准噶尔盆地哈拉阿拉特山地区风城组烃源岩的发现及石油地质意义

张善文

(中国石化胜利油田分公司，山东东营257001)

图1 准噶尔盆地北缘哈山地区构造位置Fig.1 Tectonic location of Hala’alt area in the northern margin of Junggar Basin

准噶尔盆地为早海西期变形基底上发育的典型多旋回复合叠加盆地［1］。二叠系既是主要源岩层系，也是重要的勘探目的层［2－5］。准噶尔盆地西北缘是准噶盆地主要的油气聚集区之一，目前已发现克拉玛依、乌尔禾、风城、夏子街等多个以二叠系为源岩的油气田［2－4］。本次研究区位于准北缘哈拉阿拉特山地区(下文简称哈山地区)逆掩构造带，位于传统认识上的下二叠统烃源岩之外［2］(图1)，与以往已发现的乌夏含油气区带相比更靠近盆缘［6-7］，向盆地方向的逆冲推覆作用明显［5－7］，构造特征更为复杂，地震资料解释难度大，致使对该区的构造解释、地层沉积等基本地质认识程度低，给油气勘探提出了严峻挑战。自20世纪50年代开始，研究区相继部署完成了大量二维地震及多口探井，但中深层勘探一直未获突破。2009年以来，中石化胜利油田进一步加大了对该区的勘探工作，从基础地质研究入手，相继开展了区域构造背景、盆地结构属性及演化、地层沉积、烃源岩及油气成藏等方面的工作，并建立了哈山地区的构造地质解释模型。以此模型为指导，针对哈山推覆体中深层部署的哈浅6、哈山1井在下二叠统风城组揭示大套烃源岩，白垩系、侏罗系、二叠系和石炭系见到丰富的油气显示，八道湾组获得稠油工业油流，风城组云质岩试油获低产中质油流。上述勘探进展促使笔者对二叠系，尤其是下二叠统“成盆、成烃“方面的基础石油地质问题进行再思考，取得了几点粗浅认识，抛砖引玉，以期为该区乃至整个准西北缘二叠系的地质综合研究和加快油气勘探步伐提供借鉴。

1 主要勘探进展

1.1 逆掩带构造地质模型建立

研究中运用断层相关褶皱理论与方法，借鉴吸收前人关于该区的构造特征研究成果［5－8］，综合运用重、磁、电、震及钻井等资料，将地表构造、浅层构造与中深层构造有机结合，利用三维地震的多属性分析、水平切片、多尺度相干和三维立体解释等复杂断裂识别优势技术，在宏观地质结构框架约束下，采用地质模型正演、重震联合反演和平衡剖面恢复技术对模型合理性进行交互验证，建立了哈山逆掩构造带逆冲推覆叠加+后期走滑的构造解释模型，基本明确了研究区整体上具有“南北分带、上下分层、西强东弱”的构造地质特征。平面上自北向南划分为后翼走滑带、逆冲叠加变形带和前缘冲断带;自东向西构造变形程度逐渐增强，东部发育多期次高角度叠瓦冲断，造成三叠系、二叠系遭受不同程度的剥蚀，西部石炭系和下二叠统逆冲推覆叠加形成双重构造。剖面上划分为上、下两套地层结构，两者之间以大型的逆冲推覆断裂相分隔，下部地层主要为下二叠统，上部地层主要为石炭系。以F2双重叠加构造顶板滑脱断层、F3逆冲推覆断裂、F5逆推反冲断裂和达尔布特断裂为界，可细分为前缘超剥带、外来推覆系统和前缘冲断带、准原地叠加系统4个地质结构单元(图2)。

图2 准噶尔盆地北缘哈山地区山前带构造地质解释方案Fig.2 Structural geological interpretation scheme of the foothill belt in Hala’alt area，the northern margin of Junggar Basin

前缘超剥带表现为南东倾斜坡，白垩系和侏罗系呈“底部超覆、顶部削截”特征。外来推覆系统主体为石炭系火成岩直接覆盖于准原地叠加系统下二叠统之上，前翼端局部残留下二叠统，其中 F3－2，F3和 F4断层之间的结构单元主要为下二叠统风城组(P1f)，孢粉化石分析以冷杉多肋粉属Striatoabieites、单束多肋粉属Protohaploxypinus、哈姆粉属 Hamiapollenites和叉肋粉属Vittatina为主，属我国新疆北部早二叠世的典型孢粉化石组合［9］。因此，逆冲推覆断裂 F3，F4及伴生断裂可构成油源断裂，具备“下生上储”型成藏组合。前缘冲断带地层主要为三叠系和二叠系，在深部准原地双重构造楔入过程中被动抬升，被F3逆冲断裂切割形成倾向南东的“帽檐”构造，可形成“下生上储”或“自生自储”型成藏组合。准原地叠加系统表现为下二叠统和石炭系多个推覆体叠加的双重构造，发育背斜、断鼻、断块构造圈闭，具备“自生自储”和F2顶板膏泥质岩滑脱断层涂抹有利保存条件。

