渤海海域沙西北地區(qū)潛山油源及成藏特征

王 奇,郝 芳,徐長貴,韋阿娟,孫中恒,操義軍,鄒華耀

[1.中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,山東 青島 266580； 2.海洋國家實驗室 海洋礦物資源評價與探測技術(shù)功能實驗室，山東 青島 266071; 3.中國海洋石油有限公司 天津分公司,天津 300452；4.中國石油大學(xué)(北京) 油氣資源與探測國家重點實驗室,北京 102249]

渤海海域指渤海灣盆地現(xiàn)今的海域部分(圖1)，現(xiàn)今已發(fā)現(xiàn)的原油主要賦存于古近系與新近系中[1]，關(guān)于渤海海域潛山的油氣勘探尚未全面展開。冀東油田在南堡凹陷潛山地層油氣勘探取得了重大突破，自 2004 年于老堡南 1 井鉆遇奧陶系高產(chǎn)工業(yè)油氣流以來，近幾年累計有十多口井在下古生界中獲得工業(yè)油氣流，主要分布于南堡油田1號、2號和3號構(gòu)造帶[2]，展示了該區(qū)潛山良好的資源豐度與勘探潛力。渤海海域沙壘田凸起緊鄰南堡1號和2號潛山構(gòu)造帶(圖1)，在沙壘田凸起西部以及該凸起北部分別發(fā)現(xiàn)了曹妃甸1-6油田與曹妃甸2-1油氣田，鉆探井揭示潛山層位均有油氣的聚集。然而，研究區(qū)(沙壘田凸起西北地區(qū)，簡稱沙西北地區(qū)，圖1)在潛山油源以及成藏特征等方面尚未開展深入的研究。本次研究采集了潛山層位原油以及潛山儲層的壁心進行抽提，并完成了飽和烴的色譜質(zhì)譜以及單體烴碳同位素分析實驗，明確了潛山的油氣成因類型與來源，結(jié)合研究區(qū)的地質(zhì)條件淺析了兩類潛山油氣的富集特征并總結(jié)了沙西北地區(qū)潛山構(gòu)造可能的油氣藏富集模式。開展本次研究有助于厘清渤海海域沙西北地區(qū)潛山的油氣成藏規(guī)律，為下一步潛山油氣勘探提供借鑒意義。

圖1 渤海海域沙西北研究區(qū)(紅色虛線框)位置Fig.1 Location of Shaxibei area(marked in dotted red rectangle),Bohai Seaa.渤海灣盆地及海域；b.沙西北地區(qū)井位、剖面位置及潛山披覆地層

1 地質(zhì)背景

渤海海域沙西北構(gòu)造區(qū)泛指沙壘田凸起的西北部及周邊區(qū)域(圖1)，目前僅在曹妃甸2-1油田的碳酸鹽巖潛山儲層以及曹妃甸1-6油田的前寒武系花崗巖潛山儲層中發(fā)現(xiàn)油層。鉆井以及地震資料揭示，曹妃甸2-1油田奧陶系直接被沙一段覆蓋，向著沙壘田凸起逐漸被東三段或者館陶組覆蓋(圖1)，普遍缺少中生界—古近系，為長期繼承性發(fā)育的古隆起。CFD1-6-1井揭示了東營組直接披覆在花崗巖潛山地層之上。毗鄰沙壘田凸起西端的歧口凹陷發(fā)育了多套烴源巖層段，包括東營組三段(Ed3)、沙河街組一二段(沙一二段)以及沙三段(Es3)。由于沙一段與沙二段具有相似的沉積特征[3]，在本文中，沙一二段與沙一段(Es1)指相同的層段。在歧口凹陷這3套烴源巖均具有較高的質(zhì)量，尤其是沙三段烴源巖，在歧口凹陷有機質(zhì)豐度較高、類型好且排烴量大[4]，為周邊油氣成藏提供了充足的油源。沙壘田凸起的東北部為南堡凹陷，包括林雀次洼、柳南次洼和曹妃甸次洼等多個生烴洼陷，南堡1號和2號潛山原油主要來自沙二三段的烴源巖[2]。

