伊宁凹陷中二叠统含膏岩层的形成及其对油气勘探的意义

2020-04-16庄一鹏曹建康林社卿常文鑫

石油地质与工程 2020年2期

庄一鹏，曹建康，林社卿，侯娟，顾超，常文鑫

（1．中国石化河南油田分公司勘探开发研究院，河南郑州 450048；2．中国石化河南油田分公司，河南南阳 473132）

伊宁凹陷地处新疆西部，构造上隶属于伊犁盆地北部坳陷带，北界为科-博陆内造山带南缘向盆地的逆冲断裂，南界为恰普恰勒山北缘向盆地的高角度逆冲推覆断裂，东界为阿吾勒拉山西端的赛-莫断裂及盆内隐伏的白尼断裂[1]，西与哈萨克斯坦扎尔肯特凹陷相邻（本文评价只到国境线），是伊犁盆地内面积最大、石油地质条件最好的凹陷（图1）。

图1 伊宁凹陷构造位置

伊宁凹陷周缘中二叠统出露广泛，本文研究团队于 2010年首次在凹陷北缘的潘津布拉克剖面中二叠统塔姆其萨依组（P2tm）发现含膏岩层，之后对东部的群吉萨依、琼布拉克等剖面开展了多次野外地质调查，并对凹陷内探井岩心、岩屑取样测试，系统地对中二叠世沉积环境和含膏岩层的特征进行了研究，落实了中二叠世含膏岩层沉积前后古沉积环境的变化，发现含膏岩层下伏地层烃源岩条件较好，油苗显示丰富，具备较好的油气勘探前景。

1 中二叠世沉积环境

膏盐岩是蒸发岩的一种主要岩石类型[2]，含膏岩层的形成主要受古气候与古盐度两大因素控制，富含 Na+、Mg2+、Ca2+、K+、Sr2+、Cl-等离子的高盐度水体是含膏岩层形成的物质基础，干旱的气候环境是含膏岩层形成的重要条件。

1.1 古气候分析

早、中二叠世，欧亚泛大陆逐渐形成，板块碰撞导致了强烈的火山活动。在伊犁盆地、准噶尔盆地、塔里木盆地大面积分布的火山岩，正是多期次火山喷发的结果，强烈的火山喷发导致了空气中CO2浓度剧烈上升，致使整个新疆处于一个巨大、闷热的“温室”之中，“温室效应”是形成伊宁凹陷及周缘炎热干旱古气候的因素之一。

钻井和野外剖面发现中二叠统孢粉化石丰富，属种分异度低，主要为真蕨类、种子蕨类、科达类和松柏类。喜湿的蕨类植物孢子罕见，双气囊具肋花粉 Protohaploxypinus，Hamiapollenites，Striatopodocarpites及Vittatina等种类繁多，为组合中的优势分子。其中，种子蕨类花粉（大部分为盾籽目）在形态和气候指示上可与现代植物麻黄或买麻藤花粉类比，本体上的肋条起收缩作用，能够更好地适应干旱的气候环境。

苗建宇等[3]研究认为，二叠纪新疆北部地区总体具温带气候特征，早二叠纪有转暖的趋向，到早二叠纪晚期，岩石中长石碎屑明显增加，表明形成时为干旱气候，与区内古生物反映的气候条件一致。

1.2 古盐度分析

利用岩石微量元素研究沉积岩形成时的沉积环境和成岩环境，已成为沉积地球化学的一个重要方面，特别是利用微量元素进行沉积水介质环境等的判定。元素Sr比元素Ba的迁移能力强，淡水与海水相混时，元素Ba易形成BaSO4沉淀，所以Sr/Ba（锶钡比）随着盐度的提高具有明显增大的趋势，常用作区分淡水和咸水沉积环境的标志。一般认为Sr/Ba大于1为咸水沉积环境，Sr/Ba小于1为淡水沉积环境[4]。

伊宁凹陷周缘露头与钻井资料揭示中二叠统塔姆其萨依组Sr/Ba较高，多集中在0.9～11.2（表1），表明沉积时湖盆古盐度较高，属典型的咸水湖泊沉积环境。不同区域Sr/Ba差异较大，整体上，北部潘津布拉克地区Sr/Ba高于南部及东部地区，反映湖盆干旱时期可能被分割成不同的沉积中心，南部斜坡带水体较浅，受淡水补给影响，古水咸度较低，未形成含膏岩层，与区内已发现的含膏岩层展布特征基本一致。

2 含膏岩层发育特征

伊宁凹陷周缘中二叠统塔姆其萨依组发育的石膏普遍含泥质，风化后呈土黄色，易与钙质泥岩混淆，野外识别难度大。本文研究团队通过多次开展露头调查，在含膏岩发育层位密集取样，利用大量的薄片鉴定与X衍射分析，落实含膏岩层在野外的赋存状态，以及岩石中膏盐的含量，并精确测量膏岩层的厚度。

