馬朗凹陷斷裂—烴源巖空間配置關(guān)系與石油垂向運(yùn)移特征①

馬 劍 黃志龍 李華明 吳紅燭 陳 旋 文川江

(1.中國石油大學(xué) 油氣資源與探測國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249;2.中國石油吐哈油田公司 新疆哈密 839000)

0 引言

三塘湖盆地馬朗凹陷先后發(fā)現(xiàn)了牛圈湖和西峽溝含油氣構(gòu)造，之后又發(fā)現(xiàn)了馬中油田等含油氣構(gòu)造，油氣主要賦存于二疊系和侏羅系，前人研究認(rèn)為馬朗凹陷主要的烴源巖是二疊系蘆草溝組［1～4］。最近又在石炭系發(fā)現(xiàn)了良好的含油氣性，石炭系哈爾加烏組是其主要的烴源巖。烴源巖的分布具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，主要受控于有機(jī)質(zhì)的類型、巖性及沉積相帶，這就決定了油氣分布的不均一性。馬朗凹陷侏羅系本身不具備很好的生成油氣的烴源巖，其中的油氣主要來自下覆二疊系蘆草溝組烴源巖，但大部分地區(qū)幾乎沒有石炭系烴源巖生成的油氣進(jìn)入侏羅系。這一直是困擾大家的問題。那么，二疊系蘆草溝組生成的油氣如何進(jìn)入侏羅系成藏的呢?以及石炭系生成的油氣為何運(yùn)移不到侏羅系成藏呢?有人認(rèn)為可能是斷層的輸導(dǎo)作用使油氣向上運(yùn)移［5，6］，但缺少對斷層活動(dòng)性的定量化研究。本文通過對馬朗凹陷斷裂的活動(dòng)強(qiáng)度、垂向輸導(dǎo)斷裂與烴源巖的匹配關(guān)系的研究，結(jié)合含氮化合物示蹤油氣運(yùn)移方向來分析油氣垂向運(yùn)移特征和侏羅系成藏的控制因素。

1 烴源巖分布特征與油氣來源

馬朗凹陷對油氣生成有貢獻(xiàn)的烴源巖主要有2套，分別是二疊系蘆草溝組和石炭系哈爾加烏組(圖1)。蘆草溝組巖性復(fù)雜，主要的巖石類型為云巖、泥巖及它們的過渡巖石類型，沉積于半咸水—咸水的陸相湖泊，主要發(fā)育于缺氧的封閉性較好的還原環(huán)境，陸源碎屑供給不足，其中蘆草溝組二段烴源巖生烴潛力最大。蘆草溝組烴源巖整體處于低成熟—成熟演化階段，由于烴源巖具有較多的富氫組分，在低演化階段就開始生成大量的烴類。石炭系哈爾加烏組烴源巖以碳質(zhì)泥巖為主，兼有凝灰質(zhì)泥巖及暗色泥巖。碳質(zhì)泥巖有機(jī)質(zhì)豐度高、生油能力強(qiáng)，主要發(fā)育在沼澤化 湖沉積環(huán)境。重要的是石炭系烴源巖與火山巖共生，烴源巖具有較強(qiáng)的非均質(zhì)性，分布局限，形成多個(gè)源巖中心，主要處于成熟演化階段。

研究表明，馬朗凹陷原油類型可以劃分為3類(表1)。Ⅰ類原油正構(gòu)烷烴系列呈單峰型，主峰碳為nC21、nC23或 nC25，Pr/Ph ＜1.0，具有高豐度 β-胡蘿卜烷和 γ-蠟烷，低豐度三環(huán)萜烷的特點(diǎn)，規(guī)則甾烷ααα20RC27、ααα20RC28、ααα20RC29呈“/”型分布，這些特征與蘆草溝組二段泥質(zhì)巖抽提物生物標(biāo)志物特征吻合，表明Ⅰ原油來自蘆草溝組二段泥質(zhì)烴源巖。Ⅰ油主要分布在牛圈湖和馬北地區(qū)的侏羅系，牛圈湖、馬中和黒墩地區(qū)二疊系的條湖組和蘆草溝組。Ⅱ類原油正構(gòu)烷烴系列也呈單峰型，無β-胡蘿卜烷和γ-蠟烷，Pr/Ph ＞ 1.8(一般大于 2.0)，規(guī)則甾烷ααα20RC27、ααα20RC28、ααα20RC29呈不對稱“V”型分布，這與馬朗凹陷石炭系哈爾加烏組碳質(zhì)泥巖抽提物生物標(biāo)志物特征一致，另外，該類原油為成熟原油，與石炭系源巖成熟度特征吻合，說明該類原油來自石炭系烴源巖。Ⅱ類原油主要分布在牛東和馬中地區(qū)的石炭系，在二疊系和侏羅系未見這類原油的聚集。Ⅲ類原油的譜圖和眾多生標(biāo)參數(shù)介于蘆草溝組泥質(zhì)巖和石炭系碳質(zhì)泥巖之間，此類原油為Ⅰ和Ⅱ類油的混源油，主要分布在西峽溝地區(qū)二疊系的條湖組和侏羅系。

