济阳坳陷渤南洼陷沙河街组二段多源供烃成藏模式

2018-05-08 12:23张金功袁义东
石油实验地质 2018年2期
关键词:洼陷储集层运移

张 鹏,张金功,张 亮,袁义东,郝 杰,杨 燕

(1.西北大学 地质学系,西安 710069; 2.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院,西安 710075)

我国东部广泛发育多旋回的断陷盆地,而断陷盆地往往发育多套烃源岩[1-5]。前人针对“下生上储”多源供烃的成藏模式研究已取得大量认识[6-7]。但对于夹杂在多套烃源岩中间的储集体来讲,其有顶底双向供烃的油气来源,不同来源的油气分布规律具有差异性。确定各来源油气的成藏特征和分布规律对油气勘探具有指导意义。渤海湾盆地济阳凹陷渤南洼陷一直以来都视沙三段和沙四段为重点研究对象[8-13],而沙二段长期缺乏深入系统的研究,造成沙二段油气主控因素以及成藏规律等方面认识不清。而近几年勘探实践表明,沙二段在储量区外还有多口探井获工业油流或低产油流,显示出了一定的勘探潜力。因此,本文针对以上问题,对渤南洼陷沙二段油气成藏要素和多源供烃的成藏特征展开了研究,最终建立了多源供烃的成藏模式,以期研究结果能够指导渤南洼陷沙二段勘探部署。

1 区域地质概况

渤南洼陷位于济阳坳陷沾化凹陷东部,是沾化凹陷东部的一个三级负向构造单元,其北靠埕东凸起,南临陈家庄凸起,西接义和庄凸起,东为孤岛凸起,是济阳坳陷古近系、新近系发育最全、沉积厚度最大、成藏条件最好的洼陷[14]。渤南洼陷沙二段沉积期处于断陷收敛期[15],构造活动整体较弱,使得传统意义上的陡坡带不复存在,同时其处于二级层序的低位域沉积阶段,基准面较低(图1),四周凸起皆受剥蚀,从而为洼陷提供物源[16]。总体上沙二段沉积厚度在80~150 m,地层呈现北厚南薄的特点。在沙二段上、下分别发育沙一段、沙三段以及沙四上亚段烃源岩,沙二段储集体被多套烃源岩所夹持(图1),具有多源供烃的成藏特点。

2 成藏要素

2.1 油源条件

渤南洼陷是一个典型的富生油洼陷,古近系主要发育了沙四上亚段、沙三段和沙一段3套烃源岩[17]。其中沙四上亚段暗色泥岩厚度为50~300 m,有机碳含量在1.0%~3.0%,氯仿沥青“A”含量多在0.12%~0.34%,干酪根主要为Ⅱ1型,为成熟—高成熟烃源岩。沙三段暗色泥岩厚度可达600~1 000 m,有机碳含量0.5%~8.0%,且多在2.0%~5.0%;氯仿沥青“A”含量为0.5%~1.02%,平均值高达0.56%,干酪根主要为Ⅰ型,为成熟烃源岩。沙一段暗色泥岩厚度一般在300~400 m,有机碳含量在0.9%~7.0%,多在2.0%~4.0%区间,氯仿沥青“A”含量为0.06%~1.42%,平均达0.73%,干酪根以Ⅰ型为主,由于沙一段烃源岩最大埋深约3 200 m,大部分埋深在2 500~2 800 m,对应的Ro为0.43%~0.60%,为低熟烃源岩。

图1 济阳坳陷渤南洼陷地层综合柱状图

2.2 储盖组合

渤南洼陷沙二段沉积初期为低位域沉积早期[18],总体上为浅湖背景下的碎屑岩、碳酸盐岩混合沉积。洼陷边缘近物源处以扇三角洲为主,扇三角洲前端存在较大规模的砂岩滩坝;在无陆源碎屑注入的局部地区还沉积有生物灰岩、白云岩等碳酸盐岩滩坝(图2a),此类储集体构成了沙二段的主要储集层类型。沙二段沉积中晚期,随着湖平面的上升沉积了大量泥岩[18],泥岩厚度最大可达上百米,是一套局域性的盖层,该盖层与下部储集层匹配;成为了研究区沙二段有利的储盖组合(图1)。

