吉木薩爾凹陷蘆草溝組泥質(zhì)巖類生烴潛力差異性分析

王成云 匡立春 高 崗 崔 瑋 孔玉華 向?qū)毩?柳廣弟

(1．中國(guó)石油大學(xué)油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249;2．新疆油田公司 新疆克拉瑪依 834000)

隨著全球非常規(guī)油氣勘探開(kāi)發(fā)的進(jìn)展，致密油成為了繼頁(yè)巖氣之后的又一新熱點(diǎn)［1，2］，被石油工業(yè)界譽(yù)為“黑金”［3］。致密油是指以吸附或游離狀態(tài)賦存于生油巖中，或與生油巖互層、緊鄰的致密砂巖、致密碳酸鹽巖等儲(chǔ)集巖中，未經(jīng)過(guò)大規(guī)模長(zhǎng)距離運(yùn)移的石油聚集［4］。在美國(guó)，致密油的勘探開(kāi)發(fā)得到了高度重視，2008年Williston盆地Bakken組致密油實(shí)現(xiàn)規(guī)模開(kāi)發(fā)，該突破被確定為全球十大發(fā)現(xiàn)之一［2］。美國(guó)致密油勘探的成功極大的促進(jìn)了非常規(guī)油氣勘探理論的發(fā)展，并掀起了中國(guó)致密油勘探的熱潮。實(shí)際上，致密油資源在中國(guó)主要盆地廣泛分布，目前已獲得了一些重要的勘探發(fā)現(xiàn)，具有形成規(guī)模儲(chǔ)量和有效開(kāi)發(fā)的條件。但是中國(guó)致密油的勘探開(kāi)發(fā)和相關(guān)研究仍處于準(zhǔn)備階段，對(duì)常規(guī)的烴源巖層系的精細(xì)評(píng)價(jià)還需深入研究。準(zhǔn)噶爾盆地中二疊統(tǒng)蘆草溝組致密油發(fā)現(xiàn)于20世紀(jì)80年代中期，主要分布在盆地南緣的博格達(dá)山前凹陷和吉木薩爾凹陷［4］。近兩年，在吉木薩爾凹陷蘆草溝組陸續(xù)取得重大勘探發(fā)現(xiàn)，本文從有機(jī)地球化學(xué)的角度探討吉木薩爾凹陷蘆草溝組不同泥質(zhì)烴源巖的生烴潛力，為致密油的勘探提供地質(zhì)依據(jù)。

1 地質(zhì)背景

吉木薩爾凹陷位于準(zhǔn)噶爾盆地東部，被吉木薩爾斷裂、老莊彎斷裂、三臺(tái)斷裂、西地?cái)嗔鸭耙恍┲行⌒蛿嗔阉鶌A持，東面受地層控制，由西部深洼陷區(qū)和東部斜坡帶構(gòu)成(圖1)［5］。吉木薩爾凹陷蘆草溝組地層全凹陷分布，為一套以半深湖—深湖相沉積為主，局部為濱淺湖或?yàn)?、三角洲前緣席狀砂沉積的地層，是該凹陷最主要的烴源巖，厚度大、面積廣，厚度大于200 m的有利區(qū)面積達(dá)806 km2。該套烴源巖巖性多變、礦物成分多樣、多為過(guò)渡性巖類，本文主要研究泥巖類烴源巖的生烴特征，將泥巖類烴源巖劃分為純泥巖、砂質(zhì)泥巖、灰質(zhì)泥巖和白云質(zhì)泥巖，從有機(jī)質(zhì)豐度、類型及演化程度的角度，比較四類泥巖的生烴潛力特征，優(yōu)選出生烴潛力較好的巖性。

圖1 吉木薩爾凹陷蘆草溝組構(gòu)造簡(jiǎn)圖Fig．1 Tectonic map of Lucaogou Formation in Jimusar sag

2 不同泥質(zhì)巖類有機(jī)質(zhì)豐度對(duì)比

有機(jī)質(zhì)豐度可以反映巖石中有機(jī)質(zhì)的相對(duì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)，能夠衡量和評(píng)價(jià)巖石的生烴潛力［6］，高的有機(jī)質(zhì)豐度是烴源巖生烴的基礎(chǔ)，而有機(jī)碳含量(TOC)、巖石熱解參數(shù)(S1+S2)、氯仿瀝青"A"含量等是評(píng)價(jià)有機(jī)質(zhì)豐度的重要指標(biāo)。研究區(qū)樣品的測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)如下表1。

