准噶尔盆地东部二叠系平地泉组烃源岩富集规律与主控因素

樊 妍，王绪龙，向才富，王千军，刘 嘉，廖健德，徐怀民

(1.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249；2.中国石油新疆油田分公司勘探开发研究院，新疆 克拉玛依 834000；3.中国石化胜利油田分公司勘探开发研究院，山东 东营 257000)

0 引 言

一定规模的优质烃源岩是进行含油气系统评价的物质基础。准噶尔盆地东部是新疆油田最重要的勘探潜力接替区，准东地区的主要勘探成果主要来源于吉木萨尔凹陷平地泉组[1-6]，而其它地区处于勘探初期，很多次级凹陷仅有1～2口井钻遇了烃源岩[7-11]，如何基于有限的探井和分析测试数据准确评价烃源岩的质量和分布范围是必须面对的关键挑战之一。本文通过钻井和露头样品的实验数据对平地泉组烃源岩进行初步评价，利用经典的有机碳含量测井预测技术(ΔlgR法)，对烃源岩的纵向发育层段进行识别，克服非均质性带来的误差，并结合单井的地震反射结构和地震相在平面上展开，有效预测平地泉组烃源岩的空间分布范围。探索了一套低勘探程度下的烃源岩发育层位和分布范围的预测方法，研究成果对指导准东地区的油气勘探具有重要的实践意义。

1 地质背景

准噶尔盆地东部是中亚造山带的重要组成部分，夹持于克拉美丽山和博格达山之间，向西延伸至盆地的腹部，面积约2.8×104km2[12](图1)。准噶尔盆地经历了多期构造演化，晚石炭世-早二叠世是准噶尔盆地整体结束海相沉积历史、开始陆相湖泊沉积的关键时期。此时准东北部克拉美丽有限洋盆的关闭、南部博格达裂谷的关闭和回返，与奇台岛弧共同构成了克拉美丽山、博格达裂谷、奇台凸起以及夹持于其间的拼贴陆壳为沉积背景[13-22]，为二叠系烃源岩的发育奠定了基础。构造的多次叠加形成了准噶尔盆地东部凸起和凹陷错落分布的“棋盘状”格局，不同二级构造单元的沉积特征存在差异。

准东地区缺少系统的沉积环境和沉积相研究成果，目前认为平地泉组以湖湘-半深湖沉积为主[3, 23-26]，岩性为灰绿色、灰黑色泥岩、页岩夹绿色砂岩、薄层灰岩，在南部存在博格达山前-吉木萨尔凹陷-古城凹陷沉积沉降中心，在北部存在帐北断褶带-大井凹陷多个沉积沉降中心[27-28]。二叠系平地泉组是准东地区最优质的烃源岩，但这一研究成果大多来源于有限单井的烃源岩评价结果[9-10]，且不同凹陷内的侧向变化及不同凹陷之间的相互关系不明。其次，用于烃源岩评价的数据主要来源于石树沟凹陷-吉木萨尔凹陷以西的地区，广大的东部地区缺少系统的分析[3]，成为制约准东油气勘探最关键科学问题之一。

2 烃源岩评价

2.1 样品采集与实验测试分析

前人评价准东地区平地泉组烃源岩的样品绝大部分源于石树沟凹陷-吉木萨尔凹陷以西地区。本次研究系统收集和整理了遍及准东地区40余口探井(图1)360多个样品的热解资料，对分析测试数据缺乏的石钱滩凹陷周缘露头进行了补充采样，并进行热解和有机碳含量的实验分析。总有机碳含量测定使用LECO CA230碳硫分析仪，采用GB/T19145-2003《沉积岩中总有机碳测定》标准进行有机碳分析；热解实验使用OGE-Ⅱ油气评价仪，采用GB/T18602-2012《岩石热解分析》标准进行岩石热解分析。以上实验均在中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室完成，分析测试结果和收集数据汇总如表1所示。

