博乐盆地石炭系阿克沙克组沉积演化及页岩气有利区预测

来 鹏，杜世涛，杨曙光，吴 斌，廖正凯，罗小波

(1.新疆维吾尔自治区煤田地质局煤层气研究开发中心，新疆乌鲁木齐 830091；2.新疆维吾尔自治区煤田地质局一六一煤田地质勘探队，新疆乌鲁木齐 830046；3.新疆维吾尔自治区地质环境监测院，新疆乌鲁木齐 830049)

博乐盆地位于新疆西北部，属于准噶尔盆地的西延部分，是天山构造带中的山间盆地[1-2](图1)。石油单位在博乐盆地开展了程度较低的勘探工作，主要工作集中在地层划分对比、烃源岩展布、厚度等[3-7]，而针对页岩气的勘探工作尚未开展。此外，据已公开发表的成果，从沉积环境、沉积中心和泥页岩发育特征等角度入手，构建不同时期沉积体系、确认目的层位物源、目的层发育过程、展布的认识不够全面，系统性不强。新疆煤田地质局煤层气研发中心在收集前人研究成果的基础上，借鉴国内外有关研究页岩气的最新理论认识和成功案例，制定并实施了野外踏勘、剖面测量、钻井、测井、物化实验、镜下微观刻画，运用比较、重点解剖、室内研究相结合的方法，对区内物源、气候、古地貌等进行分析，明确了研究区的沉积环境类型及特征，恢复了沉积展布和充填过程，确定了厚层泥页岩发育层位及分布状态，认识了泥页岩发育的沉积学机制，获取了烃源岩评价的准确数据，为区内开展页岩气资源潜力评价和页岩气富集优势区块选定提供依据。

1 沉积环境特征

1.1 沉积物源分析

利用岩层厚度数据在平面图上的变化趋势，根据上游沉积物粒粗层厚、下游沉积物粒细层薄的厚度平面展布特征反映物源方向的沉积学原理[8-9]，是确定物源的常用方法。

通过博乐盆地41条野外露头剖面和35口探井的砂岩厚度的数据统计分析，博乐盆地石炭系阿克沙克组西南部和西北部地区砂岩最厚，超过700 m，砂岩厚度由西北地区、西南地区逐渐向东南方向、东北方向递减。东北部砂岩厚度较薄，厚度不超过100 m，推测北部的塔城古陆和西南部的伊宁古陆提供了博乐盆地的主要物源。此外，从岩层厚度变化趋势上看，南部精河凹陷处可能存在另一处物源区，但离研究区域较远(图1、图2)。

图1 博乐盆地构造单元Fig.1 Tectonic unit of Bole Basin

图2 阿克沙克组砂厚等值线图Fig.2 Contour map of sand thickness in Aksak formation

1.2 沉积相识别及类型划分

沉积相是岩层发育环境及在该环境中形成沉积岩特征的综合表征[10-11]。岩层发育环境包括古地理、古气候、沉积介质等物理条件和介质的地球化学条件，而沉积岩特征包括岩性、结构构造、古生物化石特征等地质事件的印记。通过识别与刻画岩心样品的表征，进而反演沉积相。这种“将今论古”的研究方法，可以直观、客观、准确地划分沉积相类型，指导控制烃源岩地层发育的宏观要素的探索。本文根据岩性特征刻画归类，确定研究区目的层沉积相标志主要为岩性、岩石颜色、化石标志、沉积构造。

1.2.1 岩性及岩石颜色标志

下石炭统阿克沙克组总体上为一套滨浅海相钙质碎屑岩—碳酸盐岩建造，其下部岩石组合主要为泥晶、碎屑、生物、碎屑灰岩、泥质粉砂岩夹钙屑砂岩、粉砂质泥岩及亮晶砂屑灰岩，中部岩石组合主要为泥晶、碎屑、生物白云质灰岩、亮晶砂屑灰岩、砂屑粉细晶灰岩、钙质粉砂夹泥灰岩、钙屑砂岩、泥晶砂屑灰岩、钙质页岩及硅质粉砂岩，上部岩石组合主要为生物碎屑泥晶灰岩、中细粒钙屑砂岩及细粒钙屑砂岩。颜色主要为灰绿色、灰色，推测为水位加深营造的弱还原沉积环境，从该组地层沉积相来看，其颜色代表浅湖及三角洲前缘沉积环境。