2 樣品與實驗內(nèi)容

由于研究區(qū)已有的探井為日本公司承包而且完鉆年代早，CFD2-1油氣田也尚未開發(fā)，本次研究未能取到潛山儲層的原油樣品。鑒于此，查閱完井報告成果以及巖心庫井壁取心樣品的保存信息，本次研究挑選并采集了CFD2-1-2井奧陶系富熒光層段的壁心樣品2個來近似分析潛山原油成因特征，并采集了CFD1-6-1井的前寒武系原油樣品2個。對壁心抽提物與原油樣品進行族組分分離、飽和烴的色譜-質(zhì)譜實驗分析。2個原油、壁心抽提物樣品與12個不同層段的烴源巖樣品用于正構(gòu)烷烴的穩(wěn)定碳同位素分析研究。

3 原油成因類型與來源

3.1 飽和烴生物標志物特征

Hao等(2011)從沉積環(huán)境、有機質(zhì)來源與生產(chǎn)率等方面總結(jié)了渤海海域3套烴源巖的生標參數(shù)組合特征[4]，東營組烴源巖沉積時為偏氧化的沉積環(huán)境，具有高的陸源有機質(zhì)輸入，表現(xiàn)出相對高的Pr/Ph與C19/C23三環(huán)萜烷與C20/C23三環(huán)萜烷比值(圖2a，b)以及低4-甲基甾烷指數(shù)(簡稱4MSI，C304-甲基-24-乙基膽甾烷/∑C29規(guī)則甾烷)、長鏈三環(huán)萜參數(shù)ETR[(C28三環(huán)萜+C29三環(huán)萜)/(C28三環(huán)萜+C29三環(huán)萜+Ts)]與伽馬蠟烷指數(shù)(G/H，伽馬蠟烷/C30藿烷)。在渤海海域高的C19/C23三環(huán)萜烷與C20/C23三環(huán)萜烷比值通常指示著高的陸源有機質(zhì)輸入[4]。在渤海海域，ETR參數(shù)與Pr/Ph近似呈負相關(guān)的關(guān)系(圖2c)，表明ETR也是有效反映沉積環(huán)境的參數(shù)之一，相對堿性還原環(huán)境中形成的烴源巖具有相對高ETR參數(shù)值[4]，沙一段烴源巖具有相對高的ETR值。伽馬蠟烷指數(shù)與4-甲基甾烷指數(shù)是在渤海灣盆地有效地區(qū)別沙三段與沙一段油源的重要飽和烴生標參數(shù)，沙三段烴源巖沉積時水體偏微咸水，渤海藻與副渤海藻發(fā)育[5]，具有相對高的4MSI值。而沙一段沉積時為咸化、強還原的環(huán)境，具有穩(wěn)定的水體分層[4]，較高的G/H通常指示著水體分層的存在[6]。與沙三段的源巖相比，沙一段的源巖具有相對高的G/H以及相對低的4MSI值(圖2d)。

從圖2中可以看出，無論是曹妃甸2-1潛山儲層的抽提物還是曹妃甸1-6潛山的原油，其生標參數(shù)特征與東營組烴源巖差別顯著(圖2a,b)，具有低的Pr/Ph,C19/C23三環(huán)萜烷與C20/C23三環(huán)萜烷比值，這表明東營組的成藏貢獻可能有限或者無貢獻。CFD2-1-2井潛山儲層的壁心抽提物具有極低的C19/C23三環(huán)萜烷與C20/C23三環(huán)萜烷比值(圖2a)，相對高的ETR(>0.6)與G/H(>0.3)以及相對低的4MSI(<0.15;圖2c，d)，這種生標參數(shù)組合特征整體與渤海海域沙一段的烴源巖具有相似性，說明了CFD2-1-2井潛山儲層的抽提物主要為沙一段的油源。對比之下，CFD1-6-1井潛山的原油表現(xiàn)出相對高Pr/Ph,C19/C23三環(huán)萜烷與C20/C23三環(huán)萜烷比值(圖2a,b)，在渤海海域沙三段烴源巖較沙一段烴源巖具有相對高的Pr/Ph，C19/C23三環(huán)萜烷與C20/C23三環(huán)萜烷的比值[7]。在圖2d中，CFD1-6-1潛山的原油具有相對高4MSI(>0.4)以及中等的G/H(圖2d)，這種生標參數(shù)特征既不符合沙一段源巖特征也與沙三段的源巖有一定的差異，可能揭示曹妃甸1-6潛山的原油為以沙三段油源為主的混源油特征。

