準噶爾盆地二疊系全油氣系統(tǒng)與源內(nèi)天然氣勘探新領(lǐng)域

唐勇，雷德文，曹劍，劉寅，黃立良，李卉

（1.中國石油 新疆油田分公司a.勘探開發(fā)研究院；b.勘探事業(yè)部，新疆 克拉瑪依 834000；2.南京大學 地球科學與工程學院，南京 210023；3.中國石油大學（華東）地球科學與技術(shù)學院，山東 青島 266580）

準噶爾盆地是中國西部內(nèi)陸重要的含油氣盆地之一，油氣資源豐富，勘探歷史悠久，自20 世紀50 年代以來，累計探明石油資源量超過27×108t，天然氣資源量近1 800×108m3。受復雜地質(zhì)條件影響，雖經(jīng)歷了長期勘探，但油氣綜合探明率僅為24.3%，且主要集中在三疊系以上層位[1]。2007 年以來，先后在瑪湖凹陷部署風城1 井、百泉1 井、瑪湖1 井等風險探井，推動了二疊系和三疊系礫巖大油區(qū)的發(fā)現(xiàn)，揭示了深層致密油和頁巖油等資源新類型。2019 年，研究區(qū)瑪頁1 井取得重大突破，發(fā)現(xiàn)瑪湖凹陷西斜坡常規(guī)油藏、致密油藏和頁巖油藏有序共生[2-5]，揭示了深層油氣的勘探潛力，推動了全油氣系統(tǒng)理論走向?qū)嵺`。在全油氣系統(tǒng)理論的引領(lǐng)下，準噶爾盆地已形成常規(guī)—非常規(guī)油氣藏勘探新格局。然而，相比于原油勘探，準噶爾盆地天然氣探明率較低，僅為5.3%，將準噶爾盆地從大油田建設(shè)成大油氣田，面臨的任務(wù)依然非常艱巨。

基于近些年的勘探實踐成果和認識，本文梳理了準噶爾盆地深層天然氣勘探特點及發(fā)展趨勢，總結(jié)了天然氣大規(guī)模聚集成藏的條件，進一步從天然氣勘探角度完善全油氣系統(tǒng)理論，為油氣勘探提供依據(jù)。

1 油氣勘探進展與發(fā)展趨勢

準噶爾盆地為多期復雜構(gòu)造作用形成的疊合盆地，發(fā)育瑪湖凹陷、盆1 井西凹陷、沙灣凹陷、阜康凹陷、吉木薩爾凹陷等多個凹陷（圖1），形成了上白堊統(tǒng)—第四系、侏羅系—下白堊統(tǒng)和石炭系—三疊系3套油氣成藏組合[6]。多旋回疊合盆地與復雜的儲蓋組合，決定了準噶爾盆地油氣勘探的長期性和階段性[5，7-9]，隨石油地質(zhì)理論的不斷更新，準噶爾盆地的油氣勘探不斷發(fā)展，展現(xiàn)出了4個鮮明特點。

首先，富烴凹陷中、下油氣成藏組合勘探已成為主體。自2011 年來，逐步加大了凹陷區(qū)中、下油氣成藏組合的勘探力度，相繼發(fā)現(xiàn)或預測存在包括瑪湖大油區(qū)、風城組非常規(guī)大油區(qū)、吉木薩爾頁巖油區(qū)3 個原油富集區(qū)，以及沙灣凹陷的盆1 井西凹陷和南緣下組合2 大天然氣富集區(qū)在內(nèi)的5 個油氣富集區(qū)，已成為準噶爾盆地現(xiàn)階段油氣儲量增長的主體。

其次，深部儲集層在高孔隙壓力下發(fā)育微裂縫，是優(yōu)質(zhì)儲集層發(fā)育的重要條件。實驗證實，當?shù)貙訅毫ο禂?shù)超過1.68時，滲透率明顯增大[1]，指示深層致密巖層具有形成大規(guī)模儲集層的可能。以阜康凹陷康探1 井為例，儲集層雖然較為致密，平均孔隙度僅為4.3%，平均滲透率為0.065 mD，但在梧桐溝組4 994—5 066 m 試獲日產(chǎn)油114.54 t，在5 116—5 121 m 試獲日產(chǎn)油132.01 t 的高產(chǎn)工業(yè)油氣流，反映油氣聚集不僅僅受儲集層物性控制。

