张韩静，李素梅，高永进，张 林，柯昌炜
(1.中国石油大学(北京)地球科学学院，北京 102249；
2.中国地质调查局油气资源调查中心，北京 100029)
准噶尔盆地东南缘发育二叠系、三叠系、侏罗系、白垩系、古近系多套烃源岩，其中二叠系芦草沟组是最重要的烃源岩之一，芦草沟组也是最具有油气勘探潜力的层系[1]。迄今芦草沟组已钻遇多口工业性油流井[2]，一些学者对该组烃源岩进行了含油性[3]、地球化学特征[4]、烃源岩生烃潜力和生烃机制[2]等方面的研究，结果认为该套烃源岩为一套咸水-半咸水的湖相沉积[5]，含油层岩性复杂多样、非均质性强、分布范围广、厚度大[6]，展现了良好的油气勘探前景。但以往大多数研究集中于吉木萨尔凹陷内，对准噶尔盆地东南缘的逆冲断裂带上烃源岩的地质地球化学特征、油气来源和油气成藏机理缺少研究。近年在准噶尔盆地南缘逆冲断裂带东段博格达山的山前带钻探的XJC1井和BC1井均有丰富的油气发现[7]。XJC1井位于博格达山前逆冲推覆构造带泉子街背斜构造(图1(a))，完钻井深为4 900 m(2018年完钻)，在二叠系芦草沟组(P2l)获得了具有工业价值的致密油气，产油层位为4 000～4 800 m，确认芦草沟组页岩厚度约400 m，发育致密油气藏。相邻的BC1井位于吉木萨尔南逆冲推覆构造体系前缘、南西倾斜的单斜构造，北与吉木萨尔凹陷相邻，南与博格达山相接，于2015年完钻，完钻井深1 050 m。XJC1井二叠系芦草沟组烃源岩埋藏较深，已达到高熟演化阶段，而相邻的BC1井由于逆冲作用，地层大幅度抬升，烃源岩热演化程度较低，从而为XJC1井深埋烃源岩(主要是二叠系草沟组)的最初生烃潜能与地球化学特征的恢复研究提供了极好的自然演化版本。本研究基于准噶尔盆地南缘博格达山前逆冲推覆构造带的主力烃源岩生烃潜能及相关地球化学特征开展，其对该区油气资源评价、下一步油气勘探将有重要指示意义。
准噶尔盆地为位于中国西北部的前陆盆地，南缘属于北天山山前冲断带，是在海西期褶皱基础上发育的一级构造单元，呈东西向长条形[8-9]。盆地具有前寒武纪结晶基底和石炭系褶皱基底的层状双重基底[10]，准噶尔盆地南缘从晚古生代以来，经历了裂陷、拗陷、类前陆盆地演化阶段和海西晚期、印支期、燕山期、喜马拉雅期多期构造运动的叠加改造[11]，地层褶皱强烈。晚二叠世盆地南缘主要发育深湖-半深湖亚相，为主要的沉积和沉降中心。
图1 准噶尔盆地东南缘区域地质图(a)和构造剖面(b)Fig.1 Regional structural diagram and structural section of the southeastern Junggar Basin
二叠系芦草沟组(P2l)沉积时期，在博格达山北麓形成深的坳陷。侏罗纪末期受构造运动的影响，逆冲断层强烈隆起，部分二叠系地层埋深较浅或出露地表，博格达山最终形成。
在准噶尔盆地东南缘冲断带东段的博格达山前带钻遇的XJC1井地层从老到新依次为：二叠系(P)、三叠系(T)、新近系(N)和第四系(Q)，其中二叠系发育井井子沟组(P2j)、芦草沟组(P2l)、泉子街组(P3q)及梧桐沟组(P3w)(图1(b))。BC1井钻遇的地层为芦草沟组，地层处于高角度逆冲断裂带，芦草沟组烃源岩被显著抬升近似呈直立状(图1(b))。XJC1井和BC1井的二叠系芦草沟组(P2l)烃源岩以深灰色-灰黑色泥岩和碳质泥岩为主；
XJC1井二叠系梧桐沟组(P3w)以深灰色云质泥岩和深灰色泥岩为主。
采集并分析了准噶尔盆地南缘二叠系烃源岩24个、原油7个(表1)。对17个烃源岩样品进行了热解(Rock-Eval)和TOC分析；
对24个岩样和7个原油分别进行了可溶有机质抽提、族组分分离、饱和烃、芳烃色谱-质谱分析；