3.2 單體烴碳同位素分布

圖2 渤海海域沙西北地區(qū)CFD2-1-2井潛山抽提物與CFD1-6-1井潛山原油飽和烴參數(shù)交匯圖(渤海海域烴源巖生標參數(shù)引自文獻[4]) Fig.2 Cross plot of saturate hydrocarbon parameters for CFD2-1-2 buried hill extracts and CFD1-6-1 oil samples in Shaxibei area,Bohai Sea (biomarker parameters of source rock samples are after reference[4])a. 姥鮫烷/植烷與C19/C23三環(huán)萜;b. C19/C23三環(huán)萜與C20/C23三環(huán)萜;c. 姥鮫烷/植烷與長鏈三環(huán)萜比值(ETR);d. 伽馬蠟烷/C30藿烷與4-甲基甾烷指數(shù)

單體烴碳同位素能從分子級別反映單個化合物的來源，較之于全油和族組分碳同位素具有更明顯的優(yōu)越性，已廣泛應(yīng)用于油源識別[8-9]、混源定性與定量分析[10]等油氣勘探實踐中。沙西北研究區(qū)的東北部南堡潛山鉆探了工業(yè)性的油氣，李素梅等研究發(fā)現(xiàn)南堡潛山原油的碳同位素值分布隨著碳數(shù)的增加而遞減，而且碳同位素值整體重于-29‰，與奧陶系潛山披覆接觸的沙三段烴源巖碳同位素特征相似，印證了潛山的油來源于沙二三段的烴源巖[11]。

本次研究選取了渤海海域曹妃甸2-1構(gòu)造的井與歧口凹陷周邊QK18-1-1井和QK18-2-1井的12個不同烴源巖層段的烴源巖用于單體烴的碳同位素分析。實驗結(jié)果表明，盡管沙三段與沙一段烴源巖的單體烴碳同位素值具有較多的重合區(qū)(圖3a)，這可能受到了烴源巖非均質(zhì)性的影響。但沙三段的烴源巖碳同位素值整體偏重，而沙一段源巖(尤其是東營組)的單體烴碳同位素值整體偏輕。而且在渤海海域秦南凹陷也存在沙三段源巖抽提物的碳同位素值整體重于沙一段的烴源巖的特征[12]，故不同烴源巖層段生成的原油碳同位素值分布可能是有差異的。圖3b為CFD2-1-2井潛山儲層抽提物與CFD1-6-1井油樣的單體烴碳同位素分布圖，南堡的潛山的原油碳同位素特征[11]用于對比分析?？梢钥闯?，CFD1-6-1井原油樣品的正構(gòu)烷烴碳同位素值分布整體要重于CFD2-1-2的抽提物，CFD1-6-1井原油碳同位素分布特征與南堡潛山的沙二三段成因來源的原油相似。參照烴源巖的單體烴碳同位素值分布(圖3b)可以推知，CFD1-6-1井原油可能主要為來源于沙三段烴源巖，沙一段烴源巖也有貢獻。而CFD2-1-2井奧陶系潛山儲層的抽提物烷烴同位素相對輕，輕于-29‰(圖3a)，可能主要為沙一段的油源。這說明，單體烴碳同位素的分析結(jié)果與基于生物標志物分析的油源結(jié)論是相吻合的，即曹妃甸2-1油田碳酸鹽巖潛山的原油為沙一段油源，而曹妃甸1-6油田花崗巖潛山儲層的原油則為以沙三段油源為主的混源油。