根據(jù)研究區(qū)樣品測(cè)試結(jié)果統(tǒng)計(jì)分析(表1)，不同巖性泥巖的有機(jī)碳(TOC)含量平均值均高達(dá)3%以上，純泥巖的TOC平均含量最高為3．82%，其次是灰質(zhì)泥巖TOC平均含量為3．57%，再次為砂質(zhì)泥巖TOC平均含量為3．53%，云質(zhì)泥巖的TOC平均含量最低為3．36%。四種巖性泥巖的有機(jī)碳(TOC)含量分布范圍均較大，純泥巖、灰質(zhì)泥巖和砂質(zhì)泥巖的有機(jī)碳含量最大值均超過(guò)10%，灰質(zhì)泥巖有機(jī)碳含量最高值達(dá)12．31%，云質(zhì)泥巖的分布范圍相對(duì)較窄，但最低值相對(duì)較高為0．44%，最高值為8．91%。不同巖性泥巖熱解S1+S2分布范圍也很大，與有機(jī)碳含量的分布特征類似(圖2)，灰質(zhì)泥巖的熱解S1+S2的分布區(qū)間最大，最大值高達(dá)70．6 mg/g，云質(zhì)泥巖的分布范圍仍較窄，分布在 0．47～40．69 mg/g之間。各種巖性熱解S1+S2的均值均較大，但純泥巖的熱解S1+S2的均值明顯高另外三種泥巖的熱解S1+S2。純泥巖的熱解S1+S2的均值為17．73 mg/g，而云質(zhì)泥巖、灰質(zhì)泥巖與砂質(zhì)泥巖的熱解S1+S2的均值分別為13．49 mg/g、13．7 mg/g與 14．30 mg/g。氯仿瀝青“A”的測(cè)試樣品相對(duì)較少，就已有的數(shù)據(jù)分析，純泥巖與云質(zhì)泥巖的氯仿瀝青“A”含量較其他兩類泥巖明顯偏高，平均值均大于0．3%。但是灰質(zhì)泥巖與砂質(zhì)泥巖氯仿瀝青“A”含量亦達(dá)到了較高水平，均值分別為0．29%與0．24%。由上述分析可見(jiàn)，三種指標(biāo)分析的結(jié)果相似，不同巖性泥巖均具有較高的有機(jī)質(zhì)豐度，按照傳統(tǒng)的陸相烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)［7，8］，多達(dá)到了較好—好烴源巖水平。相比較而言，純泥巖有機(jī)質(zhì)豐度較高，可能具有較高的生烴潛力。

表1 研究區(qū)不同泥質(zhì)烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度統(tǒng)計(jì)表Table 1 Statistical table of organic matter abundance of different kinds mudstone in study area

3 不同泥質(zhì)巖類有機(jī)質(zhì)類型與成熟度對(duì)比

圖2 不同巖性泥巖有機(jī)碳含量(TOC)、巖石熱解參數(shù)(S1+S2)及氯仿瀝青"A"含量箱須圖Fig．2 The box chart of organic matter abundance，Rock-Eval parameters S1+S2，chloroform bitumen"A"content of different kinds source rock

有機(jī)質(zhì)豐度直接決定了烴源巖生烴物質(zhì)含量的多少，但一套烴源巖最終到底能生成多少油氣，不但只取決于烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度，它還與烴源巖中有機(jī)質(zhì)的類型相關(guān)。有機(jī)質(zhì)類型決定了烴源巖的生烴潛力。目前，確定有機(jī)質(zhì)類型的評(píng)價(jià)指標(biāo)包括很多種類，主要包括干酪根的元素組成、熱解氫指數(shù)(HI)—氧指數(shù)(OI)、類型指數(shù)(S2/S3)、干酪根顯微組分組成及其類型指數(shù)、干酪根碳同位素、飽和烴氣相色譜特征和生標(biāo)參數(shù)等。這些方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，故不應(yīng)分別和相互排斥的使用，而應(yīng)聯(lián)合使用。

因?yàn)椴煌瑤r性泥巖有機(jī)質(zhì)類型可能僅有細(xì)微的差異，為了提高不同泥巖有機(jī)質(zhì)的類型確定的準(zhǔn)確性和可信度，本文充分應(yīng)用目前掌握的分析測(cè)試資料，主要從干酪根顯微組分、干酪根元素特征、烴源巖熱解類型特征等多個(gè)方面入手對(duì)其進(jìn)行了評(píng)價(jià)和研究。

3．1 有機(jī)質(zhì)類型對(duì)比

用干酪根的H/C原子比和O/C原子比為縱、橫坐標(biāo)來(lái)繪制Van Krevelen圖以確定干酪根類型是目前應(yīng)用廣泛、行之有效的一種方法［9］。本文共收集了吉木薩爾凹陷9口井，96個(gè)樣品的干酪根元素分析數(shù)據(jù)，其中，純泥巖66個(gè)樣品，云質(zhì)泥巖9個(gè)樣品，灰質(zhì)泥巖15個(gè)樣品，砂質(zhì)泥巖6個(gè)樣品。據(jù)此，對(duì)吉木薩爾凹陷不同巖性泥巖干酪根類型進(jìn)行了初步劃分(圖3)。從圖中可看出，不同巖性泥巖干酪根類型均主要為Ⅰ型和Ⅱ型，純泥巖與灰質(zhì)泥巖有個(gè)別數(shù)據(jù)點(diǎn)落在Ⅲ型區(qū)域。

