天然气地球科学 >

2020 , Vol. 31 >Issue 4: 488 - 497

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2019.12.010

天然气地质学

准噶尔盆地四棵树凹陷侏罗系有机质生烃差异及油气藏分布规律

  • 朱明 , 1 ,
  • 梁则亮 1 ,
  • 马健 , 2 ,
  • 庞志超 1 ,
  • 王俊 1 ,
  • 焦悦 2
展开
  • 1. 中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆 乌鲁木齐 830011
  • 2. 北京大学石油与天然气研究中心，北京 100871
马健（1992-），男，黑龙江齐齐哈尔人，博士研究生，主要从事沉积地质学研究.E-mail：.

朱明（1975-），男，新疆喀什人，高级工程师，硕士，主要从事地球物理勘探方法研究.E-mail：.

收稿日期: 2019-11-20

  修回日期: 2019-12-20

  网络出版日期: 2020-04-26

收起

Patterns of hydrocarbon generation and reservoir distribution in the Jurassic strata, Sikeshu Sag, Junggar Basin

  • Ming ZHU , 1 ,
  • Ze-liang LIANG 1 ,
  • Jian MA , 2 ,
  • Zhi-chao PANG 1 ,
  • Jun WANG 1 ,
  • Yue JIAO 2
Expand
  • 1. Exploration and Development Institution of Xinjiang Oilfield Company，Urumchi 830011，China
  • 2. Institute of Oil & Gas，Peking University，Beijing 100871，China

Received date: 2019-11-20

  Revised date: 2019-12-20

  Online published: 2020-04-26

Supported by

The China National Science & Technology Major Project(2016ZX05003-005)

The China National Petroleum Corporation “Xinjiang’ Daqing” Science and Technology Major Project(2017E-0403)

Fold

本文亮点

准噶尔盆地四棵树凹陷位于盆地南缘西端，是重要的油气富集区。随着近些年勘探的不断突破，对烃源岩的认识不断加深。但目前对侏罗系烃源岩的生烃母质、生烃潜力尚不明确。通过对准噶尔盆地四棵树凹陷中下侏罗统烃源岩的有机质丰度、成熟度等有机地球化学指标进行综合评价，并根据天然气组分碳同位素与岩性厚度分布图探讨了不同母质生烃差异及空间分布范围；同时进行烃源岩的热演化分析与数值模拟，建立动态演化过程，从而获得平面烃源岩展布规律及有利勘探方向。研究结果显示：四棵树凹陷侏罗系烃源岩中煤岩生烃效果要优于炭质泥岩，目前储层中天然气中煤成气贡献较大；此外，平面上生气中心更靠南部，是天然气运聚的主要方向。整体上看，四棵树凹陷烃源岩仍具有较大的生烃潜力，具有较高的勘探价值。

本文引用格式

朱明 , 梁则亮 , 马健 , 庞志超 , 王俊 , 焦悦 . 准噶尔盆地四棵树凹陷侏罗系有机质生烃差异及油气藏分布规律[J]. 天然气地球科学, 2020 , 31(4) : 488 -497 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2019.12.010

Highlights

The Sikeshu Sag, located in the west of the Junggar Basin, contains large oil and gas deposits. However, the patterns of source rocks and potentials of hydrocarbon generation in the Jurassic strata are still under debates. Taking into account of TOC, maturity and other organic geochemical indexes, hydrocarbon generation differences from various source rocks are speculated with the carbon isotopes and isopach map. Besides, thermal analysis and numerical modeling were conducted to establish the evolution of source rock and to evaluate the potential exploration prospects in the research area. The results show that the hydrocarbon generated from coal is much better than that of carbonaceous mudstone in the Jurassic strata of Sikeshu Sag. In addition, the gas is transported and gathered mainly in the south of the area. The source rocks in the Sikeshu Sag show high hydrocarbon potentials and explorational values.

