王圣柱,梅文科,熊崢嶸,白仲才,熊 偉,于洪洲,鮑 軍

中國石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院,山東 東營 257015

準(zhǔn)噶爾盆地為一大型疊合盆地,在漫長的地質(zhì)歷史演化過程中經(jīng)歷了海相、海陸交互相和陸相沉積環(huán)境的演變,主要發(fā)育石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系和古近系6套烴源巖層系[1-4],分布于盆地不同的凹陷或地區(qū)。長期以來由于將石炭系作為盆地的基底,因此,對石炭系烴源巖的研究認(rèn)識程度最低。準(zhǔn)噶爾盆地東北緣克拉美麗氣田的發(fā)現(xiàn)拉開了以石炭系為源的勘探序幕,隨后相繼發(fā)現(xiàn)了泉1、阜26、美8、準(zhǔn)北1等多個出油氣點(diǎn),使得石炭系成為近期油氣勘探研究的熱點(diǎn)。

準(zhǔn)噶爾盆地古生代以后經(jīng)歷會聚式板塊(地塊、島弧)碰撞拼接演化過程,二疊紀(jì)演化為陸相沉積環(huán)境[5-6]。石炭紀(jì)是準(zhǔn)噶爾盆地海陸轉(zhuǎn)換的重要變革期,整體呈“早海晚陸、南海北陸”的古地理演化格局[6-8],溝弧盆環(huán)境發(fā)育了多套烴源巖[8-15];石炭系具有明顯的源控成藏特點(diǎn)[16-19],因此落實有利供烴區(qū)是實現(xiàn)高效勘探的關(guān)鍵。石炭系原始沉積建造復(fù)雜,后期構(gòu)造強(qiáng)烈改造,致使高效供烴區(qū)分布不明確,制約了油氣勘探。本文以準(zhǔn)噶爾盆地東北緣為研究區(qū),包括陸梁隆起帶和烏倫古坳陷(圖1),以下石炭統(tǒng)姜巴斯套組(C1j)和上石炭統(tǒng)巴塔瑪依內(nèi)山組(C2b)烴源巖為研究對象,基于鉆井巖心、巖屑及露頭剖面大量烴源巖樣品有機(jī)碳、有機(jī)質(zhì)顯微組分及黃金管高壓釜生烴熱模擬等資料,地質(zhì)研究與實驗分析相結(jié)合,對烴源巖生烴能力及演化特征進(jìn)行研究,揭示不同沉積環(huán)境(巖性)烴源巖生烴機(jī)制及不同構(gòu)造單元烴源巖供烴差異性,厘定高效供烴區(qū),以期指導(dǎo)該區(qū)的油氣勘探。

圖1 準(zhǔn)噶爾盆地構(gòu)造單元劃分

1 烴源巖發(fā)育特征

1.1 沉積古地理特征

早石炭世,準(zhǔn)噶爾盆地東北緣處于多島弧盆系演化階段,克拉美麗洋俯沖碰撞閉合造成深部巖漿上涌,形成石英灘、三個泉、克拉美麗、滴北等一系列火山島弧[5,20],同時伴生石西、石北和滴水泉等多個弧間凹陷。其中,近島弧區(qū)主要為火山巖和扇三角洲粗碎屑沉積,向遠(yuǎn)島弧區(qū)逐漸過渡為深水細(xì)粒沉積,主要發(fā)育凝灰質(zhì)泥巖、泥巖、粉砂巖和凝灰?guī)r。該時期烏倫古坳陷處于弧后環(huán)境[8],受阿勒泰古陸和島弧雙物源影響,沉積充填呈規(guī)律性展布:北部扎河壩—恰庫爾特地區(qū)受陸源沉積體系的控制,發(fā)育扇三角洲粗碎屑巖沉積;中部索索泉凹陷深洼區(qū)(烏參1井區(qū))為深水環(huán)境,發(fā)育大套泥巖、凝灰質(zhì)泥巖;南部受三個泉、克拉美麗和滴北等島弧的影響,主要發(fā)育濱淺海相凝灰質(zhì)泥巖、泥巖、碳質(zhì)泥巖、凝灰質(zhì)砂巖夾火山巖沉積。

晚石炭世,達(dá)爾布特洋和北天山洋先后俯沖閉合消亡[6],準(zhǔn)噶爾盆地形成“南海北陸”的古地理格局[8]。巴什基爾期,東北緣進(jìn)入陸相伸展裂陷湖盆演化階段[8,21],巴塔瑪依內(nèi)山組以發(fā)育淺水湖沼相碳質(zhì)泥巖和劣質(zhì)煤為特點(diǎn);西北緣處于海陸過渡和濱淺海環(huán)境,發(fā)育泥巖和砂質(zhì)泥巖巖性組合;南緣處于博格達(dá)海相裂谷環(huán)境,發(fā)育深?！肷詈＜?xì)粒沉積[8]。莫斯科—卡西莫夫期,準(zhǔn)噶爾盆地大部分地區(qū)隆升成陸,由海相演變?yōu)殛懴喑练e環(huán)境。格舍爾期,準(zhǔn)東—吐哈地區(qū)發(fā)生小規(guī)模海侵,發(fā)育石錢灘組和六棵樹組濱淺海相沉積。

1.2 烴源巖特征

石炭紀(jì)海相、海陸過渡相和陸相沉積環(huán)境為烴源巖的發(fā)育創(chuàng)造了條件。準(zhǔn)東北緣野外露頭剖面及鉆井揭示,姜巴斯套組和巴塔瑪依內(nèi)山組為主要烴源巖發(fā)育層系;不同環(huán)境發(fā)育的烴源巖巖性組合不同,地球化學(xué)特征也存在一定差異(表1)。

表1 準(zhǔn)噶爾盆地東北緣石炭系不同環(huán)境烴源巖地化特征參數(shù)