再次，烴源巖影響油氣分布。晚石炭世古亞洲洋逐漸閉合，新疆北部盆地群完成從海向陸的重大轉(zhuǎn)變[10-12]，受局部隆起分隔，以準噶爾盆地為中心，形成準噶爾、吐哈、三塘湖、伊犁等多個相對獨立的咸化湖盆。在此背景下，在新疆北部二疊系發(fā)育一套咸化湖相黑色頁巖與白云質(zhì)巖交互沉積，面積達15×104km2，不僅是各盆地的主力烴源巖，同時也是頁巖油、致密油等非常規(guī)油氣勘探的重要領(lǐng)域。不同沉積相帶烴源巖生烴母質(zhì)的差異、烴源巖熱演化階段產(chǎn)物的不同、油氣封堵條件的時空轉(zhuǎn)換與分段充注，形成了二疊系以風城組烴源巖為代表的“雙峰式”2 階段生烴及早、晚2 期油氣差異聚集[1-2，6]，也決定了二疊系烴源巖所生油氣的有序分布。例如阜康凹陷阜東地區(qū)，凸起帶上原油密度為0.864 2 g/cm3，下斜坡至凹陷區(qū)，原油密度降低為0.837 8 g/cm3。在侏羅紀早—中期，蘆草溝組烴源巖所生的成熟油氣向凸起區(qū)運聚成藏；早白堊世至今，隨沙丘河斷裂的封閉，晚期高成熟油氣主體被封堵在斷裂之下，在凹陷區(qū)聚集成藏，反映了不同構(gòu)造位置及封堵條件對油氣分布的控制。

最后，形成常規(guī)—非常規(guī)油氣藏有序共生理論，建立全油氣系統(tǒng)勘探理念。隨著準噶爾盆地二疊系常規(guī)—非常規(guī)油氣的持續(xù)發(fā)現(xiàn)，重新梳理已發(fā)現(xiàn)的油氣藏，解剖油氣生—排—運—聚的過程，分析油氣藏形成機制，厘清不同類型油氣藏共生關(guān)系與分布規(guī)律，構(gòu)建常規(guī)—非常規(guī)油氣成藏有序分布模式（圖2），建立了“源儲耦合、有序聚集”的全油氣系統(tǒng)理論，包括源內(nèi)—源外的盆緣常規(guī)砂礫巖油藏、斜坡區(qū)源儲緊鄰的準連續(xù)型致密油藏、凹陷內(nèi)自生自儲的源內(nèi)連續(xù)型頁巖油藏[2-3，5，13]。在全油氣系統(tǒng)理論指導下，勘探思路由“繞源勘探”向“進源勘探”轉(zhuǎn)變，在瑪湖凹陷西北斜坡風城組已顯現(xiàn)出源內(nèi)非常規(guī)油藏大規(guī)模聚集的格局，東斜坡亦具備砂礫巖—白云質(zhì)砂巖—白云質(zhì)泥巖沉積序列，具備常規(guī)和非常規(guī)油氣藏有序共生條件，并已發(fā)現(xiàn)高熟輕質(zhì)非常規(guī)油氣藏，且勘探程度較低，是下步風險勘探的重要區(qū)域。

圖2 準噶爾盆地全油氣系統(tǒng)常規(guī)—非常規(guī)油氣藏有序分布成藏模式（剖面位置見圖1）Fig.2.Accumulation model with orderly distribution of conventional-unconventional hydrocarbon in the total petroleum system in Junggar basin(section location is shown in Fig.1)

2 準噶爾盆地全油氣系統(tǒng)

