支東明，曹　劍，向寶力，秦志軍，王婷婷

瑪湖凹陷風城組堿湖烴源巖生烴機理及資源量新認識

支東明1a，曹劍2，向寶力1b，秦志軍1a，王婷婷2

（1.中國石油新疆油田分公司a.勘探開發(fā)研究院；b.實驗檢測研究院，新疆克拉瑪依834000；2.南京大學地球科學與工程學院，南京210023）

堿湖烴源巖的生烴特征和機理是學科研究的前緣與難點。以準噶爾盆地瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組為例，采用烴源巖人工剖面、自然剖面、油氣特征標定相結合的方法，對這套堿湖烴源巖的生烴特征和機理進行了研究，并據此重新計算了資源量。結果表明，風城組堿湖烴源巖的生烴特征突出表現(xiàn)為轉化率高、連續(xù)生烴、多期高峰、生油窗長、油質輕、油多氣少，不同于傳統(tǒng)的湖相優(yōu)質烴源巖。這種獨特的生烴機理在于烴源巖的有機和無機組成2方面。風城組堿湖烴源巖的生烴母質以菌、藻類為主，特別是菌類發(fā)育，因此生烴具有油多氣少、轉化率高、連續(xù)生烴、油質輕的特色；風城組的礦物組成獨特性在于兼具發(fā)育堿類礦物和火山礦物，二者對生烴分別起延滯和催化作用，使得烴源巖可以早期生烴、持續(xù)生烴、多期高峰、生油窗長?；谶@種特殊的生烴特征和機理，重新評估了研究區(qū)的資源量，生油量較前期認識提高了25%，生氣量減少了13%，這更貼近于目前的勘探實際，對確定下步勘探開發(fā)方向具有重要意義。

準噶爾盆地；瑪湖凹陷；風城組；堿湖；烴源巖；生烴特征；生烴機理；資源量

準噶爾盆地是中國西北地區(qū)的一個大型疊合型含油氣盆地［1-3］，瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組的湖相烴源巖，是盆地西北緣克拉瑪依—烏爾禾和瑪湖兩大百里油區(qū)形成的物質基礎［4-7］。因此，風城組烴源巖是長期以來的研究熱點。但隨油氣勘探程度的加深，對資源量和產油氣性質等需要重新認識，一是當前已經出現(xiàn)了儲量接近甚至高于剩余資源量的現(xiàn)象；二是依傳統(tǒng)生烴模式，風城組應油氣共生，油質偏重，但實際上勘探發(fā)現(xiàn)的是油多氣少、原油輕質，且在沉積中心烴源巖進入高演化階段（鏡質體反射率近1.6%）后仍以生油為主。

圖1　準噶爾盆地瑪湖凹陷構造位置

研究發(fā)現(xiàn)，風城組發(fā)育于特殊的堿湖沉積環(huán)境，是全球最古老的堿湖烴源巖［8］。堿湖屬于鹽湖的一種，但不同于常見的（硫酸鹽）鹽湖，堿湖中硫酸鹽礦物不發(fā)育，而堿類礦物的發(fā)育往往與豐富的微生物（如硫酸鹽還原菌）有關，在大量的硫酸鹽還原菌的作用下，硫酸鹽礦物的發(fā)育受到抑制，即使有一些形成，也會被還原成硫化氫逸散，此反應的產物單質硫會與金屬礦物結合形成硫化物，如常見的黃鐵礦；同時，被分解的硫酸鹽礦物陽離子會與水體中的堿性陰離子反應形成堿性礦物。此外，還有證據顯示，堿湖發(fā)育過程中，通常還與海侵和火山作用有關，都會對生烴產生影響。因此，從生烴母質上看，堿（鹽）湖中具有豐富的微生物，獨特的藻類；而從礦物組成上看，有常見湖相烴源巖不具備的火山礦物和堿類礦物。故可以推測，風城組堿湖烴源巖可能具有獨特的生烴演化特征，這可為解釋目前風城組生烴和勘探過程中發(fā)現(xiàn)的種種“不合理”現(xiàn)象提供一個新的思路。

