全球前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣藏地質(zhì)及分布特征

李 剛，白國平，高 平，馬生暉，陳 君，邱海華

(1.中國石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249； 2.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 3.中國地質(zhì)大學(xué)(北京) 能源學(xué)院，北京 100083)

前寒武系—下寒武統(tǒng)油氣勘探在世界油氣勘探中占有重要的地位，已成為全球石油公司非常重視的油氣勘探層系。國外，在俄羅斯、中東、北非、印度和巴西等地，在這套古老層系中已有油氣發(fā)現(xiàn)，其中俄羅斯的東西伯利亞盆地和中東的阿曼盆地已獲得重大油氣發(fā)現(xiàn)。在我國的四川盆地，繼1964年于震旦系發(fā)現(xiàn)威遠氣田后，2011年又在震旦系—下寒武統(tǒng)發(fā)現(xiàn)了安岳特大型氣田?；谌蛴蜌獠財?shù)據(jù)庫的資料，本研究的分析表明全球前寒武系—下寒武統(tǒng)烴源巖生成了46 810 MMboe(1 MMboe=1×106bbl油當(dāng)量, 1 bbl=0.137 t)的探明和控制(2P)常規(guī)油氣可采儲量(下文中的儲量均為可采儲量)，占全球常規(guī)油氣儲量的1.1%。數(shù)十年的研究和勘探開發(fā)結(jié)果表明前寒武系—下寒武統(tǒng)是一個值得關(guān)注的油氣勘探層系[1-6]。

1950年以前，前寒武系尚未確認(rèn)具有可靠的生物化石，且僅發(fā)現(xiàn)有個別“顯生古儲”油氣藏，即油氣來自顯生宇烴源巖，儲于元古宇儲層[7]。當(dāng)時普遍認(rèn)為前寒武系不可能具備含有原生烴類的沉積[8]。然而，此后的研究證實中—新元古界不僅存在多樣化的生命形式，而且發(fā)育優(yōu)質(zhì)的烴源巖。1960年后, 在前寒武系中，全世界至少已發(fā)現(xiàn)數(shù)十處原生油氣藏，油氣均源自前寒武系的烴源巖, 有的還具有相當(dāng)規(guī)模的油氣儲量[9-11]。1973年, 前蘇聯(lián)就已經(jīng)著手東西伯利亞盆地中—新元古界油氣田的商業(yè)性開采[10-11]。1977年以來，在我國華北燕山地區(qū), 陸續(xù)發(fā)現(xiàn)中—新元古界大量原生的液體油苗與固體瀝青[12-16]。

國外的古老層系經(jīng)歷了較長時間的油氣勘探，具有一系列成功的經(jīng)驗與失敗的教訓(xùn)。但國內(nèi)對于前寒武系—下寒武統(tǒng)油氣生、運規(guī)律、儲層發(fā)育控制因素及油氣藏保存條件等方面的研究還有待進一步深化，在一定程度上制約了我國前寒武系—下寒武統(tǒng)油氣勘探的進一步突破。因此，基于國外重點盆地前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣資源宏觀分布規(guī)律的研究，梳理古老層系油氣成藏條件、成藏模式和主控因素，通過國內(nèi)外古老層系油氣成藏要素的類比分析，可為我國前寒武系—下寒武統(tǒng)的油氣勘探提供參考依據(jù)，推動該領(lǐng)域的油氣勘探。

1 全球前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣資源分布

原生油氣藏一般是指生油期后第一次構(gòu)造運動期間，油氣首次發(fā)生區(qū)域性運移而形成的油氣藏，此時油氣運移暫時達到平衡，油氣藏未遭到破壞。自1954年在東西伯利亞盆地發(fā)現(xiàn)第一個元古宇原生油氣藏以來，截至2016年底，在全球9個盆地內(nèi)的前寒武系—下寒武統(tǒng)已發(fā)現(xiàn)179個油氣田，其中前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣藏(油氣不僅生于亦儲于前寒武系—下寒武統(tǒng))共計363個(圖1)。

