三塘湖盆地馬東地區卡拉崗組烴源巖特征與致密油意義

殷 越, 賈鵬飛, 黃志龍, 吳紅燭, 金 希, 劉國杰

1.中國石化西南油氣分公司勘探開發研究院，成都 610041 2.中國石油大學油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249 3.中國石化西南油氣分公司彭州氣田(海相)開發項目部，成都 610041 4.浙江省地球物理地球化學勘查院，杭州 310000

0 引言

三塘湖盆地石炭系卡拉崗組主要為一套巨厚的中基性火山巖夾薄層碎屑巖，是火山巖油藏主要的產油層位，前人研究的關注點側重于牛東地區和馬北地區風化殼型火山巖儲層及油氣成藏方面[1-5]。隨著勘探程度的進一步提高，在馬東地區卡拉崗組鉆遇了大套的暗色泥巖，同時在厚層暗色泥巖內部的薄層凝灰巖儲層中發現了良好的油氣顯示并試油成功；這一重大突破使得卡拉崗組勘探領域進一步拓寬，由起初的風化殼油藏過渡到致密凝灰巖油藏的領域。但卡拉崗組鉆遇的厚層暗色泥巖是否具有良好的生烴潛力，是否對卡拉崗組致密凝灰巖的成藏有一定的貢獻，關于此方面的問題還未進行系統的研究。前人的研究過多地關注哈爾加烏組的烴源巖地質地球化學特征[5-9]，而對卡拉崗組復雜巖性的地質特征及生烴潛力研究較少，尤其對該目的層段的致密油形成條件及意義很少提及。因此，有關卡拉崗組烴源巖的生烴潛力強弱及是否有利于致密油的形成等一些地質問題沒有得到很好的解決。本文通過對卡拉崗組細粒沉積巖的地球化學特征進行評價，對不同巖性烴源巖的生烴潛力進行對比分析，以揭示卡拉崗組的生烴潛力及對其致密油形成的意義。

1 區域地質概況

三塘湖盆地位于新疆東北部，為多旋回疊加的殘留盆地，盆地油氣資源豐富，多種油藏類型并存，屬于改造型油氣聚集盆地。馬朗凹陷地理位置在克拉美麗大黑山縫合帶與蒙古俯沖帶之間，位于三塘湖盆地的中央凹陷帶上，該凹陷又可分為馬北構造、牛圈湖構造、牛東構造、馬中構造、馬東構造、黑墩構造及岔哈泉構造等7個三級構造[10]。石炭系哈爾加烏組和卡拉崗組的火山活動頻繁，火山噴發溢出的大量巖漿向低洼處流動，形成大面積分布的溢流相熔巖[11]。其中馬朗凹陷東部地區為本次研究重點工區(圖1)。

馬朗凹陷石炭系自下而上發育下石炭統姜巴斯套組，上石炭統巴塔瑪依內山組、哈爾加烏組和卡拉崗組，與上覆二疊系呈不整合接觸[12]。哈爾加烏組沉積時期，盆地處于擠壓環境，火山作用頻繁，火山噴發間歇期在盆地內發育一套海陸交互相沉積的火山巖夾炭質泥巖、油頁巖和凝灰質泥巖，是石炭系主要烴源巖，卡拉崗組為大套陸相火山巖夾火山碎屑巖、碎屑巖組合[13-14]，其中馬東地區上石炭統卡拉崗組是本文研究的層段。

2 烴源巖地質特征

三塘湖盆地馬朗凹陷馬東地區卡拉崗組距火山活動帶位置較遠[15]，沉積了厚層的烴源巖，厚度最大達到500 m左右[16](圖2)。烴源巖巖性較為復雜，主要包括深灰色凝灰質泥巖、深灰色含灰泥巖、深灰色泥巖和深灰色白云質泥巖，4種巖性縱向分布特征具有一定差異性。卡拉崗組火山活動整體經歷強-弱-強的階段[15]，沉積初期火山活動較強，導致大量的火山灰入湖與泥巖共同沉積形成凝灰質泥巖；至卡拉崗組中期，火山噴發減弱，湖盆水體受周圍火山活動影響變弱，在相對封閉的湖盆中沉積了大套的含灰泥巖和白云質泥巖；而到卡拉崗組晚期時，火山活動再一次增強，頻繁的火山活動使得火山巖不斷入湖，造成湖盆水體長期處于動蕩的環境中，不利于有機質的沉積和保存，導致卡拉崗組頂部沉積以氧化色泥巖夾薄層火山巖為主；同時又由于后期的構造抬升使得部分地區卡拉崗組頂部被剝蝕，最終造成馬東地區卡拉崗組呈暗色泥巖的分布特征，即底部以深灰色凝灰質泥巖和深灰色泥巖為主，中上部以深灰色含灰泥巖和深灰色白云質泥巖為主，頂部為氧化色泥巖(圖3)。

