勝北構(gòu)造帶致密氣成藏機(jī)理及富集規(guī)律

劉俊田，謝佃和，彭亞中，靳繼坤，孫玉峰，李興亮

(中國(guó)石油吐哈油田分公司，新疆 哈密 839009)

0 引 言

勝北洼陷位于吐哈盆地臺(tái)北凹陷西部，圍繞洼陷周緣，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了葡北、神泉、吐魯番等多個(gè)油氣田[1-3]。洼陷腹地勝北構(gòu)造帶鉆探多口井，在中侏羅統(tǒng)西山窯組、三間房組、上侏羅統(tǒng)喀拉扎組及白堊系獲得低產(chǎn)油氣流[4-5]，隨著水平井和體積壓裂提產(chǎn)技術(shù)的應(yīng)用，勝北構(gòu)造帶在中侏羅統(tǒng)陸續(xù)獲得重大突破，勝北2號(hào)構(gòu)造鉆探的勝北502H、勝北503H井獲得高產(chǎn)油氣流。從勝北已鉆井試采結(jié)果可知，均具有自然無(wú)產(chǎn)能、直井改造低產(chǎn)、異常高壓的特點(diǎn)，油氣分布普遍具有“上油下氣”的規(guī)律。前人研究認(rèn)為，七克臺(tái)組以下地層中的油氣來(lái)自中—下侏羅統(tǒng)水西溝群煤系烴源巖，七克臺(tái)組以上的淺層油氣來(lái)自七克臺(tái)組湖相泥巖烴源巖，燕山期末，構(gòu)造運(yùn)動(dòng)促使原油通過(guò)斷裂向淺層運(yùn)移聚集成藏[6-7]。上述研究成果對(duì)勝北洼陷中侏羅統(tǒng)致密氣分布規(guī)律及勘探方向的優(yōu)選具有重要作用，但對(duì)于烴源巖的平面展布、斷裂平面分布、成藏期次、成藏過(guò)程等關(guān)鍵性問(wèn)題的研究還不夠深入，為此，文中通過(guò)對(duì)研究區(qū)烴源巖特征、斷裂組合、儲(chǔ)層流體包裹體特征、包裹體均一溫度分布方面的剖析，系統(tǒng)開展油氣充注、成藏期次及成藏過(guò)程研究，明確油氣富集規(guī)律，以期指導(dǎo)勝北洼陷中侏羅統(tǒng)致密氣的勘探部署。

1 石油地質(zhì)條件

1.1 構(gòu)造特征

勝北構(gòu)造帶位于勝北洼陷腹地，為一復(fù)式低幅度背斜構(gòu)造帶。構(gòu)造帶開始形成于侏羅紀(jì)末，受控于中—侏羅統(tǒng)發(fā)育的自南向北的滑脫構(gòu)造，滑脫構(gòu)造在東西方向上被分為4段，各段的滑脫距離因存在差異而產(chǎn)生一系列南北向的平移斷層，平移斷層具有垂向斷距較小、斷面傾角大、平面延伸長(zhǎng)、縱向切割深度大的特點(diǎn)。斷層在構(gòu)造南翼斷距小，在北翼增大。由滑脫相關(guān)背斜構(gòu)造和依附平移斷裂形成的背斜、斷背斜等構(gòu)造組成了勝北構(gòu)造帶?；撔纬傻南嚓P(guān)構(gòu)造一般為比較完整的背斜，受南北向平移斷層的控制，勝北構(gòu)造帶自西向東依次發(fā)育勝北1～4號(hào)構(gòu)造(圖1)，其中，勝北背斜構(gòu)造帶東北部的勝北3、4號(hào)構(gòu)造主要由勝北3、4號(hào)平移斷裂控制；勝北背斜構(gòu)造帶西南部的勝北1、2號(hào)背斜主要受控于勝北1、2號(hào)平移斷層，在中侏羅統(tǒng)形成斷層轉(zhuǎn)折背斜，在上侏羅統(tǒng)形成斷層傳播背斜；構(gòu)造形成于燕山期，定型于喜馬拉雅期。

