沾化凹陷三合村洼陷油氣多期成藏過程研究

張 波, 吳智平, 王永詩, 劉雅利, 劉 鵬

(1.中國石油大學地球科學與技術學院,山東青島 266580; 2.中石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院,山東東營 257015)

沾化凹陷三合村洼陷油氣多期成藏過程研究

張 波1,2, 吳智平1, 王永詩2, 劉雅利2, 劉 鵬2

(1.中國石油大學地球科學與技術學院,山東青島 266580; 2.中石化勝利油田分公司勘探開發(fā)研究院,山東東營 257015)

利用鉆井、測井以及分析化驗等資料,基于沉積埋藏史和生烴史研究,結合油氣來源,分析沾化凹陷三合村洼陷油氣成藏過程。結果顯示:三合村洼陷存在3種原油類型,油氣主要來自于渤南洼陷,油氣成藏經(jīng)歷了東營組成藏期、館陶組成藏期和明化鎮(zhèn)組成藏期3期成藏;東營組成藏期形成的油藏原油源于沙四上亞段成熟烴源巖,此時墾西低凸起還未成型,來自渤南洼陷的油氣以斷裂側向-不整合型二元輸導體系沿斜坡帶運移至三合村洼陷沙三段及以下地層中成藏,并在后期由于硫化作用和生物降解作用發(fā)生稠化;館陶組成藏期形成的油藏原油源于沙四上亞段和沙三段烴源巖,此時墾西低凸起已成型,來自渤南洼陷的油氣主要以網(wǎng)毯模式運移至沙三段以上地層中,在后期發(fā)生生物降解作用而稠化;明化鎮(zhèn)組成藏期形成的油藏原油源于沙三段成熟烴源巖,同樣以網(wǎng)毯模式運移至三合村洼陷,主要在新近系成藏。

成藏過程; 三合村洼陷; 油氣來源; 成藏期次

含油氣盆地斜坡帶長期處于油氣運移指向區(qū),歷來是油氣勘探的重點地區(qū)[1-5],然而位于沾化凹陷西南部的三合村洼陷雖處于含油氣盆地的斜坡帶,歷經(jīng)了40多年的勘探,并未取得突破。前人認為三合村洼陷沒有勘探潛力,這一結論是基于其本身不具備生烴條件,渤南洼陷晚期生成的油氣很難穿過盆緣負向構造區(qū)在浮力驅動下運移到三合村洼陷的推論。隨著2012年于三合村洼陷帶部署的羅322井鉆探成功打破了成藏不利的認識,該井于中生界、沙三段發(fā)現(xiàn)油氣,并在沙三段測試獲得工業(yè)油流,從而發(fā)現(xiàn)了勝利油田第81個油田——三合村油田。至2016年,在沙四段、沙三段累計上報控制、預測儲量近5 000×104t。但是三合村油田與前期中淺層發(fā)現(xiàn)的油田在原油性質上存在較大差異,油氣來源不清,同時渤南洼陷生成的油氣是如何跨越墾西低凸起運移至研究區(qū)深層中的也不清楚。筆者從沾化凹陷沉積埋藏史和生烴史分析入手,結合油氣源特征和成藏期研究,動態(tài)分析研究區(qū)油氣運聚歷史,明確三合村洼陷油氣成藏演化過程,研究結果不僅可以指導研究區(qū)下步油氣勘探,而且對其他類似探區(qū)也有一定的借鑒意義。

1 勘探概況

三合村洼陷是一個受墾西斷裂控制的北斷南超的箕狀小洼陷,勘探面積約300 km2(圖1),古近系烴源巖最大埋深小于2 500 m,自身不具備生烴條件,但是它位于濟陽坳陷沾化凹陷南部盆緣斜坡帶,其北鄰的渤南洼陷是一個富油洼陷[6-7],構造位置處于油氣運移有利區(qū),因此油氣勘探工作開始較早。自1967年鉆探墾11井至今,已有近50年的勘探歷史。截至2010年研究區(qū)僅在古近系東營組頂部和新近系發(fā)現(xiàn)規(guī)模油氣,而古近系東營組以下的地層中一直沒有獲得勘探突破。但隨著2012年部署鉆探的羅322井獲工業(yè)油流,掀起了三合村洼陷勘探的熱潮。

