引用本文

Zhang Mingfeng，Xiong Deming，Wu Chenjun,et al.Source rock condition and the formation of Jurassic low-maturity gases in the eastern Junggar Basin[J].Natural Gas Geoscience,2016,27(2):261-267.[张明峰,熊德明,吴陈君,等.准噶尔盆地东部地区侏罗系烃源岩及其低熟气形成条件[J].天然气地球科学，2016,27(2):261-267.]
doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2015.02.0261

准噶尔盆地东部地区侏罗系烃源岩及其低熟气形成条件

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张明峰1 ，熊德明1，2，吴陈君1，马万云3，孙丽娜1，2，妥进才1 

（1.甘肃省油气资源研究重点实验室/中国科学院油气资源研究重点实验室，甘肃兰州730000；2．中国科学院大学，北京100049；3.新疆油田公司实验检测研究院，新疆克拉玛依834000）

作者简介：张明峰（1979-），男，甘肃兰州人，副研究员，博士，主要从事油气地质和地球化学研究.E-mail：zhangmingfeng_9@hotmail.com.

基金项目：中国科学院西部行动计划项目（编号：KZCX2-XB3-12）；中国科学院先导科技专项（编号：XDB01030403）;甘肃省重点实验室专项（编号：1309RTSA041）联合资助.

摘要  
源岩条件是低熟气形成的重要因素，准噶尔盆地东部地区侏罗系烃源岩分布范围广，厚度大，有机质为腐殖型烃源岩，RO值绝大多数都小于1.0%，具备有利于低熟气形成的源岩基础。通过地球化学分析，发现侏罗系烃源岩埋深为2 200～4 500m， RO值变化幅度很小，基本都在0.5%～0.8%之间。同一口井和不同区域的侏罗系烃源岩，都表现出随着埋深增加RO值变化范围较小，还未达到常规意义上的生气高峰阶段，并且在此演化阶段保持了很长的地质历史时间。针对实际地质情况，开展温度和时间条件下低熟气形成的热解生烃模拟实验研究，实验结果表明，330℃和350℃时，烷烃气产量较低，随着时间增加(3~30d)产气量变化很小，加热温度370℃和390℃，随着时间增长，气体增加量在14～21d达到最高峰，之后到30d呈缓慢增加或基本保持不变，相对同一温度3d时产气量增加2~2.5倍，即RO值增高0.2%~0.3%时，烷烃气生成量有显著增加，说明时间效应对低熟气形成有重要作用，并且受温度条件的限制。

关键词： 准噶尔盆地东部       侏罗系烃源岩       热解模拟实验       时间和温度效应       低熟气形成      

中图分类号：TE122.1      文献标志码：A      文章编号：1672-1926(2016)02-0261-07

Source rock condition and the formation of Jurassic low-maturitygases in the eastern Junggar Basin

Zhang Ming-feng1 ，Xiong De-ming1，2，Wu Chen-jun1，Ma Wan-yun3，Sun Li-na1，2，Tuo Jin-cai1 

（1.Key Laboratory of Petroleum Resources,Gansu Province/Key Laboratory of Petroleum Resources Research,Institute of Geology and Geophysics,Chinese Academy of Sciences,Lanzhou 730000,China;2.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China;3.Research Institute of Experimentand Detection,Xijiang Oilfield Company,Karamay 834000,China）

Abstract  
Source rock condition is an important factor in the formation of low-mature gas.The Jurassic source rocks are widely distributed with large thickness in the eastern Junggar Basin.The organic matter type is Ⅲ,and its maturity is less than 1.0%.Geochemical analysis showed that RO(%) changes slightly,basically between 0.5% and 0.8% from 2 200m to 4 500m.The RO(%) variation is small with the increase of the depth of source rocks,indicating that it has not reached the gas generation peak,and this evolutionary stage holds a long geological history of time.To obtain information about the influences of heating time and temperature during the evolution of sedimentary organic matter,with hydrous pyrolysis,twenty experiments were conducted at different temperatures and heating time.The results showed that alkane gas production is low and change little with increasing pyrolysis time (3-30days) at 330℃ and 350℃.With the increase of simulation temperature (370℃ and 390℃),the alkane gas production reaches the peak at 14-21 days,and after that to the day 30 it showed a slow increase or nearly unchanged,relative to the same temperature for 3 days,the gas production increased 2-3 times,i.e.,RO increased by 0.2%-0.3%.The amount of hydrocarbons gas increased significantly.That means,the effect of time on the evolution of low-mature gas may be related to the maturity.

