吐哈盆地沙爾湖凹陷二疊系烴源巖儲(chǔ)層特征

周 歡，聶俊杰，鄭 勇，許 鳴

（新疆地礦局第一地質(zhì)大隊(duì)，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(guó)頁(yè)巖氣資源潛力調(diào)查評(píng)價(jià)及有利區(qū)優(yōu)選》預(yù)測(cè)吐哈盆地頁(yè)巖氣資源量為1×1012m3，指示其具有巨大的頁(yè)巖氣資源量。張金川、張民山、王勁松等認(rèn)為吐哈盆地中、下二疊統(tǒng)和上三疊統(tǒng)中，泥頁(yè)巖厚度較大，且發(fā)現(xiàn)有頁(yè)巖氣異常富集的特征[1-4]；孫玉凱等綜合評(píng)價(jià)分析了吐哈盆地水西溝群和小泉溝群兩套頁(yè)巖的基本地質(zhì)條件后指出，它們具備形成頁(yè)巖氣藏的基本地質(zhì)條件[5]；石司宇、田繼軍等認(rèn)為吐哈盆地泥頁(yè)巖分布面積廣泛、厚度大，其中頁(yè)巖分布較廣的地層有機(jī)碳含量高、熱演化程度高、有機(jī)質(zhì)類型好，并指出三疊系小群溝群和二疊系桃東溝群2套頁(yè)巖氣測(cè)結(jié)果顯著，資源潛力巨大[6]。本文對(duì)沙爾湖凹陷二疊系塔爾郎組頁(yè)巖進(jìn)行生烴潛力展開評(píng)價(jià)，以期為該地區(qū)頁(yè)巖氣進(jìn)一步工作提供重要地質(zhì)依據(jù)。

1 區(qū)域地質(zhì)背景

吐哈盆地位于東天山山脈之間，盆地東西長(zhǎng)約660km，南北寬60～130km，面積約5.28×104km2。大地構(gòu)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(dá)山，南臨覺羅塔格山。盆地北緣的博格達(dá)山是晚古生代板內(nèi)裂谷回返而形成的造山帶。

圖1 吐哈盆地大地構(gòu)造位置（據(jù)肖序常等，1992改編）

吐哈盆地受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，盆地內(nèi)部被分隔成多個(gè)形態(tài)不一的構(gòu)造單元，將吐哈盆地Ⅰ級(jí)構(gòu)造分區(qū)為吐魯番坳陷—了敦隆起—哈密坳陷這樣一個(gè)總體上按東西向展布的空間格局[8-9]（圖2）。在此基礎(chǔ)上分為十二個(gè)Ⅱ級(jí)構(gòu)造帶[9-13]，吐魯番坳陷區(qū)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(tái)北凹陷和臺(tái)南凹陷。了敦隆起劃分出了沙爾湖和大南湖兩個(gè)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(jí)構(gòu)造單元分區(qū)（據(jù)文獻(xiàn)[7]-[12]改編）

圖3 吐哈盆地二級(jí)構(gòu)造單元分區(qū)（據(jù)文獻(xiàn)[7]-[12]改編）

了敦隆起南部的沙爾湖凹陷為本次主要研究區(qū)。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(tǒng)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(tǒng)塔爾朗組含有規(guī)模較大的烴源巖層，為淺湖—半深湖泊沉積體系，主要發(fā)育沙壩和靜水泥質(zhì)沉積微相，勘探和研究程度很低，屬頁(yè)巖氣資源調(diào)查與評(píng)價(jià)新區(qū)域。研究區(qū)塔爾朗組地層出露良好，頁(yè)巖露頭新鮮，發(fā)育較完整，深部鉆井揭露延伸較穩(wěn)定。

2 頁(yè)巖有機(jī)地球化學(xué)特征

2.1 有機(jī)質(zhì)類型

沙爾湖凹陷塔爾郎組干酪根有機(jī)顯微組分主要為腐泥無(wú)定形體及腐殖無(wú)定型體。腐泥組中主要以腐泥無(wú)定形體及藻類體為主，相對(duì)豐度25%～77%，平均為51.61%；殼質(zhì)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(zhì)體及相對(duì)豐度5%～23%，平均為13.18%；鏡質(zhì)組主要為正常鏡質(zhì)體，相對(duì)豐度3%～50%，平均為22.42%；惰性組相對(duì)豐度2%～49%，平均為12.85%（表1）。干酪根呈淡黃色—褐色，無(wú)—弱熒光。統(tǒng)計(jì)表明，干酪根類型指數(shù)為-19.5～75.5，干酪根類型以Ⅱ1-Ⅱ2型為主，占樣品數(shù)的90.70%，少量為Ⅲ型，占樣品數(shù)的9.30%。

表1 沙爾湖凹陷塔爾郎組泥頁(yè)巖干酪根顯微組分及類型統(tǒng)計(jì)

2.2 有機(jī)質(zhì)豐度

沙爾湖凹陷塔爾郎組烴源巖有機(jī)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(shù)據(jù)表明塔爾郎組烴源巖具有較強(qiáng)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(jī)質(zhì)豐度指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