1.2.1 弧后環(huán)境烴源巖

石炭紀(jì)維憲期,索索泉凹陷處于烏倫古弧后深水沉積區(qū),姜巴斯套組整體呈“粗—細(xì)—粗” 巖性組合特征,其中,姜巴斯套組二段沉積期火山活動明顯減弱,為烴源巖集中發(fā)育段[8,14-15]。南明水泉、倫6井北、恰庫爾特和扎河壩等剖面C1j均有出露,彩深1井、烏參1井鉆揭烴源巖視厚度400～1 400 m,主要巖性為泥巖、凝灰質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖,其中,泥巖占比58.2%,凝灰質(zhì)泥巖占比32.4%;深水區(qū)發(fā)育細(xì)粒泥巖和凝灰質(zhì)泥巖,向邊緣部位砂質(zhì)含量增加,砂質(zhì)泥巖占比增大。相對而言,烏參1井深水區(qū)C1j烴源巖有機(jī)質(zhì)類型相對較好,顯微組分以腐泥組、殼質(zhì)組占優(yōu)勢,鏡質(zhì)組和惰質(zhì)組含量相對較低;有機(jī)碳(TOC)含量平均為0.71%～0.91%,生烴潛量(S1+S2)平均為0.45～0.58 mg/g,氯仿瀝青“A”含量平均為0.034%～0.090%,實測有機(jī)質(zhì)豐度數(shù)值偏小主要是由于高熱演化所致(表1)。泥巖和凝灰質(zhì)泥巖樣品飽和烴氣相色譜均表現(xiàn)為明顯的植烷優(yōu)勢,Pr/Ph比值為0.41～0.95,平均值為0.56;C19、C20、C21、C23三環(huán)二萜烷中C23相對含量最高,呈上升型分布,C24四環(huán)萜烷含量較低,五環(huán)三萜烷烴類化合物中伽馬蠟烷含量較高,伽馬蠟烷/C30藿烷比值為0.21～0.35,平均值為0.28;甾烷系列化合物中ααα20R-C27規(guī)則甾烷相對含量略高于ααα20R-C29,ααα20R-C27、C28、C29規(guī)則甾烷呈“V”形分布(圖2a);芳烴化合物中硫芴系列化合物含量豐富,為50.7%～83.9 %,平均值為75.6 %,氧芴系列化合物含量較低,為7.6%～16.7 %,平均值為12.8 %。從干酪根碳同位素特征來看,準(zhǔn)東北緣石炭系烴源巖碳同位素均較重[8],相對而言,弧后環(huán)境的烴源巖碳同位素δ13C值最輕,干酪根碳同位素δ13C平均值為-25.2‰,單體烴正構(gòu)烷烴(nC14—nC31)碳同位素δ13C值為-28.33‰～-33.77‰,隨著正構(gòu)烷烴碳數(shù)的增加,碳同位素δ13C值逐漸變輕,呈上升“翹尾”型分布[8]。上述地化特征表明,弧后環(huán)境C1j烴源巖為咸水—半咸水、強(qiáng)還原環(huán)境沉水植物和漂浮水生植物來源,并混有一定量藻類貢獻(xiàn),為偏腐泥型烴源巖,具有較好的生烴能力。

圖2 準(zhǔn)噶爾盆地東北緣石炭系典型烴源巖生物標(biāo)志化合物譜圖

1.2.2 弧間環(huán)境烴源巖

姜巴斯套組沉積期,石北、滴水泉和五彩灣等弧間凹陷在火山噴發(fā)間歇期和火山機(jī)構(gòu)側(cè)翼發(fā)育一定厚度的烴源巖,平面上受火山島弧的分隔呈條帶狀分布,垂向上與火山巖呈“三明治”夾層式分布。滴水泉剖面烴源巖厚度達(dá)300余m[12],陸南1、美13、滴西17、準(zhǔn)北6等井鉆揭烴源巖厚度為10～792 m。該類型烴源巖受火山活動影響明顯,以發(fā)育富火山物質(zhì)的凝灰質(zhì)泥巖為特色。譬如準(zhǔn)北6井烴源巖中凝灰質(zhì)泥巖占比達(dá)95.3%,泥巖和碳質(zhì)泥巖占比不足5%。火山灰在水體中釋放的大量營養(yǎng)元素和微量元素可促使藻類和細(xì)菌繁盛,可大大提高沉積水體的古生產(chǎn)力;同時火山灰對沉積有機(jī)質(zhì)具有明顯的富集效應(yīng),也有利于提高有機(jī)質(zhì)豐度[21,23-25]。因此,弧間環(huán)境發(fā)育的凝灰質(zhì)泥巖具有相對較高的有機(jī)質(zhì)豐度、生烴潛量及氯仿瀝青“A”含量,其TOC含量平均為2.86%,S1+S2含量平均為2.43 mg/g,氯仿瀝青“A”含量平均為0.071%(表1)。

弧間環(huán)境凝灰質(zhì)泥巖母源中陸源有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)較弧后深水環(huán)境泥巖明顯增大,有機(jī)質(zhì)類型以Ⅲ型為主,有機(jī)質(zhì)顯微組分、生物標(biāo)志化合物及碳同位素等指標(biāo)均有所反映:有機(jī)顯微組分以鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組為主,碎屑?xì)べ|(zhì)體、熒光質(zhì)體和礦物瀝青質(zhì)等零散分布;飽和烴氣相色譜Pr/Ph比值為0.77～1.64,平均值為1.09,反映弱氧化—弱還原沉積環(huán)境特點(diǎn);萜烷類化合物中三環(huán)二萜烷相對含量C21>C23>C20>C19,呈平臺型分布,五環(huán)三萜烷烴類化合物中伽馬蠟烷含量較高,伽馬蠟烷/C30藿烷比值為0.14～0.35,平均值為0.25,表明烴源巖形成于半咸水環(huán)境;ααα20-RC29規(guī)則甾烷相對含量略高于ααα20R-C27,ααα20R-C27、C28、C29規(guī)則甾烷呈不對稱“V”形分布(圖2b);干酪根碳同位素δ13C值中等,為-22.0‰～-27.5‰,平均值為-23.6‰?；￠g環(huán)境發(fā)育的碳質(zhì)泥巖實測有機(jī)質(zhì)豐度、生烴潛量和氯仿瀝青“A”含量相對較高,同時,其生物標(biāo)志化合物特征與凝灰質(zhì)泥巖存在一定差異,其形成的沉積環(huán)境氧化性明顯增強(qiáng),Pr/Ph平均值為2.09,同時水體鹽度明顯淡化,伽馬蠟烷/C30藿烷比值為0.14～0.35,平均值為0.19,有機(jī)質(zhì)組成中陸源高等植物貢獻(xiàn)率也有一定增大趨勢,C19、C20、C21、C23三環(huán)二萜烷中C20相對含量最高,含有一定量的倍半萜和二萜類化合物,具有明顯的扁枝烷和升補(bǔ)身烷優(yōu)勢,8β(H)-補(bǔ)身烷/8β(H)-升補(bǔ)身烷值為0.26～0.39,反映出裸子植物生源貢獻(xiàn)特征[22]。