Key words： Eastern Junggar Basin;       Source rock of Jurassic;       Hydrous pyrolysis experiments;       Pyrolysis time and temperature;       Low-maturity gases formation;      

引言

低熟气的概念是从天然气勘探的实际提出的，20世纪80年代学者就已提出生物—热催化过渡带天然气和早期热成因天然气[1,2]，近年来，徐永昌等[3-5],王晓锋等[6]对低熟气的概念进行了明确的厘定，提出了低熟气的地球化学特征和判识指标，同时对我国低熟气的资源潜势进行了分析，指出吐哈盆地天然气形成的地质条件，碳同位素和轻烃指数都有力地证明探明的天然气为低熟气，已具有 3个大气田的规模；并指出一个盆地要形成低熟气,重要的地质基础是盆地地层垂向剖面上存在一套有较高的有机质相对丰度(TOC,%)和绝对丰度(TOC的总数量)的气源岩,其成熟度RO≤ 0.9%,这是形成低熟气的地质基础。中国西北部地区与吐哈盆地地质背景相似的侏罗系沉积盆地较多，这些盆地侏罗系煤系烃源岩发育较好，它们热演化程度较低，处于低演化阶段，在以往的评价中未予以足够重视，是低熟气有望取得突破的重点地区。准噶尔盆地东部地区的地质背景与吐哈盆地最为相似，前人对天然气研究中也指出有低熟气的显示[7-10]，那么，研究其低熟气的烃源和形成条件将对低熟气理论及提供勘探依据都是十分重要的。

1 准东地区侏罗系形成低熟气的烃源基础

1.1 侏罗系烃源岩分布

准噶尔盆地位于新疆北部，南、北夹持于天山与阿尔泰山之间，东、西为准噶尔盆地界山，平面形态呈南宽北窄的三角形，总面积为13×104km2，是在准噶尔地块基础上发展起来的晚石炭世—第四纪沉积盆地，是我国西部重要的含油气盆地之一。准噶尔盆地东部地区指克拉美丽山以南，博格达山前阜康断裂以北，滴水泉南—沙南—沙丘北断裂以东的广大地区，总体上为北西向隆起构造带，总面积近3×104km2，主要包括滴水泉—滴南区块、五彩湾区块、阜康东区块、东石树沟区块、石钱滩区块、梧桐窝子区块及吉木萨尔区块（图1）。地层发育的侏罗系是一套冲积扇—三角洲—湖沼相含煤沉积建造，广泛分布于准噶尔盆地，中下侏罗统几乎覆盖整个盆地，沉积地层厚度在200～3 800m之间，为一套以灰绿色、灰黑色为主的碎屑岩[11,12]。侏罗系烃源岩主要集中在中侏罗统西山窑组和下侏罗统三工河组、八道湾组，不仅纵向分布厚度较大，而且平面上分布也比较广泛，其中八道湾组和西山窑组既发育暗色泥岩，又发育炭质泥岩和煤岩，三工河组主要发育暗色泥岩王绪龙,杨海波,况军,等.准噶尔盆地第三次油气资源评价.新疆油田公司勘探开发研究院.研究报告,2002.。 对准噶尔盆地东部地区钻井资料统计分析（图2），表明侏罗系烃源岩主要分布在2 000~4 500m之间，以泥岩为主，约占总样品量的73.19%，主要分布在齐古组、头屯河组、西山窑组、三工河组和八道湾组，厚度约为4~600m，平均厚度为139.32m；其次是煤岩，约占总样品量的18.06%，主要分布在齐古组、西山窑组、三工河组和八道湾组，厚度约为4~36m，平均厚度为7.03m；炭质泥岩约占总样品量8.75%，主要分布在八道湾组、三工河组和西山窑组，厚度为2~34m，平均厚度为4.31m。东部地区的主力烃源岩主要发育在八道湾组、三工河组和西山窑组，且体量比较大，为低熟气的形成提供了丰厚的物质基础。

