伊宁凹陷中二叠统膏盐岩的发现、特征及油气地质意义

曹建康, 杨道庆, 蒋永福, 熊 翠, 董银磊, 庄一鹏, 张红军, 顾 超

(1.中国石化河南油田分公司 勘探开发研究院，郑州 450000； 2.中国石化河南油田分公司，河南 南阳 473132)

伊宁凹陷中二叠统膏盐岩的发现、特征及油气地质意义

曹建康1, 杨道庆2, 蒋永福1, 熊 翠1, 董银磊1, 庄一鹏1, 张红军1, 顾 超1

(1.中国石化河南油田分公司 勘探开发研究院，郑州 450000； 2.中国石化河南油田分公司，河南 南阳 473132)

膏盐岩常常是油气藏的盖层，研究伊宁凹陷是否存在膏盐岩及膏盐岩与烃源岩的关系对油气勘探具有重要意义。通过野外地质剖面精细测量、实验室X射线衍射分析、岩石薄片原岩恢复，在中二叠统中部发现含膏地层。其中潘津布拉克剖面含膏地层厚53 m，膏盐岩层厚20 m，最大单层厚度13 m，其他剖面均有分布。区内含膏地层厚度为36～53 m，分布稳定。中二叠统优质烃源岩主要发育在膏盐岩层之下，厚度大，分布广，有机质类型好，成熟度适中，生烃潜力大。盐下油气成藏条件优越，野外剖面油苗丰富，是油气勘探的主攻方向。

伊宁凹陷；烃源岩；膏盐岩；资源潜力

伊宁凹陷属伊犁盆地内的最大凹陷，位于新疆维吾尔自治区伊犁哈萨克自治州境内；区内煤炭、金、铜、铀等矿产资源丰富；油气勘探发现4套烃源岩层系[1]，资源潜力较大，具有形成大-中型油田的物质基础。

伊宁凹陷油气勘探历时30余年，地震施工近万千米，钻井10口，6口井见油气显示，2口井获低产油气流，但至今未获得油气勘探实质性突破。近年来，本文的研究团队通过伊宁凹陷周边露头剖面的野外地质调查、剖面详测、实验室分析，在中二叠统首次发现一套区域性的膏盐岩地层，该套地层的存在必将对区内油气勘探方向产生重大影响。

伊犁盆地跨越中国和哈萨克斯坦2国，夹持于南北天山之间，呈三角形向西敞开。该盆地是在前震旦系结晶基底之上发育的具有古生界、中生界、新生界多套盖层结构的沉积盆地[2]。在中国境内呈现两拗夹一隆的构造格局，由南向北依次为南部拗陷、中部隆起和北部拗陷三大次级构造单元。北部拗陷的伊宁凹陷面积为10 690 km2(图1)，为晚古生代以来继承性凹陷，沉积盖层厚达万米，依次发育石炭系、二叠系、三叠系和侏罗系4套烃源岩。其中三叠系、侏罗系沉积厚度大，湖相、湖沼相煤系烃源岩发育；但整体处于未成熟-低成熟阶段，资源潜力较小。石炭系为浅海-陆棚相沉积，泥岩、碳酸盐岩烃源岩发育，有机质丰度较高，生烃潜力较大；但埋藏深度大，有机质成熟度高，成烃成藏条件复杂，勘探潜力有待进一步评价和落实。中二叠统为厚逾1.5 km的湖相暗色地层，有机质丰度高、类型好、热演化适中，油气兼生，是该区的主力烃源岩和勘探层系。

图1 伊犁盆地构造单元及中二叠统膏盐岩剖面位置图Fig.1 Map showing tectonic units and distribution of Middle Permian gypseous-salt rock in the Ili Basin

1 中二叠统膏盐岩特征

王东旭等将膏盐岩定义为“主要由石膏、硬石膏、变水石膏组成，含少量石盐、盐类矿物、白云石……等组成的蒸发类岩石”[3]。

本区膏盐岩主要由石膏、硬石膏、方解石和少量泥质组成。本文研究团队在2010—2015年期间，在伊犁盆地重点针对伊宁凹陷周边进行了3次大规模的野外地质调查。2010年首次在伊宁凹陷的北缘潘津布拉克二叠系剖面中发现了呈疙瘩状团块石膏和石膏脉，单层厚度不超过10 cm，并未引起足够重视。2014年和2015年通过野外剖面精细测量，大量的实验室X射线衍射和薄片分析，首次在伊宁凹陷中二叠统塔姆其萨依组(P2t)多条剖面发现厚层状粉晶—泥晶(多被方解石交代)含泥质灰质膏盐岩层；在已钻井复查中，凹陷南部边缘的N6等井碎屑岩中见到了石膏和硬石膏胶结物，与剖面膏盐岩层位对应，展示了凹陷内膏盐岩可能存在区域性分布的特点。

