準南蘆草溝組頁巖有機地球化學特征及非常規油氣地質意義

白洪海王正和周繼兵吳 超

（1 新疆地質礦產勘查開發局第九地質大隊；2 中國地質調查局成都地質調查中心）

準南蘆草溝組頁巖有機地球化學特征及非常規油氣地質意義

白洪海1王正和2周繼兵1吳 超1

（1 新疆地質礦產勘查開發局第九地質大隊；2 中國地質調查局成都地質調查中心）

在四川盆地頁巖氣勘探開發取得巨大成功之后，為了評價準噶爾盆地南緣頁巖氣資源潛力，結合地表地質調查及頁巖氣調查井鉆探成果，對準噶爾盆地南緣蘆草溝組泥頁巖有機地球化學特征進行了博格達東段與西段及蘆草溝組內部上段與中段、下段和露頭與鉆井的詳細對比研究，并指出了蘆草溝組的非常規油氣潛力。研究結果表明：①蘆草溝組有機質類型以巖石熱解進行劃分的結果比鏡檢結果更趨合理，且干酪根主要為Ⅰ型及Ⅱ1型，Ⅱ2型及Ⅲ型所占比重相對較小，Ⅲ型干酪根在博格達東段比西段發育。②蘆草溝組有機質豐度高，77%的樣品其TOC≥2%，TOC主要介于3.0%～4.0%之間；平面上，博格達西段蘆草溝組TOC高于博格達東段；縱向上，中段TOC高于上段，而上段高于下段。③蘆草溝組有機質鏡質組反射率峰值為0.8%，Tmax主要介于440～450℃之間，有機質處于成熟階段為主；蘆草溝組在博格達東段抬升暴露略早于博格達西段，所經歷的熱演化程度略低于博格達西段。④準南蘆草溝組具較好的致密油與頁巖氣勘探潛力，而且博格達西段蘆草溝組頁巖氣勘探潛力可能好于博格達東段。

準噶爾；蘆草溝組；頁巖氣；干酪根類型；有機碳含量；有機質成熟度

在中國四川盆地頁巖氣勘探開發取得顯著突破的背景下，為了探索與評價準噶爾盆地南緣（以下簡稱準南）頁巖氣資源潛力，新疆地質礦產勘查開發局于2013年開始首次全面系統地在準噶爾盆地南緣組織了以上二疊統蘆草溝組為重點層位的頁巖氣調查評價。蘆草溝組為扇三角洲相—湖泊相沉積，發育大套富有機質頁巖，是準噶爾盆地最為重要的烴源巖層位。蘆草溝組從山前至盆地腹部，埋深變化相當大，出露區僅沿博格達山北緣呈窄帶狀分布。研究表明，蘆草溝組具有頁巖氣、頁巖油及致密油等非常規油氣勘探潛力[1-2]。在國內外頁巖氣勘探與調查評價中，富有機質頁巖的有機地球化學特征是非常重要的地質參數。前人對準南蘆草溝組烴源巖特征[3-5]、油頁巖特征[6-8]等方面進行過研究，并涉及有機地球化學特征的研究總結。但是，將蘆草溝組有機地球化學特征按博格達東段（天池以東）與博格達西段（天池以西）進行對比，以及將蘆草溝組內部上、中、下3段富有機質頁巖有機地球化學特征進行詳細對比研究的成果基本未見公開報道。本文在對露頭、探槽與鉆井樣品的鏡檢及巖石熱解等測試分析基礎上，針對準南博格達山北緣蘆草溝組富有機質頁巖的有機質類型、有機碳含量、有機質成熟度等方面，分別按博格達東段與西段，蘆草溝組內部的上、中、下3段，以及露頭與鉆井進行了詳細的對比研究，并對蘆草溝組頁巖生烴潛力進行了評價。這些方面的研究將為蘆草溝組非常規油氣潛力的分區、分段評價奠定基礎。

