郝 鵬,楊紀(jì)磊,張旭東,臧春艷,陳容濤,王 波,稅蕾蕾,王思惠,蔡 濤
(1.中海油能源發(fā)展股份有限公司工程技術(shù)分公司 中海油實(shí)驗(yàn)中心, 天津 300452;2.中海石油(中國)有限公司 天津分公司,天津 300459)
成藏過程反演是含油氣系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容,包括了油氣的生成、運(yùn)移、聚集等環(huán)節(jié),是認(rèn)識(shí)油氣分布規(guī)律,指導(dǎo)油氣藏持續(xù)勘探的關(guān)鍵[1-4]。油氣包裹體作為油氣在儲(chǔ)層運(yùn)移聚集成藏過程中最直接證據(jù),是油氣成藏研究的重要載體[5-9]。通過對(duì)儲(chǔ)層中油氣包裹體的系統(tǒng)研究,可以反演儲(chǔ)層成巖歷史時(shí)期油氣運(yùn)移、聚集、成藏過程。經(jīng)典的烴類包裹體分析手段包括包裹體巖相學(xué)觀察、偏光—熒光等光學(xué)特征分析、同期鹽水均一溫度測試,應(yīng)用最普及的是利用捕獲溫度結(jié)合埋藏史和熱演化史來確定成藏期次與時(shí)間。近年來,隨著渤海油田勘探逐步向深層拓展,發(fā)現(xiàn)渤中凹陷西南環(huán)、黃河口凹陷西北半環(huán)陡坡帶等重點(diǎn)探區(qū)多源多期成藏[10-12],成藏條件復(fù)雜。一方面,以往基于圈閉形成時(shí)間法、飽和壓力法等構(gòu)造演化模擬的研究,缺少地球化學(xué)多證據(jù)精確結(jié)果的支撐。另一方面,前人研究多僅依據(jù)包裹體巖相學(xué)確定油藏的充注期次、時(shí)間和古壓力[13-15],無法立體化、動(dòng)態(tài)化地恢復(fù)油氣成藏及可能的后期改造過程,成藏事件、油水界面變遷,不同期次對(duì)現(xiàn)今油氣貢獻(xiàn)度以及古油藏規(guī)模等關(guān)鍵點(diǎn)缺乏定量化實(shí)驗(yàn)技術(shù)的反演。
近年來,流體包裹體分析技術(shù)朝著精細(xì)化、系統(tǒng)化和全面化的方向發(fā)展,涌現(xiàn)了很多流體包裹體實(shí)驗(yàn)測試的新技術(shù),傅立葉紅外光譜技術(shù)[16-18]可判斷通過半定量的基團(tuán)比值計(jì)算烴類成分特征,儲(chǔ)層定量熒光技術(shù)可識(shí)別儲(chǔ)層含油性、運(yùn)移路徑、油水界面變遷等[19-24]。在油氣包裹體巖相學(xué)分析基礎(chǔ)上,儲(chǔ)層定量熒光等技術(shù)手段相互補(bǔ)充,結(jié)合年代標(biāo)定、構(gòu)造演化,可以定時(shí)、定量化地動(dòng)態(tài)恢復(fù)油氣藏的演化歷程,指導(dǎo)油氣勘探。
渤海灣盆地渤中凹陷西北緣陡坡帶位于石臼坨凸起西南部,緊鄰渤中凹陷西次洼,是石臼坨凸起億噸級(jí)大油田油氣運(yùn)移的必經(jīng)之路,近年來獲得了勘探重大突破,儲(chǔ)量規(guī)模達(dá)上億噸,但是油氣分布橫向差異明顯,東部儲(chǔ)量顯著高于西部,成藏條件復(fù)雜。前人對(duì)渤中凹陷西北緣陡坡帶的構(gòu)造-巖性圈閉的形成及分布規(guī)律[24]、邊界斷層面的特征[25]等進(jìn)行了研究,對(duì)陡坡帶的油氣成藏的研究具有一定的指示意義,但沒有從古流體和現(xiàn)代流體特征角度進(jìn)行系統(tǒng)的成藏過程恢復(fù)且陡坡帶油氣差異聚集機(jī)理尚不明確。本文重點(diǎn)利用包裹體巖相學(xué)、儲(chǔ)層定量熒光技術(shù)、油氣地球化學(xué)數(shù)據(jù),結(jié)合埋藏史、熱史恢復(fù)及構(gòu)造演化,恢復(fù)陡坡帶的油氣成藏過程,尋找差異成藏原因,以期對(duì)渤中凹陷西北緣陡坡帶的下一步勘探提供認(rèn)識(shí)。
