北海盆地北部與南部油氣成藏條件對比分析

楊艷秋， 楊金玉， 趙青芳

(1.國土資源部海洋油氣與環(huán)境地質(zhì)重點實驗室，山東青島 266071;2.青島海洋地質(zhì)研究所，山東青島 266071)

北海油氣勘探開發(fā)始于1960年代，1970年代是北海全面勘探和大發(fā)現(xiàn)階段。截至2009年，北海盆地共發(fā)現(xiàn)1 731個油氣田，油氣探明控制儲量為205.22億t(楊金玉等，2011)。北北海盆地的總油氣資源量為135.63億t，占整個北海油氣資源量的66.1%;南北海盆地的油氣資源量為69.59億t，占33.9%。而超過92.4%的石油分布在北北海盆地，南北海盆地石油儲量很少，主要以天然氣為主。由此可見，北海油氣資源分布最大的特點是北油南氣，而其油氣分布的差異性主要是由其油氣地質(zhì)條件的差異性造成。因此本文主要通過對北海南、北2個盆地油氣成藏條件差異性的對比分析，探討了其差異性形成的原因。

1 地質(zhì)背景

北海位于西北歐大不列顛島、歐洲大陸和斯堪的納維亞半島之間，為大西洋東北部的邊緣海，周圍的國家包括:英國、挪威、丹麥、荷蘭和德國等，海域面積約為5.75×105km2(陸克政等，2001;葉德燎等，2004)。北海盆地為一克拉通內(nèi)裂谷盆地，北鄰挪威海，西北以設(shè)得蘭群島為界，南至倫敦布拉班特隆起，東面以波羅的地盾為界。中北海隆起和林克-賓芬隆起將整個北海區(qū)域劃分為南北海盆地和北北海盆地(圖1)。南北海盆地主要包括英荷盆地、西北德國盆地;北北海盆地主要有維京地塹、中央地塹、莫里福斯盆地等。

圖1 北海區(qū)域位置及現(xiàn)今構(gòu)造格架圖Fig.1 Location and current structural framework of North Sea basin

北海盆地為中生代大陸裂谷盆地，經(jīng)歷了復(fù)雜的地質(zhì)演化過程，主要為古生代的大陸碰撞和板塊增生;中生代的大陸裂谷;晚中生代到新生代大陸離散和大洋擴張等3個階段。前中生代的大陸碰撞和板塊增生基本上形成了北海海域及鄰區(qū)現(xiàn)今的大地構(gòu)造格局，而中新生代的構(gòu)造演化則控制著北海海域及鄰區(qū)盆地與油氣分布。

北海盆地的基底大部分為加里東期(局部為前寒武系)結(jié)晶變質(zhì)巖系?；字习l(fā)育了泥盆紀以來各系地層(圖2)，總厚度超過10 km(劉政等，2011)。地層巖性主要為海相和陸相碎屑巖，只有晚白堊世發(fā)育碳酸鹽巖(白堊巖)，晚二疊世發(fā)育蒸發(fā)巖夾碳酸鹽巖;其它地層化學(xué)沉積比較局限。南北海盆地主要分布上古生界及三疊系，殘留分布侏羅系及以上地層;北北海盆地以中新生代裂谷沉積為主，常直接覆蓋于泥盆系或基底之上，僅中北海區(qū)有較多二疊系和局部的石炭系分布。

圖2 北海盆地地層綜合柱狀圖Fig.2 Composite stratigraphic column of the North Sea Basin

2 油氣成藏條件差異性對比

2.1 烴源巖

從烴源巖發(fā)育的層位看，北北海盆地和南北海盆地均發(fā)育侏羅系海相頁巖的烴源巖，其差異在于北北海盆地的烴源巖為上侏羅統(tǒng)基末利黏土組和赫賽爾組頁巖(Cooper et al.，1994)，而南北海盆地的烴源巖則為下侏羅統(tǒng)波斯度亞組頁巖，同時還發(fā)育石炭系威斯特伐利亞階煤系地層烴源巖。從其重要性來看，北北海盆地的主要烴源巖為上侏羅統(tǒng)基末利黏土組頁巖，為區(qū)域性分布的烴源巖，除了構(gòu)造高部位缺失外，在北北海盆地廣泛分布;而南北海盆地的主要烴源巖為石炭系威斯特伐利亞階煤系地層，這套煤系地層分布廣泛，從英國東部延伸到德國西部，呈東西向展布，除南部和北部地區(qū)受后期抬升被剝蝕外，其它地區(qū)僅局部剝蝕。

