准噶尔盆地石树沟凹陷二叠系平地泉组烃源岩地球化学特征及形成条件

曾文人,陈 璇,付国斌,王志勇,金 颖,陈 雪,王柏然,黄志龙,张枝焕

( 1. 中国石油大学(北京) 地球科学学院,北京 102249; 2. 中国石油大学(北京) 油气资源与探测国家重点实验室,北京 102249; 3. 中国石油吐哈油田分公司 勘探开发研究院,新疆 哈密 839009 )

0 引言

准噶尔盆地为中国西北部重要的含油气盆地,其二叠纪地层页岩油气勘探取得重大突破,西北缘二叠系风城组、东部地区二叠系芦草沟组和平地泉组为典型的页岩油富集区[1-4]。有关研究主要集中于玛湖凹陷风城组和吉木萨尔凹陷芦草沟组富有机质细粒沉积岩,两套烃源岩形成于咸化湖相沉积体系,有机质丰度高、类型好,以内源藻类来源为主,奠定准噶尔盆地页岩油勘探的物质基础[5-6]。准噶尔盆地东部地区克拉美丽山前二叠系平地泉组与吉木萨尔凹陷芦草沟组形成于相似的沉积环境,同样赋存高丰度的烃源岩,分布一定规模的油气藏[7-9],具有形成一定规模页岩油藏的有利条件。目前,准噶尔盆地东部地区克拉美丽山前二叠系平地泉组的研究程度很低,油气勘探未取得重大突破,主要原因是对克拉美丽山前地区平地泉组的基础地质研究比较薄弱,特别是对其烃源岩的地球化学特征和形成环境等方面的研究有待深化。

石树沟凹陷位于准噶尔盆地东部克拉美丽山前地区,主力烃源岩层位于中二叠统平地泉组,具有广阔的致密油和页岩油勘探前景[7-10]。人们对平地泉组烃源岩生烃潜力及形成环境进行研究,袁波等[7]研究石树沟凹陷平地泉组烃源岩地球化学特征,认为平一和平二段烃源岩有机质丰度较高、类型较好,具有较高的生烃潜力,处于低熟—成熟阶段;周鑫[11]研究烃源岩岩石矿物学和无机地球化学特征,认为石树沟凹陷平地泉组烃源岩沉积于盐度较高的湖相环境;樊婷婷等[12]进行薄片鉴定和电子探针分析,认为石树沟凹陷平地泉组“环带状”方沸石的出现,反映烃源岩沉积时期受热液喷流作用的影响。目前,对石树沟凹陷平地泉组不同层段烃源岩生烃条件、优质烃源岩分布特征及形成环境等方面的研究较薄弱,制约研究区油气勘探与油气资源潜力评价。

笔者选取石树沟凹陷石树1和石树4井的30个岩心样品,采用总有机碳质量分数、岩石热解、有机质岩石学和饱和烃气相色谱—质谱等实验,分析研究区平一和平二段烃源岩地球化学特征、生烃潜力、沉积环境和有机母质来源,揭示平地泉组优质烃源岩的形成条件,为研究区中二叠统优质烃源岩分布预测、资源潜力评价和油气源对比提供地球化学依据。

1 区域地质概况

准噶尔盆地东部隆起带在北部克拉美丽山和南部博格达山之间(见图1(a)),面积约为3×104km2[13]。早泥盆世晚期,克拉美丽山向北俯冲,于早石炭世闭合形成前陆型盆地[12]。中二叠世,准噶尔盆地东部地区受造山后应力松弛构造环境的影响,在克拉美丽山前和博格达山前形成多个沉积与沉降中心,沙奇凸起分隔北部和南部的沉积凹陷。经历印支、燕山及喜山运动,北东—南西向的挤压应力导致强烈的断裂活动,研究区发育控制构造带及局部构造的主要断层,并形成现今凹凸相间的“棋盘式”构造格局[14-16]。石树沟凹陷位于“棋盘式”构造格局的西北部,西临沙帐断褶带,东接黄草湖凸起,北抵克拉美丽山,南临沙奇凸起(见图1(a))。