0 引言

准噶尔盆地四棵树凹陷是盆地南缘西部地区重要的油气富集区。随着近几年勘探的不断突破，人们对四棵树凹陷烃源岩的生烃潜力以及资源评价的认识不断提升。早期研究认为：四棵树凹陷烃源岩具有未完全成熟、生烃潜力小等缺点。因此，对于勘探及周缘区块的油气成藏贡献或许不大[1,2]。然而自2005年以来，围绕四棵树凹陷及周缘地区的勘探开发取得了多个突破：例如2005年车排子凸起新近系沙湾组取得突破，发现了春光油田；2010年和2011年西湖1井在齐古组见良好油气显示，独山1井在白垩系清水河组、侏罗系齐古组见良好油气显示[3]；2019年，白垩系清水河组获得重大突破，高探1井喜获日产千方工业油气流，创准噶尔盆地单井日产量最高纪录[4]。因此，从近些年的勘探成果来看，四棵树凹陷烃源岩仍具有较大的潜力，且对周缘地区油气成藏具有重要的贡献[5,6]。
目前对于四棵树凹陷烃源岩的认识也不断完善。此前主要的争论在于四棵树凹陷的烃源岩主要来自于古近系或白垩系湖相烃源岩还是侏罗系煤系烃源岩[7,8,9,10]。靳军等[4]系统对比与分析了高探1井及周边探井油气性质和侏罗系烃源岩特征，认为高产油气主要来自于侏罗系烃源岩。因此，重新评价四棵树凹陷侏罗系烃源岩生烃规律与油气藏分布对四棵树凹陷及周缘地区勘探具有重要的意义。

1 四棵树凹陷地质演化与油气配置关系

准噶尔盆地是我国重要的含油气盆地。盆地西北缘是油气最为富集的地区之一，具有多油源、多储盖组合、多油藏类型等特征[11]。四棵树凹陷位于准噶尔盆地南缘西段，南部为北天山，西北部为西准噶尔界山，北部逐渐过渡为车排子凸起，东部被红车断裂带所隔。根据构造样式、构造变形强度、构造应力递进变形规律等，将四棵树凹陷由南向北划分为山前断褶带、中央断褶带、北东挠褶带、北部斜坡带共4个三级构造单元。以侏罗系的构造格局，可分为北部的艾卡构造带和南部的高泉构造带（图1）。艾卡构造带主要包括卡因迪克油田、西湖含油气构造和独山子油田；高泉构造带则包括高泉背斜、托斯台构造群等一系列含油气构造（图1）。
图1 准噶尔盆地四棵树凹陷地层及构造纲要

Fig. 1 Strata and tectonic map of the Sikeshu Sag, Junggar Basin

整体来看，四棵树凹陷主要经历了初期凹陷形成、缓慢沉降以及剧烈沉降3个阶段。在早中侏罗世，四棵树凹陷开始稳定沉降，此时八道湾组发育了巨厚的煤层，是侏罗系烃源岩的主要形成时期[5]。在中侏罗世早期，高泉断裂、艾克断裂已形成，艾比湖一带隆升的幅度较大，西部主要以隆起为特征。在这一时期，四棵树凹陷沉降格局以及构造格局基本形成。在中晚侏罗世，凹陷沉降逐渐停止，湖盆范围变小[12]。四棵树地区早侏罗统主要包括八道湾组（J1 b）和三工河组（J1 s），中侏罗统包括西山窑组（J2 x）和头屯河组（J2 t），上侏罗统包括齐谷组（J3 q）和喀拉扎组（J3 k）。
整体来看，四棵树凹陷侏罗系油气系统配置较好。已钻井和露头区均揭示侏罗系头屯河组存在规模较好的储层。该储层具有“三低一弱”的特征，岩性主要为长石岩屑砂岩及岩屑砂岩，孔隙主要为剩余粒间孔，少量粒内溶孔，胶结减孔作用有限[13]。此外，四棵树凹陷侏罗系上覆的白垩系吐谷鲁群泥岩厚度大，并存在异常高压，储盖配置有效[14]。四棵树凹陷烃源岩主要为中下侏罗统的煤岩与炭质泥岩。现有研究表明，四棵树凹陷烃源岩有巨大的煤成油资源潜力[15]。

2 烃源岩地区化学特征

有机地球化学结果显示，四棵树凹陷下侏罗统烃源岩有机质类型以Ⅱ2型和Ⅲ型为主，有机质含量较高，具有良好的生烃潜力。四棵树凹陷天然气主要以高成熟度腐殖型天然气为主，其中具备甲烷和乙烷碳同位素值较高的特征，具有煤成气来源。

