准噶尔盆地西北缘油气运聚过程中的化石特征及油气成藏

准噶尔盆地西北缘油气运聚过程中的化石特征及油气成藏

由于地质结构的重叠，叠合盆地不仅油气储量丰富，而且具有“一源多储”和“一源一储”的复杂成藏特征（何登发等，2000；陈建平等，2004；金志军等，2004）。所以,如何准确恢复叠合盆地的油气成藏演化特点,刻划油气从源到储的详细过程,进而为油气勘探评价提供准确的参考信息是油气地质研究中最难解决的问题之一。近来,鉴于包裹体是油气运聚过程中的“化石”记录,形成后一般没有外来物质的加入和自身物质的溢出,故通过对包裹体的系统研究,可以为定量描述油气成藏演化过程提供基础依据(张铭杰等,2004)。因而,通过包裹体地球化学来研究油气成藏演化过程已成为当前石油地质学研究的前沿方向。准噶尔盆地是我国西部典型的叠合油气盆地,其西北缘地区是目前新疆油田公司的主力油区,原油产量占全盆地总量的约40%(张义杰,2002)。前人多通过传统地质分析手段,即依据构造演化史、圈闭形成史和烃源岩生排烃史的研究结果,来定性恢复成藏演化特点,有效指导了油气勘探部署。但随着勘探程度的不断深入,需要进一步深化对成藏演化过程的认识,以期为油气勘探提供更为精确的科学信息。本文力图通过较为系统的包裹体地球化学研究,首先揭示油气成藏演化研究的基础,即油气来源与成藏期次,然后进一步结合烃源岩生排烃史和构造演化史,讨论成藏演化过程。1原油储层油气油源对比工作业已表明,准噶尔盆地西北缘地区的油气主要源于区内玛湖生烃凹陷的二叠系下统风城组(P1f)和中统下乌尔禾组(P2w),部分源于二叠系下统佳木河组(P1j)(王绪龙等,1999,2001)。原油(储层油砂抽提物)中三环萜烷(C20、C21、C23)的分布是反映母质来源的一个良好指标:下降型(C20>C21=C23)、较大斜率上升(C20<C21<C23)型和山峰型(C20<C21>C23)分别代表了典型的佳木河组、风城组和乌尔禾组油气。此外,基于烃源岩的生排烃史,以及一些包裹体均一温度测试结果,普遍认为本区的油气成藏主要包括两个大的期次(T3和J2-K1)(张义杰等,2002)1。1.1不同层位的油气成藏期在过去本区的油源对比工作中,分析对象往往是从井下采集的原油以及赋存在储层孔隙中的烃类(游离烃)。然而,正如前言中所述,对于叠合盆地而言,原油与游离烃一般都会不同程度地受到多源多期原油混合的影响,增加了对其研究的难度。国内外众多学者的研究表明,原油和储层游离烃主要代表的是现今的油气组分,而储集岩中的油气包裹体则代表着古油气组分,包裹体烃与储层游离烃之间地球化学特征的差异反映了油藏在油气充注过程中油源或成熟度的变化,因此,油气包裹体的分子地球化学研究为揭示油藏的油气聚集过程提供了一个重要手段(Karlsenetal.,1993;Panetal.,2003;吴景富等,2003;史基安等,2005)。准噶尔盆地西北缘地区储层游离烃和包裹体烃的生物标志物地球化学特征对比结果显示,本区油气藏现今油气组分与古油气组分来自于不尽相同的烃源岩,油气成藏过程中注入的油气先后来自于佳木河组、风城组和乌尔禾组烃源岩,早期充注的油气大都遭受了生物降解,后期有相对高熟油气注入,原油混源现象普遍。以采自西北缘五区南油田克201井二叠系(4299m,P2x)和三叠系(3602m,T2k)砂岩储层中的样品为代表。首先,不同性质油气对储层的多期充注是本区油气成藏的最大特点。