圖1 勝北構(gòu)造帶構(gòu)造位置及斷裂分布(三間房組頂部構(gòu)造)Fig.1 The structural location and fault distribution of Shengbei structural zone (top structure of Sanjianfang Formation)

雖然平移斷層斷距小，但均切穿侏羅系水西溝群煤系烴源巖及其以上所有地層，是油氣垂向運(yùn)移的主要通道，下部地層生成的油氣縱向沿?cái)鄬酉蛏线\(yùn)移，利于淺層油氣藏的形成。同時(shí)，平移斷層既可作為油氣垂向運(yùn)移的通道，也能形成局部圈閉的橫向封堵條件，伴生裂縫能夠改善儲(chǔ)層物性。受燕山期和喜山期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的影響，勝北構(gòu)造帶表現(xiàn)為“東西分塊”的特點(diǎn)。構(gòu)造主要依附于南北向平移斷層，侏羅系構(gòu)造以斷鼻、斷背斜構(gòu)造為主，淺層構(gòu)造多為背斜構(gòu)造。

1.2 烴源巖特征

勝北洼陷侏羅系發(fā)育2套烴源巖，分別為中—下侏羅統(tǒng)水西溝群煤系烴源巖和中侏羅統(tǒng)七克臺(tái)組烴源巖。下侏羅統(tǒng)八道灣組暗色泥巖沉積中心在洼陷東北，厚度最大可達(dá)600 m，鏡質(zhì)組反射率(Ro)大于1.30%；中侏羅統(tǒng)西山窯組暗色泥巖在勝北洼陷中心厚度可達(dá)500 m，Ro大于1.00%；中侏羅統(tǒng)七克臺(tái)組湖相暗色泥巖在洼陷北部最發(fā)育，最大厚度可達(dá)300 m以上，Ro大于0.70%(圖2)。油氣源對(duì)比分析認(rèn)為，該區(qū)天然氣主要為干酪根初次裂解氣，勝北構(gòu)造帶上侏羅統(tǒng)、白堊系油氣主要來(lái)自于中侏羅統(tǒng)七克臺(tái)組，少量來(lái)自于中—下侏羅統(tǒng)水西溝群煤系烴源巖，而中侏羅統(tǒng)七克臺(tái)組、三間房組油氣主要來(lái)自于勝北洼陷中—下侏羅統(tǒng)水西溝群煤系烴源巖。

圖2 勝北洼陷不同層系烴源巖厚度與Ro疊合圖Fig.2 The superposition diagram of hydrocarbon source rock thickness and Ro in different strata in Shengbei Sag

實(shí)驗(yàn)分析表明，勝北洼陷七克臺(tái)組泥巖總有機(jī)碳含量為0.07%～3.15%，平均為0.59%，生烴潛量為0.01～4.72 mg/g，平均為0.92 mg/g；中—下侏羅統(tǒng)水西溝群煤系泥巖總有機(jī)碳含量相對(duì)較高，其中，西山窯組泥巖總有機(jī)碳含量為0.06%～5.58%，平均為1.14%，生烴潛量為0.02～2.73 mg/g，平均為0.99 mg/g；八道灣泥巖總有機(jī)碳含量平均為0.98%，生烴潛量平均為1.93 mg/g。七克臺(tái)組湖相泥巖Ro為0.50%～1.00%，西山窯組烴源巖Ro為1.00%～1.20%，八道灣組烴源巖Ro均高于0.70%。勝北洼陷沉積中心位于東北區(qū)，烴源巖處于低熟—成熟階段，南部斜坡區(qū)有機(jī)質(zhì)演化程度整體較低。

1.3 沉積及儲(chǔ)層特征

勝北構(gòu)造帶中侏羅統(tǒng)主要發(fā)育西物源辮狀河三角洲水下分流河道沉積[8]，砂層厚度大，砂地比高，以中厚層礫狀砂巖、含礫砂巖夾灰色—深灰色泥巖為主，孔隙度為4.0%～10.7%，主要集中在6.0%～8.0%，滲透率為0.05～13.95 mD，主要集中在0.10～0.50 mD，為低孔特低滲儲(chǔ)層。中、粗砂巖發(fā)育，剛性顆粒含量高，砂體抗壓實(shí)能力較強(qiáng)，深埋區(qū)可形成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層，成巖演化階段屬于中成巖A期，壓實(shí)作用為主，點(diǎn)-線接觸，儲(chǔ)集空間以剩余粒間孔、粒間溶蝕孔為主，微裂縫發(fā)育；高嶺石、綠泥石普遍發(fā)育。酸性成巖環(huán)境下，儲(chǔ)集空間類型發(fā)育溶蝕孔及微裂縫以及少量剩余原生粒間孔，孔喉半徑多小于0.4 μm，以細(xì)微孔喉為主。