1.1 膏盐岩发育层位

作者在伊宁凹陷北部、东部多条露头剖面发现膏盐岩。以潘津布拉克剖面为例，剖面位于伊宁县以北的潘津布拉克乡潘津布拉克村西与彼得其里河之间，剖面底部与下二叠统乌朗群火山碎屑岩不整合接触；顶部为断层接触。剖面走向近东西向，全长2 km，地层厚度945 m。该剖面是伊犁盆地塔姆其萨依组出露相对完整的剖面；全剖面分81层，采集岩矿、古生物、烃源岩等各类样品200余块。第1～第22层，主要为灰白色砂岩、灰色泥岩、灰岩，厚53.8 m；第23～第42层，主要为灰黑色钙质页岩、泥灰岩、泥岩夹粉砂岩，厚383.7 m；第43～第53层，主要为灰色、灰白色、土黄色膏盐岩、含膏质灰岩、含膏泥岩，其中膏盐岩3层，最大单层厚度13.5 m，最薄1.32 m，3层累计厚度20.31 m，含膏地层累计厚度53.2 m； 第54～第61层为灰黑色钙质页岩、泥灰岩，厚137.0 m ；第62～第80层为灰色、灰绿色泥岩、钙质砂岩、杂色砾岩，厚316.54 m(图2)。

剖面中孢粉化石丰富，孢粉植物群以裸子植物花粉占绝对优势、蕨类植物孢粉含量稀少为特征，其中单气囊花粉Cordaitina极度繁盛，具肋双气囊花粉Protohaploxypinus等含量较高，缺少晚二叠世的特征分子，其组合特征与准噶尔盆地中二叠世芦草沟-红雁池组孢粉组合相似，时代属中二叠世。

图2 潘津布拉克P2t实测剖面柱状图Fig.2 Middle Permian stratigraphic colume from measured Panjinbulake profile

1.2 石膏富集特征

目前野外剖面上膏盐岩主要由石膏组成，井下为石膏和硬石膏。据剖面上石膏富集状态，笔者将石膏分为4种类型[4]。第一类为疙瘩状石膏，此类石膏晶体颗粒粗大，单晶通常大于1 cm，集合体呈团块状，一般团块直径5～8 cm，沿层面不连续分布，剖面中含量较少，偶尔可见到。作者认为该类石膏结晶环境优越，主要形成于沉积期高盐度底层水体中(图3-C、D)。第二类为同生脉状石膏，主要由垂直于层面的纤状石膏集合体组成，脉体厚度一般为1～2 cm，延伸数米，多平行于层面分布，局部穿越层面；脉体形成于同生期，是高盐度底层水在松散(沉积物未压实，石膏有充分的结晶空间)的沉积物层内或层面结晶的产物(图3-C、D)。第三类为泥晶、粉晶膏岩，石膏主要以细小晶粒为主，粒径一般为0.001～0.004 mm，最大晶体为0.2 mm，石膏多为自形到半自形晶体，常与泥晶方解石共生(图3-B)。通过X射线衍射分析，现今石膏的质量分数为45%～55%，方解石的质量分数为10%～40%，陆源碎屑及泥质的质量分数为10%～20%；但薄片中常见石膏被方解石交代，保留石膏晶体轮廓，说明沉积时原岩中石膏含量应大于现在X射线衍射分析结果。该类膏盐岩普遍含泥质，风化后呈土黄色，容易与钙质泥岩混淆，野外识别难度较大；但该类膏盐岩是区内膏盐岩的主要类型，单层厚度达13.5 m。第四类为亮晶胶结物，有石膏和硬石膏，晶体较为粗大，常与亮晶方解石共生；从成岩期次等综合分析认为，该类石膏形成较早，为同生-早成岩阶段的产物，目前仅在南部边缘的N6井碎屑岩中见到，层位与野外剖面膏盐岩层位基本一致。

图3 潘津布拉克剖面膏岩层特征Fig.3 Characteristics of the gypseous-salt rock from Panjinbulake profile

1.3 膏盐岩层形成气候条件及展布特征

膏盐岩是由于水体补给量小于蒸发量，水体中矿物质不断浓缩结晶而成，这个过程多是由于气候条件变化或湖盆进入萎缩期的产物。

1.3.1 膏盐岩形成气候条件分析

由于不同气候条件下水体所携带的金属元素富集程度不同，通过对相对稳定的泥岩、碳酸盐岩等岩石中各类元素比值的分析，可间接反映当时的古气候条件。

在潮湿气候条件下,沉积岩中Fe、Mn、Cr、V、Ni、Co 等元素含量较高。在干燥气候条件下，大气降水减少，蒸发量增加，盆地水介质的碱性增强，Ca，Mg，K，Na，Sr，Ba 等被大量析出沉积在水底，岩石中含量相对较高。利用这2类元素的质量比值计算气候指数C值 (引自兰州地质研究所的划分标准)：C=(Fe+Mn+Cr+V+Ni+Co)/(Ca+Mg+K+Na+Sr+Ba)，可将气候划分为干燥到潮湿5个级别[5]。按此方法计算，伊犁盆地中二叠世气候指数主要在0.4以下，整体为干燥到半干燥气候背景，个别时期为半湿润到湿润气候(图4)。从气候指数上看，区内具有形成膏盐岩的干燥气候条件。

