准噶尔盆地玛湖凹陷碱湖轻质油气成因与分布

准噶尔盆地玛湖凹陷是我国典型的富烃凹陷，除了发育优选极具特色的下二叠统风城组碱湖优质烃源岩外，还有石炭系-二叠系其他3套海相-陆相烃源岩，具有重要的基础科学与实践应用意义。据此，本书重点针对"碱湖生烃"这一重大科学问题，开展系统的地质地球化学研究，目的是查明碱湖沉积的岩相学与沉积学特征，建立发育模式，再结合其他3套烃源岩，剖析油气成因，恢复成藏过程，建立成藏模式，总结油气分布与富集规律，期望不仅能加深对科学问题的认识，也为勘探提供依据。

序
前言
第1章绪论1
1.1油气勘探概况1
1.2碱湖的概念与基本特征3
1.2.1碱湖与盐湖3
1.2.2碱湖的基本特征6
第2章地质背景10
2.1构造特征及演化10
2.1.1大地构造背景10
2.1.2构造演化11
2.2地层与沉积演化12
2.2.1地层12
2.2.2沉积特征及演化16
2.3生储盖组合19
第3章玛湖凹陷风城组碱湖沉积特征与发育模式21
3.1玛湖凹陷风城组古碱湖沉积背景21
3.1.1盆地类型与古地貌21
3.1.2古气候23
3.1.3古盐度24
3.1.4古水温25
3.1.5古水深26
3.2风城组碱湖沉积主要岩石类型与特征29
3.2.1主要岩石类型及其基本特征30
3.2.2岩石组合与分布特征40
3.3风城组碱湖沉积相类型及特征42
3.3.1主要沉积相类型42
3.3.2主要沉积组合类型与特征45
3.4风城组碱湖沉积发育模式47
3.4.1沉积垂向演化特征47
3.4.2沉积展布特征54
3.4.3连井沉积相对比61
3.4.4碱湖沉积发育模式66
第4章碱湖烃源岩特征69
4.1风城组碱湖烃源岩生烃特征与机理69
4.1.1风城组碱湖烃源岩发育的确证69
4.1.2风城组碱湖烃源岩生烃特征72
4.1.3风城组碱湖烃源岩生烃机理78
4.2石炭系—二叠系烃源岩基础地球化学特征80
4.2.1烃源岩分布80
4.2.2有机质丰度81
4.2.3有机质类型85
4.2.4有机质成熟度92
4.2.5烃源岩生烃潜力综合评价95
4.3石炭系—二叠系烃源岩分子与同位素地球化学特征96
4.3.1正构烷烃96
4.3.2无环类异戊二烯烃与β—胡萝卜烷97
4.3.3萜烷类98
4.3.4甾烷类101
4.3.5稳定碳同位素102
第5章碱湖轻质油气成因103
5.1原油地球化学与来源103
5.1.1原油地球化学特征103
5.1.2原油分类与来源108
5.2天然气地球化学与来源119
5.2.1天然气组分119
5.2.2天然气稳定碳同位素120
5.2.3天然气成因分类129
5.3轻质油气的碱湖成因134
5.3.1玛湖凹陷轻质油气基本特征134
5.3.2玛湖凹陷轻质油气来源与成因136
第6章油气成藏与分布139
6.1油气成藏条件139
6.1.1前陆碱湖优质高效烃源岩139
6.1.2立体输导体系140
6.1.3三类规模有效储层与储盖组合141
6.2典型油气藏成藏实例分析143
6.2.1乌—夏断裂带乌40和乌36井区百口泉组油藏解剖143
6.2.2玛北斜坡区玛131井区百口泉组油藏解剖152
6.2.3斜坡带玛2—玛6井区百口泉组油藏解剖164
6.3油气成藏模式与高产机理171
6.3.1油气成藏模式171
6.3.2油气富集规律172
6.3.3油气高产机理与控制因素176
6.4高熟油气分布与有利勘探领域182
6.4.1高熟轻质油气分布182
6.4.2三大勘探领域183
参考文献189

    靠前章绪论

    1.1油气勘探概况

    准噶尔盆地是我国西部的一个典型大型叠合含油气沉积盆地，位于我国新疆维吾尔自治区北部，坐标东经81°～92°，北纬43°～48°。盆地周围被褶皱山系环绕，其西北与扎伊尔山和哈拉阿拉特山相邻，东北靠着青格里底山和拉美丽山，南面与伊林黑比尔根山和博格达山相依，平面形状呈南宽北窄的近三角形，东西长约700km，南北宽约370km，面积约13.6万km2，平均海拔约500m（王绪龙和康素芳，1999；Cao et al.，2005）（图1-1）。根据区域构造演化及勘探习惯，将盆地划分出6个一级构造单元和34个二级构造单元（杨海波等，2004），其中，乌伦古拗陷、陆梁隆起、中央拗陷、西部隆起、北天山山前冲断带及东部隆起为一级构造单元（图1-1）。