对其中的17岩样和6个油样品进行了族组分碳同位素分析。分析和处理干酪根显微组分组成和镜质组反射率数据13个。
有机碳分析使用美国LECO CS230碳硫分析仪，执行标准为GB/T19145—2003。有机碳测试条件：载气压力为0.27 MPa；
氧气纯度为99.5%；
燃烧气体流速为2 L/min；
分析气体流速为0.5 L/min。岩石热解使用OGE-Ⅱ油气评价仪，执行标准为GB/T18602—2012。岩石热解测试条件：高纯氦气压力为0.20～0.30 MPa；
空气压力为0.30～0.40 MPa；
氢气压力为0.20～0.30 MPa。烃源岩和油砂样品前处理后进行抽提，然后采用柱层析法进行族组分分离。饱和烃和芳香烃色谱-质谱分析采用Agilent 6890GC/5975ims型仪器。分析条件为：载气为氦气，流速为1 mL/min；
色谱柱为HP-5MS(30 m×0.25 mm×0.25 μm)；
饱和烃色谱-质谱的分析条件：初始温度为50 ℃，保持1 min，以20 ℃/min升至120 ℃，以3 ℃/min升至310 ℃，保持10 min；
芳烃色谱-质谱的分析条件：初温80 ℃，保持1 min，以3 ℃/min升至310 ℃，保持25 min；
离子化方式为EI，70 eV；
数据采集方式为全扫描/多离子[12-13]。碳同位素分析使用EA-Precision元素分析-稳定同位素质谱仪，分析条件为：载气为氦气，压力为1 200～1 250 mbar；
燃烧气为高纯氧，流量20 mL/min；
反应炉温度为氧化管1 150 ℃，还原管850 ℃。
3.1 烃源岩有机质丰度和类型
烃源岩有机质丰度具有显著的差异，二叠系芦草沟组(P2l)烃源岩TOC变化范围为0.50%～12.89%，均值3.17%(表1)，具有随埋深增加逐渐降低的特征(图2(a))；
生油潜量、氯仿沥青“A”具有类似的变化规律(图2(b)、(e))，生油潜量S1+S2可由浅层(54.68～718.44 m)的5.04～77.24 mg/g(均值25.49 mg/g)降至相对深层(3 814.7～4 677 m)的0.33～3.91 mg/g(均值1.26 mg/g)(图2(b)和表1)，降低率为95%。依据中国陆相烃源岩有机质丰度的评价标准(SY/T5735—1995)，BC1井浅埋芦草沟组烃源岩的TOC、生烃潜量S1+S2、氯仿沥青“A”值划归为“极好-好”烃源岩级别；
而XJC1井芦草沟组烃源岩的S1+S2、氯仿沥青“A”值大多划为“差-非”烃源岩级别，不少样品的TOC也降为“中等-差”烃源岩级别(表1)。在S1+S2与TOC的关系图中(图3(a))，TOC与生烃潜量S1+S2正相关，BC1井的芦草沟组、XJC1井芦草沟组一段为“很好-好”级别烃源岩；
XJC1井芦草沟组二段为“中等”级别烃源岩；
XJC1井梧桐沟组和部分芦草沟组二段为差烃源岩级。观察到热解参数氢指数、烃指数、产率指数、(S1+S2)/TOC、产率指数S1/(S1+S2)、降解率都有随埋深增加值显著降低的趋势(图2(c)-(d), (f)-(g))，指示随着埋深增加、成熟度增加烃源岩显著的生排烃作用。分析烃源岩的Tmax值分布范围为443～492 ℃(图2(i)、表1)，属于低熟-过熟热演化阶段[14]；
折算与实测镜质体反射率分布范围为0.54%～1.93%(图2(j))，属于低熟-高熟演化阶段(图3(b))。XJC1井3 816～4 678 m井段显微组分的测试结果表明，芦草沟组一段和二段烃源岩中腐泥组的含量最高(67.3%～94.3%，均值83.2%)，其次为镜质组(5.3%～30.3%，均值16%)，惰质组(0～2.3%，均值0.77%)和壳质组的含量相对较低。显微组分结果显示，XJC1井芦草沟组一段、二段烃源岩为I-Ⅱ1型。
