吐哈盆地是新疆三大含油气盆地之一，2012 年完成的《全国页岩气资源潜力调查评价及有利区优选》预测吐哈盆地页岩气资源量为1 万亿m^{3[1, 2, 3]}，指示其具有巨大的页岩气资源量。根据吐哈盆地托北1、托参2、鲁南1、艾参1、哈北1、哈参1 等油田钻孔资料进行分析：吐哈盆地中、下二叠统和上三叠统中，泥页岩厚度较大,且发现有页岩气异常富集的特征，这些都揭示了吐哈盆地页岩气巨大的勘探潜力^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8]}。

吐哈盆地位于新疆维吾尔自治区东部，整体呈东西向展布，南北分别与塔里木盆地、准噶尔盆地隔山相望。盆地四周环山，西起喀拉乌成山，东至梧桐窝子泉附近，北依博格达山、巴里坤山和哈尔里克山，南抵觉罗塔格山。盆地东西长660 km，南北宽60~100 km，总面积约53500 km²，有效勘探面积约35000 km^2[5]。盆地内具有丰富的煤炭、石油、天然气资源。

吐哈盆地与准噶尔盆地的深层基底皆为前寒武系结晶地块，称为“准吐地块”，其上为古生代（AnC₂）褶皱基底。之后由于博格达陆间裂谷带的发育，统一的“准吐地块”分异成2 个盆地。吐哈盆地基底的发育存在南北差异，中央隆起带以北，受到博格达裂谷的影响，构造运动频繁，以南则结晶基底埋深较小，并且上部盖层沉积较北部更为稳定。侏罗纪末期，中燕山运动对全盆地造成巨大的影响，使盆地明显萎缩，前白垩纪时丘东、巴喀地区宽幅隆起，台北凹陷东部则以抬升剥蚀或古隆起超覆沉积为主，这种状况一直持续到晚燕山运动结束^{[9, 10, 11, 12]}。前人以地质、地球物理、钻井等资料二次开发和综合研究为基础，依据重、磁、电资料对中生界底界埋深、断裂分布体系进行解释，并结合中生代盆地基底结构、性质、断裂、地面露头、地震剖面特征等资料，参考盆地内不同地区岩浆活动、沉积地层间的岩性岩相的变化等进行了吐哈盆地构造单元的划分（图1）。

图1(Fig.1)

图1 吐哈盆地构造单元划分（据文献[13]修改） Fig.1 Structural unit of Turpan-Hami Basin (modified after reference [13])

前人针对吐哈盆地地层、构造、成藏等方面做了大量的研究，但是有关页岩气的研究成果较少，仅有2011 年孙玉凯等着重分析了吐哈盆地水西沟群和小泉沟群2 套页岩的基本地质条件，指出了吐哈盆地具有巨大的页岩气勘探潜力^[11]。

吐哈盆地发育有侏罗系、二叠—三叠系及石炭系3 大套泥页岩，这三套泥页岩构成了盆地上、中、下3 套含油气系统^[12]。侏罗系含油气系统以中、下侏罗统煤系地层为烃源岩，主要是水西沟群（J_1-2sh）炭质泥岩、煤层和暗色泥岩；在局部地区，中侏罗统七克台组（J₂q）湖相暗色泥岩也可作为有效烃源岩。早侏罗世含油气系统中的烃源岩主要为上二叠统桃东沟群的湖相暗色泥岩。哈密坳陷上三叠统油气系统的烃源岩主要为上三叠统内部的暗色泥岩。此外，上石炭统碳酸盐岩、泥灰岩、凝灰质泥岩、泥岩等都是吐哈盆地可能的烃源岩。

侏罗系煤系含油气系统的烃源岩主要为中、下侏罗统水西沟群的煤系地层和七克台组湖相泥岩，但有效的烃源岩主要是水西沟群的八道湾组、三工河组和西山窑组，它们在盆地内广泛分布，其中的烃源岩包括煤层、炭质泥岩和暗色泥岩。