1 區域地質背景

準噶爾盆地位于歐亞構造域邊緣，與特提斯構造域相鄰[9]，夾持于哈薩克斯坦板塊、西伯利亞板塊、阿爾泰褶皺造山帶和天山褶皺造山帶之間，是一個大型的多類型復合疊加的含油氣盆地[10-13]，經歷了多階段不同性質的構造演化與變革，地質條件復雜[14-21]。準噶爾盆地在前寒武紀結晶基底上沉積了寒武系—石炭系海相及海陸交互相地層，后經海西期周緣海槽褶皺形成盆地褶皺基底，構成準噶爾盆地前寒武紀結晶基底與海西期褶皺基底的雙層基底結構。二疊紀以來，準噶爾地塊處于板內盆地發展與改造時期[22]，成盆后接受二疊紀至今的蓋層沉積；沉積環境也由早—中二疊世之前的海相逐漸過渡到之后的陸相。據前人研究，蘆草溝組為晚二疊世溫暖氣候下的湖相沉積[23-25]。蘆草溝組主要出露于博格達山北緣山前帶（圖1），且根據博格達西段蘆草溝組露頭巖性巖相組合特征，蘆草溝組可劃分為上、中、下3段。蘆草溝組上、中、下3段中均有灰黑色碳質泥頁巖發育，其中上段碳質泥頁巖連續厚度最大，可達700m左右。

圖1 研究區位置及蘆草溝組露頭分布

2 頁巖有機地球化學特征

2.1 有機質類型

干酪根類型是頁巖氣評價的重要指標之一，也是決定生氣潛力的關鍵因素之一[26]。鏡檢結果表明（圖2）：準南蘆草溝組干酪根以Ⅱ型為主，約占68%，其次為Ⅲ型，約占32%；其中，Ⅱ型干酪根又以Ⅱ1型為主，約占60%，Ⅱ2型約占40%。在博格達西段蘆草溝組中Ⅱ型干酪根所占比重約為87%，遠高于博格達東段中Ⅱ型干酪根所占比重（64%）。另外，在博格達西段，蘆草溝組上段干酪根以Ⅱ1型為主，所占比重約56%；中段與下段中干酪根均以Ⅱ2型為主。

圖2 準南蘆草溝組干酪根類型(據鏡檢結果)

從Ⅱ1型、Ⅱ2型到Ⅲ型干酪根，其鏡檢組分中的惰質組含量總體上越來越高，而腐泥組含量則越來越低（圖3）。在整個準南蘆草溝組干酪根鏡檢組分中，樹脂體含量都比較低，而且基本上只在Ⅱ1型干酪根中發育。

依據最大熱解峰溫（Tmax）與氫指數（IH）關系進行干酪根類型劃分，結果表明（圖4）：整個博格達北緣，蘆草溝組干酪根類型Ⅰ型、Ⅱ1型、Ⅱ2型及Ⅲ型均有發育；博格達西段中，Ⅰ型、Ⅱ1型、Ⅱ2型及Ⅲ型均有發育，且各自所占比重分配相當；但在博格達東段，干酪根類型以Ⅲ型為主，少量Ⅰ型、Ⅱ型。

巖石熱解結果以S2及S4為主（表1）。以S1+S2測試結果進行干酪根類型劃分（＞20mg/g為Ⅰ型，6～20mg/g為Ⅱ1型，2～6mg/g為Ⅱ2型，＜2mg/g為Ⅲ型），結果表明（圖5）：博格達北緣蘆草溝組干酪根類型以Ⅰ型為主，約占37%，Ⅱ1型、Ⅱ2型及Ⅲ型所占比重漸次減少；在博格達西段，蘆草溝組干酪根類型以Ⅰ型為主，約占71%，Ⅱ型總計約占20%；而博格達東段，蘆草溝組干酪根類型以Ⅱ型為主，總計約占48%，其次為Ⅰ型，約占35%；在博格達西段蘆草溝組上、中、下3段中，干酪根類型均以Ⅰ型為主，各自約占42%、78%及65%，各段中Ⅰ型及Ⅱ1型干酪根總占比分別為75%、89%及86%。

綜合各方法結果認為，無論是在博格達東段，還是在西段，也無論是在蘆草溝組內部的上段、中段還是下段中，干酪根類型均以Ⅰ型及Ⅱ1型為主，Ⅱ2、Ⅲ型較少，表明蘆草溝組中的有機質主要來源于內源生物有機體。因此，越往湖盆深水區，干酪根類型越接近Ⅰ型為主；越靠近物源區，陸源植物會成為地層中有機質的主要來源，干酪根類型會越接近Ⅲ型為主。

蘆草溝組中富有機質泥頁巖主要為前扇三角洲相—深湖相沉積[27]，且有機質成熟度偏低。因此，研究認為，以IH—Tmax圖解及S1+S2參數所得出的干酪根類型結果大致一致，其結論亦相對合理一些。

