張迎朝,鄒 瑋,陳忠云,蔣一鳴,刁 慧
[中海石油(中國)有限公司 上海分公司,上海 200335]
西湖凹陷位于東海陸架盆地東北部,其東側(cè)為釣魚島隆褶帶,西側(cè)為海礁隆起,北與福江凹陷相接,南與釣北凹陷相通,南北長約440 km,東西寬約110 km,總面積5.9×104km2,沉積厚度最大可達(dá)15 km[15,37]。西湖凹陷分為西部斜坡帶、西次凹、中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶、東次凹和東部斷階帶5個(gè)構(gòu)造單元(圖1a)[37]。西湖凹陷自下而上發(fā)育古新統(tǒng),始新統(tǒng)寶石組與平湖組,漸新統(tǒng)花港組,中新統(tǒng)龍井組、玉泉組與柳浪組,上新統(tǒng)三潭組,以及更新統(tǒng)東海群等地層[38],其中平湖組煤系烴源巖是盆地主要的烴源巖層,花港組發(fā)育的大型辮狀河三角洲沉積砂體是盆地內(nèi)重要的儲(chǔ)層(圖1b)。本次研究區(qū)位于中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶北部的4個(gè)構(gòu)造,記為A,B,C和D構(gòu)造(圖1a),4 個(gè)構(gòu)造均位于生烴主洼內(nèi),已有鉆井均鉆遇花港組并在花港組上段揭示了豐富的天然氣資源。
圖1 西湖凹陷構(gòu)造單元?jiǎng)澐郑╝)及地層柱狀圖(b)(據(jù)文獻(xiàn)[38-39]修改)Fig.1 Structural unit division and stratigraphic column, Xihu Depression (modified after [38-39])
西湖凹陷經(jīng)歷斷陷期—拗陷期—反轉(zhuǎn)期—區(qū)域沉降期,最終形成現(xiàn)今構(gòu)造格局[9,40]。為了明確中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶構(gòu)造演化特征,采用平衡剖面法對典型剖面E—E'(剖面位置見圖1a)進(jìn)行恢復(fù)(圖2)。結(jié)果表明,玉泉組沉積末期龍井運(yùn)動(dòng)(13~10 Ma)導(dǎo)致了中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶大型擠壓反轉(zhuǎn)背斜的形成,龍井運(yùn)動(dòng)之前,中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶尚未形成,為凹陷的沉降中心部位,平湖組烴源巖埋深較大。
圖2 西湖凹陷中北部地區(qū)過B1井構(gòu)造演化史(剖面位置見圖1a)Fig.2 Structural evolution history across Well B1 in the north central Xihu Depression (see section EE′ in Fig. 1a for the location)
由于中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶未鉆遇平湖組烴源巖,本次研究利用淺層泥巖樣品的實(shí)測鏡質(zhì)體反射率(Ro)數(shù)據(jù)作為邊界限制參數(shù),對C1井平湖組烴源巖熱演化史和生烴演化史進(jìn)行模擬。模擬結(jié)果顯示,模擬Ro與實(shí)測Ro匹配關(guān)系較好(圖3a),可以反映平湖組烴源巖實(shí)際熱演化過程。可以看出,平湖組烴源巖在26.5 Ma時(shí)已進(jìn)入低成熟階段,開始生成少量油氣;23.0~15.0 Ma為快速生烴階段,油氣大量生成,為主要生氣階段,至8.0 Ma 左右?guī)缀跬耆V股鸁N(圖3b)。