天然气地球科学 >

2025 , Vol. 36 >Issue 1: 57 - 71

DOI: https://doi.org/10.11764/j.issn.1672-1926.2024.04.031

天然气地质学

准噶尔盆地古城凹陷中二叠统芦草沟组烃源岩生烃潜力

  • 龚德瑜 , 1 ,
  • 韩琰 2 ,
  • 范谭广 3 ,
  • 李新宁 3 ,
  • 周川闽 1 ,
  • 王绍清 2 ,
  • 王瑞菊 1 ,
  • 吴卫安 1 ,
  • 苗一豪 4
展开
  • 1. 中国石油勘探开发研究院，北京 100083
  • 2. 中国矿业大学（北京）地球科学与测绘工程学院，北京 100083
  • 3. 中国石油吐哈油田公司勘探开发研究院，新疆 哈密 839009
  • 4. 中国地质大学（北京），北京 100083

龚德瑜（1983-），男，江苏苏州人，博士，高级工程师，主要从事油气地质与地球化学研究. E-mail：.

收稿日期: 2024-03-19

  修回日期: 2024-04-30

  网络出版日期: 2024-06-25

收起

Hydrocarbon-generating potential of the Middle Permian Lucaogou source rocks in the Gucheng Sag， Junggar Basin

  • Deyu GONG , 1 ,
  • Yan HAN 2 ,
  • Tan’guang FAN 3 ,
  • Xin’ning LI 3 ,
  • Chuanmin ZHOU 1 ,
  • Shaoqing WANG 2 ,
  • Ruiju WANG 1 ,
  • Wei’an WU 1 ,
  • Yihao MIAO 4
Expand
  • 1. Research Institute of Petroleum Exploration and Development，PetroChina，Beijing 100083，China
  • 2. School of Geosciences and Surveying and Mapping Engineering，China University of Mining and Technology（Beijing），Beijing 100083，China
  • 3. Research Institute of Exploration and Development，Tuha Oilfield Company，PetroChina，Hami 839009，China
  • 4. School of Energy College，China University of Geosciences（Beijing），Beijing 100083，China

Received date: 2024-03-19

  Revised date: 2024-04-30

  Online published: 2024-06-25

Supported by

The National Natural Science Foundation of China(42272188)

the PetroChina Forward-looking Basic Technology Project(2021DJ0206)

the Fund Project of Research Institutes Directly under PetroChina(2020D-5008-04)

Fold

摘要

位于准噶尔盆地东部隆起的吉木萨尔凹陷发现了十亿吨级特大型页岩油田，揭示出中二叠统芦草沟组烃源岩良好的生烃潜力。研究系统评价了与吉木萨尔凹陷邻近的古城凹陷芦草沟组烃源岩的生烃潜力和形成环境，刻画了烃源灶的分布范围，并与吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩进行了对比。结果表明：古城凹陷芦草沟组烃源岩干酪根类型主要为II/III—III型，以好—极好烃源岩为主，类型和丰度略逊于吉木萨尔凹陷。中—晚侏罗世，古城凹陷芦草沟组烃源岩整体进入生烃门限，现今进入主生油窗的面积为212 km2。尽管均为湖相沉积，相较于吉木萨尔凹陷，古城凹陷芦草沟组烃源岩的Pr/Ph、Ts/（Ts+Tm）、C19/C21三环萜烷、C24四环萜烷/C26三环萜烷值相对略高，C28规则甾烷含量略低，说明其沉积于具有一定盐度的氧化—还原过渡环境，除藻类和微生物生源的贡献外，还有一定数量的陆源高等植物输入。古城凹陷芦草沟组烃源岩发育4个大于160 m的厚度中心，总面积约为420 km2，在凹陷南部发育3个生油强度大于200×104 t/km2的生烃中心，总面积为130 km2。研究成果进一步夯实了准噶尔盆地中二叠统含油气系统的资源基础，也为古城凹陷下一步油气勘探工作奠定了基础。

关键词： 准噶尔盆地; 古城凹陷; 芦草沟组; 生烃潜力; 生物标志物; 烃源灶

本文引用格式

龚德瑜 , 韩琰 , 范谭广 , 李新宁 , 周川闽 , 王绍清 , 王瑞菊 , 吴卫安 , 苗一豪 . 准噶尔盆地古城凹陷中二叠统芦草沟组烃源岩生烃潜力[J]. 天然气地球科学, 2025 , 36(1) : 57 -71 . DOI: 10.11764/j.issn.1672-1926.2024.04.031