1.4 成藏特征

勝北洼陷中侏羅統(tǒng)油氣藏類型為下生上儲(chǔ)、近源成藏型致密砂巖凝析氣藏。七克臺(tái)組砂體平面分布不連續(xù)，縱向疊置，以粉細(xì)砂巖為主；三間房組砂體廣泛發(fā)育，以細(xì)砂巖、砂礫巖為主，多期辮狀河三角洲河道砂疊置，呈朵葉狀分布，氣藏埋深為3 950～4 650 m，氣層厚度為8～30 m，孔隙度以6.0%～8.0%為主，滲透率以0.10～1.00 mD為主。細(xì)砂巖物性最好，粉砂巖和砂礫巖次之。氣藏中凝析油含量高，原油密度為0.788～0.798 g/cm3，黏度為1.2～8.1 mPa·s (30 ℃)，含氣飽和度為48%～52%，油層溫度為126.3 ℃，氣藏溫度為120.0～130.0 ℃，地層壓力為53.4 MPa，壓力系數(shù)為1.37，屬于正常溫度異常高壓系統(tǒng)。試采結(jié)果揭示，中侏羅統(tǒng)勝北洼陷表現(xiàn)為“滿洼含氣、甜點(diǎn)富集”的特點(diǎn)，油氣水同出、無(wú)明顯氣水界面，縱向油水分異不明顯特征，砂體控藏、物性控制富集程度，構(gòu)造控制作用不明顯。勝北洼陷中侏羅統(tǒng)油氣藏總體表現(xiàn)為“先致密后成藏”的特點(diǎn)。

2 油氣成藏期次

選取勝北構(gòu)造帶36塊中侏羅儲(chǔ)層砂巖薄片樣品，利用流體包裹體顯微測(cè)試技術(shù)，開展流體包裹體類型、產(chǎn)狀、形態(tài)、大小、均一溫度、熒光特征研究，結(jié)合地層埋藏史、熱演化史和烴源巖成熟史模擬結(jié)果，分析該區(qū)油氣充注時(shí)間和成藏期次[9-10]。

2.1 中侏羅統(tǒng)儲(chǔ)層流體包裹體特征

中侏羅統(tǒng)包裹體顯微巖相學(xué)特征觀測(cè)結(jié)果表明，巖性主要為砂巖，少量礫巖、碳酸鹽巖脈體。包裹體宿主礦物主要為石英，根據(jù)流體包裹體的相態(tài)及流體成分特征可知，研究區(qū)包裹體主要為純油相包裹體，顏色均一，鏡下發(fā)藍(lán)色熒光(圖3a中①)、氣液兩相油包裹體(圖3b中②)、含烴鹽水包裹體(圖3b中③)、純水液相包裹體，熒光下不發(fā)光(圖3c中④)、以及呈褐黑色純氣相包裹體(圖3d中⑤)。

透射光和熒光薄片顯微觀察顯示，成巖階段所捕獲的油氣和鹽水包裹體主要分布在石英顆粒內(nèi)裂紋、穿石英顆粒內(nèi)裂紋、碳酸鹽巖膠結(jié)物中(圖4)，包裹體形態(tài)多樣，呈圓形、橢圓形、長(zhǎng)條形、三角形以及不規(guī)則形狀等。大小一般為2～7 μm，以條帶狀和散點(diǎn)狀成群分布。油包裹體的鏡下熒光顏色主要為藍(lán)綠色與黃色2種(圖5)，表明研究區(qū)可能至少存在2期原油充注。