前人利用地震和熱屬性模擬對西湖凹陷平湖組熱演化史進(jìn)行了研究,研究區(qū)平湖組發(fā)育巨厚的烴源巖層,現(xiàn)今埋深普遍大于4 500 m,最深可達(dá)上萬米,現(xiàn)今已普遍進(jìn)入過成熟階段(Ro>2.0 %)[23,41]。前人利用斜坡帶暗色泥巖進(jìn)行熱模擬實(shí)驗(yàn)恢復(fù)的生烴歷史來看,Ro<1.0 %時(shí)是主要的生油時(shí)期,Ro為1.0 %~2.3 %時(shí)是主要的生氣期,當(dāng)Ro>2.3 %時(shí)生烴量較少(圖3c)[24],這與本次盆地模擬結(jié)果吻合。
圖3 西湖凹陷中北部地區(qū)C1井模擬Ro與實(shí)測Ro擬合圖(a),平湖組中段頂()生烴演化史(b)和斜坡帶暗色泥巖熱模擬生烴量演化(c)(據(jù)文獻(xiàn)[24]修改)Fig.3 Diagrams showing the matching between simulated and measured Ro for Well C1( a), the hydrocarbon generation evolution of the top middle Pinghu Fm.( ) in the north central Xihu Depression( b) and the thermal simulation and hydrocarbon generation of dark mudstone in the slope zone( c)( modified after[ 24])
依據(jù)儲(chǔ)層黏土礦物成分及物性資料,對中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶北部地區(qū)儲(chǔ)層成巖環(huán)境進(jìn)行劃分。北部地區(qū)花港組儲(chǔ)層由淺至深可劃分為酸性成巖環(huán)境、酸-堿過渡環(huán)境和堿性成巖環(huán)境3個(gè)成巖帶[42-45]。3 400 m以淺的地層溫度普遍小于140 ℃,發(fā)育酸性成巖環(huán)境,自生高嶺石為主要的黏土礦物類型,指示對長石等鋁硅酸鹽礦物的強(qiáng)烈溶蝕作用,儲(chǔ)層物性較好,為酸性-開放成巖帶。埋深3 400~4 700 m 的儲(chǔ)層進(jìn)入堿性成巖環(huán)境,自生綠泥石及自生伊利石普遍發(fā)育,其中自生綠泥石尤其發(fā)育,占比普遍大于40 %;同時(shí),晚期碳酸鹽礦物等發(fā)育,儲(chǔ)層開始致密,常規(guī)儲(chǔ)層與致密儲(chǔ)層共存,成巖環(huán)境逐漸封閉,為堿性-半開放成巖帶。埋深大于4 700 m 時(shí),地層溫度普遍大于160 ℃,儲(chǔ)層壓實(shí)和成巖作用進(jìn)一步加強(qiáng),晚期碳酸鹽礦物持續(xù)發(fā)育,儲(chǔ)層普遍致密,封閉的堿性成巖環(huán)境形成,為堿性-封閉成巖帶。
基于成巖環(huán)境的劃分,研究區(qū)花港組砂巖儲(chǔ)層成巖演化序列可劃分為同生階段、早成巖階段A 期、B 期和中成巖階段A 期、B 期3 個(gè)階段5 個(gè)時(shí)期。同生階段至早成巖階段A 期以機(jī)械壓實(shí)作用為主,早期介質(zhì)偏堿性,在研究區(qū)可見到少量環(huán)邊綠泥石。早成巖階段B 期,平湖組煤系烴源巖進(jìn)入生烴門限產(chǎn)生酸性流體,在酸性介質(zhì)條件下,長石轉(zhuǎn)變成高嶺石,泥質(zhì)蝕變成高嶺石,同時(shí)溶解作用提供大量離子,使得早期基底式碳酸鹽膠結(jié)物逐漸形成。中成巖階段A 期,壓實(shí)作用繼續(xù)導(dǎo)致原生粒間孔繼續(xù)減少,烴源層中的有機(jī)質(zhì)演化進(jìn)入低成熟-成熟階段,更多的與埋藏成巖條件下有機(jī)酸溶解作用有關(guān)的長石等鋁硅酸鹽溶解可提供更多的K+,加之成巖溫度的升高,使蒙皂石向伊利石/蒙皂石混層轉(zhuǎn)化速度加快,同時(shí)黏土礦物轉(zhuǎn)化提供的Ca2+,F(xiàn)e3+和Mg2+,有利于含鐵方解石膠結(jié)物的形成。中成巖階段B期,壓實(shí)作用的減孔作用逐漸減弱,黏土礦物開始大量向伊利石和綠泥石轉(zhuǎn)化,同時(shí)次生溶孔中可見到石英的Ⅱ-Ⅲ級(jí)加大邊,在該階段后期,流體介質(zhì)趨于堿性,地層水中富含鈣、鎂和鐵離子并開始沉淀出含鐵方解石和含鐵白云石。