圖3 不同巖性泥巖干酪根元素分類范氏圖Fig．3 Relation of the atomic of hydrogen to carbon to that of oxygen to carbon for kerogens from different kinds mudstone

利用氫指數(shù)(HI)與最大裂解溫度(Tmax)劃分有機(jī)質(zhì)類型，是法國(guó)石油研究院根據(jù)不同有機(jī)質(zhì)類型、不同成熟度烴源巖中單位重量有機(jī)碳的生烴能力的差異提出的有機(jī)質(zhì)類型圖示法，其特點(diǎn)是簡(jiǎn)單明了，實(shí)用性強(qiáng)［10］。吉木薩爾凹陷蘆草溝組熱解資料相對(duì)豐富，此次共收集了10口井，236個(gè)分析數(shù)據(jù)，繪制了HI與Tmax關(guān)系圖(圖4)。由圖可見(jiàn)，純泥巖與云質(zhì)泥巖干酪根類型較好主要為Ⅰ型和Ⅱ1型，其中，云質(zhì)泥巖只有8個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)落在Ⅱ型范圍內(nèi)，沒(méi)有數(shù)據(jù)點(diǎn)落在Ⅲ區(qū)域?；屹|(zhì)泥巖與砂質(zhì)泥巖干酪根類型除了Ⅰ型和Ⅱ1型外，Ⅱ2型也是主要類型。

圖4 不同巖性泥巖Tmax與HI關(guān)系圖Fig．4 HI and Tmaxdiagram of Rock-Eval results for different kinds mudstone

干酪根碳同位素也是反映有機(jī)質(zhì)類型的一個(gè)重要指標(biāo)［11］。如圖5所示，不同巖性的干酪根碳同位素均主要分布在－28‰～－25‰之間，Ⅱ型干酪根均占50%以上。雖然都是以混合型為主，純泥巖的干酪根類型明顯好于其他巖性泥巖，約70%的樣品干酪根碳同位素小于－26‰，以偏腐泥型為主。砂質(zhì)泥巖只有四個(gè)樣品，分析結(jié)果偶然性比較大，但是有兩個(gè)樣品干酪根碳同位素大于－24‰，說(shuō)明砂質(zhì)泥巖的干酪根類型可能相對(duì)較差。

干酪根顯微組分特征及其含量不僅可以反映有機(jī)質(zhì)類型，還可以反映有機(jī)質(zhì)母質(zhì)對(duì)生烴的貢獻(xiàn)［12］。一般情況下，腐泥組和殼質(zhì)組為富氫組分，生烴潛力較高，鏡質(zhì)組為富氧組分，含氫量低，只利于生氣，生油潛力有限，惰質(zhì)組富碳貧氫不具有生烴潛力。研究區(qū)目的層的干酪根顯微組分分析樣品相對(duì)較少只有4口井的資料，以吉174井?dāng)?shù)據(jù)為主，缺少砂質(zhì)泥巖資料。如圖6所示，純泥巖和灰質(zhì)泥巖以富氫組分的腐泥組和殼質(zhì)組為主，平均含量高于60%，云質(zhì)泥巖的鏡質(zhì)組含量較高，平均含量將近50%。

綜合上述幾種方法分析，吉木薩爾凹陷蘆草溝組不同巖性泥巖總體母質(zhì)類型較好，以Ⅰ型和Ⅱ型為主，純泥巖干酪根類型最好，其次是灰質(zhì)泥巖和云質(zhì)泥巖，砂質(zhì)泥巖干酪根類型最差。

3．2 有機(jī)質(zhì)演化程度對(duì)比

有機(jī)質(zhì)的豐度決定了烴源巖生烴物質(zhì)基礎(chǔ)的多少，有機(jī)質(zhì)類型決定烴源巖的生烴潛力，但是能夠生成多少油或氣與烴源巖的演化程度有著密切的關(guān)系。本文結(jié)合研究區(qū)的鏡質(zhì)體反射率(Ro)和巖石熱解參數(shù)Tmax資料對(duì)不同巖性的泥巖成熟度進(jìn)行評(píng)價(jià)。研究區(qū)蘆草溝組不同巖性泥巖鏡質(zhì)體反射率(Ro)主要分布在 0．67% ～1．0%之間，Ro平均值在 0．85% ～0．88%之間，均處于成熟演化階段。不同巖性泥巖最大熱解峰溫Tmax平均值主要分布在445℃～448℃之間，沒(méi)有明顯差異。綜上，吉木薩爾凹陷蘆草溝組不同巖性泥巖演化程度沒(méi)有明顯差異，均主要處于成熟演化階段。

