准噶尔盆地大型地层不整合形成演化与油气聚集

The formation and evolution of large-scale strata unconformity and oil and gas accumulation in the Junggar Basin

摘要

大型地层不整合相关的油气藏具有巨大勘探潜力,已经成为中国陆相盆地增储上产的主要领域。准噶尔盆地经历了断陷-坳陷-挤压多期构造体制的叠加,具备形成丰富的大型不整合地层油气藏条件。本研究对整个盆地进行了详细的地层结构、构造演化、沉积环境等分析研究,重新厘定准噶尔盆地地层之间的接触关系,明确了盆地存在6大地层不整合和7大构造地层层序,其中石炭系与二叠系、上二叠统—三叠系与下伏地层之间的地层不整合是盆地级大型地层不整合。钻井、地震及地表地质资料揭示了大型地层不整合背景下火山岩-泥岩 (富泥砾岩)、火山岩-砂岩、砾岩-砾岩、砂(砾)岩-泥岩、泥岩-砂(砾)岩、泥岩-泥岩等6种岩性对接组合样式。基于构造和古地理背景,对大型地层不整合面上覆早二叠世干旱环境下的湖盆地层沉积和晚二叠世—三叠纪灾变环境下的大型坳陷湖盆地层沉积进行剖析,明确了大型盆地叠合演化过程形成的穿时性大型地层不整合控制着盆地的生储盖组合,构建两种大型地层不整合控储、控圈模式。上乌尔禾组—三叠系大型超覆沉积控储控圈成藏模式,指导发现断裂带上盘克拉玛依组、断裂带下盘百口泉组和大型坳陷斜坡区上乌尔禾组3个10亿吨级大油区。富烃凹陷斜坡带下二叠统大型超覆-剥蚀带地层岩性成藏模式,助力玛湖凹陷西斜坡带、沙湾凹陷西斜坡、中拐凸起斜坡带多领域获得重大突破。

Abstract

Oil and gas reservoirs associated with large-scale stratigraphic unconformities hold significant exploration potential and have become key targets for increasing reserves and production in continental basins across China. The Junggar Basin, having undergone multiple tectonic events including faulting, subsidence, and compression, possesses favorable conditions for forming such substantial unconformity-related reservoirs. This study conducted a comprehensive analysis of the basin’s stratigraphic framework, tectonic evolution, and sedimentary environments. The stratigraphic contacts within the Junggar Basin were redefined, leading to the identification of six major regional unconformity surfaces. These unconformities delineate seven primary tectonic sequences: Carboniferous, Middle-Lower Permian, Upper Permian-Triassic, Jurassic (including the Badaowan, Xishanyao, Toutunhe, Qigu, and Karaza formations), Cretaceous, and Cenozoic. Among these, the unconformities between the Carboniferous and Permian, and between the Upper Permian-Triassic and underlying strata, are basin-scale features. Integrated data from drilling, seismic surveys, and surface geology reveal six lithological assemblage patterns beneath these large-scale unconformities: (1) volcanic rock-to-mudstone (rich in mudstone and conglomerate) contact, (2) volcanic rock-to-sandstone/conglomerate contact, (3) sandstone-to-sandstone contact, (4) sandstone/conglomerate-to-mudstone contact, (5) mudstone-to-sandstone/conglomerate contact, and (6) mudstone-to-mudstone contact. Furthermore, based on the tectonic and paleogeographic setting, the sedimentary strata developed above the major unconformities were analyzed. These include the Early Permian arid lacustrine deposits and the Late Permian-Triassic catastrophic flood deposits within a large depression lake basin. The study clarifies that the time-transgressive major unconformities, formed during the basin’s superimposed evolution, critically control the basin’s source-reservoir-cap rock assemblages. Consequently, two large-scale unconformity-controlled hydrocarbon play models were constructed. One model, the “Upper Wuerhe Formation-Triassic Large-Scale Overlying Sedimentary Reservoir Control Model,” has guided the discovery of three billion-ton oilfield areas: the Karamay Formation on the upper plate of fault zones, the Baikouquan Formation on the lower plate, and the Upper Wuerhe Formation on the slopes of large depressions. Significant exploration breakthroughs have also been achieved with the second model, focusing on the “Large-Scale Overlap and Erosion Zone in the Lower Permian” within hydrocarbon-rich depression slopes. This success extends to several areas, including the western slope of the Mahu Depression, the western slope of the Shawan Depression, and the slope zone of the Zhongguai Uplift.

Graphical abstract

关键词

构造地层层序 / 大型地层不整合 / 穿时演化 / 有序分布模式 / 不整合岩性组合 / 准噶尔盆地

Key words

tectono-tratigraphic sequence / regional stratigraphic unconformity / sedimentary temporal euolution / ordered distribution pattern / lithological combination of unconformable strata / Junggar Basin

0 引言

地层不整合通常被认为是一个地层剥蚀间断面,对地层层序划分、等时格架的建立、沉积构造旋回的识别、海平面变化研究具有重要意义^[1-3]。同时地层不整合结构与油气藏关系密切^[4],宏观上地层不整合样式控制沉积充填模式和油气藏的成藏,微观上地层不整合结构控制着输导体系和圈闭的有效性。地层油气藏是以不整合面作为圈闭要素之一的油气藏类型,往往成群出现,具有大规模、连续型、大油区的分布特点^[5]。2004年前,中石油每年探明的石油地质储量中岩性地层油藏占50%以上,多个盆地均发现了规模岩性地层油田^[6]。