圖1 沾化凹陷構造位置圖及南北向地質剖面Fig.1 Structural diagram and the south-north geological section of Zhanhua sag

2 原油基本特征

三合村洼陷發(fā)現(xiàn)的原油性質多樣,各層系之間、甚至同層系不同區(qū)塊之間均有較大差異(表1),總體上可分為兩類:一類是淺部館陶組—東營組的原油,總體具有低密度、低黏度、低凝固點、低含硫量的特征,在緩坡帶有部分館陶組油藏中的原油由于生物降解作用發(fā)生稠化,所以密度和黏度變化較大;一類是深部沙三段—中生界的原油,具有高密度、高黏度、高凝固點、高含硫量的特征。

此外原油地球化學特征也存在較大的差異性,原油族組分表現(xiàn)為兩類特征(表2):淺部館陶組—東營組原油族組分總體具有高烷烴、高芳烴、低非烴、低瀝青質的特點,深部沙三段—中生界原油族組分總體表現(xiàn)為低烷烴、低芳烴、高非烴、高瀝青質的特點。原油正構烷碳數(shù)有單峰和雙峰型兩種類型,原油生物標志物也有較大差異。原油性質及地化特征的差異反映了三合村洼陷油氣來源、成熟度以及成藏后生物降解程度的差異,這些差異與烴源巖生烴史、油氣運聚史及成藏后的次生變化有著復雜的聯(lián)系[8]。

表1 三合村洼陷原油性質Table 1 Petroleum property in Shanhecun subsag

表2 三合村洼陷原油族組分Table 2 Petroleum composition in Shanhecun subsag %

3 沉積埋藏史與烴源巖熱演化史

3.1 沉積埋藏史

濟陽坳陷新生代盆地演化可分為斷陷期和拗陷期兩個階段,其中斷陷期可劃分為4個幕式斷陷階段[9],幕式斷陷運動和周期性氣候變化決定了盆地內沉積環(huán)境的多樣性和差異性,同時也決定了烴源巖生烴史具有階段性,從而控制了油氣原始特征的差異性[8]。受幕式斷陷運動的控制,渤南洼陷自沙四上亞段以來經(jīng)歷了多期構造抬升與沉降過程,本次研究以沉降中心的渤深8井為代表,在地層厚度與沉積時間測定基礎上,恢復其沉積埋藏史(圖2)。

渤南洼陷沙四上亞段形成于斷陷Ⅱ幕,距今約45 Ma,沉積厚度一般為300～700 m,沉降中心的渤深8井區(qū)沉積厚度可達1 000 m,這一時期為一快速沉積過程,在3 Ma內沉積了較厚地層,沙四上亞段沉積末期濟陽坳陷經(jīng)歷了短暫的構造抬升,但渤深8這一沉降中心并未被剝蝕;從而在距今約42 Ma時開始沉積沙三段,沙三段形成于斷陷Ⅲ幕,該時期是盆地發(fā)育鼎盛時期,沉積厚度約為1 000 m,這一沉積期大概經(jīng)歷了5 Ma,沉積速率有所減緩;此后,在距今約37 Ma和35 Ma時期,分別開始沉積沙二段和沙一段,值得注意的是沙三段、沙二段及沙一段沉積末期區(qū)域構造都經(jīng)歷了不同程度的抬升剝蝕,但位于沉降中心的渤深8井區(qū)始終處于接受沉積的狀態(tài);距今約33 Ma時東營組開始沉積,這一沉積過程一直持續(xù)到距今約25 Ma,沉積厚度可達1 000 m,但此后構造緩慢抬升遭受剝蝕,這一剝蝕過程持續(xù)了近11 Ma,據(jù)多種剝蝕厚度計算方法可得出古近系沉積末大規(guī)模的構造隆升作用在渤深8井區(qū)剝蝕掉近200 m東營組;距今14 Ma時期,渤南洼陷重新沉降并接受新近系沉積,在13 Ma內沉積了館陶組、明化鎮(zhèn)組近2 000 m地層;且在距今1 Ma左右沉積了近200 m第四系平原組。

