柴窝堡凹陷二叠系芦草沟组页岩气烃源岩评价

张逊，庄新国，涂其军，徐仕琪

（1.中国地质大学（武汉）构造油气资源教育部重点实验室，湖北 武汉 430074；2.新疆维吾尔自治区地质调查院，新疆 乌鲁木齐 830000）

柴窝堡凹陷二叠系芦草沟组页岩气烃源岩评价

张逊1，庄新国1，涂其军2，徐仕琪2

（1.中国地质大学（武汉）构造油气资源教育部重点实验室，湖北 武汉 430074；2.新疆维吾尔自治区地质调查院，新疆 乌鲁木齐 830000）

在野外露头观测及样品有机地球化学分析基础上，明确陆相盆地烃源岩评价条件和标准，对柴窝堡凹陷二叠系芦草沟组页岩有机质丰度、成熟度、有机质类型等烃源岩重要评价参数进行研究。结果表明，柴窝堡凹陷芦草沟组页岩有机质丰度较高，总体为中等-好烃源岩，热演化程度处于成熟-高成熟阶段，有机质类型主要为Ⅲ型，以生气为主。近源沉积不仅稀释了研究区芦草沟组页岩有机质含量，导致有机质降解，并造成柴窝堡凹陷与准南地区有机质类型和丰度的差异。沉积环境的不同导致柴窝堡凹陷芦草沟组页岩有机质丰度北高、南低，有机质类型北好、南差状况。

准南；柴窝堡凹陷；芦草沟组；烃源岩

对页岩气烃源岩评价是页岩气藏勘探的基本前提和关键环节[1-5]。前人对柴窝堡凹陷的研究主要集中在新近—二叠纪的综合划分与对比、二叠系芦草沟组高分辨率层序地层分析、储层非均质性研究、盆地构造样式及石油地质特征等方面[6-9]，而对柴窝堡凹陷芦草沟组页岩烃源岩评价等方面研究较少。本文在前人研究基础上，采用野外地质调查、样品分析测试等方法，据有机地球化学分析对三葛庄凸起以东柴窝堡凹陷芦草沟组烃源岩进行生烃潜力评价，以期为该地区页岩气勘探提供重要地质依据。

1 区域地质背景

图1 柴窝堡凹陷构造单元划分及样点分布Fig.1 Tectonic unit division and sampling point distribution in Chaiwopu Sag1.造山带；2.逆冲断层；3.剥蚀边界；4.沉积边界；5.钻井及编号；6.野外露头；7.二叠系芦草沟组；8.二叠系红雁池组；9.二叠系下仓沟群；10.三叠系上仓房沟群；11.三叠系克拉玛依组；12.侏罗系；13.白垩系

柴窝堡凹陷位于准噶尔盆地南部东段，乌鲁木齐市南东方，构造位置处于博格达构造带与中天山伊连哈比尔尕构造带之间，为下石炭统褶皱基底上发育的小型山间叠合凹陷（图1）。前人据其分隔性将柴窝堡凹陷由西向东分为永丰次凹、三葛庄次凸和达坂城次凹等3个二级构造单元（图1）[10，11]。三葛庄次凸以东的柴窝堡凹陷为本次主要研究区。柴窝堡凹陷及周缘出露地层主要包括上石炭统、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近—新近系和第四系。其中二叠系芦草沟组为研究区主力烃源岩，主要为浅湖-半深湖相细碎屑沉积物，勘探和研究程度很低，属页岩气资源调查与评价新领域。研究区芦草沟组地层出露良好，页岩露头新鲜，发育完整。本文有机地球化学数据分析和测试由中国地质大学地质过程与矿产资源国家重点实验室完成。

