吐哈盆地沙爾湖凹陷二疊系烴源巖儲層特征

周 歡，聶俊杰，鄭 勇，許 鳴

（新疆地礦局第一地質大隊，新疆昌吉831100）

吐哈盆地是新疆三大含油氣盆地之一，2012 年完成的《全國頁巖氣資源潛力調查評價及有利區優選》預測吐哈盆地頁巖氣資源量為1×1012m3，指示其具有巨大的頁巖氣資源量。張金川、張民山、王勁松等認為吐哈盆地中、下二疊統和上三疊統中，泥頁巖厚度較大，且發現有頁巖氣異常富集的特征[1-4]；孫玉凱等綜合評價分析了吐哈盆地水西溝群和小泉溝群兩套頁巖的基本地質條件后指出，它們具備形成頁巖氣藏的基本地質條件[5]；石司宇、田繼軍等認為吐哈盆地泥頁巖分布面積廣泛、厚度大，其中頁巖分布較廣的地層有機碳含量高、熱演化程度高、有機質類型好，并指出三疊系小群溝群和二疊系桃東溝群2套頁巖氣測結果顯著，資源潛力巨大[6]。本文對沙爾湖凹陷二疊系塔爾郎組頁巖進行生烴潛力展開評價，以期為該地區頁巖氣進一步工作提供重要地質依據。

1 區域地質背景

吐哈盆地位于東天山山脈之間，盆地東西長約660km，南北寬60～130km，面積約5.28×104km2。大地構造位于哈薩克斯坦板塊東南角，處于哈薩克斯坦、西伯利亞和塔里木板塊的拼貼交匯部位[7](圖1)。其西端與東端分別為喀拉烏成山和喀爾力克山(哈密凹陷以東)，北靠博格達山，南臨覺羅塔格山。盆地北緣的博格達山是晚古生代板內裂谷回返而形成的造山帶。

圖1 吐哈盆地大地構造位置（據肖序常等，1992改編）

吐哈盆地受多期構造運動的影響，盆地內部被分隔成多個形態不一的構造單元，將吐哈盆地Ⅰ級構造分區為吐魯番坳陷—了敦隆起—哈密坳陷這樣一個總體上按東西向展布的空間格局[8-9]（圖2）。在此基礎上分為十二個Ⅱ級構造帶[9-13]，吐魯番坳陷區被劃分為“三凸四凹”的格局，分別包含布爾加凸起、魯西凸起、塔克泉凸起、科牙依凹陷、托克遜凹陷、臺北凹陷和臺南凹陷。了敦隆起劃分出了沙爾湖和大南湖兩個凹陷以及新了敦隆起。哈密坳陷劃分為哈密凹陷和黃田凸起（圖3）。

圖2 吐哈盆地一級構造單元分區（據文獻[7]-[12]改編）

圖3 吐哈盆地二級構造單元分區（據文獻[7]-[12]改編）

了敦隆起南部的沙爾湖凹陷為本次主要研究區。沙爾湖凹陷及周緣出露地層主要包括泥盆系大南湖組、中二疊統塔爾朗組、侏羅系西山窯組、古—新近系桃樹園組和第四系沖洪積物。其中中二疊統塔爾朗組含有規模較大的烴源巖層，為淺湖—半深湖泊沉積體系，主要發育沙壩和靜水泥質沉積微相，勘探和研究程度很低，屬頁巖氣資源調查與評價新區域。研究區塔爾朗組地層出露良好，頁巖露頭新鮮，發育較完整，深部鉆井揭露延伸較穩定。

2 頁巖有機地球化學特征

2.1 有機質類型

沙爾湖凹陷塔爾郎組干酪根有機顯微組分主要為腐泥無定形體及腐殖無定型體。腐泥組中主要以腐泥無定形體及藻類體為主，相對豐度25%～77%，平均為51.61%；殼質組包括樹脂組體和非樹脂體，樹脂組體基本為零，非樹脂體多為角質體及相對豐度5%～23%，平均為13.18%；鏡質組主要為正常鏡質體，相對豐度3%～50%，平均為22.42%；惰性組相對豐度2%～49%，平均為12.85%（表1）。干酪根呈淡黃色—褐色，無—弱熒光。統計表明，干酪根類型指數為-19.5～75.5，干酪根類型以Ⅱ1-Ⅱ2型為主，占樣品數的90.70%，少量為Ⅲ型，占樣品數的9.30%。