圖2 渤南洼陷渤深8井沉積埋藏史Fig.2 Sedimentary burial history of Boshen8 in Bonan subsag

3.2 烴源巖熱演化史

在沉積埋藏史分析基礎上,結合渤南洼陷古地溫梯度[10],恢復了渤南洼陷烴源巖熱演化史(圖2)。渤南洼陷共發(fā)育沙四上亞段、沙三段及沙一段3套烴源巖[11-15]。沙四上亞段烴源巖在沙三段沉積末期(距今約37 Ma)埋深達2 000 m(圖3),地層溫度約90℃,干酪根鏡質體反射率達到0.5%[16],到達生烴門限;到沙一段末期—東營組沉積期(距今約33 Ma)埋深到達2 800 m,地層溫度超過120 ℃,Ro達到0.75%～1.0%,進入主生烴期;至明化鎮(zhèn)組沉積早期埋深超過4 500 m,地層溫度超過180 ℃,Ro超過1.3%,沙四上亞段烴源巖進入高成熟階段,以生成天然氣為主。沙三段有效烴源巖多形成于沙三段沉積早期,此套烴源巖在東營組沉積中早期(距今約26 Ma)埋深大于2 800 m,Ro大于0.5%(圖3),達到生烴門限;館陶組沉積中晚期(距今約8 Ma)埋深大于3 200 m,Ro大于0.7%,進入主生烴期并延續(xù)至現(xiàn)今;沙一段烴源巖于明化鎮(zhèn)沉積中期(距今約3 Ma)埋深超過2 800 m,Ro達到0.5%(圖3),進入生烴門限,但至今仍未進入主生烴期,不是研究區(qū)主力烴源巖。渤南洼陷烴源巖熱演化史分析可證實東營組沉積時期為沙四上亞段烴源巖生烴期,而館陶組沉積時期為沙四上和沙三段共同生烴期,明化鎮(zhèn)組沉積時期至今為沙三段烴源巖生烴期[8]。

圖3 渤南洼陷3套烴源巖Ro與埋深關系Fig.3 Relationship between Ro of 3 sets of source rocks and buried depth in Bonan subsag

4 三合村洼陷油氣來源與成藏期次

4.1 油源對比

4.1.1 烴源巖特征

前人研究表明,渤南洼陷在幕式構造運動及周期性氣候變化影響下,主要發(fā)育沙四上亞段、沙三段及沙一段3套烴源巖[11-15],各套烴源巖受控于不同沉積期的水體環(huán)境及生物群落,具有不同的地球化學特征(圖4)。其中沙四上亞段沉積期古氣候干熱,形成的烴源巖碳酸鹽含量較高,巖性主要為灰質油泥巖、灰質泥巖、泥灰?guī)r、泥質灰?guī)r和石膏質泥巖,有機質類型為I和II1型,有機碳含量0.93%～4%,生物標志化合物表現(xiàn)為明顯的植烷優(yōu)勢和高伽馬蠟烷含量,C35升藿烷含量明顯大于C34升藿烷含量,重排甾烷不發(fā)育(圖4(a))。到沙三段沉積期氣候溫暖潮濕,盆地水體為深湖-半深湖淡水環(huán)境,發(fā)育大套油頁巖、油泥巖和暗色泥巖,烴源巖有機質類型以Ⅰ型為主,有機碳含量為2%～19%,生物標志化合物姥鮫烷含量高,伽馬蠟烷含量低,重排甾烷和4-甲基甾烷含量高(圖4(b))。沙一段烴源巖形成于咸化環(huán)境下,巖性主要為油頁巖、灰質油泥巖和暗色泥巖,有機質類型以Ⅰ型為主,有機質豐度高,成熟度處于未熟-低成熟階段,生物標志化合物具有明顯植烷優(yōu)勢,伽馬蠟烷含量高,重排甾烷和4-甲基甾烷含量很低[7](圖4(c))。