2.3 输导体系

渗透性砂体、不整合与断层所组成的三元输导格架已被地质研究人员所熟知[19-20],渤南洼陷沙二段油气运移的通道也是如此。首先,渤南洼陷起输导作用的渗透性砂体主要发育在洼陷边缘,这些区域在沙二段不同沉积时期均有砂体发育,砂体层层叠置并与洼陷中心沙三段烃源岩相接;其次,对渤南洼陷沙二段油气成藏起输导作用的不整合面主要是沙二段/沙三段界面,这一界面多为超覆/消截关系,界面上下岩性存在多种配置关系,包括砂岩/砂岩、砂岩/泥岩(油页岩)、泥岩/泥岩、生物灰岩/泥岩以及泥岩/白云岩等,岩性配置的不同决定了不整合面的油气输导能力存在差异;再者,断层对渤南洼陷沙二段油气成藏所起的输导作用较大,其中边界断层发育早、活动时间长、断距大,不但控制着沉积、构造和生烃洼陷的发育,还直接断穿烃源岩,从而成为研究区最重要的油气运移通道。此外,洼陷内发育的一系列内部次级断层对油气输导所起的作用同样重要,研究区断穿沙二段储集层,沟通沙三段、沙四上亚段烃源岩的断层较多(图2a),且大部分在排烃期处于活动状态,对成藏极为有利;同时洼陷内部断穿沙二段储集体和沙一段烃源岩的断层也较多(图2b),大部分断层活动时间短、断距相对较小,主要活动期在古近纪[21]。当馆陶组沉积期油气大量生成并运移时[22],断层的活动性减弱,断层封堵性增强,垂向输导能力降低,沙一段烃源岩生成的油气很难通过断层进行垂向运移,而是优先侧向运移进入到对接的沙二段储集层中聚集成藏。

图2 济阳坳陷渤南洼陷沙二段成藏要素

总体上,研究区沙二段油气的运移路径在不同区域存在差异,其中在边界断层附近,由砂体、断层和不整合面组成立体网络通道,油气可在从油源区侧向运移的基础上,进行垂向运移,直至有利圈闭中聚集成藏(图3)。相对而言,洼陷内部和斜坡带运移通道简单,往往为上述通道的1种或2种组合,运移方式以侧向为主(图3)。

图3 济阳坳陷渤南洼陷油气运移及油藏分布剖面位置见图2。

3 多源供烃成藏特征

3.1 油源对比

通过对渤南洼陷烃源岩和沙二段原油的地化指标进行分析发现,Y124井沙二段原油具有明显的植烷优势和极高的伽马蜡烷含量,三环萜烷和甲藻甾烷丰富,C27、C28和 C29甾烷以生物构型为主(图4a)。此油样的地球化学特征整体上和Y102井沙一段油页岩具有较高的相似性(图4a),说明其油源为沙一段烃源岩。同时,将Y108井沙二段油砂与Y172井沙三下亚段灰黑色油页岩和Y102井沙一段灰褐色油页岩进行对比,发现Y108井原油伽马蜡烷含量高,甲藻甾烷和4-甲基甾烷发育,地球化学特征兼具沙三段和沙一段烃源岩的特征,应为二者的混源油。此外,将L54井沙二段原油进行分析发现,其具有较高的伽马蜡烷含量以及C35藿烷“翘尾”现象,这一特征与L4井沙四上亚段灰褐色含膏泥岩相似(图4c),其油源应为沙四上亚段烃源岩。由此可见,研究区沙二段既有来自于其下伏沙四上亚段、沙三段烃源岩的原油,又有来自于其上覆沙一段烃源岩的原油,渤南洼陷沙二段油气藏具有多源供烃的特点。将研究区沙二段已上报石油地质储量进行来源劈分,统计得出:已明确来源于沙四上亚段烃源岩的储量仅占总储量的6.3%,来源于沙三段烃源岩的储量占总储量的57.5%,来源于沙一段烃源岩的储量占总储量的12.6%,沙三段与沙一段烃源岩的混源油储量占总储量的7.6%。实际上,研究区某些混源油的孤立出油井区并未上报储量(图2),此外还有些已上报储量区由于未开展原油生标参数的分析暂不能明确原油来源,因此研究区混源油所占比重应大于现阶段统计结果,在下步油气勘探中也有望发现更多的混源油藏。

