準(zhǔn)噶爾盆地西北緣油氣運聚過程中的化石特征及油氣成藏

準(zhǔn)噶爾盆地西北緣油氣運聚過程中的化石特征及油氣成藏

由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)的重疊，疊合盆地不僅油氣儲量豐富，而且具有“一源多儲”和“一源一儲”的復(fù)雜成藏特征（何登發(fā)等，2000；陳建平等，2004；金志軍等，2004）。所以,如何準(zhǔn)確恢復(fù)疊合盆地的油氣成藏演化特點,刻劃油氣從源到儲的詳細(xì)過程,進(jìn)而為油氣勘探評價提供準(zhǔn)確的參考信息是油氣地質(zhì)研究中最難解決的問題之一。近來,鑒于包裹體是油氣運聚過程中的“化石”記錄,形成后一般沒有外來物質(zhì)的加入和自身物質(zhì)的溢出,故通過對包裹體的系統(tǒng)研究,可以為定量描述油氣成藏演化過程提供基礎(chǔ)依據(jù)(張銘杰等,2004)。因而,通過包裹體地球化學(xué)來研究油氣成藏演化過程已成為當(dāng)前石油地質(zhì)學(xué)研究的前沿方向。準(zhǔn)噶爾盆地是我國西部典型的疊合油氣盆地,其西北緣地區(qū)是目前新疆油田公司的主力油區(qū),原油產(chǎn)量占全盆地總量的約40%(張義杰,2002)。前人多通過傳統(tǒng)地質(zhì)分析手段,即依據(jù)構(gòu)造演化史、圈閉形成史和烴源巖生排烴史的研究結(jié)果,來定性恢復(fù)成藏演化特點,有效指導(dǎo)了油氣勘探部署。但隨著勘探程度的不斷深入,需要進(jìn)一步深化對成藏演化過程的認(rèn)識,以期為油氣勘探提供更為精確的科學(xué)信息。本文力圖通過較為系統(tǒng)的包裹體地球化學(xué)研究,首先揭示油氣成藏演化研究的基礎(chǔ),即油氣來源與成藏期次,然后進(jìn)一步結(jié)合烴源巖生排烴史和構(gòu)造演化史,討論成藏演化過程。1原油儲層油氣油源對比工作業(yè)已表明,準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地區(qū)的油氣主要源于區(qū)內(nèi)瑪湖生烴凹陷的二疊系下統(tǒng)風(fēng)城組(P1f)和中統(tǒng)下烏爾禾組(P2w),部分源于二疊系下統(tǒng)佳木河組(P1j)(王緒龍等,1999,2001)。原油(儲層油砂抽提物)中三環(huán)萜烷(C20、C21、C23)的分布是反映母質(zhì)來源的一個良好指標(biāo):下降型(C20>C21=C23)、較大斜率上升(C20<C21<C23)型和山峰型(C20<C21>C23)分別代表了典型的佳木河組、風(fēng)城組和烏爾禾組油氣。此外,基于烴源巖的生排烴史,以及一些包裹體均一溫度測試結(jié)果,普遍認(rèn)為本區(qū)的油氣成藏主要包括兩個大的期次(T3和J2-K1)(張義杰等,2002)1。1.1不同層位的油氣成藏期在過去本區(qū)的油源對比工作中,分析對象往往是從井下采集的原油以及賦存在儲層孔隙中的烴類(游離烴)。然而,正如前言中所述,對于疊合盆地而言,原油與游離烴一般都會不同程度地受到多源多期原油混合的影響,增加了對其研究的難度。國內(nèi)外眾多學(xué)者的研究表明,原油和儲層游離烴主要代表的是現(xiàn)今的油氣組分,而儲集巖中的油氣包裹體則代表著古油氣組分,包裹體烴與儲層游離烴之間地球化學(xué)特征的差異反映了油藏在油氣充注過程中油源或成熟度的變化,因此,油氣包裹體的分子地球化學(xué)研究為揭示油藏的油氣聚集過程提供了一個重要手段(Karlsenetal.,1993;Panetal.,2003;吳景富等,2003;史基安等,2005)。