4.1.2 原油類型及其來源

三合村洼陷原油可分為3種類型,據(jù)原油生物標志物特征分析(圖5),并與渤南洼陷烴源巖生物標志物特征對比(圖4),進而確定不同類型原油的來源。

第 Ⅰ 類原油主要產自于深部沙三段—中生界中(圖5(a)),此類原油生物標志化合物組成中,規(guī)則甾烷含量為C27>C29>C28,C29S/(S+R)值為0.44, C29αββ/(ααα+αββ)值為0.47,為成熟原油;具有明顯的植烷優(yōu)勢和高伽馬蠟烷含量,Pr/Ph值0.32,伽馬蠟烷/C30藿烷值為0.7,顯示了高鹽度強還原性的沉積環(huán)境。C35升藿烷含量明顯大于C34升藿烷含量,C35/C34值為3.31,重排甾烷不發(fā)育,與渤南洼陷沙四上亞段烴源巖具有明顯親緣關系。

第Ⅱ類原油來源于沙四上亞段和沙三段烴源巖,主要產自于淺部館陶組—東營組中,此類原油具有以下生物標志物特征(圖5(b)):規(guī)則甾烷含量為C27>C29>C28,C29S/(S+R)值為0.35, C29αββ/(ααα+αββ)值為0.41,為成熟原油;發(fā)育重排甾烷,4-甲基甾烷含量較高,伽馬蠟烷指數(shù)低,伽馬蠟烷/C30藿烷值為0.12,具有沙三段烴源巖特征。同時C35升藿烷含量稍高于C34升藿烷含量,C35/C34值為1.1,為沙四段烴源巖的特征。此類原油應為渤南洼陷沙三段和沙四段烴源巖生成原油的混合。

第Ⅲ類原油來源于沙三段烴源巖,主要產自于館陶組,此類原油生物標志物特征(圖5(c)):規(guī)則甾烷含量為C27>C29>C28,C29S/(S+R)值為0.38～0.39,屬于成熟原油。重排甾烷發(fā)育,4-甲基甾烷含量高,伽馬蠟烷指數(shù)低,伽馬蠟烷/C30藿烷值為0.12～0.13,與渤南洼陷沙三段烴源巖生物標志物相似。

4.2 油氣成藏期次

油源對比顯示三合村洼陷的三種原油類型分別與渤南洼陷各層段烴源巖具有親緣關系,應是在不同的成藏期聚集成藏。關于渤南洼陷油氣成藏期次問題已有多位專家開展過相關研究,運用多種方法綜合得出兩次充注、三次成藏過程這一結論[8,11,17],即約距今29 Ma的東營組沉積早期第一次充注、距今8～0 Ma的館陶組沉積末期以及明化鎮(zhèn)組沉積期分別為第二次充注的早期和晚期。渤南洼陷烴源巖生排油氣造成的中、晚期成藏可波及三合村洼陷已得到廣大學者認可[11,13,17],但渤南洼陷沙四上亞段烴源巖生排油氣形成的早期成藏是否可影響到三合村洼陷還存在一定爭議,由此本文中主要選取與渤南洼陷沙四上亞段烴源巖層系對接的三合村洼陷沙三段,對其取心井段與烴類包裹體相伴生的鹽水包裹體進行均一溫度測定。

圖4 渤南洼陷不同層系烴源巖生物標志物特征Fig.4 Biomarker characteristics of different source rocks in Bonan subsag

圖5 三合村洼陷各類原油生物標志物特征Fig.5 Biomarker characteristics of all types of crude oil in Sanhecun subsag

羅322沙三段流體包裹體均一溫度峰值為80～90 ℃(圖6(b)),結合三合村洼陷羅322井的沉積埋藏史發(fā)現(xiàn)均一溫度較低的區(qū)間80～90 ℃對應了東營組沉積中早期和館陶組沉積晚期兩個時期(圖6(a)),成藏期次具有多解性。但這兩個時期沙四段生烴灶埋深差異較大,分別為3 100和3 700 m,雖生成的都為成熟油,但不同生烴灶埋深情況下形成的原油成熟度差異明顯,因此對均一溫度區(qū)間80～90 ℃樣品點的原油成熟度進行了分析。最終發(fā)現(xiàn):溫度區(qū)間80～90 ℃的樣品原油Ts/Tm比值較低,姥植比Pr/Ph也較低,此外其他反映原油成熟度的指標如石蠟指數(shù)、庚烷值等都相對較低[13],總體反映出成熟度普遍偏低的特點。因此,均一溫度區(qū)間80～90 ℃的樣品點原油應為東營組沉積中早期形成,證實了渤南洼陷早期生成的油氣可波及至盆緣的三合村洼陷,三合村洼陷存在早期成藏。綜上所述,三合村洼陷存在東營組成藏期、館陶組成藏期和明化鎮(zhèn)組成藏期3次成藏過程。