表1 沙爾湖凹陷塔爾郎組泥頁巖干酪根顯微組分及類型統計

2.2 有機質豐度

沙爾湖凹陷塔爾郎組烴源巖有機碳含量普遍較高，地表及鉆井揭示TOC介于0.14%～49.10%，平均為3.51%；主要分布于1%～9%之間（表2）；生烴潛量（S1+S2）在0.0618～70.95mg/g，平均為2.07mg/g；氯仿瀝青A在0.0019%～0.1736%，平均為0.01912%；總烴含量介于0.00%～88.89%，平均為53.08%；綜上數據表明塔爾郎組烴源巖具有較強的生烴潛力，屬于好—較好的烴源巖。

表2 沙爾湖凹陷塔爾郎組有機質豐度指標統計表

2.3 頁巖成熟度

沉積巖中有機質只有達到一定的成熟度（即熱演化程度）才能生烴。有機質成熟度主要取決于地層所遭受過的熱史。而熱史受軟流圈或地幔活動、地溫梯度、構造活動及地層埋藏經歷等多種因素影響。對于有機質成熟度而言，有多種參數指標可以表征。但應用最為直接、最為廣泛的參數指標包括鏡質體反射率（Ro），另外可以輔助應用有機質最大熱解峰溫Tmax進行有機質成熟度表征[14]。

塔爾郎組富有機質泥頁巖基本上都達到了成熟階段（表3）。通過鏡質體反射率化驗成果統計，塔爾郎組烴源巖Ro介于0.911%～1.507%，平均為1.22%，主體為成熟階段，次為高成熟階段。通過熱演化資料統計，塔爾郎組烴源巖Tmax介于444℃～542℃，平均為531℃，主體為高成熟階段，次為成熟階段，少量為低成熟階段，整體熱演化程度高。

表3 吐哈盆地塔爾郎組鏡質體反射率統計

3 二疊系烴源巖儲層特征

3.1 儲層物性特征

由表4 可知，烴源巖巖石密度最小值為2.32g/cm3，最大值為3.12g/cm3，算術平均值為2.62g/cm3。從巖石密度分布頻率圖中可以看出巖石密度主要分布在2.6～2.7g/cm3之間。烴源巖巖石孔隙度最小值為0.367%，最大值為3.3799%，算術平均值為1.542%；烴源巖孔隙度較低，主要分布區間為0%～2%。烴源巖巖石滲透率最小值為0.00021mD，最大值為0.311mD，算術平均值為0.02588mD。烴源巖比表面最小值為0.744m2/g，最大值為20.90m2/g，算術平均值為7.5358m2/g。

表4 沙爾湖凹陷塔爾郎組巖石物性統計

樣品結果表現出孔隙度與滲透率相關性較小。部分低孔隙度樣品反而具高透率值，這表明其滲透率值受樣品中的微裂縫影響明顯；部分高孔隙度樣品具極低滲透率值，這說明孔隙連通性較差。

沙爾湖凹陷塔爾郎組烴源巖孔喉長半徑最小值為0.082mm，最大值為7.01mm，算術平均值為2.28mm，標準偏差為1.37；孔喉短半徑最小值為0.068mm，最大值為5.22mm，算術平均值為0.89mm，標準偏差為1.37。孔喉半徑主要分布于0.2～2.8mm之間。其中，孔喉半徑以0.4～1.2mm之間居多，其次為1.6～2.8mm。

宏觀與微觀相結合，通過沙頁2井巖芯觀察及掃描電鏡成果可知，吐哈盆地塔爾郎組富有機質泥頁巖儲集空間類型多樣，主要包括了宏觀尺度的孔洞、裂縫及微觀尺度的各種孔隙與縫隙。總體上與中上揚子龍馬溪組及北美頁巖氣產層儲集空間類型一致。