前人對風城組堿湖烴源巖的研究，主要集中在巖相和地球化學2個方面：確定了堿湖發(fā)育的典型證據［8］，分析了烴源巖發(fā)育的古沉積環(huán)境［9］，而對生烴特征及生烴機理尚未進行到系統(tǒng)分析，新的生烴特征下的資源量也未能得到準確評估。鑒于此，本文嘗試以風城組生烴的特殊性為切入點，首先通過烴源巖人工剖面、自然剖面、油氣特征標定相結合的方法確定風城組的生烴特征。在此基礎上，綜合烴源巖的巖石礦物學特征、生烴母質的（超）顯微鑒定，分析烴源巖的生烴機理。最后依據新的生烴特征與機理，對瑪湖凹陷的資源量進行重新認識和評估，期望為堿湖烴源巖的研究提供新的重要資料。

1　地質背景

準噶爾盆地風城組烴源巖主要分布在盆地西北緣的瑪湖凹陷［10］，瑪湖凹陷西北側與烏夏斷裂帶以及克百斷裂帶相鄰，西南側與中拐凸起相接，東南側與達巴松凸起和夏鹽凸起毗鄰，東北側為石英灘凸起和英西凹陷（圖1），是盆地6大生烴凹陷之一，也是最富含有機質的生烴凹陷［11］。

瑪湖凹陷自下而上發(fā)育石炭系，下二疊統(tǒng)佳木河組、風城組，中二疊統(tǒng)夏子街組、下烏爾禾組，上三疊統(tǒng)白堿灘組，下侏羅統(tǒng)八道灣組、三工河組，中侏羅統(tǒng)西山窯組、頭屯河組以及白堊系，其中下二疊統(tǒng)風城組為主要的烴源巖，石炭系、下二疊統(tǒng)佳木河組、中二疊統(tǒng)下烏爾禾組為潛在烴源巖。風城組烴源巖分布面積廣（約6 000 km2），厚度大（50～400 m）［10］，總體呈西厚東薄的楔狀分布［9］。風城組為一套特殊的堿湖白云質混積巖［9］，據其巖性和電性特征，自下而上可分為風一段、風二段和風三段。風一段主要為白云質泥巖、凝灰?guī)r和混積巖；風二段主要為白云巖、泥質白云巖和混積巖，發(fā)育大量堿性蒸發(fā)巖礦物；風三段主要為泥質白云巖、白云質泥巖和混積巖。

2　烴源巖生烴特征

準噶爾盆地瑪湖凹陷風城組烴源巖具有獨特的生烴特征，主要表現(xiàn)為油多氣少、轉化率高、連續(xù)生烴、多期高峰、生油窗長、油質輕，不同于傳統(tǒng)的湖相優(yōu)質烴源巖，以下從烴源巖人工剖面、自然剖面和油氣特征標定3個方面簡要闡述。

2.1烴源巖人工剖面

選擇研究區(qū)風南1井4 096.44 m處樣品，進行了烴源巖的黃金管熱模擬。樣品原巖有機碳含量為1.82%，氫指數為506 mg/g，熱解峰溫為440℃.結果發(fā)現(xiàn)，風城組堿湖烴源巖具有2期累計生油高峰（圖2a），第一期高峰為成熟油，在鏡質體反射率（Ro）1.0%附近；第二期高峰為高熟油，在鏡質體反射率1.6%左右；生氣高峰出現(xiàn)較晚，在鏡質體反射率2.5%左右時達到峰值（圖2b）。最高累計產油率約為500 mg/g.排油率高，在鏡質體反射率達到1.6%時，排油效率超過80%，故剩余有機碳含量很低，從而生氣量和排氣量、排氣效率都很低。風城組堿湖烴源巖所生原油以輕質油為主，無論是在成熟演化階段，還是在高成熟階段，典型證據是生物標志化合物均含有高豐度的三環(huán)萜烷類化合物（圖2c，圖2d）。烴源巖在演化到鏡質體反射率1.6%左右仍以產油為主且生油量大。