統(tǒng)計分析表明全球已發(fā)現(xiàn)的363個前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣藏的2P儲量為：石油6 780 MMb(占22.6%，1 MMb=1×106bbl)，天然氣132 400 Bscf(占73.3%，1 Bscf=1×109ft3，1 ft3=0.028 3 m3)和凝析油1 240 MMb(占4.1%)，合計為30 090 MMboe。已發(fā)現(xiàn)的前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣資源的分布呈現(xiàn)出高度不均衡的特征，東西伯利亞盆地內(nèi)發(fā)現(xiàn)265個油氣藏，占總個數(shù)的73.0%，2P儲量為石油5 590 MMb、天然氣112 200 Bscf和凝析油1 040 MMb，合計25 330 MMboe(表1)，占全球總量的84.2%(圖1)。其次為阿曼盆地和四川盆地，儲量分別為2 580 MMboe和1 840 MMboe(表1)，占8.9%和6.5%(圖1)。需要指出的是四川盆地內(nèi)發(fā)現(xiàn)的原生油氣藏雖然個數(shù)不多，但發(fā)現(xiàn)的單個氣藏的儲量規(guī)?？捎^，四川盆地前寒武系油氣藏的儲量平均規(guī)模最大，藏均儲量達220 MMboe(表1)。在已發(fā)現(xiàn)的前寒武系原生油氣藏中，僅東西伯利亞盆地、阿曼盆地和四川盆地的少數(shù)油氣田投入了開發(fā)。截至2016年底，其油氣采出程度(累計產(chǎn)量占油氣總儲量的比例)分別為0.9%、3.4%和5.5%。

全球前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣藏儲集巖可分為三大類：碎屑巖、碳酸鹽巖和其他巖類(主要為硅質(zhì)巖)。其中，前寒武系—下寒武統(tǒng)油氣2P儲量的72.8%(21 850 MMboe)儲于碎屑巖中，而碳酸鹽巖和其他巖類中分別占26.4%(7 920 MMboe)和0.8%(250 MMboe)(圖2)。古老層系油氣資源天然氣占絕對優(yōu)勢，天然氣在碎屑巖儲層中占79.4%，石油和凝析油分別占15.7%和4.9%；碳酸鹽巖儲層中，天然氣、石油和凝析油分別占46.6%、49.2%和4.2%(圖2a)。

圖1 全球前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣藏分布

圖2 全球前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣在不同儲層、圈閉、埋深中的分布特征

構(gòu)造圈閉、巖性圈閉、構(gòu)造—巖性圈閉以及構(gòu)造—地層圈閉構(gòu)成了全球前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣藏的圈閉類型。其中，構(gòu)造—巖性圈閉聚集了已發(fā)現(xiàn)油氣2P儲量的83.3%(25 060 MMboe)，而構(gòu)造—地層圈閉和構(gòu)造圈閉比例相近，約占8.4%，巖性圈閉占比最小，僅為0.3%(圖2b)。

已發(fā)現(xiàn)的全球前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣藏的油氣2P儲量隨埋深的增加而遞減，且油氣儲量絕大部分分布于中淺層(埋深小于4 500 m)儲層中，比例高達92.8%(27 930 MMboe)；深層(埋深在4 500～6 000 m)油氣占7.1%(2 130 MMboe)，超深層(埋深大于6 000 m)僅占0.1%(圖2c)。

2 成藏要素分析

基于收集的數(shù)據(jù)資料[17]，梳理了全球已發(fā)現(xiàn)前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣藏或有油氣顯示的前寒武系含油氣盆地的油氣成藏條件，其中東西伯利亞盆地、阿曼盆地和四川盆地前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣藏的油氣儲量最為豐富(表1)，因此本文將這3個盆地作為重點討論對象。

2.1 烴源巖

全球前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣藏發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖(表2)。其中，東西伯利亞盆地主力烴源巖分布于里菲系(相當(dāng)于中—上元古界)和文德系(相當(dāng)于上元古界震旦系)，前者地層厚度可達2～7.5 km，烴源巖由海相泥頁巖和泥灰?guī)r組成，干酪根為Ⅱ型，有機質(zhì)幾乎全部是細(xì)菌或藻類[8]。文德系烴源巖TOC的平均含量基本不超過0.5%，僅在盆地東南部的前帕托姆坳陷可達0.5%～1.0%，但新的油源對比表明，文德系烴源巖也是東西伯利亞盆地重要的烴源巖[18]。

阿曼盆地的前寒武系—下寒武統(tǒng)烴源巖包括3套：鹽上哈哈班組(Dhahaban)、鹽間阿拉群(Ara)和鹽下奈豐群(Nafun)。在TERKEN等[19]有關(guān)阿曼盆地含油氣系統(tǒng)的研究中，后兩者歸屬于侯格夫超群(Huqf)(相當(dāng)于震旦系—下寒武統(tǒng))烴源巖。巖性上，除了發(fā)育碳酸鹽巖和泥頁巖之外，還包括一套獨特的硅質(zhì)巖，其TOC高于碳酸鹽巖，可達3.0%～4.0%(表2)。四川盆地主要發(fā)育震旦系陡山沱組、燈影組和下寒武統(tǒng)滄浪鋪組、筇竹寺組烴源巖。烴源巖生烴時間普遍晚于東西伯利亞盆地和阿曼盆地，于二疊紀(jì)—中三疊世生油，晚三疊世—白堊紀(jì)裂解生氣(表2)。