圖6 渤南洼陷羅家地區(qū)與三合村洼陷成藏期次分析Fig.6 Analysis on reservoir forming period of Luojia area in Bonan sag and Sanhecun sag

5 三合村洼陷多期成藏過程

通過渤南洼陷沉積埋藏史與熱演化史和三合村洼陷油氣源對比及成藏期次研究,匹配沾化凹陷構造演化史分析,可將三合村洼陷成藏演化劃分為3個階段(圖7),即東營組成藏期、館陶組成藏期和明化鎮(zhèn)組成藏期。

東營組成藏期:該成藏時期(圖7(c))三合村洼陷控洼斷層——墾西斷層在沙四上亞段和沙三段處的斷距約為30 m,墾西低凸起還未成型,在地質結構上渤南洼陷至三合村洼陷表現(xiàn)為一個逐漸抬起的斜坡。而研究區(qū)沙四上亞段和沙三下亞段底部連續(xù)發(fā)育大套扇三角洲砂體[18-20],厚度大、延伸遠、分布廣,鉆遇井厚度一般為80 m,最大可達120 m,延伸距離超過10 km,最遠到達墾西低凸起羅36井區(qū),分布面積超過200 km2,墾西斷層不足以斷開大套扇三角洲砂體。此時期沙四段烴源巖已經(jīng)達到主要排烴期[17],在上覆沙三下亞段厚層泥頁巖的封蓋作用下油氣主要以斷層和不整合構成的二元輸導體系運移為主,渤南洼陷沙四上亞段生成的油氣沿沙四下亞段與沙四上亞段和沙四上亞段與沙三段之間的不整合面橫向運移,運移至墾西低凸起沙三、沙四段扇三角洲砂體后,沿扇三角洲砂體和不整合面繼續(xù)向高部位運移,至墾西斷層處,油氣通過墾西斷層兩盤對接的扇三角洲砂體繼續(xù)運移至三合村洼陷聚集成藏。

圖7 三合村洼陷油氣成藏過程Fig.7 Reservoir forming process of Sanhecun subsag

館陶組成藏期:該成藏時期(圖7(b)),由于墾西斷層的持續(xù)活動,墾西低凸起構造幅度不斷加大,墾西斷層兩側先期形成的沙三下亞段底部和沙四段上亞段油藏逐漸斷開,同時油藏在硫化作用和生物降解作用下不斷稠化[8]。該時期沙三段烴源巖也達到主生烴期,沙三段與沙四段生成的成熟油氣主要由斷裂、不整合、骨架砂體組成的三元立體型輸導體系運移為主,油氣沿盆傾斷層進行縱向運移,沿沙四下亞段與沙四上亞段和沙四上亞段與沙三段之間的不整合面以及沙三中亞段三角洲砂體橫向運移,油氣運移至墾西斷層后,以網(wǎng)毯運移模式向沙三段以上地層中運移[21-25],遇到合適的圈閉聚集成藏。目前已經(jīng)在三合村洼陷的沙三段頂部、沙一段、東營組和館陶組底部發(fā)現(xiàn)沙三、沙四段混源原油。

明化鎮(zhèn)組成藏期:該成藏時期(圖7(a)),墾西斷層活動逐漸減弱,三合村洼陷沙三下亞段以下油藏已經(jīng)與墾西低凸起油藏完全分割開,并且繼續(xù)稠化;而館陶組成藏期形成的油藏也開始降解稠化。該成藏時期,沙四上亞段烴源巖已經(jīng)達到過成熟階段,沙三段烴源巖為主要生烴期,沙三段烴源巖生成的油氣運移方式與館陶組成藏期的油氣運移方式類似,只是目前以沙三段為主要油源的油藏僅在三合村洼陷館陶組以上地層中有所發(fā)現(xiàn)。

