阿姆河盆地别什肯特坳陷及邻区中下侏罗统烃源岩地球化学特征与勘探意义

2023-11-15聂明龙徐树宝刘皓源

天然气工业 2023年10期

聂明龙张波赵威徐树宝张瑞刘皓源

1.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院 2.矿山热动力灾害与防治教育部重点实验室·辽宁工程技术大学 3.贵州水矿集团有限责任公司 4.中国石油勘探开发研究院 5.辽宁工程技术大学矿业学院

0 引言

阿姆河盆地位于中亚土库曼斯坦、乌兹别克斯坦和阿富汗境内，是中国油气对外合作的最重要地区之一[1-2]。阿姆河盆地是一个大型的富天然气盆地，以发育大型—巨型天然气田而著称[3-4]，2004年发现了地质储量为12×1012km3的世界第二大气田[5-6]。什么烃源岩能生成如此巨量的天然气引起学者们的极大兴趣。苏联学者[7-8]研究认为阿姆河盆地中下侏罗统海陆过渡相煤系是天然气主力烃源岩，为腐殖型干酪根，处于高热演化阶段，以生气为主，生烃灶位于盆地内部穆尔加布坳陷和扎翁古兹坳陷，生成的天然气向盆地东北缘断阶带运移成藏。戴金星等[9]认为阿姆河盆地中下侏罗统与中国西北地区诸多盆地中下侏罗统具有成因联系，并形成一个横贯中亚的巨型煤成气聚集域。

阿姆河盆地中下侏罗统为一套碎屑岩沉积，几乎在整个盆地内都有分布[7-8,10]。同时，中下侏罗统自身也是一套含油气系统[8,11]，已发现了一系列小型油气田，但是没有取得重大油气勘探突破。别什肯特坳陷位于阿姆河盆地东北缘，是一个中生代深埋的坳陷，其相邻的基萨尔褶皱隆起区是一个勘探新区，区内构造众多[12-13]，勘探潜力巨大。中国学者对别什肯特坳陷及邻区中上侏罗统烃源岩进行了研究[14-15]，但是关于中下侏罗统烃源岩的研究未见相关报道。为此，笔者通过钻井岩心样品有机地球化学分析，研究了中下侏罗统烃源岩生烃潜力及其形成环境，恢复了别什肯特坳陷中侏罗统烃源岩热演化史，以期为阿姆河盆地油气勘探提供参考，为中亚煤成气聚集域对比研究提供依据。

1 区域地质背景

阿姆河盆地面积为45×104km2，构造上划分为科佩达克、穆尔加布、扎翁古兹与别什肯特4 个坳陷，查尔朱与布哈拉2 个断阶带以及卡拉库姆和卡拉比尔2 个隆起。研究区位于阿姆河盆地东北缘，构造上隶属于别什肯特坳陷与查尔朱阶地及其相邻区（图1）。阿姆河盆地自下而上主要发育了中下侏罗统赫塘阶—巴通阶碎屑岩、中上侏罗统卡洛夫阶—牛津阶碳酸盐岩、上侏罗统基末利阶—提塘阶盐膏岩、白垩系海相碎屑岩和碳酸盐岩及古近系—第四系碎屑岩。中上侏罗统卡洛夫—牛津阶石灰岩与基末利阶盐膏岩形成良好储盖组合[8,10-11]。

阿姆河盆地别什肯特坳陷中—下侏罗统沉积相由海陆过渡相逐渐过渡到海相[16]。赫塘阶—巴通阶上段（J1-2hb）岩性以泥岩为主，夹薄层粉砂岩、碳质泥岩，为海陆过渡相[17]；向上灰质含量逐渐增加，为灰质泥岩。卡洛夫阶下段（J2kdown）以泥质石灰岩为主，卡洛夫阶上段（J2kup）为石灰岩，为浅海相—海相[18]（图1）。

2 有机地球化学特征

笔者本次研究的样品取自于J1-2hb和J2kdown。J1-2hb样品为灰黑色、深灰色泥岩，J2kdown样品为泥质石灰岩和灰质泥岩（表1）。

表1 中下侏罗统烃源岩地球化学数据表

2.1 有机质丰度

J1-2hb泥岩样品总有机碳含量（TOC）介于0.50%～3.53%（表1），平均值为1.27%；生烃潜量（S1＋S2）介于0.66～6.82 mg/g，平均值为2.37 mg/g（图2）；氯仿沥青“A”含量为0.431%，总烃含量为850 μg/g。