渤海灣盆地渤中凹陷西北緣陡坡帶位于石臼坨凸起西南部,北部邊界斷層發(fā)育[25],南部緊鄰渤中凹陷西次洼(圖1)。研究區(qū)發(fā)育東三段、東二上亞段、明下段等多套有利儲(chǔ)蓋組合,鉆井揭示的地層由老至新依次發(fā)育古近系沙河街組沙三段(Es3)和沙一段(Es1),古近系東營組東三段(Ed3)、東二段(Ed2)和東一段(Ed1),新近系館陶組(Ng)、明化鎮(zhèn)組(Nm),第四系平原組(Qp)。研究區(qū)具復(fù)式油氣藏特點(diǎn)(圖2),西區(qū)(C7井、C10井、C9井、C4井)油氣主要分布于新近系明下段儲(chǔ)層,東區(qū)(C2井、C3井、C6井、C8井、C1井、C5井)油氣主要發(fā)育在古近系東三段、東二下亞段和新近系館陶組、明下段儲(chǔ)層,油氣分布橫向差異性明顯,油層厚度東區(qū)占全區(qū)近88%。
圖1 渤中凹陷西北緣陡坡帶構(gòu)造位置圖
圖2 渤中凹陷西北緣陡坡帶油藏分布剖面圖
凹陷烴源巖生烴史和油氣來源分析是油氣充注史研究的基礎(chǔ)[26-27]。勘探實(shí)踐證實(shí),由于渤中凹陷湖盆發(fā)育過程中斷裂活動(dòng)和斷陷作用的多幕性,控制了渤中凹陷西次洼多旋回沉積的形成[28],自下而上發(fā)育有沙三段、沙一段、東三段烴源巖。對(duì)靠近西次洼中心的C3井進(jìn)行熱演化史模擬分析[29](圖3),沙三段烴源巖在館陶組早期(約28 Ma)開始成熟,沙一段烴源巖在距今約22 Ma開始成熟,明化鎮(zhèn)組下段時(shí)期(約7.5 Ma)沙河街組烴源巖進(jìn)入生烴高峰期,東三段烴源巖從明化鎮(zhèn)早期至今一直處于未熟至低成熟階段。
圖3 渤中凹陷西北緣陡坡帶熱演化史、埋藏史和成藏時(shí)間
渤中凹陷沙三段烴源巖沉積時(shí)期屬于裂陷Ⅱ幕強(qiáng)裂陷期[29],湖泊類型為半咸水—淡水湖泊,沉降快速,近潮濕氣候,形成有穩(wěn)定的水體分層,湖相藻類發(fā)育,沙三段烴源巖生物標(biāo)志物特征表現(xiàn)為較高的C30-四甲基甾烷(圖4)。沙一段烴源巖沉積時(shí)期為裂陷熱沉降期,構(gòu)造抬升使水體變淺,水和沉積物補(bǔ)給不足,微咸水—咸水條件,強(qiáng)還原環(huán)境,耐鹽性生物發(fā)育,沙一段烴源巖生物標(biāo)志物特征表現(xiàn)為較高的伽馬蠟烷。東三段烴源巖沉積時(shí)期屬于裂陷Ⅲ幕,斷裂沉降再次加強(qiáng),水體加深,以濱淺湖—中深湖淡水湖相沉積為主,陸源輸入較高,東三段烴源巖生物標(biāo)志物特征表現(xiàn)為較高的伽馬蠟烷。結(jié)合原油甾萜烷生標(biāo)特征,渤中凹陷西次洼陡坡帶原油具有較高豐度的C30-四甲基甾烷、較低的三環(huán)萜烷、伽馬蠟烷豐度中等、20R-ααα-C27,C28,C29膽甾烷中具C27優(yōu)勢,其生物標(biāo)志化合物特征與沙河街組烴源巖較為相似,與東三段烴源巖親緣關(guān)系較遠(yuǎn),表明研究區(qū)油氣主要為古近系沙河街組烴源巖近源供烴。