表1 烃源岩热解和TOC参数统计表
图3 准噶尔盆地东南缘烃源岩有机质丰度和成熟度分布特征((a)依据石油工业部标准(SY/T5735-1995)，(b)依据Radke等[15])Fig.3 Organic matter abundance and maturity of the source rocks in the southeastern Junggar Basin
在Tmax-降解率(图4(a))、Tmax-氢指数关系图(图4(b))中，BC1井芦草沟组烃源岩为I-Ⅱ1型，而XJC1井芦草沟组烃源岩为Ⅱ2-Ⅲ型(部分样品偏离降解率-Tmax图版的划分类型范围，图4(a))，这种显著的变化推测与地史过程中的微生物次生改造和/或深部流体热蚀变有关(下面讨论)。热解数据划分的干酪根类型与显微组分的测试结果明显不同，前者类型变差，反映较高成熟度样品的热解数据不再适用于划分干酪根类型。
图4 Tmax-降解率(a)、Tmax-氢指数关系图(b) Fig.4 Tmax-degradation rate (a), Tmax-hydrogen indexdiagram (b)
3.2 烃源岩可溶有机质族组分及其碳同位素分布特征
烃源岩可溶有机质中的族组分含量取决于母质类型、成熟度、次生改造等多种因素[16]。分析烃源岩抽提物的族组分具有很大的差异，BC1井芦草沟组烃源岩以沥青质为主要成分(23%～48%，均值39%)，其次为非烃(14%～29%，均值21%)和芳烃(17%～32%，均值20%)，饱和烃含量(9%～32%，均值20%)相对较低，饱/芳比(0.46～1.9)也相对较低。BC1井芦草沟组烃源岩埋藏较浅，处于构造逆冲带，近垂直分布，裂缝较为发育，遭受了显著的生物降解和水洗作用，导致了族组分中的饱和烃等相对轻质组分的含量显著降低。烃类组成分析也显示，BC1井54～965 m井段的多数烃源岩中链烷烃已被生物降解等次生改造作用消耗殆尽(图5)。BC1井烃源岩较低的成熟度也是影响族组成的重要因素。深埋的XJC1井芦草沟组(P2l)烃源岩以饱和烃为主(11%～80%，均值47%)，其次为沥青质(0～63%，均值29%)和芳烃(9%～20%，均值15%)，非烃含量(0～12%，均值9%)最低，总体具有饱/芳比(均值3.33)较高、非/沥比(均值0.36)较低的特征，指示烃源岩较高的成熟度。
族组分碳同位素可用于原油或烃源岩的成因类型分析，受控于母源岩干酪根类型、热演化程度和微生物改造作用[17-20]。本次分析的浅埋BC1井烃源岩的氯仿沥青“A”和族组分的碳同位素相对较轻，饱和烃、氯仿沥青“A”、芳烃和非烃的δ34C值呈依次增加的趋势，沥青质δ34C值有反转现象(多数样品的沥青质有该“反转现象”)。埋藏最深的XJC1井的芦草沟组一段(P2l1)烃源岩碳同位素曲线与BC1井芦草沟组(P2l)烃源岩分布形式总体相近，稍重2‰～3‰，属于正常的成熟度可影响范围[17]，反映烃源岩成因相同或相近。埋藏较深的XJC1井芦草沟组二段(P2l2)烃源岩碳同位素最重(-29.6‰～-22.3‰)，推测与分析样品遭受了深部流体热蚀变改造作用有关。
3.3 烃源岩可溶有机质烃类组成与分布特征