中国大陆处于西伯利亚板块、太平洋板块和印度洋板块的交汇区,具有多块体、多山系、多盆地、多旋回、多期次的构造格局特征^[7]。陆相盆地内大、小型不整合面往往叠置发育,多类型地层不整合相关的油气藏分布广泛^[8],在鄂尔多斯、松辽、渤海湾、二连、塔里木、准噶尔等盆地,陆续发现了一批亿吨级规模的地层油气藏^[9-14]。准噶尔盆地是中国及中亚地区二叠纪以来陆相地层沉积最全的盆地^[15],经历了石炭纪海陆过渡相和二叠纪—新生代陆内盆地多旋回演化,形成了石炭系、中—下二叠统、上二叠统—三叠系、侏罗系、白垩系、新生界等多套构造层系^[16],发育多期地层不整合,沿不整合面形成了多套储盖组合,油气多在不整合面上、下附近成藏^[17-18]。

地层不整合圈闭类型多,地层尖灭线精确落实和圈闭综合评价难,导致钻探成功率低,圈闭有效性、含油性评价误差大^[19-20]。笔者根据现有的钻井、地震及地表地质资料,以构造解析、构造演化,以及沉积环境对地质作用的控制为主线,结合盆地造山带露头区大比例尺填图等基础研究成果^[21],对大型地层不整合形成演化与油气聚集进行综合研究,以期对国内各陆相盆地地层不整合型油气藏勘探部署、油气发现和储量增长提供支撑,同时助推中国地层不整合的发现和大型地层油气聚集地质理论的形成。

1 区域地质背景

准噶尔盆地位于西伯利亚板块和塔里木板块所夹持的哈萨克斯坦-准噶尔板块的东部,被造山带所围限^[22],面积13.7×10⁴ km²。与斋桑盆地、伊犁盆地和吐哈盆地相邻,是中亚富油气区的重要组成部分,也是典型的陆相叠合盆地的代表。

盆地油、气、煤、煤层气资源丰富,现今划分为6个一级构造单元(图1)。自下而上发育石炭系、二叠系(佳木河组、风城组、夏子街组、下乌尔禾组、上乌尔禾组)、三叠系(百口泉组、克拉玛依组、白碱滩组)、侏罗系、白垩系、第四系。从古生代至新生代经历了海西期、印支期、燕山期和喜马拉雅期等多期构造演化^[23],石炭纪为海陆沉积环境转换期,以火山岩及海陆过渡相煤系为主,石炭纪末盆地改造发育北西向为主的背-向斜构造。中下二叠统以咸化湖相的陆相地层为主,主要分布在陆梁隆起以南地区,存在多沉降中心,以断陷-坳陷演化为特征。晚二叠世—三叠纪为大型陆内坳陷盆地沉积演化阶段,以大型湖泊砂泥岩沉积为特征。早侏罗世—中侏罗世西山窑组沉积期为弱伸展背景的大型坳陷盆地演化阶段,发育湖泊沼泽相的煤系地层,西山窑组沉积期末的构造事件导致盆地内形成西南高、北东低的大型车莫古隆起,侏罗系发育雁列组合正断层构造^[24]。新生代喜马拉雅期,受挤压改造,盆地周缘造山带隆升,盆内局部隆起。石炭系、中下二叠统、上二叠统—三叠系、下侏罗统—中侏罗统西山窑组、中侏罗统—上侏罗统齐古组、上侏罗统喀拉扎组—白垩系—古近系、新近系之间不整合接触,不整合面具有区域性广泛发育特点。

多期构造形成的地层不整合叠加而成叠合不整合体,对油气成藏的控制特点、关键要素、成藏模式具有重要影响。目前玛湖地区油气勘探已进入中下二叠统,斜坡区风城组成为重要的规模接替领域,特别是云质砂岩和砂砾岩储层等特殊油气藏的研究也越来越受到重视,并逐渐成为油气勘探的新领域。开展地层不整合特征、形成机理与成藏主控因素研究,有利于揭示地层不整合油气藏的成藏规律,为油气发现、勘探部署以及储量的升级提供支撑。

2 大型地层不整合特征

关于准噶尔盆地地层不整合的论述成果较多^[24-25],随着地震勘探资料品质提高及野外观测资料的丰富,认识不断深化。十四五以来,随着油气勘探走向深层和超深层,地震资料品质明显提升,特别是新的大连片三维和二维地震格架线揭示盆地结构发生重大变化,盆地地层叠置关系成像清晰,特别是石炭系\下二叠统、中下二叠统\上二叠统—三叠系、上二叠统—三叠系\侏罗系八道湾组—西山窑组、侏罗系八道湾组—西山窑组\头屯河组—齐古组、头屯河组—齐古组\喀拉扎组—白垩系—古近系、喀拉扎组—白垩系—古近系\新近系之间的地层不整合接触表现出全盆地特征(图2)。其中深层的石炭系\下二叠统、中下二叠统\上二叠统—三叠系、上二叠统—三叠系\侏罗系八道湾组—西山窑组三大地层不整合与三类不同的盆地演化类型密切相关,是盆地主要烃源岩和大型油气藏的发育层位,本文进行重点论述。