1.2 侏罗系烃源岩基本地球化学特征

烃源岩的厚度和分布范围是油气形成的物质基础，而其品质则决定了生烃能力和对油气形成的贡献。依据前人[13,14]对陆相和煤系地层烃源岩的评价指标，准噶尔盆地东部地区侏罗系不同层位源岩 表现出不同的生烃潜力。从有机质丰度来看，下侏罗统三工河组和八道湾组泥岩有机碳含量低于 0.75%的分别占到45.8%、19.3%，中侏罗统西山窑组只占到5.3%；有机碳含量介于0.75%～6.0%之间的以八道湾组源岩最高，占56.8%，三工河组 最低，只占29.2%；有机碳含量在6.0%～40.0%之间

图1     研究区地理位置示意
Fig.1     The location map of the eastern region,Junggar Basin

的炭质泥岩和煤(>40.0%)以中侏罗统西山窑组分布最高，占比达到39.5%（图3）。结合生烃潜量的判识指标，下侏罗统八道湾组泥岩30.1%达到有效烃源岩，炭质泥岩和煤基本都为中等—好烃源岩；三工河组泥岩近15%达到中等烃源岩，中侏罗统西山窑组炭质泥岩和煤也只达到有效烃源岩（图4）。烃源岩元素 分析表明H/C值介于0.39～0.87之间，O/C值介于0.07～0.14之间，不同层位源岩有机质类型都

图2     准噶尔盆地东部地区侏罗系烃源岩厚度分布
Fig.2     The source rock thickness distribution in the Jurassic of the eastern region,Junggar Basin

图3     准噶尔盆地东部地区侏罗系烃源岩有机质丰度
Fig.3     The source rock TOC distribution in the Jurassic of the eastern region,Junggar Basin

为Ⅲ型有机质，极个别样品为Ⅱ2型有机质（图5）。

1.3 侏罗系烃源岩热演化史特征

研究区侏罗系烃源岩单井和区域上的热演化特征如图6所示，下侏罗统八道湾组到中侏罗统西山窑组RO值分布区间较为一致，近70%的样品RO值主要集中在0.5%~0.7%之间，刚进入生油窗，还有少部分样品RO值介于0.8%~0.9%之间，进入生油高峰期，但是还没达到常规天然气的生气热化阶段。依据在吐哈盆地形成低熟气藏的烃源条件[15]，准噶尔盆地东部地区分布有广泛的侏罗系煤系地层，有机质丰度较高，有机质类型以腐殖型为主，热化程度基本都在RO<0.9%范围，具备较好的形成低熟气的烃源基础。

图4     准噶尔盆地东部地区侏罗系烃源岩TOC和(S1+S2)相关关系
Fig.4     The correlation TOC vs (S1+S2) in the Jurassic source rock of the eastern region,Junggar Basin

热演化特征随着埋深的变化，表现为同一层位的侏罗系烃源岩，西山窑组在2 200～3 800m之间，三工河组在2 350～4 150m之间，八道湾组在2 300～4 500m之间，侏罗系烃源岩在2 200～4 500m之间，实测RO值变化幅度很小，基本都在0.5%～0.8%之间。同一口井和不同区域的侏罗系烃源岩，都表现出随着埋深增加RO值变化范围较小，还未达到常规意义上的生气高峰阶段，表明在此演化阶段保持了很长的地质历史时间。这种较为特殊的RO值变化与准噶尔盆地典型的“冷壳冷幔”型热结构有关[16]，其构造—热演化特征也反映出，从古生代的石炭纪—二叠纪至中—新生代由热变冷的逐渐降温过程： 从石炭纪末至侏罗纪末盆地古地温梯度从43.3℃/km下降为28.4℃/km，到新近纪末为22.8℃/km[17]，因此，侏罗纪后盆地进入低温地温场演化期，受其影响侏罗系烃源岩演化可能较迟缓。