通過以上3個階段的油氣成藏演化過程,形成了現(xiàn)今三合村洼陷多油源類型、原油性質復雜多變的油藏共存的油藏特征。

6 結 論

(1)三合村洼陷主要有3種類型原油:第Ⅰ類原油來源于渤南洼陷沙四段成熟烴源巖;第Ⅱ類原油來源于渤南洼陷沙三段及沙四段烴源巖;第Ⅲ類原油來源于渤南洼陷沙三段成熟烴源巖。

(2)三合村洼陷油氣成藏主要經(jīng)歷東營組成藏期、館陶組成藏期和明化鎮(zhèn)組成藏期3個階段,形成了現(xiàn)今多油源類型、原油性質復雜多樣的油藏特征。

(3)東營組成藏期形成第Ⅰ類原油油藏,此類油藏在館陶組成藏期和明化鎮(zhèn)組成藏期因硫化作用和生物降解作用發(fā)生稠化。館陶組成藏期形成第Ⅱ類原油油藏,此類油藏在明化鎮(zhèn)組成藏期發(fā)生生物降解作用而稠化。明化鎮(zhèn)組成藏期形成第Ⅲ類原油油藏。

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(編輯 徐會永)

Study on multi-period hydrocarbon accumulation process in Sanhecun subsag of Zhanhua sag

ZHANG Bo1,2, WU Zhiping1, WANG Yongshi2, LIU Yali2, LIU Peng2

(1.SchoolofGeosciencesinChinaUniversityofPetroleum,Qingdao266580,China;2.Exploration&DevelopmentResearchInstitute,ShengliOilfieldBranchCompany,SINOPEC,Dongying257015,China)

The dynamic process of hydrocarbon accumulation in Sanhecun subsag of Zhanhua sag was studied by analyzing the sedimentary burial history and hydrocarbon generation history, taking advantage of the abundant drillings and available test datum. The results show that the crude oil in Sanhecun subsag originated from Bonan subsag, and the crude oil can be classified into three different types. The three stages of evolution in the hydrocarbon accumulation include the Ed formation, the Ng formation and the Nm formation, respectively. The crude oil of reservoirs formed in the Ed formation originated from the matured source rocks of Es4before the formation of the Kenxi low uplift. The crude oil from Bonan subsag migrated along the slope through fault-unconformity carrier system to Sanhecun subsag and was accumulated in the Es3and the following strata. The reservoirs formed at this stage were thickened by curing and biodegradation in the later stage. The crude oil of reservoirs formed in the Ng formation originated from the source rocks of Es3and Es4after the formation of the Kenxi low uplift. The crude oil from Bonan subsag migrated along the meshwork-carpet system to Sanhecun subsag and accumulated above the Es3, and the reservoirs formed at this stage were thickened by biodegradation in the later stage. The crude oil of reservoirs formed in the Ng formation originated from the source rocks of Es3, and the crude oil also migrated through the meshwork-carpet system and accumulated in the Neogene.

accumulation process; Sanhecun subsag; oil and gas source; accumulation stage

2016-10-23

國家科技重大專項(2016ZX05006-003);中國石油化工股份有限公司科研攻關項目(P14017,P14009,P15082, P16005)

張波(1972-),男,高級工程師,博士研究生,研究方向為油氣勘探及石油地質。E-mail:zhangbo667.slyt@sinopec.com。

1673-5005(2017)02-0039-10

10.3969/j.issn.1673-5005.2017.02.005

TE 122.1

A

張波,吳智平,王永詩,等.沾化凹陷三合村洼陷油氣多期成藏過程研究[J].中國石油大學學報(自然科學版)，2017,41(2)：39-48.

ZHANG Bo, WU Zhiping, WANG Yongshi, et al. Study on multi-period hydrocarbon accumulation process in Sanhecun subsag of Zhanhua sag[J].Journal of China University of Petroleum(Edition of Natural Science),2017,41(2):39-48.