圖3 渤海海域沙西北研究區(qū)單體烴碳同位素分布特征Fig.3 Distribution characteristics of carbon isotopes of n-alkanes from source rocks in Shaxibei area, Bohai Seaa.烴源巖;b.原油(南堡潛山原油數(shù)據(jù)引自文獻[11])

4 碳酸鹽巖風(fēng)化殼及儲層特征

巖溶古地貌對古風(fēng)化殼潛山巖溶儲層的發(fā)育與分布有重要控制作用，南堡凹陷及鄰區(qū)下古生界碳酸鹽巖遭受了加里東晚期—海西期、印支期以及燕山期多期暴露巖溶，但早期形成的縫洞基本被充填。南堡1號和2號構(gòu)造下古生界碳酸鹽巖潛山巖溶儲層主要是喜馬拉雅期暴露大氣淡水溶蝕作用形成[13]，而且古地貌處于巖溶斜坡，故縫洞較為發(fā)育。

在沙西北研究區(qū)，曹妃甸2-1油田鉆井揭示了奧陶系馬家溝組的油層。本次研究詳細觀察了取心井CFD2-1-2的巖心，奧陶系馬家溝組巖性主要為泥粉晶白云巖。基于巖心與薄片觀察，可以將曹妃甸2-1潛山風(fēng)化殼結(jié)構(gòu)分為潛山上部的巖溶殘積層和溶蝕帶兩部分，垂直滲濾帶和水平潛流帶難以識別。潛山頂部發(fā)育著一套巖溶殘積層，不規(guī)則的角礫大小混雜，并且完全被膠結(jié)(圖4a,b)。殘積層之下的溶蝕帶層段巖性主要為泥晶白云巖，局部發(fā)育細晶白云巖，泥晶白云巖段裂縫基本被充填(圖4d,e)。溶蝕帶的裂縫整體不發(fā)育，且其滲透性和孔隙度普遍比較差，可能難以作為有效儲層。在細晶白云巖層段，由于其脆性大，裂縫較發(fā)育，但也基本被方解石充填，僅在局部可見未被充填的孔洞(圖4c,f)。在沙西北鄰區(qū)的南堡構(gòu)造帶也類似，南堡潛山的巖溶發(fā)育以及高產(chǎn)的油氣井總體沿次一級的斷裂分布[14]，靠近斷裂，儲層裂縫密度大[15]，這說明斷裂在一定程度上促進了裂縫的發(fā)育進而改善了巖溶條件。然而，由于喜馬拉雅期前產(chǎn)生的裂縫多已被充填，巖溶也是局部發(fā)育，因此推知南堡凹陷以及沙西北地區(qū)的不整合可能不具備長距離輸導(dǎo)油氣的能力。沙西北研究區(qū)曹妃甸2-1潛山為次級巖溶高地古地貌，并且發(fā)育了殘積層，巖溶改造程度弱，可能局部發(fā)育潛山內(nèi)幕儲層，如在CFD2-1-2井下馬家溝組的細晶白云巖段。

圖4 渤海海域 CFD2-1-2井碳酸鹽巖風(fēng)化殼發(fā)育特征Fig.4 Characteristics of carbonate weathered crust in Well CFD2-1-2, Bohai Seaa.風(fēng)化殼角礫灰?guī)r，裂縫被方解石完全充填，埋深3 442.4 m;b.泥晶白云巖，網(wǎng)狀裂縫被充填，埋深3 447.4 m;c.粉晶白云巖，順裂縫發(fā)育溶孔，埋深3 706.15 m;d.泥晶白云巖，裂縫被石英充填，埋深3 447.4 m;e.泥晶灰?guī)r，裂隙基本被方解石充填，埋深3 706.4 m;f.泥晶白云巖，裂縫部分被方解石充填，埋深3 709.3 m