孔隙包括了宏觀尺度的溶蝕孔洞以及微觀尺度的粒間溶孔、粒內溶孔、粒間孔、粒內孔、鑄模孔及有機質微孔。各種孔隙均可形成良好的自源氣儲集空間。縫隙包括了宏觀尺度的裂縫、溶蝕縫、縫合線及微觀尺度的微裂縫、紋層縫溶蝕縫、粒間縫及粘土礦物內部縫。對于流體而言，縫隙具雙重作用，既可成為流體運移通道，又可成為有效的儲集空間；既可破壞油氣藏，導致油氣散失，又可改善儲層，提高儲層孔隙連通性及滲透率。

3.2 儲層礦物成分特征

通過對沙爾湖凹陷塔爾郞組炭質頁巖的98件樣品的全巖X 射線及粘土礦物分析，粘土礦物含量29%～68%，平均46%，粘土礦物組成均以伊利石為主，其次為伊/蒙間層，而高嶺石、綠泥石相對較少；脆性礦物主要為石英，含量18%～57%，平均35.47%，斜長石含量2%～36%，平均12.26%，部分樣品還含少量鉀長石、方解石、鐵方解石、菱鐵礦等。

參考國土資源部2014年《頁巖氣資源/儲量計算與評價技術規范》標準，全區塔爾郎組井下69%的測試樣品中脆性礦物含量均超過了50%；井下24%樣品中的脆性礦物含量處于高值區（40%≤高＜50%），僅7%的樣品中脆性礦物含量處于中值區（30%≤中＜40%）；露頭樣品中61%的測試樣品中脆性礦物含量均超過了50%，22%樣品中的脆性礦物含量處于高值區（40%≤高＜50%），11%的樣品中脆性礦物含量處于中值區（30%≤中＜40%）；6%的樣品中脆性礦物含量處于低值區（20%≤中＜30%）（圖4）。

圖4 塔爾郎組脆性礦物不同區間樣品百分比(左:井下樣品,右:頭樣品)

3.3 儲層的吸附性

由于泥頁巖儲層的物性特征、礦物組成、孔隙結構上與常規的砂巖、鹽酸鹽巖等有較大差異，其中所賦存的頁巖氣除以游離狀態存在于較大孔隙或裂隙之中外面還有大量頁巖氣吸附于粘土礦物顆粒或有機質表面，呈吸附狀態存在。現場解吸是了解烴源巖中是否含氣最直接的方法與證據。現場解吸法中頁巖含氣量由解吸氣含量、損失氣含量、殘余氣含量三部分組成（總含氣量=損失氣量+解吸氣量+殘留氣量）。其中，殘余氣含量可以通過粉碎巖石樣品的方法使氣體解吸出來并計量，而損失氣含量難以計量，通常采用USBM 回歸法進行估算。

沙頁1井各解吸樣品總含氣量0.01～0.03m3/t，平均值為0.02m3/t，樣品以總含氣量0.02～0.03m3/t 占多數。沙頁1 井現場解析樣品深度在336～573m 之間，所取6件樣品，含氣量均較低，但樣品有機碳含量等地球化學指標較高，研究認為烴源巖埋藏深度較淺，是影響該井含氣量較低的主要因素。

沙頁2 井各解吸樣品總含氣量0.11～6.29m3/t，平均值為1.71m3/t，樣品以總含氣量大于0.5m3/t 占多數（表5）。總含氣量大于0.5m3/t 的樣品所控制的鉆井厚度累計為136.49m，共包括了3 段，所對應的深度位置分別為：1062.35～1149.38m（厚度：87.03m，含氣量：1.27m3/t）；1424.89～1429.90m（厚度：5.01m，含氣量：2.05m3/t）；1519.79～1564.24m（厚度：44.45m，含氣量：3.53m3/t）。

表5 沙頁2井含氣量成果統計表

據含氣量測定及巖芯觀察得知，該孔主要含氣層段位于塔爾郎組中上部。受到斷裂帶及次生斷裂作用的影響，該孔在進入塔爾郎組地層之后巖芯較為破碎，巖芯中裂隙發育，有利于游離氣的聚集，所以樣品中總含氣量主要以現場解吸氣量為主，損失氣次之，殘余氣僅占少量。

