准噶尔盆地阜康断裂带上盘二叠系芦草沟组页岩油地质特征及勘探潜力

2023-07-08刘海磊朱永才刘龙松王学勇杜小弟

岩性油气藏 2023年4期

关键词：博格达阜康芦草

刘海磊，朱永才，刘龙松，尹鹤，王学勇，杜小弟

（1.中国石油新疆油田公司勘探开发研究院，新疆克拉玛依 834000；2.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029）

0 引言

通过对准噶尔盆地阜康断裂带上盘二叠系芦草沟组露头和钻井取心样品进行分析，从岩石学、矿物学、地球化学等方面对烃源岩质量、古沉积环境演化以及油气勘探开发潜力等进行综合评价，以期为该区芦草沟组页岩油气勘探提供依据。

1 地质概况

准噶尔盆地阜康断裂带位于新疆北天山山脉的博格达山前，为盆地南缘冲断带的二级构造带，是由多个褶皱和断裂组成的复杂构造带。区域内发育一系列近东西走向的断裂，既有区域性断裂，也有层系间的中小断裂，基本为南倾逆断裂，多沿博格达山北缘呈北凸弧形展布。在褶皱带发育的阜康断裂是一条形成时间早，且晚期还在活动的区域性大型逆冲推覆断裂，延伸长度大于40 km，推覆距离为15～20 km，走势基本与博格达山平行，断面呈上陡下缓状，地表最大倾角为45°（图1a）。研究区阜康断裂带上盘地质剖面及多口钻井资料揭示，区域内自下而上发育石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系、新近系及第四系，以二叠系、三叠系和侏罗系分布最广，烃源岩主要发育在中二叠统芦草沟组。芦草沟组深度为3 000～4 000 m，厚度为200～600 m，按岩性的差异自下而上可划分为芦一段和芦二段，2 段均发育泥岩、白云岩、粉砂质泥岩、凝灰质白云岩和沉凝灰岩，但各段的岩性比例存在一定差异，粉砂岩仅在芦一段发育，泥质白云岩仅在芦二段发育。整体而言，芦一段储层更为发育，芦二段烃源岩更为发育（图1b）。

图1 准噶尔盆地阜康断裂带构造单元划分（a）及二叠系芦草沟组岩性地层综合柱状图（b）Fig.1 Structural units of Fukang fault zone（a）and stratigraphic column of Permian Lucaogou Formation（b）in Junggar Basin

受海西、燕山、喜马拉雅等多期次构造运动叠加影响，阜康断裂带内构造变形及油气成藏过程极为复杂［26-30］。古生界—中生界，博格达山经历了一系列急剧抬升，造成断裂带上盘地层挤压变形，而阜康断裂以北的凹陷区构造运动相对较弱，形成了逆冲带［31-33］，最终形成了南北向呈叠瓦冲断-阶梯抬升的三排构造，即北部高陡带、中部鼻隆带以及南部断褶带。南部断褶带和北部高陡带局部地区二叠系和三叠系裸露地表，而中部鼻隆带在二叠系和三叠系沉积时并未遭到大程度的破坏［34］，在深部广泛发育芦草沟组厚层深灰色泥页岩、云质泥岩、油页岩［35-37］（图2）。

2 芦草沟组页岩特征

2.1 岩性特征

准噶尔盆地阜康断裂带二叠系芦草沟组野外露头显示：组内发育水平层系，层系间距小；灰黑色、黑色泥页岩发育，多呈带状集中分布，东西向总长度约143 km，宽约10 km，厚度为200～600 m，可见水下扇扇中水道间灰黑色油页岩、书页状油页岩；局部发育灰褐色粉—细砂岩、粉砂质泥岩，大多呈条带状夹在页岩或泥岩中，受外部物源供给和距离物源的远近影响，含砂质条带的厚度和层数有差异，在一些相对较厚的砂质条带中可见小型流水沙纹层理，可见水下扇扇中水道薄层粉—细砂岩或泥质粉砂岩（图3）。

对研究区大龙口剖面及典型井BD1 井芦草沟组32 个样品进行镜下薄片观察（图4）发现：①芦草沟组发育砂岩、泥页岩、碳酸盐岩等多种岩性，发育碳酸盐岩与泥页岩互层，可见明显的石英和长石颗粒，有机质发育，碳酸盐岩夹层中可见沥青、油迹。②相较野外剖面，BD1 井的岩心中沥青及碳酸盐岩互层更明显；碳酸盐岩的厚度更小，单层厚度多为10～20 m，而剖面中碳酸盐岩厚度为30～50 m；油井岩心中砂岩的分选性也更好。分析认为二者的差异可能是沉积水体变化和构造抬升所致。

