蔣有錄, 張文杰, 劉　華, 楊德相, 王　鑫

(1.中國石油大學(xué)(華東)地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東青島 266580; 2.中國石油華北油田勘探開發(fā)研究院,河北任丘 062552)

儲(chǔ)層流體包裹體記錄了油氣運(yùn)移聚集過程中的溫度、壓力及成分等重要信息[1-2],對(duì)恢復(fù)地層流體壓力[3]、確定油氣的充注時(shí)間和期次[4-7]具有重要作用,已成為一種沉積盆地流體歷史研究的重要工具。近二十年來,地質(zhì)工作者利用儲(chǔ)層流體包裹體提供的信息,對(duì)油氣充注歷史開展了卓有成效的工作,并取得了大量成果[3-9]。在富油凹陷中,不同生烴洼陷主力烴源巖熱演化生烴史及分布的差異導(dǎo)致不同地區(qū)及層系的油氣成藏期不盡相同[8],搞清這種差異性對(duì)于油氣勘探評(píng)價(jià)有重要意義。饒陽凹陷是渤海灣盆地西部典型的富油凹陷,古近系油氣資源豐富,凹陷中發(fā)育多個(gè)生烴洼陷(洼槽),古近系不同層系油氣成藏期尚未開展系統(tǒng)研究,不同地區(qū)古近系成藏期的演變規(guī)律尚不清楚。因此研究饒陽富油凹陷古近系油氣成藏期,對(duì)研究區(qū)及渤海灣盆地其他富油凹陷油氣成藏研究及深化勘探具有重要意義。筆者利用大量古近系儲(chǔ)層流體包裹體樣品,根據(jù)烴類包裹體宿主礦物序次,包裹體巖相學(xué)特征、顯微熒光特征以及顯微測溫?cái)?shù)據(jù),結(jié)合主力烴源巖熱演化生烴史,分析饒陽凹陷古近系油氣成藏期及不同地區(qū)成藏期演變規(guī)律。

1　地質(zhì)背景

饒陽凹陷位于渤海灣盆地冀中坳陷中部,東臨獻(xiàn)縣凸起,西至高陽低凸起,南至衡水?dāng)鄬?北與霸縣凹陷相鄰,面積約6 300 km2,是一個(gè)東斷西超的新生代箕狀凹陷[10]。受斷裂構(gòu)造的控制,自西向東依次劃分為西部斜坡帶、西部次洼槽帶、中央隆起帶、東部主洼槽帶和東部陡坡帶5個(gè)次級(jí)構(gòu)造單元。新生代凹陷經(jīng)歷了古近紀(jì)斷陷,新近紀(jì)及第四紀(jì)整體拗陷兩大階段[11],古近紀(jì)末構(gòu)造抬升,古近系遭受較大幅度的剝蝕。受多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的作用,饒陽凹陷具有多洼共生的特點(diǎn),自北向南依次發(fā)育任西、馬西、河間、留西與饒南5個(gè)生油洼槽(圖1),不同洼槽的沉降埋藏史差異較大。饒陽凹陷主力烴源巖層為古近系沙河街組三段和沙一下亞段[12],自下而上發(fā)育3套主要儲(chǔ)集層系,即中上元古界及下古生界碳酸鹽巖、古近系和新近系碎屑巖儲(chǔ)層,油氣主要賦存于上元古界、下古生界和古近系,新近系儲(chǔ)量較少[13],古近系勘探潛力巨大[10]。古近系沙河街組一段和新近系明化鎮(zhèn)組為區(qū)域性良好蓋層。油氣富集于深洼槽周圍正向構(gòu)造帶,主要圍繞生烴洼槽呈“環(huán)洼分布”[13],生烴洼槽中心部分油氣分布較少。

圖1　饒陽凹陷區(qū)域構(gòu)造及樣品分布位置Fig.1　Regional tectonics and locations of fluid inclusion samples in Raoyang Depression