2.2 流體包裹體均一溫度分布

鹽水包裹體分期依據(jù)：具有相同產(chǎn)狀和相似氣液比流體包裹體組合；相似產(chǎn)狀和相似氣液比包裹體內(nèi)部的均一溫度大致按15 ℃間隔分期。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，勝北構(gòu)造帶成巖礦物中主要捕獲了5世代的油包裹體和含烴鹽水包裹體以及6世代鹽水包裹體，其中，油包裹體的均一溫度范圍主要為40～55 ℃、55～70 ℃、70～85 ℃、85～100 ℃；與油包裹體伴生鹽水包裹體的均一溫度范圍主要為85～100 ℃、100～115 ℃、115～130 ℃；鹽水包裹體均一溫度范圍主要為：85～100 ℃、100～115 ℃、115～130 ℃、130～145 ℃。

圖3 勝北構(gòu)造帶中侏羅統(tǒng)儲(chǔ)層包裹體類型Fig.3 The types of Middle Jurassic reservoir inclusions in Shengbei Structural Zone

圖4 勝北構(gòu)造帶中侏羅統(tǒng)儲(chǔ)層包裹體產(chǎn)狀Fig.4 The occurrence of Middle Jurassic reservoir inclusions in Shengbei Structural Zone

圖5 勝北構(gòu)造帶中侏羅統(tǒng)儲(chǔ)層包裹體分布形式與熒光顏色Fig.5 The distribution form and fluorescence color of Middle Jurassic reservoir inclusions in Shengbei Structural Zone

2.3 流體包裹體均一溫度確定油氣成藏期次

烴類包裹體在捕獲后發(fā)生的化學(xué)變化會(huì)造成均一溫度的改變，但鹽水包裹體的均一溫度變化相對(duì)小一些。因此，與油包裹體同期的鹽水包裹體可更好地反演古流體被捕獲時(shí)的溫度。將與各充注幕次烴類包裹體共生的(含烴)鹽水包裹體均一溫度投影到標(biāo)注古地溫的埋藏史圖中，即可獲取該幕次烴類包裹體的充注時(shí)間；再將各充注年齡標(biāo)注到同一時(shí)間軸上，不僅可以消除埋深的影響，而且能夠確定不同井或同一井不同深度油氣成藏期次的劃分和時(shí)期[11-23]。據(jù)此，將4口井同期鹽水包裹體均一溫度投到各自的埋藏史-熱史圖上，獲得各測(cè)試點(diǎn)各期次的充注時(shí)間，并以此確定其成藏期次和成藏時(shí)期。

如圖6所示，研究區(qū)油氣充注時(shí)間分布在150～90 Ma(晚侏羅世—早白堊世)與30～2 Ma(新近紀(jì)—第四紀(jì))，將這些年齡值再投影到統(tǒng)一的地質(zhì)時(shí)間軸上，就可以對(duì)這些樣品檢測(cè)到的油氣進(jìn)行統(tǒng)一分期，確定成藏時(shí)間和期次(圖7)，勝北構(gòu)造帶主要有2期油氣成藏期，分別為晚侏羅世—早白堊世和新近紀(jì)—第四紀(jì)。

圖6 勝北構(gòu)造帶基于熱史恢復(fù)利用包裹體均一溫度確定油氣充注時(shí)期Fig.6 The determination of oil and gas filling period based on thermal history restoration in Shengbei Structural Zone using inclusion homogenization temperature

2.4 成藏要素組合法確定油氣成藏期次

基于構(gòu)造運(yùn)動(dòng)演化和生、儲(chǔ)、蓋組合，利用盆地模擬軟件恢復(fù)了主力烴源巖生排烴史，構(gòu)建了勝北構(gòu)造帶含油氣系統(tǒng)事件圖，進(jìn)一步明確了洼陷腹地油氣成藏期次(圖8)。

圖7 三間房組鹽水包裹體方法確定油氣充注期次和成藏時(shí)期事件Fig.7 The determination of oil and gas filling stage and accumulation period events by the method of saltwater inclusions in the Sanjianfang Formation

圖8 勝北洼陷腹地油氣成藏事件Fig.8 The oil and gas accumulation events in the hinterland of Shengbei Sag