表1 全球前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣儲量

表2 東西伯利亞盆地、阿曼盆地和四川盆地?zé)N源巖特征

需要指出的是全球前寒武系—下寒武統(tǒng)含油氣盆地?zé)N源巖發(fā)育均與裂谷的形成有關(guān)。早里菲世初期，東西伯利亞盆地開始發(fā)生大規(guī)模斷陷，形成臺內(nèi)坳陷和臺緣坳陷。同裂谷階段早期，沉積充填以碎屑巖為主，隨后以碳酸鹽巖為主夾泥頁巖，構(gòu)成了里菲系烴源巖。盆地在文德紀(jì)處于裂后拗陷發(fā)育期，發(fā)育泥頁巖和碳酸鹽巖烴源巖。阿曼盆地在成冰紀(jì)晚期—早寒武世經(jīng)歷了兩期斷陷(同裂谷)—拗陷的構(gòu)造沉積旋回。早期的斷陷范圍分布局限，斷陷內(nèi)充填了阿布瑪哈若群(Abu Mahara)，隨后的裂后坳陷內(nèi)充填了奈豐群。阿曼盆地的鹽盆發(fā)育于第二個沉積旋回的斷陷期，主要充填了阿拉群，隨后的裂后拗陷充填了尼姆爾群(Nimr)及其上覆地層(表2)。其中奈豐群和阿拉群泥頁巖、碳酸鹽巖是阿曼盆地重要烴源巖。四川盆地“德陽—安岳”古裂陷槽繼承性發(fā)育，對烴源巖厚度有明顯的控制作用，裂陷槽內(nèi)筇竹寺組和麥地坪組總厚300～450m，烴源巖厚140～160m，面積15×104km2[20]。此外，滄浪鋪組也發(fā)育有效烴源巖(表2)。

研究發(fā)現(xiàn)，品質(zhì)一般的前寒武系—下寒武統(tǒng)烴源巖也可以形成規(guī)模儲量。東西伯利亞盆地里菲系烴源巖的地化指標(biāo)明顯優(yōu)于文德系烴源巖(表2)，據(jù)此，推測油氣主要源自里菲系[21]。然而，最新的基于生物標(biāo)志化合物的油源對比表明東西伯利亞盆地的石油有相當(dāng)一部分是源自文德系烴源巖[22]。利用這些新的研究成果和油氣藏資料，本研究重新統(tǒng)計分析了東西伯利亞盆地2個含油氣系統(tǒng)的油氣儲量，結(jié)果表明文德系(含下寒武統(tǒng)烴源巖)含油氣系統(tǒng)的油氣儲量為10 950 MMboe，占盆地油氣總儲量的43.2%；里菲系含油氣系統(tǒng)的油氣儲量為14 390 MMboe，占盆地油氣總儲量的56.8%(表3)。同樣，基于GROSJEAN等[23]的油源對比結(jié)果，南阿曼鹽盆內(nèi)發(fā)育5個子含油氣系統(tǒng)：阿拉群硅質(zhì)巖和頁巖—后侯格夫砂巖、阿拉群硅質(zhì)巖和頁巖—硅質(zhì)巖、Birba臺地碳酸鹽巖、豪威爾臺地碳酸鹽巖和奈豐群—侯格夫子系統(tǒng)(表4)。其中，Birba和豪威爾臺地碳酸鹽巖子系統(tǒng)的烴源巖和儲集巖均為阿拉群的碳酸鹽巖。雖然阿拉群碳酸鹽巖烴源巖的地化指標(biāo)明顯遜于阿拉群硅質(zhì)巖和頁巖烴源巖以及鹽下奈豐群烴源巖(表2)，但其仍貢獻了1 730 MMboe的油氣儲量，占南阿曼鹽盆5個子含油氣系統(tǒng)油氣總儲量的34.0%(表4)。