2.1 石炭系\中下二叠统大型地层不整合特征

石炭纪末期,北天山洋自西向东关闭,准噶尔地区经历强烈构造改造变形作用,伊犁地块与准噶尔地块拼合碰撞作用触发了西准噶尔造山带中央大断裂的活动,达尔布特断裂贯穿形成,并发生左旋走滑作用,在其东侧的准噶尔地块内发生褶皱断裂构造,形成了四棵树、沙湾、玛湖等大型复式向斜构造和车排子、中拐大型复式背斜构造,为二叠纪盆地的形成奠定了构造背景^[25]。早二叠世,随着潘吉亚大陆的裂解,达尔布特断裂发生右旋走滑作用,在准噶尔地块一侧形成分化型湖盆,玛湖、沙湾、四棵树等陆内凹陷沉降开始接受沉积,随着湖盆地的不断扩张,到中二叠世,准噶尔由西向东形成了阜康、东道海子、吉木萨尔等一系列的沉积凹陷。因此,盆地西部由下二叠统与石炭系的不整合,到东部的中二叠统与石炭系的不整合,是同一大型不整合面在不同时期被埋藏形成的穿时性大型叠合不整合。

进入陆内盆地演化阶段,石炭系与上覆沉积地层之间的不整合在玛湖凹陷南部和中拐凸起北部表现为上超、下削的地震反射特征。车排子凸起为一组较为连续的强振幅、低频反射,下超、上削的地震反射特征,凸起两翼分别为侏罗系、白垩系与石炭系不整合接触,高部位为古近系—新近系不整合在石炭系之上。下二叠统佳木河组、风城组分别从沙湾凹陷和玛湖凹陷向中拐凸起、陆梁隆起方向超覆不整合于石炭系之上,中拐凸起高部位石炭系与上二叠统—三叠系不整合接触。西部山前地表见中三叠统克拉玛依组、上侏罗统齐古组和白垩系不整合于石炭系之上。

2.2 中—下二叠统\上二叠统—三叠系大型地层不整合特征

中—下二叠统与上覆上二叠统—三叠系不整合接触(图3),是盆地级大型地层不整合,也是整个中亚地区普遍存在的大型地层不整合。不整合面之上的上二叠统至三叠系沉积范围自中央坳陷南部向北、西、中等周缘逐步超覆沉积,形成大型坳陷沉积盆地。西部的玛湖凹陷上二叠统—三叠系发现了亿吨级油田。东部的地层不整合之上的上二叠统也发现了规模油藏。

准噶尔地区从盆地坳陷区的上乌尔禾组与下伏地层不整合,到坳陷斜坡区的百口泉组与下伏地层不整合,再到盆缘的克拉玛依组与下伏地层不整合,是同一成盆环境下湖盆逐渐扩大,不整合面不断被埋藏的穿时大型地层不整合。

沙湾凹陷、中拐凸起和玛湖凹陷都表现为下削上超的地震反射特征,不整合面地震振幅特征为一组低频、不连续、丘状反射。在沙湾凹陷和玛湖凹陷南部上乌尔禾组不整合覆盖在中下二叠统之上,中拐凸起上乌尔禾组不整合于石炭系之上,玛湖凹陷北部为下三叠统百口泉组不整合于下乌尔禾组之上。四棵树凹陷地层埋深大,地震资料品质差,特征不明显。

盆地东部的阜康凹陷中二叠统沉积较现今的阜康凹陷范围小,为几个分隔性的沉积区,沉积厚度在300~400 m,不整合覆盖在石炭系之上。其中,乌鲁木齐山前是一个较大的沉积沉降区,向莫索湾凸起、莫南凸起、白家海凸起方向减薄,东部向北三台凸起方向减薄。康探1井至北三台地区是中二叠世另一个沉积凹陷,与南部的凹陷以西泉凸起被分隔。东道海子凹陷与五彩湾凹陷在中二叠世分属两个沉积凹陷,与南部的阜康地区也是以凸起分隔。阜康凹陷的上二叠统大面积分布,不整合于中二叠统芦草沟组之上,之间缺失中二叠统红雁池组,限于地震资料品质的限制,上二叠统与下伏芦草沟组主要表现为平行不整合接触,斜坡区为角度不整合接触。

应用高分辨率层序地层方法对上二叠统—三叠系与下伏地层之间沉积间断进行半定量-定量分析,从玛南到玛北地层间断时间由2.6 Ma增大到7.9 Ma。凸起区不整合间断时间长,表现为C\P_1-2不整合与P₂\P₃-T不整合形成的复合不整合面(图4)。二叠系底不整合面自沙湾凹陷至陆梁隆起、阜康凹陷被下二叠统—中二叠统逐渐超覆埋藏,跨越时限在39 Ma(图4)。沙湾凹陷中下二叠统沉积较全,最厚可达3 500 m以上,上二叠统—三叠系自南而北超覆沉积与中下二叠统和石炭系之上。

2.3 三叠系\侏罗系大型地层不整合面特征

三叠系与侏罗系之间的地层不整合是全盆性的区域性不整合,玛湖凹陷到沙湾凹陷都表现为较连续至不连续低频丘状地震反射,玛湖凹陷北部为上超、下削的反射特征,不整合面之上为侏罗系八道湾组,之下为上三叠统白碱滩组。沙湾凹陷和车排子凸起北部为上部底超、下削蚀的反射特征,不整合面之上为侏罗系八道湾组,之下为三叠系和石炭系。

3 大型地层不整合地层岩性组合与储盖组合特征

不同地层不整合面上、下岩性接触关系,对确定油气储盖组合乃至成藏组合具有重要意义。通过地表野外观测、地震资料、测井资料精细解释等重点研究二叠系底、上二叠统—三叠系底及侏罗系底等三大不整合面上、下地层岩性组合特征,可划分为六大岩性组合样式(图5)。

