中国中西部前陆盆地天然气成藏特征

中国中西部前陆盆地天然气成藏特征

1一般研究和研究方法1.1油气地质条件中国中部和新生代的前陆盆地位于特提斯盆地群的东部，主要受提斯群发育的控制。中生代以来,中国中西部地区分别在中生代早期、新生代晚期发育两期前陆盆地,又被分为3类、4种相应的前陆盆地(前陆逆冲带)。中国中西部前陆盆地具有很好的油气成藏地质条件,如拉张构造背景下沉积了有效的烃源岩层系、挤压背景下发育前陆逆冲带、喜山期形成成排成带的大型圈闭等。早期前陆逆冲带被后期构造改造叠加,主体部位构造圈闭破坏严重,冲断带前锋、前渊、前缘斜坡和隆起部位圈闭保存较好;晚期前陆逆冲带与前缘隆起构造圈闭发育,成藏条件好,是近期勘探的主攻目标。中国中西部前陆盆地具有多旋回复合特征和非典型性。中国中西部中、新生代前陆盆地具有优越的天然气地质条件。中生代前陆盆地的“基础”多为晚古生代形成的褶皱基底,被动大陆边缘海相沉积不发育,以陆相沉积为主体;新生代叠加再生前陆盆地,发生强烈构造变形。主要烃源岩发育在中生界,厚度大,有机质丰度高,以Ⅲ型干酪根为主。再生前陆盆地中堆积巨厚新生界沉积物的地区,烃源岩进入高—过成熟阶段,以聚集天然气为主。本文主要讨论中国中西部前陆盆地多期成藏、晚期聚气的成藏特征。1.2从“成藏石化”记录油气成藏过程时的运动学特征在油气成藏期和过程研究上,早期主要从生、储、盖、运、聚、保各项参数的有效配置,根据构造演化史、圈闭形成史与烃源岩生排烃史来推断油成藏期次和过程。近年来随着科技的进步,油气成藏期的“正演”分析方法如对构造演化史、圈闭发育史与烃源岩生排烃史的研究越来越深入、精细,相应地深化了油气成藏条件、期次和过程的认识;同时,依靠“成藏化石”记录方面的成藏期定量数据分析可以“示踪”油气成藏期次和过程[10,11,12,10,11,12],如储层成岩矿物及其中流体包裹体直接记录了沉积盆地早期油气成藏条件和过程,储层沥青分析反映了油气的演化过程,自生矿物年代学研究可以获得油气充注时期的准确数据。而油气成藏演化历史是含油气系统中各地质要素和地质作用过程在时间和空间上有机匹配的历史,因此必须将油气成藏期的“正演”分析方法与油气成藏期的“反演”分析方法有机的结合起来,即在油气分异特征、包裹体分析、储层沥青分析和成岩矿物年代学等研究的基础上,结合盆地构造演化史、沉积埋藏史、烃源岩热演化史以及各种成藏条件的有效匹配,综合分析油气成藏期次、过程。在中国中西部前陆盆地成藏期次、过程研究中,必须结合前陆的发育史及其对成藏过程的影响作用,从而相应地深化油气成藏条件、期次和过程的认识。据此我们的研究思路是首先解剖典型天然气藏的成藏过程,在此基础上总结前陆盆地成藏期次、过程,最终达到认识中国中西部前陆盆地成藏特征的目的。2中国西部阿鲁盆地的多期成藏过程2.1雷改砂岩地层对中国中西部前陆盆地多期成藏过程的认识是建立在典型油气藏解剖的基础之上的,这里我们仅以川西前陆盆地的中坝气田为例来说明成藏期次的解剖过程。气田探明面积10km2,探明天然气储量186.3亿m3,其中须一段气藏探明100亿m3,凝析油40万t,雷三段86.3亿m3,属于高丰度中型气田(图1)。须一段储集层为一套浅灰—灰白色岩屑石英砂岩及岩屑长石石英砂岩,厚度291~402m,平均342m。须一段主要为中粒砂岩,为裂缝-孔隙型储集层,主要孔隙为粒间孔隙,次为晶间孔隙和溶孔,存在一些微裂缝。砂岩孔隙度最高达15.67%,最低为0.65%,平均5.62%;渗透率一般小于1×10-3μm2。雷三段可分为上、下两个亚段,上亚段为白云岩含膏质和泥质,岩石致密,为非气层,钻井揭示厚度为93~115m,横向岩性稳定;雷三段下亚段厚度为99~112m,为灰色针孔粉晶藻屑白云岩和粉晶白云岩,粒间、粒内、晶间孔隙都发育,是主要的产气层段。