來 鵬，杜世濤，楊曙光，吳 斌，廖正凱，羅小波

(1.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局煤層氣研究開發(fā)中心，新疆烏魯木齊 830091；2.新疆維吾爾自治區(qū)煤田地質(zhì)局一六一煤田地質(zhì)勘探隊，新疆烏魯木齊 830046；3.新疆維吾爾自治區(qū)地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測院，新疆烏魯木齊 830049)

博樂盆地位于新疆西北部，屬于準(zhǔn)噶爾盆地的西延部分，是天山構(gòu)造帶中的山間盆地[1-2](圖1)。石油單位在博樂盆地開展了程度較低的勘探工作，主要工作集中在地層劃分對比、烴源巖展布、厚度等[3-7]，而針對頁巖氣的勘探工作尚未開展。此外，據(jù)已公開發(fā)表的成果，從沉積環(huán)境、沉積中心和泥頁巖發(fā)育特征等角度入手，構(gòu)建不同時期沉積體系、確認(rèn)目的層位物源、目的層發(fā)育過程、展布的認(rèn)識不夠全面，系統(tǒng)性不強(qiáng)。新疆煤田地質(zhì)局煤層氣研發(fā)中心在收集前人研究成果的基礎(chǔ)上，借鑒國內(nèi)外有關(guān)研究頁巖氣的最新理論認(rèn)識和成功案例，制定并實施了野外踏勘、剖面測量、鉆井、測井、物化實驗、鏡下微觀刻畫，運(yùn)用比較、重點解剖、室內(nèi)研究相結(jié)合的方法，對區(qū)內(nèi)物源、氣候、古地貌等進(jìn)行分析，明確了研究區(qū)的沉積環(huán)境類型及特征，恢復(fù)了沉積展布和充填過程，確定了厚層泥頁巖發(fā)育層位及分布狀態(tài)，認(rèn)識了泥頁巖發(fā)育的沉積學(xué)機(jī)制，獲取了烴源巖評價的準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，為區(qū)內(nèi)開展頁巖氣資源潛力評價和頁巖氣富集優(yōu)勢區(qū)塊選定提供依據(jù)。

1 沉積環(huán)境特征

1.1 沉積物源分析

利用巖層厚度數(shù)據(jù)在平面圖上的變化趨勢，根據(jù)上游沉積物粒粗層厚、下游沉積物粒細(xì)層薄的厚度平面展布特征反映物源方向的沉積學(xué)原理[8-9]，是確定物源的常用方法。

通過博樂盆地41條野外露頭剖面和35口探井的砂巖厚度的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，博樂盆地石炭系阿克沙克組西南部和西北部地區(qū)砂巖最厚，超過700 m，砂巖厚度由西北地區(qū)、西南地區(qū)逐漸向東南方向、東北方向遞減。東北部砂巖厚度較薄，厚度不超過100 m，推測北部的塔城古陸和西南部的伊寧古陸提供了博樂盆地的主要物源。此外，從巖層厚度變化趨勢上看，南部精河凹陷處可能存在另一處物源區(qū)，但離研究區(qū)域較遠(yuǎn)(圖1、圖2)。

圖1 博樂盆地構(gòu)造單元Fig.1 Tectonic unit of Bole Basin

圖2 阿克沙克組砂厚等值線圖Fig.2 Contour map of sand thickness in Aksak formation

1.2 沉積相識別及類型劃分

沉積相是巖層發(fā)育環(huán)境及在該環(huán)境中形成沉積巖特征的綜合表征[10-11]。巖層發(fā)育環(huán)境包括古地理、古氣候、沉積介質(zhì)等物理條件和介質(zhì)的地球化學(xué)條件，而沉積巖特征包括巖性、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、古生物化石特征等地質(zhì)事件的印記。通過識別與刻畫巖心樣品的表征，進(jìn)而反演沉積相。這種“將今論古”的研究方法，可以直觀、客觀、準(zhǔn)確地劃分沉積相類型，指導(dǎo)控制烴源巖地層發(fā)育的宏觀要素的探索。本文根據(jù)巖性特征刻畫歸類，確定研究區(qū)目的層沉積相標(biāo)志主要為巖性、巖石顏色、化石標(biāo)志、沉積構(gòu)造。