八道湾组（J₁b）：吐哈盆地中本组分布广泛，见于西部的可儿街，北部的桃树园、煤窑沟，中部的台子村、三间房及东部的三道岭，南部托克逊。在艾维尔沟及桃树园，不整合覆于上三叠统郝家沟组之上，在桃树园本组地层中夹2 层灰白色石英斑岩。富含植物化石及少量鱼化石。在七泉湖为黄褐色砂质泥岩、粗砂岩、泥岩夹煤层；中部为灰褐、灰绿色砂岩、泥岩夹粉砂岩及煤层，厚539 m。在吐鲁番北西50 km处为灰、灰白色砾岩、泥岩夹石英斑岩、煤线，厚43 m。在疏纳诺儿东南，为灰绿色、灰紫色砾岩、粗砂岩夹泥岩、煤线，厚154 m，并且盆地边缘向中心颗粒变细，厚度增大。沉积相主要为交织河流——三角洲平原沼泽相和湖沼相，是盆地主要产煤层位。

三工河组（J₁s）：整合于八道湾组之上、西山窑组之下的一套灰绿色湖相沼泽相沉积，岩性为灰绿色砂岩、泥岩夹菱铁矿，以厚层泥岩与薄层砂岩呈互层为特点，局部地区夹有薄煤层及砾岩。厚度一般在100~200 m，最厚可达700 m以上。

西山窑组（J₂x）：盆地内广泛发育湖沼及滨浅湖相为主的第二套含煤沉积建造，与八道湾组构成盆地内2 套煤系生烃层系。上部为三角洲、河流相灰白色、灰绿色砂、泥岩，下部主要为湖沼相的含煤碎屑岩建造。台北凹陷的胜北次凹-丘东次凹发育最厚，最厚达1400 m，一般在500～900 m。托克逊凹陷和哈密坳陷也是主要发育区。

哈密坳陷中、上三叠统油气主要来源于中、上三叠统内部小泉沟群暗色泥岩。

小泉沟群（T_2-3x）：主要岩性为灰色、灰黄色、灰绿色砂岩、泥岩、暗灰色炭质泥岩、薄煤层或煤线、夹菱铁矿结核，为一套湖泊沉积为主的河湖相碎屑岩，底部发育有巨厚层砾岩，在盆地内广泛分布，厚度在400～800 m。包括克拉玛依组（T_2-3k）、黄山街组（T₂hs）、郝家沟组（T₃hj），与下伏上苍房沟群不整合接触。其下与仓房沟群整合接触，以红色层剧减为界；上与水西沟群整合或不整合接触，以岩性变粗为分界依据。

吐哈盆地中、下二叠统泥页岩主要分布于台北凹陷，部分分布于台南凹陷。可作为有效烃源岩的主要为桃东沟群（P₂td）炭质泥岩、油页岩和湖相暗色泥岩。

桃东沟群(P₂td)：上部岩性主要为湖泊相的灰黑色泥页岩、砂岩的互层，是盆地内重要生油岩层系；下部多为块状砂岩，常具较厚的底砾岩。这套地层遭受后期严重剥蚀，桃东沟群残留分布于台南凹陷、台北凹陷中北部、托克逊凹陷中部及哈密坳陷的北部，地层厚度一般为200～600 m。

石炭系泥页岩岩性极其复杂，包括碳酸盐岩、泥灰岩、凝灰质泥岩和泥岩。哈密坳陷北缘露头上石炭统以滨浅海沉积为主，而白杨河—石城子一带以灰岩、火山岩、火山碎屑岩为主；哈密南部的小黄山一带下石炭统亚满苏组（C₁y）为含炭泥质岩为半深海-深海浊流沉积，具有良好的生油品质。

八道湾沉积期，湖盆多为小型而孤立的浅湖。此时，气候温暖潮湿，盆内森林茂密，水草丰美，形成了较厚的河沼、湖沼含煤建造，构成了煤成烃的重要源岩。上部为深灰色泥岩、炭质泥岩、浅灰色厚层状砂岩及粉砂岩互层，夹多层煤层；中下部以砂岩为主，间夹灰黑色泥岩、炭质泥岩和煤层。沉积相主要为交织河流——三角洲平原沼泽相和湖沼相，是盆地主要产煤层位。