1.2.2 古生物化石标志

在博乐盆地野外露头见到的化石有海百合、长身贝、珊瑚化石(图3)等，无论是化石种类或数量都很多，这也反映了石炭系滨浅海相特征[12]。

1.2.3 沉积构造标志

岩石构造是对地质历史时期的物理、化学和生物作用等事件的记录，也是沉积相恢复的依据[13-14]。在野外露头岩石观察描述中，判定博乐盆地石炭系阿克沙克组的碎屑岩主要构造类型有冲刷构造、层理(平行层理、交错层理)构造。其中，冲刷构造多表现在底部泥砾岩及冲刷面(图3)，表明沉积时期水动力较强，具有多期河道叠加的特征，偶见搅混构造、泥砾、炭质条带等，反映水体加深、动荡的沉积环境；水平及交错层理说明水位较深，且呈周期性变化。

1.2.4 沉积体系划分

在对阿克沙克组地层实测地质剖面和钻井资料分析的基础上，结合岩性特征、颜色、古生物化石、沉积构造等特征，将博乐盆地石炭系阿克沙克组划分为滨浅海—半深海相、三角洲、碳酸盐台地3种沉积体系。

滨浅海—半深海相浅水陆棚亚相属于高能沉积环境，根据沉积特征水体识别，地层主要为以砂/泥质为主的陆棚沉积。研究区内，浅水陆棚主要沉积灰色、浅灰色、黑色泥岩、粉砂岩和泥质粉砂岩；发育水平层理沉积构造，含有大量的古生物化石以及生物碎屑。

三角洲相属于海陆过渡地带，研究区三角洲沉积相属于河控三角洲沉积，主要发育三角洲体系，其中包括三角洲平原、前缘亚相(图4)。

图3 博乐盆地石炭系化石及沉积构造图版Fig.3 Plate of Carboniferous fossils and sedimentary structure in Bole Basina.海百合化石；b.长身贝化石；c.珊瑚化石；d.波状层理，反映较安静的低能环境，常形成于三角洲前缘、浅海；e.平行层理是急流、高能量环境下的产物，常形成于河道、海岸；f.楔状交错层理，形成于较强水动力作用下，发育在浅海障壁海滩；g.砾石定向排列, 指示急流或高能量环境。

图4 研究区三角洲前缘沉积特征Fig.4 Sedimentary characteristics of delta fronts in the study area

根据岩性、沉积构造和古生物化石特征，研究区碳酸盐台地体系可划分为局限台地相、潟湖相和开阔台地相，岩性主要由生物碎屑灰岩、泥晶灰岩、泥晶砂屑灰岩、碎屑岩组成(图5)。

图5 研究区碳酸盐台地沉积特征Fig.5 Carbonate platform sedimentation characteristics in the study area

2 沉积演化

结合层序划分、沉积背景、物源分析、沉积相标志及类型分析成果，晚古生代原型盆地由边缘大断裂、盆地抬升—下降、残余海盆连通等因素控制着沉积格局。海西初期，天山地槽回返，受西准噶尔洋壳再次向南俯冲的应力，早华力西期海槽发生褶皱隆起，抬升期一直持续至华力西中期，伴随山体隆升作用的影响，基底岩层褶皱演化为盆地的褶皱基底。

早石炭世阿克沙克沉积期为一套滨浅海—三角洲前缘相的碎屑岩夹碳酸盐岩沉积，含丰富的珊瑚、腕足等化石。阿克沙克沉积早期，盆地北部、西南部、西部发育三个面积较大的三角洲前缘相，其中主要物源来自西南部，野外剖面中的碎屑岩沉积构造主要为牵引流成因的冲刷构造和交错层理大量发育，多见底部泥砾岩及冲刷面，表明沉积时期水动力较强。盆地中部浅海相大面积分布，海陆过渡区域发育碳酸盐台地，深水区位于盆地西北部并具向东迁移的趋势。

阿克沙克沉积期晚期，受持续抬升与残余洋盆连通扩大的影响，海水又一次广泛侵入，此时沉降中心转移到汗吉尕山一带，岩性主要为灰—深灰色、灰褐色、灰绿色中细粒岩屑砂岩、长石岩屑砂岩、粉砂岩、生物碎屑灰岩夹砾岩及鲕状灰岩，含丰富的珊瑚、腕足等化石。沉积相展布继承了早期的格局，盆地北部的三角洲面积增加，西南部与西部三角洲发生迁移，推断持续抬升使得物源河流频繁改道。早期半深海区域的海平面相对下降，转变为分布于盆地中部浅海相沉积，成为该时期主要的沉积中心之一，这种格局下碳酸盐台地主要发育于盆地南缘，面积增加，半深海区域缩小，迁移终止。