图4 济阳坳陷渤南洼陷沙二段油源对比

油源对比分析表明,研究区沙二段已发现油气大部分来自于沙三段烃源岩。此外,不同来源的油气 在平面也呈现出一定的规律性,展示出不同层系烃源岩对不同区带的供烃存在差异(图2)。首先,沙四上亚段烃源岩生排的油气主要出现在沙二段南部已发现的油藏中,这一区域存在可沟通沙四上亚段烃源岩的断层,分析认为沙四上亚段烃源岩生排的油气主要通过断层纵向运移至沙二段储层中;其次,沙三段烃源岩生排的油气在研究区沙二段的中部和北部都有发现,分布范围较广,这些区域多存在可沟通沙三段烃源岩的断层,认为油气应先通过断层纵向运移至浅部,再通过不整合面和砂体进行横向运移,遇有利圈闭聚集成藏;再者,沙一段烃源岩生排的油气主要集中在研究区沙二段的中部,这些区域多存在可使沙一段与沙二段源储对接的断层,分析认为油气应主要通过横向运移至沙二段储层中。

3.2 成藏期次

渤南洼陷作为高勘探程度区,油气成藏期次研究已较为成熟,大量的研究已证实渤南洼陷经历了2次充注、3次成藏过程[23-24]。结合前人研究成果,依据本次多块样品流体包裹体均一温度测试数据(表1),认识到虽渤南洼陷沙四上亚段烃源岩最早在东营组沉积期就进入生烃门限并生排烃[23-24],但这一时期生烃量有限,烃类多充注到与沙四上亚段烃源岩临近的砂体中形成岩性油气藏。随着渤南洼陷地层不断埋藏沉降,沙四上亚段和沙三段烃源岩逐渐进入生烃高峰并发生大规模排烃作用[23],第二次油气充注过程开始。研究区沙二段油藏的形成主要得益于第二次油气充注过程,这一充注过程始于馆陶组沉积晚期直至现今。据与烃类伴生的盐水包裹体均一温度测试,出现85~90 ℃以及105~115 ℃2个峰值区间,分别对应于馆陶组沉积晚期、明化镇组沉积晚期至现今2个时间段(图5),表明第二次油气充注过程又可分为2期成藏:首先在馆陶组沉积晚期(8~6 Ma)发生大规模油气运聚,随后地层压力降低,排烃停止;但随着地层埋深的不断加大,到明化镇组沉积晚期(3 Ma),烃源岩的持续生烃造成的异常高压再次突破排烃门限压力,又一次发生了油气成藏。这一时期沙一段烃源岩也有一定数量低熟油生成。3套烃源岩生成的油气共同进入到沙二段储集层中聚集成藏。