1.2.1 巖性及巖石顏色標(biāo)志

下石炭統(tǒng)阿克沙克組總體上為一套濱淺海相鈣質(zhì)碎屑巖—碳酸鹽巖建造，其下部巖石組合主要為泥晶、碎屑、生物、碎屑灰?guī)r、泥質(zhì)粉砂巖夾鈣屑砂巖、粉砂質(zhì)泥巖及亮晶砂屑灰?guī)r，中部巖石組合主要為泥晶、碎屑、生物白云質(zhì)灰?guī)r、亮晶砂屑灰?guī)r、砂屑粉細(xì)晶灰?guī)r、鈣質(zhì)粉砂夾泥灰?guī)r、鈣屑砂巖、泥晶砂屑灰?guī)r、鈣質(zhì)頁巖及硅質(zhì)粉砂巖，上部巖石組合主要為生物碎屑泥晶灰?guī)r、中細(xì)粒鈣屑砂巖及細(xì)粒鈣屑砂巖。顏色主要為灰綠色、灰色，推測為水位加深營造的弱還原沉積環(huán)境，從該組地層沉積相來看，其顏色代表淺湖及三角洲前緣沉積環(huán)境。

1.2.2 古生物化石標(biāo)志

在博樂盆地野外露頭見到的化石有海百合、長身貝、珊瑚化石(圖3)等，無論是化石種類或數(shù)量都很多，這也反映了石炭系濱淺海相特征[12]。

1.2.3 沉積構(gòu)造標(biāo)志

巖石構(gòu)造是對地質(zhì)歷史時期的物理、化學(xué)和生物作用等事件的記錄，也是沉積相恢復(fù)的依據(jù)[13-14]。在野外露頭巖石觀察描述中，判定博樂盆地石炭系阿克沙克組的碎屑巖主要構(gòu)造類型有沖刷構(gòu)造、層理(平行層理、交錯層理)構(gòu)造。其中，沖刷構(gòu)造多表現(xiàn)在底部泥礫巖及沖刷面(圖3)，表明沉積時期水動力較強(qiáng)，具有多期河道疊加的特征，偶見攪混構(gòu)造、泥礫、炭質(zhì)條帶等，反映水體加深、動蕩的沉積環(huán)境；水平及交錯層理說明水位較深，且呈周期性變化。

1.2.4 沉積體系劃分

在對阿克沙克組地層實測地質(zhì)剖面和鉆井資料分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合巖性特征、顏色、古生物化石、沉積構(gòu)造等特征，將博樂盆地石炭系阿克沙克組劃分為濱淺?！肷詈Ｏ唷⑷侵?、碳酸鹽臺地3種沉積體系。

濱淺?！肷詈Ｏ鄿\水陸棚亞相屬于高能沉積環(huán)境，根據(jù)沉積特征水體識別，地層主要為以砂/泥質(zhì)為主的陸棚沉積。研究區(qū)內(nèi)，淺水陸棚主要沉積灰色、淺灰色、黑色泥巖、粉砂巖和泥質(zhì)粉砂巖；發(fā)育水平層理沉積構(gòu)造，含有大量的古生物化石以及生物碎屑。

三角洲相屬于海陸過渡地帶，研究區(qū)三角洲沉積相屬于河控三角洲沉積，主要發(fā)育三角洲體系，其中包括三角洲平原、前緣亞相(圖4)。

圖3 博樂盆地石炭系化石及沉積構(gòu)造圖版Fig.3 Plate of Carboniferous fossils and sedimentary structure in Bole Basina.海百合化石；b.長身貝化石；c.珊瑚化石；d.波狀層理，反映較安靜的低能環(huán)境，常形成于三角洲前緣、淺海；e.平行層理是急流、高能量環(huán)境下的產(chǎn)物，常形成于河道、海岸；f.楔狀交錯層理，形成于較強(qiáng)水動力作用下，發(fā)育在淺海障壁海灘；g.礫石定向排列, 指示急流或高能量環(huán)境。

圖4 研究區(qū)三角洲前緣沉積特征Fig.4 Sedimentary characteristics of delta fronts in the study area