3 泥页岩地层特征

3.1 泥页岩厚度及展布

利用剖面和钻探的岩性厚度识别统计，生烃富集中心位于研究区北侧温泉坳陷东部及博乐隆起，最大厚度累计超过500 m，大部分区域在300 m以上，整体上由东北向西南减薄(图1、图6)，并由生烃富集中心向研究区西部、南部减薄，主要烃源岩为灰黑色碳质泥岩、粉砂质泥岩、暗色泥岩。

3.2 有机质丰度

有机质是油气的母源，通常用有机质丰度来考察烃源岩的生油气强度[2]。目前，有机质丰度的常用指标为有机碳含量(TOC)、氯仿沥青“A”、生烃潜量(S1+S2)。当前的研究认为TOC含量与烃源岩孔隙度呈正相关关系，而页岩气又是以吸附于烃源岩空隙为主[15-17]，所以以TOC来考察有机质生烃潜力是一种比较可靠的手段。

通过23个岩心样品分析，阿克沙克组TOC呈现由研究区东部向西部递减，含量最高处为温泉坳陷、博乐隆起和精河凹陷，整体趋势与烃源岩厚度展布基本一致(图1、图7)。区内TOC在0.1%～5.39%之间，平均为0.78%，整体变化较大，总体含量较低。氯仿沥青“A”含量在0.001 5%～0.019 1%，均值为0.0059%；生烃潜量(S1+S2)在0.024 1～0.998 2 mg/g，平均为0.123 mg/g。

图6 石炭系阿克沙克组泥页岩累计厚度图Fig.6 Akshak group carboniferous shale accumulated thickness

图7 石炭系阿克沙克组泥页岩TOC分布图Fig.7 TOC distribution map of Carboniferous Akshak formation shale

3.3 有机质类型

有机质类型是决定生烃能力的主要因素之一，有机质丰度和类型共同决定了页岩的生烃强度[17-18]。米尔其克剖面下石炭统泥质烃源岩干酪根的富氢程度很低，13件热解样品中S2/S3平均为0.11，氢指数平均为4，H/C原子比平均为0.12，表现了腐殖型有机质特征。其碳同位素δ13C值平均为-22‰，属Ⅲ型干酪根。两种烃源岩的干酪根红外光谱吸收峰分布于1 600 cm-1、870 cm-1、740 cm-1，也表征了Ⅲ型干酪根特征。

阿克沙克组干酪根有机显微组分以非树脂壳质组为主，相对丰度为0～86%，平均为49.97%；其次为镜质组，相对丰度为10%～90%，平均为36.47%；再次为惰性组，相对丰度为4%～33%，平均为12.95%；最后为腐泥组，相对丰度为0～15%，平均为0.61%。干酪根类型指数为-82～31.5，由此将阿克沙克组烃源岩干酪根类型定为Ⅱ2型及Ⅲ型。

3.4 有机质成熟度

有机质成熟度(Ro)反映有机质向油气转化的程度[18-19]，据Hill R.J等，原油及干酪根Ro达到1.5%以上会大量生成裂解气。烃源岩镜质体反射率测试显示，阿克沙克组烃源岩镜质体反射率Ro为1.14%～4.01%，平均为2.24%，以1.5%～2.5%区间为主，占66%；其次为2.5%～3.0%及1.0%～1.5%的区间，各占13%和8%。总体为过成熟阶段，次为高成熟阶段，热演化程度高(图8)。从Ro样品的平面分布图(图9)看，研究区Ro值在东北和西南达到4%以上，边界处由研究区的东西两侧向中间递减，大部分区域已达到干酪根裂解生气阶段，且已大量生气。

图8 阿克沙克组有机质成熟度(Ro)区间频率分布图Fig.8 Frequency distribution of organic matter maturity (Ro ) in Aksak formation

图9 石炭系阿克沙克组泥页岩Ro 等值线图Fig.9 Contour map of mud shale in the Carboniferous Akshak formation