从气相色谱图中可以看出,无论是游离烃还是包裹体烃,都可以看到“UCM”峰(UnresolvedComplexMixture,俗称大鼓包)(图1a,1b,1c,1d),结合25-降藿烷的出现,表现为典型的生物降解油特点(Petersetal.,1993)。可见,包裹体捕获的烃类物质有调整运移上来的降解油组分,说明有一期更早的成藏期。结合正构烷烃出峰完整的现象来看,可知包裹体烃为早期降解油(“UCM”鼓包和25-降藿烷)和后期未降解油(正构烷烃完整)的混合。而储层游离烃表现出明显不同的特征,其正构烷烃含量很低或没有,因此,游离烃可能是早期不同性质油气经过混合后,又遭受到生物降解作用,从而使得正构烷烃几乎消失。其次,风城组烃源流体对储层的普遍充注是本区油气成藏的另一个重要特点。气相色谱图中两块样品的包裹体烃的地球化学特征相似(图1b,1d):正构烷烃分布完整(碳数分布从C11到C34),Pr/Ph、Pr/nC17、Ph/nC18分别为0.82、0.41和0.36以及0.84、0.49和0.54,说明二叠系和三叠系储层油气包裹体中都记录了形成于弱氧化—弱还原沉积环境的同一烃源,即风城组的油气(王绪龙等,1999,2001)。此外,不仅仅是包裹体烃,游离烃中也记录了风城组的油气,因为在m/z191质量色谱图中检测到了高含量的伽玛蜡烷(图1e,1g),结合气相色谱图中γ-和β-胡萝卜烷含量丰富的现象(图1a,1c),表明有高盐度烃源油的混入,即来自于风城组的油气(王绪龙等,1999,2001)。第三,不同层位储层中的油气充注过程不尽相同。二叠系样品游离烃的分子地化特征表现为三环萜烷含量远高于藿烷,比值达2.95,三环萜烷的分布型式以C23为主峰,C20和C21基本相当(图1e);而包裹体烃三环萜烷含量略高于藿烷(1.01),三环萜烷呈下降型(C20>C21=C23)分布(图1f)。对比王绪龙等(1999,2001)建立的油源对比指标,包裹体烃的三环萜烷分布表现为典型的佳木河组烃源油(三环萜烷C20-C21-C23呈下降型)特征。再结合前面对气相色谱图特征的分析,笔者认为,包裹体烃中先后记录了佳木河组和风城组油气,早期进入的佳木河组油气遭受了生物降解,风城组油气后期充注。这在一定程度上也说明了佳木河组烃源油的成藏期较早(早于P2x就开始排烃)。游离烃的三环萜烷C23主峰与C20和C21基本相当,不是典型风城组烃源岩所具备的较大斜率的上升型。推测除了风城组油气之外,还有佳木河组油气(三环萜烷呈下降型)的混合(只有三环萜烷呈上升和下降型的叠加可导致C20=C21<C23的分布态势)。三叠系样品的储层游离烃和包裹体烃甾、萜烷分布差异较大。游离烃中三环萜烷分布型式表现为山峰型(C21>C23>C20),三环萜烷与五环三萜烷含量基本相当,C23H/C30H为1.4,C2920S/(20S+20R)和C29αββ/C29ααα+αββ值分别为0.52和0.53(图1g);而包裹体烃三环萜烷的分布呈上升型,三环萜烷/五环三萜烷为0.64,C23H/C30H为0.46,成熟度参数C2920S/(20S+20R)和C29αββ/C29ααα+αββ分别为0.52和0.55(图1h)。对比王绪龙等(1999,2001)建立的油源对比指标,结合从气相色谱图中获得的认识(图1c,1d),可以说明,游离烃中的油气主要来自于风城组与乌尔禾组烃源岩,而包裹体烃则主要记录的是风城组油气(可能还有部分早期的佳木河组调整油,因为气相色谱图中见“UCM”鼓包和完整的正构烷烃)。