準(zhǔn)噶爾盆地西北緣地區(qū)儲層游離烴和包裹體烴的生物標(biāo)志物地球化學(xué)特征對比結(jié)果顯示,本區(qū)油氣藏現(xiàn)今油氣組分與古油氣組分來自于不盡相同的烴源巖,油氣成藏過程中注入的油氣先后來自于佳木河組、風(fēng)城組和烏爾禾組烴源巖,早期充注的油氣大都遭受了生物降解,后期有相對高熟油氣注入,原油混源現(xiàn)象普遍。以采自西北緣五區(qū)南油田克201井二疊系(4299m,P2x)和三疊系(3602m,T2k)砂巖儲層中的樣品為代表。首先,不同性質(zhì)油氣對儲層的多期充注是本區(qū)油氣成藏的最大特點。從氣相色譜圖中可以看出,無論是游離烴還是包裹體烴,都可以看到“UCM”峰(UnresolvedComplexMixture,俗稱大鼓包)(圖1a,1b,1c,1d),結(jié)合25-降藿烷的出現(xiàn),表現(xiàn)為典型的生物降解油特點(Petersetal.,1993)。可見,包裹體捕獲的烴類物質(zhì)有調(diào)整運移上來的降解油組分,說明有一期更早的成藏期。結(jié)合正構(gòu)烷烴出峰完整的現(xiàn)象來看,可知包裹體烴為早期降解油(“UCM”鼓包和25-降藿烷)和后期未降解油(正構(gòu)烷烴完整)的混合。而儲層游離烴表現(xiàn)出明顯不同的特征,其正構(gòu)烷烴含量很低或沒有,因此,游離烴可能是早期不同性質(zhì)油氣經(jīng)過混合后,又遭受到生物降解作用,從而使得正構(gòu)烷烴幾乎消失。其次,風(fēng)城組烴源流體對儲層的普遍充注是本區(qū)油氣成藏的另一個重要特點。氣相色譜圖中兩塊樣品的包裹體烴的地球化學(xué)特征相似(圖1b,1d):正構(gòu)烷烴分布完整(碳數(shù)分布從C11到C34),Pr/Ph、Pr/nC17、Ph/nC18分別為0.82、0.41和0.36以及0.84、0.49和0.54,說明二疊系和三疊系儲層油氣包裹體中都記錄了形成于弱氧化—弱還原沉積環(huán)境的同一烴源,即風(fēng)城組的油氣(王緒龍等,1999,2001)。此外,不僅僅是包裹體烴,游離烴中也記錄了風(fēng)城組的油氣,因為在m/z191質(zhì)量色譜圖中檢測到了高含量的伽瑪蠟烷(圖1e,1g),結(jié)合氣相色譜圖中γ-和β-胡蘿卜烷含量豐富的現(xiàn)象(圖1a,1c),表明有高鹽度烴源油的混入,即來自于風(fēng)城組的油氣(王緒龍等,1999,2001)。第三,不同層位儲層中的油氣充注過程不盡相同。二疊系樣品游離烴的分子地化特征表現(xiàn)為三環(huán)萜烷含量遠(yuǎn)高于藿烷,比值達(dá)2.95,三環(huán)萜烷的分布型式以C23為主峰,C20和C21基本相當(dāng)(圖1e);而包裹體烴三環(huán)萜烷含量略高于藿烷(1.01),三環(huán)萜烷呈下降型(C20>C21=C23)分布(圖1f)。對比王緒龍等(1999,2001)建立的油源對比指標(biāo),包裹體烴的三環(huán)萜烷分布表現(xiàn)為典型的佳木河組烴源油(三環(huán)萜烷C20-C21-C23呈下降型)特征。