三工河期是侏罗系一次大规模的湖侵期，湖域大，湖水深，凹陷连通好，形成吐鲁番坳陷的统一湖盆，广大地区接受滨浅湖相沉积。

西山窑组是在充填三工河期扩张了的湖盆过程中沉积，因为当时吐哈盆地盆缘构造活动基本处于平静期，地形坡度比较平缓，所以西山窑组沉积物一般偏细。

中三叠世（T₂）克拉玛依期的区域构造又渐趋稳定，气候逐渐变为温湿，湖面扩张，克拉玛依期的沉积格局类似于桃东沟期，该时期的页岩也比较发育。吐哈盆地在该时期主要发育了扇三角洲和较深湖沉积体系。台南凹陷形成了扇三角洲-湖泊沉积体系。物源方向继承了由南向北的特征。总体沉积格架类似于桃东沟期，不同的是克拉玛依组沉积期的扇三角洲平原和前缘的范围较大。其水下分流河道可能延伸至鄯科1井地区。

晚三叠世（T₃）基本上继承了中三叠世的沉积特征，在区域构造稳定、气候温暖潮湿的背景下广泛发育了扇三角洲和湖泊沉积体系。与克拉玛依组沉积环境相比，为典型的水进体系域沉积，也是三叠纪在吐鲁番坳陷扇三角洲发育的鼎盛时期。在南、北2 个扇三角洲沉积体系之间发育近东西向分布的半深湖—深湖沉积体系，为页岩分布区；哈密坳陷发育了一套由多物源供给形成的扇三角洲扇裙，深湖和半深湖仅局部发育。

在台南凹陷的鲁南构造带和鲁克沁构造带形成扇三角洲平原和前缘沉积。往北为扇前三角洲，形成了大段的黑色泥岩，是该地区重要的生油层之一。从桃树园、柯柯亚、照壁山和七角井的野外剖面分析，台北凹陷桃东沟群的中、下部由大段红色砾岩夹少量红色粉砂质泥岩组成，沉积环境主要为冲积扇。桃东沟群的上部岩性变细，由灰黑色泥岩与灰色砂砾岩不等厚互层组成，沉积环境为扇三角洲前缘，是物源区的构造抬升略有减弱、气候变得更温暖潮湿、湖泊面积扩展所致。从台南凹陷和托克逊凹陷的钻井资料分析，台北凹陷桃东沟期的广大地区都可能处于水下，接受了扇三角洲前缘、半深湖—深湖相沉积（图2）。

图2(Fig.2)

图2 吐哈盆地二叠系桃东沟群（P2td）沉积相图 Fig.2 Sedimentary facies of Middle-Lower Permian Taodonggou group

石炭系为一套浅海相碳酸盐岩、碎屑岩、火山岩和火山碎屑岩组合，厚达万米以上，早石炭世晚期至晚石炭世早期地层，是一套从岛弧火山岩系—沉积岩系过渡的沉积组合；晚石炭世中晚期的地层广泛分布，浅水台地相的碳酸盐岩发育良好，火山活动弱。早二叠世时，海水覆盖了哈密坳陷，为一套滨浅海碳酸盐岩-火山岩建造。

页岩中有机质的丰度可以直接影响页岩气的富集程度，主要表现在2 个方面：（1）有机质为页岩气的富集提供了基本物质基础，因此总有机碳含量与页岩生烃潜力呈正相关关系^{[14, 15, 16]}。（2）有机质为页岩气的吸附作用提供了有效的储集空间，从而影响页岩气的赋存形式，进而影响富集程度^{[15, 16, 17]}。

吐哈盆地各富含有机质页岩地层中，有机质的丰度存在较大差异：侏罗系水西沟群的炭质泥岩总有机碳含量为12%~20%；暗色泥岩总有机碳含量1.0%~3.0%。

吐哈盆地二叠系含油气系统中,主要分布于台北凹陷、台北凹陷周围露头和台南鲁克沁地区的桃东沟群其页岩有机碳丰度变化于0.4%~5.17%，预测沉积中心处可达5%（表1）。中、上三叠统小泉沟群（T₂₊₃xq）泥页岩纵向上集中分布于黄山街组和郝家沟组，有机碳丰度为0.3%~2.74%，泥页岩总有机碳含量平均值为1.29%（表2），推测中心丰度不超过2%。石炭系泥页岩中，有机碳丰度最高的是凝灰质泥岩，平均可达1.17%；泥岩有机碳平均0.65%~0.87%。

表1(Table 1)