不同層系烴源巖有機質(zhì)類型不同。北北海盆地上侏羅統(tǒng)基末利黏土組的TOC(總有機碳)含量一般為6%，最高可達10%，有機質(zhì)類型以Ⅱ型為主，主要產(chǎn)油;赫賽爾組的TOC含量平均為2%，以Ⅲ型干酪根為主(Gormley et al.，1994)。南北海盆地石炭系威斯特伐利亞階烴源巖中煤的TOC含量大于60%(李國玉等，2005)，暗色頁巖的TOC含量超過1%，有機質(zhì)類型以Ⅲ型為主，主要產(chǎn)氣;下侏羅統(tǒng)波斯度亞組TOC含量平均為8%，有機質(zhì)類型以Ⅱ型為主。

從熱演化程度看，北北海盆地的侏羅系基末利黏土組烴源巖在臺地及地塹翼部區(qū)域普遍處于未熟至早熟階段(圖3)，地塹內(nèi)部烴源巖則處于成熟和成熟晚期階段，如維京地塹和中央地塹的大部分地區(qū)Ro普遍小于1%，達到成熟階段，進入生油階段;在烴源巖埋藏較深的地區(qū)Ro普遍超過1%，達到成熟晚期至過成熟階段，進入生氣階段。赫賽爾組烴源巖在南部達生油高峰至生油晚期階段，軸部地區(qū)Ro超過1.5%，而在維京地塹北部的最北緣該組源巖Ro達2%以上，進入過成熟階段。

南北海盆地石炭系威斯特伐利亞階烴源巖有機質(zhì)成熟度從西向東逐漸增高(圖4)，Ro分布范圍1.3% ～2.1%，達到高成熟階段，主要以產(chǎn)氣為主;而下侏羅統(tǒng)波斯度亞組烴源巖有機質(zhì)熱成熟度已進入生油門限，Ro分布范圍0.5% ～0.9%，普遍達到生油早期至生油高峰期，在盆地邊緣Ro小于0.5%，未達到成熟階段。在盆地中心，有機質(zhì)熱成熟度Ro＞0.9%，達到成熟階段。

圖3 北北海盆地基末利階黏土組頂部有機質(zhì)鏡質(zhì)體反射率(Armour et al.，2004)Fig.3 Ro map of the top kimmeridge Clay unit in the north North Sea basin

2.2 儲集條件

北海南、北兩個盆地自古生界到新生界均發(fā)育多套儲集層，就油氣產(chǎn)出的層位看，存在較大的差異。

北北海盆地的區(qū)域性儲層有中下侏羅統(tǒng)、上白堊統(tǒng)、古新統(tǒng)和始新統(tǒng)，其中最重要的儲層為中下侏羅統(tǒng)砂巖，在地塹中的埋藏深度大于3 km，厚度超過1 000 m，儲集性能良好，如中侏羅統(tǒng)布倫特群儲層孔隙度為13% ～22%，平均孔隙度約18%，滲透率為0.06×10－3～10 000×10－3μm2;下侏羅統(tǒng)斯坦特福約爾得組砂巖孔隙度為11% ～16%，平均孔隙度為13.5%，平均滲透率為330 ×10－3μm2。

南北海盆地的儲層有上二疊統(tǒng)、中侏羅統(tǒng)和下白堊統(tǒng)，其中最重要的儲層為上二疊赤底統(tǒng)砂巖，單個砂體厚度大，如英荷盆地中萊曼砂巖組平均厚度為200多米，西北德國盆地平均厚度600～800 m，最厚可達1 800 m。以風(fēng)成相砂巖儲集物性最好(Gage，1980)，孔隙度為10% ～24%，滲透率為1×10－3～1 000 ×10－3μm2。

2.3 蓋層條件

北北海盆地的大油田中，上侏羅統(tǒng)基末利黏土組和赫賽爾組頁巖不僅為主要的烴源巖，同時也對下伏油氣起到了封閉的作用，其分布廣、厚度大，一般可達150～1 000 m，為主要的區(qū)域蓋層，同時白堊系克羅默諾爾群和設(shè)德蘭群泥巖、古新統(tǒng)和早始新統(tǒng)泥巖也對北北海盆地油氣的保存起到了至關(guān)重要的作用。

南北海盆地大氣田的區(qū)域蓋層主要為二疊系鎂灰?guī)r統(tǒng)鹽巖，其殘留厚度變化很大，由盆地中心向盆地邊緣減薄，厚層的鹽巖對下伏赤底統(tǒng)砂巖內(nèi)的天然氣形成了有效封蓋，從而構(gòu)成南北海盆地最為有利的生儲蓋組合。