表1 准东地区平地泉组烃源岩特征

由表1可以看出，平地泉组烃源岩的丰度(TOC)、类型、成熟度(Ro或Tmax)和厚度这些指标在准东地区存在三个明显的优势区，分别为帐北断褶带-北三台凸起、吉木萨尔凹陷和木垒北凹陷。帐北断褶带-北三台凸起地区TOC值为0.1%～71.4%，平均值为4.0%，烃源岩丰度为中等-极好；有机质类型为Ⅰ-Ⅱ2型；Ro值为0.2%～1.7%，平均值为0.8%，处于成熟-高成熟演化阶段；暗色泥岩厚度为10～230 m，平均厚度为200 m。吉木萨尔凹陷TOC为2.2%～9.6%，平均值为6.7%，丰度为好-极好；有机质类型为Ⅰ-Ⅱ2型；Ro为0.5%～2.1%，平均值为0.8%，处于成熟-过成熟演化阶段；暗色泥岩厚度为50～170 m，平均厚度为100 m。木垒北凹陷TOC为0.1%～1.7%，平均值为0.8%，丰度为中等-好；有机质类型为Ⅰ-Ⅱ1型；Ro为0.5%～1.4%，平均值为0.8%，处于成熟-过成熟演化阶段。这三个优势区分别位于克拉美丽山前带的西侧、博格达山前带的西侧和博格达山前带的东侧。克拉美丽山前带东部，即石钱滩凹陷和周缘露头剖面，其TOC平均值小于1.0%，为中等丰度的烃源岩，有机质类型为Ⅱ1-Ⅲ，最大热解峰温Tmax值在450 ℃附近，进入成熟演化阶段，暗色泥岩平均厚度为100 m。准东地区平地泉组烃源岩在南带(博格达山前带)和北带(克拉美丽山前带)的次级凹陷间具有东西差异，整体上，西部烃源岩的丰度和类型较东部好。

2.2 测井识别与评价

2.2.1 利用ΔlgR法计算有机碳含量

针对缺少地球化学实测数据的单井，利用干酪根含量和测井曲线间的响应关系，采用经典的ΔlgR法[29]，识别烃源岩并计算其有机质丰度，进一步识别出高丰度有机质的发育部位。选取准东地区二叠系实测TOC数据较为齐全、连续的沙丘8井和木参1井作为标准井，建立ΔlgR与实测TOC之间的关系。研究结果表明，沙丘8井和木参1井的拟合度分别为89.4%(图2(a))和77.5%(图2(b))，相关性良好。北部的克拉美丽山前带(公式(1))和南部的博格达山前带(公式(2))具有不同的预测模型，可能暗示北带和南带不同的沉积环境和原始沉积母质输入。

TOC=1.752×ΔlgR+0.4689

(1)

TOC=1.4464×ΔlgR+0.1838

(2)

2.2.2 单井烃源岩发育特征

选取北带东西向剖面aa1和南带东西向剖面cc1，剖面位置如图1所示。剖面aa1自西向东几乎横穿克拉美山前带的所有凹陷，烃源岩测井评价结果揭示平地泉组优质烃源岩集中发育在平二段的灰-黑色泥岩段。剖面aa1平地泉组内部有机碳含量从低到高、再由高到低的变化特征，与相对湖平面低-高-低的旋回性变化一致。平二段烃源岩具有广覆式分布特征，其中TOC大于2.0%的优质烃源岩在帐北断褶带的沙1井厚度达到250 m，石树沟凹陷的大2井厚度达到75 m，石钱滩凹陷的大 5井厚度达到30 m，梧桐窝子凹陷的桐2井厚度达到33 m，由图3可看出优质烃源岩在侧向上自西向东厚度有减薄的趋势。TOC为1.0%～2.0%和0.6%～1.0%的烃源岩主要分布在克拉美丽山前带的西侧。

南带东西向剖面cc1位于博格达山前带，测井评价结果表明优质烃源岩主要发育在平二段和平三段的灰-黑色泥岩段(图3)。平一段、平二段和平三段烃源岩在次级凹陷间的分布呈分割状态。TOC大于2.0%的优质烃源岩仅分布在吉木萨尔凹陷，在吉18井厚度达到60 m；TOC为1.0%～2.0%的烃源岩，在吉木萨尔凹陷北7井和吉18井厚度分别达到370 m和20 m，在木垒北凹陷木参1井厚度小于5 m。由此可见，博格达山前带高丰度的烃源岩同样具有向东厚度减薄的特征。

2.3 地震识别与评价

在层序地层学分析的基础上识别有机质发育层段的地震相和地震反射结构，根据特征地震相预测高丰度有机质的空间分布。湖相泥岩最显著的地震反射特征是低频率、高连续、强振幅和平行-亚平行反射结构[30-31]，但浅水三角洲的砂泥互层沉积或其他沉积组合也可能形成该反射特征，为避免地震解释多解性带来错误，往往用钻井资料进行层位标定。以北16-吉25-吉7剖面(位置见图1中bb1剖面)为例，测井计算结果显示这3口井垂向上发育了2～3个高丰度的烃源岩分布段(图4)，其地震相表现出下部的低频、断续、逐层上超的低位-湖泛体系域的特征，而上部表现为高频、连续、强振幅的地震相特征，代表了三角洲前积体底部最大湖泛面的地震反射特征，据此限定优质烃源岩的发育层位为平地泉组的低位体系域和湖泛体系域。吉7井平二段测井计算的TOC含量高达4.3%，平均值超过2.0%，也表明了是优质烃源岩发育的主要部位。

