準噶爾盆地石樹溝凹陷二疊系平地泉組烴源巖地球化學特征及形成條件

曾文人,陳 璇,付國斌,王志勇,金 穎,陳 雪,王柏然,黃志龍,張枝煥

( 1. 中國石油大學(北京) 地球科學學院,北京 102249; 2. 中國石油大學(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249; 3. 中國石油吐哈油田分公司 勘探開發研究院,新疆 哈密 839009 )

0 引言

準噶爾盆地為中國西北部重要的含油氣盆地,其二疊紀地層頁巖油氣勘探取得重大突破,西北緣二疊系風城組、東部地區二疊系蘆草溝組和平地泉組為典型的頁巖油富集區[1-4]。有關研究主要集中于瑪湖凹陷風城組和吉木薩爾凹陷蘆草溝組富有機質細粒沉積巖,兩套烴源巖形成于咸化湖相沉積體系,有機質豐度高、類型好,以內源藻類來源為主,奠定準噶爾盆地頁巖油勘探的物質基礎[5-6]。準噶爾盆地東部地區克拉美麗山前二疊系平地泉組與吉木薩爾凹陷蘆草溝組形成于相似的沉積環境,同樣賦存高豐度的烴源巖,分布一定規模的油氣藏[7-9],具有形成一定規模頁巖油藏的有利條件。目前,準噶爾盆地東部地區克拉美麗山前二疊系平地泉組的研究程度很低,油氣勘探未取得重大突破,主要原因是對克拉美麗山前地區平地泉組的基礎地質研究比較薄弱,特別是對其烴源巖的地球化學特征和形成環境等方面的研究有待深化。

石樹溝凹陷位于準噶爾盆地東部克拉美麗山前地區,主力烴源巖層位于中二疊統平地泉組,具有廣闊的致密油和頁巖油勘探前景[7-10]。人們對平地泉組烴源巖生烴潛力及形成環境進行研究,袁波等[7]研究石樹溝凹陷平地泉組烴源巖地球化學特征,認為平一和平二段烴源巖有機質豐度較高、類型較好,具有較高的生烴潛力,處于低熟—成熟階段;周鑫[11]研究烴源巖巖石礦物學和無機地球化學特征,認為石樹溝凹陷平地泉組烴源巖沉積于鹽度較高的湖相環境;樊婷婷等[12]進行薄片鑒定和電子探針分析,認為石樹溝凹陷平地泉組“環帶狀”方沸石的出現,反映烴源巖沉積時期受熱液噴流作用的影響。目前,對石樹溝凹陷平地泉組不同層段烴源巖生烴條件、優質烴源巖分布特征及形成環境等方面的研究較薄弱,制約研究區油氣勘探與油氣資源潛力評價。

筆者選取石樹溝凹陷石樹1和石樹4井的30個巖心樣品,采用總有機碳質量分數、巖石熱解、有機質巖石學和飽和烴氣相色譜—質譜等實驗,分析研究區平一和平二段烴源巖地球化學特征、生烴潛力、沉積環境和有機母質來源,揭示平地泉組優質烴源巖的形成條件,為研究區中二疊統優質烴源巖分布預測、資源潛力評價和油氣源對比提供地球化學依據。

1 區域地質概況

準噶爾盆地東部隆起帶在北部克拉美麗山和南部博格達山之間(見圖1(a)),面積約為3×104km2[13]。早泥盆世晚期,克拉美麗山向北俯沖,于早石炭世閉合形成前陸型盆地[12]。中二疊世,準噶爾盆地東部地區受造山后應力松弛構造環境的影響,在克拉美麗山前和博格達山前形成多個沉積與沉降中心,沙奇凸起分隔北部和南部的沉積凹陷。經歷印支、燕山及喜山運動,北東—南西向的擠壓應力導致強烈的斷裂活動,研究區發育控制構造帶及局部構造的主要斷層,并形成現今凹凸相間的“棋盤式”構造格局[14-16]。石樹溝凹陷位于“棋盤式”構造格局的西北部,西臨沙帳斷褶帶,東接黃草湖凸起,北抵克拉美麗山,南臨沙奇凸起(見圖1(a))。

