北及腹部的中—下二疊統(tǒng)下烏爾禾組(東南部的蘆草溝組、平地泉組)和風(fēng)城組作為優(yōu)選層位。

3 泥頁(yè)巖主要層位地球化學(xué)特征

泥頁(yè)巖的TOC、Ro、氯仿瀝青“A”和生烴潛力等地球化學(xué)實(shí)驗(yàn)參數(shù)是目前精確定位泥頁(yè)巖生氣潛力的重要指標(biāo)。王麗波等[16]認(rèn)為T(mén)OC平均值達(dá)到4.88%為較好的烴源巖生氣標(biāo)準(zhǔn)；鄒才能等[20]通過(guò)總結(jié)北美的頁(yè)巖氣成功開(kāi)發(fā)案例，認(rèn)為富有機(jī)質(zhì)烴源巖TOC大于2.00%已符合開(kāi)發(fā)條件；林會(huì)喜等[21]在研究哈山地區(qū)地球化學(xué)特征時(shí)認(rèn)為S1+S2為7.00～10.00 mg/g已具生烴潛力；前人研究顯示，Ⅰ—Ⅲ型干酪根均具有商業(yè)成功開(kāi)發(fā)案例[22]，故不將干酪根類(lèi)型作為影響烴源巖產(chǎn)氣的因素。

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地中二疊統(tǒng)泥頁(yè)巖厚度及潛力區(qū)劃分

3.1 干酪根含量及類(lèi)型

盆地西北部下烏爾禾組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖TOC為0.70%～4.76%，最高為12.08%；佳木河組TOC普遍較低，一般小于0.74%，干酪根類(lèi)型以Ⅲ型為主，生氣能力有限；風(fēng)城組TOC大于1.00%，類(lèi)型為偏腐殖腐泥型(Ⅱ1型)；東南部露頭樣品數(shù)據(jù)顯示，蘆草溝組TOC為1.73%～19.80%，妖魔山剖面蘆草溝組泥頁(yè)巖TOC接近8.00%；井井子溝組TOC為0.47%～5.34%。據(jù)鄒才能等[20]研究，蘆草溝組頁(yè)巖主要為腐泥型(Ⅰ型)和腐殖腐泥型(Ⅱ1型)，80%干酪根樣品的H、C原子比為1.3～1.6，高于中國(guó)撫順油頁(yè)巖和茂名油頁(yè)巖，且與美國(guó)猶英塔盆地始新統(tǒng)綠河頁(yè)巖和澳大利亞塔斯曼二疊系的油頁(yè)巖相當(dāng)。

3.2 有機(jī)質(zhì)成熟度

盆地二疊系有機(jī)質(zhì)成熟度表現(xiàn)為成熟—高成熟特征。下烏爾禾組Ro為0.80%～1.00%，風(fēng)城組Ro為0.54%～1.41%(瑪湖凹陷Ro為1.00%～1.30%)。衛(wèi)延召等[4]通過(guò)研究瑪湖凹陷的埋藏史及干酪根熱解實(shí)驗(yàn)，證實(shí)風(fēng)城組于中侏羅世達(dá)生油高峰，目前處于生氣高峰，并伴有少量油型裂解氣發(fā)生；陳建平等[11]應(yīng)用模擬軟件計(jì)算了盆地東南緣不同位置干酪根的熱演化成熟度和生烴史，結(jié)果顯示阜康凹陷二疊系泥頁(yè)巖Ro為1.00%～2.60%，于早侏羅世末達(dá)到裂解生油階段，晚白堊世早期達(dá)到生油高峰，中新世中期達(dá)到裂解生氣階段，目前處于大量生氣階段。

3.3 頁(yè)巖含氣性

據(jù)文獻(xiàn)資料[18]，盆地西北部瑪湖凹陷風(fēng)城組生氣強(qiáng)度為50×107～600×107m3/km2，生烴潛量大于6.00 mg/g，盆地腹部的盆1井西凹陷生氣強(qiáng)度為50×107～400×107m3/km2，佳木河組生氣強(qiáng)度小于140×107m3/km2。前人通過(guò)對(duì)盆地東南緣蘆草溝組的190個(gè)樣品熱解分析，生烴潛量達(dá)0.40～226.43 mg/g，平均為37.00 mg/g，87%的樣品大于6.00 mg/g[19]。

常規(guī)油氣鉆井過(guò)程中，二疊系頁(yè)巖層氣測(cè)顯示活躍，在盆地西北部、東南部均于二疊系地層中獲得過(guò)低產(chǎn)氣流，如吉參1井在2 285～2 295 m層段(石炭系—二疊系)氣測(cè)顯示異常明顯，裂縫多冒氣泡，巖心見(jiàn)油跡?，敱庇吞锾矫魇偷刭|(zhì)儲(chǔ)量為4 381.62×108t、溶解氣地質(zhì)儲(chǔ)量為8.12×108m3，鄰區(qū)西北緣發(fā)現(xiàn)常規(guī)氣田4個(gè)，探明天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量為287.47×108m3。在滴水泉—北三臺(tái)西斜坡的滴南3、滴南4、火3、火北1、大3、大8等井鉆遇二疊系頁(yè)巖地層，見(jiàn)到良好的油氣顯示，氣測(cè)值為1 200×10-6～80 000×10-6。