這些特征與傳統(tǒng)鹽湖相烴源巖的生烴演化特征存在巨大差異，如與準噶爾盆地蘆草溝組優(yōu)質咸水湖相烴源巖相比，盡管因排油率高而使得油多氣少的特征類似，但在生油演化特征上，風城組在鏡質體反射率演化到1.5%時，仍處于生油高峰期，比蘆草溝組的生油高峰結束時間（鏡質體反射率1.2%）更晚（圖2e）［12-13］，體現(xiàn)了堿湖烴源巖的優(yōu)勢和獨特性；在生氣量方面，風城組在鏡質體反射率演化到2.5%時處于主力生氣窗，與蘆草溝組的生氣特征對比（圖2f），二者基本相當；在產烴率方面，二者基本接近；在油氣性質方面，在成熟演化階段，風城組所生原油以輕質為主，而蘆草溝組所生原油較重，在高成熟演化階段，風城組和蘆草溝組所生原油均以高熟輕質為特征（圖2g，圖2h），但風城組原油三環(huán)萜烷類化合物相對豐度更高，所生原油更輕，性質更好。

圖2　瑪湖凹陷二疊系風城組和蘆草溝組產烴特征對比（引自文獻［14］）

2.2烴源巖自然剖面

瑪湖凹陷風城組堿湖烴源巖分布穩(wěn)定，累計厚度超過200 m（圖1），這為生烴提供了良好的物質基礎［15-17］。有機地球化學分析發(fā)現(xiàn)，風城組烴源巖有機碳含量多達到了中等—優(yōu)質標準（圖3a），因此生烴的物質基礎充足（圖3a，圖3b），這與目前研究區(qū)已建成的大油氣區(qū)發(fā)現(xiàn)相符。從有機質類型來看，風城組有機質類型整體偏腐泥型（圖3c），更傾向于生油，這與目前研究區(qū)所發(fā)現(xiàn)的油多氣少特征相符。從有機質的成熟度看，目前所分析的樣品大多處于低成熟—成熟演化階段（圖3d），但凹陷區(qū)的烴源巖成熟度較高。綜合來看，風城組烴源巖有機質豐度高、以生油為主、成熟度在凹陷區(qū)進入成熟—高成熟演化階段，具有良好的生烴潛力，具備大油氣田形成的條件。實際上，由于鹽（堿）湖相烴源巖通常會因環(huán)境因子對有機質的保護與抑制作用，而使得測得的有機地球化學參數偏低［18］，所以，風城組的實際生烴潛力可能遠比根據目前地球化學指標計算的還要高，這也可能是為什么風城組含油氣系統(tǒng)已發(fā)現(xiàn)的儲量，遠比根據烴源巖指標所評估的資源量高的一個重要原因。

圖3　瑪湖凹陷風城組烴源巖有機地球化學剖面

進一步對自由烴含量與有機碳含量的關系進行分析，建立了自由烴含量與有機碳含量的烴源巖人工剖面，來分析風城組烴源巖的產烴能力（圖3e），發(fā)現(xiàn)風城組烴源巖大致存在3期生油高峰：第一期生油高峰在埋深3 500 m左右，總有機碳產烴量達到470 mg/g；第二期生油高峰在埋深4 500 m左右，產烴量達到800 mg/g；第三期生油高峰在埋深5 700 m附近，產烴量達到200 mg/g.與烴源巖的熱模擬累計產油剖面（圖2a）對比，3期生油高峰分別對應鏡質體反射率為0.8%（成熟），1.3%（高成熟），1.5%（過成熟），表現(xiàn)出不同于傳統(tǒng)湖相優(yōu)質烴源巖的生烴特點［19-22］。其中，成熟期與高熟期生油高峰均可在烴源巖的人工剖面中找到對應的峰，而最晚期的過成熟期生油量較低，原油主體已裂解成氣。