Abstract

A billion-ton shale oil field was discovered in the Jimsar Sag， located in the East Uplift of Junggar Basin， revealing the favorable hydrocarbon-generating potential of the source rocks developed in the Middle Permian Lucaogou Formation. In this study， the hydrocarbon-generating potential and sedimentary environment of the Lucaogou source rocks in the Gucheng Sag， neighboring to the Jimsar Sag， were evaluated systematically， and the distribution range of the source kitchen was depicted. In addition， the characteristics of the Lucaogou source rocks in the Gucheng Sag were compared with those in the Jimsar Sag. The results show that the Lucaogou source rocks in the Gucheng Sag are characterized by kerogen types II/III-III and are good to excellent source rocks whose organic types and abundance are slightly inferior to those in the Jimsar Sag. In the Middle to Late Jurassic， the Lucaogou source rocks in the Gucheng Sag generally entered the hydrocarbon-generating threshold， and the area entering the main oil-generating window reaches 212 km2 at present. Although they were both deposited in a lacustrine environment， the ratios of Pr/Ph， Ts/（Ts+Tm）， C19/C21 tricyclic terpenes， C24 tetracyclic terpenes/C26 tricyclic terpenes in the Lucaogou source rocks in the Gucheng Sag are slightly higher than those of the Lucaogou source rocks in the Jimsar Sag， and the relative content of C28 regular steranes is slightly lower. This indicates that the Lucaogou source rocks in the Gucheng Sag were deposited in an oxidation-reducing transitional brackish environment with a certain number of terrigenous higher plant inputs in addition to the contribution of algae and microorganisms. Four thickness centers of the Lucaogou source rocks with more than 160 m thickness were developed in the Gucheng Sag， covering a total area of 420 km2. Three hydrocarbon-generating centers with an oil-generating intensity greater than 200×104 t/km2 were developed in the southern part of the sag with a total area of 130 km2. The research results have further consolidated the resource potential of the Middle Permian petroleum system in the Junggar Basin and laid a foundation for future petroleum exploration in the Gucheng Sag.

Key words： Junggar Basin; Gucheng Sag; Lucaogou Formation; Hydrocarbon-generating potential; Biomarke fingerprints; Source kitchen

0 引言

准噶尔盆地是一个油气资源量超百亿吨的大型含油气盆地［1］。2023年，盆地生产原油1 480×104 t，天然气40×108 m3，油气当量达1 748×104 t，已成为我国最重要的能源储备与生产基地之一。
中二叠统芦草沟组（P2 l）为一套咸化湖盆沉积，是准噶尔盆地最重要的烃源岩层系之一，其在盆地腹部和西北缘称为下乌尔禾组，在盆地东北部称为平地泉组［2-3］。位于盆地东南部的吉木萨尔凹陷十亿吨级特大型页岩油田，盆地腹部的石西、莫南、夏盐、陆南、莫索湾、石南21和石南31等高效油气田的原油均来自这套烃源岩［4-7］。近期，以康探1井为代表，阜康凹陷东斜坡大型岩性地层油气藏获得重大突破，原油亦来自芦草沟组烃源岩［8-9］。
总体而言，中央坳陷的中二叠统含油气系统目前勘探程度较高，而整个东部隆起（除吉木萨尔凹陷）的中二叠统含油气系统勘探程度还很低。研究区—古城凹陷是隶属于东部隆起的一个二级构造单元，目前已钻探古城1井、古参1井和城1井3口探井［图1（a），图1（b）］。其中，古城1井在芦草沟组见荧光显示；古参1井在二叠系梧桐沟组和芦草沟组见多段荧光显示和气测异常；城1井钻遇厚达169 m的芦草沟组暗色泥岩，且在芦草沟组发现多段荧光显示和气测异常并收获了荧光级和油迹级岩心，油气显示十分活跃［图1（b），图1（c）］。
图1 准噶尔盆地古城凹陷地质概况

（a）准噶尔盆地构造单元图；（b）古城凹陷中二叠统芦草沟组顶界构造图；（c）古城凹陷地层综合柱状图注：图（a）中（1）古城凹陷；（2）古西凸起；（3）古东凸起；（4）沙奇凸起；（5）吉木萨尔凹陷；（6）阜康凹陷

Fig. 1 Geological background of Gucheng Sag in the Junggar Basin

本文基于沉积岩石学、有机岩石学、有机地球化学和盆地模拟等手段，系统评价了古城凹陷芦草沟组烃源岩的生烃潜力和形成环境，进而刻画了规模有效烃源灶的分布范围，并与吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩进行了对比。研究成果进一步夯实了准噶尔盆地中二叠统含油气系统的资源基础，也为古城凹陷下一步油气勘探工作奠定了基础。

1 地质背景

准噶尔盆地位于中国新疆维吾尔自治区北部，整体呈三角形，是一个由多地块拼合而成的多期叠合盆地［10-11］。根据石炭系褶皱基底的隆坳格局，可以将准噶尔盆地分为西部隆起、东部隆起、陆梁隆起、中央坳陷、乌伦古坳陷和南缘冲断带共6个一级构造单元［（图1（a）］。古城凹陷是隶属于东部隆起的一个二级构造单元，位于盆地东南部沙奇凸起南端，夹持于古西凸起和古东凸起之间［图1（b）］。
中晚石炭世，古城凹陷以沉降为主，局部地区受火山活动影响，沉积了多套海陆交互相杂色砂砾岩。中二叠统井井子沟组沉积以后，在晚海西构造运动影响下，研究区开始从沉降转为抬升，已沉积的地层遭受了严重剥蚀，形成一系列角度不整合［图1（c）］［12］。中晚二叠世，研究区再次沉降，普遍沉积了灰色砂岩、泥岩和灰岩［13-14］。受印支运动影响，研究区整体抬升并遭受剥蚀，导致三叠系不同程度的缺失［图1（c）］［4］。燕山期，研究区主要以振荡沉降为主，进入泛盆发育时期。白垩系沉积后，受早喜马拉雅期构造运动影响，整个区域以抬升为主，白垩系几乎剥蚀殆尽［15］。喜马拉雅中后期，研究区再次震荡沉降，新生成的沉积物不整合超覆沉积在老地层之上［14］。
古城凹陷地层发育较全，自下而上分别为石炭系巴山组，二叠系井井子沟组、芦草沟组、泉子街组和梧桐沟组，三叠系韭菜园子组、烧房沟组和小泉沟群，侏罗系八道湾组、三工河组、西山窑组和石树沟群，新近系，第四系［图1（c）］。中二叠统芦草沟组是盆地东部最重要的一套烃源岩［4，16-17］。该套地层上部以灰色、深灰色和灰黑色泥岩为主，偶夹灰色粉砂岩，下部以灰黑色泥岩和灰质泥岩为主，碳酸盐含量较上部地层明显偏高［图1（c）］。
围绕中二叠统芦草沟组含油气系统，古城凹陷发育3类成藏组合：第一类为芦草沟组暗色泥岩与相邻细粒沉积物构成的“自生自储”型页岩油成藏组合；第二类以石炭系顶部火山岩/火山碎屑岩风化壳为储层，以巴山组顶部不整合面为油气主要运移通道，以风化壳顶部泥岩为盖层，芦草沟组烃源岩侧向供烃，构成“新生古储”型成藏组合；第三类以二叠系及以上地层的砂砾岩为储层，其间致密层为盖层，断裂为油气运移通道，构成“下生上储”型成藏组合［图1（c）］。