圖4 渤中凹陷西北部烴源巖與陡坡帶原油飽和烴質(zhì)量色譜圖
原油在運(yùn)移過程中一般會(huì)發(fā)生層析作用,隨著運(yùn)移距離的增加,原油中含氮化合物的絕對(duì)總量逐漸減小,咔唑類化合物分子中的裸露型異構(gòu)體比例相對(duì)降低,屏蔽型異構(gòu)體比例相對(duì)增高[30]。通過分析圖5中含氮化合物分布,含氮化合物總量和苯并咔唑[a]/[a]+[c]指標(biāo)總體上由東區(qū)至西區(qū)、由深層至淺層越來越低,表明油氣可能從構(gòu)造東部及南部注入,由東向西,由深部向淺層運(yùn)移,東區(qū)距離供烴源巖較近。
圖5 渤中凹陷西北緣陡坡帶原油運(yùn)移方向
通過對(duì)渤中凹陷西北緣陡坡帶油氣包裹體進(jìn)行系統(tǒng)的鏡下觀察,發(fā)現(xiàn)存在兩種烴類包裹體組合,具有不同的賦存脈體和巖相學(xué)特征(圖6)。第I期為深褐色的重質(zhì)油包裹體,熒光顏色較深或不發(fā)熒光,主要發(fā)育于砂巖石英顆粒成巖次生加大早中期,環(huán)石英顆粒加大邊內(nèi)側(cè)成帶分布,第I期包裹烴為烴源巖早期排出的較低成熟度的烴類。第II期為呈淡黃色的輕質(zhì)油包裹體,顯示黃綠色熒光,主要發(fā)育于石英顆粒成巖次生加大期后,沿愈合的石英顆粒微裂隙分布,或由于溶蝕成因捕獲、孤立狀分布于長石顆粒中,第II期包裹烴為晚期的較高成熟度烴類。
(a)C1井,3 020 m,Ed3,單偏光照片,環(huán)石英顆粒加大邊內(nèi)側(cè)成帶分布的呈深褐色、灰褐色的重質(zhì)油包裹體,第I期;(b)C1井,2 955 m,Ed3,單偏光照片,沿切穿石英顆粒的微裂隙分布的輕質(zhì)油包裹體,第II期;(c)C1井,2 955 m,Ed3,UV激發(fā)熒光照片,顯示黃綠色熒光,第II期;(d)C7井,2 079.5 m,Ed2,單偏光照片,沿切穿石英顆粒的微裂隙成帶分布的,呈黃色—灰色的中輕質(zhì)油氣包裹體,第II期;(e)C7井,2 079.5 m,Ed2,UV激發(fā)熒光照片,顯示黃綠色熒光,第II期;(f)C9井,2 085 m,Ed2,單偏光照片,輕質(zhì)油包裹體內(nèi)含褐色瀝青斑塊
通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),第I期油氣包裹體僅分布于東區(qū)古近系儲(chǔ)層中,第II期中輕質(zhì)油氣包裹體在全區(qū)西古近系和新近系儲(chǔ)層中均有發(fā)現(xiàn),表明東區(qū)古近系儲(chǔ)層經(jīng)歷過兩期的油氣充注過程,新近系為一期成藏。
儲(chǔ)層定量熒光技術(shù)是近年來新興的包裹體檢測技術(shù),通過定量檢測儲(chǔ)層顆粒內(nèi)部油包裹體(QGF,quantitative grain fluorescence)和顆粒表面萃取烴(QGF-E,QGF on Extract)的熒光強(qiáng)度和光譜特征,反演古油層、現(xiàn)今油層或殘余油層、油水界面變遷等[19]。前人研究表明,QGF-E強(qiáng)度大于40 pc,為殘余油層,水層小于40 pc。存在油氣充注的古油層的QGF熒光光譜在400~600 nm之間有明顯特征峰,從凝析油包裹體光譜峰到稠油包裹體的光譜峰,密度越大,光譜峰最大波長值越來越高,QGF強(qiáng)度的最高峰波長(λmax)值反映了包裹體的成分和密度。