2.2 儲層

砂巖、碳酸鹽巖以及硅質(zhì)巖儲層是全球前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣藏主要儲層類型。其中，東西伯利亞盆地的儲集巖由河流相、三角洲相和邊緣海相砂巖、海相碳酸鹽巖組成。砂巖是最重要的儲層，這類儲層儲集了盆地76.6%的油氣儲量，孔隙度為4%～19%，滲透率為(3～600)×10-3μm2，單個油氣藏儲集層的總厚度3～90 m，凈厚度1～35 m(表5)。阿曼盆地儲層包括鹽下奈豐群布阿赫(Buah)白云巖、鹽間阿拉群碳酸鹽巖和硅質(zhì)巖以及鹽上尼姆爾群陸相砂巖(表5)。與東西伯利亞盆地不同，碳酸鹽巖是阿曼盆地最重要的儲層，油氣儲量為2 220 MMboe，占阿曼盆地原生油氣藏總儲量的83.1%。其次為硅質(zhì)巖，油氣儲量為333 MMboe，占總量的12.5%。四川盆地震旦系—下寒武統(tǒng)的主力儲層包括震旦系燈影組二段、四段和下寒武統(tǒng)龍王廟組。燈二段和燈四段儲層由丘灘復(fù)合體相的藻凝塊云巖、藻疊層云巖、藻格架云巖和砂屑云巖組成[24]。龍王廟組發(fā)育白云巖儲層，主要為砂屑白云巖、殘余砂屑白云巖和細(xì)—中晶白云巖等。其儲層孔隙度為2.0%～18.5%，平均4.3%；滲透率為(0.000 1～248) ×10-3μm2，平均1.0×10-3μm2；儲層厚度10～60 m，遠遠低于阿曼盆地(表5)。

深層和超深層中碳酸鹽巖地層是勘探重點。統(tǒng)計分析表明全球前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣藏儲層內(nèi)油氣儲量隨埋深呈現(xiàn)出規(guī)律性的變化。

表3 東伯利亞盆地已發(fā)現(xiàn)前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣藏儲量

表4 南阿曼鹽盆烴源巖及其油氣儲量貢獻率

表5 東西伯利亞盆地、阿曼盆地和四川盆地儲層特征

在中淺層儲層中，碎屑巖的油氣儲量占優(yōu)勢，儲集了76.0%的油氣儲量,碳酸鹽巖僅占23.2%；在深層儲集層中，碎屑巖儲量占比26.2%，而碳酸鹽巖儲集了73.4%的油氣儲量；在超深層儲集層中，油氣全部儲集于碳酸鹽巖(圖3)。

前寒武系—下寒武統(tǒng)碳酸鹽巖有效儲集巖的形成受高能相帶、早期白云化和表生淋濾作用的控制。此外，油氣的早期充注抑制了膠結(jié)作用，這也是儲層孔隙度得以保持的因素之一。在南阿曼鹽盆Birba油田中，高能相帶的微生物白云巖和砂屑白云巖的滲透率可達數(shù)百毫達西。另外，有證據(jù)表明油氣層中白云巖儲集層的平均孔隙度為11.6%，而水層中的白云巖儲集層的平均孔隙度則僅為7.7%[25]，很可能是因為早期油氣充注阻礙了碳酸鹽巖和蒸發(fā)巖的膠結(jié)作用，而水層中的成巖作用則持續(xù)地進行了。東西伯利亞盆地里菲系儲層均為碳酸鹽巖，其碳酸鹽巖儲層內(nèi)的孔隙、裂縫和溶洞是重結(jié)晶和淋濾作用形成的，其中淋濾作用更重要。由于漫長的喀斯特化，里菲系碳酸鹽巖產(chǎn)生了大量的次生孔隙，這種次生儲集層的有效孔隙度不大，最大僅為2%～3%。但里菲系碳酸鹽巖具有較高的裂縫空間，與孔隙和溶洞共同構(gòu)成了很高的縫洞率，因此里菲系產(chǎn)層的儲集性能良好。

圖3 不同埋深下各儲層所含前寒武系—下寒武統(tǒng)油氣儲量比例

2.3 蓋層

區(qū)域性蓋層是全球前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣藏得以保存的一個重要條件。東西伯利亞盆地在寒武紀(jì)沉積了一套區(qū)域蒸發(fā)巖蓋層(圖4)，其厚度大，面積廣，使得盆地內(nèi)前寒武紀(jì)—早寒武世聚集成藏的油氣保存了下來。阿曼盆地亦發(fā)育區(qū)域蓋層，但由于鹽構(gòu)造活動，形成鹽窗，結(jié)果鹽下和鹽間烴源巖生成的油氣大部分油氣運移至鹽上聚集成藏，前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣藏的油氣儲量為2 670 MMboe，僅占前寒武系—下寒武統(tǒng)烴源巖貢獻的油氣總儲量19 380 MMboe的13.8%(表6)。這一點與東西伯利亞盆地截然不同，東西伯利亞盆地前寒武系烴源巖生成的油氣(25 330 MMboe)幾乎全部儲集于前寒武系—下寒武統(tǒng)。四川盆地雖未發(fā)育蒸發(fā)巖，但廣泛發(fā)育的泥頁巖構(gòu)成了有效的區(qū)域蓋層，從而形成了原生油氣藏。