基于近年來的勘探實踐和發(fā)現(xiàn)，總結(jié)了準噶爾盆地全油氣系統(tǒng)的基本特征，以最為典型的瑪湖凹陷風城組為例。

2.1 全油氣系統(tǒng)的生烴條件

烴源巖是油氣形成大規(guī)模和高效聚集的物質(zhì)基礎(chǔ)，風城組烴源巖是全球已發(fā)現(xiàn)最古老的堿湖優(yōu)質(zhì)烴源巖[14]，根據(jù)有機地球化學參數(shù)，是一套質(zhì)量中等—好的烴源巖，具有豐富的有機質(zhì)，總有機碳含量最高超過4.0%，最大生烴潛量超過25.0 mg/g[7]。風城組烴源巖生烴母質(zhì)主要為細菌和藻類，層狀菌藻類與無機礦物互層產(chǎn)出，烴源巖有機質(zhì)豐度高。不同生烴母質(zhì)與環(huán)境協(xié)同演化，藍藻主要在凹陷邊緣的烴源巖中富集，而杜氏藻則在沉積中心的烴源巖中富集，這種生烴母質(zhì)分布上的差異深刻影響了生烴過程?，F(xiàn)代杜氏藻油脂含量高，可用于生產(chǎn)生物油。熱解實驗表明，現(xiàn)代杜氏藻在600 ℃下可產(chǎn)生高達47%的生物油[15]?，F(xiàn)代藍藻也可產(chǎn)出大量生物油，但達到最大產(chǎn)油量所需要溫度（400 ℃）以及最大產(chǎn)出量（25%）要低于杜氏藻[16]。加之風城組烴源巖中豐富的細菌可以提高油氣比和生烴轉(zhuǎn)化率[5，14，17]，豐富的堿類礦物可以延緩烴類生成[18]，這些都為風城組持續(xù)生排烴提供了條件。

在成熟度上，風城組烴源巖目前多處于成熟演化階段，在凹陷區(qū)進入了高成熟演化。不同沉積相帶的生烴母質(zhì)及其熱演化差異，使得烴源巖具有“雙峰式”2 階段生油和持續(xù)生氣模式（圖3），與傳統(tǒng)湖相烴源巖相比，生排烴具有多期性和高效性。

圖3 準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組烴源巖生烴模式Fig.3.Hydrocarbon generation model of the Fengcheng formation source rocks in Mahu sag，Junggar basin

2.2 全油氣系統(tǒng)的儲蓋條件與油氣有序分布特征

在風城組烴源巖內(nèi)部及周緣，具有常規(guī)—非常規(guī)油藏有序共生的特征，可分為源內(nèi)和源外2 套油成藏子系統(tǒng)。油藏分布受沉積相帶控制，平面上頁巖油藏位于凹陷中心，向斜坡淺部轉(zhuǎn)變?yōu)橹旅苡筒?，向凹陷邊緣轉(zhuǎn)變?yōu)槌Ｒ?guī)扇三角洲砂礫巖油藏（圖4）。針對風城組油氣藏的勘探中，早期遵循傳統(tǒng)的含油氣系統(tǒng)理念，主要以尋找靠近斷裂帶附近的常規(guī)砂礫巖油藏為主。此類油藏的儲集層與烴源巖空間分離，原油經(jīng)過二次運移，主要為浮力成藏，屬于傳統(tǒng)的含油氣系統(tǒng)成藏模式[3]。2018 年以來，以常規(guī)—非常規(guī)油氣藏有序共生的理論為指導，認為高部位水區(qū)之下仍有可能存在非常規(guī)致密油藏，且勘探獲得成功，此類油藏的油氣以游離態(tài)或吸附態(tài)賦存在孔隙中，在油氣運移中，毛細管力作用強，運移距離短或以初次運移為主，不屬于經(jīng)典的源儲分離成藏模式，而屬于源儲緊鄰的成藏模式。至凹陷中心，發(fā)現(xiàn)了連續(xù)分布的頁巖油藏，油藏無嚴格的圈閉界限，屬于烴類滯留在源內(nèi)形成的非常規(guī)油藏。

圖4 瑪湖凹陷風城組源內(nèi)常規(guī)和非常規(guī)油藏有序分布預測平面（a）及剖面（b）Fig.4.(a)Plane distribution and(b)section of inner-source with orderly coexistence of conventional and unconventional reservoirs in the Fengcheng formation of Mahu sag

風城組烴源巖油氣在源外也具有常規(guī)—非常規(guī)成藏的有序特征，包括源內(nèi)的風城組非常規(guī)頁巖油藏和致密油藏，到源上的三疊系常規(guī)砂礫巖油藏，至凹陷邊緣沖斷帶的侏羅系常規(guī)砂礫巖油藏（圖2）。在凹陷邊緣，沖斷帶扇三角洲常規(guī)油氣藏主要分布在加伊爾山和哈拉阿拉特山前，代表性油氣藏發(fā)育在克拉瑪依油田，具有3 個重要特點：①單一扇三角洲朵葉體都被泥巖所圍繞，形成一個相對封閉的儲集體，并且具有良好的沉積蓋層；②下伏烴源巖生成的油氣沿斷層和不整合面向上運移，進而向階梯式扇三角洲朵葉體儲集層充注；③逆沖斷層斷階帶上發(fā)育一系列扇三角洲朵葉體，可以大面積重疊和延伸?？傊?，烴源巖上常規(guī)礫巖油氣藏受廣泛發(fā)育的三疊系大型淺水扇三角洲相控制[19-21]，扇三角洲前緣亞相連接或重疊，形成橫向上廣泛分布的砂礫巖體，為油氣聚集提供了良好的儲集場所。在盆緣造山帶持續(xù)活動的影響下，盆內(nèi)發(fā)育大量北西—南東向走滑斷裂，溝通二疊系烴源巖與三疊系砂礫巖儲集層，形成良好的油氣垂向運移通道，加之三疊系與二疊系間不整合面，共同構(gòu)成了油氣的立體輸導體系，在上二疊統(tǒng)和三疊系扇三角洲前緣儲集體中形成大面積油氣富集[20]。