2 页岩有机地球化学特征

2.1 有机质丰度

有机质丰度是评价黑色富有机质页岩生气潜力的重要地球化学指标，主要包括有机碳含量（TOC）和氯仿沥青“A”等[12]。在前人研究基础上，结合露头剖面样品测试成果（表1），对研究区芦草沟组页岩有机质丰度及变化进行评价，并与准南芦草沟组页岩有机质分布特征进行对比。结果表明，研究区以北锅底坑剖面芦草沟组总有机碳（TOC）含量平均为1.54%，生烃潜力（S1+S2）平均4.13 mg/g，属中等烃源岩；塔尔朗剖面和小平槽剖面TOC值大于2%，生烃潜力分别为10.75 mg/g和8.4 mg/g，属优质烃源岩；PM-Ⅵ剖面TOC均值5.45%，生烃潜力为26.88 mg/g，氯仿沥青“A”均值0.13%，属好-优质烃源岩（图2，3）。研究区以南柴参1、侧1井、达1井、柴3井TOC较低，生烃潜力较小，氯仿沥青“A”值小于0.007%，属非烃源岩（图3）；PM-Ⅰ和PM-Ⅱ剖面TOC均值分为0.45%和0.9%，生烃潜力分别为0.08 mg/g和0.96 mg/g，氯仿沥青“A”均值0.01%，属差烃源岩（图2，3）。

表1 柴窝堡凹陷芦草沟组页岩岩石热解参数、镜质组反射率Ro、氯仿沥青“A”Table 1 Rock pyrolysis parameter,vitrinite reflectance(Ro) and chloroform bitumen“A”in shale of Lucaogou formation in Chaiwopu Sag

图2 柴窝堡凹陷芦草沟组有机质丰度直方图Fig.2 Histogram of organic matter abundance of Lucaogou formation in Chaiwopu SagPMⅠ、PMⅡ、PMⅥ剖面数据为本次测试数据；锅底坑剖面数据（王俊明等，2002）；塔尔朗剖面、坂参1井、小平槽沟剖面、柴参1、柴3井（李红，2006）；侧1井数据和达1井数据（郭建军等，2006）

综上所述，研究区有机质丰度自南向北呈增高趋势，沿达1井-PM-I剖面一线以北，TOC含量达中等-优质烃源岩，该线以南TOC含量属差-非烃源岩。

2.2 有机质成熟度

2.2.1 镜质组反射率Ro

柴窝堡凹陷芦草沟组页岩热演化程度总体处于成熟-高成熟阶段，有机质成熟度自南向北明显降低。PM-I剖面以北有机质处于低成熟阶段；PM-I剖面以南有机质成熟度由低成熟逐渐过渡到成熟阶段，至达1-柴参1一线，达到高成熟阶段（表2）。达坂城次凹芦草沟组页岩成熟度自南向北呈降低趋势，受控于构造运动。地震剖面解释和地层厚度特征揭示，二叠纪末期凹陷北部隆升形成单斜构造，与博格达山构造演化一致[13]。

图3 柴窝堡凹陷芦草沟组页岩TOC与生烃潜力交会图Fig.3 Crossplot between TOC and hydrocarbon potential of shale in Lucaogou formation of Chaiwopu Sag

表2 芦草沟组页岩镜质组反射率和最大热解温度均值Table 2 Mean value of vitrinite reflectance and maximum pyrolysis temperature of shale in Lucaogou formation

2.3 有机质类型

干酪根类型鉴别方法较多，如干酪根显微组分分析、干酪根元素组成分析、岩石热解分析、碳同位素特征、干酪根热解产物特征可溶有机组分分析及热解产物（原油或抽提物）的生物标记化合物特征分析等。本次研究采用干酪根显微组分分析、干酪根有机元素组成分析、干酪根碳同位素分析、岩石热解分析4种方法，以三类四分方案划分研究区芦草沟组页岩有机质类型[14-15]。