1.2 多口探井获油流

在构造地质模型指导下部署了多口探井，目前完钻探井8口，在白垩系、侏罗系、二叠系和石炭系多个层系见到良好的油气显示。在浅层前缘超剥带下白垩统清水河组(K1q)和下侏罗统八道湾组(J1b)获得稠油工业油流，上报控制及预测石油地质储量5 300多万吨。哈浅6和哈山1井在外来推覆系统石炭系凝灰岩、火山角砾岩与前缘冲断带下二叠统风城组云质岩、泥岩裂缝型储层中油气显示活跃。哈山1井钻遇石炭系厚度2 038 m，油气显示累计544.1 m/49层;钻遇风城组厚度440 m，油斑310 m/68层;风城组2 077.46～2 205.0 m井段常规试油，日产原油 1.31 t，密度 0.892 7 g/cm3，粘度58.7 mPa·s(50℃)，凝点－12℃，含硫0.24%，属低含硫中质原油。哈浅6钻遇石炭系厚度1 165 m，富含油23.86 m/5层，油斑422.34 m/46层;钻遇下二叠统风城组厚度1 494 m，油斑210.8 m/38层，油迹219.7 m/41层;对2 717～2 749 m和2 757～2 780 m井段酸化压裂试油，日产原油1.92～6.87 t，密度0.907～0.908 6 g/cm3，粘度 314～411 mPa·s(50℃)。部署探井的成功，在一定程度上也表明了所建立的构造地质模型的合理性与正确性。

1.3 推覆体下发现优质烃源岩

哈浅6、哈山1井在F3逆冲推覆断裂之下揭示风城组近1 500 m的暗色泥质岩地层。岩心观察及薄片鉴定，主要为深灰色粉砂质显微晶白云岩、泥质微晶白云岩、白云质泥岩、泥质粉砂岩和泥岩，与玛湖凹陷风城组钻遇岩性组合特征相似。区域上风城组整体表现为灰色、深灰色泥质岩类(泥岩、白云质泥岩、粉砂质泥岩)与白云质岩类(泥－粉晶白云岩、泥质白云岩、粉砂质白云岩和凝灰质白云岩)互层，底部见火山岩类(凝灰质泥岩、凝灰岩、流纹质弱熔结角砾凝灰岩、安山岩、流纹岩)，其中，风城1、风南5、风7等多口井中上部发育厚层的膏质粉砂岩和膏质泥岩。上述岩性组合整体显示出陆源碎屑岩、爆发相火山岩与化学沉积的碳酸盐岩叠合组成的混合沉积特征［10］，且常见水平层理、微波状层理和纹层理，表明为还原条件的低能安静水体沉积环境。乌40、风7、风9等井岩石薄片鉴定，见有孔虫、棘皮、藻类(葛万藻、管状藻、伊万诺夫藻)等海相生物化石和海绿石。电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP－AES)岩石样品光谱分析表明，风城组中下部硼元素含量较高，为100×10－6～500×10－6，平均为250 ×10－6，局部含量可达1 200 ×10－6，镓含量为5 ×10－6～70 ×10－6，平均为 29 × 10－6，锶/钡比值为 6.6，硼/镓比值为6～13，反映出该时期为海水介质沉积环境特征［11－12］。综合上述分析，风城组很可能为半封闭残留海相环境的产物。此外，风城组垂向岩性组合也反映出该时期火山活动逐渐减弱的演化过程:早期火山活动较为强烈，火成岩在研究区普遍发育;中期火山活动减弱，火山沉积物主要集中在研究区东部夏子街—红旗坝地区;晚期火山活动基本消失。火山活动带来的火山营养物质带来了古生产力的繁盛，火山周期性喷发将水体生物周期性快速埋藏及火山物质蚀变的粘土矿物共同为有机质的富集、保存及烃类的转化提供了条件，为风城组优质烃源岩的发育提供了极为有利的生成环境和成岩环境［10－12］。