1.2流体包裹体均一温度和成藏期研究在不同期次油气运移过程中,会形成具有不同成分特征及热演化程度的包裹体,因此,鉴于有机包裹体的荧光色反映了其内可溶有机质的组分和含量,所以包裹体的荧光色在一定程度上可代表着充注油气的性质(Georgeetal.,2001)。镜下观测发现,本区有大量有机包裹体赋存在自生方解石脉、胶结物和石英次生加大边中,还有一些以串珠状沿石英裂隙分布,形态多种多样,从椭圆形到不规则形状皆有分布,长度一般小于10μm,宽度一般小于6μm。根据包裹体相态之间的关系和荧光镜下的观测结果,有机包裹体总体上可以划分为两大类,一是发褐黄色荧光的液态烃相;二是气态烃+液态烃的两相,又可进一步划分为发蓝白色荧光的以气态烃为主的(20%～30%液态烃)和发黄色荧光的以液态烃为主的(10%～20%的气态烃)。这些镜下观测结果初步表明本区储层中至少接受了三期油气充注。进一步应用流体包裹体均一温度数据,并结合古地温演化史可以恢复油气充注期次(Walderhaugetal.,1993;康永尚等,2004)。仍然以采自五区南油田的样品为例(克201井、克82井、克83井),二叠系和三叠系储层样品中的流体包裹体均一温度分别可大致划为三个区间(30～50℃,70～90℃和110℃)以及两个区间(50～70℃和90～110℃)(图2)。结合沉积埋藏史和热史资料,二叠系的油藏可能接受了三期油气充注,大致在中晚二叠世、晚三叠世—早侏罗世和早白垩世,而三叠系储集层大致在晚三叠世—早侏罗世和早白垩世接受油气注入(图3)。有机包裹体的镜下荧光色观察结果和流体包裹体的均一温度测试结果相吻合,结合1.1节对游离烃和包裹体烃的成分分析,这三期油气充注代表了多烃源和/或多成熟度烃类流体的运聚。此外,本次工作得出的油气成藏关键时刻(P2～3、T3—J1、J2—K1)较前人的认识(T3和J2-K1)有所不同。本文认为,中晚二叠世也是一个重要的成藏期,除了包裹体均一温度证据外,还有两点理由:①前已述及(1.1节),二叠系(P2x)油砂样品中包裹体捕获的烃类物质有调整运移上来的降解油组分,说明有一期更早的成藏期,结合生标地化特征来看,应是来自于佳木河组的烃源油;②从构造演化史(张义杰等,1999;陈书平等,2001)和烃源岩生排烃史1来看,中晚二叠世应是准噶尔盆地,特别是西北缘克-夏断阶带及斜坡区的第一次大规模油气成藏期,该期古油气藏很有可能是佳木河组早期生成的原油,只是由于成藏时代早,后期构造变动频繁,使得该期油气藏未能保存下来(抑或是尚深埋于地下深处而未被发现)。1.3储层包裹体油气成藏阶段的资在近期的文献中,显微傅立叶变换红外光谱技术(μFTIR)被广泛用来测定油气包裹体中有机质的组成,表现出很大的应用潜力(Pirononetal.,1990;李荣西等,1998)。作为从红外光谱中识别出的典型有机基团,甲基(-CH3)和次甲基(-CH2)红外吸收区域的峰值之比(2930cm-1/2860cm-1)可反映油气充注性质(油源和/或成熟度)的变化(Kister,1990)。对本区典型储层有机包裹体的红外吸收峰2930cm-1/2860cm-1(CH3/CH2)比值的统计分析表明,包裹体中至少记录了两期不同性质的含油气流体充注,印证了前面包裹体光性特征和均一温度的分析结果。如图4所示,43个CH3/CH2数据主要集中在1.0～1.3之间(图4),说明有机包裹体中油的成熟度基本一致,处于成熟阶段。