图4 准噶尔盆地阜康断裂带大龙口剖面和BD1 井二叠系芦草沟组岩石矿物学特征Fig.4 Petrology and mineralogy of Permian Lucaogou Formation of Dalongkou profile and well BD 1 in Fukang fault zone，Junggar Basin

2.2 古环境

无机元素在指示古气候、古环境方面具有较高的敏感性，可以指示古水体和古气候环境。

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（1）古水体

研究区芦草沟组典型剖面Sr/Ba 值多为1.0～5.0，指示咸水沉积环境，少部分样品的Sr/Ba 值为0.5～1.0，指示半咸水古水体环境［31］。对8 个样品进行β-胡萝卜烷指数分析，其中6 个样品β-胡萝卜烷指数小于1，指示淡水—微咸水的沉积环境，仅2个样品大于10，指示较高盐度的水体环境［38］。

伽马蜡烷常用来表征水体分层的特征，Haven等［39］认为这可能是四膜虫醇被还原后的产物。盐湖或咸化湖通常含有盐类物质，一些溶于水体的物质在重力作用下会沉降到水体底部，由于密度的差异造成水体分层，而分层界面一般情况下会生长食菌的纤毛虫，这种生物死亡后体内的四膜虫醇在后期沉积成岩过程中形成伽马蜡烷这一生物标志化合物［40］。同时，水体分层往往意味着水体具有较高的还原性和盐度，因此伽马蜡烷的丰度可用来作为揭示水体盐度的指标［41］。研究区伽马蜡烷的丰度为0.15～0.30，指示微咸水环境（图5a）。综合分析认为阜康断裂带上盘沉积于微咸水—咸水环境。

图5 准噶尔盆地阜康断裂带沉积环境β-胡萝卜烷指数（a）以及伽马蜡烷指数Ph/nC18和Pr/nC17（b）分布特征Fig.5 β-carotane（a）and gammacerane Ph/nC18and Pr/nC17（b）of depositional environment in Fukang fault zone，Junggar Basin

（2）古气候

研究区芦草沟组典型剖面的Sr/Cu 值多为10～80，指示干热环境，少部分样品的Sr/Cu＜10，指示温湿气候［33］。姥鲛烷与相邻的正构烷烃C17比值（Pr/nC17）、植烷与相邻的正构烷烃C18比值（Ph/nC18）也可以用于对沉积环境的判别［41］。对研究区8 个样品进行分析，6 个样品的Pr/nC17和Ph/nC18值为1.0～10.0，指示混合相沉积环境，仅2 个样品的Pr/nC17和Ph/nC18值为0.1～1.0，指示湖相沉积环境，整体表现出湖相-混合相分布特征（图5b），而湖相就是相对温湿的气候，而当气候较为干旱时，蒸发量增加，会从湖相向混合相转换。综合分析认为研究区古气候以干热为主，间歇性出现温湿气候。

（3）古环境

研究区芦草沟组沉积时期，博格达山脉尚未形成，整体属于半深湖—深湖相（图6a）。该套烃源岩受构造改造影响较大，在早—中二叠世处于裂谷盆地演化阶段，晚二叠世—三叠纪处于挤压挠曲盆地演化阶段，早—中侏罗世处于伸展坳陷盆地演化阶段，中侏罗世—新近纪处于前陆盆地演化阶段，新近纪—第四纪处于再生前陆盆地演化阶段，经历了复杂的构造改造运动形成现今南北陡峭，中部平缓的构造格局（图6b）［42］。与博格达山西侧（红雁池和妖魔山地区）相比，博格达山北麓芦草沟组位于湖相沉积的中心区域，其物源补充和有机质保存条件都更好，烃源岩发育规模也更大。

图6 准噶尔盆地阜康断裂带古环境二叠系芦草沟组（a）—现今演化（b）Fig.6 Evolution of paleoenvironment from Permian Lucaogou Formation（a）to present（b）in Fukang fault zone，Junggar Basin