2 样品和分析方法

本文研究共采集了古城凹陷城1井92个（6个岩心样品和86个岩屑样品）和吉木萨尔凹陷9口井125个（均为岩心样品）芦草沟组烃源岩样品。基于总有机碳含量（TOC）、岩石热解、生物标志物、有机岩石学和沉积岩石学等分析手段，探讨了古城凹陷芦草沟组烃源岩的生烃潜力和形成环境，并与吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩进行了对比研究（表1，表2）。
表1 古城凹陷与吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩评价参数

Table 1 Evaluating parameters of the Lucaogou source rocks in the Gucheng and Jimsar sags

指标 古城凹陷

样品数

/个

吉木萨尔

凹陷

样品数

/个
I H/（mg/g）

30.7~621.1

261.0

 68

48.4~782.0

378.1

 122
I Ho/（mg/g） 325 68 525 122
T max/℃

439~453

446

 68

430~455

444

 122
（S 1+S 2）/（mg/g）

0.3~128.8

7.8

 68

0.5~79.4

15.9

 122
TOC/%

0.3~19.4

2.5

 68

0.3~10.9

3.4

 122
R O /%

1.0~1.2

1.1

 3

0.6~1.2

0.8

 11
腐泥组/%

7.6~10.4

9.0

 2

6.1~24.5

13.9

 11
壳质组/%

9.6~12.2

10.9

 2

1.1~14.3

6.1

 11
镜质组/%

50.7~54.5

52.6

 2

11.8~77.6

51.6

 11
惰质组/%

25.7~29.3

27.5

 2

3.9~65.6

28.4

 11

注： 7.6 ~ 10.4 9.0= 最小 值— 最大 值 平均 值

表2 古城凹陷与吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩生物标志物参数

Table 2 Biomarker parameters of the Lucaogou source rocks in the Gucheng and Jimsar sags

井号 深度/m Pr/Ph 伽马蜡烷/C30藿烷 Pr/nC17 Ph/nC18 Ts/（Ts+Tm） C29Ts/C29藿烷 C19/C21三环萜烷 C24四环萜烷/C26三环萜烷 C27规则甾烷/% C28规则甾烷/% C29规则甾烷/%
城1 2 881.5 1.07 0.27 0.43 0.38 0.63 0.65 0.30 0.87 24.24 34.89 40.87
城1 2 926.0 1.12 0.28 0.48 0.46 0.56 0.33 0.14 0.76 23.38 35.97 40.64
吉23 2 295.5 0.70 0.20 1.31 2.30 0.24 0.16 0.06 0.85 26.15 36.79 37.06
吉24 1 691.5 0.73 0.19 1.29 2.77 0.31 0.43 0.08 1.17 14.61 38.14 47.25
吉25 3 410.5 1.38 0.08 1.25 1.10 0.20 0.17 0.16 1.55 14.50 34.03 51.47
吉173 3 082.4 0.95 0.08 1.74 1.97 0.36 0.29 0.07 0.52 25.27 37.84 36.89
吉29 2 311.7 0.49 0.23 1.44 3.75 0.20 0.18 0.03 0.75 15.02 44.50 40.48
吉28 3 169.8 1.07 0.15 1.16 1.18 0.47 0.37 0.09 0.54 30.79 37.17 32.04
吉172 2 839.1 1.09 0.13 0.62 0.67 0.09 0.08 0.24 0.77 30.48 23.64 45.88
吉22 2 542.3 1.24 0.13 0.80 0.65 0.14 0.06 0.11 2.19 20.50 39.83 39.67
吉102 1 357.3 0.48 0.20 1.96 10.81 0.19 0.18 0.04 0.30 18.57 42.94 38.49
吉27 2 296.4 0.99 0.35 2.21 2.81 0.13 0.11 0.04 0.44 19.50 35.43 45.08
TOC测试使用LECO CS-230分析仪；烃源岩光性特征观察和全岩有机显微组分分析采用Nikon LV 100型光学显微镜和Opton反光显微镜；镜质体反射率（R O）测定采用ZEISS-MSP200型显微光度计；岩石热解分析使用Rock-Eval VI标准型岩石热解仪。饱和烃色谱—质谱分析使用Agilent 7890A-5975C色谱—质谱联用仪完成，色谱柱采用DB-1MS毛细管柱（60 m×0.25 mm×0.25 μm），载气为氦气（99.999%），初始炉温设定为50 °C，保持1 min初始炉温后以20 ℃/min的速率升温直至120 ℃，然后以4 ℃/min的速率升温直至250 ℃，最后以3 ℃/min的速率升温直至310 ℃，恒温30 min。