圖1 馬朗凹陷地層綜合柱狀圖Fig.1 Columnar section of the strata in the Malang sag

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2 輸導(dǎo)斷裂烴源巖的空間配置與油氣垂向運(yùn)移關(guān)系

馬朗凹陷二疊系條湖組和侏羅系的原油主要來自二疊系蘆草溝組烴源巖，大部分地區(qū)二疊系條湖組和侏羅系未見有來自石炭系烴源巖的Ⅱ類原油，只有西峽溝地區(qū)二疊系條湖組和侏羅系見有石炭系生成原油的混入。原油的分布層位和部位與其對應(yīng)的烴源巖分布及斷裂的輸導(dǎo)作用關(guān)系非常密切。馬朗凹陷斷裂很發(fā)育，但不同斷裂的斷裂活動(dòng)時(shí)間和強(qiáng)度差別很大，同一時(shí)期斷裂活動(dòng)強(qiáng)度也不一樣。只有那種溝通下部烴源巖與上部二疊系條湖組和侏羅系，并且在烴源巖主要生烴期活動(dòng)的斷裂才能對油氣的垂向運(yùn)移起到輸導(dǎo)作用，并對淺層的二疊系條湖組和侏羅系油氣成藏做出貢獻(xiàn)，把這種斷裂稱為垂向輸導(dǎo)斷裂。

2.1 斷裂活動(dòng)強(qiáng)度決定油氣垂向運(yùn)移能力

用來描述斷裂活動(dòng)性的方法主要有:斷層生長指數(shù)法、斷層落差法和斷裂活動(dòng)速率法［7，8］。由于斷層生長指數(shù)法要求凹陷內(nèi)不同部位、各時(shí)代的沉積速率一致，斷層上下盤沒有大的沉積間斷;斷層落差法又沒有考慮時(shí)間的概念;斷層活動(dòng)速率為某一地質(zhì)時(shí)期的斷層落差與時(shí)間跨度的比值，該參數(shù)既保留了斷層落差的優(yōu)點(diǎn)，又能彌補(bǔ)斷層生長指數(shù)由于缺少時(shí)間概念所帶來的不足，所以能夠更好的反映斷層的活動(dòng)特點(diǎn)。假定從t1層沉積到t2層所經(jīng)歷的時(shí)間為T(Ma)，落差為ΔH(m)，其上、下盤的厚度分別為H1(m)和H2(m)，則ΔH=H1－H2。因此，斷層活動(dòng)速率(vf)可以用下式表示:

鑒于斷層活動(dòng)對兩盤地層所造成的沉積、剝蝕作用的差異性，針對不同類型的斷層確定了不同的計(jì)算方法［9］:

1)同沉積正斷層，斷層活動(dòng)速率(vf)=(上盤沉積厚度－下盤沉積厚度)/時(shí)間。

2)邊界正斷層，斷層活動(dòng)速率(vf)=(上盤沉積厚度+下盤剝蝕厚度)/時(shí)間。

3)逆斷層，斷層活動(dòng)速率(vf)=(上盤剝蝕厚度+下盤沉積厚度)/時(shí)間。

研究表明，侏羅紀(jì)末—白堊紀(jì)是馬朗凹陷油氣成藏的主要時(shí)期［10，11］，因此，侏羅紀(jì)末—白堊紀(jì)時(shí)期的斷裂活動(dòng)速率，可以反映斷裂對石油的垂向輸導(dǎo)能力。馬朗凹陷從印支期開始主要受區(qū)域擠壓作用，普遍發(fā)育逆斷層，計(jì)算了其中4條主要的溝通烴源巖的斷層在侏羅紀(jì)末—白堊紀(jì)時(shí)期的斷裂活動(dòng)速率，其中西峽溝地區(qū)斷裂①的斷裂活動(dòng)速率為20～25 m/Ma，牛圈湖地區(qū)斷裂②的斷裂活動(dòng)速率為15～25 m/Ma，斷裂③的斷裂活動(dòng)速率為10～15 m/Ma，馬中地區(qū)斷裂④的斷裂活動(dòng)速率為8～12m/Ma，并且在斷裂的不同部位斷裂活動(dòng)速率差別不大。這幾條斷裂均為垂向輸導(dǎo)斷裂，西峽溝、牛圈湖和馬中地區(qū)侏羅系和二疊系條湖組的油氣藏均與這幾條斷裂有關(guān)(圖2)。

2.2 垂向輸導(dǎo)斷裂與烴源巖的匹配控制油氣分布

圖2 馬朗凹陷侏羅系和二疊系條湖組油藏與輸導(dǎo)斷裂的關(guān)系Fig.2 The relationship between reservoirs of Jurassic and Permian Tiaohu Formation and transporting faults in the Malang sag

從垂向輸導(dǎo)斷裂和烴源巖分布圖上可以看出，二疊系蘆草溝組烴源巖厚度中心分布在牛圈湖和馬中地區(qū)，石炭系哈爾加烏組烴源巖主要分布在牛東地區(qū)、牛圈湖的南部和西峽溝地區(qū);溝通蘆草溝組的垂向輸導(dǎo)斷裂分布在西峽溝、牛圈湖和馬中地區(qū)(圖3)，發(fā)育在石炭系哈爾加烏組內(nèi)部的斷裂主要分布在牛東地區(qū)(圖4)。平面上，西峽溝、牛圈湖、馬中和牛東地區(qū)輸導(dǎo)斷裂與烴源巖的匹配性較好。

從斷裂活動(dòng)強(qiáng)度與烴源巖分布來看，斷裂①附近既發(fā)育二疊系蘆草溝組烴源巖，又發(fā)育石炭系哈爾加烏組烴源巖，斷裂活動(dòng)速率最大，斷裂活動(dòng)性最強(qiáng)，在西峽溝地區(qū)深層蘆草溝組和哈爾加烏組生成的油氣均可以沿此斷裂向上運(yùn)移，在二疊系條湖組和侏羅系聚集成藏，所以該地區(qū)原油具有混源的特點(diǎn)。垂向輸導(dǎo)斷裂②和斷裂③附近蘆草溝組烴源巖厚度較大，但缺少石炭系烴源巖，所以在牛圈湖地區(qū)二疊系條湖組和侏羅系僅聚集了Ⅰ類原油。斷裂④附近蘆草溝組烴源巖厚度也很大，但是斷層活動(dòng)速率相對較小，導(dǎo)致油氣垂向運(yùn)移受限制，所以在馬中地區(qū)蘆草溝組的上覆地層中油氣聚集相對較少。在牛東地區(qū)，哈爾加烏組烴源巖發(fā)育，并具有溝通烴源巖和石炭系火山巖儲(chǔ)層的輸導(dǎo)斷裂，但這些斷裂大都只發(fā)育在石炭系內(nèi)部，都未斷至侏羅系，所以石炭系烴源巖生成的油氣主要在石炭系頂部和烴源巖附近的儲(chǔ)層中聚集成藏，該地區(qū)的侏羅系甚至無油氣顯示。

所以，縱向上，烴源巖和垂向輸導(dǎo)斷裂匹配較好的地方，上覆地層中才有油氣聚集。西峽溝地區(qū)二疊系條湖組和侏羅系的混源油，牛圈湖地區(qū)侏羅系的Ⅰ類原油，以及牛東地區(qū)石炭系頂部的Ⅱ類原油的分布均說明了在烴源巖和輸導(dǎo)斷裂都很發(fā)育的地方，油氣才能夠沿著輸導(dǎo)斷裂向上發(fā)生垂向運(yùn)移，在上覆地層中聚集成藏(圖5)。