3 烃源岩分布

3.1 烃源岩剖面分布

3.1.1 南北分带性

准东二叠系自下而上发育金沟组(P1j)、将军庙组(P2j)、平地泉组(P2p)和梧桐沟组(P3w)，为了更显著的观察平地泉组烃源岩在准东地区的分布特征，除目标层位平地泉组外，还识别和追踪了其余三个层位烃源岩的横向分布。由图5可知，平地泉组烃源岩的分布具有明显的分带特征，北部分布在克拉美丽山前带，南部分布在博格达山前带，中间被奇台凸起所分割。南北构造带内部，即不同凹陷间的烃源岩分布存在差异。

克拉美丽山前带西侧平地泉组烃源岩形似向克拉美丽山方向抬升，并在北翼被剥蚀，南翼的地层表现为北端薄南端厚，发育叠瓦状构造(剖面CC1和剖面DD1)。而东侧则表现出北端厚南端薄的特征(剖面EE1)。

博格达山前带西侧平地泉组烃源岩呈向博格达山方向抬高的背斜(剖面CC1和剖面DD1)，背斜后翼部位叠加了一个大规模的向斜。东侧地层向北抬高，南部地层厚，北部地层薄(剖面EE1)。整个呈现为由博格达山方向向北推覆的逆冲叠瓦构造。

3.1.2 东西分块性

由东西向剖面AA1可知(图1和图6)，克拉美丽山前带断裂非常发育，以沙帐断裂带和大井断裂为代表的基底卷入断裂将北带的凸起和凹陷分割开，中二叠统平地泉组烃源岩在各凹陷内部形成沉积中心，沉积厚度在断层下降盘明显增厚，说明这些断层为同沉积断层。从烃源岩的厚度分布来看，西侧的五彩湾凹陷、石树沟凹陷存在西厚东薄的特征，而东侧的石钱滩凹陷为东厚西薄。

博格达山前带的分区分块性较弱，主要受后期构造活动的控制。从近东西向剖面BB1(图1和图7)来看，博格达山前带二叠系地层整体向东抬高，区域性向西倾斜，古西凸起以东断裂多呈叠瓦状，在木垒北凹陷可见基底卷入断裂。古西凸起和古东凸起分割了吉木萨尔凹陷、古城凹陷和木垒北凹陷，其中吉木萨尔凹陷表现为西厚东薄，烃源岩厚度在断层下降盘略有增厚；东侧的木垒北凹陷、古城凹陷分割性不明显，厚度变化小，总体表现为东厚西薄。西侧吉木萨尔凹陷平地泉组烃源岩向古西凸起上减薄不明显，说明古西凸起可能是晚期隆起，没有控制平地泉时期烃源岩的空间分布，古城凹陷烃源岩的侧向厚度无明显减薄也证明了这一点。这一特征与克拉美丽山前带形成明显的对比，说明沉积期在南带可能表现为统一的断陷盆地，而北带分割更加明显。

3.2 烃源岩平面分布

3.2.1 有机质丰度平面分布

平地泉组TOC-(S1+S2)交汇图(图8)显示不同凹陷烃源岩的发育存在差异，总体表现为烃源岩的有机质丰度自东向西、自北向南增加的特征。有机碳含量等值线图(图8)显示TOC大于0.5%的烃源岩在准东地区分布具有南北分带、东西分块的特征。