2　流體包裹體特征

系統(tǒng)采集了饒陽凹陷古近系砂巖儲(chǔ)層(東營組、沙一段、沙二段、沙三段)140余塊樣品并制作了包裹體薄片,樣品分布如圖1所示,對(duì)包裹體的巖相學(xué)特征及顯微測溫特征進(jìn)行了分析。包裹體觀察采用蔡司數(shù)字偏光顯微鏡(ZEISS AXIO Imager D1m),熒光激發(fā)光源選用紫外+紫熒光濾片,顯微測溫儀器為Linkam THMS600G冷熱臺(tái)。

2.1　包裹體巖相學(xué)特征

透射光和熒光薄片顯微觀察表明,饒陽凹陷古近系砂巖儲(chǔ)層發(fā)育大量流體包裹體,直徑一般為5～15 μm,形狀為橢圓型、長條形和不規(guī)則形等,根據(jù)相態(tài)和成分特征可以劃分為純液相油包裹體、純氣相包裹體、氣液兩相油包裹體和鹽水包裹體等類型。大部分樣品中檢測到油包裹體,在紫外光激發(fā)下發(fā)黃色、橙色、黃綠色、藍(lán)綠色等多種熒光,其中以黃綠色、藍(lán)綠色熒光油包裹體數(shù)量最多,主要賦存于石英顆粒表面及穿石英顆粒裂紋內(nèi),其次為黃色熒光油包裹體,分布于石英顆粒內(nèi)裂紋及河間洼槽長石溶蝕孔縫中,橙色熒光油包裹體僅在任西洼槽長3井沙一段儲(chǔ)層樣品中有所發(fā)現(xiàn)。少量樣品內(nèi)可觀測到純氣相包裹體,在紫外光激發(fā)下不發(fā)熒光或發(fā)弱黃白色熒光,賦存于石英顆粒表面。鹽水包裹體以氣液兩相為主,不發(fā)熒光,分布于烴類包裹體發(fā)育的裂隙內(nèi),兩者呈現(xiàn)一定的伴生關(guān)系(圖2)。

圖2　饒陽凹陷古近系儲(chǔ)層流體包裹體特征Fig.2　Characteristics of fluid inclusions in Paleogene reservoirs in Raoyang Depression

2.2　包裹體期次劃分

烴類包裹體期次的劃分是確定油氣成藏期次及充注時(shí)間的基礎(chǔ)和關(guān)鍵,包裹體期次劃分的準(zhǔn)確性直接影響顯微測溫及油氣成藏期分析的結(jié)果[14-16]。不能僅根據(jù)包裹體顯微熒光特征劃分期次,即認(rèn)為存在幾種不同熒光顏色的包裹體就劃分為幾期,或者僅根據(jù)顯微測溫結(jié)果,即包裹體均一溫度直方圖有幾個(gè)峰值區(qū)間就劃分為幾期。包裹體宿主礦物成巖演化序列是包裹體期次劃分的根本依據(jù)[17]。研究通過鑄體薄片觀察,綜合自生礦物的形態(tài)、交代切割及溶解充填關(guān)系、烴源巖熱演化史分析及流體包裹體測溫結(jié)果確定饒陽凹陷古近系儲(chǔ)層成巖演化序列為:壓實(shí)作用、黃鐵礦膠結(jié)/早期方解石/泥晶白云石膠結(jié)(38～31 Ma)→長石溶蝕/巖屑溶蝕/石英加大(31～23 Ma)→碳酸鹽膠結(jié)/石英溶蝕(23～15 Ma)→長石溶蝕/巖屑溶蝕/膠結(jié)物溶蝕/石英加大(15～5 Ma)→碳酸鹽膠結(jié)/黃鐵礦膠結(jié)(5 Ma～現(xiàn)今)(圖3)。