    图1-1准噶尔盆地构造单元划分图

    本书所研究的玛湖凹陷位于盆地西北缘（匡立春等，2014；雷德文等，2014），是准噶尔盆地中央拗陷分布很北的一个二级构造单元，其与扎伊尔山和哈拉阿拉特山紧靠，西侧与乌-夏断裂带及百断裂带相邻，西南侧与中拐凸起毗邻，东南侧则分布有达巴松凸起、夏盐凸起以及英西凹陷，北边是石英滩凸起（图1-1）。

    准噶尔盆地玛湖凹陷是中国典型的富烃凹陷（匡立春等，2012），过去六十多年来围绕玛湖凹陷油气勘探取得丰硕成果（图1-2）。1955年10月29日，黑油山1号井喷出黑色油流，标志着新中国靠前个大油田在准噶尔盆地西北缘诞生。此后围绕拉玛依（）-乌尔禾（乌）、乌尔禾（乌）-夏子街（夏）和红山嘴（红）-车排子（车）三大断裂带勘探工作不断深入，截止到西北缘精细勘探（2005年），三大断裂带共发现8个油田，累计探明石油储量12.26亿t，百里油区逐步形成（匡立春等，2012）。

    准噶尔盆地玛湖凹陷碱湖轻质油气成因与分布靠前章绪论图1-2准噶尔盆地玛湖凹陷勘探成果示意图

    20世纪80年代末，西北缘油气勘探抢先发售提出“跳出断裂带，走向斜坡区”的勘探思路，1993年5月初，在上斜坡区发现了玛北油田。此后，限于当时低渗透砂砾岩储层改造技术的，勘探一直未取得实质性突破。2010年后，储层改造技术取得了跨越式进步，处于同一有利构造带、埋藏更浅的夏子街扇体时隔二十年后再次进入勘探家的视野。通过对环玛湖凹陷斜坡带的整体研究，明确玛湖凹陷西环带是石油预探的重大战略领域，优选夏子街-玛湖中央构造带岩性地层目标为突破口，之后上钻的玛13、玛131井均获工业油流，其中玛131井采用二级加砂压裂新工艺，提产效果明显。通过深入研究，抢先发售提出了夏子街扇西翼百口泉组具有三面遮挡大面积整体含油特征。

    玛北斜坡岩性地层油气勘探取得初步成功后，在优选连续型油气藏勘探的背景下，开始构造连续型油气藏的勘探，发现玛北斜坡区构造平缓、储层低渗、边底水不活跃，且发育沟通储集层（下三叠统百口泉组）和烃源层（石炭系—二叠系）断裂，因此可能大面积成藏。因此，重新厘定百口泉组油层标准，开展老井复查，多井恢复试油获得工业油流，并且新部署井目的层均钻遇良好油气显示，逐步验证了连续型油气大面积成藏新构想。按这一模式，加快勘探节奏，采用直井控面、水平井提产的思路对玛北斜坡区百口泉组展开了整体勘探，2012～2013年，10几口井获得工业油层，逐步证实玛北斜坡区大面积整体含油特征，整装亿吨级油藏落实。

    2013年后，在玛西斜坡又取得重大突破，发现并落实了玛18井—艾湖1井区亿吨级整装高效优质储量区块。2014年4月，在玛19井百口泉组试油获得工业油流，进一步证实玛西斜坡区百口泉组具有大面积成藏潜力。2014年8月，玛南斜坡区玛湖4井百口泉组获工业油流，优选日产油14.7m3。玛北斜坡区夏子街扇东翼新钻井玛21井和玛22井在百口泉组钻遇油层。同时，玛东斜坡区的甩开探井达10井、玛中1井等井也见到良好油气显示。截至目前，玛湖凹陷西斜坡百里油区基本形成，准噶尔盆地展现出一个新的大油（气）区，是今后盆地油气储量与产量的新基地。

    2016年，玛湖凹陷东斜坡地区的勘探也取得重要进展，达13井百口泉组试油获高产工业油流，这是该区百口泉组勘探抢先发售获得重大突破，证实了这一地区具备优质、高效、规模储量区块，预示着玛湖凹陷东斜坡地区是玛湖凹陷继西斜坡百里新油区发现后下一个寻找效益规模储量区的现实勘探领域。