圖2 三塘湖盆地馬朗凹陷卡拉崗組烴源巖厚度等值線圖

3 烴源巖有機地球化學特征

三塘湖盆地馬朗凹陷石炭系卡拉崗組發育多種類型的烴源巖，主要包括深灰色白云質泥巖、深灰色含灰泥巖、深灰色凝灰質泥巖和深灰色泥巖。本次研究采集了卡拉崗組烴源巖樣品，進行了有機碳、Rock-Eval熱解實驗，并對其中的樣品進行了干酪根碳同位素、干酪根顯微組分以及鏡質體反射率(Ro)的測定。從有機質豐度、類型和成熟度等方面對烴源巖的地球化學特征進行研究。

3.1 烴源巖有機質豐度

有機質豐度是烴源巖生油氣重要的物質基礎，三塘湖盆地卡拉崗組烴源巖主要包括深灰色凝灰質泥巖、白云質泥巖、含灰泥巖和泥巖，不同巖性烴源巖有機質豐度差異較大，這可能與其中的礦物組成、沉積形成環境和保存條件等具有一定的關系[17-18]。

研究區卡拉崗組不同巖性烴源巖的測試分析結果表明，卡拉崗組有機質豐度分布范圍和集中程度具有一定的差異性(圖4)：深灰色凝灰質泥巖TOC質量分數基本大于2%，w(S1+S2)基本大于6 mg/g，好烴源巖占94%以上；深灰色白云質泥巖TOC質量分數分布基本大于1%，w(S1+S2)大多在6 mg/g以上，屬于中等-好烴源巖；深灰色含灰泥巖數據較少，但TOC質量分數基本大于1%，w(S1+S2)大部分大于6 mg/g，屬于好的烴源巖；深灰色泥巖TOC質量分數和w(S1+S2)值較其他3種巖性稍低，但基本屬于中等-好烴源巖。總體來說，從有機質豐度分析數據來看，卡拉崗組4種巖性烴源巖都為好的烴源巖，其中深灰色凝灰質泥巖和白云質泥巖TOC質量分數和w(S1+S2)值均較高，為卡拉崗組好-極好的烴源巖，而深灰色含灰泥巖和深灰色泥巖TOC質量分數較高，但w(S1+S2)相對較低，其質量要次于深灰色凝灰質泥巖和白云質泥巖。

圖4 馬東地區卡拉崗組不同巖性烴源巖w(TOC)和w(S1+S2)頻率分布圖

3.2 烴源巖有機質類型

在本次研究中，選取了不同巖性烴源巖樣品進行顯微組分分析，根據顯微組分體積分數計算類型指數來劃分有機質類型[19]，統計結果(表1)表明，卡拉崗組烴源巖樣品殼質組占比較高，有機質類型為Ⅱ型。

表1 馬東地區卡拉崗組不同巖性烴源巖干酪根顯微組分體積分數

烴源巖干酪根碳同位素主要取決于它們生物母質類型的碳同位素組成，具有繼承性，并且隨成熟度增加變化不大，是一個比較穩定的指標，可作為區分母質類型的一個可靠指標[20]。研究區卡拉崗組有機質類型以Ⅱ型為主，凝灰質泥巖有機質類型為Ⅰ-Ⅱ型，有機質類型較好，白云質泥巖有機質類型為Ⅱ-Ⅲ型，類型次之(表2)。總體來說，卡拉崗組不同巖性烴源巖有機質類型較好，具有一定的生烴潛力。結合各種指標判斷，卡拉崗組源巖類型以Ⅱ型為主，其中凝灰質泥巖以Ⅰ-Ⅱ1為主，白云質泥巖和含灰泥巖Ⅱ2型居多，具有一定的生烴潛力。

