准噶尔盆地石树沟凹陷平地泉组烃源岩地球化学特征

张 伟，赵莉莉，龚 鑫，王雪纯，王远皎

（中国石油吐哈石油勘探开发研究院，新疆 哈密 839009）

随着油气勘探开发的不断深入发展，以页岩油为代表的非常规油气已在全球能源结构中占据重要地位。美国页岩气开发获得成功后，其成功模式在页岩油勘探开发中进行复制推广，使页岩油产量快速增长，展现了页岩油资源勘探开发的巨大潜力［1］。据“十三五”全国资源评价，我国陆上页岩油资源量283×108t，主要分布在松辽、鄂尔多斯、准噶尔、渤海湾等四大盆地，其中准噶尔盆地吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组页岩油的勘探进展显著［2］。位于准东地区沙奇凸起以北的石树沟凹陷与吉木萨尔凹陷在二叠世具有相似的沉积环境和岩性，均广泛发育优质烃源岩［3］，是准东地区页岩油勘探的潜力区［4］。

前人对吉木萨尔凹陷二叠系芦草沟组烃源岩的研究程度较高，对石树沟凹陷二叠系平地泉组烃源岩研究相对较少，仅于陈建平（2016）“准噶尔盆地烃源岩与原油地球化学特征”［5］及袁波（2014）“准东北部平地泉组致密油源岩生烃特征”［6］中见少量研究，研究主要集中于平地泉组主力生油段且数据相对较少。本文在前人研究的基础上，根据新的地层划分方案和新钻井资料，对石树沟凹陷平地泉组三个层段的烃源岩进行了系统研究，探讨了烃源岩的有机质丰度、类型、成熟度及沉积环境和有机母质来源等，并开展了烃源岩的初步评价，对区内下步油气勘探工作具有一定的指导意义。

1 地质背景

石树沟凹陷位于准噶尔盆地东部，该凹陷西邻沙帐断褶带，东接黄草湖凸起，北抵克拉美丽山，南与沙奇凸起相邻，呈北北东向长条状展布，南北长60 km，东西宽20 km，面积约1 200 km2（图1）。凹陷内部构造较复杂，受近北东-南西向和北西-南东向两期断裂切割，凹陷北部呈向东上倾的鼻隆构造。区内自下而上发育石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系等地层，受构造运动影响局部地区存在地层缺失［5］。

图1 准噶尔盆地石树沟凹陷构造位置

平地泉组主要分布于克拉美丽山南的山前地区，以扇三角洲-湖泊沉积体系为主［5-7］，本文采用吐哈油田地层划分方案，自下而上可划分为平一段、平二段和平三段。平一段与平二段为湖扩展体系域，以半深湖-滨浅湖相沉积为主，其中，平一段岩性为深灰色泥岩夹砂岩、泥粉砂岩，平二段岩性为深灰色泥岩夹泥质粉砂岩、油页岩；平三段为高水位体系域，岩性为灰色、深灰色泥岩夹块状砂岩、褐色泥岩、炭质泥岩薄层［7］。

2 烃源岩分布特征

石树沟凹陷平地泉组烃源岩以灰黑色、灰色泥岩夹粉砂质泥岩为主，依据区内单井暗色泥岩厚度所占地层的比例勾绘烃源岩展布，平面上呈现南北两个主要生烃中心，北部中心位于石树1井-石树6井一带，平地泉组厚度430～468 m，暗色泥岩厚度177～280 m，其中石树6井暗色泥岩厚达296 m；南部中心位于大8井-石树4井一带，地层厚度310～375 m，暗色泥岩厚度197～230 m（图2）；垂向上烃源岩则主要集中在平地泉组平一段与平二段［4-5］。

图2 石树沟凹陷平地泉组烃源岩展布

3 烃源岩地球化学特征

根据钻探成果，区内大部分钻井均钻遇平、地泉组，本次重点对平地泉组187件烃源岩样品的有机碳、生烃潜量、氯仿沥青“A”、总烃、岩石热解等地球化学参数进行分析评价。

3.1 烃源岩有机质丰度

有机质丰度主要包括泥页岩总有机碳含量（TOC）、生烃潜量（S1+S2）、氯仿沥青“A”含量及总烃含量（HC）等，本次研究对石树沟凹陷15口探井平地泉组烃源岩样品的有机质丰度参数进行了统计分析（表1）。

由表1可知，二叠系平地泉组不同层段有机质丰度普遍较高，TOC为0.51% ～14.34%，平均4.41%；S1+S2为0.34～100.91 mg／g，平均24.75 mg／g；氯仿沥青“A”为0.02% ～1.70%，平均0.62%；总烃含量为166～13 288μg／g，平均3 704 μg／g，均达到好烃源岩标准，尤其是平地泉组平二段，具有非常强的生烃能力。