勝北洼陷發(fā)育烴源巖主要包括中—下侏羅統(tǒng)水西溝群煤系源巖和七克臺(tái)組湖相泥巖。烴源巖熱演化史模擬表明，勝北洼陷水西溝群煤系源巖在中侏羅世中期三間房組沉積期開始生烴，在晚侏羅世末達(dá)到生烴高峰，晚白堊世至古近紀(jì)生烴活動(dòng)幾近停滯，新近紀(jì)至今，由于上覆地層持續(xù)沉積，生烴活動(dòng)逐漸恢復(fù)。七克臺(tái)組湖相泥巖在晚侏羅世開始生烴，晚白堊世至古近紀(jì)生烴活動(dòng)逐漸減弱，新近紀(jì)至今，生烴活動(dòng)逐漸恢復(fù)，達(dá)到最高。與生烴活動(dòng)相對(duì)應(yīng)，烴源巖排烴也呈現(xiàn)類似演化趨勢(shì)。

研究表明，勝北構(gòu)造帶水西溝群烴源巖有早晚2次生排烴，分別在晚侏羅—早白堊世和新近紀(jì)，七克臺(tái)組湖相泥巖生排烴期以新近紀(jì)為主。在主要烴源巖的生排烴到來(lái)之前，該區(qū)已發(fā)育良好的圈閉和蓋層條件，可以捕獲油氣，聚集成藏。因此，存在2個(gè)油氣成藏關(guān)鍵期，第1期與水西溝群烴源巖第1次生排烴高峰期相對(duì)應(yīng)，介于晚侏羅世—早白堊世，第2期與水西溝群烴源巖第2次生排烴高峰期和七克臺(tái)組主生排烴期對(duì)應(yīng)，始于新近紀(jì)。

3 油氣成藏過(guò)程及影響因素

結(jié)合上述研究分析，研究區(qū)第1期成藏時(shí)期為中侏羅世晚期至早白堊世，在此期間，勝北洼陷區(qū)水西溝群烴源巖生成的油氣在原地聚集成藏，形成“自生自儲(chǔ)”式油氣藏，同時(shí)還可以通過(guò)油源斷裂，向上運(yùn)移至七克臺(tái)組和喀拉扎組聚集成藏，形成“下生上儲(chǔ)”式油氣藏；此外，來(lái)自洼陷北部深埋的高熟油氣可沿著侏羅系地層側(cè)向二次運(yùn)移至洼陷區(qū)，通過(guò)斷裂進(jìn)入上部地層聚集成藏，最終可形成“下生上儲(chǔ)”式油氣藏。同樣地，勝北洼陷區(qū)低熟七克臺(tái)組湖相泥巖生成原油可與來(lái)自水西溝群原油混合，在七克臺(tái)組內(nèi)部砂巖儲(chǔ)層聚集成藏，形成“自生自儲(chǔ)”式油藏，同時(shí)也可以沿著斷裂向上運(yùn)移至上侏羅統(tǒng)喀拉扎組聚集成藏，該類原油與來(lái)自水西溝群的原油混合形成“下生上儲(chǔ)”式混源油氣藏(圖9)。由于此時(shí)七克臺(tái)組湖相泥巖演化程度較低，油氣生成量相對(duì)有限，其混入比例可能相對(duì)較低。

圖9 勝北洼陷油氣藏成藏模式(剖面位置見圖1)Fig.9 The accumulation model of oil and gas reservoirs in Shengbei Sag (see Fig. 1 for the section position)

第2期成藏時(shí)期主要在新近紀(jì)，在此期間，勝北洼陷油氣成藏大體繼承了早期油氣運(yùn)聚格局。洼陷區(qū)早期聚集油氣可沿著斷裂向上進(jìn)一步運(yùn)移至白堊系連木沁組聚集成藏，不同成因的油氣也可進(jìn)行側(cè)向運(yùn)移至東部斜坡帶聚集成藏，與此同時(shí)，七克臺(tái)組湖相泥巖進(jìn)入低熟-成熟階段，生油強(qiáng)度和生油量較之以前有大幅提升，其混入比例也會(huì)隨之升高。研究表明，勝北構(gòu)造帶油氣成藏受油源斷裂、砂體連通性和斷層封閉性控制，洼陷東北區(qū)油氣成藏油源條件相對(duì)優(yōu)越，多源混合，調(diào)整改造現(xiàn)象較普遍。