4 頁(yè)巖氣有利區(qū)優(yōu)選標(biāo)準(zhǔn)

立足于盆地頁(yè)巖氣勘探處于初期、技術(shù)力量受限、資料缺乏的現(xiàn)狀[23-25]，圍繞油田常規(guī)數(shù)據(jù)及最新文獻(xiàn)資料(表2)，將研究區(qū)的泥頁(yè)巖展布面積、埋深、厚度、脆性礦物含量、儲(chǔ)層孔滲特征、TOC、Ro、含氣性等參數(shù)，與國(guó)內(nèi)外商業(yè)開(kāi)發(fā)案例相應(yīng)參數(shù)對(duì)比，認(rèn)為有利區(qū)的評(píng)價(jià)與優(yōu)選應(yīng)遵循以下原則：①“木桶短板效應(yīng)”，即納入有利區(qū)范圍的頁(yè)巖必須具備產(chǎn)氣的條件，如佳木河組TOC小于0.74%，單憑此一項(xiàng)即可排除該組作為有利(層位)區(qū)；②“補(bǔ)償效應(yīng)”，即若埋藏較深的頁(yè)巖層含氣突出，富有機(jī)質(zhì)頁(yè)巖累計(jì)厚度大，則不影響其晉升為有利區(qū)；③“風(fēng)險(xiǎn)最小化”，有效烴源巖展布面積、埋深、厚度、脆性礦物含量、儲(chǔ)層孔滲特征、TOC、Ro、含氣性等參數(shù)的完善有利于降低勘探開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)；④“利益最大化”，即規(guī)?；⒐S化和集成化作業(yè)是降低非常規(guī)能源勘探開(kāi)發(fā)成本和提高勘探開(kāi)發(fā)效率的方向，因此，同等條件下將大區(qū)塊作為首選區(qū)。

表2 參數(shù)對(duì)比與評(píng)價(jià)

綜上所述，將瑪湖凹陷至盆1井西凹陷作為首選有利區(qū)，具體依據(jù)為：①表2所列參數(shù)顯示，該區(qū)塊具備良好的產(chǎn)氣物質(zhì)基礎(chǔ)；②常規(guī)油井在其邊緣分布較多，依據(jù)較為可靠，可最大程度降低勘探開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)；③下烏爾禾組與風(fēng)城組在該區(qū)域疊置分布，泥頁(yè)巖展布面積廣、厚度大，有利于整體布局作業(yè)，降低勘探開(kāi)發(fā)成本，提高效率。將阜康凹陷、五彩灣凹陷作為次選有利區(qū)。具體依據(jù)為：①與首選有利區(qū)選擇依據(jù)相比，相關(guān)參數(shù)較次；②相關(guān)含氣性數(shù)據(jù)不全面(表2、圖3)。

5 結(jié) 論

(1) 盆地泥頁(yè)巖主要發(fā)育于中—下二疊統(tǒng)，在西北及腹部分布于瑪湖坳陷、盆1井西凹陷，主要包括佳木河組、風(fēng)城組、夏子街組以及上下烏爾禾組；東南部泥頁(yè)巖主要分布于阜康凹陷—北三臺(tái)西坡一帶，包括蘆草溝組和井井子溝組。

(2) 盆地西北部下烏爾禾組和風(fēng)城組泥頁(yè)巖累計(jì)厚度為50～480 m、埋深為6～11 km、TOC為0.70%～4.76%、Ro為0.54%～1.41%、生氣強(qiáng)度為50×107～600×107m3/km2，表現(xiàn)出較高的油氣生成潛力；佳木河組TOC普遍低于0.74%，生氣強(qiáng)度小于140×107m3/km2，生氣潛力受限；東南部蘆草溝組泥頁(yè)巖累計(jì)厚度為50～300 m、埋深為1.5～4.0 km、TOC為1.73%～19.8%、Ro為1.0%～2.6%、生氣強(qiáng)度為0.40～226.43 mg/g，具備較好的生氣物質(zhì)基礎(chǔ)；井井子溝組TOC為0.47%～5.34%，生氣潛力較低。

(3) 根據(jù)“木桶短板效應(yīng)、補(bǔ)償效應(yīng)、風(fēng)險(xiǎn)最小化、利益最大化”的選區(qū)評(píng)價(jià)原則，將準(zhǔn)噶爾盆地西北部瑪湖凹陷—盆1井西凹陷評(píng)價(jià)為首選有利區(qū)，優(yōu)勢(shì)層位為下烏爾禾組和風(fēng)城組；東南部阜康凹陷—北三臺(tái)斜坡的蘆草溝組評(píng)價(jià)為次有利區(qū)。

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