根據(jù)巖性、沉積構(gòu)造和古生物化石特征，研究區(qū)碳酸鹽臺地體系可劃分為局限臺地相、潟湖相和開闊臺地相，巖性主要由生物碎屑灰?guī)r、泥晶灰?guī)r、泥晶砂屑灰?guī)r、碎屑巖組成(圖5)。

圖5 研究區(qū)碳酸鹽臺地沉積特征Fig.5 Carbonate platform sedimentation characteristics in the study area

2 沉積演化

結(jié)合層序劃分、沉積背景、物源分析、沉積相標(biāo)志及類型分析成果，晚古生代原型盆地由邊緣大斷裂、盆地抬升—下降、殘余海盆連通等因素控制著沉積格局。海西初期，天山地槽回返，受西準(zhǔn)噶爾洋殼再次向南俯沖的應(yīng)力，早華力西期海槽發(fā)生褶皺隆起，抬升期一直持續(xù)至華力西中期，伴隨山體隆升作用的影響，基底巖層褶皺演化為盆地的褶皺基底。

早石炭世阿克沙克沉積期為一套濱淺海—三角洲前緣相的碎屑巖夾碳酸鹽巖沉積，含豐富的珊瑚、腕足等化石。阿克沙克沉積早期，盆地北部、西南部、西部發(fā)育三個面積較大的三角洲前緣相，其中主要物源來自西南部，野外剖面中的碎屑巖沉積構(gòu)造主要為牽引流成因的沖刷構(gòu)造和交錯層理大量發(fā)育，多見底部泥礫巖及沖刷面，表明沉積時期水動力較強(qiáng)。盆地中部淺海相大面積分布，海陸過渡區(qū)域發(fā)育碳酸鹽臺地，深水區(qū)位于盆地西北部并具向東遷移的趨勢。

阿克沙克沉積期晚期，受持續(xù)抬升與殘余洋盆連通擴(kuò)大的影響，海水又一次廣泛侵入，此時沉降中心轉(zhuǎn)移到汗吉尕山一帶，巖性主要為灰—深灰色、灰褐色、灰綠色中細(xì)粒巖屑砂巖、長石巖屑砂巖、粉砂巖、生物碎屑灰?guī)r夾礫巖及鮞狀灰?guī)r，含豐富的珊瑚、腕足等化石。沉積相展布繼承了早期的格局，盆地北部的三角洲面積增加，西南部與西部三角洲發(fā)生遷移，推斷持續(xù)抬升使得物源河流頻繁改道。早期半深海區(qū)域的海平面相對下降，轉(zhuǎn)變?yōu)榉植加谂璧刂胁繙\海相沉積，成為該時期主要的沉積中心之一，這種格局下碳酸鹽臺地主要發(fā)育于盆地南緣，面積增加，半深海區(qū)域縮小，遷移終止。

3 泥頁巖地層特征

3.1 泥頁巖厚度及展布

利用剖面和鉆探的巖性厚度識別統(tǒng)計，生烴富集中心位于研究區(qū)北側(cè)溫泉坳陷東部及博樂隆起，最大厚度累計超過500 m，大部分區(qū)域在300 m以上，整體上由東北向西南減薄(圖1、圖6)，并由生烴富集中心向研究區(qū)西部、南部減薄，主要烴源巖為灰黑色碳質(zhì)泥巖、粉砂質(zhì)泥巖、暗色泥巖。

3.2 有機(jī)質(zhì)豐度

有機(jī)質(zhì)是油氣的母源，通常用有機(jī)質(zhì)豐度來考察烴源巖的生油氣強(qiáng)度[2]。目前，有機(jī)質(zhì)豐度的常用指標(biāo)為有機(jī)碳含量(TOC)、氯仿瀝青“A”、生烴潛量(S1+S2)。當(dāng)前的研究認(rèn)為TOC含量與烴源巖孔隙度呈正相關(guān)關(guān)系，而頁巖氣又是以吸附于烴源巖空隙為主[15-17]，所以以TOC來考察有機(jī)質(zhì)生烴潛力是一種比較可靠的手段。

