鄂爾多斯盆地北部上古生界天然氣成藏期次——以杭錦旗探區(qū)為例

摘 要

摘要：杭錦旗探區(qū)是中國(guó)石油化工股份有限公司在鄂爾多斯盆地北部的一個(gè)重點(diǎn)區(qū)塊，油氣生、儲(chǔ)、蓋條件良好，目前對(duì)于該區(qū)上古生界天然氣成藏期次的認(rèn)識(shí)存在分歧。通過(guò)生烴時(shí)間法、
摘要：杭錦旗探區(qū)是中國(guó)石油化工股份有限公司在鄂爾多斯盆地北部的一個(gè)重點(diǎn)區(qū)塊，油氣生、儲(chǔ)、蓋條件良好，目前對(duì)于該區(qū)上古生界天然氣成藏期次的認(rèn)識(shí)存在分歧。通過(guò)生烴時(shí)間法、圈閉形成期法、流體包裹體法以及儲(chǔ)層致密化時(shí)間和煤熱解模擬結(jié)果等方法對(duì)該區(qū)上古生界油氣成藏期次展開(kāi)研究。結(jié)論認(rèn)為杭錦旗探區(qū)上古生界存在2期大規(guī)模油氣運(yùn)聚；結(jié)合生烴高峰和流體包裹體均一化溫度結(jié)果，明確了該區(qū)上古生界油氣成藏時(shí)間，分別對(duì)應(yīng)于中-晚侏羅世和早白堊世末-至今，前者為油氣兼生期，后者為大規(guī)模天然氣生成期。研究過(guò)程中結(jié)合多種方法和手段來(lái)判識(shí)油氣成藏期次，避免了單一方法的局限性，結(jié)論及認(rèn)識(shí)的可信度更高。
關(guān)鍵詞：鄂爾多斯盆地杭錦旗探區(qū)；晚古生代；天然氣；成藏期次；生烴時(shí)間；圈閉形成期；流體包裹體
    研究油氣成藏期次傳統(tǒng)的方法是根據(jù)烴源巖主生排烴期、圈閉形成期、油氣藏飽和壓力等進(jìn)行油氣藏期次的分析。近年來(lái)，隨著分析測(cè)試技術(shù)手段的提高，應(yīng)用流體包裹體、自生礦物測(cè)年、油氣藏地球化學(xué)以及油氣水界面追溯等方法進(jìn)行油氣成藏期次的研究日益受到科研人員的重視，目前應(yīng)用最為廣泛的是運(yùn)用流體包裹體確定油氣成藏期[1～7]。這些新技術(shù)、新方法已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于油氣地質(zhì)勘探中，并取得了很好的效果，但同時(shí)也發(fā)現(xiàn)了一些問(wèn)題，如測(cè)試樣品的選擇、測(cè)試誤差、均一溫度的不準(zhǔn)確性、自生礦物的分離等，加之上述方法在使用過(guò)程中需要一些限制性條件[8～10]，導(dǎo)致了成藏期次研究的不確定性和多解性。
    鄂爾多斯盆地北部(以下簡(jiǎn)稱鄂北)上古生界油氣勘探一直停滯不前。近年來(lái)，隨著蘇里格、大牛地等億噸級(jí)大氣田的發(fā)現(xiàn)，給鄂北上古生界天然氣勘探帶來(lái)了極大的希望[11～15]。杭錦旗探區(qū)作為中國(guó)石化鄂北地區(qū)一個(gè)重點(diǎn)區(qū)塊被寄予了很高的期望，目前已有學(xué)者對(duì)該區(qū)或附近油氣成藏期次展開(kāi)研究，但是認(rèn)識(shí)存在較大分歧，有兩期成藏、三期成藏及五期成藏等不同觀點(diǎn)[16～19]。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者將傳統(tǒng)方法和當(dāng)前先進(jìn)的油氣成藏期次研究方法相結(jié)合，以此來(lái)分析杭錦旗探區(qū)上古生界天然氣成藏期次。
1 區(qū)域地質(zhì)概況