圖3 準南蘆草溝組不同類型干酪根鏡檢組分構成

圖4 準南蘆草溝組干酪根類型IH—Tmax圖解

表1 準南蘆草溝組碳質頁巖巖石熱解數據統計

圖5 準南蘆草溝組干酪根類型（據S1+S2劃分）

2.2 有機碳含量

準南蘆草溝組碳質泥頁巖中總有機碳含量（TOC）高。通過分析統計（圖6），蘆草溝組有機碳含量具以下特征：

整個準南蘆草溝組TOC以1%～6%區間為主，樣品占比約73%；而TOC≥2%的樣品占比約77%。博格達東段蘆草溝組TOC以1%～6%區間為主，樣品占比約72%；但以1%～2%區間出現的頻度最高且樣品占比約19%；而TOC≥2%的樣品占比約75%。博格達西段蘆草溝組TOC也以1%～6%區間為主，樣品占比約74%；但以3%～4%區間出現的頻度最高且樣品占比約21%；而TOC≥2%的樣品占比約82%。

在博格達西段，蘆草溝組上段TOC以1%～6%區間為主，樣品占比約77%，但以3%～4%區間出現的頻度最高且顯著，其樣品占比約23%，而TOC≥2%的樣品占比約81%。中段TOC均大于1%，以2%～5%區間及9%～11%區間為主，各自樣品占比約26%、28%；而TOC≥2%的樣品占比約94%。下段TOC以1%～5%區間為主，樣品占比約83%；但以2%～3%區間出現的頻度最高，其樣品占比約28%；而TOC≥2%的樣品占比約89%。

圖6 準南蘆草溝組不同TOC區間樣品占比

蘆草溝組中TOC超過15%的樣品主要分布在博格達東段，這是因為蘆草溝組油頁巖主要分布在博格達東段，而油頁巖樣品的測試結果往往會得出TOC高值。因此，除去少部分TOC≥15%的樣品之后，博格達東段TOC均值僅為4.1%，而西段TOC均值為4.3%。整體而言，博格達西段蘆草溝組TOC高于博格達東段。

縱向上，蘆草溝組上、中、下3段均以TOC≥2%為主；但中段碳質泥巖TOC最高，均值為7%，上段TOC均值為4.13%，下段TOC均值為4.07%，全組TOC均值為4.48%。整體上，就蘆草溝組TOC而言，中段高于上段，而上段高于下段。

平面上，TOC高值區基本上圍繞博格達山分布（圖7），這是因為博格達地區在蘆草溝組沉積時期為湖盆深水區，而TOC主要受沉積環境影響和控制，沉積水體越深，其TOC就會越高。

圖7 準南蘆草溝組TOC平面分布圖

2.3 有機質成熟度

碳質泥頁巖中有機質成熟度對頁巖氣勘探潛力起重要作用。反映有機質成熟度的指標較多，而鏡質組反射率（Ro）及最大熱解峰溫（Tmax）是其中最為重要的兩個指標。統計分析結果表明（表2、表3、圖8）：

(1）準南蘆草溝組Ro值介于0.34%～1.61%之間，均值為0.8%，出現頻率超過10%的Ro值主要介于0.55%～1.05%之間，而峰值頻率所對應的Ro值約為0.8%；Tmax值介于321～479℃之間，均值為442℃，以440℃≤Tmax＜450℃區間占比最大，達50%。

(2）博格達東段蘆草溝組Ro值介于0.34%～1.2%之間，均值為0.75%，出現頻率超過10%的Ro值主要介于0.5%～1.0%之間，而峰值頻率所對應的Ro值為0.75%；Tmax值介于321～479℃之間，均值為441℃，以440℃≤Tmax＜450℃區間占比最大，達43%。

表2 準南蘆草溝組有機質Ro與Tmax統計（一）

表3 準南蘆草溝組有機質Ro與Tmax統計（二）

圖8 準南蘆草溝組鏡質組反射率（Ro）正態分布

(3）博格達西段蘆草溝組Ro值介于0.62%～1.61%之間，均值為0.92%，出現頻率超過10%的Ro值主要介于0.7%～1.1%之間，而峰值頻率所對應的Ro值約為0.92%；Tmax值介于321～479℃之間，均值為442℃，以440℃≤Tmax＜450℃區間占比最大，達77%。