通過統(tǒng)計(jì)研究區(qū)各井所有的QGF指數(shù)與相應(yīng)的最高波長值發(fā)現(xiàn),各井QGF最高峰波長值跨度較大,輕質(zhì)油包裹體和重質(zhì)油包裹體均有形成。以C2井為例,QGF光譜分布有單峰型和雙峰型兩種(圖7),單峰型最高峰波長值主要為410 nm,為第II期中輕質(zhì)油包裹體的QGF光譜峰,主要分布于淺層新近系館陶組、古近系東二上亞段儲(chǔ)層,雙峰型具有410 nm和480 nm兩個(gè)最高峰波長值,480 nm兩個(gè)最高峰波長值為第I期重質(zhì)油包裹體的QGF光譜峰,主要分布于深部古近系東二下亞段和東三段儲(chǔ)層中。兩種最高峰波長代表兩種不同組分、不同期次的烴類包裹體。通過統(tǒng)計(jì)研究區(qū)油層樣品的QGF譜峰,淺層樣品是單峰特征,代表一期油氣貢獻(xiàn),東區(qū)古近系油藏普遍具有雙峰特征,代表兩期的油氣充注,QGF光譜的雙峰結(jié)構(gòu)與包裹體巖相學(xué)劃分的兩期烴類包裹體一致。
圖7 渤中凹陷西北緣陡坡帶C2井儲(chǔ)層定量熒光剖面圖
渤中凹陷西北緣陡坡帶原油樣品的甾烷異構(gòu)化成熟度參數(shù)分析結(jié)果也與包裹體分析結(jié)果相一致。東區(qū)古近系原油的成熟度參數(shù)分布范圍廣,集中在兩個(gè)區(qū)域,第一個(gè)區(qū)域原油C29αααS/(R+S)為0.37~0.40,C29ββ/(αα+ββ)為0.36~0.38,反映原油成熟度較低,第二個(gè)區(qū)域原油C29αααS/(R+S)為0.43,C29ββ/(αα+ββ)為0.53,原油成熟度較高。西區(qū)新近系、古近系和東區(qū)新近系原油的C29αααS/(R+S)為0.40~0.43(圖8),C29ββ/(αα+ββ)為0.43~0.48,分布較為集中,原油成熟度較高,說明具有相近的烴類充注過程。研究區(qū)東區(qū)古近系高成熟度和較低成熟度原油均有分布,與新近系油藏存在明顯不同。
圖8 渤中凹陷西北緣陡坡帶原油C29甾烷異構(gòu)化成熟度參數(shù)圖
綜上所述,石臼坨凸起東、西區(qū)油藏具有不同的烴類充注過程。東區(qū)古近系儲(chǔ)層具有典型的2期成藏特征,早期為低成熟度的烴類充注,晚期為高成熟度的烴類充注成藏,西區(qū)古近系和全區(qū)新近系儲(chǔ)層僅具有晚期高成熟烴類充注成藏過程。
確定多期油氣充注對(duì)現(xiàn)今油藏的貢獻(xiàn)度對(duì)油氣成藏史分析及油氣勘探具有重要的意義[16]。此次研究應(yīng)用傅立葉紅外技術(shù)建立不同期次包裹體與原油成分成熟度特征的對(duì)比。在系統(tǒng)進(jìn)行東區(qū)古近系儲(chǔ)層巖相學(xué)觀察基礎(chǔ)上,分別計(jì)算半定量的基團(tuán)比值對(duì)比兩期包裹體的烴類成分特征(圖9)。低成熟深褐色包裹體的甲基強(qiáng)度較低,CH2/CH3值約為 3.0;黃綠色熒光氣液烴包裹體的甲基的含量較高,CH2/CH3的值約為 1.3。通過與同層位原油特對(duì)比,現(xiàn)今原油傅立葉紅外光譜顯示具有較高的甲基含量,表明晚期較高成熟原油充注是現(xiàn)今油藏的主要貢獻(xiàn)者。
圖9 C1井古近系儲(chǔ)層烴包裹體及原油傅立葉紅外光譜圖
根據(jù)各井鹽水包裹體均一溫度,結(jié)合埋藏史—熱演化史圖(圖3),研究區(qū)東部古近系東三段儲(chǔ)層油氣充注時(shí)間最早,大約距今7 Ma,來自東南部沙河街組烴源巖的低熟油在東區(qū)古近系成藏。第二期較高成熟度原油在東、西區(qū)古近系成藏,油氣充注時(shí)間最早為5.3 Ma。新近系油氣成藏時(shí)間較晚,大約3.7 Ma。