2.3油氣特征標定

瑪湖凹陷油多氣少特征明顯，已發(fā)現(xiàn)了多種性質的原油，包括密度小于0.80 g/cm3的凝析油—輕質原油、密度0.80～0.87 g/cm3的輕質原油，以及密度大于0.87 g/cm3的中質原油（圖4），表明生油窗長；在瑪湖凹陷內部，風城組烴源巖鏡質體反射率超過1.5%仍然以生油為主（圖4），這些都與人工熱模擬的實驗結果吻合。

瑪湖凹陷內的原油密度大多低于0.87 g/cm3（圖4），對原油生物標志化合物的分析也發(fā)現(xiàn)，分布在不同構造單元的原油，無論三環(huán)萜烷分布是山峰型、山谷型還是上升型，其相對含量均較高，表現(xiàn)出典型的輕質油特點［23］。

多方證據表明，瑪湖凹陷內部存在多期成藏，成熟—高成熟油氣連續(xù)運聚，如儲集層顯微觀測發(fā)現(xiàn)，藍光激發(fā)下的薄片可觀察到亮黃色和黃綠色2種不同的熒光色；儲集層連續(xù)抽提物和原油成熟度不同，原油已經達到高成熟階段，而抽提物成熟度相對較低；結合儲集層包裹體均一溫度分析，發(fā)現(xiàn)高成熟和成熟油氣充注主要是在三疊紀末和白堊紀。這一油氣連續(xù)充注特征與烴源巖的多期生烴相吻合。

2.4生烴演化特征

根據以上烴源巖人工剖面、自然剖面、油氣特征標定3方面的分析，可以恢復風城組堿湖白云質混積巖的連續(xù)多期生烴過程，大致可以分為4個階段。

第一階段發(fā)生在早期成巖作用階段，烴源巖鏡質體反射率在0.6%左右，此時有機質成熟度相對較低。由于碳酸鹽礦物對類脂物分子聚合作用的抑制，有機質可以通過解聚形成瀝青［24］。這類原油油質普遍中等，加之堿湖微生物普遍發(fā)育，且由于埋藏相對較淺，原油普遍遭受降解，原油密度較大，不易流動（密度大多超過0.87 g/cm3），因此大多在風城組中駐留，形成源儲共生的致密油藏［8］。需要注意的是，該期原油因無合適的低演化烴源巖巖心樣品，未能在烴源巖人工和自然剖面中發(fā)現(xiàn)，但根據宏觀油氣分布特征，應存在。

圖4　瑪湖凹陷風城組烴源巖鏡質體反射率與百口泉組原油密度分布

第二階段發(fā)生在成巖作用中期，在烴源巖鏡質體反射率0.8%左右達到生烴高峰，有機質達到成熟階段。干酪根在熱力的作用下，開始大量降解，生成大量成熟油。此時烴源巖埋深達到3 500 m左右，原油保存條件較好，順走滑斷裂進入三疊系與二疊系不整合面上、下的扇三角洲前緣相有利儲集層中聚集成藏［11］。此期原油生烴期可延續(xù)到鏡質體反射率為1.1%左右，即烴源巖熱模擬中的第一個累計生烴高峰。

第三階段發(fā)生在成巖作用晚期，烴源巖鏡質體反射率達到1.3%左右，高熟油開始形成。根據傳統(tǒng)的碳酸鹽有機質演化理論，此時干酪根的生烴潛力應已大部分耗盡，只能由包裹有機質和部分束縛有機質繼續(xù)提供烴類來源［24］。但實際上，根據實驗結果，風城組烴源巖因為大量藻類優(yōu)質生烴母質的存在，加之堿性礦物對烴類生成及伴生超壓的抑制作用，仍然以生油為主，與早期形成的原油混合后，油質更好、更輕。此期原油生烴期可延續(xù)到烴源巖鏡質體反射率1.5%左右，即烴源巖熱模擬中的第二個累計生烴高峰。