图1 准噶尔盆地石树沟凹陷构造位置及地层综合柱状图(据文献[13]修改)Fig.1 Tectonic location and stratigraphic column of Shishugou Sag, Junggar Basin(modified by reference[13])

石树沟凹陷中二叠统平地泉组自下而上分为三段(平一段、平二段、平三段)(见图1(b)),其中,平一段(P2p1)和平二段(P2p2)主要发育浅湖—半深湖沉积,为平地泉组富有机质烃源岩发育层段。平一段岩性主要为深灰色白云质泥岩、泥岩,并夹薄层粉、细砂岩,砂泥互层频繁,富有机质烃源岩厚度为15～60 m;平二段岩性主要为深灰色白云质泥岩、泥岩,与砂岩、粉砂岩呈交互沉积,顶部砂岩厚度增大,富有机质烃源岩厚度为20～70 m;平三段(P2p3)主要发育区域性滨浅湖沉积,岩层厚度较大,上部泥岩较发育,有机质丰度较低[7,16]。

2 样品与实验

选取石树沟凹陷石树1和石树4井P2p1和P2p2不同深度具有代表性的烃源岩样品30个,样品岩性主要为泥岩和白云质泥岩,其中包括P2p1样品10个,P2p2样品20个。

选取30个烃源岩样品进行总有机碳质量分数(w(TOC))和岩石热解分析,总有机碳质量分数采用Leco CS-230碳硫仪进行测试分析,岩石热解采用Rock-Eval 6热解仪进行测试分析。在总有机碳质量分数和岩石热解分析的基础上,选取部分泥岩和白云质泥岩样品进行有机显微组分检测和镜质体反射率测定,分别在Leica DM4500 P显微镜下进行形态及光性特征观察并完成显微组分鉴定,在Leica DM4500 P显微镜外置J&M光度计下进行测定,采用双标法进行镜质体反射率测定。

选取14个具有代表性的样品进行有机质的抽提与分离,对分离的饱和烃样品进行饱和烃气相色谱—质谱分析,分析仪器为Agilent 6890 GC-Agilent 5975i MS,载气为氦气,色谱柱为HP-5MS熔硅弹性毛细柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)。温度由50 ℃升至310 ℃,升温速率为3 ℃/min,在310 ℃恒温25 min。质谱分析条件:离子源采用电子轰击(EI)方式,电离电压为70 eV。

样品实验分析在中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室完成,总有机碳质量分数、岩石热解、饱和烃气相色谱—质谱分析、有机显微组分和镜质体反射率测定标准分别按照GB/T 19145—2022《沉积岩中总有机碳测定》、GB/T 18602—2012《岩石热解分析》、GB/T 18606—2017《气相色谱—质谱法测定沉积物和原油中生物标志物》、SY/T 5125—2014《透射光—荧光干酪根显微组分鉴定及类型划分方法》和SY/T 5124—2012《沉积岩中镜质体反射率测定方法》进行。

3 烃源岩地球化学特征

3.1 有机质丰度

有机质丰度通常反映烃源岩中有机质的质量分数,衡量有机质丰度的指标一般有总有机碳质量分数(w(TOC))和生烃潜量(S1+S2)等[17-19]。石树沟凹陷平一段烃源岩中w(TOC)介于0.79%～4.85%,平均为2.19%;S1+S2介于1.22～19.42 mg/g,平均为7.34 mg/g。平二段烃源岩中w(TOC)介于1.72%～11.12%,平均为6.91%;S1+S2介于3.55～75.84 mg/g,平均为38.11 mg/g(见表1)。研究区平一和平二段烃源岩有机质丰度整体较高,平一段烃源岩有机质丰度整体低于平二段的,平一段烃源岩主要为中等—好烃源岩,平二段烃源岩主要为好—极好烃源岩(见图2)。