南北方向分为克拉美丽山前带和博格达山前带，中间被奇台凸起所分割。克拉美丽山前带自西向东存在三个TOC分布中心，分别为五彩湾-石树沟凹陷、石钱滩凹陷和梧桐窝子凹陷。五彩湾-石树沟凹陷地区为TOC高值区，TOC高值中心位于帐北断褶带，TOC大于1.5%，由帐北断褶带-北三台凸起的TOC-(S1+S2)交汇图可知，约占80%的烃源岩其TOC大于0.6%，对应的生烃潜量S1+S2大于2.0 mg/g，整体上为中等-极好丰度的烃源岩。石钱滩凹陷为次高值中心，TOC大于0.5%，由石钱滩凹陷及其周缘的露头剖面的TOC-(S1+S2)交汇图可知，绝大部分样品的S1+S2小于1.0 mg/g，生烃潜力低，总体上为差-中等丰度的烃源岩。梧桐窝子凹陷由于缺乏采样点，故利用测井计算的TOC值代表凹陷内的烃源岩丰度，计算结果表明，烃源岩的TOC值为0.5%左右，极少大于1.0%，总体上为差的烃源岩，为TOC低值区。克拉美丽山前凹陷烃源岩的丰度在东西方向上表现为西部丰度高，向东逐渐降低。

博格达山前凹陷带存在两个TOC的分布中心，分别为阜康-吉木萨尔凹陷和木垒北凹陷。阜康-吉木萨尔凹陷地区为TOC高值区，TOC高值中心位于吉木萨尔凹陷西南缘，吉木萨尔凹陷TOC-(S1+S2)交汇图表明，平地泉组烃源岩的TOC大于2.0%，S1+S2大于6.0 mg/g，为好-极好的烃源岩；阜康凹陷TOC介于0.6%～2.0%，S1+S2为2～6 mg/g，属于中等-好的烃源岩。木垒北凹陷为TOC次高值区，TOC介于0.6%～1.8%，约占60%的S1+S2小于1 mg/g，烃源岩生烃潜力差，为中等烃源岩。博格达山前带烃源岩的丰度也具有西高东低的特征。

平地泉组有机质丰度的南北分带、东西分块特征与中二叠统沉积期沉积环境密切相关。无论是南带的高值区还是北带的高值区，在平地泉组沉积期均发育半深湖相沉积，次高值区以半深湖-滨浅湖相沉积为主，丰度的低值区以滨浅湖相沉积为主(图1)。

3.2.2 烃源岩厚度平面分布

根据单井岩性统计和测井计算TOC结果，结合沉积相、地震相，确定烃源岩的厚度分布(图9)。图9显示烃源岩被奇台凸起分割成南北两部分。北部克拉美丽山前带被分割成西部的五彩湾-石树沟厚度中心(厚度>200 m)和东部的石钱滩厚度中心(厚度>150 m)，前者表现为西厚东薄，后者表现为东厚西薄。

南部博格达山前带存在西部吉木萨尔凹陷-博格达山前烃源岩厚度中心(厚度>150 m)和东部的木垒北凹陷厚度中心(厚度>250 m)，前者表现为西南厚东北薄，后者表现为西厚东薄。

4 讨 论

4.1 烃源岩的分带分块性

准东地区平地泉组烃源岩在空间上具有分带分块的特征。南北方向集中在北部克拉美丽山前带和南部博格达山前带，中间被奇台凸起分割。南北两个带内在东西方向上形成五彩湾凹陷-石树沟凹陷、石钱滩凹陷、阜康凹陷-吉木萨尔凹陷和木垒北凹陷的烃源岩丰度和厚度中心，分别被黄草湖低凸起、古西凸起-古东凸起所分割。

烃源岩这种分带分块的特征受构造背景控制。石炭纪中晚期，准噶尔盆地完成洋陆转换，伴随着古亚洲洋向板块周缘火山岛弧俯冲消减[32]。古亚洲洋洋壳的俯冲导致东准噶尔岛弧和北天山岛弧在东部发生软碰撞，准噶尔洋洋壳向北天山岛弧之下南向俯冲消减并促成了博格达火山岛弧的形成。由此可见，博格达山前带凹陷属于北天山岛弧的弧前盆地，克拉美丽山前凹陷属于东准噶尔岛弧的弧前盆地[33]，两者的构造背景不同。古亚洲洋洋壳俯冲拆沉之后导致的地幔上隆在一定程度上造成早二叠世的地块拉张，东天山断层和克拉美丽断层的右行走滑控制了博格达山以北走滑拉分盆地的形成。

控盆断裂的发育将准东地区分割成克拉美丽山前带、博格达山前带和奇台凸起三个带。奇台凸起自晚海西期至侏罗纪末期，一直处于抬升状态，在一定程度上分隔了南北沉积[34]，中二叠统平地泉组以及中下侏罗统等几次短暂沉积在奇台凸起的地层均遭后期剥蚀，致使晚新生代地层直接覆盖在石炭系上。Pietras等[35]研究发现克拉美丽山前湖相原生碳酸盐的86Sr/87Sr值与博格达山前地区存在差异，也在一定程度上说明了奇台凸起的地理隔绝使得克拉美丽山前以南和博格达山以北地区不具备很好的连通性。控凹断裂的发育使得准东地区在东西方向上形成凹凸相间的格局[21]，南带的分割性较北带弱，表明在中二叠统沉积期博格达山前可能表现为统一的断陷盆地，而克拉美丽山前分割更明显。