表1 平地泉组烃源岩有机质丰度参数统计

3.2 烃源岩有机质类型

烃源岩中有机质类型可以直接反映烃源岩的质量优劣。本文通过对平地泉组烃源岩饱和烃组分、干酪根显微组分、干酪根碳同位素、热解参数等分析进行有机质类型研究。

平一段烃源岩氢指数为85～785 mg／g（平均379 mg／g），饱和烃为39.01% ～59.64%（平均50.11%），芳 烃 为 8.35% ～18.99% （平 均14.83%），非烃+沥青质为21.36% ～52.64%（平均35.07%）（图3），表明有机质类型总体为Ⅰ-Ⅱ1型；干酪根显微组分壳质组含量为42.04%～86.27%（平均66.54%），镜质组含量为4.96% ～18.00%（平均9.70%），揭示有机质类型为Ⅰ-Ⅱ1型。

平二段烃源岩氢指数为145～766 mg／g（平均421 mg／g），饱和烃为25.01% ～74.42%（平均46.59%），芳 烃 为 10.06% ～28.38% （平 均17.21%），非烃+沥青质为13.25% ～58.76%（平均36.20%）（图3），表明有机质类型总体为Ⅰ-Ⅱ1型；干酪根显微组分壳质组含量为4.09%～57.24%（平均32.18%），镜质组含量为1.11% ～50.00%（平均22.08%），揭示有机质类型为Ⅰ-Ⅱ2型。

平三段烃源岩氢指数为283～605 mg／g（平均477 mg／g），饱 和 烃 为16.76%～72.68%（平 均49.55%），芳烃为14.07% ～27.79%（平均18.6%），非烃+沥青质为11.83%～59.62%（平均31.84%）（图3），表明有机质类型总体为Ⅰ-Ⅱ1型；干酪根显微组分壳质组含量为4.86% ～48.16%（平均31.84%），镜质组含量为4.86% ～26.63%（平均13.38%），揭示有机质类型为Ⅱ1-Ⅱ2型。

图3 平地泉组烃源岩族组分三角图

研究表明，烃源岩热演化过程中干酪根碳同位素组成变化不明显，是良好的有机质母质类型划分指标［8］。来源于水生藻类植物的Ⅰ型干酪根碳同位素组分偏轻，一般δ13C＜-28.00‰；来源于陆生高等植物的III型干酪根碳同位素组分偏重，大多数δ13C＞-25‰，混合型介于二者之间［9-11］。石树沟凹陷平地泉组烃源岩干酪根碳同位素值为-28.92‰～-21.84‰，平均值为-25.87‰，属于Ⅱ1型干酪根。

岩石热解参数常用来确定烃源岩的有机质类型。研究区平地泉组样品的Tmax值为418～453℃，平均442℃，从Tmax-IH图来看，平地泉组烃源岩主要为Ⅰ-Ⅱ1型，少部分为Ⅱ2型（图4）。

总体而言，石树沟凹陷平地泉组各层段烃源岩有机质类型以Ⅰ-Ⅱ1型为主，少部分为Ⅱ2型。

3.3 有机质成熟度特征

镜质体反射率（Ro）和热解分析（Tmax）是最常用的衡量有机质成熟度的参数，石树沟凹陷平一段烃源岩Ro为0.67% ～0.75%（平均0.71%），Tmax值为418～451℃（平均442℃）；平二段泥岩Ro为0.54%～1.29%（平均0.84%），Tmax值为422～453℃（平均443℃）；平三段泥岩Ro为0.71%～1.30%（平均0.96%），Tmax值为423～451℃（平均442℃）；表明平地泉组平一段、平二段、平三段烃源岩均处于成熟阶段（图4）。

图4 平地泉组烃源岩干酪根热解有机质类型划分

有机质随着热演化作用加强，正烷烃的低碳数组分含量增加，奇数碳优势减弱，成熟烃源岩中正烷烃奇偶优势小于1.2［12］。平地泉组各段烃源岩的正构烷烃的奇碳优势指数（CPI）和奇偶碳优势指数（OEP）的平均值分别为1.37～1.41和1.03～1.18，呈现由深到浅逐渐增大特征（表2），表明干酪根已经大量向石油转化，各段烃源岩均进入成熟阶段。这与镜质体反射率（Ro）和热解分析（Tmax）结果一致。

表2 平地泉组烃源岩成熟度及饱和烃参数统计

4 生物标志化合物特征

4.1 正构烷烃

正构烷烃的碳数分布和相对丰度可反映有机质类型、沉积环境和热演化程度［13-14］。根据可溶有机质饱和烃气相色谱分析结果，平地泉组样品的正构烷烃碳数分布范围较宽，介于nC11-nC47，峰型多呈前高双峰型，前主峰碳以nC17为主，后主峰碳以C23为主，低碳数烷烃占优势，奇偶优势不十分明显，反映研究区烃源岩母质以低等水生生物为主、高等植物为辅的混源输入，沉积环境以半咸水-咸水环境为主。前后碳比nC21-／nC22+为0.51～2.80，平均1.14，低碳数正构烷烃含量高于高碳数正构烷烃含量，纵向上三个层段nC21-／nC22+依次增高（表2），反映在平地泉组沉积时期母质中高等植物的输入比例随时间逐渐增加。