图2 中下侏罗统烃源岩TOC 与S1 ＋S2 关系图

J2kdown泥质石灰岩、灰质泥岩样品TOC介于0.19%～0.39%，平均值为0.27%；S1＋S2介于0.16～0.82 mg/g，平均0.41 mg/g；氯仿沥青“A”除个别较高值以外，大部分介于0.025%～0.079%，平均值为0.050%；总烃含量大部分介于123～460 μg/g，平均值为288.8 μg/g。按照烃源岩评价标准[19-20]，J1-2hb泥岩为一般到好烃源岩，J2kdown泥质石灰岩不能作为有效烃源岩。

2.2 有机质类型

中下侏罗统烃源岩干酪根H/C 原子比偏低（小于1.0），O/C 原子比偏高（图3-a）。从H/C—O/C 原子比关系看，中下侏罗统烃源岩似乎应为腐殖型烃源岩。J1-2hb泥岩样品氢指数介于60～160 mg/g，J2kdown灰质泥岩、泥质石灰岩样品氢指数介于46～87 mg/g，氢指数偏低。从氢指数（HI）与最高热解温度（Tmax）的关系看，J1-2hb泥岩样品有机质类型为偏腐殖混合型，J2kdown泥质石灰岩样品有机质类型似乎是腐殖型（图3-b）。

图3 中下侏罗统烃源岩H/C—O/C 和HI—Tmax 关系图

干酪根显微组分分析结果表明，J1-2hb泥岩样品以腐殖无定型为主，平均占73%，壳质碎屑体平均占1%，正常镜质体介于17%～19%，惰性组介于6%～8%，类型系数介于16～17，有机质类型为偏腐殖混合型。

J1-2hb泥岩样品干酪根和氯仿沥青碳同位素δ13C较轻，一般介于－27.2‰～－28.2‰（图4），根据参考文献[21-22]，为偏腐殖混合型烃源岩；J2kdown泥质石灰岩样品干酪根和氯仿沥青抽提物碳同位素δ13C变化范围较大，在－24.5‰～－29.7‰，一般情况下，族组分的碳同位素δ13C 表现为饱和烃、芳香烃、非烃、沥青质均小于干酪根的特征[21]，即干酪根碳同位素稍重于族组分同位素。为此，根据干酪根同位素划分有机质类型标准[21-22]，J2kdown泥质石灰岩可能为偏腐殖混合型干酪根，与干酪根显微组分分析结果一致。

图4 中下侏罗统烃源岩样品干酪根及抽提物碳同位素图

综上分析表明，J1-2hb泥岩样品氢指数、干酪根显微组分和碳同位素特征表现为偏腐殖混合型烃源岩，但是H/C 原子比和氢指数偏低，而J2kdown泥质石灰岩样品H/C 原子比和氢指数均偏低，与干酪根组分和碳同位素分析反应的烃源岩类型不一致。考虑多数J2kdown泥质石灰岩样品热解峰温小于435 ℃（表1），这是有机质热演化未成熟的标志，与镜质体反射率和生物标志化合物反应的有机质成熟度是不一致的（见2.3 节），用这些数据的H/C 原子比来判识有机质类型是不可靠的。同时，由于烃源岩已经大量生烃，也可能导致H/C 原子比降低，因此，有机质类型划分应该以干酪根显微组分和碳同位素为准，即J1-2hb泥岩和J2kdown泥质石灰岩有机质类型均为偏腐殖混合型烃源岩。

2.3 有机质成熟度

镜质体反射率（Ro）是反映热演化程度最好的指标，研究区样品镜质体反射率主要介于0.7%～1.1%（图5），J1-2hb泥岩最高热解温度主要介于444～457 ℃（图3-b），说明烃源岩已成熟，处于生液态烃高峰阶段。

图5 中下侏罗统烃源岩镜质体反射率分布图

可溶有机物碳奇偶优势比（OEP）和C29甾烷异构化是反映成熟度的常用指标。J1-2hb泥岩样品和J2kdown泥质石灰岩样品碳优势指数（CPI）值介于0.98～1.12，碳奇偶优势比介于0.95～1.03；C29甾烷20S/（20S＋20R）值介于0.42～0.45，C29甾烷ββ/（ββ＋αα）值介于0.40～0.42，接近于平衡值，根据本文参考文献[23]，为成熟烃源岩，与镜质体反射率和最高热解温度反映的成熟度一致。

3 烃源岩形成环境

生物标志化合物反映了有机质生源环境。别什肯特坳陷N10 井J1-2hb泥岩样品（井深4 315 m）正构烷烃以低碳数短链为主，气相色谱呈典型单峰分布（图6），碳数主要介于nC15～nC32，主峰碳一般为nC17，C21-/C22+和C21+22/C28+29比值分别为1.91 和3.12，低碳烷烃反映了J1-2hb泥岩烃源岩有机质来源于菌藻类生源[23-24]。