2.3 烃源岩评价与分布

2.3.1 烃源岩评价

较高的有机质丰度是烃源岩生烃的物质根本，有机质丰度在烃源岩质量和资源潜力评价中尤为重要［43-45］。以总有机碳含量（TOC）、生烃潜量（游离烃含量S1+热解烃含量S2）以及氯仿沥青“A”含量等3 个指标评价研究区6 条二叠系芦草沟组烃源岩露头的有机质丰度，其中博格达山西侧露头2条，分别为红雁池露头和妖魔山露头；博格达山北麓露头4 条，分别为白杨沟、西大龙口、小龙口以及奇台庄露头（表1）。

表1 准噶尔盆地博格达山前野外露头二叠系芦草沟组烃源岩潜力评价Table 1 Generation potential of source rocks of Permian Lucaogou Formation in the field outcrops in the Bogda piedmont，Junggar Basin

6 条烃源岩露头的平均TOC值为4.51%，其中博格达山西侧不同剖面烃源岩的TOC值差异较大，红雁池和妖魔山烃源岩的TOC值分别为1.87%和7.67%；博格达山北麓不同剖面烃源岩的TOC值较接近，为3.01%～5.45%，普遍高于4.00%，是优质烃源岩［38，46-47］（表1）。研究区平均生烃潜量（S1+S2）与TOC呈明显正相关关系。博格达山西侧红雁池和妖魔山烃源岩生烃潜量分别为3.14 mg/g 和41.00 mg/g；博格达山北麓奇台庄剖面的生烃潜量为5.90 mg/g，其余剖面生烃潜量相当，为20.80～23.00 mg/g，为优质烃源岩（图7a）。氯仿沥青“A”指示烃源岩中的可溶有机质含量，氯仿沥青“A”含量较高指示较高的S1值，表明具有页岩油气潜力。研究区6 条烃源岩露头中氯仿沥青“A”含量为（90～3 000）×10-6，博格达山北麓露头氯仿沥青“A”含量更高，白杨沟、奇台庄和小龙口的氯仿沥青“A”含量都高于1 200×10-6，最高为奇台庄露头烃源岩，达3 000×10-6（图7b，表1），与吉木萨尔凹陷页岩油区烃源岩含量相当［42］，具有较高的页岩油气潜力。

图7 准噶尔盆地阜康断裂带二叠系芦草沟组露头烃源岩评价Fig.7 Evaluation of outcrop source rocks of Permian Lucaogou Formation in Fukang fault zone，Junggar Basin

研究区露头烃源岩干酪根显微组分分析显示均为腐泥组，有机质类型以Ⅱ1和Ⅰ型为主，成熟度跨度较大，Ro为0.74%～1.28%，处于成熟—高成熟阶段（表1）。综合以上分析认为该套露头烃源岩为有效烃源岩，达到了生排烃的门限，其中博格达山北麓烃源岩质量比西侧更好，页岩油潜力更大。

2.3.2 烃源岩分布

自博格达山前至凹陷区烃源岩厚度逐渐变小，阜康断裂带是芦草沟组的沉积中心，烃源岩厚度大，博格达山北麓烃源岩厚度为200～600 m，西侧厚度为100～400 m（图8）。

图8 准噶尔盆地博格达山周缘二叠系芦草沟组烃源岩厚度分布Fig.8 Thickness contour of source rocks of Permian Lucaogou Formation in the periphery of Bogda Mountain，Junggar Basin

结合博格达山前露头的烃源岩评价以及古环境演化分析可初步断定，博格达山北麓页岩油的勘探开发潜力更大。对该区域内3 口典型井实钻取心测试也证实烃源岩质量较好（图9）：①XJC1 井芦草沟组烃源岩具有明显的砂泥互层特征，含油气性主要为荧光级，平均TOC值为1.46%，平均Tmax值为474 ℃，有机质类型为Ⅱ2和Ⅲ型，平均生烃潜量S1+S2为2.16 mg/g，为高成熟中等—好烃源岩。②ZY4井钻遇芦草沟组厚度543.50 m，岩性为灰色—灰黑色粉砂岩、泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、泥岩及页岩，单层烃源岩厚度为0.74～22.00 m，共有32 段，累计厚度为204.20 m，TOC值为0.51%～1.97%，平均为0.92%，含油气性显示较XJC1 井更好，含油级别主要为油斑级。③Q1 井在芦草沟组钻遇478.00 m 厚层泥岩，泥岩夹层中伴有粉砂岩，见油斑显示，TOC值为2.15%～7.03%，平均为4.48%，Ro为0.81%～0.92%，平均为0.86%，有机质类型为Ⅰ，Ⅱ1型，平均生烃潜量S1+S2大于29.00 mg/g，为成熟优质烃源岩。此外，取心样品中还富含壳质组分，母质以水生浮游绿藻类为主，为页岩油的系统形成提供了必要的物质条件。综上所述，研究区烃源岩广泛发育，厚度和规模均较大，具备勘探开发潜力，其中博格达山北麓芦草沟组烃源岩沉积厚度最大、含油性好，为优质烃源岩，是区内页岩油开发的最有利区块。