4.2 类异戊二烯烷烃

在油气地球化学中，姥植比（Pr／Ph）是指示烃源岩沉积氧化还原环境的指标［15］。当姥植比小于0.8时指示强还原环境，0.8～3.0指示还原环境，大于3.0指示氧化环境下陆源有机质输入［16］。平地泉组各层段样品的姥植比为1.17～1.60，平均1.39，指示还原环境，表明研究区烃源岩为还原环境下的沉积产物。

研究区样品的Pr／nC17为0.20～2.61（平均1.02），Ph／nC18为0.16～2.49（平均0.78）；从Pr／nC17与Ph／nC18比值关系（图5）可得，研究区平一段的母质类型以腐泥型为主，平二段、平三段以腐殖-腐泥型为主，少量为腐泥型和腐殖型，成烃母质形成于还原、弱还原沉积环境。

图5 平地泉组烃源岩Pr／nC17与Ph／nC18比值关系

4.3 甾类化合物

样品抽提物中的甾类化合物以规则甾烷为主，含有一定的重排甾烷，少量孕甾烷和升孕甾烷。C29甾烷异构化参数20S／（20S+20R）、ββ／（ββ+αα）能够揭示热成熟度，在热演化过程中构型会发生转变，比值逐渐增加直至达到平衡值［16］。平地泉组烃源岩C29甾烷20S／（20S+20R）为0.37～0.50，C29甾烷ββ／（ββ+αα）为0.24～0.61（表3）；在C29甾烷成熟度参数图（图6）中，平地泉组大部分样品处于成熟阶段，平二段部分样品处于低熟阶段。

图6 平地泉组C29甾烷成熟度参数

由表3可知，平一段规则甾烷相对含量C27平均为17.60%，C28平均为27.98%，C29平均为54.79%；平二段规则甾烷相对含量C27平均为23.61%，C28平均为30.26%，C29平均为47.36%；平三段规则甾烷相对含量C27平均为28.71%，C28平均为28.73%，C29平均为44.74%；在C27-C28-C29甾烷三角分布关系图中可以看出规则甾烷含量集中分布在Ⅳ区（图7），说明石树沟凹陷平地泉组各层段的有机质主要来源于低等水生生物与高等陆生植物的混合。

图7 平地泉组烃源岩C27-C28-C29规则甾烷分布三角图

4.4 萜类化合物

在同源条件下，Ts／Tm值可作为判定成熟度的一个指标，即随着成熟度的升高，Ts／Tm值逐渐增大［17］。研究表明Ts／Tm值为0.20～0.30属于低成熟-未成熟阶段，0.30～0.60属于成熟阶段，大于0.60为高成熟阶段［17］。研究区样品的Ts／Tm均值主要为0.28～0.31，属于低熟-成熟演化阶段。

伽马蜡烷被认为是咸水还原沉积环境的特征标志［18］。从伽马蜡烷指数（伽马蜡烷／C30藿烷）可以看出（表3），平地泉组伽马蜡烷指数较低，为0.06～0.45，指示研究区烃源岩发育于微咸水-咸水环境。

表3 平地泉组烃源岩甾烷萜烷参数统计

研究表明17β（H）、21α（H）-莫烷与17α（H）、21β（H）-藿烷的比值随着成熟度的增加而降低，从未熟沥青到成熟烃源岩该比值从0.80降低到小于0.15，原油中则可低至0.05［19］。平地泉组烃源岩样品中莫烷／藿烷比值为0.12～0.27，平均值0.17，属于成熟阶段。

5 结论

（1）平地泉组烃源岩是石树沟凹陷的主力烃源岩，其总有机碳含量（TOC）、生烃潜量（S1+S2）、氯仿沥青“A”含量及总烃含量都比较高，总体评价为好-优质烃源岩。其中平二段烃源岩TOC均值为5.20%，S1+S2均值为31.13 mg／g，是区内最优质的烃源岩。

（2）研究区烃源岩干酪根显微组分以壳质组为主，综合氢指数、烃组分、干酪根碳同位素、热解等参数，均反映平地泉组各层段烃源岩有机质类型以Ⅰ-Ⅱ1型为主，少部分为Ⅱ2型。

（3）有机质成熟度参数Ro、Tmax、CPI、OEP、20S／（20S+20R）、ββ／（ββ+αα）、Ts／Tm、莫烷／藿烷等一致反映平地泉组烃源岩处于成熟演化阶段。

（4）综合分析研究区烃源岩生物标志化合物中正构烷烃的分布、Pr／nC17和Ph／nC18相对关系、规则甾烷C27、C28、C29相对含量变化等参数，显示母质为低等水生生物和高等陆源植物混源输入；Pr／Ph值、伽马蜡烷指数则指示石树沟凹陷平地泉组为弱还原-还原环境的微咸水沉积环境。