图5     准噶尔盆地东部地区侏罗系烃源岩有机质类型
Fig.5     The type of organic matter in the Jurassic source rock of the eastern region,Junggar Basin

生烃埋藏史也表明阜康凹陷烃源岩中下侏罗统烃源岩于白垩纪开始时进入低成熟阶段；至晚白垩世进入生烃高峰阶段；古近纪晚期进入高成熟阶段并持续至今，阜北斜坡带中下侏罗统烃源岩于早白垩世末进入低成熟生烃阶段，至今仍然未达到成熟生烃阶段[18]，阜4井侏罗系三工河组烃源岩实测镜质组反射率RO值仅为0.65％，尚处于低成熟阶段，其下八道湾组成熟度略高，但其底界也基本上在0.75％左右。因此，侏罗系烃源岩在较长的地质历史时间经历相对较低的热作用，同一套烃源岩达到生油门限及生油高峰的时间差异很大，并且生油时间也可以持续很长，那么，这种较为特殊的地质背景下对于气体尤其是低熟气的形成有什么影响?针对这一问题的探索对于低熟气形成理论和指导勘探方向都是十分必要的。

2 准东地区侏罗系烃源岩低熟气形成的热解模拟实验

2.1 样品与实验条件

借助于热解生烃模拟实验，考察烃源岩演化过程中油气的生成量，为研究烃源岩的生烃机理与成烃过程，烃源岩资源潜力评价提供必要依据，是目前常用并有效的实验方法。国内外学者[19-22]就煤系源岩和低熟气成烃的实验温度、矿物和水的催化作用、升温速率和实验压力条件下烃类转化已做过研究，而研究区侏罗系烃源岩表现为RO<1.0%，并随着埋深增加变化很小(RO=0.5%～0.8%)，即在较长的地质历史时间经历相对较低的热作用，主要受到温度和时间的控制作用。这2种因素对RO值变化的影响表现为，250～450℃相同加热时间随着温度升高RO值增加，同一温度随加热时间增长RO值变化幅度是相似的，RO值变化主要取决于初始的加热温度，而时间对其影响较小。结合计算动力学模型研究，80%的RO值变化发生在10Ma，20%的RO值变化发生在300Ma。400℃时不同压力随着时间增 长演化程度变化，加热时间前1~3d VRO值增加1%~

图6     准噶尔盆地东部地区侏罗系烃源岩随深度RO变化特征
Fig.6     The correlation RO vs depth in the Jurassic source rock of the eastern region,Junggar Basin

1.5%，随着时间增长，即使再持续50d，增加的幅度只有0.5%[23,24]。 为此，本文研究考虑时间和温度对低熟气形成的影响，采用高压釜封闭体系恒温热解进行模拟实验。根据低温生烃过程和有水参与的热解实验研究[25]，将热模拟温度设为330℃、350℃、370℃、390℃，每个温度点恒温时间设为3d、7d、14d、21d、30d，以期更加符合地质情况的热演化特征。样品选择中侏罗西山窑组炭质泥岩，Tmax值为425℃，RO值为0.60%，有机碳含量为27.4%，生烃潜量为51.50mg/g，氢氧指数分别为173mL/gTOC和67mL/gTOC，样品为刚进入生油门限的腐殖型烃源岩。