图4 伊犁盆地中二叠世气候指数分析图Fig.4 Analysis of climate index of Permian period in Ili Basin

1.3.2 膏盐岩平面展布

在伊宁凹陷周边中二叠统剖面中，除潘津布拉克为典型代表外，尼勒克县群吉萨依剖面发现含膏地层36 m；巩留县琼布拉克观察剖面含膏地层数十米。同时在凹陷南部山前唯一钻穿中二叠统的N6井深度1 413～1 418 m的塔姆其萨依组砾岩孔隙中存在石膏、硬石膏胶结物，在西南部(哈萨克斯坦境内)的3г、6г井中二叠统多层见石膏和硬石膏报道。

目前见到的膏盐岩层(或胶结物)，纵向上分布于中二叠统中上部；平面上，潘津布拉克剖面位于伊宁凹陷北部，群吉萨依剖面和琼布拉克剖面位于凹陷东部，N6井位于凹陷南部边缘，3г、6г井位于凹陷西南边缘，从地理位置看，凹陷的东南西北对应层位均有石膏出现，由此推测石膏可能分布于整个凹陷。沉积相[6-7]研究表明，中二叠世，南北天山隆起，山间的伊犁盆地接受沉积，盆地边缘主要为冲积扇和三角洲沉积，湖盆中心为滨浅湖沉积，形成了一套膏岩单层最大厚度超过13 m、含膏地层超过53 m的膏盐岩沉积(图5)。

2 膏盐岩发育的油气地质意义

世界上许多含油气盆地中油气藏的形成与膏盐岩有关，据前人统计[12]，334 个大油气田中盖层与膏盐岩有关的占33%，其中66 个有膏盐岩分布的含油气盆地拥有世界上一半以上的探明储量。

2.1 膏盐岩层之下有机质富集

通常含膏盐岩盆地富含有机质是因为膏盐岩沉积环境为高盐度水体，在淡水或正常海水补给过程中携带大量生物，当正常盐度生物进入高盐度水体时，生存环境发生变化，生物大量死亡堆积、埋藏，再加上膏盐结晶，容易形成封闭的弱氧化-还原环境，有利于有机质的保存和烃类转化。

图5 伊犁盆地中二叠世含膏地层沉积期古地理图Fig.5 The paleogeographic map showing depositional stage of gypsum strata of Permian in Ili Basin

研究表明，二叠系为海陆过渡相沉积，烃源岩厚度大、分布广、有机质丰度高、热演化适中，生烃潜力大。该套烃源岩主要发育于中二叠统，从下到上分别为晓山萨依组、哈米斯特组、塔姆其萨依组。烃源岩纵向上发育在上下2个组内，膏盐岩分布于中二叠统上部的塔姆其萨依组中部。

膏盐岩层之上烃源岩，在潘津布拉克剖面，以灰色泥岩、钙质泥岩为主，厚度260 m，有机碳质量分数(wTOC)平均为1.04%，氯仿沥青“A”质量分数(wA)平均为0.025%，镜质体反射率(Ro)为0.5%～0.7%。盆内N3井烃源岩厚292 m，wTOC平均为1.00%，wA平均为0.024%(表1)，Ro为1.00%～1.90%；井下有机质处于成熟-高成熟阶段[8-10]，有机质类型均为Ⅱ-Ⅲ型，以Ⅲ型为主。

膏盐岩层之下烃源岩，塔姆其萨依组主要为灰黑色泥页岩及灰色灰岩、泥灰岩等。在潘津布拉克剖面，烃源岩厚度330 m，wTOC平均为3.30%，wA平均为0.123%，Ro为0.5%～0.7%，处于低成熟阶段。晓山萨依组以群吉萨依剖面为代表，岩性主要为灰黑色泥岩、页岩、泥灰岩和灰色砂岩；烃源岩主要为灰黑色泥页岩，厚520 m，wTOC平均为1.18%；wA平均为0.152%，Ro为0.72%～1.43%，处于成熟阶段，有机质类型为Ⅲ-Ⅱ型，以Ⅱ型为主，部分Ⅲ型(表1)。