再結(jié)合前面對氣相色譜圖特征的分析,筆者認(rèn)為,包裹體烴中先后記錄了佳木河組和風(fēng)城組油氣,早期進(jìn)入的佳木河組油氣遭受了生物降解,風(fēng)城組油氣后期充注。這在一定程度上也說明了佳木河組烴源油的成藏期較早(早于P2x就開始排烴)。游離烴的三環(huán)萜烷C23主峰與C20和C21基本相當(dāng),不是典型風(fēng)城組烴源巖所具備的較大斜率的上升型。推測除了風(fēng)城組油氣之外,還有佳木河組油氣(三環(huán)萜烷呈下降型)的混合(只有三環(huán)萜烷呈上升和下降型的疊加可導(dǎo)致C20=C21<C23的分布態(tài)勢)。三疊系樣品的儲層游離烴和包裹體烴甾、萜烷分布差異較大。游離烴中三環(huán)萜烷分布型式表現(xiàn)為山峰型(C21>C23>C20),三環(huán)萜烷與五環(huán)三萜烷含量基本相當(dāng),C23H/C30H為1.4,C2920S/(20S+20R)和C29αββ/C29ααα+αββ值分別為0.52和0.53(圖1g);而包裹體烴三環(huán)萜烷的分布呈上升型,三環(huán)萜烷/五環(huán)三萜烷為0.64,C23H/C30H為0.46,成熟度參數(shù)C2920S/(20S+20R)和C29αββ/C29ααα+αββ分別為0.52和0.55(圖1h)。對比王緒龍等(1999,2001)建立的油源對比指標(biāo),結(jié)合從氣相色譜圖中獲得的認(rèn)識(圖1c,1d),可以說明,游離烴中的油氣主要來自于風(fēng)城組與烏爾禾組烴源巖,而包裹體烴則主要記錄的是風(fēng)城組油氣(可能還有部分早期的佳木河組調(diào)整油,因為氣相色譜圖中見“UCM”鼓包和完整的正構(gòu)烷烴)。1.2流體包裹體均一溫度和成藏期研究在不同期次油氣運移過程中,會形成具有不同成分特征及熱演化程度的包裹體,因此,鑒于有機(jī)包裹體的熒光色反映了其內(nèi)可溶有機(jī)質(zhì)的組分和含量,所以包裹體的熒光色在一定程度上可代表著充注油氣的性質(zhì)(Georgeetal.,2001)。鏡下觀測發(fā)現(xiàn),本區(qū)有大量有機(jī)包裹體賦存在自生方解石脈、膠結(jié)物和石英次生加大邊中,還有一些以串珠狀沿石英裂隙分布,形態(tài)多種多樣,從橢圓形到不規(guī)則形狀皆有分布,長度一般小于10μm,寬度一般小于6μm。根據(jù)包裹體相態(tài)之間的關(guān)系和熒光鏡下的觀測結(jié)果,有機(jī)包裹體總體上可以劃分為兩大類,一是發(fā)褐黃色熒光的液態(tài)烴相;二是氣態(tài)烴+液態(tài)烴的兩相,又可進(jìn)一步劃分為發(fā)藍(lán)白色熒光的以氣態(tài)烴為主的(20%～30%液態(tài)烴)和發(fā)黃色熒光的以液態(tài)烴為主的(10%～20%的氣態(tài)烴)。這些鏡下觀測結(jié)果初步表明本區(qū)儲層中至少接受了三期油氣充注。進(jìn)一步應(yīng)用流體包裹體均一溫度數(shù)據(jù),并結(jié)合古地溫演化史可以恢復(fù)油氣充注期次(Walderhaugetal.,1993;康永尚等,2004)。仍然以采自五區(qū)南油田的樣品為例(克201井、克82井、克83井),二疊系和三疊系儲層樣品中的流體包裹體均一溫度分別可大致劃為三個區(qū)間(30～50℃,70～90℃和110℃)以及兩個區(qū)間(50～70℃和90～110℃)(圖2)。