圖1 準噶爾盆地石樹溝凹陷構造位置及地層綜合柱狀圖(據文獻[13]修改)Fig.1 Tectonic location and stratigraphic column of Shishugou Sag, Junggar Basin(modified by reference[13])

石樹溝凹陷中二疊統平地泉組自下而上分為三段(平一段、平二段、平三段)(見圖1(b)),其中,平一段(P2p1)和平二段(P2p2)主要發育淺湖—半深湖沉積,為平地泉組富有機質烴源巖發育層段。平一段巖性主要為深灰色白云質泥巖、泥巖,并夾薄層粉、細砂巖,砂泥互層頻繁,富有機質烴源巖厚度為15～60 m;平二段巖性主要為深灰色白云質泥巖、泥巖,與砂巖、粉砂巖呈交互沉積,頂部砂巖厚度增大,富有機質烴源巖厚度為20～70 m;平三段(P2p3)主要發育區域性濱淺湖沉積,巖層厚度較大,上部泥巖較發育,有機質豐度較低[7,16]。

2 樣品與實驗

選取石樹溝凹陷石樹1和石樹4井P2p1和P2p2不同深度具有代表性的烴源巖樣品30個,樣品巖性主要為泥巖和白云質泥巖,其中包括P2p1樣品10個,P2p2樣品20個。

選取30個烴源巖樣品進行總有機碳質量分數(w(TOC))和巖石熱解分析,總有機碳質量分數采用Leco CS-230碳硫儀進行測試分析,巖石熱解采用Rock-Eval 6熱解儀進行測試分析。在總有機碳質量分數和巖石熱解分析的基礎上,選取部分泥巖和白云質泥巖樣品進行有機顯微組分檢測和鏡質體反射率測定,分別在Leica DM4500 P顯微鏡下進行形態及光性特征觀察并完成顯微組分鑒定,在Leica DM4500 P顯微鏡外置J&M光度計下進行測定,采用雙標法進行鏡質體反射率測定。

選取14個具有代表性的樣品進行有機質的抽提與分離,對分離的飽和烴樣品進行飽和烴氣相色譜—質譜分析,分析儀器為Agilent 6890 GC-Agilent 5975i MS,載氣為氦氣,色譜柱為HP-5MS熔硅彈性毛細柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm)。溫度由50 ℃升至310 ℃,升溫速率為3 ℃/min,在310 ℃恒溫25 min。質譜分析條件:離子源采用電子轟擊(EI)方式,電離電壓為70 eV。

樣品實驗分析在中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室完成,總有機碳質量分數、巖石熱解、飽和烴氣相色譜—質譜分析、有機顯微組分和鏡質體反射率測定標準分別按照GB/T 19145—2022《沉積巖中總有機碳測定》、GB/T 18602—2012《巖石熱解分析》、GB/T 18606—2017《氣相色譜—質譜法測定沉積物和原油中生物標志物》、SY/T 5125—2014《透射光—熒光干酪根顯微組分鑒定及類型劃分方法》和SY/T 5124—2012《沉積巖中鏡質體反射率測定方法》進行。

3 烴源巖地球化學特征

3.1 有機質豐度

有機質豐度通常反映烴源巖中有機質的質量分數,衡量有機質豐度的指標一般有總有機碳質量分數(w(TOC))和生烴潛量(S1+S2)等[17-19]。石樹溝凹陷平一段烴源巖中w(TOC)介于0.79%～4.85%,平均為2.19%;S1+S2介于1.22～19.42 mg/g,平均為7.34 mg/g。平二段烴源巖中w(TOC)介于1.72%～11.12%,平均為6.91%;S1+S2介于3.55～75.84 mg/g,平均為38.11 mg/g(見表1)。研究區平一和平二段烴源巖有機質豐度整體較高,平一段烴源巖有機質豐度整體低于平二段的,平一段烴源巖主要為中等—好烴源巖,平二段烴源巖主要為好—極好烴源巖(見圖2)。