1.2.3 陸相裂陷湖盆環(huán)境烴源巖

巴塔瑪依內(nèi)山組沉積期,準(zhǔn)東北緣處于陸相裂陷沉積環(huán)境,沿深大斷裂發(fā)生中心式或裂隙式火山噴發(fā),在火山機(jī)構(gòu)側(cè)翼或火山機(jī)構(gòu)圍限區(qū)域形成小型湖盆沉積[26];烴源巖與火山巖共生,厚度較薄,橫向變化快。受晚海西期構(gòu)造運(yùn)動的影響,目前巴塔瑪依內(nèi)山組主要?dú)埩粼诎枷輩^(qū)或向斜部位,烴源巖厚度及規(guī)模均小于姜巴斯套組,石北、滴水泉和五彩灣凹陷厚度為100～200 m。彩深1、準(zhǔn)北3等井和白堿溝、帳篷溝等露頭剖面C2b烴源巖主要巖性為碳質(zhì)泥巖和凝灰質(zhì)泥巖,夾煤線或薄煤層,碳質(zhì)泥巖相對發(fā)育[27],例如準(zhǔn)北3井巴塔瑪依內(nèi)山組鉆揭的烴源巖中碳質(zhì)泥巖占比可達(dá)40%。有機(jī)地化指標(biāo)指示,C2b碳質(zhì)泥巖形成于淺水、淡水—微咸水、氧化沉積環(huán)境,具有高有機(jī)質(zhì)豐度特點(diǎn),TOC含量平均為14.74%,S1+S2平均為24.96mg/g,氯仿瀝青“A”含量平均為0.223%(表1)。

與弧后和弧間環(huán)境烴源巖相比,C2b碳質(zhì)泥巖以陸源高等植物輸入為主,有機(jī)顯微組分中殼質(zhì)組含量平均值為35.5%,鏡質(zhì)組含量平均值為69.7%,有機(jī)質(zhì)類型為Ⅲ型;飽和烴氣相色譜具有明顯的姥鮫烷優(yōu)勢,Pr/Ph比值為1.81～5.42,平均值為2.63;萜烷系列化合物中伽馬蠟烷含量較低,伽馬蠟烷/C30藿烷比值為0.02～0.15,平均值為0.08,C19、C20、C21、C23三環(huán)二萜烷中以C19或C21為主峰,呈下降型或山峰型分布,C24四環(huán)萜烷含量豐富,C24四環(huán)萜烷/(C24四環(huán)萜烷+C26三環(huán)萜烷)比值為0.81～0.91,平均值為0.87;規(guī)則甾烷相對含量ααα20R-C29>ααα20R-C27>ααα20R-C28,呈反“L”形分布(圖2c);芳烴化合物中氧芴系列化合物含量豐富,為64.1%～74.2 %,平均值為69.1 %,硫芴系列化合物含量較低,平均值為9.7 %。相對于石炭系其他巖性烴源巖,湖沼環(huán)境碳質(zhì)泥巖碳同位素δ13C值最重,干酪根碳同位素δ13C值為-22.9‰～-24.7‰,平均值為-23.7‰,單體正構(gòu)烷烴(nC12-nC33)碳同位素δ13C值為-24.86‰～-28.00‰,隨著正構(gòu)烷烴碳數(shù)的增加,單體烴碳同位素值呈現(xiàn)先變輕后變重的特點(diǎn),呈“S”形分布[8]。C2b凝灰質(zhì)泥巖形成于還原、半咸水沉積環(huán)境,Pr/Ph比值平均為0.97,伽馬蠟烷/C30藿烷比值為0.13～0.29,平均值為0.20,推測水體鹽度升高與水體蒸發(fā)量變大、或與火山礦物質(zhì)混入有關(guān)[23-25];C19、C20、C21、C23三環(huán)二萜烷中以C23為主峰,呈上升型分布,C24四環(huán)萜烷含量較碳質(zhì)泥巖明顯降低,規(guī)則甾烷相對含量ααα20R-C27>ααα20RC29>ααα20R-C28,呈不對稱“V”形分布(圖2d),反映出烴源巖母源中低等水生生物貢獻(xiàn)占比增大,推測與火山影響特殊的微生物母源有關(guān)。整體而言,巴塔瑪依內(nèi)山組發(fā)育的凝灰質(zhì)泥巖烴源巖品質(zhì)優(yōu)于碳質(zhì)泥巖。

2 烴源巖生烴演化特征

2.1 烴源巖生烴熱模擬

油氣的生成是烴源巖中干酪根在特定的地質(zhì)條件下(溫度、時間、壓力等)發(fā)生復(fù)雜化學(xué)變化,自身結(jié)構(gòu)不斷趨向穩(wěn)定的過程,該過程遵循化學(xué)動力學(xué)原理[28]。依據(jù)時溫補(bǔ)償關(guān)系,在實驗室內(nèi)通過控制模擬實驗裝置的溫度和壓力條件,可將地質(zhì)過程中低溫條件下緩慢生烴演化過程轉(zhuǎn)變?yōu)楦邷馗邏簵l件下快速演化過程[29],從而獲取烴源巖生烴演化的相關(guān)參數(shù)。烴源巖生烴熱模擬實驗被廣泛應(yīng)用于油氣生成演化模式及資源潛力評價研究。黃金管高壓釜熱模擬實驗可以準(zhǔn)確地獲得不同升溫速率下有機(jī)質(zhì)的生烴量、轉(zhuǎn)化率及生烴動力學(xué)參數(shù),因此在烴源巖定量評價中得到廣泛應(yīng)用。