2.3 頁(yè)巖成熟度

沉積巖中有機(jī)質(zhì)只有達(dá)到一定的成熟度（即熱演化程度）才能生烴。有機(jī)質(zhì)成熟度主要取決于地層所遭受過(guò)的熱史。而熱史受軟流圈或地幔活動(dòng)、地溫梯度、構(gòu)造活動(dòng)及地層埋藏經(jīng)歷等多種因素影響。對(duì)于有機(jī)質(zhì)成熟度而言，有多種參數(shù)指標(biāo)可以表征。但應(yīng)用最為直接、最為廣泛的參數(shù)指標(biāo)包括鏡質(zhì)體反射率（Ro），另外可以輔助應(yīng)用有機(jī)質(zhì)最大熱解峰溫Tmax進(jìn)行有機(jī)質(zhì)成熟度表征[14]。

塔爾郎組富有機(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖基本上都達(dá)到了成熟階段（表3）。通過(guò)鏡質(zhì)體反射率化驗(yàn)成果統(tǒng)計(jì)，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(guò)熱演化資料統(tǒng)計(jì)，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(zhì)體反射率統(tǒng)計(jì)

3 二疊系烴源巖儲(chǔ)層特征

3.1 儲(chǔ)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(shù)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(shù)平均值為1.542%；烴源巖孔隙度較低，主要分布區(qū)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(shù)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(shù)平均值為7.5358m2/g。

表4 沙爾湖凹陷塔爾郎組巖石物性統(tǒng)計(jì)

樣品結(jié)果表現(xiàn)出孔隙度與滲透率相關(guān)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(shuō)明孔隙連通性較差。

沙爾湖凹陷塔爾郎組烴源巖孔喉長(zhǎng)半徑最小值為0.082mm，最大值為7.01mm，算術(shù)平均值為2.28mm，標(biāo)準(zhǔn)偏差為1.37；孔喉短半徑最小值為0.068mm，最大值為5.22mm，算術(shù)平均值為0.89mm，標(biāo)準(zhǔn)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(jié)合，通過(guò)沙頁(yè)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(jī)質(zhì)泥頁(yè)巖儲(chǔ)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?？傮w上與中上揚(yáng)子龍馬溪組及北美頁(yè)巖氣產(chǎn)層儲(chǔ)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(nèi)溶孔、粒間孔、粒內(nèi)孔、鑄?？准坝袡C(jī)質(zhì)微孔。各種孔隙均可形成良好的自源氣儲(chǔ)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(nèi)部縫。對(duì)于流體而言，縫隙具雙重作用，既可成為流體運(yùn)移通道，又可成為有效的儲(chǔ)集空間；既可破壞油氣藏，導(dǎo)致油氣散失，又可改善儲(chǔ)層，提高儲(chǔ)層孔隙連通性及滲透率。

3.2 儲(chǔ)層礦物成分特征

通過(guò)對(duì)沙爾湖凹陷塔爾郞組炭質(zhì)頁(yè)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(duì)較少；脆性礦物主要為石英，含量18%～57%，平均35.47%，斜長(zhǎng)石含量2%～36%，平均12.26%，部分樣品還含少量鉀長(zhǎng)石、方解石、鐵方解石、菱鐵礦等。

參考國(guó)土資源部2014年《頁(yè)巖氣資源/儲(chǔ)量計(jì)算與評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)范》標(biāo)準(zhǔn)，全區(qū)塔爾郎組井下69%的測(cè)試樣品中脆性礦物含量均超過(guò)了50%；井下24%樣品中的脆性礦物含量處于高值區(qū)（40%≤高＜50%），僅7%的樣品中脆性礦物含量處于中值區(qū)（30%≤中＜40%）；露頭樣品中61%的測(cè)試樣品中脆性礦物含量均超過(guò)了50%，22%樣品中的脆性礦物含量處于高值區(qū)（40%≤高＜50%），11%的樣品中脆性礦物含量處于中值區(qū)（30%≤中＜40%）；6%的樣品中脆性礦物含量處于低值區(qū)（20%≤中＜30%）（圖4）。

圖4 塔爾郎組脆性礦物不同區(qū)間樣品百分比(左:井下樣品,右:頭樣品)

3.3 儲(chǔ)層的吸附性

由于泥頁(yè)巖儲(chǔ)層的物性特征、礦物組成、孔隙結(jié)構(gòu)上與常規(guī)的砂巖、鹽酸鹽巖等有較大差異，其中所賦存的頁(yè)巖氣除以游離狀態(tài)存在于較大孔隙或裂隙之中外面還有大量頁(yè)巖氣吸附于粘土礦物顆?；蛴袡C(jī)質(zhì)表面，呈吸附狀態(tài)存在?，F(xiàn)場(chǎng)解吸是了解烴源巖中是否含氣最直接的方法與證據(jù)?，F(xiàn)場(chǎng)解吸法中頁(yè)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(guò)粉碎巖石樣品的方法使氣體解吸出來(lái)并計(jì)量，而損失氣含量難以計(jì)量，通常采用USBM 回歸法進(jìn)行估算。