4 勘探潛力

勝北洼陷中侏羅統(tǒng)砂體分布明顯受斷層控制，砂體主要分布在勝北洼陷東部。中—下侏羅統(tǒng)水西溝群烴源巖生烴中心位于勝北洼陷東北區(qū)，地層存在超壓系統(tǒng)。因此，勘探有利區(qū)應(yīng)著眼于東北區(qū)壓力系數(shù)較高、砂體發(fā)育且烴源巖較發(fā)育的區(qū)域。

勝北洼陷中侏羅統(tǒng)儲(chǔ)層超壓、斷層、砂體分布范圍具有一定的耦合性。七克臺(tái)組超壓分布范圍與七克臺(tái)組上部泥巖分布范圍大體一致，超壓分布同時(shí)還受斷層分布控制，2號(hào)斷裂附近及其東北區(qū)，地層壓力系數(shù)普遍大于1.40，地層超壓普遍發(fā)育，西部及南部區(qū)地層壓力系數(shù)普遍小于1.40，地層超壓相對(duì)不發(fā)育，七克臺(tái)組砂體主要分布在超壓發(fā)育的2號(hào)斷裂東北區(qū)。三間房組超壓分布范圍與七克臺(tái)組類似，地層壓力系數(shù)更高，如勝北2號(hào)構(gòu)造鉆探的勝北502H井，七克臺(tái)組水平段長(zhǎng)348 m，砂層鉆遇率32%，壓力系數(shù)為1.11,采用3段壓裂，日產(chǎn)氣為1.02×104m3/d ，日產(chǎn)油為3.19 t/d。勝北3號(hào)構(gòu)造鉆探的勝深3井，三間房組壓力系數(shù)達(dá)到1.61，且三間房組砂體分布范圍比七克臺(tái)組廣，勘探潛力更大。分析認(rèn)為，中侏羅統(tǒng)砂體分布范圍與超壓發(fā)育區(qū)域具有較好的吻合度，說(shuō)明研究區(qū)中侏羅統(tǒng)砂巖儲(chǔ)層橫向連通性較好。雖然勝北洼陷中侏羅統(tǒng)致密砂巖具有單砂體薄、分布范圍小的特點(diǎn)，且地層被斷裂系統(tǒng)復(fù)雜分割，但存在多套砂層橫向連通、縱向上疊合成片的特點(diǎn)。如果采用“水平井+體積壓裂”提產(chǎn)技術(shù)，將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)該區(qū)致密砂巖氣的效益動(dòng)用。

5 結(jié) 論

(1) 勝北洼陷發(fā)育中—下侏羅統(tǒng)水西溝群煤系烴源巖和中侏羅統(tǒng)七克臺(tái)組烴源巖，上侏羅統(tǒng)、白堊系油氣主要來(lái)自于中侏羅統(tǒng)七克臺(tái)組，中侏羅統(tǒng)七克臺(tái)組、三間房組油氣主要來(lái)自于勝北洼陷中—下侏羅統(tǒng)水西溝群煤系烴源巖，油氣藏類型為下生上儲(chǔ)致密砂巖凝析氣藏。

(2) 勝北洼陷水西溝群烴源巖有早晚2次生排烴，分別在晚侏羅—早白堊世和新近紀(jì)，七克臺(tái)組湖相泥巖生排烴期以新近紀(jì)為主。中侏羅統(tǒng)致密氣藏表現(xiàn)為兩期成藏，分別為晚侏羅世—早白堊世和新近紀(jì)—第四紀(jì)，與烴源巖生排烴時(shí)期一致。油氣成藏受油源斷裂、砂體連通性和斷層封閉性控制，洼陷東北區(qū)油氣成藏油源條件相對(duì)優(yōu)越。

(3) 勝北構(gòu)造帶中侏羅統(tǒng)砂巖儲(chǔ)層橫向連通性好，多套砂層橫向連通、縱向上疊合成片，砂體分布受斷層控制，主要分布在勝北洼陷東北區(qū)。東北區(qū)烴源巖發(fā)育、地層超壓、深大斷裂發(fā)育，是下一步勘探的有利區(qū)域。