統(tǒng)計(jì)表明,賦存于不同成巖礦物中的包裹體的形成深度有一定分布規(guī)律:早期碳酸鹽膠結(jié)物中的包裹體出現(xiàn)在2 500～3 500 m,石英顆粒內(nèi)裂紋中的包裹體分布在2 800～4 000 m,長石溶蝕孔縫中的包裹體分布在3 500～4 500 m,穿石英顆粒裂紋中的包裹體分布在3 500～4 800 m,石英顆粒表面的包裹體在各深度段均有分布。結(jié)合儲(chǔ)層埋藏史分析表明,早期碳酸鹽膠結(jié)物及石英顆粒內(nèi)裂紋中的烴類包裹體形成于東營組沉積末期,而長石溶蝕孔縫及穿石英顆粒裂紋中的烴類包裹體是在古近紀(jì)末構(gòu)造抬升之后再次沉降時(shí)期形成的。

根據(jù)包裹體宿主礦物的成巖演化序列,結(jié)合包裹體的巖相學(xué)和顯微熒光特征,將饒陽凹陷烴類包裹體劃分為2期(圖3)。第Ⅰ期烴類包裹體分布在早期碳酸鹽膠結(jié)物、石英顆粒表面及石英顆粒內(nèi)裂紋中(圖2(a)、(b)),零星分布或群體分布,多為氣液兩相油包裹體和液相油包裹體,紫外光激發(fā)下發(fā)橙色、黃色及黃綠色熒光;第Ⅱ期烴類包裹體賦存于長石溶蝕孔縫及穿石英顆粒裂紋中(圖2(c)～(f)),串珠狀分布或群體分布,以氣液兩相油包裹體為主,部分為氣相包裹體和氣泡較大的凝析油包裹體(圖2(g)、(h)),顯示黃綠至藍(lán)綠色熒光。同時(shí),碎屑巖顆粒間及裂縫內(nèi)充填有大量碳質(zhì)瀝青,透射光及熒光下均為黑色(圖2(i)、(j)),這種黑色碳質(zhì)瀝青是早期充注的油氣遭受蝕變形成的殘留產(chǎn)物。此外,研究區(qū)還發(fā)育兩種類型的油質(zhì)瀝青,即以顯示黃色熒光為主的油質(zhì)瀝青和以顯示藍(lán)綠色熒光為主的油質(zhì)瀝青(圖2(k)、(l))。

圖3　饒陽凹陷古近系成巖演化序列與儲(chǔ)層埋藏史結(jié)合劃分包裹體期次Fig.3　Using diagenetic sequence and burial history to determine the periods of inclusions

2.3　包裹體顯微測溫

均一溫度代表了流體包裹體形成時(shí)所經(jīng)歷的溫度,與烴類包裹體伴生的鹽水包裹體均一溫度的穩(wěn)定性較高,因此通過測定伴生鹽水包裹體的均一溫度,進(jìn)一步結(jié)合儲(chǔ)層埋藏受熱史,可以確定油氣充注時(shí)間[1-2,18-20]。根據(jù)上述劃分的烴類包裹體期次,對(duì)不同期次包裹體所伴生的鹽水包裹體進(jìn)行均一溫度測試。結(jié)果表明,伴生鹽水包裹體的均一溫度分布范圍為70～160 ℃(圖4(a))。不同期次包裹體的均一溫度分布存在差別:第Ⅰ期伴生鹽水包裹體均一溫度分布范圍為70～130 ℃,峰值區(qū)間為90～100 ℃;第Ⅱ期伴生鹽水包裹體分布范圍為80～160 ℃,峰值區(qū)間為120～140 ℃。其中,近黃色熒光油包裹體的伴生鹽水包裹體均一溫度介于75.4～124.6 ℃,近橙色熒光油包裹體的伴生鹽水包裹體均一溫度介于93.6～108.8 ℃,近黃綠色熒光油包裹體的伴生鹽水包裹體均一溫度介于81.2～137.5 ℃,近藍(lán)綠色熒光油包裹體的伴生鹽水包裹體均一溫度介于90.1～158.9 ℃(圖4(b))。