樣品中解吸氣量、總含氣量及TOC含量之間有一定相關性。從圖5中可以看出，當TOC含量達到5%左右時，解析樣品含氣量開始增多，TOC含量在5%～10%之間時含氣量達到最高值，TOC含量大于10%時含氣量有所降低，但含氣量總體仍是呈升高趨勢。

圖5 沙頁2井塔爾郎組解吸樣含氣量與TOC關系曲線

本次研究工作針對沙頁2 井采集了6 件樣品進行室內等溫吸附試驗（表6）。試驗條件為：實驗溫度60℃；氦氣濃度：99.999%；甲烷濃度：99.99%；空氣干燥基。

表6 等溫吸附模擬實驗數據統計表

統計結果表明：沙頁2井塔爾郎組烴源巖平均蘭氏體積VL為24.79m3/t，平均蘭氏壓力PL為13.30MPa。通常，蘭氏體積越大，泥巖吸附能力越強；蘭氏壓力越大越有利于降壓過程中吸附氣的產出。

4 二疊系烴源巖生烴潛力評價

炭質泥頁巖的生烴潛力主要取決于頁巖中的有機質類型、有機質豐度、有機質成熟度及泥頁巖厚度。

吐哈盆地塔爾郎組烴源巖在西北緣及中部基本覆蓋了造山帶以外的地覆區，盆地南部未見發育，烴源巖厚度從150m 左右到大于600m；有機質類型以Ⅱ1型和Ⅱ2型為主；有機碳含量高，492個樣品的TOC測試結果介于0.14%～49.10%，平均為3.51%，TOC介于1.0%～9.0%的樣品占65.24%；全區159 個樣品的測試結果表明，有機質成熟度Ro介于0.681%～1.507%，平均為1.095%，以1.0%～1.3%為主，約占45.91%，按頁巖氣相關標準，則均處于成熟階段，但據常規油氣評價標準，則多處于成熟階段；生烴潛量均值大于2mg/g；總體評價為好烴源巖。

根據野外地質調查成果及沙頁2井鉆探成果可知，塔爾郎組中油氣顯示十分普遍。在盆地西北緣艾維爾溝—塔爾郎—照壁山一帶野外露頭上，塔爾郎組中均發現有油頁巖發育，盆地中部沙爾湖一帶施工的沙頁2井中發育三層含氣烴源巖層，現場解吸結果最大值可達3.92m3/t，總含氣量可達6.29m3/t，巖芯浸水試驗氣泡明顯。

結合頁巖氣調查成果及前人研究成果表明：吐哈盆地塔爾郎組烴源巖在中、晚侏羅世進入生油門限，晚侏羅世至白堊紀進入生油高峰期，現今己進入高—過成熟生干氣階段。因此，塔爾郎組既是常規油氣的重要烴源巖，又是非常規油氣勘探的重要目標。

5 結論與認識

（1）沙頁1井共見兩層烴源巖，有機碳含量等各項地球化學指標較好，但烴源巖層未見有頁巖氣層發育，說明吐哈盆地沙爾湖一帶含氣烴源巖埋藏深度大于650m。

（2）含氣量高低與有機質含量高低有一定的相關性，且有機碳含量低的層段也會出現高含氣量，這也表明沙爾湖一帶未來的頁巖氣“甜點”勘探不但要尋找高有機質層段，也應瞄準裂縫發育區預測，以尋找“裂縫型甜點”。

（3）通過對頁巖樣品進行等溫吸附實驗，該調查井內塔爾郎組頁巖吸附氣含量為20.69～28.88m3/t。通過與北美、黔北等地區頁巖氣富集條件對比，沙爾湖一帶塔爾郎組具有較好的頁巖氣富集條件，具有良好的頁巖氣勘探潛力。

（4）區內二疊系塔爾郎組烴源巖具有中—高有機碳、高成熟度、高脆性礦物含量、特低孔滲、微孔隙較為發育的特點，儲集空間主要為微納米孔隙和裂縫。

（5）初步證實塔爾郎組具有較好的含氣性，主要含氣層段一般在0.5～6.29m3/t。研究認為，調查區內的斷裂構造及炭質頁巖層段中的有機質豐度、有機質成熟度與微裂縫發育程度是成藏富集的主要控制因素。