2.2 实验结果的讨论

为了明确整个热解模拟生气过程中烃源岩的热演化程度，将不同温度和天数模拟残渣进行抽提分离后饱和烃馏分采用GC-MS分析，运用对未熟至成熟范围高专属性甾烷成熟度生物标志化合物参数，判识整个模拟过程中热演化程度（图7）。甾烷 C29αα20S/(S+R)值在390℃恒温14～30d时为0.42～0.45，未达到其平衡值为0.52～0.55，由于甾烷C29αα/(αα+ββ)达到平衡的速率比20S/(S+R) 要 慢，其值为0.31～0.37，也未达到其平衡值0.67～ 0.71，而这2个参数达到平衡时对应的RO值约为1.0[26]，也就表明模拟实验过程的演化程度RO值大致在0.6%～1.0%之间，是在低熟气形成对应的源岩热演化阶段。

图7     模拟实验固态产物中甾烷C29αα20S/(S+R)与C29αα/(αα+ββ)
Fig.7     The correlation C29αα20S/(S+R)vs C29αα/(αα+ββ) of source rock during increasing heating time and temperature

热解模拟实验气体产量如图8所示，总气体产量在同一温度随着时间增长，呈缓慢增加的趋势，恒温30d比恒温3d气体产量增加27%～34%，同一时间不同温度气体产量增加33%～36%，总的气体产量具有稳定的增长趋势，这反映恒温时间的增长起到对温度的补偿作用，即在低温长时间和高温短 时间加热生成的产气量，如350℃、390℃加热14d、330℃加热30d、370℃加热21d的产气量非常相近。 但是相同实验条件下烷烃气体产量变化却与总气体产量表现出明显不同，330℃随着时间增长表现

图8     烃源岩随模拟温度和时间气体产量变化
Fig.8     The gas products yields of source rock during in creasing heating time and temperature

为较低的产气量，增长幅度不超过10%，350℃时，产气量有所增加，最高达到14.9mL/gTOC，随着时间增长产气量变化很小，370℃时，14d时产气量有明显的增加，达到40.9mL/gTOC，随后增加缓慢，30d时最高产气量为43.0mL/gTOC，是3d产气量的近2倍， 390℃时相同恒温时间的气体产量要略低于370℃的产气量，变化趋势基本一致，最高产气量是3d产气量的2.5倍。 前人在研究区中侏罗统西山窑组炭质泥岩产气能力分析时，采用密封高压釜，样品选择RO值为0.41%的Ⅲ型有机质源岩，加热温度由250~600℃，每升高50℃，恒温40h，得出600℃时累积全烃气体产量312.85mL/gTOC[27]，而本文实验330~390℃各温度点3d产气总量为41.1mL/gTOC，30d产气量总和达到102.54mL/gTOC，也就是说，在相对常规天然气形成的低演化阶段，考虑时间效应条件下低熟气生成量占到极限产气量比例由13%增加到33%，可见，时间效应对低熟气形成起到重要的作用。

3 结论

准噶尔盆地东部地区侏罗系烃源岩RO值绝大部分都在1.0%以下，有机质丰度较高，类型为腐殖型有机质，并且发育厚度大、分布稳定，具备低熟气形成的有利烃源条件。单井和区域上侏罗系烃源岩在2 200～4 500m之间，RO值变化基本都在0.5%～0.8%之间，都表现出随着埋深增加RO值变化范围较小，还未达到常规意义上的生气高峰阶段，构造—热演化特征和生烃埋藏史表明侏罗系后盆地进入低温地温场演化期，受其影响侏罗系烃源岩演化较迟缓；于白垩纪至早古近纪晚期处于生油门限及生油高峰期，在此演化阶段保持了很长的地质历史时间。 针对实际地质情况，开展时间和温度条件下的热解生烃模拟实验研究，结果表明，330℃和350℃随着加热时间增长，烷烃气产量较低并且变化较小，温度升高至370℃和390℃时，烷烃气生成量随着恒温时间变长有明显增大的趋势，14～21d时具有阶梯式的成倍增加，最高产气量是同一温度3d产气量的2.5倍，表明温度约束条件下的时间效应,对低熟气形成具有重要的控制作用。

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