基于研究區(qū)成巖演化序列的分析,對花港組儲(chǔ)層成巖演化與孔隙演化過程進(jìn)行恢復(fù),以A 構(gòu)造為例,在同生期初始孔隙度受壓實(shí)作用影響減少至20 %~25 %。早成巖A 期,早期硅質(zhì)、鈣質(zhì)和自生黏土礦物膠結(jié)對儲(chǔ)層起到破壞影響,使總孔隙減少5%左右;隨后早成巖B 期,早期烴類對儲(chǔ)層進(jìn)行改造,使總孔隙增加4 %~6 %;早期賦存在顆粒表面的綠泥石膜對原生孔隙起到保護(hù)作用,使總孔隙保持在20 %左右。中成巖A 期壓實(shí)作用和硅質(zhì)、晚期鈣質(zhì)膠結(jié)作用破壞原生孔隙和次生孔隙,使總孔隙減少10 %左右。中成巖B 期,壓實(shí)和膠結(jié)作用使孔隙度繼續(xù)減少,對于H6 砂組砂巖而言,晚期減孔作用不明顯,至今仍保持10.1 %的孔隙度。H4 及以上為常規(guī)儲(chǔ)層,H7 及以下儲(chǔ)層普遍致密,H8 砂組砂巖早在約14.8 Ma 時(shí)就已經(jīng)致密(圖4)。由于各構(gòu)造成巖環(huán)境及成巖演化序列相似,因此其他構(gòu)造儲(chǔ)層孔隙演化過程也與A 構(gòu)造相似,不同的是,與A 構(gòu)造相比,其他構(gòu)造在龍井運(yùn)動(dòng)時(shí)期地層抬升量大,龍井運(yùn)動(dòng)之前地層埋深大于現(xiàn)今埋深,因此龍井運(yùn)動(dòng)之后壓實(shí)減孔速率更小。
圖4 西湖凹陷中北部地區(qū)A1井花港組儲(chǔ)層演化與孔隙演化綜合圖Fig.4 Comprehensive map showing the reservoir and pore evolution in the Huagang Formation of Well A1 in the north central Xihu Depression
根據(jù)包裹體賦存特征及均一溫度對研究區(qū)油氣充注期次與充注時(shí)間進(jìn)行分析。研究區(qū)主要存在3 類賦存狀態(tài)的包裹體:第一類為石英加大邊微裂隙中的包裹體(圖5a—c);第二類為切穿石英顆粒和加大邊微裂隙中的包裹體,通常呈“X”型共軛形態(tài)分布(圖5d—f),這可能與構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)期儲(chǔ)層應(yīng)力方向改變有關(guān);第三類包裹體為成巖晚期碳酸鹽膠結(jié)物中的包裹體(圖5g, h),對應(yīng)3 期油氣充注。由包裹體均一溫度分布特征可得,不同構(gòu)造包裹體主峰的溫度區(qū)間有差異(圖5i—l),但對應(yīng)的油氣充注時(shí)間大致相當(dāng)(圖6)。以D 構(gòu)造為例,第一類包裹體以油、氣兩相包裹體為主,伴生的鹽水包裹體的均一溫度峰值處于135~140 ℃,對應(yīng)15~13 Ma,當(dāng)時(shí)圈閉尚未形成,但儲(chǔ)層記錄了有烴類充注;第二類包裹體以氣態(tài)烴包裹體為主,伴生的鹽水包裹體的均一溫度峰值處于140~150 ℃(圖5l),對應(yīng)龍井運(yùn)動(dòng)時(shí)期(圖6d),此時(shí)圈閉開始形成,為主要成藏期;第三類包裹體以微小的氣態(tài)烴包裹體分布在成巖晚期的鐵方解石中,伴生的鹽水包裹體均一溫度為146~150 ℃,對應(yīng)沖繩運(yùn)動(dòng)時(shí)期(圖6d),充注規(guī)模小,以補(bǔ)充為主。