結(jié)合沉積埋藏史和熱史資料,二疊系的油藏可能接受了三期油氣充注,大致在中晚二疊世、晚三疊世—早侏羅世和早白堊世,而三疊系儲集層大致在晚三疊世—早侏羅世和早白堊世接受油氣注入(圖3)。有機(jī)包裹體的鏡下熒光色觀察結(jié)果和流體包裹體的均一溫度測試結(jié)果相吻合,結(jié)合1.1節(jié)對游離烴和包裹體烴的成分分析,這三期油氣充注代表了多烴源和/或多成熟度烴類流體的運聚。此外,本次工作得出的油氣成藏關(guān)鍵時刻(P2～3、T3—J1、J2—K1)較前人的認(rèn)識(T3和J2-K1)有所不同。本文認(rèn)為,中晚二疊世也是一個重要的成藏期,除了包裹體均一溫度證據(jù)外,還有兩點理由:①前已述及(1.1節(jié)),二疊系(P2x)油砂樣品中包裹體捕獲的烴類物質(zhì)有調(diào)整運移上來的降解油組分,說明有一期更早的成藏期,結(jié)合生標(biāo)地化特征來看,應(yīng)是來自于佳木河組的烴源油;②從構(gòu)造演化史(張義杰等,1999;陳書平等,2001)和烴源巖生排烴史1來看,中晚二疊世應(yīng)是準(zhǔn)噶爾盆地,特別是西北緣克-夏斷階帶及斜坡區(qū)的第一次大規(guī)模油氣成藏期,該期古油氣藏很有可能是佳木河組早期生成的原油,只是由于成藏時代早,后期構(gòu)造變動頻繁,使得該期油氣藏未能保存下來(抑或是尚深埋于地下深處而未被發(fā)現(xiàn))。1.3儲層包裹體油氣成藏階段的資在近期的文獻(xiàn)中,顯微傅立葉變換紅外光譜技術(shù)(μFTIR)被廣泛用來測定油氣包裹體中有機(jī)質(zhì)的組成,表現(xiàn)出很大的應(yīng)用潛力(Pirononetal.,1990;李榮西等,1998)。作為從紅外光譜中識別出的典型有機(jī)基團(tuán),甲基(-CH3)和次甲基(-CH2)紅外吸收區(qū)域的峰值之比(2930cm-1/2860cm-1)可反映油氣充注性質(zhì)(油源和/或成熟度)的變化(Kister,1990)。對本區(qū)典型儲層有機(jī)包裹體的紅外吸收峰2930cm-1/2860cm-1(CH3/CH2)比值的統(tǒng)計分析表明,包裹體中至少記錄了兩期不同性質(zhì)的含油氣流體充注,印證了前面包裹體光性特征和均一溫度的分析結(jié)果。如圖4所示,43個CH3/CH2數(shù)據(jù)主要集中在1.0～1.3之間(圖4),說明有機(jī)包裹體中油的成熟度基本一致,處于成熟階段。此外,還有少量有機(jī)包裹體的CH3/CH2比值在2.0以上,表明油氣在不同的成烴演化階段表現(xiàn)為其形成的包裹體具有不同的CH3/CH2比值,研究區(qū)還存在一期成熟度較高的含油氣流體成藏聚集。結(jié)合前面對包裹體烴成分的分析結(jié)果,推測有機(jī)包裹體中主要記錄的是早期來自風(fēng)城組烴源的成熟油氣(不排除部分調(diào)整的佳木河組烴源油的貢獻(xiàn)),部分記錄了晚期來自于烏爾禾組的相對高成熟油氣。原因可能有二,一是因為后期高熟油氣對儲集層充注時,由于礦物晶格缺陷已基本被早先來過的成熟油氣所形成的包裹體充滿,因此記錄了這期高熟油氣充注的包裹體無疑會是相對少數(shù);二是因為油氣在高熟階段所一起運聚的水量已經(jīng)銳減,缺乏酸性流體(巴克,1982),所以高熟油氣本身也不具備足夠的能量開拓空間形成包裹體(Caoetal.,2006)。1.4晚侏羅世油氣概況基于上述較為系統(tǒng)的包裹體地球化學(xué)研究,可以簡要歸納本區(qū)油氣來源與成藏期次方面的認(rèn)識。