XJC1井芦草沟组(P2l)烃源岩抽提物饱和烃总离子流图显示(图5(e)-(h))，正构烷烃为单峰前峰型，主峰碳一般为nC17-nC20，ΣC21-/ΣC22+为0.83～1.18(平均值为1.06)(表2)，无明显的奇偶优势(CPI、OEP分别为0.9～1.3、1.0～1.1)，显示成熟烃源岩特征。XJC1井芦草沟组(P2l)烃源岩Pr/Ph为0.92～1.81(平均值为1.27)，指示弱还原-弱氧化的沉积环境。BC1井芦草沟组(P2l)烃源岩受生物降解的影响，正构烷烃损失严重(图5(a)-(d))，Pr/Ph介于0.96～1.65之间(平均值为1.16)，CPI、OEP都介于0.9～1.2之间，含有一定量的β-胡萝卜烷，该化合物常出现在缺氧的咸湖相沉积环境，如柴达木盆地[19]。XJC1井梧桐沟组(P3w)烃源岩正构烷烃碳数分布完整(图5(i)-(j))，主峰碳以nC24-nC25为主，ΣC21-/ΣC22+为0.24～0.26，无明显奇偶优势(CPI、OEP分别为1.2～1.3、1.0～1.1)。XJC1井梧桐沟组烃源岩Pr/Ph为0.61～0.68之间，反映烃源岩还原性原始沉积环境。
图5 烃源岩、原油饱和烃总离子流图Fig.5 Total ion chromatograms (TIC) of saturated fractions from selected source rocks and crude oils
芦草沟组烃源岩中检测到丰富的C27、C28和C29规则甾烷，重排甾烷含量低，孕甾烷和升孕甾烷含量高(图6(a)-(j))。XJC1井芦草沟组一段(P2l1)和BC1井芦草沟组(P2l)烃源岩C27、C28、C29甾烷的相对含量分别为7.1%～25.6%、35.2%～44.6%、38.8%～55.5%，C28规则甾烷含量比较高，C28ααα20R/ C29ααα20R甾烷比值为0.76～1.20(平均值0.95)(表2)。前人有类似的发现，陈建平等[20]认为高丰度C28规则甾烷是准噶尔盆地二叠系芦草沟组烃源岩典型分布形式，王剑等[2]认为高丰度的C28甾烷源于生烃母质以藻类和超微生物为主，可能与芦草沟组地史过程中不断增加的各类浮游植物群如硅藻、颗石藻和沟鞭藻等有关[21]。对比表明，本次分析的XJC1井芦草沟组二段(P2l2)烃源岩的C27规则甾烷丰度偏高(34.5%～62.9%，均值为45.65%)，C28、C29规则甾烷相对丰度偏低，分别为19.7%～33.3%(均值25.9%)、15%～43.2%(均值28.5%)，不同于XCJ1井的芦草沟组一段(C27、C28、C29规则甾烷的相对丰度均值分别为22.4%、37%、40.4%)，也不同于BC1井的芦草沟组(C27、C28、C29规则甾烷的相对丰度均值分别为14.3%、40.3%、45.4%)，XJC1井P2l2烃源岩的甾烷系列分布差异可能与其遭受的热蚀变有关[22]，热作用会使甾类化合物发生热裂解，C29规则甾烷的侧链断裂会导致其相对丰度降低而C27规则甾烷相对丰度增加。XJC1井梧桐沟组烃源岩中C29规则甾烷含量较高(图6(i)-(j))，反映未受深部热流的影响。
准噶尔盆地东南缘XJC1井和BC1井中均检测出了丰富的萜烷类化合物，主要有五环三萜、三环萜、四环萜烷和伽马蜡烷等(图7)。芦草沟组烃源岩三环萜烷以C21、C23为主峰，XJC1井芦草沟组一段和二段烃源岩三环萜烷/五环三萜类为0.67～11.55，平均值为2.73，指示低分子量三环萜类的显著优势。成熟度和生源可影响三环萜烷的相对分布和丰度[23]， 本研究中XJC1井部分芦草沟组一段烃源岩的五环萜烷系列消失殆尽(图7)，指示成熟度影响显著。BC1井芦草沟组(P2l)烃源岩三环萜烷/五环三萜烷为0.31～0.81，平均值为0.5，该比值总体小于XJC1井，与其较低的成熟度有关。XJC1井梧桐沟组(P3w)烃源岩三环萜烷/五环三萜烷为0.31～0.44，平均值为0.38，低于芦草沟组。研究区样品中检测到丰富的C24四环萜烷，四环萜烷通常被认为是由藿烷或藿烷前驱物——藿烯中的五元环即E环由于受热力作用或生物降解作用断裂而形成[22]。该化合物较藿烷热稳定性强，有时与高盐沉积环境也有相关性[24-25]。XJC1井芦草沟组一段和二段烃源岩的C24四环萜烷/C26三环萜烷值较低(0.05～0.94，平均值为0.37)，BC1井芦草沟组烃源岩则较高(0.92～3.6，平均值为1.55)，可能受生物降解作用影响。XJC1井和BC1井烃源岩中检测到丰度的伽马蜡烷，芦草沟组烃源岩中伽马蜡烷/C30藿烷分布在0.14～0.47(平均值为0.21)，显示某些半咸水-咸水沉积环境的特征[26]；