雷三亚段储集层基质孔隙度一般为2%~5%,平均4.38%;基质渗透率一般小于1×10-3μm2,含水饱和度19%~32%,有效厚度平均为74m。2.1.1不同层系地层格架雷口坡组凝析油为本组Ⅱ型烃源岩自生自储的产物,须一、须二段中的凝析油主要为须一段腐殖型烃源岩的产物。主要表现为:(1)在轻烃组成上中坝气田中的雷口坡组和须一、须二段中的凝析油明显不同,反映来源的差异。(2)原油色谱特征见表1,尤其Pr/Ph值表明雷口坡组凝析油为Ⅱ型烃源岩的产物,须一、须二段中的凝析油表现为煤成油的特征。(3)原油及其组分碳同位素特征也表明雷口坡组凝析油为Ⅱ型烃源岩的产物,须一、须二段中的凝析油表现为煤成油的特征。雷三段天然气主要源自雷口坡组烃源岩,但根据δ13C1分析认为除了雷口坡组的贡献外有源自下伏成熟度更高的二叠系或石炭系烃源岩的贡献。须一、须二段天然气则主要源自须一段烃源岩。主要表现为:(1)雷三段天然气含有较高的非烃含量,其中CO2体积分数为4.2%、N2为1.52%、H2S为6.33%,说明天然气主要与雷口坡组的海相灰质烃源岩有关;须一、须二段天然气非烃含量很低,CO2体积分数为0.36%~0.40%、N2体积分数为0.17%~0.32%,几乎不含H2S。(2)天然气的δ13C2为-29.64‰,反映出雷三段天然气源自腐泥质烃源岩;须一、须二段天然气的δ13C2为-25.23‰~-25.72‰,反映腐殖型烃源岩产物特征。(3)雷三段天然气的成熟度较高,干燥系数为0.97,δ13C1为-35.69‰,须一、须二段天然气干燥系数为0.90~0.92,δ13C1为-36.22‰~-37.65‰。2.1.2储层沥青碳源岩早期沥青充填于粒间和粒内溶孔、铸模孔、破裂缝中,高岭石化粘土杂基及粘土化的长石被油浸渍。例如中45井,小塘子组井深3558~3561m的砂层中,孔隙中充填有大量沥青,沥青面孔率达11%,有效孔隙面孔率为3%,实测孔隙度为4.55%。根据储层沥青的色谱和质量色谱图特征(图2、图3),我们可以获得如下信息:(1)储层沥青是雷口坡组或更老烃源岩成熟阶段的产物,其CPI值在1.0左右(表1)。Pr/Ph值为0.90~0.94(图2),与雷口坡凝析油很接近而与须二段凝析油具有很大的差别;从规则甾烷的“V”字型分布、三环萜烷的C23主峰以及高γ-蜡烷等特征(图3)反映其源岩与须家河组烃源岩有很大的差异;储层沥青的碳同位素值为-28.2‰~-29.1‰,也反映其源自腐泥型烃源岩,与须一、须二段凝析油碳同位素有很大的差别,须一、须二段凝析油碳同位素值为-24.5‰~-24.3‰。(2)储层沥青经历了严重的生物降解。从色谱图(图2)中可以看出基线明显抬高,支链烷烃和环烷烃的相对含量明显增加;在m/z177质量色谱图中存在25-降藿烷(图3)。2.1.3温度范围202025个包裹体样品分析表明,中坝气田雷口坡组和须一段包裹体均一温度主要分三期:(1)印支期形成的裂缝系统由方解石充填,这期包裹体少见,主要温度范围在60~90℃,是雷口坡组或更早源岩的生烃高峰期,该期注入的烃类发生降解形成储层中的降解沥青。(2)第二期包裹体主要分布在100~130℃,该期包裹体主要发生在燕山早、中幕形成的石英裂缝或次生加大边上,此时须家河组烃源岩进入生烃高峰期。(3)第三期包裹体主要分布在150~180℃,该期包裹体主要发生在燕山晚幕和喜山早幕,此期是方解石胶结物主要分布区,此时须家河组烃源岩进入了高成熟阶段。2.1.4不同温度下烃源岩储藏特征中坝构造在印支晚期已初具规模,中坝气田的成藏过程示意如图4。印支晚期,即三叠纪末,雷口坡组烃源岩及其早期烃源岩处于成熟阶段,生成的腐泥型原油聚集在雷口坡组和须家河组的须一段和须二段储层中成藏,此时须一段的包裹体温度为60~90℃,晚印支运动地层遭到剥蚀,甚至须二段油藏几乎剥蚀殆尽,从而使残留下来的油藏遭到严重的生物降解。