鹽度是流體包裹體研究中一個(gè)重要的地球化學(xué)參數(shù),反映了成藏流體的物理化學(xué)性質(zhì)和流體來源[3]。根據(jù)鹽水包裹體測定的冰點(diǎn)溫度可以計(jì)算鹽度,計(jì)算結(jié)果表明,古近系儲(chǔ)層伴生鹽水包裹體鹽度變化范圍較大,主要分布范圍為2%～16%(圖5),存在高鹽度和低鹽度共存的現(xiàn)象,說明了流體充注的復(fù)雜性。其中第Ⅰ期伴生鹽水包裹體鹽度較低,分布范圍為2%～16%;第Ⅱ期伴生鹽水包裹體分布范圍為5%～20%。

圖4　饒陽凹陷古近系儲(chǔ)層流體包裹體均一溫度分布Fig.4　Histogram of homogenization temperatures of fluid inclusions in Paleogene reservoirs in Raoyang Depression

包裹體的密度與均一溫度、鹽度之間存在著一定的關(guān)系,對(duì)于NaCl-H2O 體系,可以利用溫度-鹽度-密度相圖來確定流體密度[21]。從相圖來看,包裹體密度一般為0.95～1.1 g·cm-3(圖5),均一溫度和鹽度之間沒有明顯的相關(guān)關(guān)系,可能因?yàn)榘w形成于一個(gè)相對(duì)開放的環(huán)境。早期高鹽度伴生鹽水包裹體密度分布在1.00～1.10 g·cm-3,晚期低鹽度包裹體分布范圍為0.95～1.05 g·cm-3。

圖5　饒陽凹陷古近系儲(chǔ)層流體包裹體密度分布Fig.5　Distribution of densities of fluid inclusions in Paleogene reservoirs in Raoyang Depression

綜上可知,饒陽凹陷古近系砂巖儲(chǔ)層第 Ⅰ 期伴生鹽水包裹體具有低溫、中高鹽度、高密度特征,第 Ⅱ 期伴生鹽水包裹體則具有高溫、中低鹽度、低密度特征,反映了兩期包裹體的存在,也反映了兩次油氣充注過程。

3　源巖熱演化史與成藏期綜合分析

3.1　烴源巖熱演化生烴史

烴源巖熱演化生烴史分析是成藏期研究的基礎(chǔ)[22],利用PetroMod盆地模擬軟件對(duì)饒陽凹陷30口探井主力烴源巖的熱演化生烴史進(jìn)行了模擬。以河間洼槽為例,分別對(duì)洼陷中心寧古4井和洼陷南緣留63井的熱演化史進(jìn)行分析。結(jié)果表明,洼陷中心沙三段烴源巖熱演化程度較高,東營組沉積早期(30 Ma)進(jìn)入生烴門限(Ro=0.5%),東營組沉積后期(27 Ma)進(jìn)入生烴高峰(Ro=0.7%),此時(shí)沙一下亞段烴源巖進(jìn)入生烴門限,明化鎮(zhèn)組沉積中期(8 Ma),沙三段烴源巖進(jìn)入高成熟階段(Ro=1.0%),沙一下亞段烴源巖進(jìn)入成熟階段,大部分油氣在此時(shí)生成,烴源巖進(jìn)入生烴高峰期(圖6(a))。洼陷邊緣烴源巖抬升剝蝕作用強(qiáng)烈,地層埋深較淺,烴源巖熱演化程度較低,沙三段烴源巖在館陶組沉積中期(20 Ma)開始生烴,沙一下亞段烴源巖在明化鎮(zhèn)組沉積早期(10 Ma)進(jìn)入生烴門限并開始排烴,一直持續(xù)至今(圖6(b))。

綜合不同地區(qū)烴源巖熱演化生烴史可以看出,饒陽凹陷古近系主力烴源巖沙三段、沙一段存在兩期主要生烴期,第一期是古近紀(jì)末期東營組沉積中后期,第二期為館陶組沉積末期至明化鎮(zhèn)組沉積時(shí)期,以第二期生烴為主。