3 结果与讨论

3.1　烃源岩的岩性与沉积背景

古城凹陷芦草沟组烃源岩岩性以块状泥岩为主，其次是页岩。块状泥岩纹层不发育，常见圆度较高的碳酸盐岩内碎屑组分［图2（a）—图2（c）］、生物扰动构造［图2（d）］和分散分布的有机质碎屑［图2（a）—图2（f）］，表现出较为典型的浅湖沉积特征，且受河流影响较弱［18-19］。页岩纹层发育，富含有机质，偶见浊积岩纹层［图2（e）］，多与块状泥岩呈互层状产出，表现出半深湖沉积的特征［18-19］。
图2 古城凹陷与吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩岩石薄片显微照片

（a）—（c）城1井，含钙质页岩，2 881.5 m，TOC值为0.26%，单偏光；（d）—（f）城1井，生物扰动钙质泥岩，2 926 m，TOC值为1.47%，其中（d）、（e）为单偏光，（f）为正交偏光；（g）、（h）吉30井，粉砂质页岩，4 054 m，TOC值为2.2%，其中（g）为单偏光，（h）为正交偏光；（i）吉301井，粉砂质页岩，2 760 m，TOC值为2.2%，单偏光。注：Cl：黏土矿物；Sh：泥岩砾屑；Fi：裂隙；Q：石英；Qa：自生石英；Fe：铁质；Ca：方解石；O：有机碎屑

Fig.2 Thin section micrographs of Lusaogou source rocks in the Gucheng and Jimsar sags

相较而言，吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩岩性以页岩为主，其次是粉砂质泥岩/页岩［图2（g）—图2（i）］。页岩粉砂组分少，纹层发育且富含条带状有机质［图2（h）］，具有较为典型的深湖—半深湖静水沉积特征［18］。粉砂质泥岩/页岩中粉砂组分多，纹层不发育或隐约可见纹层，普遍含陆源有机质碎屑，偶见碳酸盐岩内碎屑和软沉积物变形构造，具有典型的异重流或低密度浊流沉积特征［图2（g）—图2（i）］［20］。综合解释其沉积环境为半深湖—深湖，而且受河流影响较强，反复沉积源自河口的陆源碎屑与有机质［20］。
由此可见，古城凹陷与吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩在岩相和沉积环境方面均有较大的差异。其中，岩相受控于沉积环境，沉积环境则受控于博格达裂谷带的形成与演化。露头地质调查表明，位于准噶尔与吐哈两地块之间的博格达山裂谷开启于早—中石炭世，闭合于中石炭世末至晚石炭世［21-22］。该闭合过程具有自东向西演变的特征［21］，从而导致该裂谷带在后裂陷阶段（早二叠世）具有东高西低、东陆西海（残留洋）的沉积格局，流域体系指向乌鲁木齐一带［23］。这种沉积格局大致延续至晚二叠世早期，对沉积环境和岩相的展布起到了控制作用，导致东部隆起不同次凹内所沉积的烃源岩具有不同的有机地球化学特征。

3.2　烃源岩生烃潜力评价

3.2.1　有机质类型

根据热解氢指数（I H）大于600 mg/g、300~600 mg/g、200~300 mg/g、50~200 mg/g和小于50 mg/g，可以将有机质类型划分为I型（极倾油型）、II型（倾油型）、II/III型（倾油/气型）、III型（倾气型）和IV型（非烃源岩）5类［24-25］。古城凹陷芦草沟组烃源岩的I H值为30.7~621.1 mg/g（平均为261.0 mg/g），I H值大于300 mg/g和大于600 mg/g的样品占比分别为33.8%和1.5%；而吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩的I H值为48.4~782.0 mg/g（平均为378.1 mg/g），I H值大于300 mg/g和大于600 mg/g的样品占比分别为62.3%和13.1%，高于古城凹陷芦草沟组烃源岩（图3，表1）。总体而言，古城凹陷芦草沟组烃源岩干酪根类型主要为II/III—III型，既生油又生气；吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩干酪根类型更好，主要为II—I型，以生油为主（图3）。这种差异明显受控于前述沉积环境和岩相，即古城凹陷芦草沟组烃源岩富含碎屑状有机质的浅湖相泥/页岩以II/III—III型干酪根为主，吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩富含条带状有机质的半深湖—深湖相泥/页岩则以II—I型干酪根为主。
图3 古城凹陷与吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩I H与T max交会图（底图据文献［24］）

Fig.3 Crossplot of I H vs. T max of Lucaogou source rocks in the Gucheng and Jimsar sags（diagram according to Ref.［24］）