第四階段發(fā)生在深成作用至變質作用階段，為熱裂解氣階段，烴源巖鏡質體反射率從2%左右開始，至2.5%左右達到生氣高峰，有機質處于過成熟演化階段。殘余的干酪根熱裂解，生成以甲烷為主的干氣，同時也存在液態(tài)烴熱裂解形成的濕氣。

綜上所述，風城組堿湖白云質混積巖的生烴特征表現(xiàn)為多期生烴、連續(xù)生烴、油多氣少、產烴量大等。存在著低成熟、成熟、高成熟3個生油高峰，特別是后2個生油高峰，產烴量很大；自低成熟至高成熟演化階段，一直在持續(xù)生烴；生烴量大，最高可達800 mg/g（圖3e）。

3　烴源巖生烴機理

3.1生烴母質

風城組烴源巖的生烴母質總體以菌、藻類為主（圖5），風城組堿湖沉積演化過程中，在氣候周期性變化的潮濕期，湖盆水體擴大相對淡化時，發(fā)育疑源類的網面球藻、光面球藻（圖5a）和綠藻門的盤星藻（圖5b）、褶皺藻（圖5c）等；在氣候干燥炎熱期，水體鹽度升高咸化時，發(fā)育溝鞭藻類的弗羅姆藻與錐藻等；在水體由淡向咸演變的過渡階段，既有疑源類，也有溝鞭藻類；相較于藻類，風城組在整個沉積過程中細菌（圖5d）更發(fā)育。

圖5　風城組生烴母質組成特征

多種生烴母質，特別是細菌的存在，使得生烴以早期生烴、持續(xù)生烴，所生烴類性質好為特征［25］，這不同于傳統(tǒng)鹽湖。生烴母質中，高等植物豐度低，使得干酪根裂解生氣潛力有限，從而生烴過程表現(xiàn)出油多氣少的特點，但從油的演化角度講，在高成熟—過成熟演化階段，有生成油裂解氣潛力［24］。以菌、藻類為主的生烴母質，生烴轉化率高，到達生油窗后大量生油，造成烴源巖的高壓，抑制生烴，拉長生油窗［26-27］；菌、藻類為主的生烴母質，含大量脂肪鏈［28］，碳碳鍵斷裂生成油氣比貧氫的雜原子斷裂需要更高的能量，在生烴后期也起到了降低生烴速度、延滯生烴的作用，這可能是風城組烴源巖存在晚期生油高峰的重要原因。

3.2無機礦物

在無機礦物組成上，風城組烴源巖礦物組合復雜，主要由碳酸鹽（堿類）礦物、長英質礦物、黏土礦物、火山礦物以不同比例混積形成。在堿湖沉積的高峰期，發(fā)育大量特殊的堿類礦物，如蘇打石、氯化鎂鈉石、碳酸鈉鈣石、硅硼鈉石等［8］。堿類礦物和火山礦物對烴源巖的生烴過程分別起到了延滯和催化的特殊作用。

火山礦物與藻類及微生物共存，埋藏熱演化過程中降低生烴活化能，使得烴源巖可以早期生烴［29］。相比而言，堿類白云質礦物親油［30］，原油中的重質組分易于被礦物吸附，因此一方面排出輕質油，另一方面對生烴也起到了延滯作用，油窗拉長，出現(xiàn)第二個生烴高峰。

總之，瑪湖凹陷風城組堿湖烴源巖具有特別的生烴特征和機理（圖6），這是克拉瑪依—烏爾禾和瑪湖兩大百里大油區(qū)得以形成的根本原因。

圖6　瑪湖凹陷風城組生烴演化和特征機理

4　資源量新認識

基于新的認識，對風城組資源量進行重新評估（表1），風城組生油量為142.66×108t，生氣量為78 683× 108m3，環(huán)瑪湖凹陷石油總地質資源量為46.66×108t，天然氣總地質資源量為2 238×108m3，與前期認識（二次和三次資評）相比，重新計算的生油量提高了25%，生氣量減少了13%.