探討古油藏的分布特征并與現(xiàn)今油藏進(jìn)行對(duì)比,是溯源地質(zhì)歷史時(shí)期油藏的調(diào)整事件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。此次研究利用儲(chǔ)層定量熒光和油氣包裹體豐度(GOI)數(shù)據(jù)來系統(tǒng)恢復(fù)渤中凹陷西北緣陡坡帶古油藏分布。
前人研究表明,古油層的QGF指數(shù)通常大于4,GOI大于5%[19,31],通過系統(tǒng)地取樣分析,東區(qū)C3井古近系沙河街組儲(chǔ)層定量熒光QGF指數(shù)大于4,沙河街組油氣包裹體豐度GOI=5%,熒光光譜峰顯示為第I期重質(zhì)油包裹體,表明C3井沙河街組儲(chǔ)層形成過低熟油古油藏,而現(xiàn)今為水層,沙河街組古油藏遭到破壞。東區(qū)C2井東三段QGF指數(shù)在3 030 m以上圴大于4(圖7),該深度以下QGF指數(shù)小于4,表明3 030 m為古油水界面,可能形成過古油藏。結(jié)合QGF-E結(jié)果,QGF-E強(qiáng)度在2 980 m深度存在突變,為現(xiàn)今油水界面,該深度以上大于60 pc,為油層,該深度以下小于60 pc,為水層,油水界面向淺層遷移,表明C2井東三段存在近50 m的油氣泄漏。
研究區(qū)西部C7井、C9井、C4井東二段儲(chǔ)層QGF指數(shù)多數(shù)大于4(表1),λmax主要為410 nm,包裹體產(chǎn)狀主要為沿切穿砂顆粒的微裂隙成線狀或顆粒內(nèi)點(diǎn)狀分布,發(fā)育于石英加大期后,進(jìn)行詳細(xì)包裹體巖相學(xué)觀察的儲(chǔ)層GOI大于5%,表明陡坡帶西部東二段地質(zhì)歷史時(shí)期形成連片的大規(guī)模古油藏,QGF光譜峰值顯示主要是第II期中輕質(zhì)油包裹體,表明為晚期的較高成熟烴類充注。結(jié)合現(xiàn)今的油氣分布,西區(qū)東二段主要為含油水層或水層,古油藏遭受大規(guī)模破壞。C9井東二段2 085 m樣品發(fā)現(xiàn)呈淡黃色含褐色瀝青斑塊的輕質(zhì)油包裹體,可能是西區(qū)油藏遭受大規(guī)模破壞調(diào)整的直接證據(jù)(圖6(f))。
表1 渤中凹陷西北緣陡坡帶西區(qū)東二段油氣包裹體特征
研究區(qū)西部新近系館陶組QGF指數(shù)大多數(shù)大于2,館陶組儲(chǔ)層經(jīng)歷過油氣充注,可能是油氣向淺層運(yùn)移的輸導(dǎo)通道,QGF光譜峰值顯示為第II期中輕質(zhì)油包裹體。
渤中凹陷西次洼北緣邊界控盆斷層發(fā)育,對(duì)油氣的運(yùn)移和保存具有明顯的控制作用[25]。通過計(jì)算陡坡帶北部的邊界斷層活動(dòng)速率(圖10),明化鎮(zhèn)早中期,斷層活動(dòng)速率整體小于30 m/Ma,邊界斷層起封閉作用,油氣持續(xù)充注,在東區(qū)、西區(qū)古近系儲(chǔ)層均有古油藏匯聚,明化鎮(zhèn)中晚期(約3.7 Ma),邊界斷層活動(dòng)性增加,由封閉作用轉(zhuǎn)為輸層作用,油氣或向淺層聚集,導(dǎo)致西區(qū)東二段古油藏大規(guī)模破壞、東區(qū)沙河街組及部分井區(qū)東三段儲(chǔ)層油水界面向上遷移。由于東區(qū)邊界斷層活動(dòng)速率小于西區(qū),東區(qū)古近系古油藏遭受破壞程度較小,造成了研究區(qū)油氣西淺東深的分布規(guī)律。渤中凹陷西北緣陡坡帶東、西區(qū)古油藏遭受了不同程度的破壞,與邊界斷層的活動(dòng)速率密切相關(guān)。