3.1.1 火山岩-泥岩(富泥砾岩)对接组合样式

准噶尔盆地石炭系火山岩在盆地分布广泛,在西北缘、陆梁隆起、东部隆起等地钻井广泛揭露,火山岩岩性平面、纵向变化快。火山岩风化壳300~500 m深度是优质储层发育段,当其与上覆泥岩或富含泥砾岩接触时,泥岩会对风化壳0~100 m缝洞进行充填,并在风化壳之上容易形成风化黏土层,构成火山岩-风化黏土层-泥岩良好的储盖组合。火山岩油藏多为受多因素控制的复杂油藏,在西北缘断裂带上盘,克百断裂带、红车拐地区、滴南地区及阜康凹陷东斜坡-北三台凸起区普遍存在这一储盖组合。

西北缘克百断裂带克拉玛依油田一区到七区^[26],不整合之下的石炭系火山岩发育,主要的岩石类型有玄武岩、安山岩、火山角砾岩、凝灰岩等。火山岩上部为中三叠统克拉玛依组的富泥砾岩和泥质砾岩,在二者之间常常发育厚度不等的风化黏土层,风化壳顶部形成的风化林滤层常常被上覆泥岩灌注冲填,形成顶部的盖层。在中拐地区,上乌尔禾组泥岩与下伏石炭系火山岩不整合接触,构成泥岩-火山岩储盖组合。

在阜康凹陷东斜坡和北三台-三台凸起区^[27],存在芦草沟组泥岩、梧桐沟组泥岩与下伏石炭系火山岩之间形成的地层不整合岩性组合, 石炭系火山岩与上覆泥岩构成了该区最优质的储盖组合。已发现的油藏90%位于石炭系风化壳上,油藏距石炭系顶面0~500 m。芦草沟组(平地泉组)在盆地东部不仅是好的生油岩,也是良好的盖层,仅在白家海凸起、北三台凸起等高部位缺失,分布范围非常广泛,直接覆盖在石炭系之上,是石炭系油气藏最稳定的盖层。

克拉美丽石炭系千亿方大气区位于盆地陆梁隆起滴南凸起的中段,石炭系顶面构造形态为被南北两侧边界断裂所切割、向西倾伏的大型鼻状构造,在隆起上发育滴西10井断鼻、滴西18井断鼻和滴西14井断鼻等低幅度断背斜构造^[28],在火山岩风化壳发现滴西14、滴西15等地层不整合油气藏。构造格局形成于石炭纪末期,石炭系自西向东由新到老分布,顶面与上二叠统梧桐沟组呈不整合接触。滴水泉凹陷上石炭统巴塔玛依内山组火山岩为储集层,上石炭统沉积岩层为局部盖层、二叠系梧桐沟组泥岩为区域盖层。此外,在玛湖凹陷东斜坡,风城组向夏盐凸起方向超覆沉积,不整合覆盖在石炭系火山岩之上,形成了火山岩-泥岩对接不整合岩性组合。

3.1.2 火山岩-砂岩、砾岩对接组合样式

火山岩-砂岩、砾岩对接不整合岩性组合主要分布在玛湖凹陷东斜坡、盆1井西凹陷和阜康凹陷的东斜坡等地区,这类不整合下伏地层为火山岩,上覆地层为砾岩或砂岩沉积,沉积期水动力比较强,一般两套地层之间缺少黏土风化层,因此,上、下地层之间一般都具有储层特征。

在盆1井西凹陷的石西16 井^[29]以及莫索湾凸起西斜坡湾探1井^[30]发现这一岩性组合类型,风城组底砂岩、砾岩与石炭系火山岩对接,二者都具有储集油气能力,风城组上部泥岩、云质泥岩为盖层,火山岩下部致密层构成油气藏底板。

阜康凹陷东斜坡地区康6井、康探2井等钻井揭示该岩性组合^[31],下伏石炭系主要为火山碎屑岩、火山岩,上盖芦草沟组底部为厚层灰色砂砾岩,芦草沟组底部阵列侧向曲线呈峰形块状高阻,下伏石炭系顶部阵列侧向曲线呈锯齿状低阻,岩电性特征变化明显。康探2井在芦草沟组底砾岩形成地层油气藏。

3.1.3 砂岩-砂岩对接组合样式

这一地层不整合岩性组合主要在富烃凹陷的边缘,不整合面上、下地层都处于边缘沉积相带,岩性相对较粗,上、下地层沉积期水动力较强,一般缺少风化黏土层。在沙湾凹陷西斜坡,风城组含砂砾岩(砂岩)与夏子街组含砂砾岩(砂岩)不整合接触,不整合面具良好疏导作用,风城组生成油气沿上倾方向运移,在夏子街组含砂砾岩中成藏。在吉木萨尔凹陷的吉7井区^[32],芦草沟组为一套边缘相粗粒沉积,其上不整合叠置了梧桐沟组砂岩、砾岩,二者之间构成油气输导通道,芦草沟组生成的油气运移至梧桐沟组成藏。

3.1.4 砂(砾)岩-泥岩对接组合样式

这一岩性组合在盆地内普遍发育,盆地西部玛湖凹陷、东部的东道海子凹陷、阜康凹陷和吉木萨尔凹陷等都存在这一岩性组合。其中玛湖凹陷的夏子街组砂(砾)与风城组泥岩对接,不整合面之下为烃源岩,之上为粗粒岩,上覆地层沉积期水动力条件强,一般缺少风化黏土层,不整合面之下烃源岩层生成油气运移到上覆砾岩储层中,形成大型岩性地层油气藏。东道海子凹陷上乌尔禾组大面积分布,砾岩或含砾砂岩不整合于下乌尔禾组(平地泉组)暗色泥岩烃源岩之上,下乌尔禾组(平地泉组)生成油气运移至上覆砂砾岩中成藏。阜康凹陷上乌尔禾组大面积分布,砾岩(含砾砂岩)不整合于下乌尔禾组(芦草沟组)暗色泥岩(烃源岩)之上,芦草沟组生成油气在上覆梧桐沟组砂砾岩中成藏。吉木萨尔凹陷的梧桐沟组勘探程度较高,梧桐沟组砂砾岩直接覆盖在芦草沟组烃源岩之上,芦草沟组生成油气运移至上覆砂砾岩中形成地层岩性油藏。