5 潛山油氣成藏模式

5.1 碳酸鹽巖潛山-源巖直接披覆油氣成藏模式

南堡凹陷生烴次凹發(fā)育沙河街組與東營組多套烴源巖，而南堡1號和2號潛山構(gòu)造帶奧陶系碳酸鹽巖潛山儲層接觸沙二+沙三段成熟烴源巖，烴源巖所生油氣可以直接下排或通過斷層的源儲側(cè)向?qū)庸N[2]。因此，與潛山直接披覆接觸的有效烴源巖是潛山油氣成藏的基礎(chǔ)。在渤海海域曹妃甸2-1構(gòu)造區(qū)潛山地層直接披覆沙河街一段烴源巖。參考渤海海域烴源巖深度與鏡質(zhì)體反射率的關(guān)系[16]，可知曹妃甸2-1潛山上覆的沙河街組一段烴源巖處于成熟生油期(對應(yīng)的Ro>0.7%，圖5)，潛山地層上覆沙一段既作為烴源層段有利于油氣充注側(cè)向直接充注至潛山圈閉中，又可作為了良好的蓋層阻止?jié)撋降挠蜌馍⑹А?/p>

流體包裹體記錄了油氣成藏過程中流體的充注信息，本次研究分析了曹妃甸2-1奧陶系潛山頂部沙一段碳酸鹽巖儲層中的流體包裹體特征。通過流體包裹體的熒光，觀察發(fā)現(xiàn)在灰?guī)r與白云巖儲層中均存在大量的油包裹體與鹽水包裹體，油包裹體發(fā)強烈的藍白色熒光，主要分布在方解石顆粒中，產(chǎn)狀主要是沿著方解石的解理縫、生物碎屑的內(nèi)邊緣分布(圖6)。與石油包裹體伴生的鹽水包裹體顯微測溫結(jié)果揭示包裹體均一化溫度位于110～180 ℃，主峰位于150～170 ℃(圖7)。

結(jié)合單井熱埋藏史圖與流體包裹體均一化溫度分布可知，儲層流體包裹體的均一化溫度與對應(yīng)深度現(xiàn)今溫度相近，甚至高于背景溫度，這表明油氣可能主要是晚期充注[16]，對應(yīng)充注時期可能晚于3.0 Ma(圖7)，現(xiàn)今仍可能在充注。這種充注特征可能主要與烴源巖熱演化生烴有關(guān)。參照前人對渤海海域生烴灶熱演化的研究成果[17]，沙西北地區(qū)沙一段的烴源巖在5.1 Ma時期普遍處于低成熟熱演化階段，但現(xiàn)今已處于普遍處于成熟生油階段，表明沙一段烴源巖生成的油氣主要在5.1～0 Ma期間充注運移，這與以上油氣充注的研究結(jié)論是相吻合的。

綜合油源對比結(jié)論(潛山儲層抽提物為沙一段的油源)以及與烴源巖披覆接觸的碳酸鹽巖儲層中油氣充注時間可知，曹妃甸2-1油田碳酸鹽巖潛山儲層中油藏為新生古儲的近源成藏模式。

圖5 渤海海域曹妃甸2-1油田油氣成藏模式(剖面位置見圖1b)Fig.5 Petroleum accumulation model for the CFD2-1 oil field(section location is listed in Fig.1b)

圖6 渤海海域CFD2-1-2井碳酸鹽巖儲層中包裹體顯微照片F(xiàn)ig.6 Photomicrographs of the inclusions observed in carbonate reservoir from Well CFD2-1-2, Bohai Seaa.透射光，埋深3 443.05 m；b.熒光，室溫觀察，埋深3 443.05 m

圖7 渤海海域CFD2-1-2井熱埋藏史(a)與油包裹體伴生的鹽水包裹體的均一化溫度分布(b)Fig.7 Thermal burial history of Well CFD2-1-2 and the homogeneous temperature distribution for aqueous inclusions concomitant with oil inclusions,Bohai Sea