2.3.1 干酪根显微组分组成

柴窝堡凹陷芦草沟组页岩干酪根镜下鉴定结果揭示（图4），达坂城次凹PM-Ⅰ剖面和PM-Ⅱ剖面芦草沟组页岩镜质组含量为67%~85%，惰质组为3%~ 23%，腐泥组+壳质组为11%~26%，主体以Ⅲ型干酪根为主（表3）。达1井、坂参1井、柴3井和柴参1井芦草沟组烃源岩腐泥组+壳质组含量为6.61%~ 25.6%，镜质组含量为28.25%~81.9%，惰质组为6.9% ~58%，均为Ⅲ型干酪根[14]。侧1井芦草沟组烃源岩显微组分中镜质组含量80.6%~88.1%，腐泥组+壳质组为13.8%~16.4%，表明芦草沟组烃源岩有机质类型以Ⅲ型为主[15]。小平槽沟剖面芦草沟组页岩腐泥组+壳质组含量为50%~70%，表明有机质类型以Ⅱ1为主（图4）。此外，达1井、侧1井和锅底坑剖面烃源岩的TI值一般小于0，揭示有机质以Ⅲ型干酪根为主[15]。表明柴窝堡凹陷母质主要来源于陆源高等植物供给。

图4 柴窝堡凹陷芦草沟组页岩干酪根显微组分Fig.4 Maceral of Kerogen in shale of Lucaogou formation in Chaiwopu Sag

表3 柴窝堡凹陷芦草沟组页岩干酪根显微组分Table 3 Maceral of Kerogen in shale of Lucaogou formation in Chaiwopu Sag 单位：%

2.3.2 干酪根有机元素组成

柴窝堡凹陷芦草沟组页岩有机元素范氏图揭示，达坂城次凹有机质类型以Ⅱ2-Ⅲ型干酪根为主。PM-Ⅰ和PM-Ⅱ剖面芦草沟组页岩有机质类型以Ⅲ型干酪根为主（图5-A），该认识与干酪根显微组分揭示结果相一致。

图5 柴窝堡凹陷芦草沟组干酪根类型图解Fig.5 Diagram of Kerogen type in Lucaogou formation of Chaiwopu Saga——范氏图；b——TOC与S2交会图；c——Tmax与氢指数（HI）交会图；d——δ13C和氢指数（HI）交会图

2.3.3 岩石热解分析

柴窝堡凹陷芦草沟组页岩TOC与S2交会图和Tmax与HI交会图共同揭示，研究区南部有机质类型主要以Ⅲ型干酪根为主，含少量Ⅳ型干酪根（惰性碳，无生烃能力）（图5-b,c），北部塔尔朗剖面和小平槽沟剖面芦草沟组页岩有机质以Ⅱ1-Ⅱ2型干酪根为主。柴窝堡凹陷芦草沟组页岩有机质类型以Ⅲ型干酪根为主，揭示该区芦草沟组页岩以生气为主。

2.3.4 干酪根碳同位素分析

干酪根碳同位素组成取决于母质生源同位素组成及干酪根形成和化学演化过程中的同位素分异。干酪根δ13C不受提纯时所用溶剂和方式影响，热演化程度对其类型影响较小。因此，干酪根δ13C能较好地反映干酪根母质类型。Ⅰ型干酪根碳同位素较轻，δ13C＜-28‰；Ⅲ型干酪根碳同位素最重δ13C＞-23‰；Ⅱ1型干酪根的δ13C介于-26‰~-28‰；Ⅱ2型干酪根的δ13C介于-23‰~-26‰[16]。

PM-Ⅰ剖面芦草沟组页岩干酪根δ13C值为-20.29‰，PM-Ⅱ剖面δ13C为-19.32‰，坂参1井芦草沟组δ13C值介于-21‰~-23‰，侧1井δ13C值介于-20.24‰~-22.73‰，均指示有机质类型为Ⅲ型。研究区北部PM-Ⅵ剖面芦草沟组页岩干酪根δ13C值为-29.13‰，有机质类型为Ⅰ型；小平槽沟剖面芦草沟组δ13C值为-27.5‰，有机质类型为Ⅱ1型。此外，研究区芦草沟组页岩的δ13C和氢指数（HI）图解揭示结果与上述一致（图5-d）。