侏罗纪末,须家河组烃源岩处于成熟阶段,此时须一段的包裹体均一温度分布在100~130℃,须家河组烃源岩以腐殖型烃源岩为主,生成的产物以凝析油气为主。中50井2588.56m砂岩中的粘土矿物测年为135.93Ma,也反映了该期的油气充注。白垩纪末,须家河组烃源岩主要处于高—过成熟阶段,以生成高成熟度的湿气为主,此时须一段的包裹体主要分布在150~180℃。对于须家河组烃源岩来说实际上只经历了两期成藏,晚期生成的成熟度较高的天然气与早期成熟度较低的天然气混合形成现今的天然气组成,即天然气的总体成熟度并不是很高。2.2成藏期次、成藏过程及成藏过程通过对川西地区的松华—白马、中坝和平落坝气田、柴北缘的马仙气田和冷湖油田及准南缘的呼图壁气田、齐古油田和莫索湾油气田进行的成藏期次、成藏过程的解剖,在此基础上分析了川西、柴北缘和准南缘的多期成藏过程。2.2.1不同构造发育时期烃源岩和油气藏的变化印支期的油气聚集主要发生在川西古隆起背景上发育的圈闭中,具有“早聚晚藏”的成藏特征。在南段主要发生在安县运动时(须三期末),这里的油气主要由凹陷深处运移而来,该期油气遭受破坏,从而使须二段储层沥青具有明显的生物降解;三叠纪末主要聚集了源自须一、须三段的凝析油气,该期的包裹体温度为95℃。在北段雷口坡组烃源岩及其早期烃源岩处于成熟阶段,生成的腐泥型原油聚集成藏,此时须一段的包裹体温度为60~90℃,由于晚印支运动地层遭到剥蚀,从而使油藏遭到严重的生物降解。燕山早期,在川西的南段主要聚集了源自须一、须三段高—过成熟度的产物,该期包裹体温度为100~130℃,该期产物在离逆冲带较远的松华—白马庙地区即有保存也有破坏,在逆冲带中的平落坝地区则破坏殆尽;此时在蓬莱镇组聚集了源自须五段的低—成熟阶段的产物,由于此时蓬莱镇组直接盖层埋藏浅,发生生物降解,储层沥青中具有明显的生物降解现象。在北段须一、须三段烃源岩处于成熟阶段,此时须一段的包裹体均一温度分布在100~130℃,须家河组烃源岩以腐殖型烃源岩为主,生成的产物以凝析油气为主。燕山晚期,在南段的蓬莱镇组聚集了源自须五段的高成熟湿气。在北段须家河组烃源岩主要处于高—过成熟阶段,以生成高成熟度的湿气为主,此时须一段的包裹体主要分布在150~180℃。喜山期构造运动对早期的形成的气藏具有调整、改造作用。龙门山造山带-川西前陆盆地系统的整体抬升和剥蚀作用决定了裂缝系统的发育和上三叠统气藏的调整及侏罗系气藏的形成。2.2.2侏罗系早期油气聚集和沉积期e柴北缘总体上表现为喜山期成藏的特征。中生代末期燕山运动在马海凸起的南八仙地区形成了侏罗系圈闭,后接受剥蚀,在高点出现侏罗系缺失,但周围侏罗系地层已出现圈闭的构造形式;中侏罗世末,冷湖构造带抬升剥蚀,此时未形成独立的构造圈闭,且烃源岩尚未成熟。在第三系晚期沉积阶段,昆特依—伊北次凹陷的下侏罗统烃源岩处于低—成熟阶段,此时在E1+2—E3的圈闭进一步加强,形成早期的油气聚集,如冷湖三号、四号、五号油田和鱼卡油田,并在南八仙也有早期原油聚集。由于抬升作用或上覆盖层成岩作用较弱,早期聚集的原油遭受不同程度的降解,如南八仙E1331凝析油气储层中有早期原油降解的痕迹,冷湖三号生物降解稠油的存在。随着新近系沉积地层的增加,侏罗系烃源岩进入了高—过成熟阶段,大量断层发育,使得侧向运移的油气沿断层垂向运移到有效的储层中,并和早期聚集的油气发生混合作用,多以凝析油气性质存在;喜山末期的强烈构造运动使得油气沿断层垂向运移到新近系中,形成次生油气藏。2.2.3构造和沉积特征准噶尔盆地南缘有多套烃源岩,具有多期演化的成藏特征,但以晚期源自侏罗系煤系烃源岩的天然气成藏为主。