需要指出的是，氢指数受成熟度的影响较大，只有烃源岩在低/未成熟条件下的初始氢指数（I Ho）才能更为准确地反映其有机质类型。因此，本文研究基于CHEN等［26］提出的一种数据驱动的统计学方法，将实测氢指数（I H）和T max拟合成一个指数模型，进而获得其初始氢指数，具体公式如下：
I H = I H o [ 1 - e x p T m a x β θ + c
式中：β和θ是2个和干酪根动力学有关的特定参数，前者近似代表了烃源岩进入主生油窗的起始热解温度，后者近似代表了主生油窗的宽度（二者均以热解峰温来表示，单位为℃）［26］；c反映了在极高成熟度下测得的I H的误差量级（趋于0）。
结果表明，古城凹陷和吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩的初始氢指数分别为325 mg/g和525 mg/g，同样说明前者具有油气兼生的特征，而后者是一套优质生油岩（图3，表1）。前者的β和θ值分别为448 ℃和25 ℃，后者的β和θ值分别为455 ℃和25 ℃，反映出二者的活化能分布较为接近［26］。
古城凹陷芦草沟组烃源岩2个岩心样品镜质组含量较高，分别为50.7%和54.5%，多为碎屑镜质体，部分富集成小透镜体，碎屑形态极不规则，可能是由结构镜质体破碎而成；惰质组含量分别为29.3%和25.7%，多为大小不一的碎屑惰质体［图4（c），图4（f），图5，表1］。2个样品腐泥组和壳质组倾油显微组分的总含量分别为20.0%和19.8%，在含钙黏土矿物基底中可见较为丰富的矿物沥青基质团粒，形状不规则，小孢子体平行分布于黏土矿物基底中，藻类体相对较少［图4（a）—图4（e），图5］。镜下还见到一些分散分布的黄铁矿，约占样品总数的4%，少数已被氧化成褐铁矿和铁质［图4（c），图4（e），图4（f）］。吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩的镜质组平均含量为51.6%，以碎屑镜质体为主，与古城凹陷芦草沟组烃源岩接近［图4（h），图4（i），图5］。壳质组和腐泥组倾油显微组分的总含量变化较大，为8.1%~27.6%（平均为20.0%），镜下可见碎屑壳质体，沥青基质基底中见少量小孢子体［图4（g），图4（h），图5，表1］。
图4 古城凹陷与吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩样品全岩有机显微组分特征

（a）—（c）城1井，含钙质页岩，2 881.5 m，其中（a）、（b）为光片，反射荧光，（c）为光片，油浸，反射单偏光；（d）—（f）城1井，含钙质页岩，2 926.0 m，其中（d）为光片，反射荧光，（e）、（f）为光片，油浸，反射单偏光；（g）—（i）吉28井，黑色页岩，3 169.8 m，其中（g）、（h）为光片，反射荧光，（i）为光片，油浸，反射单偏光。注：Cl：黏土矿物；MB：矿物沥青基质；Mis：小孢子体；Al：藻类体；O：油迹；CD：碎屑镜质体；ID：碎屑惰质体；Py：黄铁矿；LD：碎屑壳质体

Fig.4 Whole-rock organic maceral characteristics of Lucaogou source rocks in the Gucheng and Jimsar sags

图5 古城凹陷与吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩不同有机显微组分相对百分含量图

Fig.5 The relative percentage of different organic macerals of Lucaogousource rocks in the Gucheng and Jimsar sags

之所以上述2个地区芦草沟组烃源岩有机显微组分没有体现出显著的区别，且镜质组含量普遍较高，可能是由于吉木萨尔凹陷异重流所带来碎屑及陆生植物碎屑混杂，同时钻井普遍未钻遇深湖区所致。本文研究也确实发现吉木萨尔凹陷个别样品腐泥组含量较高（24.5%），推测可能是沉积水体较深的原因［图4（h），图5，表1］［27-28］。这也印证了前述吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩沉积环境为半深湖—深湖区，且异重流活跃的观点。

3.2.2　有机质丰度

古城凹陷芦草沟组烃源岩样品的TOC值为0.3%~19.4%，平均为2.5%；生烃潜量（S 1+S 2）为0.3~128.8 mg/g，平均为7.8 mg/g；属于极好和好烃源岩的样品分别占样品总数的36.9%和41.1%（图6）。吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩样品的TOC值为0.3%~10.9%，平均为3.4%；S 1+S 2值为0.5~79.4 mg/g，平均为15.9 mg/g，极好和好烃源岩分别占样品总数的74.4%和14.4%（图6，表1）。总体而言，古城凹陷和吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩有机质丰度均较高，中等及以上级别烃源岩占比均在80.0%左右，但后者好—极好烃源岩的比例更高（图6）。这种差异同样受控于前述沉积环境和岩相，即与吉木萨尔凹陷富条带状有机质的半深湖—深湖相页岩相比，古城凹陷富碎屑状有机质的浅湖相泥岩有机质丰度略低。
图6 古城凹陷与吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩TOC与S 1 + S 2交会图

Fig.6 Crossplot of TOC vs. S 1 + S 2 of Lucaogou source rocks in the Gucheng and Jimsar sags

3.2.3　烃源岩成熟度与生烃演化

镜质体反射率可以用来判断烃源岩的热演化程度，R O值为0.5%~0.7%、0.7%~1.3%、1.3%~2.0%和大于2.0%分别对应低成熟、成熟、高成熟和过成熟4个阶段［29-30］。古城凹陷芦草沟组烃源岩R O值总体较高，介于1.0%~1.2%之间（平均为1.1%），处于成熟阶段；吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩R O值略低，为0.6%~1.2%（平均为0.8%），但大部分样品也已处于成熟阶段（表1）。
由于本文研究中古城凹陷芦草沟组烃源岩实测R O样品较少，为了更好地反映该区芦草沟组烃源岩成熟度的整体面貌，还对其T max值进行了分析。T max值大于465 ℃、455~465 ℃、435~455 ℃和小于435 ℃分别对应过成熟、高成熟、成熟和未成熟4个阶段［31］。当S 2值小于0.20 mg/g时，T max值难以拾取，无法准确地反映烃源岩的热演化程度，因此本文研究在使用该参数时，将这部分样品去除［31］。T max值反映的情况与R O值相似：古城凹陷芦草沟组烃源岩的T max值介于439~453 ℃之间（平均为446 ℃），主频为440~455 ℃（占比为98.3%），烃源岩样品均已进入成熟阶段［图7（a），表1］；吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩的T max值介于430~455 ℃之间（平均为444 ℃），主频为430~455 ℃（占比为98.1%），成熟样品占样品总数的90.4%［图7（b），表1］。
图7 古城凹陷（a）与吉木萨尔凹陷（b）芦草沟组烃源岩T max频率分布