表1 準噶爾盆地石樹溝凹陷平地泉組烴源巖有機地球化學數據Table 1 Organic geochemical data of source rocks from Pingdiquan Formation in Shishugou Sag, Junggar Basin

續表1

圖2 準噶爾盆地石樹溝凹陷平地泉組烴源巖w(TOC)與S1+S2關系Fig.2 Plot of w(TOC) versus S1+S2 of source rocks from Pingdiquan Formation in Shishugou Sag, Junggar Basin

3.2 有機質類型

有機質類型通常反映有機母質輸入類型,間接反映烴源巖的生油氣能力,一般可以根據烴源巖熱解參數和顯微組分組成,對低熟—中等成熟階段烴源巖的有機質類型進行有效判別[17,20]。石樹溝凹陷平一段烴源巖中HI介于114～414 mg/g,平均為246 mg/g,顯微組分主要由腐泥組組成,其次為鏡質組和惰質組,殼質組的質量分數相對較低;平二段烴源巖中HI介于106～751 mg/g,平均為492 mg/g,顯微組分中腐泥組占比相對較高(見表1)。研究區平一段烴源巖有機質類型主要為Ⅱ1和Ⅱ2型,平二段烴源巖有機質類型主要為Ⅰ和Ⅱ1型,表明平一和平二段烴源巖生油氣能力整體較好,平一段烴源巖生油氣能力低于平二段的(見圖3)。

3.3 有機質成熟度

有機質成熟度通常反映烴源巖中有機質的熱演化程度,烴源巖達到一定的熱演化階段才能生烴,一般用鏡質體反射率(Ro)及巖石熱解參數中熱解峰溫tmax指示烴源巖的熱演化程度[17,21]。石樹溝凹陷平一段烴源巖Ro介于0.68%～0.75%,平均為0.71%;tmax介于418～448 ℃,平均為439 ℃。平二段烴源巖Ro介于0.61%～0.75%,平均為0.68%;tmax介于433～452 ℃,平均為442 ℃(見表1)。甾類化合物中C29甾烷ββ/(ββ+αα)和C29甾烷20S/(20S+20R)可以反映烴源巖的熱演化程度,二者隨熱演化程度增加而增大[22]。平一段烴源巖中C29甾烷ββ/(ββ+αα)介于0.23～0.39,平均為0.34,C29甾烷20S/(20S+20R)介于0.40～0.48,平均為0.45;平二段烴源巖中C29甾烷ββ/(ββ+αα)介于0.21～0.39,平均為0.29,C29甾烷20S/(20S+20R)介于0.35～0.48,平均為0.43(見表2)。研究區平一和平二段烴源巖整體處于低熟—成熟階段。

4 烴源巖形成條件

生物標志物是沉積物或巖石中來源于生物體,在演化過程中記載原始生物母質碳骨架的特殊分子結構信息的有機化合物,組成受有機質生物輸入源和沉積環境的共同影響。因此,可以用生物標志物的組成及參數分布特征指示有機質的生物輸入源和沉積環境等信息[22]。

4.1 沉積環境

姥鮫烷(Pr)和植烷(Ph)的比值通常反映有機質沉積時水體的氧化還原條件。Pr/Ph<1指示偏還原的沉積環境,Pr/Ph>3指示偏氧化的沉積環境[23]。石樹溝凹陷平一段烴源巖中Pr/Ph介于1.10～1.73,平均為1.36;平二段烴源巖中Pr/Ph介于1.38～1.62,平均為1.48(見表2),表明主要形成于弱氧化—弱還原沉積環境。Pr/nC17與Ph/nC18反映氧化還原條件[24-25](見圖4)。由圖4可以看出,研究區平一和平二段烴源巖整體形成于弱氧化—弱還原沉積環境,與Pr/Ph反映結果一致。

圖4 準噶爾盆地石樹溝凹陷平地泉組烴源巖Ph/nC18與Pr/nC17關系Fig.4 Plot of Ph/nC18 versus Pr/nC17 of source rocks from Pingdiquan Formation in Shishugou Sag, Junggar Basin