通過23個巖心樣品分析，阿克沙克組TOC呈現(xiàn)由研究區(qū)東部向西部遞減，含量最高處為溫泉坳陷、博樂隆起和精河凹陷，整體趨勢與烴源巖厚度展布基本一致(圖1、圖7)。區(qū)內(nèi)TOC在0.1%～5.39%之間，平均為0.78%，整體變化較大，總體含量較低。氯仿瀝青“A”含量在0.001 5%～0.019 1%，均值為0.0059%；生烴潛量(S1+S2)在0.024 1～0.998 2 mg/g，平均為0.123 mg/g。

圖6 石炭系阿克沙克組泥頁巖累計厚度圖Fig.6 Akshak group carboniferous shale accumulated thickness

圖7 石炭系阿克沙克組泥頁巖TOC分布圖Fig.7 TOC distribution map of Carboniferous Akshak formation shale

3.3 有機(jī)質(zhì)類型

有機(jī)質(zhì)類型是決定生烴能力的主要因素之一，有機(jī)質(zhì)豐度和類型共同決定了頁巖的生烴強(qiáng)度[17-18]。米爾其克剖面下石炭統(tǒng)泥質(zhì)烴源巖干酪根的富氫程度很低，13件熱解樣品中S2/S3平均為0.11，氫指數(shù)平均為4，H/C原子比平均為0.12，表現(xiàn)了腐殖型有機(jī)質(zhì)特征。其碳同位素δ13C值平均為-22‰，屬Ⅲ型干酪根。兩種烴源巖的干酪根紅外光譜吸收峰分布于1 600 cm-1、870 cm-1、740 cm-1，也表征了Ⅲ型干酪根特征。

阿克沙克組干酪根有機(jī)顯微組分以非樹脂殼質(zhì)組為主，相對豐度為0～86%，平均為49.97%；其次為鏡質(zhì)組，相對豐度為10%～90%，平均為36.47%；再次為惰性組，相對豐度為4%～33%，平均為12.95%；最后為腐泥組，相對豐度為0～15%，平均為0.61%。干酪根類型指數(shù)為-82～31.5，由此將阿克沙克組烴源巖干酪根類型定為Ⅱ2型及Ⅲ型。

3.4 有機(jī)質(zhì)成熟度

有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)反映有機(jī)質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化的程度[18-19]，據(jù)Hill R.J等，原油及干酪根Ro達(dá)到1.5%以上會大量生成裂解氣。烴源巖鏡質(zhì)體反射率測試顯示，阿克沙克組烴源巖鏡質(zhì)體反射率Ro為1.14%～4.01%，平均為2.24%，以1.5%～2.5%區(qū)間為主，占66%；其次為2.5%～3.0%及1.0%～1.5%的區(qū)間，各占13%和8%?？傮w為過成熟階段，次為高成熟階段，熱演化程度高(圖8)。從Ro樣品的平面分布圖(圖9)看，研究區(qū)Ro值在東北和西南達(dá)到4%以上，邊界處由研究區(qū)的東西兩側(cè)向中間遞減，大部分區(qū)域已達(dá)到干酪根裂解生氣階段，且已大量生氣。

圖8 阿克沙克組有機(jī)質(zhì)成熟度(Ro)區(qū)間頻率分布圖Fig.8 Frequency distribution of organic matter maturity (Ro ) in Aksak formation

圖9 石炭系阿克沙克組泥頁巖Ro 等值線圖Fig.9 Contour map of mud shale in the Carboniferous Akshak formation

綜上所述，石炭系阿克沙克組泥頁巖主要分布于溫泉凹陷及博樂隆起內(nèi)，累計最大厚度可達(dá)500 m以上，有機(jī)地化測試石炭系烴源巖有機(jī)碳含量中等，有機(jī)質(zhì)成熟度達(dá)到高成熟—過成熟階段，干酪根類型屬海相腐殖型干酪根，為中等—較好的烴源巖。但考慮到Ro高值區(qū)位于構(gòu)造邊界(圖1)，由于構(gòu)造運(yùn)動產(chǎn)生的地?zé)崾沟酶衫腋墒於妊莼涌欤柿呀鈿馍蓵r間較早，逸散的可能性極大且時間長，不宜納入有利區(qū)塊的選取范圍。

4 烴源巖儲集性特征

4.1 脆性礦物含量

頁巖氣的開發(fā)必須進(jìn)行大規(guī)模壓裂，而影響壓力效果的除了壓裂工藝之外就是所壓裂層位的脆性礦物含量。通常要考察的脆性礦物有石英、長石、方解石、白云石，其中石英+長石含量越高，在人工壓裂外力作用下越易形成天然裂縫和誘導(dǎo)裂縫，從而提高頁巖氣的采收率[20]。