2.1.1 樣品與實驗方法

選取C1j泥巖、凝灰質(zhì)泥巖和C2b碳質(zhì)泥巖為實驗樣品(表2),通過模擬實驗,揭示弧后、弧間和陸相裂陷環(huán)境發(fā)育的泥巖、凝灰質(zhì)泥巖和碳質(zhì)泥巖生烴演化特征及差異。

表2 準(zhǔn)噶爾盆地東北緣石炭系模擬實驗烴源巖樣品基本地化特征參數(shù)

本次實驗在中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所有機(jī)地球化學(xué)國家重點(diǎn)實驗室進(jìn)行,采用黃金管高壓釜封閉體系對烴源巖樣品進(jìn)行生烴熱模擬,具體流程為:①樣品粉碎,研磨至80目并進(jìn)行索氏抽提;②將粉末樣品在氬氣環(huán)境下封入金管并焊封,然后放置于高壓釜內(nèi),壓力設(shè)置為 50 MPa,模擬初始溫度為300 ℃,升溫速率分別為20 ℃/h 和2 ℃/h,每組樣品設(shè)12個溫度點(diǎn),最終模擬溫度為600 ℃,模擬實驗過程中控制溫差小于1 ℃,壓力波動小于1 MPa;③加熱結(jié)束后,從高壓釜中取出金管分別進(jìn)行氣態(tài)烴和液態(tài)烴含量測量,具體流程方法見參考文獻(xiàn)[30];④采用美國Lawrence Livemore 國家實驗室開發(fā)的KINETICS 2015專業(yè)軟件確定有機(jī)質(zhì)熱演化Ro值,計算樣品活化能和指前因子(A)等動力學(xué)參數(shù)。

2.1.2 烴源巖生烴動力學(xué)特征

模擬實驗表明,準(zhǔn)東北緣石炭系不同巖性的烴源巖活化能分布特征存在明顯差異(圖3)。凝灰質(zhì)泥巖生烴活化能分布分散,其中,弧間環(huán)境的準(zhǔn)北6井、滴水泉剖面凝灰質(zhì)泥巖生烴活化能分布范圍最寬,為160～380 kJ/mol,且呈雙峰型,主峰分別為230～275 kJ/mol和285～370 kJ/mol;弧后環(huán)境滴北1井凝灰質(zhì)泥巖樣品呈單峰型,生烴活化能主峰值(255～265 kJ/mol)也有一定程度的升高,反映烴源巖母質(zhì)中陸源高等植物貢獻(xiàn)比例增大。碳質(zhì)泥巖的生烴活化能分布較為分散,為160～310 kJ/mol,主峰為225～265 kJ/mol。相對而言,弧后深水環(huán)境泥巖樣品生烴活化能最低,且分布最為集中,為195～275 kJ/mol,呈單峰型,主峰為220～250 kJ/mol。干酪根不同顯微組分的化學(xué)結(jié)構(gòu)不同,決定其生烴活化能高低不同。一般而言,低等水生生物母質(zhì)的生烴活化能相對較低,陸源高等植物母質(zhì)的生烴活化能相對較高,腐泥組、鏡質(zhì)組、殼質(zhì)組和惰質(zhì)組生烴活化能依次升高[31]。因此,烴源巖生烴活化能分布特征受有機(jī)顯微組分構(gòu)成的控制。弧間環(huán)境受陸源輸入和火山活動影響的凝灰質(zhì)泥巖顯微組分以鏡質(zhì)體為主,其次為殼質(zhì)碎屑體、絲質(zhì)體、固體瀝青、角質(zhì)體等,因此,其活化能分布最分散。淺水氧化環(huán)境碳質(zhì)泥巖顯微組分以鏡質(zhì)體為主,其次為絲質(zhì)體、殼質(zhì)碎屑體,少量孢子體等,其活化能分布較分散。弧后深水咸化還原環(huán)境泥巖顯微組分以腐泥組為主,少量鏡質(zhì)組和殼質(zhì)組,活化能最低,且分布最集中。

圖3 準(zhǔn)噶爾盆地東北緣石炭系烴源巖生烴活化能直方圖

2.1.3 烴源巖烴產(chǎn)率特征

(1)液態(tài)烴產(chǎn)率特征。熱模擬實驗表明,同一烴源巖樣品在不同升溫速率下達(dá)到相同溫度時,低升溫速率時的生烴轉(zhuǎn)化率高于高升溫速率時的轉(zhuǎn)化率,反映出化學(xué)反應(yīng)時間和溫度之間的互補(bǔ)關(guān)系,并且泥巖、碳質(zhì)泥巖和凝灰質(zhì)泥巖的烴源巖液態(tài)烴產(chǎn)率均呈現(xiàn)隨熱演化程度的升高,先增加后降低的趨勢。不同巖性烴源巖的生烴門限對應(yīng)熱演化程度相差不大,Ro一般為0.5%～0.6%,但其生油高峰對應(yīng)Ro值及產(chǎn)油率存在明顯差異(圖4)。相對而言,泥巖的生油高峰對應(yīng)熱演化程度最低,Ro為1.0%時達(dá)到液態(tài)產(chǎn)烴率峰值,為145.95 mg/g;凝灰質(zhì)泥巖生油高峰對應(yīng)熱演化程度較高,Ro達(dá)到1.2%以上才達(dá)到液態(tài)烴產(chǎn)率峰值,一般在50 mg/g以上,處于弧后淺水區(qū)的滴北1井凝灰質(zhì)泥巖樣品生烴能力較小,峰值產(chǎn)油率僅為27.74 mg/g;碳質(zhì)泥巖生油高峰對應(yīng)熱演化程度介于泥巖和凝灰質(zhì)泥巖之間,Ro為1.15%時達(dá)到液態(tài)烴產(chǎn)率高峰,為71.58 mg/g。