三叠纪末,二叠系烃源岩进入生油高峰阶段,此时受海西期基岩断凸影响,在第一排构造带上覆三叠系形成的低幅度构造圈闭,从而形成源自二叠系的油气聚集。该期油气运移以长距离侧向运移为主。以齐古油田的三叠系油藏为代表。白垩纪末,侏罗系烃源岩进入成熟阶段,生成的油气主要由凹陷中心向西南边缘隆起部位侧向运移。此时第一排构造带经过强烈的推覆已初见雏形,从而形成侏罗系油藏。在前陆坳陷中有构造背景的地方也有源自侏罗系、二叠系源岩的混源油气的聚集。在二叠系古隆起背景的马桥凸起的侏罗系储层中此时聚集了主要源自二叠系的油气。N2末,由于巨厚的第三系沉积,准南前陆盆地的侏罗系大部分处于高—过成熟阶段,开始了大量的生成煤成气阶段。此时南北向的挤压应力,使准南燕山期古构造及古断裂得以改造并最终定型,形成现今的三排构造带和马桥凸起及白家海凸起圈闭的定型。此时一方面聚集源自侏罗系的天然气,另一方面断裂作用使得下伏的侏罗系原生油藏破坏或向上调整,从而在喜山圈闭中成藏,如呼图壁气田。中国中西部叠合盆地具有多期成藏的特征。从上述可知,中国中西部前陆盆地同样经历了印支晚期、燕山早期、燕山晚期、喜山早期和喜山晚期等多期油气成藏,并具有晚期聚气的成藏特征。通过中西部前陆盆地成藏期次的对比,认为中国中西部前陆盆地具有最主要的两大成藏期(图4):一是燕山晚期,主要是被动陆缘或中部前陆盆地三叠系烃源岩的油气聚集期;二是喜山晚期,受新构造运动影响,主要是西部陆内前陆盆地的中新生界烃源岩的天然气成藏期和中部周缘前陆盆地的天然气的调整期。同时通过对前陆盆地不同构造带结构的演变,认为前陆盆地形成期油气成藏具有多阶段性和递进性,靠近造山带成藏早,远离造山带向克拉通方向成藏晚。3油气成藏年龄及构造运动学宋岩等(2002)探讨了中国西部库车前陆盆地多期成藏的地质条件。研究表明,盆地多期叠合、古构造发育、多套烃源岩多期演化是油气多期成藏的主控因素,中西部前陆盆地中生界煤系烃源岩发育和较强的喜山晚期构造运动是晚期天然气聚集成藏的根本原因。3.1中下侏罗统烃源岩中国中西部前陆盆地发育多套烃源岩,如鄂尔多斯西缘主要发育三套烃源岩,下古生界碳酸盐岩和泥质烃源岩、上古生界煤系烃源岩和上三叠统湖相烃源岩;川西前陆坳陷具有与鄂尔多斯西缘较为相似的源岩发育过程,除了发育巨厚的上三叠统烃源岩外,还发育中下寒武统、下志留统和石炭系—二叠系烃源岩;塔西南前陆盆地在被动陆缘阶段发育下石炭统、下二叠统烃源岩的基础上,在前陆坳陷阶段发育中下侏罗统烃源岩;库车前陆盆地发育中、上三叠统和中、下侏罗统两套烃源岩;准西北发育上二叠统烃源岩和上三叠统,中、下侏罗统烃源岩;吐哈盆地主要发育中、下侏罗统烃源岩和尚待落实的二叠系和石炭系烃源岩;柴达木盆地则主要发育中、下侏罗统烃源岩。值得注意的是,中国中西部中生代古地理气候环境格局和同时期前陆盆地演化的特殊性决定中生界湖沼相煤系烃源岩是中国中西部前陆盆地的一套十分重要的烃源岩,这已经从油气源对比结果和勘探实践中得到了证实。如须家河组烃源岩是川西天然气的主要气源,侏罗系是柴北缘、准南缘的主要气源,三叠系、侏罗系是库车的主要气源。3.2前陆盆地沉积的沉积原因中西部前陆盆地发育多套烃源岩,不同的烃源岩在埋藏过程中所处的演化阶段不同,从而在前陆盆地发育时造成前陆盆地具有多期成藏的特征;并且由于前陆盆地沉积的特殊性从而造成即使是同一套烃源岩也具有生烃的多期性和成藏的多期性。通过对重点盆地川西、柴北缘和准南缘主要烃源岩的不同时期的主要烃源岩演化过程的研究,认为前陆发育时巨厚的沉积是加速源岩演化的根本原因;中部川西盆地成盆期发育的烃源岩的热演化直接受成盆期的埋藏史控制,西部成盆期前的烃源岩在成盆前或初期主要处于低、成熟阶段,成盆期使其迅速达到高—过成熟阶段(表2)。3.3构造背景对古水文化的控制作用从成藏动力学角度来看,中西部前陆盆地早期形成的隆起圈闭是油气聚集的有利指向区,也