梧桐沟组烃源岩含有相对较高丰度的伽马蜡烷，伽马蜡烷/C30藿烷为0.49～0.76，反映咸化和或水体分层的原始沉积环境(表2)。
表2 准噶尔盆地东南缘XJC1井和CB1井烃源岩生物标志化合物参数统计表
图6 烃源岩、原油饱和烃m/z=217质量色谱图Fig.6 Partial m/z=217 mass chromatograms of saturated hydrocarbon fractions from selected source rocks and crude oils
通过对比甾烷/藿烷、重排甾烷/规则甾烷、C30重排藿烷/C30藿烷、C29藿烷/C30藿烷、C27-/C27-29规则甾烷、C28-/C27-29规则甾烷、C29-/C27-29规则甾烷、伽马蜡烷/C30藿烷、二苯并噻吩/芳香烃等参数(图8)，不难发现XJC1和BC1井芦草沟组烃源岩的生物标志物差异显著，前者明显在芦草沟组二段出现异常(热演化程度反超埋藏更深的烃源岩)，认为是受到深部热蚀变的改造所致。
图7 烃源岩、原油饱和烃m/z=191质量色谱图Fig.7 Partial m/z=191 mass chromatograms of saturated hydrocarbon fractions from selected source rocks and crude oils
图8 烃源岩、原油生物标志物参数与深度关系图Fig.8 Relationship between biomarker parameters and burial depth for the samples analyzed
依据Hughes等[28]提出的二苯并噻吩/菲(DBT/P)与Pr/Ph的关系图版(图略)，XJC1、BC1井的芦草沟组(P2l)烃源岩聚类于一般湖相泥岩区，XJC1井梧桐沟组(P3w)聚类于盐湖相区，Pr/Ph(<1)值低于P2l烃源岩，指示还原沉积环境有细微差异。Kvalheim等[29]提出了利用芳香烃参数F1和F2来判断有机质热演化程度，依据其提出的成熟度划分标准，XJC1井芦草沟组烃源岩处于高成熟阶段，BC1井芦草沟组烃源岩处于低成熟-成熟阶段，XJC1井梧桐沟组烃源岩处于成熟阶段。三芴系列三角图显示(图9(a))，分析样品中的三芴系列相对分布显著受控于热演化程度[30-31]，随着热演化程度的增加，芦草沟组烃源岩芴系列相对丰度大幅度增加、硫芴和氧芴系列相对丰度均大幅度降低，指示其热稳定性的差异。
3.4 油源分析
XCJ1井芦草沟组原油(4 154～4 230 m)为轻质油(密度0.81 g/cm3，黏度1.91 mPa·s(50 ℃)，凝固点-6.0 ℃)，具有低蜡(1.15%)、低硫(微量)等特征。BC1井仅收集芦草沟组泥页岩裂缝及泥页岩层理中附着的黏稠油(181～206 m)，与XJC1井物性有显著的差异。分析表明，XJC1井芦草沟组深埋(>4 000 m)原油链烷烃基本缺失、类异戊二烯烃如植烷和姥鲛烷仍有相对较好的保留(图5(m)-(n))，推测主要与储层较高的地温、原油经历储层内热作用改造有关。