圖4 準(zhǔn)噶爾盆地東北緣石炭系烴源巖熱模擬液態(tài)烴產(chǎn)率

(2)氣態(tài)烴產(chǎn)率特征。熱模擬實驗結(jié)果表明,泥巖、碳質(zhì)泥巖和凝灰質(zhì)泥巖烴源巖的氣體產(chǎn)物均以烴類氣體為主,甲烷產(chǎn)率隨模擬溫度的升高而增大,重?zé)N產(chǎn)率隨模擬溫度的升高先增大后降低。在氣態(tài)烴生成早期(Ro為1.0%～1.3%),烴類氣體中重?zé)N所占的比例較大,在氣態(tài)烴生成中后期(Ro為2.0%～2.6%),部分液態(tài)烴在較高溫度和壓力條件下發(fā)生裂解轉(zhuǎn)變?yōu)橹責(zé)N;隨著模擬溫度的進(jìn)一步升高,重?zé)N進(jìn)一步裂解形成甲烷,甲烷的體積占比迅速由85%升至95%以上。對比分析,泥巖的氣態(tài)烴產(chǎn)率最大,其次為凝灰質(zhì)泥巖和碳質(zhì)泥巖(圖5)。烏參1井泥巖樣品Ro為1.3%～2.3%時為主要產(chǎn)氣階段,Ro為2.3%時氣態(tài)烴產(chǎn)率為258.31 mg/g ,最大氣態(tài)烴產(chǎn)率為277.93 mg/g,表明泥巖達(dá)到過成熟演化階段生烴能力較為有限,過成熟階段的產(chǎn)烴量不足總產(chǎn)烴量的10%。準(zhǔn)北3井碳質(zhì)泥巖樣品Ro為1.1%～2.5%時為主要產(chǎn)氣階段,Ro為2.5%時氣態(tài)烴產(chǎn)率為158.35 mg/g,過成熟階段的產(chǎn)烴量占總產(chǎn)烴量的20%左右。凝灰質(zhì)泥巖樣品Ro為1.5%～3.0%時為主要產(chǎn)氣階段,Ro為3.0%時氣態(tài)烴產(chǎn)率為100 mg/g以上,表明其達(dá)到過成熟演化階段仍具有較強(qiáng)的生烴能力,該階段的產(chǎn)烴量可占總產(chǎn)烴量的30%左右。

圖5 準(zhǔn)噶爾盆地東北緣石炭系烴源巖氣態(tài)產(chǎn)烴率

2.1.4 烴源巖生烴窗特征

一般認(rèn)為,當(dāng)烴源巖生烴轉(zhuǎn)化率達(dá)到10%時,有效烴開始生成;當(dāng)轉(zhuǎn)化率大于20%時,開始進(jìn)入主要生烴期;當(dāng)轉(zhuǎn)化率大于90%時,有效生烴周期結(jié)束。準(zhǔn)東北緣石炭系不同巖性烴源巖顯微組分生烴動力學(xué)存在差異,造成其生烴轉(zhuǎn)化率明顯不同。泥巖樣品,當(dāng)Ro為0.7%時生烴轉(zhuǎn)化率即可達(dá)到20%,當(dāng)Ro為2.0%時生烴轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%,主要生烴Ro區(qū)間為0.8%～1.7%。碳質(zhì)泥巖樣品,當(dāng)Ro為0.8%時生烴轉(zhuǎn)化率達(dá)到20%,當(dāng)Ro為2.4%時生烴轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%,主要生烴Ro區(qū)間介于0.9%～2.0%。凝灰質(zhì)泥巖樣品,當(dāng)Ro為1.1%時生烴轉(zhuǎn)化率達(dá)到20%,當(dāng)Ro為3.5%時生烴轉(zhuǎn)化率達(dá)到90%,主要生烴Ro區(qū)間為1.2%～2.6%。

研究認(rèn)為,烴源巖生烴母質(zhì)活化能分布對其生烴特征具有明顯的控制作用,表現(xiàn)為不同巖性的烴源巖生烴窗及生烴演化特征具有一定差異(圖6)。相對而言,泥巖的生烴門限最早,具有在相對較低成熟演化階段(Ro為0.6%～1.5%)快速生烴的特點(diǎn),主要生烴窗窄;凝灰質(zhì)泥巖的生烴門限最晚,生烴窗最寬(Ro為0.7%～2.6%),呈持續(xù)緩慢生烴的特點(diǎn)。碳質(zhì)泥巖生烴門限與泥巖相當(dāng),生烴窗寬度介于泥巖和凝灰質(zhì)泥巖之間,但在較低熱演化階段(Ro為0.5%～0.9%)時生烴緩慢,當(dāng)Ro大于0.9%之后產(chǎn)烴率快速增加;在Ro達(dá)到1.4%之前,碳質(zhì)泥巖的氣態(tài)烴產(chǎn)率要高于凝灰質(zhì)泥巖,Ro大于1.4%之后,其氣態(tài)烴產(chǎn)率低于凝灰質(zhì)泥巖,具有較高演化階段(Ro為0.9%～1.75%)快速生烴的特點(diǎn)。

圖6 準(zhǔn)噶爾盆地東北緣石炭系烴源巖熱模擬產(chǎn)烴率

2.2 烴源巖供烴特征

2.2.1 烴源巖生烴演化模式

晚古生代以來,準(zhǔn)噶爾盆地經(jīng)歷海西期、印支期、燕山期和喜馬拉雅期構(gòu)造運(yùn)動,不同區(qū)帶的石炭系烴源巖熱演化程度迥異[32],從低成熟、成熟到高成熟,甚至過成熟均有分布。盆緣造山帶和腹部深洼區(qū)熱演化程度最高,Ro在3.0%以上,達(dá)到過成熟演化階段;陸梁隆起帶滴水泉、石北等殘留凹陷區(qū)熱演化程度較高,Ro為1.0%～2.5%,處于成熟—高成熟演化階段;石英灘、滴北等繼承型凸起區(qū)熱演化程度較低,滴北1、泉5等井Ro僅為0.6%～0.7%,處于低成熟演化階段。根據(jù)沉積充填和構(gòu)造改造耦合演化特點(diǎn),可將準(zhǔn)東北緣石炭系烴源巖劃分出4種埋藏生烴演化模式。