伽馬蠟烷(Ga)是一種五環三萜烷,主要來源于食菌纖毛蟲在分層水體條件下合成的四膜蟲醇,水體分層通常由鹽度分層導致,伽馬蠟烷的富集可以作為水體分層、高鹽度沉積環境的標志。目前,一般用伽馬蠟烷指數(Ga/C30藿烷)指示水體鹽度的高低,Ga/C30藿烷小于0.1、0.1～0.2、0.2～0.4和大于0.4時分別指示淡水、微咸水、半咸水和咸水環境[26-28]。石樹溝凹陷平一段烴源巖中Ga/C30藿烷介于0.22～0.48,平均為0.37;平二段烴源巖中Ga/C30藿烷介于0.05～0.29,平均為0.18(見表2)。在平一到平二段沉積時期,伽馬蠟烷含量逐漸降低,即水體鹽度逐漸降低。平一段烴源巖形成于半咸水—咸水水體分層環境,平二段烴源巖主要形成于微咸水—半咸水水體分層環境(見圖5、圖6(b))。隨水體鹽度增加,水體還原性增強,平一段水體鹽度明顯高于平二段的,二者氧化還原條件無明顯差異。由有機顯微組分的差異(見表1)可以看出,平一段的陸源碎屑輸入相對較多,導致水體保存條件遭受一定程度的破壞,造成平一段水體的還原性未明顯強于平二段的。

圖5 準噶爾盆地石樹溝凹陷平地泉組烴源巖Pr/Ph與Ga/C30藿烷關系Fig.5 Plot of Pr/Ph versus Ga/C30 hopane of source rocks from Pingdiquan Formation in Shishugou Sag, Junggar Basin

圖6 準噶爾盆地石樹溝凹陷平地泉組石樹4井烴源巖飽和烴氣相色譜—質譜圖Fig.6 Gas chromatography-mass spectrometry of saturated hydrocarbons of source rocks of well Shishu 4 Pingdiquan Formation, Shishugou Sag, Junggar Basin

β-胡蘿卜烷來源于β-胡蘿卜烯,可以指示干旱條件下咸化水體分層環境[29]。與平二段烴源巖相比,平一段烴源巖中β-胡蘿卜烷富集程度高于平二段的(見圖6(a)),表明平一段烴源巖沉積時期氣候干旱程度可能相對較高,水體鹽度也相對較高,與Ga/C30藿烷反映的結果一致。

石樹溝凹陷平一和平二段烴源巖氧化還原條件相差不大,整體沉積于弱氧化—弱還原沉積環境,水體鹽度較高,相對較高的Ga/C30藿烷和β-胡蘿卜烷的富集表明水體鹽度具有分層特征[27-29],二者水體鹽度條件具有一定差異,平一段烴源巖形成于半咸水—咸水水體分層環境,平二段烴源巖主要形成于微咸水—半咸水水體分層環境。

4.2 有機母質來源

古湖泊水體中有機母質來源一般為藻類、細菌等低等生物和陸源高等植物,根據生物標志物中正構烷烴、萜類、甾類化合物的組成特征進行分析。

石樹溝凹陷平一和平二段烴源巖整體處于低熟—成熟階段,根據正構烷烴的碳數分布特征反映烴源巖中有機母質輸入的類型組合[30]。研究區平一和平二段烴源巖中正構烷烴主峰碳主要為nC21和nC23,屬于前單峰型分布特征(見圖6(a))。平一段烴源巖中nC21-/nC22+介于0.65～0.92,平均為0.82;平二段烴源巖中nC21-/nC22+介于0.60～1.54,平均為1.10(見表2),指示有機質輸入以藻類等低等水生生物為主,有部分陸生植物生物輸入源[31]。研究區平一和平二段烴源巖有機質為水生有機質和陸源有機質混合輸入(見圖4)。

規則甾烷的分布特征也常被用于反映有機母質來源[32-33],C27規則甾烷指示藻類等低等水生生物輸入[34],C28規則甾烷指示硅藻類等含有葉綠素c的水生生物輸入[35],C29規則甾烷指示陸生植物輸入[36-37],也可能來源于藍藻等水生生物[38-39]。石樹溝凹陷平一段烴源巖中規則甾烷整體呈C27