圖5 不同巖性干酪根碳同位素組分布圖Fig．5 The box chart of13δC of kerogens from different kinds mudstone

表2 不同泥質(zhì)巖類成熟度參數(shù)對(duì)比表Table 2 Correlation table of maturity parameters of different kinds mudstone

圖6 不同巖性泥巖顯微組分含量柱狀圖Fig．6 Frequency histograms of organic microscopic components of different kinds mudstone

4 不同泥質(zhì)烴源巖生烴潛力

烴源巖的生烴能力取決于很多因素，如烴源巖的分布厚度，有機(jī)質(zhì)類型、豐度、演化程度等，通常而言，烴源巖分布廣、厚度大、有機(jī)質(zhì)類型好、成熟度適中，則生烴潛力就大［13］。就宏觀地質(zhì)因素講，準(zhǔn)噶爾盆地吉木薩爾凹陷蘆草溝組烴源巖整體應(yīng)具備良好的生烴潛力，因?yàn)樵撎谉N源巖在整個(gè)凹陷均有分布，厚度200 m以上地層面積約占凹陷總面積的70%，地層最厚達(dá)450 m。從微觀層面分析，巖心觀察顯示，該區(qū)蘆草溝組地層巖性變化頻繁，甚至以厘米級(jí)互層，記錄了湖平面多次波動(dòng)、沉積環(huán)境多變的演化過(guò)程。沉積環(huán)境不但控制了烴源巖的巖性，而且對(duì)烴源巖的有機(jī)質(zhì)豐度、類型等也相應(yīng)的存在一定的影響，從而使得不同巖性烴源巖生烴潛力具有差異性。

就上述分析，泥巖類烴源巖總體具有良好的生烴潛力，但是巖性不同生烴潛力亦存在細(xì)微差異。不同巖性泥巖均處于成熟演化階段，因成熟度一致，有機(jī)質(zhì)豐度與類型可以直接反映生烴潛力的差異。機(jī)質(zhì)豐度是烴源巖生烴的基礎(chǔ)，有機(jī)碳含量(TOC)、巖石熱解參數(shù)(S1+S2)、氯仿瀝青"A"含量等指標(biāo)，四種巖性泥巖均顯示高有機(jī)質(zhì)豐度特征，灰質(zhì)泥巖與純泥巖有機(jī)質(zhì)豐度比云質(zhì)泥巖與砂質(zhì)泥巖有機(jī)質(zhì)豐度略高。在烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度較好的情況下，烴源巖的生烴潛力最終要?dú)w結(jié)于干酪根的生烴潛力，即干酪根富氫組分的豐度，因?yàn)闊o(wú)論殘余碳的數(shù)量如何，在干酪根用完氫后，生油就會(huì)結(jié)束［14］。Rock-Eval熱解法，是當(dāng)前烴源巖評(píng)價(jià)的主要工具，熱解參數(shù)HI代表了單位有機(jī)碳熱解烴量的多少，是烴源巖生烴潛力的直接參數(shù)。表3所示，純泥巖與云質(zhì)泥巖HI明顯高于另外兩類泥巖，HI均值分別為 356．5 mg/g 與 343．9 mg/g。另外，在物理意義上H/C原子比與HI相近，H/C原子比是干酪根類型評(píng)價(jià)最有效的指標(biāo)，對(duì)于干酪根的生烴潛力具有一定的參考意義。如表3所示，純泥巖H/C均值為1．2，生烴能力明顯好于其他巖性泥巖。灰質(zhì)泥巖H/C均值為1．02，生烴潛力最差。兩種方法的評(píng)價(jià)結(jié)果相似，純泥巖與云質(zhì)泥巖的生烴潛力優(yōu)于灰質(zhì)泥巖與砂質(zhì)泥巖。

表3 不同巖性泥巖生烴潛力統(tǒng)計(jì)表Table 3 Statistical table of hydrocarbon potential of different kinds mudstone

4 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

以上烴源巖地球化學(xué)特征表明，吉木薩爾凹陷蘆草溝組不同巖性泥巖總體有機(jī)質(zhì)豐度高、類型好，普遍處于成熟演化階段。不同巖性泥巖有機(jī)質(zhì)豐度均較高，生烴潛力的差異性主要由富氫組分豐度差異性決定的。純泥巖腐泥組含量最高，有機(jī)質(zhì)類型最好，其次是灰質(zhì)泥巖和云質(zhì)泥巖，砂質(zhì)泥巖干酪根類型最差。最終根據(jù)HI及H/C原子比，可認(rèn)為純泥巖生烴潛力最高，其次是云質(zhì)泥巖、砂質(zhì)泥巖，灰質(zhì)泥巖生烴潛力最差。

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