3.2　成藏期綜合分析

根據(jù)烴類包裹體的巖相學(xué)特征和顯微測溫結(jié)果,結(jié)合烴源巖的熱演化生烴史分析,顯示研究區(qū)存在兩期油氣充注過程。在此基礎(chǔ)上,運(yùn)用流體包裹體均一溫度-埋藏史投影法,即可獲取確切的油氣充注時(shí)間。寧古4井沙三段儲(chǔ)層鹽水包裹體均一溫度存在90～105 ℃和110～120 ℃兩個(gè)區(qū)間,顯示出兩期成藏的特征:第一期在28.6～26.6 Ma,即東營組沉積后期至抬升初期;第二期在12.5～6.8 Ma,即館陶組沉積末期至明化鎮(zhèn)組沉積期,為主成藏期(圖6(a))。留63井沙三段儲(chǔ)層鹽水包裹體均一溫度為90～115 ℃,結(jié)合儲(chǔ)層埋藏史確定為明化鎮(zhèn)組沉積期(10.2～2.5 Ma)一期成藏(圖6(b))。

圖6　利用流體包裹體均一溫度與源巖熱演化生烴史確定河間洼槽古近系油氣成藏期Fig.6　Hydrocarbon accumulation time determined by homogenization temperature combined with hydrocarbon-generating history of source rocks

表1　饒陽凹陷不同地區(qū)古近系儲(chǔ)層流體包裹體特征及成藏期分析

續(xù)表

對(duì)研究區(qū)35口單井主力儲(chǔ)層流體包裹體的特征進(jìn)行了分析,將各期次與烴類包體伴生鹽水包裹體的均一溫度投影到對(duì)應(yīng)的埋藏受熱史圖上,獲得各單井主力儲(chǔ)層的油氣充注時(shí)間(表1)。綜合分析各類成藏期資料表明,饒陽凹陷古近系具有兩期油氣成藏:第一期為東營組沉積后期至抬升初期,該時(shí)期僅洼陷中心烴源巖進(jìn)入生烴門限,油氣多以“自生自儲(chǔ)”式就近聚集成藏,且分布范圍及層系局限,主要富集于沙三段生烴層系中;第二期為館陶組沉積末期至明化鎮(zhèn)組沉積期,此時(shí)烴源巖進(jìn)入生排烴高峰期,大多數(shù)油藏在此時(shí)形成,是饒陽凹陷古近系主要成藏期。

利用上述方法,獲得了饒陽凹陷古近系儲(chǔ)層油氣的充注時(shí)間,將各充注時(shí)間統(tǒng)一標(biāo)定到同一坐標(biāo)軸上,對(duì)比洼槽中心與斜坡帶等不同構(gòu)造帶油氣成藏期的差異可看出,斜坡帶為一期成藏,成藏時(shí)間較晚,為明化鎮(zhèn)組沉積中后期至今(6～0 Ma);洼槽帶成藏時(shí)間早,為兩期成藏,第一期為東營組沉積后期至抬升初期(28.6～25.5 Ma),第二期為館陶組沉積末期至明化鎮(zhèn)組沉積期(13～6 Ma),第二期為主成藏期;中央隆起帶為一期成藏,即明化鎮(zhèn)組沉積期(8～2 Ma)(圖7)。

圖7　饒陽凹陷不同區(qū)帶古近系儲(chǔ)層油氣成藏期次劃分和成藏時(shí)期確定Fig.7　Determination of hydrocarbon charging periods and ages in Paleogene reservoirs in Raoyang Depression