哈浅6井风城组暗色泥质岩样品地化分析表明，有机碳含量为0.65% ～1.89%，氯仿沥青“A”含量0.017 8% ～0.167 2%。实测镜质体反射率 Ro为0.82% ～0.89%，成熟度适中，处于生油高峰阶段。干酪根显微组分镜鉴分析，具有腐泥组占绝对优势(含量为86% ～92.3%)、壳质组发育、惰性组含量很低(含量仅为0.7% ～3.0%)的特点，干酪根碳同位素值较轻，δ13C值为－29.7‰ ～－32.3‰，反映出Ⅰ、Ⅱ1型的干酪根面貌(图3)。烃源岩生物标志化合物分析，饱和烃气相色谱具有明显的植烷优势，Pr/Ph比值为0.53～0.66，富含β－胡萝卜烷;伽马蜡烷含量较高，C30藿烷/伽马蜡烷比值为0.24～0.35，三环二萜烷 C20，C21和C23呈上升型分布，微含 Ts;规则甾烷 C27，C28和 C29为上升型分布。上述地化指标总体反映了风城组强还原、咸水－半咸水、腐泥型母质来源沉积环境特征，与区域上风城组烃源岩地化参数特征基本一致［3－4］。综合评价，推覆体下风城组为一套优质的烃源岩。

研究区深浅不同层系原油地球化学指标综合分析，C20，C21和C23三环二萜烷呈上升型分布，伽马蜡烷含量较高，族组分碳同位素值较轻，烷烃、芳烃、非烃和沥青质δ13C值分别为－29.9‰～－32.3‰，－29.2‰～－31.0‰，－28.8‰ ～－30.4‰和－28.6‰ ～ －29.1‰，与风城组烃源岩地化特征相似，而与乌尔禾组烃源岩C20，C21和C23三环二萜烷呈山峰型分布、伽马蜡烷含量低、干酪根碳同位素 δ13C 值较重差异较大［3－4］(图4)。分析认为，研究区原油主要来源于风城组烃源岩，只是浅部原油后期遭受不同程度的生物降解表现为稠油－超稠油，而往深部则逐渐演变为正常原油。油源对比分析证实了风城组烃源岩良好的供烃能力，展示出该套烃源岩对研究区油气成藏有着极为重要的作用。

图3 准噶尔盆地北缘哈山地区哈浅6井风城组烃源岩地球化学指标Fig.3 Geochemical indexes of the Fengcheng Formation source rocks in Well Haqian 6 in Hala’alt area，the northern margin of Junggar Basin

图4 准噶尔盆地北缘哈山地区哈浅6井原油与烃源岩饱和烃气相色谱和甾、萜烷质量色谱图Fig.4 Gas chromatograms of saturated hydrocarbons and mass spectrograms of steranes and terpanes in oil and source rocks from Well Haqian 6 in Hala’alt area，the northern margin of Junggar Basin

2 关于二叠系几个关键地质问题的再认识

2.1 盆地结构属性及演化

前人主要基于野外露头区花岗岩、蛇绿岩的年代学、岩石学和地球化学证据，对准西北缘二叠纪以来的大地构造环境及演化进行了大量研究，对二叠纪盆地相继提出了洋内俯冲岛弧、弧后盆地、裂陷盆地和前陆盆地等多种观点［13－16］，关于准噶尔洋闭合的最后时限也存在激烈的争论［14－16］。盆地结构属性及演化认识上的差异，在一定程度上制约了二叠系勘探潜力及方向的认识。

本次根据新建立的构造地质模型，认为早二叠世末哈山地区发生了大规模构造运动，造成上、下二叠统呈区域性角度不整合接触。依据不整合面上下地层构造变形机制、卷入地层变形特征，并结合露头区地质资料分析，推测构造运动前后盆地结构属性发生了显著变化。早二叠世为后碰撞伸展背景下发育的裂陷盆地，该区自下而上沉积了一套以火山碎屑、云质泥岩、白云岩及膏岩为主的海相地层。早二叠世末期构造环境由伸展变为挤压，阿尔加提山—谢米斯台山—哈山发生逆冲，沿下二叠统风城组膏泥质岩段形成顶板滑脱叠加断层，发育多个冲断叠加片体，使得下二叠统边界大幅度向南推移，海水全部退出。晚二叠世早期进入裂谷期后弱伸展坳陷阶段［16］，沉积范围逐步扩大，不受断层控制;晚二叠世晚期进入陆相沉积环境。根据哈浅6井风城组烃源岩成熟度分析，该套地层现今埋深仅为1 300余米，结合盆地区域构造演化及古地温场分析［17］，推测晚二叠世在目前哈山对应构造位置应发育一套厚度较大(厚度2 500～3 000 m)的陆相沉积建造，只是在二叠纪晚期强烈逆冲推覆阶段由深部逆冲抬升至浅部，后期沉积地层厚度有限，使烃源岩现今仍处于当时的热演化程度，二叠纪末期盆地现今的构造单元轮廓已基本定型。三叠纪及以后构造活动明显减弱，局部老断层有所活化，在推覆体前缘沉积地层表现为底部超覆、顶部削截特征，并发育一系列次级断层，形成似花状构造(图5)。