表1 准噶尔盆地石树沟凹陷平地泉组烃源岩有机地球化学数据Table 1 Organic geochemical data of source rocks from Pingdiquan Formation in Shishugou Sag, Junggar Basin

续表1

图2 准噶尔盆地石树沟凹陷平地泉组烃源岩w(TOC)与S1+S2关系Fig.2 Plot of w(TOC) versus S1+S2 of source rocks from Pingdiquan Formation in Shishugou Sag, Junggar Basin

3.2 有机质类型

有机质类型通常反映有机母质输入类型,间接反映烃源岩的生油气能力,一般可以根据烃源岩热解参数和显微组分组成,对低熟—中等成熟阶段烃源岩的有机质类型进行有效判别[17,20]。石树沟凹陷平一段烃源岩中HI介于114～414 mg/g,平均为246 mg/g,显微组分主要由腐泥组组成,其次为镜质组和惰质组,壳质组的质量分数相对较低;平二段烃源岩中HI介于106～751 mg/g,平均为492 mg/g,显微组分中腐泥组占比相对较高(见表1)。研究区平一段烃源岩有机质类型主要为Ⅱ1和Ⅱ2型,平二段烃源岩有机质类型主要为Ⅰ和Ⅱ1型,表明平一和平二段烃源岩生油气能力整体较好,平一段烃源岩生油气能力低于平二段的(见图3)。

3.3 有机质成熟度

有机质成熟度通常反映烃源岩中有机质的热演化程度,烃源岩达到一定的热演化阶段才能生烃,一般用镜质体反射率(Ro)及岩石热解参数中热解峰温tmax指示烃源岩的热演化程度[17,21]。石树沟凹陷平一段烃源岩Ro介于0.68%～0.75%,平均为0.71%;tmax介于418～448 ℃,平均为439 ℃。平二段烃源岩Ro介于0.61%～0.75%,平均为0.68%;tmax介于433～452 ℃,平均为442 ℃(见表1)。甾类化合物中C29甾烷ββ/(ββ+αα)和C29甾烷20S/(20S+20R)可以反映烃源岩的热演化程度,二者随热演化程度增加而增大[22]。平一段烃源岩中C29甾烷ββ/(ββ+αα)介于0.23～0.39,平均为0.34,C29甾烷20S/(20S+20R)介于0.40～0.48,平均为0.45;平二段烃源岩中C29甾烷ββ/(ββ+αα)介于0.21～0.39,平均为0.29,C29甾烷20S/(20S+20R)介于0.35～0.48,平均为0.43(见表2)。研究区平一和平二段烃源岩整体处于低熟—成熟阶段。

4 烃源岩形成条件

生物标志物是沉积物或岩石中来源于生物体,在演化过程中记载原始生物母质碳骨架的特殊分子结构信息的有机化合物,组成受有机质生物输入源和沉积环境的共同影响。因此,可以用生物标志物的组成及参数分布特征指示有机质的生物输入源和沉积环境等信息[22]。

4.1 沉积环境

姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)的比值通常反映有机质沉积时水体的氧化还原条件。Pr/Ph<1指示偏还原的沉积环境,Pr/Ph>3指示偏氧化的沉积环境[23]。石树沟凹陷平一段烃源岩中Pr/Ph介于1.10～1.73,平均为1.36;平二段烃源岩中Pr/Ph介于1.38～1.62,平均为1.48(见表2),表明主要形成于弱氧化—弱还原沉积环境。Pr/nC17与Ph/nC18反映氧化还原条件[24-25](见图4)。由图4可以看出,研究区平一和平二段烃源岩整体形成于弱氧化—弱还原沉积环境,与Pr/Ph反映结果一致。

图4 准噶尔盆地石树沟凹陷平地泉组烃源岩Ph/nC18与Pr/nC17关系Fig.4 Plot of Ph/nC18 versus Pr/nC17 of source rocks from Pingdiquan Formation in Shishugou Sag, Junggar Basin