3 二疊系源內(nèi)非常規(guī)天然氣勘探

準噶爾盆地二疊系烴源巖生產(chǎn)的油氣，具有由盆地邊緣向凹陷中心呈環(huán)帶狀有序分布的特點[22-29]，結(jié)合國內(nèi)外油氣勘探成果，提出二疊系烴源巖源內(nèi)非常規(guī)天然氣勘探的新理念。

3.1 基本成藏條件

3.1.1 烴源巖條件

準噶爾盆地湖盆在早—中二疊世具2期咸化[30-33]，自西向東，烴源巖自下而上遷移（圖5），沉積水體咸化程度依次降低。其中，盆地西部下二疊統(tǒng)風城組沉積期鹽度最高，中部中二疊統(tǒng)蘆草溝組沉積期次之，東部中二疊統(tǒng)平地泉組沉積期最低。湖水鹽度控制了生烴母質(zhì)，而不同的生烴母質(zhì)所產(chǎn)烴類型不同[30-33]。以研究程度相對最高的風城組為例，在沉積邊緣區(qū)泥質(zhì)巖中藍藻繁盛，在沉積中心區(qū)白云質(zhì)巖中杜氏藻發(fā)育，形成了成熟—高成熟“雙峰式”生烴[2]，并且以生油為主，其中早期成熟原油主要分布于斷裂帶，晚期高熟油氣被三疊紀之后停止活動的克烏大斷裂封堵于凹陷區(qū)，目前在瑪湖凹陷區(qū)發(fā)現(xiàn)的油氣以輕質(zhì)油為主。生烴模擬實驗結(jié)果表明，在封閉條件下，風城組烴源巖有機碳甲烷產(chǎn)率最高可達637 mL/g，遠高于侏羅系和石炭系烴源巖（圖6），為天然氣成藏提供物質(zhì)基礎(chǔ)。至水體鹽度相對較低的盆地東部地區(qū)，有機質(zhì)輸入中的高等植物貢獻增多，有機質(zhì)向Ⅱ2型—Ⅲ型轉(zhuǎn)化，烴源巖更傾向于生氣。因此，受沉積水體鹽度、生烴母質(zhì)類型、熱演化程度等因素的綜合控制，二疊系烴源巖既生油，又生氣，具全序列生烴的特點，為天然氣的聚集成藏提供了基礎(chǔ)。

圖5 準噶爾盆地中央坳陷二疊系烴源巖巖相東西向剖面（剖面位置見圖1）Fig.5.E-W section of lithofacies of Permian source rocks in the Central depression of Junggar basin (section location is shown in Fig.1)

圖6 準噶爾盆地烴源巖生烴熱模擬實驗產(chǎn)氣特征Fig.6.Thermal simulation experiment of hydrocarbon generation and gas production characteristics of the source rocks in Junggar basin

3.1.2 構(gòu)造條件

受天山強烈隆升的影響，準噶爾盆地南部地層埋深和厚度均較大，向北埋深變淺，地層逐漸減薄甚至尖滅，二疊系烴源巖最大埋藏深度超過9 000 m（圖7）。這決定了二疊系烴源巖的熱演化程度必然南高北低，反映在所生烴類相態(tài)上，南部和深層應(yīng)以輕質(zhì)油氣為主，如達探1 井在5 600—5 900 m，原油密度約為0.79 g/cm3?？梢灶A測，在烴源巖生烴母質(zhì)和成熟度等因素控制下，在凹陷深部，天然氣聚集的可能性更高。因此，根據(jù)盆地結(jié)構(gòu)和地層展布特征，可以制訂盆地南部大氣區(qū)的戰(zhàn)略布局。

圖7 準噶爾盆地南北向地質(zhì)格架剖面（剖面位置見圖1）Fig.7.N-S geological framework section of Junggar basin(section location is shown in Fig.1)