Fig.7 T max frequency distribution of Lucaogou source rocks in the Gucheng (a) and Jimsar (b) sags

根据准噶尔盆地东南部地区烃源岩R O和深度的关系［32］，结合古城凹陷中二叠统芦草沟组顶界的构造深度［图1（b）］、地层剥蚀量和钻井补心海拔等参数，本文研究编制了古城凹陷芦草沟组顶界的R O平面等值线图［图8（a）］。现今，古城凹陷芦草沟组烃源岩已整体进入生烃门限（R O>0.5%），面积为527 km2，进入主生油窗（R O>0.7%）的面积为212 km2，热演化程度整体不高［图8（a）］。
图8 古城凹陷芦草沟组顶界R O（a）、暗色泥岩厚度（b）和生油强度（c）平面等值线

Fig.8 Contour of R O at the top boundary of the Lucaogou Formation （a）， the thickness of Lucaogou dark mudstone （b）， and oil-generating intensity of the Lucaogou source rocks （c） in the Gucheng Sag

为了反映古城凹陷芦草沟组烃源岩在不同时代的生烃演化特征，本文研究基于二维地震格架剖面A—A’［剖面位置见图1（b）］，恢复了其埋藏史和热演化史。模拟使用PetroMod软件，计算所需的大地热流值、剥蚀量、岩石电导率及地温等关键参数来自文献［33-36］。三叠纪末，古城凹陷芦草沟组烃源岩在凹陷最深处开始进入生烃门限（R O>0.5%），但整体仍处于未成熟阶段［R O<0.5%，图9（a）］。中—晚侏罗世，除构造隆起区外，古城凹陷芦草沟组烃源岩整体进入生烃门限，在凹陷最深处已进入主生油窗早期阶段（R O=0.7%~1.0%）［图9（b）］。白垩纪末，燕山运动导致研究区整体抬升，白垩系剥蚀殆尽，芦草沟组烃源岩的生烃演化进程也随之停滞［图9（c）］。
图9 准噶尔盆地古城凹陷芦草沟组烃源岩生烃演化剖面［剖面位置见图1（b）］

Fig.9 Evolution profile of hydrocarbon generation for Lucaogou source rocks in the Gucheng Sag， Junggar Basin （the profile location was shown in Fig.1（b））

此后，古城凹陷整体再次沉降，现今芦草沟组烃源岩的R O值普遍介于0.7%~1.0%之间，进入主生油窗阶段，而凸起区烃源岩的热演化程度仍较低［图9（d）］。

3.3　烃源岩生物标志物特征

3.3.1　氧化还原条件

姥鲛烷（Pr）和植烷（Ph）这2种类异戊二烯化合物主要来源于陆生植物叶片、古细菌和微生物等，常用于判断沉积环境的氧化还原条件［37-41］。通常，姥植比（Pr/Ph）<0.5指示强还原环境、Pr/Ph=0.5~1.0指示还原环境、Pr/Ph=1.0~2.0指示弱还原—弱氧化环境、Pr/Ph>2.0指示偏氧化环境［42-43］。
古城凹陷芦草沟组2个烃源岩样品的Pr/Ph值分别为1.07和1.12，表明烃源岩处于弱还原—弱氧化环境，与3.1节所述浅湖相沉积环境相吻合［图10（a），图11（a）］。吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩的Pr/Ph值介于0.48~1.38之间（平均为0.91），约60%的样品Pr/Ph值小于1.00，总体反映了偏还原的沉积环境［图10（a），图11（a），表2］。吉木萨尔凹陷个别芦草沟组烃源岩样品的Pr/Ph值甚至小于0.50，指示强还原环境，说明该区处于以有机质混合相输入为特征的亚还原—还原环境，局部烃源岩处于缺氧超盐环境，与前述异重流较活跃的半深湖—深湖环境相吻合［图10（b），图11（a）］。此外，Pr/nC17与Ph/nC18交会图也表明，古城凹陷芦草沟组烃源岩整体处于弱还原—弱氧化环境，而吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩总体为还原环境［图10（a），图10（b），图11（b）］。
图10 古城凹陷与吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩生物标志物谱图