圖5 西湖凹陷中北部地區(qū)包裹體顯微照片和包裹體均一溫度分布頻率直方圖Fig.5 Photos and homogenization temperature histograms of inclusions from the north central Xihu Depression
圖6 西湖凹陷中北部地區(qū)A1井(a)、B1井(b)、C1井(c)和D1井(d)埋藏史、熱史和H3砂組儲(chǔ)層油氣充注史Fig.6 Burial history, thermal history and hydrocarbon charging history of wells D1(a), B1(b), C1(c) and D1(d) in the north central Xihu Depression
在非繼承性發(fā)育的構(gòu)造,大量生、排烴期烴源巖層系的先存構(gòu)造中首先發(fā)生匯烴作用形成油氣聚集和成藏,當(dāng)烴源巖層系為低幅構(gòu)造背景、平緩臺(tái)階或鼻狀構(gòu)造時(shí),油氣也會(huì)發(fā)生匯烴作用,形成聚集或半聚集狀態(tài)的油氣(包括地層水溶解氣),這些聚集或半聚集狀態(tài)的油氣成為晚期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)時(shí)垂向運(yùn)移的主要“油氣源”,在上部圈閉中聚集成藏,這種機(jī)制或過程稱為“先匯后聚”。因此,烴源巖層系的原始匯烴條件對源上晚期構(gòu)造中的油氣聚集起關(guān)鍵作用。
根據(jù)工業(yè)用地量的實(shí)際情況,結(jié)合2001~2015年度《山東省國民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》的相關(guān)數(shù)據(jù),選取2001~2015年山東省GDP(x1),固定資產(chǎn)投資額(x2),規(guī)模以上工業(yè)產(chǎn)值(x3)為自變量對山東省工業(yè)用地量(y)進(jìn)行預(yù)測,相關(guān)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表1所示。
“先匯后聚”內(nèi)涵是:①大量生烴期烴源巖層系具有正向構(gòu)造背景或?qū)捑徠脚_(tái);②原始匯烴作用主要發(fā)生在烴源巖層及相鄰層系,形成油氣聚集或豐度較高的“半聚集”油氣,即“先匯”,否則儲(chǔ)層中分散狀態(tài)油氣在后期難以聚集成藏;③晚期圈閉形成,早期“半聚集”的油氣通過斷裂或裂縫垂向運(yùn)移聚集成藏,即“后聚”;④烴源巖層系構(gòu)造高點(diǎn)與上部地層的構(gòu)造高點(diǎn)可能一致也可能不一致,斷裂作為“先匯”和“后聚”的溝通通道至關(guān)重要。
3.2.1 烴源巖生、排烴時(shí)間早,與花港組圈閉形成時(shí)間不匹配
由于研究區(qū)位于西湖凹陷埋深最大的生烴主洼內(nèi),平湖組烴源巖具有厚度大、埋深大的特點(diǎn),這使得其進(jìn)入成熟階段的時(shí)間也較早,早在21.2 Ma 時(shí)平湖組Ro已達(dá)到1.2 %,至15.8 Ma 時(shí)Ro已達(dá)1.7 %。因此生烴時(shí)間也較早,26.5 Ma 時(shí)已進(jìn)入低成熟階段,26~15 Ma已經(jīng)大量生烴(圖3b),主要生、排烴時(shí)間為23~15 Ma,包裹體顯示H3 段油氣充注時(shí)間的最早時(shí)間在15 Ma,說明花港組早期烴類有充注,由于圈閉未形成,無法聚集成藏。主要生、排烴時(shí)間與花港組圈閉形成時(shí)間(13~10 Ma)不匹配,推測花港組底部的砂巖應(yīng)存在更早時(shí)間的油氣充注。