3.1.3 儲集層條件

有效儲集層是形成大規(guī)模油氣聚集的必要條件，二疊系儲集層發(fā)育多種巖性，包括砂礫巖、砂巖、凝灰?guī)r、玄武巖，以及白云質(zhì)砂巖、粉砂巖、白云巖、泥質(zhì)白云巖等。以風城組為例，孔隙度為1.00%～13.00%，變化較大，平均孔隙度為2.89%，多數(shù)樣品的滲透率小于0.1 mD，具有低孔低滲的特征。具體到不同層段，風一段下部主要由2 套碎屑巖夾凝灰?guī)r組成，孔隙度為2.40%～12.00%，滲透率多小于0.1 mD，最大滲透率約為0.5 mD，基質(zhì)孔隙通常含油，但裂縫中含油較少。風一段上部—風三段為泥巖和白云質(zhì)巖互層，單層厚度小于0.5 m，孔隙度通常小于10.00%，滲透率多小于0.1 mD，部分層物性好，具有高孔隙度（大于10.00%）和高滲透率（大于0.1 mD）的特征，這與裂縫的發(fā)育有關(guān)[5]。對大規(guī)模分布的白云質(zhì)巖類儲集層應(yīng)加大關(guān)注，其分布穩(wěn)定，在地震上表現(xiàn)為強反射層，預測分布面積超過7 980 km2。特別是瑪南地區(qū)，風城組地震相帶邊界清晰，是常規(guī)油氣藏、致密油氣藏和頁巖油氣藏的兼探區(qū)，上傾方向常規(guī)油藏和致密油藏勘探已獲重大突破，應(yīng)加大對斜坡—凹陷區(qū)深層白云質(zhì)頁巖油氣藏的勘探。

3.2 勘探發(fā)現(xiàn)與領(lǐng)域分析

根據(jù)以上分析，準噶爾盆地存在深層二疊系源內(nèi)非常規(guī)天然氣重大領(lǐng)域。據(jù)此，在全油氣系統(tǒng)理論指導下，已開展了一些勘探工作，取得了良好發(fā)現(xiàn)。如沙灣凹陷沙探2井日產(chǎn)天然氣2.036×104m3，甲烷碳同位素為-38.1‰，乙烷碳同位素為-31.0‰，為風城組腐泥型氣。瑪湖凹陷西斜坡風云1 井見良好顯示，在風三段鉆遇油層50 m，風二段鹽巖下鉆遇高壓油氣層，錄井解釋油層25 m。在盆1 井西凹陷區(qū)，盆5 氣田也有風城組來源的高成熟天然氣，碳同位素具海相腐泥型氣與煤系腐殖型氣的混合特征?？傊?，向凹陷深層，雖然目前尚無鉆井揭示，但從沉積相帶展布來看，自凹陷向邊緣依次發(fā)育濱淺湖相白云質(zhì)泥巖，扇三角洲前緣相白云質(zhì)砂巖、砂礫巖及扇三角洲平原相砂礫巖（圖8），沉積相帶發(fā)育齊全，凹陷區(qū)具有致密氣藏和白云質(zhì)泥巖頁巖氣藏的勘探潛力。

圖8 瑪湖凹陷（a）與沙灣凹陷（b）地震相剖面及預測風城組沉積相帶展布（剖面位置見圖1）Fig.8.Seismic facies section and predicted sedimentary facies belt distribution of Fengcheng formation in(a)Mahu sag and(b)Shawan sag(section location is shown in Fig.1)

4 結(jié)論

準噶爾盆地二疊系，特別是瑪湖凹陷風城組，形成了以油為主的全油氣系統(tǒng)的源內(nèi)和源外2 套油氣成藏子系統(tǒng)，成為全油氣系統(tǒng)由理論走向?qū)嵺`的典例。在全油氣系統(tǒng)理論的指導下，準噶爾盆地油氣勘探轉(zhuǎn)入中—下油氣成藏組合，并獲得持續(xù)突破。二疊系不僅發(fā)育高效、持續(xù)和全序列生烴的優(yōu)質(zhì)烴源巖，同時發(fā)育不同類型的儲集層，揭示了盆地深層非常規(guī)天然氣的勘探潛力，如白云質(zhì)砂巖型致密氣藏、白云質(zhì)泥巖型頁巖氣藏等。這不僅拓寬了準噶爾盆地油氣勘探領(lǐng)域，也對進一步完善全油氣系統(tǒng)理論具有重要意義。