BC1井芦草沟组泥页岩的吸附油饱和烃TIC图(图5(k)-(l))基线显示明显的“U”型鼓包峰，链烷烃基本全部消失，指示因浅埋遭受了生物降解、水洗作用(推覆作用导致烃源岩中断裂和裂缝极其发育)。BC1与XJC1井芦草沟组原油规则甾烷分布相似，C27、C28、C29规则甾烷相对分布显示C29规则甾烷占优势的斜直线型(图6(k)-(n))，指示母源岩生源输入相同或相似。而XJC1井二叠系梧桐沟组烃源岩C27、C28、C29规则甾烷分布近似呈“V”型(图6(i)-(j))，明显不同于芦草沟组原油和烃源岩，指示生源输入的差异。进一步对比表明，BC1与XJC1井芦草沟组原油的甾烷分布与BC1井芦草沟组烃源岩(近呈斜直线型分布)基本相似，反映两者具有成因联系(图6)。XJC1井芦草沟组原油的m/z191质量色谱图也显示与BC1井芦草沟组烃源岩有较好的相似度(图7(k)-(n))，进一步指示其成因联系。值得提出的是，BC1井芦草沟组原油的伽马蜡烷丰度相对偏高，可能与生物降解作用有关。其它地球化学参数如甾烷/藿烷、C27-C29-规则甾烷相对含量、三环萜烷/五环三萜烷、二苯并噻吩/芳香烃、三芴系列含量等均指示BC1与XJC1井芦草沟组原油与各自的芦草沟组烃源岩聚类相关(图8、图9(a))。碳同位素对比(图9(b))也表明原油来自同层系的烃源岩。以上说明BC1与XJC1井芦草沟组原油来自芦草沟组烃源岩(图1(b))。
图9 准噶尔盆地东南缘二叠系芦草沟组油-岩对比图Fig.9 Oil-source correlation for the crude oils and source rocks from the Permian Lucaogou formation in the southeastern Junggar Basin
准噶尔盆地东南缘二叠统芦草沟组烃源岩为湖相沉积，水体以咸水-半咸水为主[5]，处于弱氧化-还原环境，有利于有机质的保存。XJC1井和BC1井发育的暗色泥岩规模较大；
本次分明表明，二叠统芦草沟组泥岩有机质丰度高、有机质类型好(Ⅰ-Ⅱ1型)，烃源岩成熟度跨度范围广(Rc≈0.54%～1.93%)，从低熟-高熟均有分布，显示较宽的生烃范围，认为该区深层具有寻找致密油气和轻质常规油气、中浅层具备寻找页岩油气和常规正常油的勘探前景。
(1)热解和有机碳分析表明，准噶尔盆地东南缘博格达山前带发育二叠系芦草沟组优质烃源岩。有机质丰度高(有机碳含量高达12.89%)、类型好(主要为Ⅰ-Ⅱ1型)、热演化范围宽(Rc为0.54%～1.93%)，处于低熟-高成熟阶段。二叠系芦草沟组是研究区的主力烃源岩。二叠系梧桐沟组有机质丰度较低、有机质类型较差，非主力烃源岩。
(2)热演化显著影响深层芦草沟组烃源岩的剩余生烃潜力和质量评价，热成熟作用可使深埋芦草沟组烃源岩有机质丰度大幅度降低、烃源岩质量降低。热演化可使本区芦草沟组烃源岩生烃潜量由77.24 mg/g降至0.52 mg/g、有机碳由12.89%降至0.43%，烃源岩质量可由极好级别降至中等-差级别，指示对高-过成熟烃源岩的质量与资源评价需要进行适当的评价参数恢复。本研究中因逆冲推覆导致的浅埋低熟烃源岩与未受构造因素影响的深埋高-过熟烃源岩为同区、同一套烃源岩，两者生烃潜量和热演化的差异为本区及同类地区深埋高-过成熟烃源岩的质量与资源评价提供了重要依据。
(3)生物标志物与碳同位素对比表明，准噶尔盆地东南缘博格达山前带深、浅层芦草沟组原油与芦草沟组烃源岩具有较高的相似度，两者具有较好的亲缘关系，系油-源关系。准噶尔盆地东南缘博格达山前带烃源岩的地质地球化学研究表明，该区具有很好的生烃物质基础、可形成不同埋深的多种类型油气，具有重要的油气勘探前景。
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