2.1　有机质丰度

样品主要来自四棵树凹陷中下侏罗统烃源岩，其中八道湾组共35个样品，包括泥岩样品22个，炭质泥岩3个以及10个煤样；三工河组共17个样品，包含泥岩样品16个，炭质泥岩样品1个；西山窑组共20个样品，包含泥岩样品15个，炭质泥岩样品3个，煤样2个。

2.1.1　有机碳含量分析

四棵树凹陷侏罗系烃源岩主要为侏罗系八道湾组、三工河组、西山窑组的煤系地层，岩性主要包括煤、炭质泥岩和泥岩等。通过有机碳含量分析，可以看出四棵树凹陷中下侏罗统具有较好的生烃潜力。
从有机质丰度来看，四棵树凹陷中下侏罗统烃源岩中有机碳含量较高的为煤岩。其中八道湾组煤岩有机碳含量最高可达70.03%，多数分布在50%以上；西山窑组煤岩有机碳含量约为55%；炭质泥岩有机碳含量较煤岩低，均在30%以下；而泥岩有机碳含量最低，三工河组和西山窑组有机碳含量在2%附近，八道湾组泥岩有机碳含量相对较高，约为10%。可以看出，四棵树凹陷中下侏罗统不同类型的烃源岩生烃母质明显存在一定差异。从有机质丰度等指标来看，煤岩的有机碳含量明显要高于炭质泥岩和泥岩。

2.1.2　岩石热解生烃潜力

生烃潜量即烃源岩中的有机质在全部热降解完毕后所产生的油气量，一般用可溶烃（S 1）与热解烃（S 2）进行表示。从S 1值测试结果看，四棵树凹陷中下侏罗统烃源岩中煤岩生烃潜力最高。其中八道湾组和西山窑组的煤岩S 1含量均超过了1%，在托6井中的煤岩S 1值可高达2.33%；而不同地层的炭质泥岩S 1值存在一定差别，其中西山窑组炭质泥岩S 1值约为0.6%；八道湾组较低，S 1值约为0.4%；泥岩的S 1值变化较大，其中八道湾组泥岩S 1值可达0.57%，西山窑组泥岩S 1值约为0.4%，三工河组泥岩S 1值最低，在0.1%附近。从S 2值测试结果来看，煤岩较其他类型的烃源岩仍具有最高的生烃潜力。八道湾组煤岩S 2值最高，其中四棵树河剖面S 2值可高达129.4%，西山窑组煤岩S 2值也可以达到123.56%；炭质泥岩中西山窑组S 2值最高，四棵树河剖面S 2值可高达71.76%；泥岩S 2值差别较大，如托斯台河剖面八道湾组S 2值可高达41.04%；而三工河组和西山窑组S 2值整体较低，约为2%。整体来看，四棵树凹陷中下侏罗统烃源岩中煤岩的生烃潜力最高；而其中八道湾组与西山窑组较好，三工河组较差。
烃源岩热解是评价烃源岩的常用有效手段之一。主要通过热解分析获得的氢指数（I H）以及最大热解峰温（T max）等参数进行烃源岩评价。从烃源岩热解氢指数与最高热解峰温关系图可以看出，四棵树凹陷中下侏罗统烃源岩主要分布于典型Ⅱ型和Ⅲ型干酪根热成因气区域，具有典型的热成因气的特征，表现为以腐殖型干酪根热成因气为主的特征（图2）；相比准噶尔盆地南部烃源岩分布（图2灰色数据点），更具有Ⅲ型干酪根热成因气的特征。其中八道湾组泥岩主要以Ⅱ型和Ⅲ型干酪根为主，而三工河组和西山窑组以Ⅲ型干酪根为主；煤岩整体都以Ⅱ2型和Ⅲ型干酪根为主；八道湾组炭质泥岩以Ⅲ型干酪根为主，三工河组和西山窑组则以Ⅱ2型为主。
图2 四棵树凹陷中下侏罗统烃源岩I H—T max相关干酪根判别图

(a)八道湾组；(b)三工河组；(c)西山窑组;图中灰色圆点为准噶尔南缘侏罗系烃源岩背景值(数据来自于龙华山等[17])