    综合上述，可见玛湖凹陷的勘探重大发现得益于勘探思路从构造型油气藏向岩性地层油气藏、再向连续型油气藏的转变，勘探理念指导了油气发现。因此，系统地总结玛湖凹陷的烃源岩形成及其油气成因和分布规律不仅对中国西部油气精细勘探具有重要指导意义，在理论上对发展陆（湖）相生烃理论也有学术意义。

    1.2碱湖的概念与基本特征

    研究发现，准噶尔盆地玛湖凹陷在深层石炭系—二叠系发育了4套潜在烃源岩系，沉积环境从海相—陆相形成了一个系统的演化序列。尤其有意义的是，其下二叠统风城组发育了优选迄今很古老的碱湖优质烃源岩，这为玛湖大油区的形成奠定了物质基础。然而迄今为止，对这4套烃源岩，特别是风城组碱湖优质烃源岩的研究还很薄弱。因此，下面将重点评述碱湖的基本特征，为后续烃源岩地球化学以及油气成因与成藏研究提供基础。

    1.2.1碱湖与盐湖

    现代地质学将湖泊定义为陆地上洼地积水形成、水域比较宽广、换流缓慢的水体，由湖盆、湖水及水中所含矿物质、有机质和生物等所组成（施成熙，1979），它是大陆封闭洼地的一种水体，并参与自然界的水分循环（许秋瑾等，2006）。湖水的来源多种多样，有的来自降水、地面径流及地下水，有的则来自冰雪融水，其消耗主要是蒸发、渗漏、排泄和开发利用。湖泊的大小和类型差别很大，从数十万平方公里到几公顷皆有分布，在深度上，深则千余米、浅则仅几厘米（接近干涸的湖）（王洪道，1995；伍光和等，2000）。湖泊的外部形态特征千差万别，这取决于其成因和发展过程，在其形成至消亡的过程可能会有较大的改变（黄锡荃等，1985；王洪道，1995）。

    湖泊的类型多种多样，基于研究目的不同，划分湖泊类型的方法和依据也不同，主要分类方法有按湖盆成因、按湖水补给与径流的关系、按湖水盐度和湖水的水化学特性分类等（郑绵平，2001；舒良树，2010）。

    按湖盆的成因划分，有以内力作用为主形成的构造湖、火口湖和阻塞湖等，以外力作用为主形成的河成湖、风成湖、冰成湖、海成湖及溶蚀湖等（伍光和等，2000；舒良树，2010）。但需要注意的是，有不少湖泊的成因具有作用混成的特点（伍光和等，2000）。有石油地质学意义的主要是一些与构造作用相关的大中型湖泊（柳广弟，2009），并按湖水补排情况可分为畅流湖盆（吞吐湖）和闭流湖盆两类。前者河水既能注入，又能流出，注入湖盆的水量大于蒸发量和地下渗流量之和，湖平面的位置维持在与湖盆的大力度优惠溢出口相同的高程上，多余的水通过泄水通道流出湖盆；后者闭流湖盆只有入湖河流，没有出湖水流。

    还有一些按其他标准划分的各类湖泊，如按湖水与海洋沟通情况可分外流湖与内陆湖两类，外流湖是指湖水能通过出流河汇入大海，内陆湖则与海隔绝（郑绵平等，1989；张焜等，2010）；根据湖水温度的高低，可分为暖湖、温湖和冷湖（王洪道，1995）；根据湖水中的营养物质分为富营养湖、中营养湖和贫营养湖（王洪道，1995；伍光和等，2000）；根据湖水所含主要阴离子的种类不同分为碳酸盐水、硫酸盐水和氯化物水等（王洪道，1995；郑绵平，2001）。

    总体而言，考虑到湖盆是湖泊形成的基础，湖盆的成因不同、湖泊的形态及湖底的原始地形也有各异，而湖泊的形态特征往往对湖水的运动、理化性质、水生生物生长及湖泊的演化，都有不同程度的影响，因而按湖盆成因分类得到广泛的应用（黄锡荃等，1985；伍光和等，2000）。