(4）博格達西段蘆草溝組上段Ro值介于0.64%～1.61%之間，均值為0.96%，出現頻率超過10%的Ro值主要介于0.75%～1.15%之間，而峰值頻率所對應的Ro值約為0.96%；Tmax值介于433～468℃之間，均值為446℃，以440℃≤Tmax＜450℃區間占比最大，達79%。

(5）博格達西段蘆草溝組中段Ro值介于0.68%～1.19%之間，均值為0.81%，出現頻率超過10%的Ro值主要介于0.6%～1.0%之間，而峰值頻率所對應的Ro值約為0.81%；Tmax值介于438～453℃之間，均值為445℃，以440℃≤Tmax＜450℃區間占比最大，達67%。

(6）博格達西段蘆草溝組下段Ro值介于0.62%～0.91%之間，均值為0.74%，出現頻率超過10%的Ro值主要介于0.58%～0.9%之間，而峰值頻率所對應的Ro值約為0.74%；Tmax值介于434～448℃之間，均值為441℃，以440℃≤Tmax＜450℃區間占比最大，達72%。

(7）準南蘆草溝組露頭樣品Ro值介于0.34%～1.19%之間，均值為0.72%，出現頻率超過10%的Ro值主要介于0.45%～0.95%之間，而峰值頻率所對應的Ro值約為0.72%；Tmax值介于421～463℃之間，均值為439℃，以440℃≤Tmax＜450℃區間占比最大，達42%。

(8）準南蘆草溝組鉆井樣品Ro值介于0.64%～1.61%之間，均值為0.92%，出現頻率超過10%的Ro值主要介于0.68%～1.15%之間，而峰值頻率所對應的Ro值約為0.92%；Tmax值介于321～479℃之間，均值為448℃，以440℃≤Tmax＜450℃區間占比最大，達65%。

整體上，蘆草溝組中Ro＜0.5%的樣品只出現在博格達東段，而且只出現在露頭樣品中，且Tmax＜435℃的樣品也主要出現在博格達東段，而1.3%≤Ro＜2.0%的樣品只出現在博格達西段（在西段中約占19%）。據此，并綜合Ro及Tmax區間占比研究表明，蘆草溝組在博格達東段抬升暴露略早于博格達西段，所經歷的熱演化程度略低于博格達西段，而且博格達西段19%的樣品1.3%≤Ro＜2.0%，表明已部分進入生氣窗。因此，針對蘆草溝組的頁巖氣勘探，博格達西段可能比東段更有利。

另外，蘆草溝組鉆井樣品的Ro及Tmax高值區間占比均明顯高于露頭樣品，表明覆蓋區熱演化程度明顯高于露頭區熱演化程度。雖然調查井鉆探深度不大，即蘆草溝組在調查井中的埋深與露頭差異不大，地溫差異不大，但小的地溫差異在持久的時間補償下，仍然可以導致有機質成熟度的明顯差異。這可能意味著出露時間越長的地層，其露頭與覆蓋區有機質成熟的差異可能會越大。

3 頁巖生烴潛力綜合評價

碳質泥頁巖的生烴潛力主要取決于泥頁巖的厚度、展布面積及有機地球化學特征，其中，有機質類型、有機質豐度、有機質成熟度是決定生烴潛力的重要參數。

準南蘆草溝組烴源巖基本覆蓋了造山帶以外的地腹區，烴源巖連續垂厚從150m左右到大于600m；有機質類型以I型和II型為主；有機碳含量高，TOC介于0.06%～23.15%之間，均值為4.48%，但TOC介于1%～7%的樣品約占78%；有機質成熟度Ro介于0.34%～1.27%之間，以0.7%～0.8%為主，約占32%，其中，Ro介于0.6%～0.9%的樣品約占62%，Ro大于0.7%的樣品約占67%，表明蘆草溝組有機質已進入生油窗。結合鉆井中良好的油顯示（圖9)，表明蘆草溝組具有良好的致密油勘探潛力。

另外，在博格達西段，蘆草溝組約19%的樣品表明已經進入生氣窗口（1.3%≤Ro＜2.0%），且鉆井揭示上段頁巖氣含氣量最大值可達2.49m3/t，表明準南蘆草溝組具有較好的頁巖氣勘探潛力。