表2 馬東地區卡拉崗組不同巖性烴源巖干酪根碳同位素值

3.3 烴源巖有機質熱演化特征

有機質豐度決定了烴源巖生烴的物質基礎，有機質類型決定烴源巖的生烴潛力，但能否生成油或氣與有機質的熱演化程度有密切關系。目前確定成熟度的指標有許多種，常用的為鏡質體反射率Ro、巖石最高熱解峰溫Tmax、巖石熱解產率指數S1/(S1+S2)、CPI(碳優勢指數)、OEP(奇碳優勢)和生物標志物參數等。鏡質體反射率是應用效果最好的指標，其次為Tmax，其他指標參數作為輔助評價指標。

從烴源巖的演化剖面可以看出，卡拉崗組烴源巖從1 500 m進入生油窗，1 500～2 200 m為低熟階段(Ro為0.5%～0.7%)，2 200～3 800 m為成熟階段(Ro為0.7%～1.2%)，3 800 m以下為高熟階段(Ro大于1.2%)。從研究區烴源巖演化剖面圖(圖5)分析可知，卡拉崗組埋深介于1 300～2 800 m之間，平均深度達2 000 m，卡拉崗組烴源巖Ro為0.5%～0.8%，Tmax值為427～453 ℃，OEP和CPI值基本大于1，烴源巖基本處于低熟階段；結合S1/(S1+S2)和Tmax數據分析埋深較大的樣品(2 200～3 000 m)處于成熟階段(圖5)。總體來說，卡拉崗組烴源巖處于低熟—成熟階段，具有良好的生烴潛力。

圖5 三塘湖盆地馬朗凹陷烴源巖演化剖面圖

4 烴源巖形成環境特征

烴源巖抽提物中的姥鮫烷Pr與植烷Ph比值Pr/Ph與沉積環境的氧化-還原條件有密切關系，Pr/Ph越高，沉積水體的氧化性越強，Pr/Ph越低，沉積水體的還原性越強[21-23]。一般而言，鹽湖、咸水湖有機質的Pr/Ph普遍低于0.8，具植烷優勢，屬于強還原環境；半咸水—淡水環境湖相的Pr/Ph介于0.8～2.8之間，屬于還原—弱氧化環境；淡水湖相的Pr/Ph普遍大于2.8，最高可大于4.0，屬于弱氧化—氧化條件。伽馬蠟烷指數的相對值大小可以指示沉積時的水體鹽度，伽馬蠟烷指數值越高，水體越咸。研究區烴源巖Pr/Ph值大部分小于0.8，僅有含灰泥巖的伽馬蠟烷指數相對較高，含灰泥巖和白云質泥巖伽馬蠟烷指數稍高于凝灰質泥巖，認為該地區可能處于還原的微咸水環境(圖6)。

圖6 馬東地區不同巖性烴源巖伽馬蠟烷指數-Pr/Ph交會圖

為了進一步判斷研究區烴源巖的形成環境，需結合生物標志化合物特征來間接反映不同巖性烴源巖的沉積環境以及馬東地區卡拉崗組平面上沉積環境的變化[24]。本次研究共采集了馬朗凹陷馬東地區卡拉崗組不同巖性烴源巖樣品進行飽和烴色質譜分析，不同巖性烴源巖抽提物的生物標志物響應特征具有一定差異性。

凝灰質泥巖抽提物飽和烴正構烷烴呈近正態分布，主峰碳為nC21，伽馬蠟烷不高，無β胡蘿卜烷，凝灰質泥巖大部分Pr/Ph值<0.8,可能形成于還原的淡水—微咸水環境；三環萜含量較低，Ts(18α-22,29,30-三降藿烷)

m/z為質核比。

結合馬東地區構造地質條件，目的層的埋深由馬33井區向馬71井區逐漸變深(圖3)，且由馬33井沿近東西向過渡到馬71井的伽馬蠟烷指數變小，同時馬71井區沒有β胡蘿卜烷，而馬33井區有β胡蘿卜烷；反映了馬33井區向馬71井區的水體鹽度和還原性降低，由還原—強還原的微咸水環境變為弱還原—弱氧化的淡水—微咸水環境。而馬33井區TOC質量分數也高于馬71井區，說明烴源巖沉積環境和有機碳含量具有一定的相關性。生物標志物分析顯示，馬33井區Ts/(Ts+Tm)和重排甾烷含量等成熟度參數都低于馬71井區；這表明馬33井區熱演化程度低于馬71井區，這與馬71井區埋藏較深相一致。總體來說，卡拉崗組不同巖性烴源巖的沉積環境大體相似，除去生油母質本身的差異，其氧化還原特征具有一定的相似性，即不同巖性烴源巖可能沉積于相似的弱氧化—弱還原的微咸水沉積環境。