伊宁凹陷二叠系剖面石膏晶体较为罕见，石膏多呈疙瘩状和同生脉状（图2a）。其中，石膏脉以平行层理为主，长可达数米，单层厚度较薄，一般不超过5 cm。岩层中大部分石膏呈泥晶状赋存于含泥膏岩中，野外很难识别。潘津布拉克剖面含膏岩层X衍射分析，石膏含量为41.1%～53.1%，方解石含量为 25.4%～40.2%，陆源碎屑及泥质含量为12.5%～24.4%（表2），石膏含量较低，但含膏岩层总厚可达50 m。

表1 伊犁盆地露头/钻井Sr、Ba元素分析数据

表2 潘津布拉克剖面含膏岩层X衍射分析数据

镜下分析潘津布拉克含膏岩层岩性主要包括灰质膏岩、石膏岩、泥质膏岩、含膏灰岩等。其中，纯石膏岩晶体多呈片状、板状、纤维状、柱状，晶粒间呈线、凹凸或镶嵌接触，局部晶体内呈“颗粒状结构”，粒间充填残余浅黑色泥质，岩石偶见构造缝，充填纤维状隐晶石膏，并伴黑色有机质（图2b）。含泥灰质膏岩类石膏多呈片状、柱状、纤维状或嵌晶状连晶结构，连晶内呈颗粒状石膏集合体，颗粒大小0.05～0.20 mm，颗粒间残余浅黑色泥质，石膏晶体边缘多见石膏被方解石交代现象，表明沉积时岩石中石膏含量应高于现今 X衍射分析数值（图2c）。

3 含膏岩层对油气成藏的影响

图2 伊宁凹陷含膏岩层特征

炎热干旱的气候和咸水沉积环境是含膏岩层形成的主要条件，伊宁凹陷古气候与古水环境在含膏岩层形成前后发生了较大变化，致使含膏岩层上下地层的古生物具有较大的差异，从而影响泥岩中有机质的富集及油气运聚成藏。

3.1 含膏岩层对烃源岩的影响

前人研究认为，膏盐岩的形成环境有利于有机质的保存，在有机质转化成油气后提供良好的封盖条件和雄厚的物质保障[5～6]。

含膏岩层上下沉积环境的改变首先表现为岩性组合的变化。潘津布拉克剖面含膏岩层下为厚约400 m的灰色、灰黑色泥页岩沉积，随着气候逐渐变得炎热干燥，伊宁凹陷沉积了一套含膏岩层，水体持续变浅，在沉积了一套厚约200 m的灰色泥岩夹薄层砂岩之后，湖盆进入消亡阶段。

中二叠统塔姆其萨依组含膏岩层上覆地层烃源岩饱和烃色谱主峰碳分布在nC17-nC29，以前单峰和双峰为主，具有陆生植物和水生植物混源的特征（图3）；含膏岩层下伏地层烃源岩饱和烃色谱主峰碳分布在nC16-nC23，以前单峰为主，具有浮游生物和藻类来源的特征（图 4），具备发育Ⅰ型干酪根的物质基础[7]。

图3 潘津布拉克塔姆其萨依组饱和烃色谱（深度290 m）

图4 潘津布拉克塔姆其萨依组饱和烃色谱（深度740 m）

潘津布拉克剖面塔姆其萨依组含膏岩层之上地层的 24个样品有机碳含量 0.47%～5.23%，平均1.63%，氯仿沥青“A”含量0.003%～0.161%，平均0.046%，为中等丰度烃源岩；含膏岩层之下地层的18个样品有机碳含量0.74%～6.87%，平均3.17%，氯仿沥青“A”含量0.014%～0.210%，平均0.113%，为较好烃源岩（图 5）。表明含膏岩层下伏地层生烃条件更好，具备较大的勘探潜力。

3.2 含膏岩层对油气富集的影响

与泥质岩类、碳酸盐岩类盖层相比，蒸发岩的韧性更大，排替压力更高，具有良好的封闭性能[8]。膏盐岩随着地层深度的增加弹性强度降低，韧性和塑性增加，而页岩与砂岩则与之变化相反。前人研究发现，当膏盐岩埋深在3 000 m左右、地层温度约100 ℃时，膏盐岩完全处于流变状态，具有很强的韧性和塑性[9]，因此未破裂的膏盐岩层在盖层分级中属于特级盖层，封盖能力较泥岩更强。

伊宁凹陷沉积主体区上覆盖层厚度较大，中二叠统含膏岩层长期处于埋深大于3 000 m的状态，具有整体塑性强，封盖能力好的特点。潘津布拉克剖面含膏岩层下伏地层油苗丰富（图 5），也表明含膏岩层对油气具有较好的封盖作用。综合分析认为，含膏岩层下伏地层才是伊宁凹陷二叠系油气勘探的重点层系。