表1 哈密坳陷周缘露头二叠系生油岩评价Table 1 Evaluation of peripheral outcrop of Permian source rocks in the Hami depression

表1 哈密坳陷周缘露头二叠系生油岩评价 Table 1 Evaluation of peripheral outcrop of Permian source rocks in the Hami depression

表2(Table 2)

表2 吐哈盆地中上三叠统小泉沟群泥页岩丰度评价Table 2 Middle-Upper Triassic Xiaoquangou Formation shale abundance evaluation in Turpan-Hami Basin

表2 吐哈盆地中上三叠统小泉沟群泥页岩丰度评价 Table 2 Middle-Upper Triassic Xiaoquangou Formation shale abundance evaluation in Turpan-Hami Basin

有机质成熟度影响生烃量，进而影响页岩气的富集。因此，在适宜的范围内，有机质成熟度高有利于页岩气聚集成藏^{[18, 19, 20]}。

水西沟群的西山窑组煤层，烃源岩母质类型主要为Ⅲ₁和Ⅲ₂型，是以陆生高等植物演化为主的腐殖型母质，少数湖相泥岩具Ⅱ型母质特征。现今成熟有效的烃源岩集中发育在台北凹陷。侏罗系底部镜质体反射率一般为0.8%~1.1%，最大不超过1.3%，其中七克台组只分布在胜北次凹中；在胜北和丘东次凹主体范围内，从中燕山期起已进入有效生烃门限,与构造运动的时限一致。台北凹陷下侏罗统的烃源岩已处于生烃高峰期，中侏罗统大部分进入生烃门限，处于低熟—成熟阶段，有效生烃区主要分布于台北凹陷的中北部（图3）。

图3(Fig.3)

图3 吐哈盆地侏罗系页岩镜质体反射率分布图（据文献[9]修改） Fig.3 The distribution of vitrinite reflectance of Jurassic shale in Turpan-Hami Basin (modified after reference [9])

中上三叠统小泉沟群泥页岩现今演化阶段为成熟—高成熟阶段，此前在侏罗纪末燕山运动时处于原油生成的高熟阶段（Ro=1.1%~1.4%）。之后由于埋藏增温速率降低等原因演化渐趋停滞，至晚喜山期时仍保持在高— 过成熟阶段（Ro=1.2% ~1.5%）。小泉沟群页岩最早于中燕山运动时才进入低熟演化阶段，晚喜山期时处于原油生成的中—高成熟阶段（Ro=0.9%~1.2%）（图4）。

图4(Fig.4)

图4 吐哈盆地中上三叠统小泉沟群泥页岩现今Ro等值线图 Fig.4 Middle-Upper Triassic Xiaoquangou Formation shale Ro isogram in Turpan-Hami Basin

中、下二叠统桃东沟群页岩的母质类型为Ⅱ-Ⅲ型，根据古地温梯度及页岩埋藏史研究所计算的温热成熟度指数（TTI 法）结果表明：中、下二叠统桃东沟群泥页岩主体在早燕山运动时（J1-2sh 沉积中、后期）已处于原油生成的低熟阶段（Ro=0.6%~0.9%，绝大部分大于0.7%）。桃东沟群现今有机质为成熟—高成熟阶段（图5）。

图5(Fig.5)

图5 吐鲁番坳陷P2页岩综合评价图 Fig.5 Comprehensive evaluation of P2 shale in Turpan depression

石炭系泥页岩现今镜质体反射率大于2%，烃源岩母质类型以Ⅲ₁型为主，兼有Ⅱ型。

页岩的主要矿物成分为黏土矿物，其余依次为石英、长石等碎屑矿物和少量自生非黏土矿物，包括锰、铁、铝的氢氧化物和氧化物、碳酸盐、硫化物、硫酸盐、硅质矿物及一些磷酸盐等^{[21, 22]}。

游离态页岩气主要储存于岩石孔隙与裂隙之中，而裂缝发育的内因主要取决于页岩矿物学特征。黄铁矿的普遍存在表明页岩原始沉积时的还原环境有利于有机质的保存，因此黄铁矿含量与吸附气含量呈正相关^{[21, 22, 23]}。同时黏土矿物往往具有较高的微孔隙体积和较大的比表面积,吸附性能较强。