3 有机质丰度与类型受控因素

前人研究表明[13]，准南地区芦草沟组TOC较高，大于4%，生烃潜力大于14 mg/g，属优质烃源岩，有机质类型主要为I型-Ⅱ1型，与本文研究区存在一定差异。芦草沟组沉积期，博格达山处于沉积中心位置，此时柴窝堡凹陷、博格达山地区和准南地区为同一湖盆[17]。不同的是柴窝堡凹陷沉积物供给来源于南部北天山地区，而准南地区沉积物供应主要来自东北部卡拉麦里山[17]。卡拉麦里山提供的物源长距离搬运到达准南一带并沉积于浅湖-半深湖环境 ，此时碎屑物质对有机质的稀释和进入湖盆的水体含氧量都较小。柴窝堡凹陷同时期属近源沉积，自南至北依次沉积扇三角洲平原、扇三角洲前缘和滨浅湖-半深湖[18]。近源沉积一方面大大稀释了有机质含量，同时经河流输入湖盆的水体含大量氧，进一步导致有机质降解，造成柴窝堡盆地与准南地区有机质类型和丰度的差异。

研究表明，柴窝堡凹陷芦草沟组烃源岩有机质丰度具北高南低、有机质类型具北好南差特点，因此认为其极大程度上受控于沉积环境控制。芦草沟组烃源岩是在裂谷盆地湖盆扩张背景下形成的陆源湖相细碎屑沉积物。该时期浅湖-半深湖相分布于柴窝堡凹陷北部地区，烃源岩具有机质丰度高、干酪根类型好和生烃潜力高的特点，是柴窝堡地区最重要的优质烃源岩。柴窝堡凹陷南部由于紧邻物源，地势较高，发育近岸滨浅湖和扇三角洲前缘和平原相沉积，由于碎屑物源的稀释作用和富含氧水的输入，导致有机质丰度降低和难以保存，难以形成好的烃源岩。由于靠近湖岸，湖相菌藻类生物相对减少，混入较多的陆相高等植物，干酪根类型以Ⅲ型干酪根为主，导致产烃潜率下降。因此，研究区南部芦草沟组烃源岩不如北部好。

4 结论

（1）柴窝堡凹陷有机质丰度呈自南向北增高趋势，研究区北部TOC含量达中等-优质烃源岩，有机质成熟度较低，有机质类型主要为Ⅰ-Ⅱ1型；南部TOC含量属差-非烃源岩，有机质成熟度相对较高，有机质类型主要为Ⅲ型；南北有机质丰度及类型的差异主要由沉积环境不同造成。

（2）柴窝堡凹陷与准南地区有机质丰度的差异主要归因于芦草沟组形成时期研究区主要为近源沉积，该环境不仅稀释了有机质含量，并导致有机质降解，造成该区有机质丰度低于沉积物搬运距离相对较远的准南地区。

[1] Romero A M,Philp R P.Organic geochemistry of the Woodford Shale,southeastern Oklahoma:How variable can shales be?[J]. AAPG bulletin,2012,96(3):493-517.

[2] Jarvie D M,Hill R J,Ruble T E,et al.Unconventional shale-gas systems:The Mississippian Barnett Shale of north-central Texas as one model for thermogenic shale-gas assessment[J].AAPG bulletin,2007,91(4):475-499.

[3] Ganz H,Kalkreuth W.Application of infrared spectroscopy to the classification of kerogentypes and the evaluation of source rock and oil shale potentials[J].Fuel,1987,66(5):708-711.

[4] Bowker K A.Barnett Shale gas production,Fort Worth Basin:issues and discussion[J].AAPG bulletin,2007,91(4):523-533.

[5] Montgomery S L,Jarvie D M,Bowker K A,et al.Mississippian Barnett Shale,Fort Worth basin,north-central Texas:Gas-shale play with multi-trillion cubic foot potential[J].AAPG bulletin, 2005,89(2):155-175.