伽马蜡烷(Ga)是一种五环三萜烷,主要来源于食菌纤毛虫在分层水体条件下合成的四膜虫醇,水体分层通常由盐度分层导致,伽马蜡烷的富集可以作为水体分层、高盐度沉积环境的标志。目前,一般用伽马蜡烷指数(Ga/C30藿烷)指示水体盐度的高低,Ga/C30藿烷小于0.1、0.1～0.2、0.2～0.4和大于0.4时分别指示淡水、微咸水、半咸水和咸水环境[26-28]。石树沟凹陷平一段烃源岩中Ga/C30藿烷介于0.22～0.48,平均为0.37;平二段烃源岩中Ga/C30藿烷介于0.05～0.29,平均为0.18(见表2)。在平一到平二段沉积时期,伽马蜡烷含量逐渐降低,即水体盐度逐渐降低。平一段烃源岩形成于半咸水—咸水水体分层环境,平二段烃源岩主要形成于微咸水—半咸水水体分层环境(见图5、图6(b))。随水体盐度增加,水体还原性增强,平一段水体盐度明显高于平二段的,二者氧化还原条件无明显差异。由有机显微组分的差异(见表1)可以看出,平一段的陆源碎屑输入相对较多,导致水体保存条件遭受一定程度的破坏,造成平一段水体的还原性未明显强于平二段的。

图5 准噶尔盆地石树沟凹陷平地泉组烃源岩Pr/Ph与Ga/C30藿烷关系Fig.5 Plot of Pr/Ph versus Ga/C30 hopane of source rocks from Pingdiquan Formation in Shishugou Sag, Junggar Basin

图6 准噶尔盆地石树沟凹陷平地泉组石树4井烃源岩饱和烃气相色谱—质谱图Fig.6 Gas chromatography-mass spectrometry of saturated hydrocarbons of source rocks of well Shishu 4 Pingdiquan Formation, Shishugou Sag, Junggar Basin

β-胡萝卜烷来源于β-胡萝卜烯,可以指示干旱条件下咸化水体分层环境[29]。与平二段烃源岩相比,平一段烃源岩中β-胡萝卜烷富集程度高于平二段的(见图6(a)),表明平一段烃源岩沉积时期气候干旱程度可能相对较高,水体盐度也相对较高,与Ga/C30藿烷反映的结果一致。

石树沟凹陷平一和平二段烃源岩氧化还原条件相差不大,整体沉积于弱氧化—弱还原沉积环境,水体盐度较高,相对较高的Ga/C30藿烷和β-胡萝卜烷的富集表明水体盐度具有分层特征[27-29],二者水体盐度条件具有一定差异,平一段烃源岩形成于半咸水—咸水水体分层环境,平二段烃源岩主要形成于微咸水—半咸水水体分层环境。

4.2 有机母质来源

古湖泊水体中有机母质来源一般为藻类、细菌等低等生物和陆源高等植物,根据生物标志物中正构烷烃、萜类、甾类化合物的组成特征进行分析。

石树沟凹陷平一和平二段烃源岩整体处于低熟—成熟阶段,根据正构烷烃的碳数分布特征反映烃源岩中有机母质输入的类型组合[30]。研究区平一和平二段烃源岩中正构烷烃主峰碳主要为nC21和nC23,属于前单峰型分布特征(见图6(a))。平一段烃源岩中nC21-/nC22+介于0.65～0.92,平均为0.82;平二段烃源岩中nC21-/nC22+介于0.60～1.54,平均为1.10(见表2),指示有机质输入以藻类等低等水生生物为主,有部分陆生植物生物输入源[31]。研究区平一和平二段烃源岩有机质为水生有机质和陆源有机质混合输入(见图4)。

规则甾烷的分布特征也常被用于反映有机母质来源[32-33],C27规则甾烷指示藻类等低等水生生物输入[34],C28规则甾烷指示硅藻类等含有叶绿素c的水生生物输入[35],C29规则甾烷指示陆生植物输入[36-37],也可能来源于蓝藻等水生生物[38-39]。石树沟凹陷平一段烃源岩中规则甾烷整体呈C27