2.2 风城组沉积范围

图5 准噶尔盆地北缘哈山地区构造演化模式Fig.5 Tectonic evolution model of Hala’alt area，the northern margin of Junggar Basin

图6 准噶尔盆地北缘哈山地区风城组分布范围Fig.6 Distribution map of the Fengcheng Formation in Hala’alt area，the northern margin of Junggar Basin

图7 准噶尔盆地北缘哈山地区风南1—哈浅6井风城组联井剖面Fig.7 Well-tie section of the Fengcheng Formation from Well Fengnan 1 to Well Haqian 6 in Hala’alt area，the northern margin of Junggar Basin

笔者利用断层相关褶皱几何学和运动学原理对下二叠统构造变形量进行恢复，初步估计下二叠统分布边界向盆地方向推移距离可达数十公里，表明早二叠世沉积期盆地沉积范围远大于现今盆地残留边界(图6)。如哈山1、哈浅6和风11等井钻遇的风城组，依据哈山构造解释模式分析，推测均为后期逆冲推覆断层由北部远处“背负”而来。根据尤兴弟提出的准噶尔盆地早二叠世残留海白云岩沉积模式:由盆边往盆地内部依次为由砂砾岩—白云岩、白云质泥岩—泥岩演变［11］，推测风城组沉积期风11井离盆地边缘还应有一定距离。

地层对比分析，从玛湖凹陷向北部的哈山地区，风城组岩性颜色由灰绿色—灰色—深灰色变暗，沉积物粒度变细，反映出水体变深、烃源岩品质变好的特征(图7)，也佐证了哈山推覆体下部的风城组并非边缘相沉积，当时盆地沉积范围可往北延伸较远的距离。由于外来推覆体主要沿下二叠统风城组膏泥质岩段逆冲推覆滑脱，推测现今达尔布特断裂以北的地区还可能残留有原地或准原地的大套下二叠统风城组。

3 石油地质意义及勘探前景

哈山地区推覆体下部发现下二叠统风城组烃源岩并获得油气流，具有重要的石油地质意义。一方面，逆冲推覆造成地层的重复叠加和烃源岩厚度的增加，使得准原地叠加系统埋深加大，配合该时期发育的火山活动矿物质，有利于油气高效转化;早二叠世盆地构造演化分析，哈山地区并非当时的盆地边界，风城组烃源岩在平面分布上至少可以延伸至达尔布特断裂附近，这使得有利烃源岩分布面积比以往认识扩展了1 000 km2，并且沉积特征分析，往北推覆体下烃源岩沉积水体加深，推测品质更好。另一方面，逆冲推覆作用使得地层剧烈变形，断裂、微裂缝发育，大大改善储层的储集性能，并可形成一系列背斜、断背斜、断鼻等构造圈闭。此外，在逆冲推覆体下容易形成“自生自储”和“下生上储”的良好匹配关系。上述认识大大提升了哈山及准北缘地区的油气勘探前景。

国内外勘探实践已经充分表明，逆掩推覆体下是寻找大中型油气田的一个重要领域［5，18－19］。通过本次研究认为，哈山地区及其周缘在早二叠世风城组沉积期主要为裂陷盆地半封闭残留海相环境，发育了分布广、厚度大的优质烃源岩以及云质岩、火成岩储层，推测达尔布特断裂以北也可能发育该套烃源岩及储层组合;晚二叠世末期发生的大规模挤压推覆逆掩为下伏的下二叠统风城组成烃、成藏创造了极为有利的条件，这无疑扩大了哈山乃至整个准北缘地区的找油领域。今后应重点加强达尔布特断裂带及其两侧构造沉积演化及控制下的石油地质条件研究，这有助于提高该区勘探潜力认识以及确定有利方向和目标。

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