4.2 烃源岩发育的沉积环境

锶/钡(Sr/Ba)比值大小与古盐度高低呈明显正相关关系，当Sr/Ba比值大于1.0时沉积水体为咸水环境，介于0.5～1.0时为半咸水环境，小于0.5为淡水环境[36]。平地泉组样品Sr/Ba比值介于0.02～8.4，平均值为0.9。石树沟凹陷-吉木萨尔凹陷以西地区和古城凹陷-木垒北凹陷的Sr/Ba大于1，表明该地区在平地泉组沉积期为咸水相；黄草湖低凸起以东的克拉美丽山前带，其Sr/Ba小于0.5，为微咸水相沉积(图10)。

钒/铬(V/Cr)比值可用来表征古氧化还原条件，V/Cr比值大于4.3为厌氧或静海相环境，介于2.0～4.3为贫氧环境，小于2.00为富氧环境[37-38]。平地泉组样品的V/Cr比值介于0.1～21.7，平均值为2.1。帐北断褶带、吉木萨尔凹陷、木垒北凹陷和博格达山前冲断带东侧的V/Cr比值大于5.0，以厌氧环境和贫氧环境为主；石钱滩凹陷V/Cr比值介于2.0～4.3，以贫氧环境为主；梧桐窝子凹陷V/Cr比值大多小于2.0，以富氧环境为主(图11)。

总体上，准东地区平地泉组沉积时为贫氧-咸水的沉积环境。东部为封闭微咸水环境，西部与阜康凹陷为沟通的开放环境，北带通过沙丘北水道与阜康凹陷相连，南带通过博格达冲断带与阜康凹陷相连。以帐北断褶带、吉木萨尔凹陷及木垒北凹陷形成封闭湖湾、潟湖相为主的沉积环境，有利于烃源岩发育。

4.3 对油气勘探的启发

由平地泉组烃源岩镜质组反射率Ro平面分布图(图12)可知，除梧桐窝子凹陷外，准东绝大部分地区平地泉组烃源岩的Ro值大于0.5%，进入生烃门限。其中帐北断褶带-石树沟凹陷-石钱滩凹陷和古城凹陷的烃源岩Ro值介于0.5%～0.8%之间，源岩处于低成熟-成熟演化阶段。而阜康凹陷-吉木萨尔凹陷和木垒北凹陷的烃源岩Ro值介于0.8%～1.3%之间，源岩处于成熟演化阶段，阜康凹陷以西烃源岩的Ro值可达2.0%，进入高成熟演化阶段。以阜康凹陷、吉木萨尔凹陷和木垒北凹陷为主的博格达山前带，丰度高且已经进入成熟阶段的烃源岩是准东地区的优质烃源岩。以帐北断褶带、石树沟凹陷和石钱滩凹陷为主的克拉美丽山前带，烃源岩丰度中等-好，进入成熟阶段，可作为次级优质烃源岩。油气勘探建议遵循北带自西向东的勘探思路，建议北带聚焦到黄草湖低凸起周缘，南带建议东西并重，以各凹陷为单元逐次展开。

5 结 论

(1)准东地区平地泉组烃源岩以暗色泥岩为主，丰度中等-好，优质烃源岩主要富集在平二段。烃源岩的丰度自西向东、由南向北降低，优质烃源岩的厚度西厚东薄。

(2)准东平地泉组烃源岩的分布具有南北分带、东西分块的特征。这种分布特征受古亚洲洋俯冲消减以及洋壳拆沉之后陆内右旋张扭作用控制。

(3)烃源岩发育受沉积期的局限湖盆控制，并在低位和湖泛体系域中富集。高丰度烃源岩分布在以封闭海湾、潟湖相沉积为主的帐北断褶带、吉木萨尔凹陷和木垒北凹陷。

(4)油气勘探建议遵循北带自西向东的勘探思路，建议北带聚焦到帐北断褶带和黄草湖低凸起周缘，南带建议东西并重，以各凹陷为单元逐次展开。

致谢:论文部分原始资料由新疆油田分公司和中国石化胜利油田分公司提供，在此表示感谢。