    杭錦旗探區(qū)(包括杭錦旗區(qū)塊和杭南區(qū)塊)位于鄂北，橫跨伊盟隆起和伊陜斜坡兩大一級(jí)構(gòu)造單元，總面積為9825km2。根據(jù)基底頂面起伏、蓋層發(fā)育情況以及構(gòu)造形態(tài)特征，該區(qū)又可劃分為烏蘭格爾凸起、公卡漢凸起、杭錦旗斷階、伊陜斜坡及天環(huán)向斜一角等5個(gè)次一級(jí)構(gòu)造單元(圖1)[20～21]。在地形特征上，杭錦旗探區(qū)是鄂北地區(qū)長(zhǎng)期繼承性古隆起，被認(rèn)為是鄂北油氣運(yùn)移的有利區(qū)。
    晚古生代沉積前，研究區(qū)一直處于長(zhǎng)期隆起狀態(tài)，屬于基巖隆起區(qū)，基底主要由太古界-元古界混合化變質(zhì)巖系組成，基巖巖性包括灰白色含榴淺粒變質(zhì)巖、黑云母石英片巖、片麻巖、角閃巖、變粒巖、大理巖和石英巖等。
    至晚石炭世接受沉積以來(lái)，上古生界地層以不同層位由南向北超覆于太古-元古界基底之上。上石炭統(tǒng)太原組主要分布在研究區(qū)南部，為一套溫暖潮濕氣候條件下的陸表海潮坪相含煤碎屑巖沉積，包括潮道、砂坪、泥坪和沼澤坪等沉積微相，下二疊統(tǒng)山西組沉積了一套溫暖潮濕氣候下的三角洲平原相沉積，下石盒子組為一套辮狀河沉積，上石盒子組為干旱氣候條件下的河流相沉積，石千峰組主要為一套屬內(nèi)陸炎熱干旱氣候的河湖相沉積。
    石炭系太原組和二疊系山西組發(fā)育的煤層、暗色泥巖及碳質(zhì)泥巖可以作為本區(qū)良好的烴源巖，這2組地層中發(fā)育的砂體與石盒子組砂體、泥巖一起構(gòu)成了本區(qū)油氣儲(chǔ)集層和封蓋層(圖2)。
2 成藏期分析
2.1 生烴時(shí)間法
    通常來(lái)說(shuō)，烴源巖大量生烴期即為油氣的成藏期[1]，盆地模擬結(jié)果表明[22](表1)，杭錦旗探區(qū)上古生界烴源巖主要經(jīng)歷了2次大規(guī)模的生烴高峰。第一次生烴高峰發(fā)生于中侏羅世末，結(jié)束于侏羅紀(jì)末，此時(shí)研究區(qū)烴源巖已經(jīng)進(jìn)入生油門(mén)限，烴源巖成熟度不斷增加，處于油氣兼生階段，但由于烴源巖有機(jī)質(zhì)類(lèi)型主要為腐殖型，液態(tài)烴產(chǎn)率最高，但與氣態(tài)烴相比，氣態(tài)烴仍然占據(jù)主導(dǎo)地位；第二次生烴高峰起始于早白堊世末，此時(shí)研究區(qū)經(jīng)歷了強(qiáng)度最大的晚燕山構(gòu)造運(yùn)動(dòng)，地層發(fā)生倒轉(zhuǎn)，形成現(xiàn)今東高西低，由南西向北東方向延伸的斜坡，烴源巖處于最大埋深，有機(jī)質(zhì)成熟較高，Ro普遍在1.0%左右，烴源巖達(dá)到生氣高峰。早白堊世以來(lái)，研究區(qū)又經(jīng)歷了構(gòu)造抬升事件，但幅度不大，對(duì)有機(jī)質(zhì)演化無(wú)較大影響，Ro與早白堊世末相當(dāng)。該次生烴高峰也是本區(qū)最大生烴高峰，山西組和太原組生烴量分別達(dá)到18.597×108t和10.064×108t油當(dāng)量。因此，根據(jù)烴源巖生烴模擬結(jié)果，認(rèn)為本區(qū)發(fā)生過(guò)2期大規(guī)模的油氣聚集成藏，一期為中-晚侏羅世，另一期為早白堊世末-至今。
表1 杭錦旗探區(qū)烴源巖不同時(shí)期總生烴量模擬統(tǒng)計(jì)表1)
層系
早三疊世末
中侏羅世末
侏羅紀(jì)末
早白堊世末
現(xiàn)今
石盒子組
0
0.005
0.007
0.014
0.017
山西組
0.143
7.28
9.486
18.597
22.164
太原組
0.241
4.53
5.342
10.064
11.873
合計(jì)