3.1.5 泥岩-砂(砾)岩对接组合样式

此类不整合岩性组合主要发育在边缘斜坡带,不整合面之下地层沉积为一套盆缘相的粗粒碎屑岩建造,经历了大型构造转换,经风化淋滤剥蚀,地形平坦或呈平缓斜坡。上覆地层沉积时期具有一定的水体深度,形成一套细粒沉积岩,为厚层块状泥岩。这种岩性组合一般会形成风化黏土层。

风化黏土层之下为风化淋滤带,受粗粒岩孔渗性影响,厚度相对较小,在测井曲线上有响应,与下部未淋滤地层相比,受到淋滤的岩层电阻率降低。这类地层不整合岩性组合发现于中拐凸起地区,上乌尔禾组泥岩与佳木河组砾岩不整合接触,之间常形成风化黏土层,对砾岩油藏具有良好的封盖作用。

3.1.6 泥岩-泥岩对接组合

该类地层不整合岩性组合主要发育在盆地坳陷区,下伏地层沉积期是盆地沉积中心区,经过构造改造,后期盆地在这一区域也是细粒沉积区,二者叠合构成细粒岩-风化黏土-细粒岩岩性组合类型。

盆地腹部地区八道湾组—西山窑组与头屯河组—齐古组是典型的两类盆地沉积,西山窑组为一套煤系地层,沉积之后遭受构造变形,形成车莫古隆起,上覆头屯河组—齐古组为一套砂泥岩互层沉积,超覆沉积在车莫古隆起之上。在玛湖凹陷区,风城组云质泥岩与上覆夏子街组泥岩不整合接触,不整合面之上砂岩透镜体必须通过断裂与风城组烃源岩沟通,油气运移到上覆岩性体中成藏。

4 大型地层不整合上覆地层沉积演化

4.1 早中二叠世成盆演化与大型地层不整合面形成

新疆北部所处的古亚洲洋,在石炭纪末自西向东逐渐消亡,北天山洋自西向东逐渐关闭,伊犁地块与准噶尔地块自西向东逐渐拼合,伊犁地块与准噶尔地块西部首先碰撞,触发了准噶尔地块与塔城地块拼合形成的西准噶尔造山带中央大断裂的左行走滑,达尔布特走滑断裂带形成,在左行走滑构造背景下,其准噶尔地块一侧形成了车排子凸起、中拐凸起和乌夏断裂带^[25]。

早二叠世,准噶尔盆地处于伸展构造背景中^[25],达尔布特断裂右旋走滑,在早期古构造背景中形成四棵树凹陷、车排子凸起、沙湾凹陷、中拐凸起、玛湖凹陷等凹、凸相间的结构,下二叠统先在沙湾、玛湖凹陷内沉积,向盆1井西、阜康、中拐、车排子等高部位超覆沉积,不整合在残存的石炭纪火山岩或沉积岩之上。

早二叠世,北半球中纬度地区为干旱蒸发环境 ^[33]。玛湖、沙湾等凹陷为闭塞的干旱湖泊沉积环境,沉积一套泥质岩、云质灰质岩及碱性蒸发岩,厚度可达1 800 m以上。受成盆古构造背景控制,凹陷沉降中心到沉积边缘存在缓坡和陡坡控制下的两类沉积^[19]。玛湖凹陷的北部和西部、沙湾凹陷西南部受断层崖控制,形成陡坡带沉积,特点是由山前粗粒沉积到湖盆细粒沉积岩性变化快,含砾粗砂岩与含蒸发岩地层交互变化。从沉积凹陷向中拐凸起和东部陆梁、莫索湾等高部位地区形成缓坡沉积,沉积岩性从高部位的冲积扇、扇三角洲平原、扇三角洲前缘到湖盆中心区,岩性由粗变细、泥质含量逐渐变低、由碎屑岩向化学沉积岩和生物岩过渡,横向上有序变化^[15](图6),致使不整合面以上岩性组合发生规律性变化。

综上所述,早二叠世的准噶尔盆地受伸展构造控制,沉降中心在玛湖、沙湾凹陷,从早二叠世到中二叠世,盆地沉降范围向东部、北部逐步扩展,在干旱环境中形成了一套咸化湖相碎屑岩建造,发育了盆地最为优质的烃源岩。