表1 济阳坳陷渤南洼陷沙二段烃伴生盐水包裹体均一温度数据

图5 济阳坳陷渤南洼陷Y284井沙二段油气成藏期次分析

3.3 油气成藏主控因素

渤南洼陷沙二段多源供烃的特点决定了其油源十分丰富。此外,沙二段扇体和滩坝砂体广泛存在,空间上相互叠置,储集层丰富,同时多套断裂体系和地层从下往上逐层超覆的特点使研究区发育多类型圈闭,主要有构造圈闭、构造—岩性复合圈闭、滩坝砂体岩性圈闭以及南部斜坡带普遍发育的地层超覆圈闭。研究区多源供烃和多类型圈闭条件优越,使得运移路径成为油气能否成藏的关键,在油气运移至多类型圈闭中后虽普遍可见油气显示,但油气富集与否则取决于储集层物性。

3.3.1 断裂—不整合控制油气运移

断裂体系是控制油气成藏的重要因素,其开启时可作为优势通道输送油气,封闭时可成为重要遮挡形成断块圈闭[25-26]。两方面作用此消彼长,使得断裂体系在不同时期和不同区域对油气成藏的影响方式和程度都存在差异。渤南洼陷边界断层的活动具有长期性和继承性[17],它既将沙三段和沙四上亚段烃源岩与上部沙二段储集层连接为其输送油气,又在不同构造部位形成岩性—断块、滚动背斜以及断块圈闭,同时洼陷内部的次级断层由于发育数量多(图2),形成时间和成藏期匹配关系较好[22],也对沙二段油气成藏起到输导作用。此外,断层发育时伴生的大量微裂缝不仅直接提高了储集层储集性能,而且使烃源岩生烃过程中产生的酸性流体沿断裂带活动,溶蚀断裂带附近储集层,形成一定的次生孔隙。因此,断层对油气运移和储集层改造都具有积极作用。

除断裂体系外,良好的不整合面也可输导油气,对油气成藏具有重要意义[27-28]。不整合面能否作为油气运移通道及其对油气运移距离远近的影响,主要取决于不整合面遭受的风化剥蚀程度以及不整合面上、下岩性配置关系和岩性分布的稳定性[29-30]。由于渤南洼陷沙一段与沙二段之间为整合接触,研究区主要的不整合面是沙三段与上覆沙二段、沙一段之间界面,该不整合面的分布范围超过研究区面积的80%;同时该不整合面遭受的风化剥蚀时间相对较长,尤其沙三段与沙一段接触区经历了长时间的风化剥蚀,形成的风化壳具有较好的孔渗性,为油气运移的优势通道。此外,不整合面对油气的输导性还取决于岩性配置关系,一般而言,界面上、下均为储集层的岩性配置最好,其次为一面发育储集层的岩性配置。因而,研究区成为油气运移优势通道的不整合面主要分布在沙一段与沙三段接触区,即义东断裂带、罗家鼻状构造东翼和垦西地区南部。

3.3.2 储集层物性控制油气富集

渤南洼陷沙二段储集层岩性类型主要有细砂岩、粉砂岩和含砾砂岩等,此类储集层的发育程度和空间展布决定着油藏的形成和分布,油气成藏后的富集程度则由储集层物性差异决定。通过对研究区沙二段多口井油气显示层段的取心资料进行物性测定发现:油气显示级别为饱含油和油侵的样品孔隙度普遍大于20%,渗透率普遍大于10×10-3μm2;油斑和油迹显示的样品孔隙度大于15%,渗透率大于1×10-3μm2;荧光显示的储集层样品物性相对较差,孔隙度一般小于15%,渗透率小于1×10-3μm2(图6)。同时,据沉积相研究可知,物性较好储集层多为砂岩滩坝相,而物性较差储集层则为扇三角洲沉积,这与目前所发现的原油储量主要集中在物性较好的砂岩滩坝中一致。因此,储集层物性对油气富集程度具有明显的控制作用,物性好的储集层油气显示情况普遍较好,反之则油气显示较差。

图6 济阳坳陷渤南洼陷沙二段油气显示与储层物性关系

4 成藏模式

据油源对比及成藏期次分析结果表明,研究区沙二段在不同成藏时期的油气来源存在差异,形成的原油类型也存在差异,其成藏模式可归纳为“中期成藏、双源供烃”和“晚期成藏、三源供烃”2种。