沙頁(yè)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(shù)。沙頁(yè)1 井現(xiàn)場(chǎng)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(jī)碳含量等地球化學(xué)指標(biāo)較高，研究認(rèn)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(yè)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(shù)（表5）?？偤瑲饬看笥?.5m3/t 的樣品所控制的鉆井厚度累計(jì)為136.49m，共包括了3 段，所對(duì)應(yīng)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(yè)2井含氣量成果統(tǒng)計(jì)表

據(jù)含氣量測(cè)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(jìn)入塔爾郎組地層之后巖芯較為破碎，巖芯中裂隙發(fā)育，有利于游離氣的聚集，所以樣品中總含氣量主要以現(xiàn)場(chǎng)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(guān)性。從圖5中可以看出，當(dāng)TOC含量達(dá)到5%左右時(shí)，解析樣品含氣量開始增多，TOC含量在5%～10%之間時(shí)含氣量達(dá)到最高值，TOC含量大于10%時(shí)含氣量有所降低，但含氣量總體仍是呈升高趨勢(shì)。

圖5 沙頁(yè)2井塔爾郎組解吸樣含氣量與TOC關(guān)系曲線

本次研究工作針對(duì)沙頁(yè)2 井采集了6 件樣品進(jìn)行室內(nèi)等溫吸附試驗(yàn)（表6）。試驗(yàn)條件為：實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明：沙頁(yè)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(qiáng)；蘭氏壓力越大越有利于降壓過(guò)程中吸附氣的產(chǎn)出。

4 二疊系烴源巖生烴潛力評(píng)價(jià)

炭質(zhì)泥頁(yè)巖的生烴潛力主要取決于頁(yè)巖中的有機(jī)質(zhì)類型、有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)成熟度及泥頁(yè)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(qū)，盆地南部未見發(fā)育，烴源巖厚度從150m 左右到大于600m；有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1型和Ⅱ2型為主；有機(jī)碳含量高，492個(gè)樣品的TOC測(cè)試結(jié)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(qū)159 個(gè)樣品的測(cè)試結(jié)果表明，有機(jī)質(zhì)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(yè)巖氣相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，則均處于成熟階段，但據(jù)常規(guī)油氣評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，則多處于成熟階段；生烴潛量均值大于2mg/g；總體評(píng)價(jià)為好烴源巖。

根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查成果及沙頁(yè)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(fā)現(xiàn)有油頁(yè)巖發(fā)育，盆地中部沙爾湖一帶施工的沙頁(yè)2井中發(fā)育三層含氣烴源巖層，現(xiàn)場(chǎng)解吸結(jié)果最大值可達(dá)3.92m3/t，總含氣量可達(dá)6.29m3/t，巖芯浸水試驗(yàn)氣泡明顯。

結(jié)合頁(yè)巖氣調(diào)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(jìn)入生油門限，晚侏羅世至白堊紀(jì)進(jìn)入生油高峰期，現(xiàn)今己進(jìn)入高—過(guò)成熟生干氣階段。因此，塔爾郎組既是常規(guī)油氣的重要烴源巖，又是非常規(guī)油氣勘探的重要目標(biāo)。

5 結(jié)論與認(rèn)識(shí)

（1）沙頁(yè)1井共見兩層烴源巖，有機(jī)碳含量等各項(xiàng)地球化學(xué)指標(biāo)較好，但烴源巖層未見有頁(yè)巖氣層發(fā)育，說(shuō)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(jī)質(zhì)含量高低有一定的相關(guān)性，且有機(jī)碳含量低的層段也會(huì)出現(xiàn)高含氣量，這也表明沙爾湖一帶未來(lái)的頁(yè)巖氣“甜點(diǎn)”勘探不但要尋找高有機(jī)質(zhì)層段，也應(yīng)瞄準(zhǔn)裂縫發(fā)育區(qū)預(yù)測(cè)，以尋找“裂縫型甜點(diǎn)”。

（3）通過(guò)對(duì)頁(yè)巖樣品進(jìn)行等溫吸附實(shí)驗(yàn)，該調(diào)查井內(nèi)塔爾郎組頁(yè)巖吸附氣含量為20.69～28.88m3/t。通過(guò)與北美、黔北等地區(qū)頁(yè)巖氣富集條件對(duì)比，沙爾湖一帶塔爾郎組具有較好的頁(yè)巖氣富集條件，具有良好的頁(yè)巖氣勘探潛力。

（4）區(qū)內(nèi)二疊系塔爾郎組烴源巖具有中—高有機(jī)碳、高成熟度、高脆性礦物含量、特低孔滲、微孔隙較為發(fā)育的特點(diǎn)，儲(chǔ)集空間主要為微納米孔隙和裂縫。

（5）初步證實(shí)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(rèn)為，調(diào)查區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造及炭質(zhì)頁(yè)巖層段中的有機(jī)質(zhì)豐度、有機(jī)質(zhì)成熟度與微裂縫發(fā)育程度是成藏富集的主要控制因素。