（a）、（c）、（e）城1井，芦草沟组，泥岩，2 881.5 m；（b）、（d）、（f）吉27井，芦草沟组，泥岩，2 296.4 m。注：R1：C17正构十七烷；R2：姥鲛烷（Pr）；R3：C18正构十八烷；R4：植烷（Ph）；T1：C19，14β（甲基）-三环萜烷；T2：C20，13β（H），14α（H）-三环萜烷；T3：C21，13β（H），14α（H）-三环萜烷；T4：C23，13β（H），14α（H）-三环萜烷；T5：C26，三环萜烷；T6：C26，三环萜烷；T7：C24，四环萜烷；T8：18α，-22，29，30-三降藿烷（Ts）；T9：17α，-22，29，30-三降藿烷（Tm）；T10：17α（H），21β（H）-藿烷；T11：17β（H），21α（H）-莫烷；T12：伽马蜡烷；S1：20S-ααα-胆甾烷；S2：20R-αββ-胆甾烷；S3：20S-αββ-胆甾烷；S4：20R-ααα-胆甾烷；S5：20S-24-甲基-ααα-胆甾烷；S6：20R-24-甲基-αββ-胆甾烷；S7：20S-24-甲基-αββ-胆甾烷；S8：20R-24-甲基-ααα-胆甾烷；S9：20S-24-乙基-ααα-胆甾烷；S10：20R-24-乙基-αββ-胆甾烷；S11：20S-24-乙基-αββ-胆甾烷；S12：20R-24-乙基-ααα-胆甾烷

Fig.10 Biomarker spectra of Lucaogou source rocks in the Gucheng and Jimsar sags

图11 古城凹陷与吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩抽提物中生物标志化合物的地球化学特征

（a）Pr/Ph与伽马蜡烷/C30藿烷；（b）Pr/nC17与Ph/nC18；（c）Ts/（Ts +Tm）与C29Ts/C29藿烷；（d）C19/C21三环萜烷与C24四环萜烷/C26三环萜烷

Fig.11 Biomarker geochemistry characteristics of the Lucaogou source-rock-extracts in the Gucheng and Jimsar sags

姥鲛烷和植烷的丰度受成熟度影响大，在成熟—高成熟阶段，相关比值具有不确定性［37，43］，在反映沉积水体氧化还原条件时，还需要其他生物标志物参数来相互印证。Ts/（Ts+Tm）值对黏土矿物催化反应很敏感，通常较低的Ts/（Ts+Tm）值反映烃源岩中碳酸盐矿物含量较高（或为碳酸盐岩烃源岩），沉积水体pH值也较高［43］。古城凹陷芦草沟组2个烃源岩样品的Ts/（Ts+Tm）值相对较高，分别为0.56和0.63，说明其所属沉积环境水体pH值偏低，处于页岩沉积环境［图10（c），图11（c），表2］。相较而言，吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩的Ts/（Ts+Tm）值介于0.09~0.47之间（平均为0.23），说明其所属沉积水体pH值偏高，更容易沉积钙质页岩［图10（d），图11（c），表2］。该指标所反映的钙质组分含量变化与岩心观察一致，即在岩心上，吉木萨尔凹陷芦草沟组钙质页岩的层数明显多于古城凹陷，厚度也更大。2个凹陷钙质页岩分布的这种差异或受控于指向乌鲁木齐一带的流域分布，即位于东部的古城凹陷因流域面积（博格达东段）更大，淡水与陆生植物碎屑注入更多，而整体呈现为贫钙质的页岩沉积环境。

3.3.2　沉积水体盐度特征

沉积水体盐度对生物群落的发育有着重要的影响，因此往往决定着烃源岩有机质的类型与丰度。此外，高盐度的水体也具有隔绝外界环境的作用，促进了沉积有机质的保存［44］。
伽马蜡烷主要来自于喜盐型原生生物，可能是四模虫醇被还原的产物［45-46］。高盐度的海相和非海相沉积物中往往有着高丰度的伽马蜡烷，因此可反映沉积水体的盐度，常用伽马蜡烷指数（伽马蜡烷/C30藿烷）来表示：该指数小于0.1、0.1~0.2、0.2~0.4和大于0.4分别指示淡水、微咸水、半咸水和咸水环境［39］。古城凹陷芦草沟组烃源岩2个样品的伽马蜡烷指数分别为0.27和0.28，处于半咸水环境［图10（c），图11（a），表2］。吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩伽马蜡烷指数介于0.08~0.35之间（平均为0.17），反映微咸水—半咸水环境；个别样品伽马蜡烷指数达0.3以上，说明这部分烃源岩沉积时的水体盐度较高，更有利于有机质的保存（表2）。吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩伽马蜡烷指数变化范围较大，表明当时沉积时水体环境更为丰富［图10（d），图11（a）］。这也从侧面说明了该区芦草沟组烃源岩受河流影响，反复沉积源自河口的陆源碎屑与有机质的特点。