4.2 晚二叠世—三叠纪盆地成盆演化与大型地层不整合面形成

中二叠世末,天山造山带发生了强烈的陆内造山作用^[25],达尔布特断裂发生左旋走滑作用,准噶尔盆地西部山前强烈抬升、剥蚀,盆缘地层倾向发生反转^[25]。晚二叠世,中亚地区受新特提斯洋扩张,古特提斯洋向欧亚大陆俯冲作用影响,陆内形成伸展环境,新疆北部与中亚、西西伯利亚地区形成了一系列大型坳陷盆地。准噶尔盆地由断陷盆地转为坳陷盆地。盆地上二叠统上乌尔禾组至三叠纪百口泉组满盆沉积一套200~300 m的粗碎屑岩,中上三叠统发育1 300~2 000 m厚的泥岩段(图7)。底部粗碎屑岩岩石成分成熟度低,分选差、次棱-次圆状,不整合分布在下伏地层之上,普遍发育多频次的牵引流和泥石流沉积。上二叠统上乌尔禾组分布在玛湖艾参1井以南,上乌尔禾组至白碱滩组都在1 300 m左右,上乌尔禾组厚度都在200 m左右, 两口井在底部存在含砾粗碎屑岩,平行不整合在中二叠统下乌尔禾组灰色泥岩之上,除百口泉组粉砂岩、细砂岩增多外,整体表现为泥岩夹薄层砂岩的特征,顶部的白碱滩组砂地比小于24%。上乌尔禾组在盆地的岩性组合与成盆期的古地貌具有密切关系,汇水的凹陷区底部存在一套粗砾岩沉积,如玛湖、沙湾、阜康等凹陷区,形成盆地良好的储层。而对于凸起区,如中拐、滴水泉等凸起区,上乌尔禾组超覆于石炭系等地层之上,一般为一套以泥质岩为主的沉积,形成盆地良好的盖层。

从上乌尔禾组到白碱滩组,从底部200~300 m的粗碎屑岩到上部的泥岩夹薄层砂岩建造,表现出早期强水动力环境下的粗碎屑岩快速充填,湖水快速汇聚扩张,形成大型坳陷盆地的特征。对玛湖百口泉组底部砾岩沉积进行水动力特征分析,沉积物供给、盆地构造和层序地层格架控制了重力流物的总体分布。物源供给小于盆地沉降速度,为半封闭-敞流湖盆沉积环境,沉积物搬运动力主要为重力流,湖盆中部为静水环境。突发性大暴雨携带砂砾的泥石流,由盆缘一泄直冲湖底,形成了底部满盆含砾的粗碎屑沉积。

晚二叠世—三叠纪之交环境灾变引起全球生物大灭绝^[34],是显生宙历史上规模最大、最严重的一次生物灭绝事件^[35-37],这种灾变环境在盆地的沉积特征上也具有显著反映。通过玛湖凹陷上二叠统至三叠系沉积岩石化学蚀变指数研究,发现从上乌尔禾组(64)、百口泉组一段(73)、二段(75)到克拉玛依组(77)化学蚀变指数一直升高^[38],指示物源区剥蚀风化强度在上乌尔禾组沉积期最为强烈,到克拉玛依组变弱。元素地球化学与古植物学研究,证实上乌尔禾组至百口泉组沉积期为温暖潮湿的淡水环境^[39-41],与下二叠统沉积期的干旱咸化碱湖环境形成巨大反差,气候突然变暖引发洪水淹没,这与准噶尔上乌尔禾组至白碱滩组沉积期快速形成大型坳陷胡泊的地层结构具有一致性。也与二叠纪末全球发生海泛淹没事件具有一致性^[42]。

总之,准噶尔盆地不整合面之上底砾岩大面积分布受到了气候灾变、物源供给、成盆古地貌等多因素影响,导致盆地晚二叠世至早三叠世洪水沉积事件,即在不整合面之上广泛发育了厚度不大、成熟度低、搬运距离较远的粗碎屑岩,在这种洪水大爆发环境中,湖盆快速扩张,随后稳定沉积了近千米厚的泥岩夹薄层砂岩,形成了准噶尔盆地大型不整合面之上的大面积分布的有利储盖组合。

5 油气聚集特征

准噶尔盆地大型地层不整合面的形成与早—中二叠世、晚二叠世—三叠纪等不同时期的成盆演化过程与盆地充填方式等密切相关,大型不整合面之上成盆初期沉积,砾岩、砂岩储集体广泛发育,是油气聚集的重要层位。石炭系、中下二叠统、中下侏罗统发育三套有效烃源岩,储集体与烃源岩相邻接触,或通过断裂与烃源岩沟通,构成盆地三大含油气系统^[43],纵向叠置,控制着盆地油气分布。目前盆地在中下二叠统与下伏地层不整合面上、下和上二叠统—三叠系与下伏不整合面上、下发现油气最多,占盆地发现油气储量的90%以上^[43]。

5.1 大型超覆沉积控储成藏特征

上二叠统—三叠系不整合于中—下二叠统和石炭系之上,从成盆初期的上乌尔禾组到成盆晚期的克拉玛依组,由坳陷区向盆地边缘,在不整合面之上都发育了不同时期、不同规模的扇三角洲沉积,在不整合面之上形成砾岩、含砾粗砂岩和砂岩沉积,从成盆初期到现今的断裂带上盘,形成广复式叠置连片穿时分布储集体,该套储集体与上覆上二叠统—三叠系泥岩构成了全盆地发育的储盖组合,断裂带上盘克拉玛依组、断裂带下盘百口泉组及环中央坳陷上乌尔禾组规模油藏,受同一大型不整合控制(图8、图9)。

5.1.1 不整合控储的克拉玛依大油田

克拉玛依油田是新中国发现的第一个大油田,在中三叠统克拉玛依组发现亿吨级规模储量。克拉玛依组是晚二叠世至三叠纪湖盆地扩大到西北缘断裂带上盘后,将石炭系不整合覆盖形成的地层层序。在晚二叠世—三叠纪盆地早期,西北缘断裂带上盘石炭系为物源剥蚀区,形成向盆地延伸的深切谷,至中三叠世,盆地发生湖泊扩张,断裂带上盘发育的深切古被填平,克拉玛依组为深切谷填平补齐和逐渐超覆沉积地层,同时受到山前断裂控制,在断裂下盘形成高陡冲积扇,形成了多断阶、多扇体控藏特征^[44]。通过克拉玛依油田黑油山井区油藏解剖,发现大型地层不整合面控储控圈的油藏,不整合面之上为一套含泥丰富的冲积扇砾岩,该套沉积孔渗极低,泥岩把不整合面之下的50~100 m厚度内风化壳地层缝洞也进行了充填,不整合面之上常常发育厚度不等的风化黏土层,油层发育在大型泥石流沉积之上的一套牵引流的河道砂体或冲积扇前缘的河道砂内。