5 烴源巖綜合評價與致密油形成意義

5.1 卡拉崗組烴源巖綜合評價

根據以上不同巖性烴源巖分析結果可以看出，卡拉崗組不同巖性烴源巖均具有良好的生油氣潛力，有機質類型主要為Ⅱ型，其中深灰色凝灰質泥巖和白云質泥巖烴源巖有機質豐度高、類型好，屬于好的烴源巖；根據有機質熱演化分析結果，卡拉崗組烴源巖處在生油窗附近，基本達到成熟階段，但是從不同巖性烴源巖的地質分布特征來看，深灰色凝灰質泥巖在馬東地區卡拉崗組分布厚度大，平面分布較為穩定，為該層位主力烴源巖(圖8)。

圖8 三塘湖盆地馬朗凹陷卡拉崗組烴源巖綜合評價圖

5.2 卡拉崗組致密油藏形成意義

鉆井揭示該區巖性組合為厚層暗色泥巖夾薄層凝灰巖，且錄井顯示大部分凝灰巖含油級別為油跡，少部分為熒光級別，通過統計卡拉崗組具有油氣顯示的凝灰巖累計厚度較大，平均達194 m。該區卡拉崗組烴源巖有機質豐度較高，處于低熟階段，可產生大量有機酸，從而對薄層凝灰巖產生溶蝕作用，形成有利儲層。從巖心和薄片觀察以及儲層物性(圖9)來看，儲層巖性以玻屑沉凝灰巖為主，發育溶蝕孔隙和微裂縫，孔隙度平均為12.5%，滲透率平均為0.5×10-3μm，屬于中高孔、特低滲儲層。油層的含油飽和度普遍大于40.0%，最高達58.6%，為中等含油飽和度油藏。其中馬33井和馬71井在卡拉崗組薄層致密凝灰巖中試油成功，平均日產量較高，達7.03 t，試油階段累計產量達92.20 t。卡拉崗組烴源巖具有好的生烴潛力，烴源巖與凝灰巖互層疊置，有利于形成自生自儲型源儲配置關系，且卡拉崗組厚層的暗色泥巖可作為良好的蓋層，因此，卡拉崗組具備形成致密凝灰巖油藏的良好條件。

圖9 三塘湖盆地馬朗凹陷卡拉崗組源儲組合特征

6 結論

1)三塘湖盆地馬東地區卡拉崗組烴源巖主要為深灰色凝灰質泥巖、深灰色白云質泥巖、深灰色含灰泥巖和深灰色泥巖4種巖性，其中深灰色凝灰質泥巖和深灰色泥巖主要分布在卡拉崗組底部，深灰色白云質和含灰泥巖主要分布在中上部，且深灰色凝灰質泥巖縱向分布厚度大，平面分布范圍廣，應為卡拉崗組主力烴源巖。

2)研究區卡拉崗組烴源巖整體TOC質量分數較高且大于2%，其中深灰色凝灰質泥巖和白云質泥巖有機質豐度較高，生烴潛力較大；整體類型較好，以Ⅱ型為主；烴源巖Ro主要分布在0.5%～0.8%，大部分處于低熟—成熟階段，具有良好的生烴潛力。

3)研究區卡拉崗組烴源巖有機碳含量和沉積環境具有一定的相關性，各種巖性烴源巖沉積環境條件相差不大，主要為弱氧化—弱還原的微咸水環境，且由馬33井區向馬71井區沿下傾方向的水體鹽度降低，還原性變弱。

4)卡拉崗組各種巖性烴源巖與凝灰巖儲層互層疊置，有利于形成自生自儲型源儲配置關系，對卡拉崗組致密凝灰巖油藏的形成具有重要意義。