Fig.2 I H-T max map of Middle-Lower Jurassic kerogen in the Sikeshu Sag

而从实测的镜质体反射率分布来看，不同时代的泥岩R O值在0.5%~0.7%之间，都要明显高于煤岩的R O值（~0.4%）。结合有机质丰度、生烃潜力和干酪根类型等因素共同来看，煤岩烃源岩母质更加优质。

2.2　碳同位素特征与有机质类型

四棵树凹陷天然气样品主要来自侏罗系头屯河组、古近系紫泥泉子组以及新近系储层，主要分布于西湖1井、独1井、独85井、独201井、卡001井、卡002井以及卡003井（表1）。四棵树凹陷储层的天然气主要以烃类气体为主，以甲烷、乙烷和丙烷为主。其中，甲烷的碳同位素值介于-40.85‰~-34.42‰之间；乙烷碳同位素值介于-28.74‰~-24.67‰之间；丙烷碳同位素值介于-26.54‰~-21.46‰之间（表1）。
表1 四棵树凹陷储层中天然气不同烃组分碳同位素分布特征汇总

Table 1 Carbon isotopes of different hydrocarbon gas components in Sikeshu Sag

构造单元 井号 深度/m 层位 天然气碳同位素值/‰
甲烷 乙烷 丙烷
西湖背斜 西湖1井 6 139~6 160 J2 t －39.68 －26.76 --
西湖1井 5 992~6 073 J2 t －34.42 －24.67 －22.45
独山子背斜 独1井 857~868 N1 －37.5 －27.14 －24.40
独53井 673~709 N1 －40.85 －26.21 －22.46
独85井 575~719 N1 －39.93 －25.74 －22.12
独201井 1 109~1 547 N1 －38.07 －26.36 －21.46
独311井 1 353~1 386 N1 －36.51 －26.30 －23.55
独390井 1 331~1 427 N1 －35.47 －25.81 －23.42
卡因迪克背斜 卡001井 3 440~3 448 E1-2 z －34.99 －26.51 －24.00
卡002井 3 991~3 998 J2 t －35.85 －26.56 －24.54
卡003井 3 450~3 455 J2 t －34.46 －26.22 －23.58
高泉背斜 高探1井 5 768~5 775 K1 q －40.35 －28.74 －26.54

注：部分数据来自于靳军等[4]

不同烃组分的碳同位素对于天然气的来源具有重要示踪作用。烷烃的碳同位素主要受烃源岩热演化程度和母质类型等多种因素共同影响。
甲烷由于含量高且同位素变化范围大，因而碳同位素研究较多。不同来源和成因的甲烷碳同位素差异很大，如煤成气往往要高于-40‰，而油型气多高于-50‰[16]。因此对于甲烷碳同位素具有成因的指示意义。另一方面，在油气勘探中甲烷往往是多种来源的气体的混合。对于甲烷的来源，除了重烃的裂解外，很大一部分成分来自于有机质直接裂解。前人研究已表明，泥岩有机质在初次裂解过程中易于生甲烷的组分较少且热稳定性要高，煤岩有机质在初次裂解过程中易于生甲烷的组分相对较多且稳定性较弱[18]。因此甲烷的同位素值一方面取决于自身的成因，另一方面取决于多种来源的比例。从四棵树凹陷甲烷碳同位素范围来看，主要分布于－40.85‰~－34.42‰，皆高于－40‰，指示四棵树凹陷的甲烷中煤成气成因的比例占优势。
相比而言乙烷对于母质的继承性较强，利用乙烷的碳同位素作为鉴别煤成气或油型气的判别标志更具有特征性[19,20]。根据统计来看，我国不同盆地的煤成气中，乙烷碳同位素整体分布具有一定规律。如四川盆地震旦系—侏罗系的煤成气δ13C2值大于-29‰；四川盆地煤成气δ13C2值大于-28‰[21]。陈践发等[22]综合中国主要含油气盆地煤成气与油型气对比，认为煤成气δ13C2值大于-28‰，油型气δ13C2值则小于-28‰；戴金星等[17]对中国天然气特征综合统计结果显示，煤成气δ13C2值大于-27.5‰，而油型气δ13C2值往往小于-29‰。根据对四棵树凹陷储层中天然气乙烷碳同位素的分析结果来看，西湖地区头屯河组天然气δ13C2值分布范围主要为-26.76‰~-24.67‰；卡因迪克地区头屯河组、紫泥泉子组天然气δ13C2值分布范围为-26.56‰~-26.22‰；独山子地区新近系天然气δ13C2值分布范围主要为-27.14‰~-25.74‰，均大于我国煤成气δ13C2值的界线-27.5‰。由此表明，四棵树凹陷储层中的天然气具有类似的煤成气成因。
将四棵树凹陷西湖背斜、独山子背斜、高泉背斜以及卡因迪克背斜的同位素进行投图（图3）。从天然气同位素来源判别图版中可以看出，四棵树凹陷气体来源具有煤成气、油型气和混合气的共同成因。结合天然气碳同位素以及不同类型烃源岩生烃潜力和干酪根类型来看，在四棵树凹陷天然气的来源中，中下侏罗统烃源岩中煤岩明显对生气的贡献更高。
图3 四棵树凹陷天然气同位素来源判别(修改自文献[23])