3.2.2 氣層天然氣的成熟度與圈閉形成之前烴源巖的成熟度匹配
天然氣甲烷碳同位素值可用于計(jì)算天然氣成熟度,前人已提出了較多計(jì)算公式,但由于西湖凹陷特殊的生烴母質(zhì)類型和地質(zhì)條件導(dǎo)致這些公式并不適用[46-49],程熊等(2019)[50]利用天然氣共生凝析油成熟度與甲烷碳同位素?cái)M合,建立了適用于西湖凹陷的經(jīng)驗(yàn)公式[公式(1)]。研究區(qū)氣層天然氣甲烷碳同位素值分布于-32.2 ‰~-30.6 ‰(表1),對應(yīng)成熟度(Ro)1.61 %~1.72 %,明顯低于現(xiàn)今烴源巖成熟度(現(xiàn)今烴源巖成熟度遠(yuǎn)大于2.00 %,達(dá)過成熟階段)(圖7),表明天然氣為成熟-高成熟階段的產(chǎn)物(23~15 Ma),對應(yīng)時(shí)間為花港組沉積末—龍井組沉積末。值得注意的是,主力氣層H3 包裹體內(nèi)捕獲的天然氣成熟度與現(xiàn)今氣層的天然氣成熟度一致,而下部近致密儲(chǔ)層H6 包裹體內(nèi)捕獲的天然氣成熟度則遠(yuǎn)低于現(xiàn)今氣層的成熟度(表1),表明花港組下部致密氣層中充注的天然氣比較早,主力氣層天然氣充注的時(shí)間較晚。
表1 西湖凹陷中北部地區(qū)天然氣組分碳同位素?cái)?shù)據(jù)Table 1 Carbon isotope data of natural gas components in the north central Xihu Depression
圖7 西湖凹陷中北部地區(qū)天然氣成熟度與烴源巖成熟度對比Fig.7 Diagram comparing the gas maturity and source rock maturity in the north central Xihu Depression
式中:δ13C1為天然氣甲烷碳同位素值,‰;Ro為天然氣成熟度(計(jì)算鏡質(zhì)體反射率),%。
3.2.3 氣層中天然氣成熟度自下而上有增大趨勢
研究區(qū)天然氣成熟度具有向淺層增大趨勢,下部致密儲(chǔ)層的天然氣甲烷碳同位素較輕,成熟度相對低,上部常規(guī)儲(chǔ)層的天然氣甲烷碳同位素較重,成熟度相對較高,與正常垂向運(yùn)移的分異作用相反(表1)。儲(chǔ)層演化史表明,花港組下部致密儲(chǔ)層形成時(shí)間是龍井運(yùn)動(dòng)前,說明與下覆平湖組烴源巖相鄰的花港組底部致密儲(chǔ)層中的天然氣充注較早,上部常規(guī)儲(chǔ)層中的天然氣充注時(shí)間較晚。進(jìn)一步說明,龍井運(yùn)動(dòng)的構(gòu)造反轉(zhuǎn)過程中,烴源巖層系早先聚集或半聚集的天然氣向上運(yùn)移,難以在致密儲(chǔ)層中繼續(xù)充注,而主要在儲(chǔ)層物性較好的花港組上部儲(chǔ)層中充注和聚集,充注的順序是自下而上。后期平湖組形成的高-過成熟天然氣在通過斷裂向上運(yùn)移中優(yōu)先在常規(guī)儲(chǔ)層中充注,晚期高-過成熟的天然氣難以在致密儲(chǔ)層中充注,因而造成下部儲(chǔ)層中天然氣成熟度較低,上部儲(chǔ)層中的天然氣成熟度較高。
圖8 西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶先匯后聚成藏模式(剖面位置見圖1a)Fig.8 Reservoir forming model of “convergence ahead of accumulation” in the central inverted structural zone of Xihu Depression (see Fig. 1a for the location of section F—F′ )