图6 N10 井J1-2hb 泥岩气相色谱图

N10 井J1-2hb泥岩样品（井深4 315 m）C27、C28、C29规则甾烷呈“V”字形，并且C27甾烷异构体化合物含量高于C29甾烷（图7-a）。J1-2hb泥岩C19—C23三环萜烷高，四环萜烷含量较高，而γ-蜡烷含量低（图7-b），反映了J1-2hb泥岩烃源岩有机质来自海相菌藻类生源[24]。

图7 N10 井J1-2hb 泥岩气相质谱图

N10 井J1-2hb泥岩样品表现出了姥鲛烷优势（图6），Pr/Ph 值为1.27，Pr/nC17值为0.37，Ph/nC18值为0.34，指示J1-2hb泥岩烃源岩形成于弱还原环境[25]。孕甾烷含量高（图7-a），反映了有机质形成于高盐度环境。

芳香烃芴系列、氧芴（二苯并呋喃）系列和硫芴（二苯并噻吩）系列生物标志化合物相对组成特征常用来表征烃源岩沉积环境的变化。陆相淡水—微咸水湖相烃源岩的芴含量较高，沼泽相煤的氧芴含量较高，盐湖相和海相烃源岩的硫芴含量较高[26-27]。N10 井J1-2hb泥岩样品（井深4 315 m）硫芴含量高，为76.51%，氧芴含量9.12%，芴含量14.35%（图8），反映了高盐度的还原环境。

图8 N10 井J1-2hb 泥岩芳烃气相质谱图

综上分析表明，J1-2hb泥岩有机质生源来自海相菌藻类，为高盐度还原环境。但是，可溶有机物族组分分析表明，J1-2hb泥岩样品可溶有机质族组分饱和烃含量为4.998%，芳香烃含量14.718%，饱和烃/芳香烃为0.34，芳香烃占优势，并且饱和烃以低碳数短链为主，说明J1-2hb泥岩有机质可能来源于宏观底栖藻类[20,24]，形成于水体较浅的潟湖环境。

4 生烃史与勘探意义

选取N10 井J1-2hb泥岩烃源岩作为模拟样品，在镜质体反射率约束下，恢复中下侏罗统烃源岩热演化史。模拟结果（图9）表明，中下侏罗统烃源岩早白垩世晚期（距今115 Ma）Ro达到0.5%的生烃门限值，进入低成熟阶段，开始生烃。随着盆地沉降，在晚白垩世晚期（距今70 Ma），Ro值达0.8%，有机质成熟，进入生烃高峰期，现今热演化程度超过1.0%，仍处于热演化生烃高峰阶段。前已述及，别什肯特坳陷J1-2hb烃源岩有机质类型为偏腐殖混合型，热演化成熟阶段以生气为主，兼生油。

图9 N10 井中下侏罗统烃源岩生烃史图

烃源岩生烃高峰时期与圈闭形成的匹配关系对圈闭能否充满油气具有重要意义，古近纪末期的新特提斯闭合事件，别什肯特坳陷及相邻的基萨尔褶皱隆起区构造圈闭形成[12-13,28]，从中下侏罗统烃源岩热演化生烃史来看，别什肯特坳陷J1-2hb泥岩烃源岩在晚白垩世晚期达到生烃门限，现今仍处于生烃高峰阶段。因此，别什肯特坳陷及相邻基萨尔褶皱隆起带圈闭均为油气有利运聚对象。

根据N10 井钻井资料及相关文献[29]统计，在别什肯特坳陷及相邻的基萨尔褶皱隆起，中下侏罗统泥岩厚度介于100～200 m，大面积分布，中下侏罗统烃源岩生油气潜力巨大。前期研究结果也认为别什肯特坳陷上侏罗统烃源岩具有良好的生油潜力[14-15]，阿姆河盆地东北部的查尔朱阶地和布哈拉阶地天然气主要来自盆地内部的扎翁古兹坳陷[8,10-11]。笔者研究认为别什肯特坳陷中下侏罗统烃源岩对东北部断阶带烃类成藏不可忽视。

别什肯特坳陷及邻区中下侏罗统发育了泥岩夹砂岩、粉砂岩，单层厚度介于10～20 m[17]，砂岩、粉砂岩被大段优质泥岩烃源岩所夹持，虽然储层物性较差[30]，但是气源充足。因此，中下侏罗统油气勘探应该以寻找致密气为主，埋藏浅、储层物性相对较好的区块是天然气勘探前景区，应该突破常规天然气勘探，开辟非常规天然气勘探新领域。