4　油氣成藏期演變規(guī)律

富油凹陷往往發(fā)育多個(gè)生烴洼陷,不同洼陷沉降幅度、烴源巖特征及熱演化生烴史存在較大差異,造成不同地區(qū)成藏期不盡相同,并呈現(xiàn)一定的演變規(guī)律[8,23]。饒陽凹陷不同生烴洼陷烴源巖熱演化程度差異明顯,其中,河間洼槽烴源巖熱演化程度最高,東營組沉積末期,沙三段烴源巖大部分已進(jìn)入生烴門限,開始生成部分低熟油;館陶組沉積末期,沙一下亞段烴源巖進(jìn)入生烴門限,沙三段進(jìn)入生烴高峰。馬西洼槽及留西洼槽熱演化程度相對(duì)較低,沙三段烴源巖底部在東營組沉積末期進(jìn)入生低熟油階段;任西洼槽熱演化程度最低,東營組沉積末期烴源巖未進(jìn)入生烴門限,館陶組沉積末期沙三段烴源巖進(jìn)入生烴門限(圖8)。

圖8　饒陽凹陷不同生烴洼陷主力烴源巖演化差異Fig.8　Thermal evolution differences of source rocks in different sags in Raoyang Depression

饒陽凹陷不同地區(qū)、不同含油氣層系的油氣成藏期(表1)存在差異:第一期成藏范圍局限,主要分布于生烴洼陷中心,包括河間洼槽、馬西洼槽及留西洼槽南部,以沙三段生烴層系中的巖性油氣藏為主;第二期成藏在全區(qū)廣泛分布,其中南部河間、留西洼槽晚期成藏時(shí)間相對(duì)較早,北部馬西、任西洼槽較晚。蠡縣斜坡帶、大王莊、肅寧、八里莊構(gòu)造帶等遠(yuǎn)離生烴洼陷的地區(qū)只有第二期成藏,以構(gòu)造、構(gòu)造-巖性油氣藏為主。由洼槽內(nèi)部到洼槽邊緣,油氣成藏期由兩期成藏晚期為主過渡為一期晚期成藏,成藏時(shí)間逐漸變晚?？v向上,不同層系油氣成藏期分布具有上部層系單期、下部層系多期的特征,即沙三段為兩期成藏,東營組、沙一段及沙二段以第二期成藏為主,其中河間洼槽中心區(qū)主力生烴層系沙一下亞段也表現(xiàn)為兩期成藏(圖9)。

圖9　饒陽凹陷主要含油氣層系流體包裹體期次分布Fig.9　Distribution of hydrocarbon inclusions in major petroleum bearing formations in Raoyang Depression

5　結(jié)　論

(1)饒陽凹陷古近系儲(chǔ)層發(fā)育兩期烴類包裹體:第Ⅰ期包裹體分布于碳酸鹽膠結(jié)物及石英顆粒內(nèi)裂紋中,成熟度較低,發(fā)近黃色熒光,具有低溫、高鹽度、高密度特征;第Ⅱ期包裹體賦存于長石粒內(nèi)溶蝕孔縫及穿石英顆粒裂紋中,成熟度高,發(fā)近藍(lán)綠色熒光,具有高溫、低鹽度、低密度特征。

(2)研究區(qū)存在古近紀(jì)東營期和新近紀(jì)館陶末至明化鎮(zhèn)期兩次生烴期。早期烴類包裹體伴生鹽水包裹體均一溫度主峰區(qū)間為90～100 ℃,晚期包裹體主峰區(qū)間為120～140 ℃。研究區(qū)古近系為兩期成藏:第一期為東營組沉積后期至抬升初期,第二期為館陶組沉積末期至明化鎮(zhèn)組沉積期,第二期為主成藏期。

(3)饒陽凹陷不同地區(qū)、不同含油氣層系成藏期存在差異性:第一期成藏主要分布于生烴洼陷中心,第二期成藏在全區(qū)廣泛分布。由洼內(nèi)到洼緣,成藏期由兩期成藏晚期為主過渡為一期晚期成藏,成藏時(shí)間逐漸變晚?？v向上,上部層系多為單期成藏,下部層系多為兩期成藏,第一期成藏集中于主力生烴層系內(nèi)。