5.1.2 不整合控储的玛湖大油区

早中二叠世,玛湖地区是凹陷沉积区,晚二叠世—三叠纪,玛湖凹陷是准噶尔大型坳陷湖盆的西北缘的沉积斜坡区,百口泉组是早三叠世大型湖盆地沉积期地层。

玛湖百口泉组砾岩大油区分布在艾参1井以北地区,该区的百口泉组不整合于下乌尔禾组之上,整体为地层岩性大面积分布油藏。百口泉组冲积扇由边缘平原相向湖盆区扇三角洲前缘相转变,储集层岩性由中砾岩逐渐过渡到细砾岩。油气主要富集于冲积扇扇中、扇三角洲前缘亚相砂砾岩储集体中,有利储集层为扇三角洲前缘的片状洪流与河道牵引流砾岩沉积。如斜坡下倾部位玛2井区百一段代表了百口泉组早期低位扇的沉积,前缘相控制着玛2井区百一段含油层系,其它地区多为水上环境的扇三角洲平原亚相为主。而百二段沉积时随着湖侵,湖岸线逐步向盆缘山前带方向靠近,前缘相扇体也逐步向盆缘山前带方向扩大,前缘亚相已扩展至斜坡上倾部位夏72井区,为主要含油层。随着水体进一步扩大,百三段沉积时期前缘亚相已退至山前带附近,其它地区以滨浅湖为主,百三段含油层主要分布于靠近山前带附近斜坡区。总之随着湖平面上升,前缘相带逐步向上斜坡方向扩展,其含油层逐步变新,整体形成超覆型大型地层岩性油气藏。

5.1.3 中央坳陷斜坡区上乌尔禾地层岩性油藏群

随着玛湖百口泉组砾岩大油区的整体突破和高密度三维地震实施,玛湖凹陷的地质结构得到清晰解剖,上乌尔禾组与下伏地层不整合及百口泉组与下伏地层不整合是玛湖凹陷同一构造背景下的不同地层沉积期的穿时性地层不整合面。上乌尔禾组主要分布在艾参1井以南地区,由南向西、北、东超覆沉积尖灭,具有退覆式扇三角洲沉积特征,与北部的百口泉组一样具备大油区形成的宏观地质条件。从玛湖15井、玛湖11井、玛湖013井到金龙43井,玛湖凹陷南部上乌尔禾组西斜坡油藏连片分布。

上乌尔禾组残留厚度由中央坳陷向周缘减薄,分布在玛湖凹陷艾参1—达探1井以南、陆梁隆起南部及北三台凸起以西地区,与上覆三叠系百口泉组整合接触,边缘局部可见不整合接触。上乌尔禾组整体为一套湖盆逐渐扩大,水体逐渐变深、沉积向高部位超覆沉积体,伴随湖侵,由坳陷区到斜坡至隆起区,砂体有序分布,晚期湖侵泥岩整体封盖,古凸起周围凹槽区发育超覆型地层圈闭群。在大型坳陷上倾斜坡区,受下伏超覆不整合控制的上乌尔禾组扇三角洲前缘砂砾岩储集层横向连片,纵向叠置,前缘水下分流河道间、平原漫滩、平原沼泽沉积泥质杂基含量较高,渗透性差,成为扇三角洲前缘砂砾岩岩性圈闭封堵层。上乌尔禾组油层为层状分布,各砂体间没有统一的油水界面,具有“一砂一藏”的特点。

5.2 大型超覆-剥蚀带地层岩性控圈成藏特征

下二叠统是准噶尔陆内盆地第一套沉积地层,在盆地西部的玛湖、沙湾和盆1井西形成咸化环境烃源岩,是盆内最优质的古老碱湖烃源岩,形成玛湖、盆1井西、沙湾三大富烃凹陷,富烃凹陷斜坡区存在东、西两个大型地层超覆带,形成大型地层油气藏勘探领域,并表现出北部富集石油、南部富集天然气的地质特征。

5.2.1 西斜坡超覆沉积地层岩性油气藏

西斜坡在玛南、中拐凸起、沙湾西等斜坡带都获得重大突破,由斜坡高部位的常规油藏,向下倾方向转变为致密油藏。

(1)玛南斜坡区常-非有序共生油藏

玛湖凹陷自盆地边界断裂带下盘斜坡区向凹陷区,风城组沉积由粗粒沉积岩逐渐演变为细粒沉积岩,沉积岩性、成岩及储层孔渗条件呈规律性变化,构成了常规、致密、页岩油藏序次分布,常规油气藏与非常规油气藏之间的差异主要表现在源储关系、储集层岩性、储集层物性、原油运移方式、成藏动力、赋存特征等方面。常规油藏储集层以粗粒砂-砾岩为主,致密油藏储集层主要为云质砂岩,页岩油藏储集层主要为泥质云岩、泥质粉砂岩等。玛南斜坡区致密油藏勘探面积在1 200 km²,勘探领域潜力大。

(2)中拐凸起斜坡带油气藏

中拐凸起是石炭纪末期形成的向盆地南东方向倾伏的古隆起,中下二叠统自沙湾凹陷、盆1井西凹陷和玛湖凹陷向凸起区超覆沉积,上二叠统—三叠系及以上地层将凸起覆盖,形成长期发育的大型古凸起。大型地层不整合面之下发现金龙、中佳等众多的火山岩、砾岩油气藏。