研究區平地泉組烴源巖中C28規則甾烷的相對豐度較高,表明平一和平二段烴源巖有機質中硅藻類等浮游生物輸入的貢獻較大,與平一段烴源巖相比,平二段烴源巖有機質中硅藻類等水生生物輸入貢獻略有降低;低豐度的長鏈正構烷烴(nC27-31)和有機顯微組分中低含量的陸源組分,表明陸源有機質的貢獻較低,因此,相對豐度較高的C29規則甾烷并不完全來源于陸生植物,可能更多來源于藍藻等水生生物[38-39]。古微生物研究表明,準噶爾盆地東部地區中二疊統烴源巖中較高豐度的C29規則甾烷主要來源于藍藻等水生生物[39-41],C29規則甾烷的相對豐度較高,表明研究區平一和平二段烴源巖有機質中藍藻等水生生物的輸入貢獻較大;由于烴源巖中C27規則甾烷的相對豐度普遍偏低,推測平一和平二段烴源巖有機質中除硅藻和藍藻外,其他藻類等低等水生生物的輸入貢獻相對較小。平二段烴源巖中C27規則甾烷的相對豐度明顯高于平一段的,表明其他藻類等低等水生生物的輸入貢獻相對增加。

石樹溝凹陷平一和平二段烴源巖的有機質輸入以藻類等低等水生生物為主,其次為陸源高等植物。平一和平二段烴源巖中藍藻、硅藻等水生生物貢獻較大。與平一段烴源巖相比,平二段烴源巖中C27規則甾烷的其他藻類有機質輸入貢獻增大,硅藻、藍藻等水生生物有機質輸入相對減少。

4.3 油源對比

石樹溝凹陷平一和平二段烴源巖有機母質生源及沉積環境存在較大差別,生物標志物組成特征存在較明顯的差別(見表3)。平一段烴源巖具有較高的Pr/nC17、Ph/nC18和Ga/C30藿烷,較低的C27/C29規則甾烷,規則甾烷整體呈C27規則甾烷相對豐度較低的“上升型”分布特征;平二段烴源巖具有較低的Pr/nC17、低的Ph/nC18,低—中等的Ga/C30藿烷,中等—高的C27/C29規則甾烷,規則甾烷整體呈C27規則甾烷相對豐度升高的“上升型”或“反L型”分布特征。這些差別較好區分兩套烴源巖生成的原油,為石樹溝凹陷平地泉組油源對比提供地球化學依據。

表3 準噶爾盆地石樹溝凹陷平地泉組烴源巖部分生物標志物參數Table 3 Some biomarker parameters of source rocks from Pingdiquan Formation in Shishugou Sag, Junggar Basin

5 結論

(1)準噶爾盆地石樹溝凹陷二疊系平地泉組一段烴源巖有機質豐度中等—較高,有機質類型主要為Ⅱ1和Ⅱ2型;平地泉組二段烴源巖有機質豐度很高,有機質類型主要為Ⅰ和Ⅱ1型。平一和平二段烴源巖整體處于低熟—成熟階段。

(2)石樹溝凹陷平一和平二段烴源巖有機質中藍藻、硅藻等低等水生生物的生源貢獻較大,平二段烴源巖有機質中其他藻類等水生生物的生源貢獻明顯增加;平一段烴源巖沉積于半咸水—咸水條件下的弱氧化—弱還原湖相環境,平二段烴源巖沉積于微咸水—半咸水條件下的弱氧化—弱還原湖相環境,湖盆水體具有鹽度分層的特征。

(3)石樹溝凹陷平一和平二段烴源巖具有兩種不同的生物標志物組成特征。平一段烴源巖具有較高的Pr/nC17、Ph/nC18和Ga/C30藿烷,較低的C27/C29規則甾烷的特征;平二段烴源巖具有較低的Pr/nC17、低的Ph/nC18,低—中等的Ga/C30藿烷,中等—高的C27/C29規則甾烷的特征?？捎糜趨^分研究區兩套烴源巖生成的原油,為油源對比提供地球化學依據。