研究区平地泉组烃源岩中C28规则甾烷的相对丰度较高,表明平一和平二段烃源岩有机质中硅藻类等浮游生物输入的贡献较大,与平一段烃源岩相比,平二段烃源岩有机质中硅藻类等水生生物输入贡献略有降低;低丰度的长链正构烷烃(nC27-31)和有机显微组分中低含量的陆源组分,表明陆源有机质的贡献较低,因此,相对丰度较高的C29规则甾烷并不完全来源于陆生植物,可能更多来源于蓝藻等水生生物[38-39]。古微生物研究表明,准噶尔盆地东部地区中二叠统烃源岩中较高丰度的C29规则甾烷主要来源于蓝藻等水生生物[39-41],C29规则甾烷的相对丰度较高,表明研究区平一和平二段烃源岩有机质中蓝藻等水生生物的输入贡献较大;由于烃源岩中C27规则甾烷的相对丰度普遍偏低,推测平一和平二段烃源岩有机质中除硅藻和蓝藻外,其他藻类等低等水生生物的输入贡献相对较小。平二段烃源岩中C27规则甾烷的相对丰度明显高于平一段的,表明其他藻类等低等水生生物的输入贡献相对增加。

石树沟凹陷平一和平二段烃源岩的有机质输入以藻类等低等水生生物为主,其次为陆源高等植物。平一和平二段烃源岩中蓝藻、硅藻等水生生物贡献较大。与平一段烃源岩相比,平二段烃源岩中C27规则甾烷的其他藻类有机质输入贡献增大,硅藻、蓝藻等水生生物有机质输入相对减少。

4.3 油源对比

石树沟凹陷平一和平二段烃源岩有机母质生源及沉积环境存在较大差别,生物标志物组成特征存在较明显的差别(见表3)。平一段烃源岩具有较高的Pr/nC17、Ph/nC18和Ga/C30藿烷,较低的C27/C29规则甾烷,规则甾烷整体呈C27规则甾烷相对丰度较低的“上升型”分布特征;平二段烃源岩具有较低的Pr/nC17、低的Ph/nC18,低—中等的Ga/C30藿烷,中等—高的C27/C29规则甾烷,规则甾烷整体呈C27规则甾烷相对丰度升高的“上升型”或“反L型”分布特征。这些差别较好区分两套烃源岩生成的原油,为石树沟凹陷平地泉组油源对比提供地球化学依据。

表3 准噶尔盆地石树沟凹陷平地泉组烃源岩部分生物标志物参数Table 3 Some biomarker parameters of source rocks from Pingdiquan Formation in Shishugou Sag, Junggar Basin

5 结论

(1)准噶尔盆地石树沟凹陷二叠系平地泉组一段烃源岩有机质丰度中等—较高,有机质类型主要为Ⅱ1和Ⅱ2型;平地泉组二段烃源岩有机质丰度很高,有机质类型主要为Ⅰ和Ⅱ1型。平一和平二段烃源岩整体处于低熟—成熟阶段。

(2)石树沟凹陷平一和平二段烃源岩有机质中蓝藻、硅藻等低等水生生物的生源贡献较大,平二段烃源岩有机质中其他藻类等水生生物的生源贡献明显增加;平一段烃源岩沉积于半咸水—咸水条件下的弱氧化—弱还原湖相环境,平二段烃源岩沉积于微咸水—半咸水条件下的弱氧化—弱还原湖相环境,湖盆水体具有盐度分层的特征。

(3)石树沟凹陷平一和平二段烃源岩具有两种不同的生物标志物组成特征。平一段烃源岩具有较高的Pr/nC17、Ph/nC18和Ga/C30藿烷,较低的C27/C29规则甾烷的特征;平二段烃源岩具有较低的Pr/nC17、低的Ph/nC18,低—中等的Ga/C30藿烷,中等—高的C27/C29规则甾烷的特征。可用于区分研究区两套烃源岩生成的原油,为油源对比提供地球化学依据。