根據(jù)烴源巖巖石礦物分析結(jié)果，阿克沙克組烴源巖目的層黏土礦物含量為6.8%～61%，平均值為37.5 %；脆性礦物總含量為39%～89%，平均值為61%。脆性礦物主要包括了石英、長石、方解石及白云石，其中石英+長石含量為23%～86%，碳酸鹽巖含量為0～36%，表明阿克沙克組烴源巖儲層脆性礦物含量高，有利于儲層改造。

4.2 頁巖層孔滲特征

頁巖層既是頁巖氣的生成層位，又是頁巖氣的儲層，考察頁巖層的孔滲特征可以認(rèn)識頁巖層的生、儲頁巖氣情況，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步評價頁巖氣的運(yùn)移通道特征，以評定開采的難易程度[12,21]。

據(jù)掃描電鏡觀察統(tǒng)計，阿克沙克組富有機(jī)質(zhì)泥頁巖層具有特低孔、特低滲的特點，灰黑色泥巖及粉砂質(zhì)泥巖性脆質(zhì)硬，節(jié)理和裂縫發(fā)育，裂縫在三維空間成網(wǎng)絡(luò)狀分布。主要孔隙為礦物溶蝕成因的黏土礦物和碎屑顆粒粒間、粒內(nèi)溶蝕孔，少量為礦物粒間殘余孔隙及有機(jī)質(zhì)與礦物之間的間隙，偶見有機(jī)質(zhì)孔隙?？紫抖仍?.36%～5.04%之間，平均為2.22%；滲透率在0.000 71～0.040 11 mD之間，平均為0.009 7 mD。局部碎屑礦物富集，裂縫清晰可見，大量微裂縫細(xì)如發(fā)絲，多被碳酸鹽礦物充填(圖10)。

5 頁巖氣有利區(qū)預(yù)測

通過對博樂盆地石炭系阿克沙克組沉積環(huán)境和演化特征的分析，在早石炭世末期，海相沉積環(huán)境中的深水陸棚帶因其相對較高的TOC和頁巖氣儲集層段孔隙的發(fā)育，為博樂盆地頁巖氣成藏提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)和儲集基礎(chǔ)。根據(jù)沉積相、烴源巖展布、地化特征，預(yù)測博樂盆地博樂市西部至博參1井一帶為頁巖氣有利區(qū)(圖11)。

圖10 阿克沙克組烴源巖儲層巖石掃描電鏡照片F(xiàn)ig.10 Scanning electron microscope photograph of source rock reservoirs of Akshak formationa.樣品總觀圖，×400;b.礦物粒間孔隙、溶蝕孔隙，0.118～2.406 μm，×7 000;c.有機(jī)質(zhì)與礦物之間孔隙、有機(jī)質(zhì)孔隙，0.063～0.793 μm，×10 000;d.礦物粒間孔隙、溶蝕孔隙，0.041～0.711 μm，×11 000;e.礦物溶蝕孔隙，0.224～4.866 μm，×4 000;f.有機(jī)質(zhì)與礦物之間孔隙，0.103～0.208 μm，×7 000。

6 結(jié)論

(1)博樂盆地石炭統(tǒng)阿克沙克組物源為北部的塔城物源和南部的伊寧物源，烴源巖厚度由東北部向西南部明顯減薄。

(2)研究區(qū)地層有機(jī)質(zhì)含量變化較大，為0.36%～7.11%；熱演化程度較高，為1.79%～2.03%；干酪根以Ⅲ型和Ⅱ2型為主；儲層孔隙發(fā)育程度較差，為特低孔、特低滲；但脆性礦物石英+長石含量為23%～86%，碳酸鹽巖含量為0～36%，含量較高，有利于人工造縫。

圖11 阿克沙克組沉積相圖及頁巖氣有利區(qū)預(yù)測Fig.11 Sedimentary facies map of the Akshak formation and prediction of favorable shale gas areas

(3)確定溫泉坳陷、博樂隆起和精河凹陷一帶為研究區(qū)地層的有利區(qū)塊。