圖10 渤中凹陷西北緣陡坡帶邊界斷層活動(dòng)速率
綜合渤中凹陷西北緣陡坡帶儲(chǔ)層包裹體特征、儲(chǔ)層定量熒光數(shù)據(jù)、傅立葉紅外光譜特征、原油地球化學(xué)特征、構(gòu)造演化史及渤中凹陷西次洼生烴過程分析,認(rèn)為渤中凹陷西北緣陡坡帶具有“早期差異成藏、晚期差異破壞、淺層聚集”的成藏過程(圖11),距離供烴源巖的遠(yuǎn)近,經(jīng)歷成藏期次的不同以及控藏?cái)嗔鸦顒?dòng)的強(qiáng)弱差異共同導(dǎo)致了渤中凹陷西北緣陡坡帶油氣分布“西貧東富”且“西淺東深”。
圖11 渤中凹陷西北緣陡坡帶油氣差異成藏過程示意圖
館陶組沉積早期,渤中凹陷西次洼沙河街組烴源巖開始低熟生烴。館陶組沉積末期,渤中凹陷西北緣陡坡帶古圈閉形成,進(jìn)入構(gòu)造定型期。明化鎮(zhèn)組下段沉積時(shí)期,主力烴源巖進(jìn)入生烴高峰期,來自東南部沙河街組烴源巖的低熟油經(jīng)歷短距離運(yùn)移在東區(qū)古近系小規(guī)模成藏。在明化鎮(zhèn)組中段沉積時(shí)期,第二期較高成熟度的烴類由東向西,由深層向淺層運(yùn)移,在東、西區(qū)古近系形成連片古油藏。
明化鎮(zhèn)下段沉積期,邊界斷層活動(dòng)性增強(qiáng),西區(qū)活動(dòng)速率強(qiáng)于東區(qū),斷層作用由封閉作用轉(zhuǎn)為輸導(dǎo)作用,西區(qū)東二段古油藏大規(guī)模破壞,東區(qū)東三段古油藏油水界面向上遷移,油氣向淺層運(yùn)聚。
第四紀(jì)沉積期,斷層活動(dòng)性減弱,逐步形成現(xiàn)今油藏。
(1)渤中凹陷西次洼沙河街組烴源巖是渤中凹陷西北緣陡坡帶主力供烴源巖,館陶組沉積早期(約22 Ma)開始成熟,明化鎮(zhèn)組下段沉積時(shí)期(約7.5 Ma)進(jìn)入生烴高峰期,油氣從陡坡帶東部及南部注入,由東向西運(yùn)移成藏。
(2)渤中凹陷西北緣陡坡帶儲(chǔ)層發(fā)育兩類烴類包裹體,第一期為較低成熟度的重質(zhì)油包裹體,主要分布于陡坡帶東區(qū)古近系儲(chǔ)層。第二期為較高成熟度的中輕質(zhì)油包裹體,古近系和新近系地層均有分布,兩期油包裹體形成時(shí)間分別為距今7 Ma和5.3 Ma。東區(qū)古近系沙河街組、東三段和西區(qū)東二段儲(chǔ)層形成過較大規(guī)模的古油藏。
(3)明化鎮(zhèn)下段沉積期(3.7 Ma),邊界斷層活動(dòng)性增強(qiáng),斷層作用由封閉作用轉(zhuǎn)為輸導(dǎo)作用,西區(qū)東二段古油藏大規(guī)模破壞,東區(qū)東三段古油藏油水界面向上遷移,油氣向淺層運(yùn)聚。東區(qū)邊界斷層活動(dòng)速率小于西區(qū),東區(qū)古近系保留部分殘余古油藏。第四紀(jì)沉積期(2.2 Ma),斷層活動(dòng)性減弱,逐步形成現(xiàn)今油藏。
(4)距離供烴源巖的遠(yuǎn)近,經(jīng)歷成藏期次的不同以及控藏?cái)嗔鸦顒?dòng)的強(qiáng)弱差異共同導(dǎo)致了渤中凹陷西北緣陡坡帶油氣差異分布的格局。