(1)早期高成熟—二次生烴演化模式,以索索泉凹陷深洼區(qū)烏參1井C1j烴源巖為代表(圖7a)。烏倫古地區(qū)早石炭世處于弧后環(huán)境,區(qū)域上發(fā)育了厚層的C1j烴源巖。早石炭世末期受構(gòu)造運(yùn)動的影響,C1j遭受一定程度的剝蝕,之后沉降接受C2b沉積。晚石炭世C1j烴源巖主體達(dá)到成熟—高成熟演化階段。晚海西期構(gòu)造運(yùn)動造成C2b幾乎剝蝕殆盡,僅在局部殘留,C1j也遭受不同程度的剝蝕,累計剝蝕量達(dá)1 500～2 000 m,烴源巖生烴停滯。區(qū)域沉積環(huán)境分析,中晚二疊世再次沉降接受沉積,但海西晚期構(gòu)造運(yùn)動造成烏倫古地區(qū)該時期沉積的地層剝蝕殆盡。經(jīng)歷較長時期的抬升剝蝕,直至晚三疊世,烏倫古地區(qū)再次沉降廣泛接受沉積,相繼發(fā)育了上三疊統(tǒng)白堿灘組、侏羅系和白堊系,C1j烴源巖持續(xù)深埋,晚白堊世其頂面埋深達(dá)到3 500～4 000 m,該時期補(bǔ)償了晚海西期構(gòu)造剝蝕的影響,達(dá)到二次生烴條件。晚白堊世以來,C1j烴源巖熱演化程度進(jìn)一步增大,目前主體烴源巖處于過成熟演化階段,Ro可達(dá)2.5%以上。

圖7 準(zhǔn)噶爾盆地東北緣石炭系烴源巖埋藏生烴史

(2)早期成熟—一次生烴演化模式,以索索泉凹陷斜坡區(qū)滴北1井C1j烴源巖為代表(圖7b)。晚石炭世C1j埋深在3 000～3 500 m左右,達(dá)到成熟演化階段。晚海西期構(gòu)造運(yùn)動造成洼陷斜坡區(qū)石炭系遭受強(qiáng)烈剝蝕,剝蝕量可達(dá)2 500 m,C1j烴源巖生烴停滯。雖然晚三疊世以來整體持續(xù)沉降,沉積了上三疊統(tǒng)白堿灘組、侏羅系、白堊系、古近系和第四系,但由于古熱流值和古地溫場的降低[33-34],后期沉積的地層未補(bǔ)償海西期構(gòu)造抬升剝蝕的影響,未達(dá)到二次生烴條件。自二疊紀(jì)以來C1j烴源巖長期處于生烴停滯狀態(tài),現(xiàn)今Ro為0.8%左右。

(3)早期成熟—二次生烴演化模式,以陸梁隆起帶石北凹陷準(zhǔn)北3、準(zhǔn)北6井C1j烴源巖為代表(圖7c,d)。晚石炭世C1j烴源巖埋深在3 000 m左右,Ro為0.8%左右,達(dá)到成熟演化階段;C2b烴源巖埋深為1 800 m左右,處于未成熟演化階段。晚海西期構(gòu)造運(yùn)動造成石炭系遭受不同程度的剝蝕,石北凹陷西部構(gòu)造抬升相對較弱,C2b剝蝕厚度在500 m左右,石北凹陷東部和滴北等凸起區(qū)強(qiáng)烈剝蝕,如準(zhǔn)北6井區(qū)C2b剝蝕殆盡。后期雖然經(jīng)歷多期抬升剝蝕,但C1j烴源巖埋深整體持續(xù)增大,至早白堊世上覆地層累計厚度達(dá)4 000 m以上,C1j烴源巖Ro超過0.8%開始二次生烴,現(xiàn)今達(dá)到高成熟演化階段;C2b烴源巖Ro為1.0%左右,達(dá)到成熟演化階段。

(4)早期低成熟—一次生烴演化模式,以滴北等繼承型凸起區(qū)泉5井C1j烴源巖為代表(圖7e)。該區(qū)帶處于島弧側(cè)翼弧后較淺水沉積區(qū),早石炭世C1j烴源巖埋深一般在2 500 m左右,處于未成熟—低成熟演化階段。早石炭世末期構(gòu)造抬升形成滴北等凸起雛形,C1j遭受1 500 m左右的剝蝕,烴源巖生烴停滯。自晚石炭世—三疊紀(jì)滴北凸起震蕩演化,侏羅紀(jì)開始逐漸隱伏。侏羅紀(jì)以來,雖然C1j烴源巖埋深逐漸增大,但后期沉積未補(bǔ)償?shù)販貓鼋档妥饔玫挠绊?現(xiàn)今仍處于低成熟演化階段。

2.2.2 烴源巖供烴模式

受烴源巖有機(jī)質(zhì)顯微組分生烴活化能差異、構(gòu)造—沉積作用及地質(zhì)歷史時期地溫場演化耦合控制,準(zhǔn)東北緣石炭系溝弧盆環(huán)境烴源巖具有生烴機(jī)制和生烴演化過程雙復(fù)雜的特點(diǎn)。根據(jù)不同類型烴源巖生烴能力、生烴演化過程及供烴特征,可劃分為6種供烴模式(圖8)。

圖8 準(zhǔn)噶爾盆地東北緣石炭系不同類型烴源巖 供烴模式地質(zhì)時期相對供烴能力演化過程示意

(1)高效生烴—低散失—高效供烴模式,以盆地腹部東道海子持續(xù)埋藏型凹陷區(qū)C1j、C2b烴源巖為代表。該區(qū)域石炭系烴源巖雖然經(jīng)歷海西期以來多期構(gòu)造運(yùn)動的抬升剝蝕,發(fā)生短暫的生烴停滯,但地質(zhì)歷史時期表現(xiàn)為持續(xù)沉降特征,后期的沉積充填均補(bǔ)償了前期的構(gòu)造抬升剝蝕影響,保存條件較好,構(gòu)造作用造成的油氣散失量小。該區(qū)帶烴源巖二疊紀(jì)—侏羅紀(jì)持續(xù)高效生烴、高效供烴,白堊紀(jì)達(dá)到過成熟演化階段,目前埋深達(dá)8 000 m以深,生烴能力接近枯竭。該領(lǐng)域為尋找規(guī)模天然氣藏的重要后備勘探陣地。