图9 准噶尔盆地阜康断裂带二叠系芦草沟组烃源岩岩性柱状图Fig.9 Stratigraphic column of source rocks of Permian Lucaogou Formation in Fukang fault zone，Junggar Basin

3 成藏机理

3.1 构造控制油藏分布

准噶尔盆地阜康断裂带二叠系芦草沟组油气成藏主要受控于构造作用［48-49］，断裂断层也有效进行了控藏。由于芦草沟组沉积时期博格达山变形强度“西强东弱”，因此整体而言，博格达山东北侧发育的芦草沟组烃源岩具有较好的保存环境，有利于形成优质烃源岩，而博格达山西部地层发育相对较陡，不利于油气藏的保存。博格达山北侧可划分为南部断褶带、中部鼻隆带以及北部高陡带3 个大区块。其中，南部断褶带和北部高陡带分别与博格达山、吉木萨尔凹陷相邻，地层发育相对较陡，地层倾角最大可达80°，地层普遍出露地表，破碎较严重，油藏也多遭破坏。相比之下，中部鼻隆带构造相对稳定，发育多个背斜高点，构造背景更好，更有利于油气保存（图10）。

目前研究区钻井主要集中在北部高陡带，结合实钻资料分析，该区域油气显示较活跃，但均以稠油为主，如区内东南部BC1 井岩心见沥青及重质油，原油密度为0.91～0.93 g/cm3，油质偏重，饱和烃色谱基线漂移，表明原油遭受过轻微降解作用［26］（图11）；区域西北部T44 井取心获油浸级岩心，岩心含油面积100%，油质稠。研究区西北部T35 井取心获油迹级岩心，微细裂缝发育，断面被黑褐色稠油浸染。中部鼻隆带XJC1 井芦草沟组试油获高熟轻质油气，原油密度0.82 g/cm3，累产气高于10×104m3（据中国地质调查局资料）。

图11 准噶尔盆地阜康断裂带BC1 井二叠系芦草沟组烃源岩生物标志物特征Fig.11 Biomarker compositions of source rocks of Permian Lucaogou Formation of well BC1 in Fukang fault zone，Junggar Basin

3.2 油藏特征

（1）自生自储

研究区芦草沟组在地震剖面上呈现泥页岩与周缘碳酸盐岩脆性矿物源储一体的组合特征（图12），油气源对比也发现了该区芦草沟组油气自生自储。泥页岩有机质母质来源以水生浮游绿藻类为主，沉积环境主要为还原环境，有利于有机质的保存和油气的生成，油产率高、生烃效率高，生成的油气渗透到碳酸盐岩夹层，形成了源储一体的油气系统。

图12 准噶尔盆地阜康断裂带上盘过XJC1—BC1 井地震剖面（剖面位置见图10）Fig.12 Seismic section across wells XJC1 to BC1 in the hanging wall of Fukang fault zone，Junggar Basin

（2）多期充注

对研究区典型油气藏进行解剖，发现至少存在2 期成藏的证据。北部高陡带JZK1 井不同样品的流体包裹体温度分别为55～65 ℃，85～95 ℃，100～110 ℃，且包裹体颜色为黄绿、蓝绿荧光，表现为多期成藏的特征。在中部鼻隆带ZY4 井的岩心中发现稠油及轻质油气，证实有早期和晚期原油充注。结合钻井及生烃演化模拟，北部高陡带和南部断裂带以早期生烃为主，晚期生烃停滞，而中部鼻隆带构造稳定，地层埋深较大，以二次生烃为主，目前已过了大量生油、排油期，达到生气阶段。

综合分析认为，中部鼻隆带东南部3 口井均发育优质烃源岩，而其西北部圈闭更大，可能为页岩油勘探的新“甜点”区，有待进一步布井完善及深化研究。