综上所述，石炭系阿克沙克组泥页岩主要分布于温泉凹陷及博乐隆起内，累计最大厚度可达500 m以上，有机地化测试石炭系烃源岩有机碳含量中等，有机质成熟度达到高成熟—过成熟阶段，干酪根类型属海相腐殖型干酪根，为中等—较好的烃源岩。但考虑到Ro高值区位于构造边界(图1)，由于构造运动产生的地热使得干酪根成熟度演化加快，故裂解气生成时间较早，逸散的可能性极大且时间长，不宜纳入有利区块的选取范围。

4 烃源岩储集性特征

4.1 脆性矿物含量

页岩气的开发必须进行大规模压裂，而影响压力效果的除了压裂工艺之外就是所压裂层位的脆性矿物含量。通常要考察的脆性矿物有石英、长石、方解石、白云石，其中石英+长石含量越高，在人工压裂外力作用下越易形成天然裂缝和诱导裂缝，从而提高页岩气的采收率[20]。

根据烃源岩岩石矿物分析结果，阿克沙克组烃源岩目的层黏土矿物含量为6.8%～61%，平均值为37.5 %；脆性矿物总含量为39%～89%，平均值为61%。脆性矿物主要包括了石英、长石、方解石及白云石，其中石英+长石含量为23%～86%，碳酸盐岩含量为0～36%，表明阿克沙克组烃源岩储层脆性矿物含量高，有利于储层改造。

4.2 页岩层孔渗特征

页岩层既是页岩气的生成层位，又是页岩气的储层，考察页岩层的孔渗特征可以认识页岩层的生、储页岩气情况，在此基础上进一步评价页岩气的运移通道特征，以评定开采的难易程度[12,21]。

据扫描电镜观察统计，阿克沙克组富有机质泥页岩层具有特低孔、特低渗的特点，灰黑色泥岩及粉砂质泥岩性脆质硬，节理和裂缝发育，裂缝在三维空间成网络状分布。主要孔隙为矿物溶蚀成因的黏土矿物和碎屑颗粒粒间、粒内溶蚀孔，少量为矿物粒间残余孔隙及有机质与矿物之间的间隙，偶见有机质孔隙。孔隙度在0.36%～5.04%之间，平均为2.22%；渗透率在0.000 71～0.040 11 mD之间，平均为0.009 7 mD。局部碎屑矿物富集，裂缝清晰可见，大量微裂缝细如发丝，多被碳酸盐矿物充填(图10)。

5 页岩气有利区预测

通过对博乐盆地石炭系阿克沙克组沉积环境和演化特征的分析，在早石炭世末期，海相沉积环境中的深水陆棚带因其相对较高的TOC和页岩气储集层段孔隙的发育，为博乐盆地页岩气成藏提供了良好的物质基础和储集基础。根据沉积相、烃源岩展布、地化特征，预测博乐盆地博乐市西部至博参1井一带为页岩气有利区(图11)。

图10 阿克沙克组烃源岩储层岩石扫描电镜照片Fig.10 Scanning electron microscope photograph of source rock reservoirs of Akshak formationa.样品总观图，×400;b.矿物粒间孔隙、溶蚀孔隙，0.118～2.406 μm，×7 000;c.有机质与矿物之间孔隙、有机质孔隙，0.063～0.793 μm，×10 000;d.矿物粒间孔隙、溶蚀孔隙，0.041～0.711 μm，×11 000;e.矿物溶蚀孔隙，0.224～4.866 μm，×4 000;f.有机质与矿物之间孔隙，0.103～0.208 μm，×7 000。

6 结论

(1)博乐盆地石炭统阿克沙克组物源为北部的塔城物源和南部的伊宁物源，烃源岩厚度由东北部向西南部明显减薄。

(2)研究区地层有机质含量变化较大，为0.36%～7.11%；热演化程度较高，为1.79%～2.03%；干酪根以Ⅲ型和Ⅱ2型为主；储层孔隙发育程度较差，为特低孔、特低渗；但脆性矿物石英+长石含量为23%～86%，碳酸盐岩含量为0～36%，含量较高，有利于人工造缝。

图11 阿克沙克组沉积相图及页岩气有利区预测Fig.11 Sedimentary facies map of the Akshak formation and prediction of favorable shale gas areas

(3)确定温泉坳陷、博乐隆起和精河凹陷一带为研究区地层的有利区块。