    湖水含盐量是衡量湖泊类型的重要标志。含盐量系指湖水中总的离子浓度，通常是根据钠、钾、镁、钙、碳酸盐、硅酸盐及卤化物的浓度来计算（王洪道，1995）。按湖水含盐度的大小，可分为淡水湖、微（半）咸水湖、咸水湖及盐水湖4类，分别指湖水含盐度小于1g/L、在1～24g/L、在24～35（50）g/L、达到或超过35（50）g/L（Zheng et al.，1993）。其中，盐度大于35（50）g/L的通常称为盐湖或卤水湖，此时卤水的含盐量，已经接近或达到饱和状态，甚至出现自析盐类矿物的结晶或者直接形成盐类矿物的沉积。另外有的盐湖因表面卤水干涸而没有湖表卤水，但有湖表盐类沉积，湖表往往形成坚硬的盐壳，由含盐沉积与晶间卤水组成地下卤水湖，此类盐湖一般称为干盐湖，有的盐湖的湖表面被砂或黏土粉砂覆盖成沙下湖（王洪道，1995）。

    盐湖是一种咸化水体，多数为湖泊发展到老年期的产物，它富集着多种盐类，沉积的盐类矿物达200余种，是重要的矿产资源（黄锡荃等，1985；郑绵平等，1989）。人类已经从盐湖中开采大量石盐、碱、芒硝和钾、锂、镁、硼、溴、硝石、石膏和医用淤泥等基础化工、农业、轻工、冶金、建筑和医疗等重要原料（郑绵平，2001）。盐湖中还赋存着具有工业意义的铷、铯、钨、锶、铀以及氯化钙、菱镁矿、沸石、锂蒙脱石等资源，发育有大量具有重要经济价值与科学意义的嗜盐藻、盐卤虫、螺旋藻、轮虫等特异生物资源和耐旱、耐盐碱基因资源，它们为人类获取蛋白质、天然食物色素、能源、多种工业科学材料和净化环境，为盐湖变为“良田”开拓了良好的前景（郑绵平，2001）。同时盐湖又是重要的旅游资源和医疗淤泥资源。盐湖卤水的储热特点，已开始用于太阳能盐水池发电（郑绵平，2001）。盐湖也是自然环境信息和天然实验室，还是“碳沉积池(carbon sinks)”“自然生物反应器(nature bioreactors)”。此外，盐湖沉积占世界陆表面积相当大，有大量碳酸盐沉积，能在一定程度上延迟温室效应（黄锡荃等，1985）。

    研究认为，盐湖的形成条件主要有两点。首先是封闭的地形和一定盐分与水量的补给（张彭熹，2000；郑喜玉等，2002）。封闭的地形使流域内的径流或泉水向湖泊汇集，湖水不致外泄，盐分通过径流或泉水源源不断地从流域内向湖泊输送，在强烈的蒸发作用下，湖水咸度越来越高，盐分越积越多，久而久之，就形成了盐湖。其次是干旱或半干旱的气候环境（张彭熹，2000；郑喜玉等，2002）。在干旱或半干旱的气候条件下，湖泊的蒸发量往往超过湖泊的补给量，湖水不断浓缩，盐度日渐增加，使水中各种元素达到饱和或过饱和的状态，在湖滨和湖底形成了各种不同类型盐类矿物的沉积。如我国的柴达木盆地，空气干燥，降水量稀少，是一个典型的内陆荒漠盆地。位于盆地东北缘的茶卡盐池，年降水量约210mm，盆地中心的察尔汗盐湖年降水量仅30mm左右，这里的年蒸发量却达2400～2600mm，蒸发量远远大于降水量及地下水对湖泊的补给量，这样的气候条件十分有利于盐湖的形成，因而在盆地内部分布了众多的盐湖。由于各种盐类的溶解度不同，在盐类矿物晶出时呈现出一定的沉淀顺序，从物源的上游到盐湖之间，各种盐类沉积物常呈有明显的环带状分布（郑绵平等，1989；郑喜玉等，2002）。例如在昆仑山北麓的一些盐湖地区，靠近山区的地段为硼盐带，近湖地段为芒硝带，湖内则沉积有食盐和光卤石。这种现象说明盐类物质是自流域向盐湖迁移的。盐湖不仅可以形成于大陆，也可由海湾演变而成（郑绵平等，1989；郑喜玉等，2002）。如果海湾因某种原因与海洋隔离，成为封闭状态，兼之气候干燥炎热，水体在强烈的蒸发作用下盐度将不断增高，很后也会形成盐湖，产生各种盐类沉积。

    从盐湖的形成条件可以看出，盐湖的分布有明显的规律。以中国为例，盐湖的分布几乎全部集中在北部的内陆区域。大致在冈底斯山、念青、唐古拉山、秦岭、吕梁山及大兴安岭以北的地区，介于北纬32°～49°，这一广大地区被称为中国盐湖区。藏北、青海、新疆和内蒙古的盐湖数量很多，相比而言，甘肃、宁夏及黑龙江等省区只有少数盐湖。盐湖之