(2)高效生烴—較高散失—較高效供烴模式,以索索泉凹陷深洼區(qū)C1j烴源巖為代表。該區(qū)域廣泛發(fā)育弧后較深水—深水、強(qiáng)還原、半咸水—咸水環(huán)境的泥巖和凝灰質(zhì)泥巖。在石炭紀(jì)快速沉降背景下,C1j主體烴源巖快速深埋達(dá)到成熟—高成熟演化階段大量生烴。晚海西期構(gòu)造抬升剝蝕造成C1j烴源巖長期生烴停滯(Ro為1.3%左右)和早期生成油氣的散失;侏羅紀(jì)和白堊紀(jì)的巨厚沉積使得C1j烴源巖再次深埋二次生烴。從上文烴源巖生烴演化模擬可知,雖然泥巖在高—過成熟演化階段的二次生烴量有限,在Ro為1.3%～2.0%熱演化區(qū)間生烴量為40 mg/g,占總生烴量(250 mg/g)的15%左右;但該區(qū)域廣泛發(fā)育的凝灰質(zhì)泥巖在高—過成熟演化階段仍然具有較強(qiáng)的生烴能力,在Ro為1.3%～2.0%熱演化區(qū)間的二次生烴量可達(dá)到50～60 mg/g,占總生烴量(150～170 mg/g)的35%左右,仍可以形成較大規(guī)模的油氣聚集。索索泉凹陷深洼區(qū)C1j烴源巖具有“早高—晚過”二次供烴特點(diǎn),因此,該區(qū)域是尋找早期原生型頁巖(致密)氣和后期高成熟天然氣藏的有利靶區(qū)。

(3)較高效生烴—低散失—較高效供烴模式,以陸梁隆起帶石北、滴水泉等凹陷C1j烴源巖為代表。該區(qū)帶C1j沉積期處于淺水—較深水、弱氧化—弱還原、微咸—半咸水弧間環(huán)境,烴源巖巖性以凝灰質(zhì)泥巖為主。烴源巖生烴母質(zhì)以高等植物和低等水生生物混源為特征,有機(jī)顯微組分構(gòu)成復(fù)雜,活化能分布分散,具有持續(xù)緩慢生烴特點(diǎn)。雖然C1j烴源巖晚石炭世發(fā)生過生烴,但該時期主體烴源巖處于低成熟演化階段,尚未大規(guī)模生烴。該階段生烴量占總生烴量的比例小于30%,晚海西期構(gòu)造運(yùn)動造成的油氣散失影響較小。雖然該區(qū)帶C1j凝灰質(zhì)泥巖生烴能力不及深洼區(qū)泥巖,但由于其以白堊紀(jì)晚期生烴為主,且后期保存條件好,因此,相對有效供烴量大,在有利部位可形成大規(guī)模的油氣聚集。石北、滴水泉等晚期深埋型凹陷C1j烴源巖具有“早低—晚高”二次供烴特點(diǎn),具有相對較高供烴能力,為有利勘探靶區(qū)。

(4)較高效生烴—高散失—低效供烴模式,以索索泉凹陷斜坡區(qū)C1j烴源巖為代表。該區(qū)域C1j烴源巖巖性組合與深洼區(qū)相似,靠近克拉美麗島弧區(qū)凝灰質(zhì)泥巖占比有所增加,因此具有較高效生烴能力。C1j烴源巖在晚石炭世即達(dá)到高—過成熟演化階段,大規(guī)模生烴,該階段生烴量占比可達(dá)60%以上。晚海西期構(gòu)造運(yùn)動使得先期形成的油氣藏遭受一定程度的調(diào)整或破壞,甚至油氣散失殆盡?！昂笫考o(jì)”古地溫場降溫與侏羅紀(jì)、白堊紀(jì)沉積厚度相對較小,未補(bǔ)償海西期構(gòu)造作用的影響,致使C1j烴源巖自二疊紀(jì)以來一直處于生烴停滯狀態(tài),未經(jīng)歷二次生烴過程,表現(xiàn)為“早高—晚滯”一次供烴特點(diǎn)。雖然C1j烴源巖早期生烴能力較強(qiáng),但由于“中途”構(gòu)造作用導(dǎo)致油氣強(qiáng)烈散失,且缺少后期的生烴補(bǔ)給,目前有效供烴量有限。因此,C1j源內(nèi)早期原生型頁巖(致密)氣是該區(qū)域重要的勘探目標(biāo)。

(5)低效生烴—高散失—低效供烴模式,以石英灘、滴北等繼承型凸起區(qū)C1j烴源巖為代表。該區(qū)帶C1j烴源巖在晚石炭世達(dá)到低熟演化階段,受凸起繼承性發(fā)育及古地溫場降溫作用控制,烴源巖長期處于淺埋生烴停滯狀態(tài),表現(xiàn)為“早低—晚滯”一次供烴、低效生烴、低效供烴特點(diǎn)。

(6)低效生烴—低散失—低效供烴模式,以陸梁隆起帶石北、滴水泉等凹陷區(qū)C2b組烴源巖為代表。該區(qū)域C2b沉積期處于淺水、氧化、淡水—微咸水湖沼環(huán)境,碳質(zhì)泥巖烴源巖發(fā)育,生烴母質(zhì)以高等植物來源為主,其生烴活化能分布較為分散,介于泥巖和凝灰質(zhì)泥巖之間,具有達(dá)到較高演化階段(Ro>1.2%)高效生烴的特點(diǎn)。如石北凹陷石炭紀(jì)末期C2b烴源巖處于未熟—低熟演化階段,晚海西期構(gòu)造運(yùn)動造成的油氣散失量可以忽略。后期接受沉積,烴源巖埋深持續(xù)增大,但目前熱演化程度仍然較低(Ro為0.8%～1.1%),未達(dá)到大規(guī)模生烴期,表現(xiàn)為低效生烴、低效供烴特點(diǎn),為輔助烴源巖,在有利圈閉可能形成小規(guī)模的油氣聚集。