表1 伊宁凹陷中二叠统烃源岩有机质丰度

综合评价认为，中二叠统膏岩层之下，烃源岩厚度、丰度、类型均好于(或大于)膏盐岩之上，经计算二叠系油气总资源量>0.4×109t， 80%在膏盐岩层以下。

2.2 膏盐岩的封盖作用

膏盐岩在深埋后，随着温度、压力的增加，矿物具有塑性的特性，对油气具有非常好的封盖作用[11]。在世界范围内，膏盐层作为盖层的有效厚度从美国Little Sand Draw油田最薄只有1.2 m到俄罗斯的Mar Kovo油田1.3 km均有，据统计[11]有效厚度<10 m的油气田占21%，<50 m的占60%。伊宁凹陷已测量剖面膏盐层单层厚度达13.5 m，含膏地层36～53 m，单从厚度看伊宁凹陷中二叠统发现的膏盐岩层应具备良好的封盖能力。从野外剖面油苗分布看，潘津布拉克剖面见油苗8处，7处位于膏盐岩层间及以下，只有一处位于膏盐层以上；琼布拉克剖面和群吉萨依剖面油苗全部位于膏盐岩层间及以下，从油苗的分布看膏盐岩在本区具有非常好的封盖作用。

2.3 凹陷内钻井尚未揭示盐下地层

伊宁凹陷周边构造复杂，断层发育，二叠系露头少，所测剖面塔姆其萨依组顶部均为断层接触，上部缺失地层厚度无法估量，给剖面与井下地层对比带来了较大的困难。目前伊宁凹陷揭示中二叠统的钻井4口，其中南部边缘的N6井钻穿了中二叠统，其他3口井仅揭示中二叠统膏盐岩之上地层。

a. N6井位于凹陷南部边缘，钻遇中二叠统864 m，经过地震剖面精细标定，依据波组特征推测凹陷内中二叠统厚逾1.5 km。N6井中二叠统距离顶部300 m处的岩心中见亮晶硬石膏、石膏和方解石充填于砾石孔隙中，之上地层对应到凹陷内厚度应>500 m。目前凹陷内钻达中二叠统的探井揭示真厚度<400 m，从厚度推测凹陷内钻井未钻穿膏盐岩及以下地层。

b.从实测潘津布拉克剖面揭示塔姆其萨依组膏盐岩以上地层厚度461 m(未见顶)，推测凹陷内膏盐岩层以上地层应>400 m，钻井尚未钻揭此层系。

c.在地层对比中发现，区内Cordaitina化石出现于泥盆纪，繁盛于石炭纪到中二叠世，灭绝于晚二叠世到三叠纪早期。从剖面获得的孢粉组合中Cordaitina一般在40%～60%，而钻井剖面中一般在20%以下，如N3井，由井底的24.26%下降到中二叠统顶部的1%以下，变化明显，从该类孢粉演化规律分析，井下已经揭示地层可能晚于剖面地层，间接说明凹陷内钻井还未钻到中二叠统中下部地层。

3 结 论

a.伊犁盆地二叠系首次大规模发现膏盐层，该层具有厚度大、分布广、封盖能力强的特征，对油气勘探具有重要意义。

b.膏盐层以下烃源岩厚度大，有机质中—好，成熟度适中，资源潜力大。

c.凹陷内盐下层系应是油气勘探的主要层系。

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The discovery of Middle Permian gypsolith gypsolyte in Ili Basin of Xinjiang and its petroleum geology significance

CAO Jiankang1, YANG Daoqing2, JIANG Yongfu1, XIONG Cui1,DONG Yinlei1, ZHUANG Yipeng1, ZHANG Hongjun1, GU Chao1

1.ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,HenanOilfieldBranchCompany,SINOPEC,Zhengzhou450000,China; 2.HenanOilfieldBranchCompany,SINOPEC,Nanyang473132,China

Middle Permian gypseous-salt rock occurred in the Yining sag of Xingjiang is studied through cross section measurement, X-ray diffraction analysis and observation of thin sections so as to discuss its relation with oil and gas. It shows that the Panjinbulake section contains 53 m of gypseous-salt rock formation, with 20 m gypsum layers and with largest single layer of 13 m. Gypseous-salt rock is also found and distributed in other cross sections. Generally, the distribution of gypseous-salt rock formation is stable in the area with a thickness of 36～53 m. High-quality hydrocarbon source rocks of Mid-Permian mainly develop under the gypseous-salt rock formation. The hydrocarbon source rocks of Mid-Permian are characterized by large thickness, stable distribution, quality organic type, medium maturity, great hydrocarbon generation potential, superior hydrocarbon accumulation condition and rich seepage in the field. Therefore, it is the main target of oil and gas exploration.

Ili Basin; hydrocarbon source rocks; gypseous-salt rock; resource potential

10.3969/j.issn.1671-9727.2017.03.02

1671-9727(2017)03-0286-07

2017-12-07。

曹建康(1961-)，男，高级工程师，从事油气勘探研究工作, E-mail:hnytcjk@163.com。

P588.247; TE122.25

A