古構(gòu)造研究表明,生氣高峰的龍井組沉積末,B,C和D3 個(gè)構(gòu)造具備良好的匯烴條件(圖9),其中B 構(gòu)造為低幅構(gòu)造,平湖組生成的天然氣優(yōu)先在低幅構(gòu)造中運(yùn)移聚集,形成氣藏,花港組底部儲(chǔ)層已近致密可以形成致密氣;C 和D 構(gòu)造處于一個(gè)地層比較平緩的平臺(tái),也具備良好的匯烴條件,天然氣可以優(yōu)先在平湖組儲(chǔ)層中匯集,形成半聚集態(tài)的天然氣,花港組底部儲(chǔ)層已近致密也可以形成致密氣。因此,大量生氣期的烴源巖及鄰近層系的古構(gòu)造背景為“先匯后聚”奠定了基礎(chǔ)。對于液態(tài)石油而言,所需的運(yùn)聚動(dòng)力比天然氣更強(qiáng),因此在花港組底部致密儲(chǔ)層也可形成早期的致密砂巖油,晚期可隨天然氣一同向淺層運(yùn)移,煤系烴源巖生成的大量天然氣與少量石油的混合是西湖凹陷富凝析氣的重要原因。
圖9 西湖凹陷中北部地區(qū)平湖組頂在龍井組沉積末期的古構(gòu)造和油氣運(yùn)移態(tài)勢Fig. 9 Paleotectonic background and migration map of top Pinghu Formation( ) at the end of Longjing Formation sedimentation in the north central Xihu Depression
研究區(qū)現(xiàn)今烴源巖普遍達(dá)到過成熟階段,在龍井運(yùn)動(dòng)之前,烴源巖達(dá)到高成熟階段,氣源充足,為中央構(gòu)造帶大中型氣田的形成提供了豐富的資源基礎(chǔ)。根據(jù)古匯烴條件可得,B 構(gòu)造在大量生、排烴期就具備良好的匯烴條件(圖9),早期“先匯”的富氣區(qū)與晚期“后聚”的聚集區(qū)的匹配關(guān)系決定了現(xiàn)今油氣的富集程度。受研究區(qū)構(gòu)造規(guī)模影響,各構(gòu)造的聚烴范圍和聚烴量也具有差異(圖10a),聚烴能力決定了氣田形成的規(guī)模。經(jīng)對比,與已證實(shí)為大中型氣田的C 和D 構(gòu)造相比,B 構(gòu)造“先匯”條件更好(圖10),聚烴面積最大,可達(dá)748.23 km2,聚烴量可達(dá)3 306×108m3(圖10b,c),因此,B構(gòu)造勘探潛力巨大。
圖10 西湖凹陷中北部地區(qū)各構(gòu)造聚烴范圍平面圖(a)及聚烴面積(b)、聚烴量(c)對比柱狀圖Fig.10 Hydrocarbon accumulation map (a) and bar charts of hydrocarbon accumulation areas (b) and accumulated hydrocarbon volume(c) of various structures in the north central Xihu Depression
1) 西湖凹陷中央構(gòu)造帶圈閉在玉泉組沉積末期龍井運(yùn)動(dòng)(13~10 Ma)形成,平湖組烴源巖在23~15 Ma 為大量生、排烴期,龍井運(yùn)動(dòng)時(shí)期為主要成藏期,龍井運(yùn)動(dòng)之前存在早期油氣充注,圈閉形成時(shí)間與主要生、排烴期不匹配。
2) 天然氣成熟度表明,花港組氣藏為23~15 Ma成熟-高成熟階段的產(chǎn)物,且深層天然氣成熟度低于淺層,因此本文提出“先匯后聚”成藏新機(jī)制,解決了花港組主力勘探層系生烴期-圈閉形成期-油氣充注期時(shí)間不匹配的問題。
3) “先匯后聚”成藏模式對指導(dǎo)西湖凹陷中央反轉(zhuǎn)構(gòu)造帶包括B構(gòu)造在內(nèi)一系列大型圈閉的勘探具有重要意義。該模式在其他盆地的天然氣勘探中具有一定的普遍性,對其他盆地的天然氣勘探具有重要借鑒意義。