表1　瑪湖凹陷風城組石油、天然氣資源量匯總

據此，克百斷裂帶勘探程度較高，資源探明率較高，因此需要展開精細勘探的方略；紅車斷裂帶、烏夏斷裂帶和中拐凸起資源探明率相對較低，仍存在很大的勘探開發(fā)空間；至達巴松凸起、瑪湖西斜坡帶和瑪湖東斜坡帶，資源探明率極低，不超過10%，石油和天然氣的總地質資源量均較為豐富，將是下一階段勘探開發(fā)的重點區(qū)域。

5　結論

（1）準噶爾盆地瑪湖凹陷下二疊統(tǒng)風城組堿湖烴源巖生烴特征獨特，表現(xiàn)出油多氣少、多期生烴、連續(xù)生烴、生烴質優(yōu)、產烴量大等特征，與傳統(tǒng)湖相烴源巖差異顯著。

（2）風城組堿湖烴源巖以菌、藻類為特色的生烴母質，是堿湖不同于傳統(tǒng)鹽湖的關鍵所在，多種藻類作為生烴母質，特別是細菌的參與，使得生烴以早期生烴、持續(xù)生烴，所生烴類性質好為特征；堿類礦物和火山礦物對生烴分別起延滯和催化作用，使得烴源巖可以早期和晚期2期生烴，油窗拉長。

（3）基于風城組獨特的生烴特征和機理，對其資源量進行重新計算，生油量提高了25%，生氣量減少了13%.

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（編輯曹元婷）

Fengcheng Alkaline Lacustrine Source Rocks of Lower Permian in Mahu Sag in Junggar Basin: Hydrocarbon Generation Mechanism and Petroleum Resources Reestimation

ZHI Dongming1a，CAO Jian2，XIANG Baoli1b，QIN Zhijun1a，WANG Tingting2
（1.PetroChina Xinjiang Oilfield Company，a.Research Institute of Exploration and Development，b.Research Institute of Experiment and Detection，Karamay，Xinjiang 834000，China；2.School of Earth Sciences and Engineering，Nanjing University，Nanjing，Jiangsu 210023，China）

Hydrocarbon generation characteristics and mechanism of alkaline-lacustrine source rocks are one of the research leading edges and difficulties.Based on a case study in the Lower Permian Fengcheng formation in the Mahu sag of Junggar basin，by using comprehansive methods of artificial section and natural outcrop of the source rocks as well as oil and gas characteristic calibration，the paper studies hydrocarbon generation characteristics and mechanism of the alkaline-lacustrine source rocks，based on which petroleum resources are reestimated.Results show that the Fengcheng alkaline-lacustrine source rocks exhibit some unique characteristics in hydrocarbon generation such as high conversion efficiency，continued hydrocarbon generation，multi-phase generation peaks，long oil-generation window，light oil and high oil to gas ratio，all of which are different from conventional lacustrine high quality source rocks.The unique hydrocarbon generation mechanism should be attributed to organic and inorganic compositions of the source rocks.The bioprecursors in the source rocks are dominated by bacteria and algae，with bacteria much more developed.The unique mineral composition of the Fengcheng formation is characterized by the existence of both alkaline and volcanic minerals that play retarding and catalytic roles on hydrocarbon generation，respectively，which allows early and continued hydrocarbon generation，multi-phase generation peaks and long oil-generation window of source rocks.According to these，the reestimation of petroleum resources in the study area is as follows:the oil generating volume is increased by 25%and the gas generating volume is decreased by 13%，which are more accordant with the present-day exploration results and have significance for making future exploration strategies.

Junggar basin；Mahu sag；Fengcheng formation；alkaline lake；source rock；hydrocarbon generation characteristic；hydrocarbon generation mechanism；petroleum resource

TE112.115

A

1001-3873（2016）05-0499-08DOI：10.7657/XJPG20160501

2016-05-23

2016-06-30

國家油氣重大專項（2016ZX05001-005）

支東明（1971-），男，上海人，高級工程師，石油地質，（Tel）0990-6882729（E-mail）zhidm@petrochina.com.cn