在中拐凸起南斜坡中佳7-中佳6井区,上乌尔禾组泥岩与佳木河组砾岩形成了大型地层不整合。佳木河组为一套近物源快速堆积的陆源粗粒沉积岩,砾石多为中基性火山岩,胶结物主要为浊沸石和方解石,储层以浊沸石溶蚀孔为主的储集空间。与上覆上乌尔禾组泥岩形成良好的储盖组合,油气在不整合面之下的砾岩顶部成藏富集,油气藏顶板为上乌尔禾组厚层泥岩,底板为佳木河组致密砾岩,上倾方向地层尖灭或受早期断裂形成遮挡带,油气藏类型为大型地层背景下的地层-岩性油气藏,已发现亿吨级储量。

(3)沙湾凹陷西斜坡油气藏

沙湾凹陷北与中拐凸起相接,西邻红车断裂带—车排子凸起,南为北天山山前冲断带,东接莫索湾凸起和莫南凸起。沙湾凹陷西斜坡中下二叠统整体呈现西薄东厚的特征,表现为一个大型、平缓且倾向SE向的单斜构造,下倾方向发育鼻状构造。

中下二叠统顶部上倾方向为地层剥蚀尖灭,不整合面之下自红车断裂带下盘向凹陷区依次发育佳木河组、风城组、夏子街组和下乌尔禾组,不整合面之上为上乌尔禾组依次超覆在中下二叠统各组之上,形成大型地层不整合圈闭,圈闭顶板为上乌尔禾组泥岩,储层为不整合面之下的佳木河组、风城组、夏子街组和下乌尔禾组砾岩、含砂砾岩及砂岩。自不整合面之下的佳木河组至下乌尔禾组,都发现了油气藏,佳木河组为砾岩油藏,风城组为砾岩含气油藏,夏子街组和下乌尔禾组为气藏,不整合面之下随着埋藏深度的增加,表现出浅层油藏,深层气藏的成藏特征。

5.2.2 东斜坡超覆沉积带地层岩性油气藏

风城组沉积东斜坡超覆沉积带包括玛湖凹陷东斜坡、盆1井东北-东环带、沙湾东北斜坡带。

盆1井西凹陷东北环带风城组逐层超覆沉积于石炭系上,沉积具有底部粗粒-细粒沉积、中部细粒沉积、上部中细粒沉积的岩性组合特征,上部发育细粒致密盖层,从而形成了层内的良好储盖配置关系。盆1井西凹陷东北部发育石西鼻凸带和莫北鼻凸带等构造带,风城组底砾岩与石炭系火山岩对接,形成储层,风城组上覆泥质岩为盖层,油气主要富集在不整合面上、下的风城组底砾岩和石炭系火山岩风化壳中。

玛湖凹陷东环带不整合面之上风城组从西向东超覆沉积,沉积地层向高部位逐渐减薄,在不整合面之上形成超覆不整合地层圈闭。石炭系顶部发育火山岩风化壳,与上覆风城组泥岩构成储盖组合。风城组前缘相云质砂岩、滨浅湖云质泥岩广泛分布,前缘砂体在缓坡带都会经历反复淘洗,储集性能在成岩演化中变好,可形成云质砂岩储层,夏南1井在该领域已经获得突破。

6 结论与认识

本文通过对准噶尔盆地地层不整合与地层叠合不整合的形成过程综合研究,取得如下认识:

(1)准噶尔盆地在形成演化过程中通过不同时期、不同类型盆地叠加,形成了区域性的大型地层不整合,地层不整合的形成与成盆演化过程息息相关,从盆地最早成盆沉降区到最后的消亡,同一不整合面逐步形成,这种大型地层不整合的穿时性使得不整合面上、下地层的岩性组合表现出差异性。

(2)石炭纪至三叠纪形成的两大地层不整合面控制了上覆盆地的沉积充填模式。早二叠世盆地在成盆后物源供给与湖平面震荡变化中,由盆缘到盆内粗碎屑至细粒沉积有序分布,形成富烃凹陷源储一体、源储侧接和源储相邻的成藏模式。晚二叠世—三叠纪成盆初期满盆分布粗碎屑岩,与上覆稳定环境沉积的巨厚泥质岩形成盆地重要的储盖组合。

(3)石炭系至三叠系形成的两大地层不整合面是盆地油气聚集的重要控制因素,形成三类地层岩性油气成藏模式。下二叠统由凹陷区到边缘的超覆沉积形成源内自生自储页岩油藏,斜坡区形成源储侧接致密砂岩油藏,至坳陷边缘形成砾岩-砂岩常规油藏,构成常-非有序共生成藏模式;中央坳陷西部边缘中下二叠统顶部的大型地层剥蚀带,不整合面之下由盆缘到坳陷区分别形成油藏、油气藏和气藏群,具有浅层油藏群、深层气藏群的特征;上二叠统上乌尔禾组—下三叠统百口泉组满坳砾岩储层覆盖于中下二叠统富烃凹陷之上,形成连续分布的大面积砾岩成藏模式。

衷心感谢各位专家及编辑在审稿过程中对本文提出的宝贵修改意见。

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基金资助

国家科技重大专项“准噶尔盆地深层超深层油气藏勘探开发技术集成示范(2025ZD1402600)

中国石油天然气股份有限公司重大科技专项“地层不整合油气藏成藏主控因素与关键要素定量评价技术研究”(2021DJ0405)