此外,还有少量有机包裹体的CH3/CH2比值在2.0以上,表明油气在不同的成烃演化阶段表现为其形成的包裹体具有不同的CH3/CH2比值,研究区还存在一期成熟度较高的含油气流体成藏聚集。结合前面对包裹体烃成分的分析结果,推测有机包裹体中主要记录的是早期来自风城组烃源的成熟油气(不排除部分调整的佳木河组烃源油的贡献),部分记录了晚期来自于乌尔禾组的相对高成熟油气。原因可能有二,一是因为后期高熟油气对储集层充注时,由于矿物晶格缺陷已基本被早先来过的成熟油气所形成的包裹体充满,因此记录了这期高熟油气充注的包裹体无疑会是相对少数;二是因为油气在高熟阶段所一起运聚的水量已经锐减,缺乏酸性流体(巴克,1982),所以高熟油气本身也不具备足够的能量开拓空间形成包裹体(Caoetal.,2006)。1.4晚侏罗世油气概况基于上述较为系统的包裹体地球化学研究,可以简要归纳本区油气来源与成藏期次方面的认识。中晚二叠世,佳木河组的成熟油气进入石炭系和二叠系储层中,镜下观测发现,现今它们多以沥青形式残存于孔隙中。三叠纪末—早侏罗世,二叠系和三叠系储层中聚集了来自于风城组烃源的油气,该期油气藏在晚侏罗世后由于油藏调整部分被破坏,导致了大量稠油和生物降解油的存在,在气相色谱图上表现为“UCM”峰和25-降藿烷的存在。早白垩世后,乌尔禾组烃源岩进入生排烃高峰,同时,佳木河组还开始生成腐殖型的天然气,形成了本区第三期油气藏。现今油气藏中保存的主要是风城组的成熟和下乌尔禾组的成熟至高熟原油,且以前者为主。而古油气藏油源则更为复杂,包括佳木河组、风城组和下乌尔禾组烃源,有成熟和高熟油气之分。总之,从包裹体光性特征多变、均一温度分布范围宽,以及CH3/CH2变化细微的现象来看,油气充注往往是多期连续成藏的结果。2晚三叠世—油气成藏演化在前文对油气来源与成藏期次详细分析的基础上,我们对本区的油气成藏演化特点有了进一步认识。油气成藏具有多源多期的复杂特点,不同构造带(斜坡区、断阶带和超覆尖灭带)含油层系的成藏特点也不尽相同。为了得出一些规律性的认识,基于本次研究的结果,结合区域构造演化和烃源岩生排烃史,我们总结了不同时期不同构造带的油气成藏演化特点,所选剖面从玛湖生烃中心—玛湖斜坡区(五区南油田)—断阶带—超覆带(克拉玛依扎伊尔山前),穿越了西北缘的主要构造单元(图5)。中晚二叠世:这是准噶尔盆地沉降、沉积最快速的一个时期(张义杰,2002)。随着上覆二叠纪地层的沉积,佳木河组烃源岩迅速成熟,成熟油气沿断裂和不整合主要进入斜坡区的石炭系和二叠系佳木河组、夏子街组储层中。佳木河组顶面的风化壳和下乌尔禾组的泥岩是良好的油气盖层。部分油气后期沿断裂遭受了调整。晚三叠世—早侏罗世:对整个西北缘而言,这是印支运动的主活动期,全区的构造格局基本形成。风城组烃源岩开始成熟,并大量排出液态烃。油气聚集在从二叠系到三叠系的各套储层中(特别是中三叠统克拉玛依组),以上三叠统白碱滩组泥岩为盖层。油气运聚受断控体系控制:被油源断裂从烃源区沟通上来后,又进一步被断层垂向调整,不整合和高渗透输导层侧向分配。早白垩世:燕山运动决定了该期的构造格局,切穿基底到侏罗系底部的深大断裂重新活化,导致中上侏罗统和下白垩统中形成了大量的次级正断层。这是佳木河组烃源岩的主要生气期,玛湖斜坡区得以聚集了大量的气藏(如在1.1节中讨论到的五区南油气藏)。此外,下乌尔禾组烃源岩在此期间达到生排烃高峰,沿断控运聚体系进入二叠系—白垩系的各套储层中,同时还与佳木河组的气藏一起在运移途中驱使早先成藏的油气继续向上倾方向运动,加之大量深浅部断裂的导通作用,使得不同烃源岩和