3 含氮化合物示蹤油氣垂向運(yùn)移方向

近年來，很多學(xué)者利用含氮化合物資料對油氣運(yùn)移進(jìn)行研究，揭示油氣運(yùn)移的方向和路徑，并取得了較好的效果［12－14］。含氮化合物中，不同分子量、極性以及不同結(jié)構(gòu)的化合物，在從源巖中排出或通過輸導(dǎo)層的過程中，與周圍介質(zhì)進(jìn)行有選擇性的吸附或解吸附作用，運(yùn)移分餾效應(yīng)顯著，可有效地指示油氣運(yùn)移的方向［15－16］。并且該類化合物受母源、沉積環(huán)境及成熟度的影響可能相對較小，所以可以作為很好的油氣運(yùn)移示蹤劑。

圖7 馬中—牛東地區(qū)含氮化合物示蹤Ⅱ類原油沿?cái)嗔训拇瓜蜻\(yùn)移Fig.7 Section of type Ⅱ oil vertical migration through faults traced by nitrogen compounds in Mazhong-Niudong area

根據(jù)C-1、C-8位上烷基取代情況，可將烷基咔唑分為屏蔽型(C-1和C-8位均被烷基取代，如1，8-二甲基咔唑)、部分屏蔽型(C-1和C-8僅有一個(gè)烷基取代基，如1，3-二甲基咔唑等)、暴露型(C-1和C-8均未被烷基取代，如2，4-二甲咔唑)3種結(jié)構(gòu)類型。在油氣運(yùn)移過程中隨運(yùn)移距離增加，不同結(jié)構(gòu)類型的含氮化合物將發(fā)生運(yùn)移分餾效應(yīng)，使原油中含氮化合物總濃度下降，屏蔽型化合物含量相對富集，而部分屏蔽型、暴露型化合物含量逐漸降低。

馬朗凹陷Ⅰ類原油來自二疊系蘆草溝組，從深層到淺層，含氮化合物總濃度呈降低趨勢，1，8DMC/2，4-DMC呈增大趨勢，示蹤原油沿?cái)嗔训拇瓜蜻\(yùn)移，向上運(yùn)移后在二疊系條湖組及侏羅系聚集成藏(圖6)。

馬朗凹陷Ⅱ類原油分布在石炭系，從深層到淺層隨著運(yùn)移距離的增加，含氮化合物總濃度逐漸降低，1，8DMC/2，4-DMC 變化趨勢不是很明顯，但 1，8-DMC 相對于1，3-DMC 更富集，即 1，8DMC/1，3-DMC比值增大，表明原油也是沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移，之后發(fā)生側(cè)向運(yùn)移，石炭系哈爾加烏組生成的油氣最終能夠在石炭系的頂部聚集成藏(圖7)。

由此可見，斷層的斷裂活動(dòng)強(qiáng)度控制了油氣垂向運(yùn)移能力，垂向輸導(dǎo)斷裂與烴源巖相匹配時(shí)，烴源巖生成的油氣才能向上運(yùn)移至上覆地層聚集成藏。

4 結(jié)論

(1)斷層的斷裂活動(dòng)強(qiáng)度控制著油氣垂向輸導(dǎo)能力，垂向輸導(dǎo)斷裂與烴源巖的空間配置控制了石油的輸導(dǎo)和聚集。二疊系蘆草溝組烴源巖厚度中心附近的垂向輸導(dǎo)斷裂斷至侏羅系，所以Ⅱ類原油可以運(yùn)移至侏羅系聚集成藏;而石炭系哈爾加烏組烴源巖厚度中心附近的垂向輸導(dǎo)斷裂未斷至侏羅系，所以Ⅱ類原油未能運(yùn)移到侏羅系聚集成藏，僅在石炭系成藏;西峽溝地區(qū)垂向輸導(dǎo)斷裂溝通了二疊系蘆草溝組和石炭系哈爾加烏組兩套烴源巖，所以，上覆地層聚集了混源油。

(2)含氮化合物可以示蹤油氣沿?cái)嗔训拇瓜蜻\(yùn)移，無論是從二疊系蘆草溝組到侏羅系的垂向運(yùn)移，還是從石炭系哈爾加烏組到石炭系頂部的垂向運(yùn)移，原油中含氮化合物都表現(xiàn)出總濃度降低、1，8DMC/1，3-DMC或1，8DMC/2，4-DMC值增大的特點(diǎn)。

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