4.1 “中期成藏、双源供烃”成藏模式

馆陶组沉积末期,渤南洼陷沙四上亚段和沙三段烃源岩Ro均大于0.5%,进入生烃门限。有机质快速生烃导致烃源岩中聚集了异常高的地层压力,当压力高到一定程度会产生大量裂缝,从而排烃卸压。此过程的排烃动力主要是异常高压,排出的原油首先沿断穿沙四上亚段和沙三段的大断层向上运移,遇不整合面后部分原油发生侧向运移,在浮力驱动下逐渐从洼陷中心向洼陷边缘扩散,到沙二段中遇圈闭聚集成藏。这一成藏模式下多形成岩性油藏和构造—岩性复合油藏。此外由于这一沉积期主要是洼陷中心烃源岩开始生排烃,且数量有限,因此在这一成藏模式控制下,研究区沙二段靠近洼陷中心的圈闭优先被充注,分别可形成沙三段、沙四上亚段烃源岩来源的油藏及其混源油(图7),洼陷边缘的圈闭多为空。

4.2 “晚期成藏、三源供烃”成藏模式

明化镇组沉积末期,渤南洼陷沙四上亚段和沙三段烃源岩随着埋深的增大全面进入生烃高峰期,生成了大量的油气。充足的油源除充满沙三段和沙四段有利圈闭外,油气在浮力驱动下沿大断裂向上运移。多条连接沙二段与沙三、沙四段的断层和多个不整合面在空间上组成立体的输导体系,油气在立体输导体系沟通下,由下往上、由洼陷中心向边缘呈发散状运移,在沙二段中遇有利圈闭聚集成藏。而此时沙一段烃源岩也有部分低熟油生成,但沙一段烃源岩生成的油气对沙二段充注的空间有限,充注位置也局限于大断裂作用下沙二段储集层比沙一段烃源岩构造位置高或直接对接的部位,只能充注早期未充注或充注未满的储集层。这一成藏模式下,多形成以沙三、沙四段油源为主的构造—岩性油藏、构造油藏,有部分沙一段油源形成的构造—岩性油藏,此外还有沙一段、沙三段以及沙四段相互混源的复杂来源油藏存在。晚成藏期形成的油藏多聚集在中成藏期未波及到的沙二段顶部或洼陷边缘部位的圈闭中(图7)。

图7 济阳坳陷渤南洼陷沙二段多源供烃成藏模式

总体上,渤南洼陷沙二段油气成藏具有3方面的特点:首先,沙四上亚段、沙三段和沙一段烃源岩多源供烃;其次,馆陶组沉积末和明化镇组沉积末2期成藏;再次,自下而上、自洼陷中心向边缘,油气藏的形成时间由早到晚差异聚集。

5 结论

(1)渤南洼陷具有沙四上亚段、沙三段和沙一段3套烃源岩,油源丰富;沙二段底部扇体及碳酸盐岩沉积与顶部泥岩构成了有利的储盖组合;沙二段油气成藏在不同区域的运移方式和通道不同,输导体系主要由断层和不整合面构成。

(2)渤南洼陷沙二段油气成藏具有多源供烃的特点;断裂体系和广泛存在的不整合既控制着油气的输导,又可提高储集层储集能力,对油气运移和聚集具有主要影响;储集层物性控制油气富集程度,物性好的储集层油气显示情况较好。

(3)依据成藏期和油源不同,渤南洼陷沙二段油气成藏可分为“中期成藏、双源供烃”和“晚期成藏、三源供烃” 2种模式;2种成藏模式下多形成由单源油和混源油组成的岩性圈闭、构造圈闭以及构造—岩性复合圈闭油藏;自下而上、自洼陷中心向边缘,油气藏的形成时间由早到晚差异聚集。

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