4 結論

通過對準南蘆草溝組的地表地質調查，結合露頭與鉆井樣品測試分析及對比研究表明：

(1）針對準南蘆草溝組富有機質泥頁巖中的有機質類型劃分，巖石熱解結果所進行的干酪根類型劃分比鏡檢結果更趨合理，且結果表明蘆草溝組干酪根以Ⅰ型為主，其次為Ⅱ1型，Ⅲ型干酪根在博格達東段比西段更發育。

圖9 準南蘆草溝組中的油顯示

(2）準南蘆草溝組TOC主要介于3.0%～4.0%之間。平面上，博格達西段蘆草溝組TOC高于博格達東段；縱向上，中段TOC高于上段，而上段高于下段。

(3）準南蘆草溝組有機質以處于成熟階段為主，Ro峰值為0.8%，Tmax主要介于440～450℃之間。蘆草溝組在博格達東段的抬升暴露略早于博格達西段，所經歷的熱演化程度略低于博格達西段。露頭樣品有機質成熟度明顯低于鉆井樣品，這可能意味著出露時間越長的地層，其露頭區與覆蓋區有機質成熟的差異可能會越大。

(4）準南蘆草溝組具有較好的致密油與頁巖氣勘探潛力，而且博格達西段蘆草溝組頁巖氣勘探潛力可能好于博格達東段。

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Organic geochemistry of Lucaogou Formation shale in southern Junggar Basin and its geological signif cance for unconventional hydrocarbon potential

Bai Honghai1, Wang Zhenghe2, Zhou Jibin1, Wu Chao1
( 1 The 9thBrigade, Xinjiang Geological and Mineral Exploration and Development Bureau; 2 Chengdu Center, China Geological Survey )

Considering the great success in the shale gas exploration and development in the Sichuan Basin, the shale gas potential in the southern Junggar Basin is worthy of study. Accordingly, based on the surface geologic investigation and the drilling results of shale gas detection wells, analysis and comparison were carried out for the organic geochemistry characteristics of the Lucaogou Formation shale in the eastern and western parts of the Bogda Mountain, the upper, middle and lower members of the Lucaogou Formation, and outcrop and drilling samples. Moreover, the unconventional hydrocarbon potential in the Lucaogou Formation was predicted. Some conclusions are drawn as follows. First, in the Lucaogou Formation, the kerogen types discriminated with rock pyrolysis are more reasonable than those discriminated with microscopic examination, indicating primary type I and type II1kerogen, a little type II2and type III, and more type III in the eastern part than the western part of the Bogda Mountain. Second, the Lucaogou Formation has high organic matter abundance. Particularly, 77% of the samples show TOC≥2%, mostly between 3.0% and 4.0%. Horizontally, the TOC is higher in the western part than that in the eastern part of the Bogda Mountain; vertically, it is higher in the middle member than that in the upper member, but higher in the upper member than that in the lower member of the Lucaogou Formation. Third, the peak Ro is mainly around 0.8%, the Tmaxranges from 440℃ to 450℃, and the organic matter is mainly in mature stage. The Lucaogou Formation was uplifted and exposed earlier in the eastern part than the western part of the Bogda Mountain, and accordingly the thermal evolution in the eastern part is slightly lower than that in the western part. Fourth, the Lucaogou Formation is highly potential for tight oil and shale gas exploration, and the shale gas potential in the western part is better than that in the eastern part of the Bogda Mountain.

Junggar Basin, Lucaogou Formation, shale gas, kerogen type, TOC, organic maturity

TE112.113

：A

10.3969/j.issn.1672-7703.2017.04.003

新疆維吾爾自治區地勘基金項目“新疆準噶爾盆地南緣重點遠景區頁巖氣調查評價”（N12-4-XJ02）。

白洪海（1961-），男，陜西西安人，1983年畢業于新疆工學院，教授級高級工程師，現主要從事地質礦產與非常規油氣勘探工作。地址：新疆烏魯木齊市西山路67號第九地質大隊，郵政編碼：830009。E-mail：bhh0998@163.com

王正和（1976-），男，四川省大竹人，博士，2009年畢業于中國地質大學（北京），高級工程師，主要從事沉積層序研究及油氣勘探方面的工作。地址:四川省成都市一環路北三段成都地質調查中心，郵政編碼：610083。E-mail：carbonhydro@163.com

2016-05-13；修改日期：2017-05-19