吐哈盆地页岩中石英、长石等脆性矿物含量高（>75%），从而导致其造缝能力强，容易产生裂缝网络，为游离态页岩气的富集创造了有利条件。黏土矿物的质量分数集中分布在40%~75%（图6），因此具有较大的微孔总体积和较大的比表面积，同时黄铁矿含量高也证明该区域页岩有较高的吸附能力。综合得出吐哈盆地页岩的矿物组成也有利于吸附型页岩气的富集。

图6(Fig.6)

图6 吐哈盆地泥页岩矿物成分三角图（据文献[9]修改） Fig.6 Mineral composition of shale in Turpan-Hami Basin (modified after reference [9])

页岩层厚度在一定程度上控制着页岩气藏规模大小及经济效益，而随着埋深的增加，温度、压力不断升高，有机质成熟度随之增大，更有利于页岩气的生成和吸附^{[24, 25, 26]}。

下侏罗统煤系地层厚度中心在托克逊凹陷和台北凹陷，最大厚度超过100 m（图7），中侏罗统是滨浅湖背景下的浅湖沼泽相沉积,主要发育一系列辫状河三角洲、扇三角洲砂体,及少量的河流-冲积扇砂体和滨湖滩坝砂体。

图7(Fig.7)

图7 吐哈盆地西山窑组暗色泥岩厚度等值线图（据文献[9]修改） Fig.7 Xishanyao Formation dark mudstone thickness isoline in Turpan-Hami Basin (modified after reference [9])

哈密坳陷上三叠统页岩厚度为100~300 m。吐哈盆地中、下二叠统桃东沟群暗色泥岩和泥灰岩集中分布于上部的塔尔朗组。据台南、台北凹陷钻井资料和以及台北凹陷周边露头的资料推断，桃东沟群页岩主要分布于台北凹陷，台南凹陷仅有局部分布。台北凹陷的页岩厚度为渐变特征，厚度中心在北部的恰勒坎东—二塘沟一带，暗色泥岩最厚可达600 m（图8）。

图8(Fig.8)

图8 吐哈盆地二叠系桃东沟群（P2td）页岩厚度图 Fig.8 Permian Taodonggou Group (P2td) shale thickness in Turpan-Hami Basin

哈密南部的小黄山一带下石炭统亚满苏组（C₁y）为含碳泥质岩，东部厚度为288 m，向西增厚至684 m。

吐哈盆地二叠系、三叠系含页泥岩地层埋深较大，大部分区域埋深超过3500 m，利于页岩气的生成与富集。

页岩气成藏体现出无运移或短距离运移的特征，泥页岩中的裂缝和微孔隙成了主要的运移通道，而常规天然气成藏除了烃类气体在泥页岩中的初次运移以外，还需在储集层中通过断裂、孔隙等输导系统进行二次运移^{[26, 27]}。

在赋存方式上，二者差别较大，首先，储集层和储集空间不同（常规天然气储集于碎屑岩或碳酸盐岩的孔隙、裂缝、溶孔、溶洞中，页岩气储集于泥页岩黏土矿物和有机质表面、微孔隙中）；其次，常规天然气以游离赋存为主，页岩气以吸附和游离赋存方式为主^[25]。

在盖层条件方面，鉴于页岩气的赋存方式，其对上覆盖层条件的要求比常规天然气要低，地层压力的降低可以造成页岩气解吸和散失。

页岩气的成藏过程和成藏机理与煤层气极其相似^{[28, 29]}，吸附气成藏机理、活塞式气水排驱成藏机理和置换式运聚成藏机理在页岩气的成藏过程中均有体现。

根据吐哈盆地生储盖组合（图9）可以得出：（1）中、下侏罗统水西沟群的煤系地层附近发育有4 套良好的盖层，分别是三间房组下段泥岩以及下侏罗统的3 套区域性盖层，它们控制了页岩气的分布。

图9(Fig.9)

图9 吐哈盆地生储盖组合示意图❶(❶王志勇. 吐哈盆地含油气系统分析及勘探防线优选[D]. 中国石油吐哈油田勘探开发研究院，2005.) Fig.9 Assemblage diagram of Turpan-Hami basin source reservoir cap❶(❶王志勇. 吐哈盆地含油气系统分析及勘探防线优选[D]. 中国石油吐哈油田勘探开发研究院，2005.)