由此可見，北北海盆地的蓋層主要為泥、頁巖，而南北海盆地的蓋層主要為鹽巖。

2.4 油氣藏類型

北海盆地油氣藏類型主要有構(gòu)造圈閉、地層圈閉和復(fù)合型圈閉三種類型，其中構(gòu)造圈閉為盆地內(nèi)最主要的油氣藏類型，但其南北兩個盆地又存在較大的差異性。

北北海盆地的構(gòu)造圈閉主要可分為兩個大類:侏羅紀裂陷同期形成的構(gòu)造圈閉和侏羅紀裂陷后形成的構(gòu)造圈閉。裂陷同期，在區(qū)域拉張環(huán)境下，形成了許多掀斜斷塊圈閉，如維京地塹內(nèi)的北阿爾文油田就是以掀斜斷塊圈閉為主(Roberts et al.，1987)。北阿爾文油田的圈閉類型主要受裂谷作用控制，晚侏羅世-早白堊世的拉張作用產(chǎn)生了大量的傾斜斷塊，斷裂為NNW和NE正斷層并終止于下白堊系。該油田主要由兩個相鄰的掀斜斷塊組成，西部掀斜斷塊圈閉的東側(cè)由斷層封堵，西側(cè)由地層封堵，蓋層為上侏羅統(tǒng)亨伯群頁巖和粉砂巖組成的不整合面;東部掀斜斷塊圈閉主要為地層封堵，蓋層為上侏羅統(tǒng)亨伯群頁巖和下侏羅統(tǒng)鄧林群頁巖(Harker et al.，2003)(圖5a)。裂陷后期則由于鹽活動、盆地反轉(zhuǎn)、披覆構(gòu)造或者差異壓實作用形成了底辟背斜、底辟側(cè)翼等一系列的圈閉，如中央地塹Valhall油田的圈閉就是由于鹽運動引起的相關(guān)背斜圈閉與斷裂背斜圈閉(Leonarl et al.，1987)(圖5b)。該油田為典型的鹽核穹隆，晚白堊世穹隆構(gòu)造開始發(fā)育，在始新世 中新世構(gòu)造擠壓期形成，70%的原油儲量集中于白堊系Tor組白堊巖地層中，主要為地層不整合封堵，蓋層為古新統(tǒng)頁巖(圖5b)。

圖4 南北海盆地烴源巖成熟度分布圖(Doornenbal et al.，2010)Fig.4 Maturity of source rocks in the south North Sea basin

南北海盆地的構(gòu)造圈閉類型較為單一，主要為早白堊世末期到始新世時期發(fā)生的構(gòu)造反轉(zhuǎn)所形成的一系列相關(guān)背斜圈閉和斷塊圈閉(Hillier，1990)，如英荷盆地的巴奎氣田。該氣田在早白堊世末期到始新世時期發(fā)生了構(gòu)造反轉(zhuǎn)，擠壓運動產(chǎn)生了一些新的斷層，同時使先前存在的斷層再次活動，形成了許多斷裂背斜構(gòu)造圈閉，該圈閉主要為地層封堵，蓋層為二疊系鎂灰?guī)r統(tǒng)致密的碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖(Farmer et al.，1991)(圖 5c)。

3 形成油氣成藏差異性的主要因素

3.1 構(gòu)造演化的差異性是控制烴源巖發(fā)育的基礎(chǔ)條件

北海南、北兩個盆地構(gòu)造演化差異性較大。北北海盆地主要以中新生代裂谷沉積為主，常直接覆蓋于泥盆系或基底之上，僅在莫里福斯盆地內(nèi)發(fā)育少量的早石炭紀地層，因此北北海盆地在石炭紀時期并不存在有勘探意義的盆地;而南北海盆地受華力西造山運動的影響，到石炭紀晚期，北海中部和南部地區(qū)均轉(zhuǎn)變?yōu)槿A力西前陸盆地，同時在盆地內(nèi)堆積了較厚的近海煤系地層，形成了以上石炭統(tǒng)為主要烴源巖的生儲蓋組合。