0.384
11.815
14.835
28.675
34.054
注：1)總生烴量的單位為108t洫當(dāng)量。
2.2 圈閉形成期法
    圈閉形成期法能夠確定油氣成藏的最早時(shí)期。研究區(qū)的圈閉類(lèi)型多屬于地層超覆、巖性尖滅于加里東侵蝕面古殘丘上而形成的披覆構(gòu)造和斷層牽引型的背斜及半背斜構(gòu)造。一些受地形影響的圈閉，其形成期與構(gòu)造活動(dòng)關(guān)系不大，主要與沉積時(shí)間有關(guān)，如什股壕圈閉。而一些受褶皺、斷裂影響的圈閉，其形成期與褶皺和斷裂活動(dòng)期密切相關(guān)，從成因上分析，這些與褶皺和斷裂作用有關(guān)的圈閉主要受燕山期水平擠壓應(yīng)力形成，研究區(qū)上古生界此類(lèi)圈閉定型期一般為燕山期或早于燕山期，如阿日柴達(dá)木圈閉。因此，根據(jù)圈閉定型期，可以推斷本區(qū)主要油氣成藏期應(yīng)該在燕山期。
2.3 流體包裹體分析法
    流體包裹體是礦物結(jié)晶過(guò)程中捕獲于晶體中的成巖成礦流體，是流體生成、運(yùn)移、聚集過(guò)程中遺留下來(lái)的原始樣品和歷史記載，直接記錄了沉積盆地油氣成藏的條件及過(guò)程。通常由包裹體恢復(fù)古地溫，根據(jù)古地溫梯度進(jìn)一步確定包裹體的形成深度，再根據(jù)研究區(qū)的沉積埋藏史和熱演化史來(lái)確定包裹體的形成時(shí)間，進(jìn)而確定油氣的充注時(shí)間[4、8]。
    在對(duì)研究區(qū)錦6、錦7、錦8、錦9、錦10及錦11井巖心觀察基礎(chǔ)上，根據(jù)測(cè)井、試井解釋結(jié)果，對(duì)油氣活躍段山西組和下石盒子組進(jìn)行系統(tǒng)取樣，共計(jì)切制了11塊流體包裹體樣品，在Linkam THMSG-600冷熱臺(tái)上進(jìn)行測(cè)試。
    測(cè)試結(jié)果表明，包裹體絕大多數(shù)屬于氣液兩相包裹體，個(gè)別探井存在含油包裹體，顯微鏡下有明顯的熒光現(xiàn)象(圖3)。宿主礦物為石英，一般在裂縫中成串分布(圖4)，形態(tài)不規(guī)則，大小為2～4μm，氣液比較低，一般在5%左右，包裹體顏色主要呈黑色或無(wú)色(占絕對(duì)優(yōu)勢(shì))。包裹體鹽度基本上反映了地質(zhì)歷史時(shí)期包裹體形成時(shí)水介質(zhì)的含鹽度。本區(qū)上古生界古鹽度分布在0～8%，表明當(dāng)時(shí)研究區(qū)沉積水古鹽度比較淡，屬于潮濕環(huán)境。
 
    通過(guò)對(duì)6口探井的包裹體測(cè)試結(jié)果分析統(tǒng)計(jì)，研究區(qū)上古生界包裹體均一化溫度區(qū)間為85～140℃，其中絕大部分?jǐn)?shù)值分布在90～130℃。在這個(gè)范圍內(nèi)，均一化溫度又可分為2個(gè)區(qū)間(90～110℃和115～130℃)(圖5)，表明上古生界可能至少存在2期油氣充注。根據(jù)對(duì)研究區(qū)上古生界古地溫史和埋藏史分析，古地表溫度取20℃，古地溫梯度取2.7℃/100m，分別計(jì)算2組包裹體對(duì)應(yīng)的深度2540～3270m和3454～3810m。其對(duì)應(yīng)的油氣大規(guī)模運(yùn)移期分別為中-晚侏羅世和早白堊世末-至今(圖6)。該結(jié)果與研究區(qū)烴源巖生烴模擬結(jié)果相匹配且與圈閉形成期不沖突，表明計(jì)算結(jié)果合理。
 
2.4 其他方法