Fig.3 Source identification of nature gas in the Sikeshu Sag (revised by Ref.[23])

3 烃源岩埋藏史与热演化模拟

烃源岩热演化分析是建立在埋藏史研究的基础上，对烃源岩的热演化过程进行模拟分析，从而获得对盆地的热演化背景、有机质成熟过程以及演化动力过程等方面的认识。通过金管—高压釜生烃模拟实验，同时采用由德国IES公司研发的PetroMod软件，理论模型为EASY%R O，是目前烃源岩热演化分析中较为常用的演化预测模型。

3.1　金管—高压釜生烃模拟实验

主要选取四棵树凹陷露头区西山窑组与八道湾组的煤岩样品进行金管—高压釜生烃模拟实验。模拟实验压力为50 MPa，保持恒定；模拟实验温度为250~600 °C，在10 h时间内从室温升至250 °C，之后分别以2 °C/h和20 °C/h 2个升温速率升温至600 °C，从333 °C(20 °C/h的升温速率)或323 °C (2 °C/h的升温速率)左右进行第一个样品点的油、气产率及组分分析测试，之后每隔12 °C进行一个样品点分析。镜质体反射率的确定是采用SWEENEY等[24]提出的EASY%R O 计算方法。
根据金管—高压釜生烃模拟实验结果显示，随着镜质体反射率R O值升高，油产率呈现先升高后降低的趋势。在R O值为1.07%时，油产率为105.28 mg/gTOC；当R O值升高至1.20%时，油产率上升至120.93 mg/gTOC；当R O值上升至1.35%时，油产率升高至最高点，为208.79 mg/gTOC；而当R O值进一步升高，油产率开始下降（图4）。
图4 四棵树凹陷西山窑组与八道湾组R O与油产率、生气量演化关系

(a)西山窑组烃源岩R O与油产率模拟结果；(b)为西山窑组烃源岩R O与生气含量模拟结果；(c)八道湾组烃源岩R O与生气含量模拟结果；(d)八道湾组烃源岩R O与生气含量模拟结果。数据空心点为20 °C/h下样品点；实心点为2 °C/h下样品点

Fig. 4 R O-oil and gas productivity relationship in the Xishanyao and Badaowan Formation, Sikeshu Sag

KILLOPS等[25]认为煤岩排油门限(残留油量)为40 mg/gTOC，从西山窑组煤岩热模拟实验结果可以看出[图4(a)]，西山窑组煤岩在R O值为0.8%时，油产率已超过40 mg/gTOC，可以有效排油，有效排油期R O值在0.8%~1.2%之间, R O值为1.35%时生油基本结束，进入生气阶段。此外，对于生气阶段的模拟显示，在凝淅油—湿气阶段(R O值为1.35%~2.00%之间)，气态烃产率均明显高于20 mg/gTOC，可以以气相形式，排出一定量的天然气[图4(b)—图4(d)]。

3.2　埋藏史分析与热演化模拟

平衡剖面对于恢复埋藏过程具有重要作用。从平衡剖面可以看出，侏罗纪地层较为水平，反映整体环境较为稳定，此时有利于有机质的保存与埋藏；随着上覆地层沉积，四棵树凹陷南部高泉地区持续埋深，有利于生气；而北部艾卡构造带在燕山期经历了由洼陷到隆起的构造演化，不利于生气（图5）。
图5 四棵树凹陷过高泉1井和西湖1井二维平衡剖面分析