3 石油地質(zhì)意義及勘探前景

準(zhǔn)東北緣石炭系溝弧盆環(huán)境烴源巖受自身生烴母質(zhì)活化能差異與外界古地溫場、構(gòu)造—沉積演化時空耦合控制,不同環(huán)境(巖性)烴源巖表現(xiàn)為不同的生烴能力,不同構(gòu)造單元經(jīng)歷不同的生烴演化及油氣散失過程。石北、滴水泉等凹陷區(qū)姜巴斯套組主要發(fā)育弧間(內(nèi))凝灰質(zhì)泥巖和少量泥巖和碳質(zhì)泥巖,凝灰質(zhì)泥巖持續(xù)緩慢生烴,泥巖相對早期快速生烴,碳質(zhì)泥巖居于兩者之間,不同巖性烴源巖在一定程度上形成“接力”生烴,使得該區(qū)帶具有較好的原始生烴條件。晚海西期,該套烴源巖處于低成熟—成熟演化階段,生烴量有限;晚白堊世二次生烴期達(dá)到高—過成熟演化階段,大規(guī)模生烴。凝灰質(zhì)泥巖的持續(xù)緩慢生烴、相對較高成熟期高效生烴機(jī)制,在一定程度上“對抗”了海西期構(gòu)造運(yùn)動造成的油氣散失,最大限度地保存了“后生力量”。雖然凝灰質(zhì)泥巖的絕對生烴量不如泥巖,但其二次生烴期生烴量大,晚期高效生烴更易于形成大規(guī)模的油氣聚集。因此,石北、滴水泉凹陷等晚期深埋二次生烴區(qū)的凝灰質(zhì)泥巖具有相對高效生烴、高效供烴特點(diǎn),是尋找大中型油氣田的有利勘探區(qū),如克拉美麗氣田、五彩灣氣田均屬于該類型,在勘探過程中應(yīng)引起重視(圖9)。索索泉凹陷深洼區(qū)和東道海子等持續(xù)深埋凹陷區(qū)石炭系烴源巖原始生烴能力大,分別表現(xiàn)為“早高—晚過”二次供烴和持續(xù)供烴模式,也是重要的勘探區(qū)。索索泉凹陷斜坡區(qū)姜巴斯套組烴源巖具有較強(qiáng)的生烴能力,但由于海西期即達(dá)到高成熟演化階段,該時期生成的大規(guī)模油氣遭受強(qiáng)烈的散失,而后期沉積充填未補(bǔ)償海西期構(gòu)造剝蝕影響,一直處于生烴停滯狀態(tài)。該區(qū)域烴源巖先天生烴條件優(yōu)越,但后天不足,烴源巖有效供烴量有限,勘探過程中需加強(qiáng)保存條件的研究,在有利保存單元尋找原生型勘探目標(biāo)。滴北等繼承型凸起區(qū)姜巴斯套組烴源巖海西期以來處于淺埋狀態(tài),由于熱演化程度低,原始生烴能力有限,疊加構(gòu)造散失因素,原生型油氣藏勘探價值不大,而其繼承性發(fā)育,處于油氣運(yùn)移的有利指向區(qū),“外來型”油氣藏具有一定的勘探價值。

圖9 準(zhǔn)噶爾盆地東北緣石炭系烴源巖供烴單元劃分

4 結(jié)論

(1)準(zhǔn)噶爾盆地東北緣石炭紀(jì)溝弧盆沉積環(huán)境發(fā)育多種類型的烴源巖,姜巴斯套組發(fā)育深水、半咸水—咸水、強(qiáng)還原弧后環(huán)境泥巖和弧間(內(nèi))環(huán)境富火山物質(zhì)的凝灰質(zhì)泥巖;巴塔瑪依內(nèi)山組發(fā)育淺水、淡水、氧化湖沼環(huán)境碳質(zhì)泥巖。

(2)不同巖性烴源巖生烴母質(zhì)構(gòu)成控制了其生烴演化的差異性,泥巖以低等水生生物來源為主,生烴母質(zhì)組分相對單一,生烴活化能相對較低、分布集中,呈現(xiàn)生烴窗窄、相對早期快速生烴演化特點(diǎn);凝灰質(zhì)泥巖為低等水生生物和高等植物混合來源,生烴活化能分布分散,表現(xiàn)為生烴窗寬、持續(xù)緩慢生烴特點(diǎn),過成熟演化階段仍具有較強(qiáng)供烴能力;巴塔瑪依內(nèi)山組碳質(zhì)泥巖以陸源高等植物貢獻(xiàn)為主,生烴活化能較高、分布較分散,具有生烴窗寬度居中、中高演化階段高效生烴特點(diǎn)。

(3)石炭系烴源巖自身生烴機(jī)制與外界地溫場及構(gòu)造—沉積演化耦合,不同區(qū)帶表現(xiàn)出不同的生烴與供烴特征,可劃分出6種供烴單元,即高效生烴—低散失—高效供烴單元、高效生烴—較高散失—較高效供烴單元、較高效生烴—低散失—較高效供烴單元、較高效生烴—高散失—低效供烴單元、低效生烴—高散失—低效供烴單元和低效生烴—低散失—低效供烴單元,其中,石北、滴水泉等凹陷屬較高效生烴—低散失—較高效供烴單元,索索泉凹陷深洼區(qū)屬高效生烴—較高散失—較高效供烴單元,為目前最有利的勘探區(qū)。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻(xiàn)/Authors’ Contributions

王圣柱、于洪洲、熊偉參與實驗設(shè)計;梅文科、白仲才、鮑軍完成實驗操作;王圣柱、熊崢嶸、梅文科參與論文寫作和修改。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The study was designed by WANG Shengzhu, YU Hongzhou and XIONG Wei. The experimental operation was completed by MEI Wenke, BAI Zhongcai and BAO Jun. The manuscript was drafted and revised by WANG Shengzhu, XIONG Zhengrong and MEI Wenke. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.