3.3.3　有机质来源

C19和C20三环萜烷主要来源于维管植物生成的二萜类化合物，指示高等植物输入，而其余大部分萜类化合物则与藻类有着重要的联系［44，47］。古城凹陷芦草沟组烃源岩的C19三环萜烷丰度较高，2个样品的C19/C21三环萜烷比值分别为0.14和0.30，说明该套烃源岩除来自藻类和微生物的贡献外，同时伴有一定数量的陆源高等植物输入［图10（c），图11（d），表2］。吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩的C19/C21三环萜烷值相对较低，介于0.03~0.24之间（平均为0.09），细菌和藻类等水生生物输入占优势［图10（d），图11（d），表2］。
高丰度的四环萜烷往往与陆源有机质的输入密切相关［48］。古城凹陷2个芦草沟组烃源岩样品的C24四环萜烷/C26三环萜烷值分别为0.76和0.87，说明其生烃母质含有一定量的陆源高等植物输入［48］，这与前述淡水补给充足的浅湖相环境相吻合［图10（c），图11（d），表2］。吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩的C24四环萜烷/C26三环萜烷值分布区间广，介于0.30~2.19之间（平均为0.91），约一半样品比值大于1.00，表明其生烃母质既有藻类也有陆源高等植物碎屑，这与前述咸化的、异重流较活跃的半深湖—深湖沉积环境相吻合［图10（d），图11（d），表2］。
一般认为，陆生高等植物富含C29规则甾烷，低等水生植物和硅藻等浮游植物富含C27规则甾烷和C28规则甾烷［48-50］。古城凹陷芦草沟组2个烃源岩样品的C27、C28和C29规则甾烷的平均含量分别为23.8%、35.4%和40.8%，C29规则甾烷占优势，反映了混源输入的特点［图10（e），图12，表2］。吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩C27、C28和C29规则甾烷的相对含量总体与古城凹陷相似，分别为14.5%~30.8%（平均为21.5%）、23.6%~44.5%（平均为37.0%）和32.0%~51.5%（平均为41.4%），其C28规则甾烷含量较古城凹陷略高，说明藻类等水生生物的输入更为丰富［图10（f），图12，表2］。古城凹陷芦草沟组烃源岩总体表现出C29规则甾烷优势，而吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩C27—C29规则甾烷相对含量变化较大，其搬运和沉积可能与前述源自河口的异重流有关，导致其既有异重流输入的陆源高等植物占优势，也有来源于藻类和浮游生物有机质占优势的情况（图12）。
图12 古城凹陷与吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩抽提物中C27—C29规则甾烷相对含量

Fig.12 Relative content of C27 -C29 regular steranes for Lucaogou source-rock-extracts in the Gucheng and Jimsar sags

3.4　规模有效烃源灶分布

基于研究区二维地震测线和仅有的3口钻井资料，同时参考重磁普查资料，本文研究刻画了芦草沟组烃源岩的平面展布。井—震联合追踪表明，古城凹陷芦草沟组烃源岩厚度较大，主体部分厚度普遍大于40 m，面积约为1 700 km2［图8（b）］。在古城凹陷的南部发育3个，在凹陷的北部发育1个大于160 m的烃源岩厚度中心，总面积约为420 km2［图8（b）］。基于本文3.2节获得的芦草沟组烃源岩的I Ho数据，结合烃源岩厚度平面分布特征，本文研究刻画了古城凹陷芦草沟组烃源岩生油强度的平面分布，落实了规模有效烃源灶的范围［图8（c）］。生油强度的计算公式如下：
生油强度 = TOC × ρ × h × I Ho × c
式中：ρ为烃源岩密度，g/cm3，取2口井12个样品的平均值（2.49 g/cm3）；I Ho为本文3.2.1节中计算得到的初始氢指数（325 mg/g）；h为烃源岩厚度，m；c为生烃转化率， %；生油强度单位为106 t/km2。根据式（2），结合初始氢指数的计算结果，每一个实测样品都可以得到一个与之相对应的生烃转化率（c）。
  c =   1   200 I H o ( I H o -   I H ) ( 1   200   -   I H )
计算结果表明，古城凹陷芦草沟烃源岩生油强度整体大于80 × 104 t/km2，面积为548 km2。芦草沟组烃源岩的生烃中心位于凹陷南部，发育3个生油强度大于200 × 104 t/km2的生烃中心，总面积为130 km2，是最有利的勘探区域［图8（c）］。

4 结论

（1）准噶尔盆地古城凹陷芦草沟组烃源岩岩性以块状泥岩为主，纹层不发育，表现出较为典型的浅湖—半深湖特征；吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩岩性以页岩为主，具有较为典型的深湖—半深湖特征，而且受河流影响较强，反复沉积源自河口的陆源碎屑与有机质。
（2）古城凹陷芦草沟组烃源岩干酪根类型主要为II/III—III型，既生油又生气；吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩干酪根类型更好，主要为II—I型，以生油为主；2个凹陷芦草沟组中等及以上级别烃源岩占比均在80.0%左右，但吉木萨尔凹陷好—极好烃源岩的比例更高，这种差异明显受控于沉积环境和岩相的变化。
（3）中—晚侏罗世，除构造隆起区外，古城凹陷芦草沟组烃源岩整体进入生烃门限。现今，古城凹陷芦草沟组烃源岩进入主生油窗的面积为212 km2，热演化程度略高于吉木萨尔凹陷。
（4）古城凹陷芦草沟组烃源岩的Pr/Ph、Ts/（Ts+Tm）、C19/C21三环萜烷、C24四环萜烷/C26三环萜烷值和伽马蜡烷指数分别为1.07~1.12，0.56~0.63、0.14~0.30、0.76~0.87和0.27~0.28，C28规则甾烷相对平均含量为35.4%，说明其沉积于具有一定盐度的氧化—还原过渡环境，具有混合生源输入的特征。相较而言，吉木萨尔凹陷芦草沟组烃源岩的水体还原性更强，盐度变化大，生源以细菌和藻类输入为主。
（5）古城凹陷芦草沟组烃源岩厚度普遍大于40 m，在凹陷的南部发育3个、在凹陷的北部发育1个大于160 m的烃源岩厚度中心，总面积约为420 km2。古城凹陷南部发育3个生油强度大于200×104 t/km2的生烃中心，总面积为130 km2，是最有利的勘探区域。

本文得到了中国石油勘探开发研究院戴金星院士的悉心指导，谨致谢意。参考文献(References)

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