Fig.5 2D balanced section across the Well Gaoquan 1 and Well Xihu 1, Sikeshu Sag

根据该地震剖面，选取4个模拟点对烃源岩热演化史进行一维模拟（图6）。其中侏罗纪地温梯度为3.29 ℃/100 m，白垩纪地温梯度为3.26 ℃/100 m，古近纪地温梯度为2.73 ℃/100 m，新近纪地温梯度为2.35 ℃/100 m，第四纪地温梯度为2.01 ℃/100 m。
图6 四棵树凹陷高泉1井和西湖1井埋藏史曲线与热演化特征

Fig.6 Burial history and thermal evolution of Well Gaoquan 1 and Well Xihu 1, Sikeshu Sag

由模拟点的地震剖面及烃源岩埋藏史分析可以得出，模拟点1代表的高泉古低凸持续深埋，紧邻生烃中心，是天然气运聚的主要方向，所以天然气的显示很好。模拟点2和模拟点3代表的洼陷同样持续深埋，更深的埋深使得生气量更大，向模拟点1持续运移。而模拟点4代表的艾卡构造带，在燕山期经历了由洼陷到隆起的构造演化，温度降低，不能持续生气，所以油气藏为带气顶的油气藏。
通过4个模拟点进行热演化模拟，结合埋藏史分析可得，在深度约为6 000 m时，镜质体反射率达到1.3%，此时达到最大生烃门限。而后四棵树凹陷北部地层后期反转温度降低。

4 成藏模式与分布规律

从有机质生烃条件可以看出，中下侏罗统煤岩对于生气的贡献更大；而根据埋藏史与热演化模拟可以推断，北部由于地层后期反转，南部生烃条件要好于北部。
根据以上分析结果，结合平衡剖面解释结果，可以建立四棵树凹陷的构造演化模型（图7）。北西—南东向的压扭断裂控制艾卡和高泉两大构造带，其构造演化特征有差异，具有不同的成藏模式。南部高泉古低凸起整体经历了持续深埋，并达到生气窗，可以持续生气。在高泉古低凸起附近的洼陷同样持续深埋，埋深可达6 000~7 000 m，生气量更大，持续向高泉1井运移。而北部西湖、艾卡构造带在喜马拉雅期发生构造抬升，温压下降，不能持续生气，为具有气顶的油气藏。
图7 四棵树凹陷平衡剖面及构造演化模型

Fig.7 Balanced section and reservoir formation of Sikeshu Sag

结合先前的剖面热演化模拟以及井震层位数据，绘制四棵树凹陷地层等厚图以及有利烃源岩分布模式（图8）。从构造演化结果看，四棵树凹陷北部更厚，这与地层等厚图的结果一致。此外，根据镜质体反射率的平面分布可以看出，南部要比北部高。此外，从平衡剖面以及热演化模拟的结果可以推断，四棵树凹陷侏罗系的生气中心更靠南部，同时南部是天然气运聚的主要方向。
图8 四棵树凹陷地层等厚图及烃源岩R O值平面分布

Fig. 8 Strata isopach and R O distribution of the Sikeshu Sag

5 结论

（1）四棵树凹陷储层中天然气具有混合气成因，其烃源岩主要来自于中下侏罗统。结合烃源岩地球化学特征和热解结果推测，在四棵树凹陷天然气的来源中中下侏罗统烃源岩中煤岩贡献更高。
（2）在埋藏史分析的基础上，利用金管—高压釜生烃模拟实验，并在剖面埋藏史恢复的基础上，进行热演化模拟。结果显示，四棵树凹陷八道湾组烃源岩在深度约为6 000 m，镜质体反射率达到1.3％，此时达到最大生烃门限。而后四棵树凹陷北部地层后期反转温度降低；在新近纪中晚期（10.28 Ma）成熟度R O值达到1.3%，已进入生干气阶段。
（3）根据热演化剖面烃源岩分布以及控制井的结果绘制四棵树凹陷八道湾组烃源岩的平面分布。结果显示，四棵树凹陷平面上生气中心更靠南部；同时，南部也是天然气运聚的主要方向，是未来主要的探勘方向。

参考文献

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