中晚二疊世,佳木河組的成熟油氣進(jìn)入石炭系和二疊系儲層中,鏡下觀測發(fā)現(xiàn),現(xiàn)今它們多以瀝青形式殘存于孔隙中。三疊紀(jì)末—早侏羅世,二疊系和三疊系儲層中聚集了來自于風(fēng)城組烴源的油氣,該期油氣藏在晚侏羅世后由于油藏調(diào)整部分被破壞,導(dǎo)致了大量稠油和生物降解油的存在,在氣相色譜圖上表現(xiàn)為“UCM”峰和25-降藿烷的存在。早白堊世后,烏爾禾組烴源巖進(jìn)入生排烴高峰,同時,佳木河組還開始生成腐殖型的天然氣,形成了本區(qū)第三期油氣藏?，F(xiàn)今油氣藏中保存的主要是風(fēng)城組的成熟和下烏爾禾組的成熟至高熟原油,且以前者為主。而古油氣藏油源則更為復(fù)雜,包括佳木河組、風(fēng)城組和下烏爾禾組烴源,有成熟和高熟油氣之分。總之,從包裹體光性特征多變、均一溫度分布范圍寬,以及CH3/CH2變化細(xì)微的現(xiàn)象來看,油氣充注往往是多期連續(xù)成藏的結(jié)果。2晚三疊世—油氣成藏演化在前文對油氣來源與成藏期次詳細(xì)分析的基礎(chǔ)上,我們對本區(qū)的油氣成藏演化特點有了進(jìn)一步認(rèn)識。油氣成藏具有多源多期的復(fù)雜特點,不同構(gòu)造帶(斜坡區(qū)、斷階帶和超覆尖滅帶)含油層系的成藏特點也不盡相同。為了得出一些規(guī)律性的認(rèn)識,基于本次研究的結(jié)果,結(jié)合區(qū)域構(gòu)造演化和烴源巖生排烴史,我們總結(jié)了不同時期不同構(gòu)造帶的油氣成藏演化特點,所選剖面從瑪湖生烴中心—瑪湖斜坡區(qū)(五區(qū)南油田)—斷階帶—超覆帶(克拉瑪依扎伊爾山前),穿越了西北緣的主要構(gòu)造單元(圖5)。中晚二疊世:這是準(zhǔn)噶爾盆地沉降、沉積最快速的一個時期(張義杰,2002)。隨著上覆二疊紀(jì)地層的沉積,佳木河組烴源巖迅速成熟,成熟油氣沿斷裂和不整合主要進(jìn)入斜坡區(qū)的石炭系和二疊系佳木河組、夏子街組儲層中。佳木河組頂面的風(fēng)化殼和下烏爾禾組的泥巖是良好的油氣蓋層。部分油氣后期沿斷裂遭受了調(diào)整。晚三疊世—早侏羅世:對整個西北緣而言,這是印支運動的主活動期,全區(qū)的構(gòu)造格局基本形成。風(fēng)城組烴源巖開始成熟,并大量排出液態(tài)烴。油氣聚集在從二疊系到三疊系的各套儲層中(特別是中三疊統(tǒng)克拉瑪依組),以上三疊統(tǒng)白堿灘組泥巖為蓋層。油氣運聚受斷控體系控制:被油源斷裂從烴源區(qū)溝通上來后,又進(jìn)一步被斷層垂向調(diào)整,不整合和高滲透輸導(dǎo)層側(cè)向分配。早白堊世:燕山運動決定了該期的構(gòu)造格局,切穿基底到侏羅系底部的深大斷裂重新活化,導(dǎo)致中上侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)中形成了大量的次級正斷層。這是佳木河組烴源巖的主要生氣期,瑪湖斜坡區(qū)得以聚集了大量的氣藏(如在1.1節(jié)中討論到的五區(qū)南油氣藏)。此外,下烏爾禾組烴源巖在此期間達(dá)到生排烴高峰,沿斷控運聚體系進(jìn)入二疊系—白堊系的各套儲層中,同時還與佳木河組的氣藏一起在運移途中驅(qū)使早先成藏的油氣繼續(xù)向上傾方向運動,加之大量深淺部斷裂的導(dǎo)通作用,使得不同烴源巖和