3 成藏模式

東西伯利亞盆地、阿曼盆地和四川盆地油氣成藏特征的綜合分析表明前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣藏具有3種成藏模式：自生自儲、源儲相鄰近源和源儲相隔“遠”源成藏模式。

南阿曼鹽盆的鹽間碳酸鹽巖和硅質(zhì)沉積巖夾于蒸發(fā)巖間，油源對比表明鹽間油氣層的油氣就源自一同時代沉積的碳酸鹽巖烴源巖(圖5)，為自生自儲成藏模式。就鹽間碳酸鹽巖油氣藏而言，儲集層一般沉積于高能環(huán)境，烴源巖則沉積于低能環(huán)境。

圖4 東西伯利亞盆地里菲系地層、寒武系蒸發(fā)巖及油氣田分布

表6 阿曼盆地已發(fā)現(xiàn)油氣儲量

圖5 南阿曼鹽盆鹽間油氣藏自生自儲成藏模式

圖6 東西伯利亞盆地油氣成藏模式

生烴灶上傾方向的構(gòu)造高部位(古隆起和古斜坡)處于油氣運移的有利區(qū)，發(fā)現(xiàn)的油氣藏規(guī)模偏大，多以源儲相鄰的近源成藏模式聚集成藏(儲層為碳酸鹽巖)或者源儲相隔的“遠”源成藏模式聚集成藏(目標(biāo)層系或其相鄰層系發(fā)育碎屑巖輸導(dǎo)層)。位于東西伯利亞盆地拜基特臺背斜卡莫凸起之上的幾個大油氣田(如Yurubchen巨型油氣田，圖4)，該油氣聚集帶的主要含油氣層系是上里菲統(tǒng)，儲層為喀斯特碳酸鹽巖。油氣被區(qū)域展布的文德系碳酸鹽巖和寒武系蒸發(fā)巖所封堵，油源對比表明油氣源自下伏的里菲系烴源巖，表現(xiàn)為源儲相鄰的近源油氣成藏模式。此外，四川盆地德陽—安岳克拉通內(nèi)裂陷區(qū)發(fā)育的震旦系燈影組臺緣帶丘灘體緊鄰生烴中心，亦為近源成藏。寒武系龍王廟組位于烴源巖之上，油氣通過斷層和裂縫近距離垂向運移至儲層聚集成藏。

東西伯利亞盆地涅帕—鮑圖奧巴臺背斜發(fā)現(xiàn)的油氣主要源自其東南邊的前帕托姆坳陷的文德系烴源巖，坳陷內(nèi)烴源巖生成的油氣通過廣泛分布的文德系河流—三角洲—邊緣海砂巖和斷層運移至臺背斜東部的相關(guān)圈閉聚集成藏，油氣成藏表現(xiàn)為源儲相隔“遠”源成藏特征(圖6)。該成藏模式更適合于發(fā)育碎屑巖層系的前寒武系—下寒武統(tǒng)含油氣系統(tǒng)，原因在于遠源需要輸導(dǎo)層，砂體等可以構(gòu)成有效的輸導(dǎo)層，而前寒武系的微生物巖、灘壩相白云巖則不大可能形成廣泛分布的輸導(dǎo)體。

4 結(jié)論

(1)全球前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣藏油氣探明和控制儲量已達30 090 MMboe，東西伯利亞盆地，阿曼盆地和四川盆地分別占84.2%、8.9%和6.5%。

(2) 前寒武系—下寒武統(tǒng)烴源巖多廣布于構(gòu)造低部位，發(fā)育于同裂谷期(斷陷期)和裂后拗陷期；品質(zhì)一般的烴源巖可以貢獻規(guī)模儲量，在古老層系的油氣勘探中應(yīng)給予足夠重視。

(3)相控高能相帶碳酸鹽巖和碎屑巖是重要的儲集巖類型，早期白云巖化、表生淋濾作用和油氣早期充注是古老碳酸鹽巖儲集層發(fā)育的重要機制；深層和超深層古老層系的油氣大部分儲于碳酸鹽巖中。

(4)全球前寒武系—下寒武統(tǒng)原生油氣藏主要有3種成藏模式：自生自儲、源儲相鄰近源和源儲相隔“遠”源成藏模式。