（2）中、上三叠统内部及上部发育有多套盖层，特别是郝家沟组中上部泥岩段厚度一般有100~300 m，加之上覆有水西沟群巨厚煤系地层（其中的砂砾岩也十分致密），共同组成了下含油气系统的区域盖层，使上三叠统成为最好的储集层段。

（3）中、下二叠统桃东沟群内发育有一套盖层，厚度大、岩性纯、分布稳定，为一套优秀的区域性盖层，能够较好控制桃东沟群泥岩所生成页岩气的聚集与分布。

三叠统地层含气量范围一般在1.5~4 m³/t,取平均值3 m³/t 进行资源量估算。综合评价分析哈密三堡凹陷是寻找三叠系页岩气的有利区域。吐哈盆地哈4 井上三叠统发育大套炭质泥岩、暗色泥岩夹煤层。富有机质泥页岩厚度为150 m；有机碳TOC含量在1.0%~20.5%变化，平均值为2.88%；成熟度Ro 分布在0.8%~1.5%，平均值为1.1%；炭质泥岩段气测异常明显（图10）。

图10(Fig.10)

图10 吐哈盆地哈4井三叠系页岩随钻含气评价图❶(❶黄卫东. 吐哈探区源岩油气勘探开发前景评估及有利区块优选[D].中国石油吐哈油田勘探开发研究院. 2010.) Fig.10 Ha4 well Triassic shale gas evaluation of Turpan- Hami Basin❶(❶黄卫东. 吐哈探区源岩油气勘探开发前景评估及有利区块优选[D].中国石油吐哈油田勘探开发研究院. 2010.)

吐哈盆地中，中、下二叠统桃东沟群（图11）发育厚度较大、有机质含量较高的暗色泥岩。富有机质泥页岩厚度为150 m；有机碳TOC 含量在1.0%~15.3%变化，平均值为2.9%；成熟度Ro 分布在0.5%~0.8%范围内；炭质泥岩段气测异常明显。台南凹陷、台北凹陷南缘、托克逊凹陷的西部及北部地区是桃东沟期良好页岩的主要发育区。

图11(Fig.11)

图11 吐哈盆地艾参1 井二叠系页岩评价综合图❷(❷崔传智. 东疆地区页岩气潜力评价及有利区带优选[R].项目报告.2010.) Fig.11 Aican1 well Permian shale comprehensive evaluation of Turpan-Hami Basin❷(❷崔传智. 东疆地区页岩气潜力评价及有利区带优选[R].项目报告.2010.)

通过研究吐哈盆地几套烃源岩的生烃潜力、岩石矿物成份对裂缝形成以及吸附页岩气能力的影响，并且分析泥页岩厚度、埋深以及附近盖层特征，最后综合参考国内学者提出的适用于中国页岩气工业的有利区综合评价标准^{[28, 29, 30]}做出有利区预测：

吐哈盆地中生界侏罗系镜质体反射率偏低，多数泥页岩处于低熟阶段，古生界石炭系泥页岩TOC含量较小，不利于大量生烃，两者皆不利于页岩气的富集成藏^{[1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 30]}。因此选择二叠系桃东沟群和中、上三叠统小泉沟群作为页岩气的主力研究层位。

中、上三叠统小泉沟群有利区分布于三堡凹陷；桃东沟群有利区分布于台南凹陷、台北凹陷中北部、托克逊凹陷中部及哈密坳陷的北部。

（1）吐哈盆地泥页岩分布面积广泛、厚度大，其中页岩分布较广的地层有机碳含量高、热演化程度高、有机质类型好。黄铁矿、黏土矿物含量较高，体现出较高的吸附能力；同时石英等脆性矿物含量高，易受外力作用影响形成天然裂缝与诱导裂缝网络结构，有利于页岩气以游离态的形式赋存。

（2）吐哈盆地各套富含有机质泥页岩层位内部或附近都发育有良好的盖层，为控制页岩气藏的聚集与分布提供有利条件。

（3）三叠系小群沟群和二叠系桃东沟群2 套页岩气测结果显著，资源潜力巨大。其中三堡凹陷是三叠系页岩气勘探的有利区域；台南凹陷、台北凹陷南缘、托克逊凹陷的西部及北部地区是桃东沟群页岩气勘探有利区。