北北海盆地在三疊 侏羅紀時期強烈拉張斷陷并差異沉降，主要發(fā)育以斷陷為主的盆地，從白堊紀開始轉(zhuǎn)入全盆地大面積的坳陷熱沉降期，形成了以上侏羅統(tǒng)為主要烴源巖的多套生儲蓋組合;而南北海盆地在侏羅紀時期主要為熱沉降期，但其構(gòu)造活動較頻繁，分別在中侏羅紀早期、晚侏羅紀早期和晚侏羅紀末到白堊紀初期發(fā)生區(qū)域抬升和剝蝕，僅在局部地區(qū)殘留了該套地層，厚度較薄。因此，從侏羅紀時期的構(gòu)造演化看，北北海盆地受構(gòu)造活動影響小，更有利于烴源巖有機質(zhì)的沉積和保存，其烴源巖優(yōu)于南北海盆地的烴源巖。

3.2 沉積埋藏史是造成烴源巖成熟度及演化歷史的關(guān)鍵因素

北北海盆地的埋藏特征是早期緩慢埋藏，三疊紀后快速深埋藏;而南北海盆地早期快速深埋藏，三疊紀后緩慢埋深，并發(fā)生幾期抬升和剝蝕(圖6)。

沉積埋藏演化歷史的差異導(dǎo)致了烴源巖成熟演化上的差異(圖7)，北北海盆地上侏羅統(tǒng)進入生油、生氣高峰期的時期明顯晚于南北海盆地烴源巖生油、生氣高峰期。而生油、生氣高峰期的差異性，對油氣藏的后期保存有明顯的影響，越晚生成的油氣聚集成藏越易于保存(趙桂萍，2011)。這應(yīng)該是北北海盆地發(fā)現(xiàn)油氣儲量規(guī)模大于南北海盆地的一個主要原因。

3.3 二疊系鎂灰?guī)r統(tǒng)鹽巖對油氣成藏起到至關(guān)重要的作用

北海盆地的鹽巖區(qū)發(fā)育了其相當一部分的大型油氣田，鹽巖對北海盆地油氣成藏起到至關(guān)重要的作用，但鹽巖對北海南、北兩個盆地的油氣成藏作用又存在一定的差異性。

北北海盆地鹽巖的構(gòu)造活動致使上覆沉積巖形成易碎區(qū)，促使斷層或斷裂系統(tǒng)發(fā)育，此外，鹽底辟構(gòu)造周圍往往發(fā)育放射狀張性正斷層，可以成為油氣垂直運移的通道，如安德魯油田;晚白堊世后期北海盆地新生界沉積厚度加大、沉積速率增高，深部產(chǎn)生的異常高壓使鹽巖向上穹隆，形成了一系列與鹽巖相關(guān)的構(gòu)造圈閉，如Vahall油田。

南北海盆地的鹽巖主要為區(qū)域性蓋層，其厚度約450 m。厚層的鹽巖對下伏赤底統(tǒng)砂巖內(nèi)的天然氣形成了有效封蓋，避免了天然氣的逸散。同時，由于鹽巖表現(xiàn)出的可塑性，當發(fā)生擠壓或拉張斷裂作用時，鹽巖發(fā)生塑性流動形成鹽相關(guān)構(gòu)造，有效的減弱斷層對蓋層的破壞。因此南北海盆地大型氣藏的保存均得益于優(yōu)質(zhì)的區(qū)域性蓋層——上二疊鎂灰統(tǒng)鹽巖。

圖5 北海盆地主要圈閉類型示意圖Fig.5 Major types of traps in the North Sea basin

4 結(jié)論

(1)北北海盆地在三疊-侏羅紀時期強烈拉張斷陷并差異沉降，主要發(fā)育以斷陷為主的盆地，沉積了中下侏羅統(tǒng)的砂巖和上侏羅統(tǒng)基末利黏土組頁巖，從白堊紀開始轉(zhuǎn)入全盆地大面積的坳陷熱沉降期，形成了以上侏羅統(tǒng)為主要烴源巖的多套生儲蓋組合。

圖6 北海南、北盆地沉積埋藏史對比圖arison of sedimentary-burial history in the north and south North Sea basin

圖7 北海南、北盆地主要烴源巖生烴演化對比圖Fig.7 Comparison of hydrocarbon-generation evolution of the main source rocks in the north and south North Sea basin

(2)南北海盆地受華力西造山運動的影響，到石炭紀晚期，北海中部和南部地區(qū)均轉(zhuǎn)變?yōu)槿A力西前陸盆地，同時在盆地內(nèi)堆積了較厚的近海煤系地層，形成了以上石炭統(tǒng)為主要烴源巖的生儲蓋組合。

(3)控制這種差異性的主要因素是北海南、北盆地構(gòu)造演化歷史、沉積埋藏史和鹽巖對油氣成藏作用的不同。

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