[6] 牛晓燕,张奎华.准噶尔盆地南缘柴窝堡地区地层综合划分与对比[J].石油天然气学报,2014,36（5）:48-54.

[7] 郑庆华;柴窝堡盆地中二叠统芦草沟组高分辨率层序地层与储层非均质性研究[D].西北大学,2007.

[8] 陈嘉明,吕宝凤,段艳秋.新疆柴窝堡盆地构造样式及勘探思路[J].天然气勘探与开发,2002,25（2）:31-36

[9] 王俊明,窦松江,肖建玲.柴窝堡盆地石油地质特征与油气勘探前景[J].新疆石油地质,2002,20(4):384-388

[10]顾连兴,胡受奚,于春水,等.论博格达俯冲撕裂型裂谷的形成与演化[J].岩石学报,2001,17（4）:585-597

[11]王宗秀.博格达山链造山活动与山体形成演化[D].北京:中国地震局地质研究所,2003.1-125.

[12]王丽波,久凯,曾维特,等.上扬子黔北地区下寒武统海相黑色泥页岩特征及页岩气远景区评价[J].岩石学报,2013,29(9):3263-3278.

[13]吴光红,巴秀娥,冯永宏,等.柴窝堡凹陷石油地质特征及勘探方向[J].新疆石油地质,2004,24(6):523-526.

[14]李红.准噶尔盆地柴窝堡凹陷油气地质条件综合研究[D].西北大学,2006.

[15]郭建军,陈践发,朱忠云,等.柴窝堡凹陷达坂城次凹上二叠统烃源岩的地球化学特征及勘探方向[J].沉积学报,2006,24(3): 446-454.

[16]芦双舫,徐庆霞,刘绍军,等.评价生物气生成量,生成期的碳同位素平衡法及其应用[J].沉积学报,2008,26(2):308-313.

[17]张传恒,刘典波,张传林,等.新疆博格达山初始隆升时间的地层学标定[J].地学前缘,2005,12(1):294-302.

[18]旷理雄,郭建华,梅廉夫,等.从油气勘探的角度论博格达山的隆升[J].吉林大学学报:地球科学版,2005,35(3):346-350.

Source Rock Evaluation of Shale Gas of Lucaogou Formation in Chaiwopu Sag,Southern of Junggar Basin

Zhang Xun1,Zhuang Xinguo1,Tu Qijun2,Xu Shiqi2
(1.Key Laboratory of Tectonics and Petroleum Resources,Ministry of Education,China University of Geosciences, Wuhan,Hubei,430074,China;2.Geological Survey Academy of Xinjiang,Urumqi,Xinjiang,830000,China)

Through outcrops observation and systematic sampling,on the basis of organic geochemical analysis of outcrops samples,there has been clear about the requirements and standards of the hydrocarbon source rock evaluation in continental basin and important evaluation parameters of hydrocarbon source rock like the organic matter abundance,maturity and type of Lucaogou formation in Chaiwopu sag have been systematically studied.The result showed that this set of source rocks are abundant in organic material,during the high mature and post mature phases and the typeⅢof organic matter is dominant,and at stage of mainly producing gas.Proximal deposit is not only dilute the organic matter content and led to the organic matter degradation,and make organic matter abundance differences between Chaiwopu Sag and south Junggar Basin.Organic matter abundance differences of northern and southern sag are most attributed to the differences of sedimentary environment.

Southern of Junggar basin;Chaiwopu Sag;Lucaogou formation;Source rock

1000-8845(2016)02-280-06

P618.130.2

A

项目资助：新疆维吾尔自治区地质调查院项目准噶尔盆地南缘柴窝堡凹陷页岩气烃源岩评价与研究资助

2015-07-27;

2015-09-17;作者E-mail：panzertiger@126.com

张逊（1987-），男，安徽合肥人，2013级中国地质大学（武汉）在读博士，主要从事沉积学与石油地质学