    除了上述幾種方法外，筆者還通過(guò)杭錦旗探區(qū)上古生界儲(chǔ)層致密化時(shí)間和煤熱解模擬結(jié)果來(lái)判別該區(qū)油氣的大致成藏時(shí)間。
    根據(jù)杭錦旗探區(qū)上古生界儲(chǔ)層致密化研究可知[23]，該區(qū)上古生界儲(chǔ)層致密化時(shí)間大約發(fā)生在晚侏羅世末-早白堊世初，結(jié)合上古生界發(fā)現(xiàn)的油氣分布特征，認(rèn)為該區(qū)上古生界至少經(jīng)歷了2期油氣充注。根據(jù)油氣兩類(lèi)含烴流體對(duì)運(yùn)移通道要求的區(qū)別，油運(yùn)移主要發(fā)生在儲(chǔ)層致密化之前，而之后只能滿足天然氣的運(yùn)移條件。也就是說(shuō)，儲(chǔ)層致密化期間前后分別經(jīng)歷了1期油氣充注，前期(晚侏羅世以前)為油氣兼生期，后期(早白堊世初以后)為天然氣大規(guī)模運(yùn)聚期。
    根據(jù)前人對(duì)上古生界煤熱解氣的甲烷碳同位素分析研究[23]，指出上古生界煤成氣都是在煤的變質(zhì)程度為肥煤階段產(chǎn)生的，對(duì)比研究區(qū)上古生界煤層熱演化結(jié)果(表2)，可知本區(qū)上古生界天然氣大規(guī)模成藏時(shí)間應(yīng)該為早白堊世末。
表2 杭錦旗探區(qū)上古生界煤層熱演化程度表[23]    %
井號(hào)
T3末
煤階
J1末
煤階
J2末
煤階
J2末
煤階
伊8
＜0.5
褐煤
0.504
長(zhǎng)焰煤
0.570
長(zhǎng)焰煤
0.677
氣煤
伊23
＜0.5
褐煤
＜0.5
褐煤
0.528
長(zhǎng)焰煤
0.600
長(zhǎng)焰煤
伊2
＜0.5
褐煤
＜0.5
褐煤
0.505
長(zhǎng)焰煤
0.619
長(zhǎng)焰煤
井號(hào)
K1末
煤階
K2末
煤階
E末
煤階
Q
煤階
伊8
1.467
焦煤
1.750
瘦煤
1.951
貧煤
1.991
貧煤
伊23
1.129
肥煤
1.318
焦煤
1.469
焦煤
1.503
焦煤
伊2
0.956
氣肥煤
1.105
氣肥煤
1.424
焦煤
1.305
焦煤
3 結(jié)論及認(rèn)識(shí)
    杭錦旗探區(qū)上古生界具備良好的天然氣生成、儲(chǔ)集及封蓋條件，并已有良好的天然氣發(fā)現(xiàn)。通過(guò)生烴時(shí)間法、圈閉形成期法、流體包裹體法以及儲(chǔ)層致密化時(shí)間和煤熱解模擬結(jié)果等方法手段共同展開(kāi)杭錦旗探區(qū)上古生界油氣成藏期次研究，研究結(jié)果認(rèn)為該區(qū)上古生界油氣成藏時(shí)間和期次主要落在燕山期內(nèi)，存在2期大規(guī)模油氣運(yùn)聚，分別對(duì)應(yīng)于中-晚侏羅世和早白堊世末-至今。本次研究結(jié)合多種方法和手段來(lái)判識(shí)油氣成藏期次，避免了單一方法所產(chǎn)生的誤差，結(jié)論認(rèn)識(shí)具有較高的可信度。同時(shí)也存在探井樣品收集不全，范圍集中等缺點(diǎn)，今后有必要在全區(qū)范圍內(nèi)展開(kāi)進(jìn)一步油氣成藏期次研究工作，為更準(zhǔn)確地認(rèn)清該區(qū)油氣成藏及分布規(guī)律服務(wù)。
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(本文作者：薛會(huì)1 王毅1 毛小平2 徐波2 聶海寬2 殷毅2 郭華強(qiáng)2 1.中國(guó)石化石油勘探開(kāi)發(fā)研究院；2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué) 北京)