5.2 花崗巖潛山-油源側(cè)向輸導(dǎo)成藏模式

曹妃甸1-6油田位于歧口凹陷的西側(cè)，緊鄰歧口凹陷的邊界斷層。其儲層的巖性為前寒武系的花崗巖，上覆地層為東營組致密的泥巖。但東營組泥巖的有機質(zhì)豐度低，有機質(zhì)類型差(圖8)，而且凸起之上泥巖埋深小于3 000 m，按現(xiàn)今的地溫梯度可推知處于未成熟演化階段[16]，故直接覆蓋的東營組泥巖可能并非有效的烴源巖，主要作為蓋層。生標參數(shù)揭示潛山的原油具有相對高4MSI以及中等的G/H(圖2)，為以沙三段為主的混源油。

CFD1-6控藏斷層在剖面上為鏟式正斷層(圖9a)，上陡下緩。根據(jù)不同測線方向的對比斷層活動歷史可知，該斷距最大出現(xiàn)在東營組，最大可達300 m；館陶組、明化鎮(zhèn)組沉積以來斷距非常小，不足50 m。僅此可推知CFD1-6控藏斷層可能主要在東營組活動，考慮到研究區(qū)凸起之上的沙河街組已被剝蝕，因其無法通過地層斷距分析沙河街組是否開始活動，所以本研究不能判定該條斷層僅在東營組強烈活動，或許在沙河街組強烈活動，只是沒有在地層斷距上留下地層斷距記錄。盡管如此，從控藏斷層的斷距分布特征可以推知，東營組末期以來斷層活動強度相對低，潛山圈閉可能在東營組末期已定型。

圖9 渤海海域曹妃甸1-6油田油氣成藏模式(剖面位置見圖1b)Fig.9 Petroleum accumulation model of the CFD1-6 oil field,Bohai Sea(section location is listed in figure 1b)a.過歧口凹陷地質(zhì)剖面;b.過歧口凹陷地震剖面

從切過歧口凹陷的地質(zhì)剖面上看(圖9a)，沙河街組的烴源巖現(xiàn)今已成熟生油氣(烴源巖成熟度對應(yīng)的Ro高于0.7，剖面上所標定的Ro值參考文獻[16])。盡管在研究區(qū)鉆井并未采集CFD1-6-1潛山儲層的巖樣，但基于與CFD1-6潛山接觸的地層分布以及歧口凹陷沙三段烴源巖熱演化特征[18]以及圈閉的形成時期可推知，CFD1-6潛山儲層的油氣可能在充注成藏期在東營組沉積末期。

在地震剖面上，靠近邊界斷層可以識別較為明顯的砂體分布，同相軸上表現(xiàn)為空白的弱振幅或者雜亂的反射特征(圖9b)，砂體與歧口凹陷的沙河街組烴源巖配置良好，有利于歧口凹陷生成的油氣側(cè)向充注到凸起之上的花崗巖潛山圈閉中。而且靠近邊界斷裂，晚期斷裂活動還可能有利于花崗石潛山風(fēng)化殼形成裂縫進而改善儲集條件。因此，曹妃甸1-6花崗巖潛山原油表現(xiàn)為近源多源的側(cè)向油氣輸導(dǎo)成藏模式。

6 結(jié)論

1) CFD2-1-2井潛山儲層的抽提物為沙一段的油源，對應(yīng)的油氣充注時間晚于5.1 Ma；CFD1-6-1井潛山原油以沙三段油源為主的沙河街組混原油，油氣充注期可能為東營組沉積末期。

2) 沙西北地區(qū)碳酸鹽巖潛山不整合可能不具備長距離輸導(dǎo)油氣的能力，與潛山直接披覆接觸的有效烴源巖是碳酸鹽巖潛山油氣成藏的基礎(chǔ)。優(yōu)質(zhì)儲層的發(fā)育與斷裂關(guān)系密切，靠近斷裂的潛山可能發(fā)育層間巖溶，因此在距離次一級斷裂較近并且分布成熟烴源巖的潛山圈閉可能具有較好的勘探潛力。

3) 沙壘田凸起之上的東營組泥巖可作花崗巖儲層的有效蓋層，毗鄰邊界斷層的歧口凹陷斜坡砂體較為發(fā)育，砂體側(cè)向溝通了歧口凹陷的油源，有利于油氣向潛山運移充注。