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马朗凹陷哈尔加乌组烃源岩分布和生烃演化与石炭系成藏关系

2014-08-06吴红烛黄志龙郭小波桑廷义罗权生孔宏伟赵旭光

关键词:源岩石炭系烃源

吴红烛,黄志龙,柳 波,2,郭小波,桑廷义,罗权生,孔宏伟,赵旭光

(1.中国石油大学油气资源与探测国家重点实验室,北京102249;2.东北石油大学地球科学学院,黑龙江大庆163318;3.中国石油吐哈油田分公司,新疆哈密839009)

三塘湖盆地石炭系为一套海陆过渡相火山喷发岩及火山碎屑岩沉积。近年来,三塘湖盆地马朗凹陷石炭系相继在马中、牛东和牛东圈湖3个构造中发现工业油流,原油主要富集于卡拉岗组和哈尔加乌组两个层位,哈尔加乌组是其主要烃源岩发育层段[1]。该烃源岩与玄武岩、安山岩、火山碎屑岩共生,烃源岩非均质性极强,厚度及分布预测难度大[2-3],目前研究不够深入,对哈尔加乌组烃源岩生烃演化史和烃源灶迁移演化规律方面的研究也较薄弱,哈尔加乌组烃源灶迁移演化及其对石炭系油气成藏的影响尚不清楚。此外,尚不确定牛东构造和马中构造石炭系原油是否都来自凹陷中心,这直接影响了马朗凹陷石炭系油气勘探方向。因此,笔者依据马朗凹陷石炭系原油和烃源岩地球化学实验分析数据、哈尔加乌组烃源岩预测及生烃演化规律等,对哈尔加乌组烃源分布生烃演化特征、马朗凹陷石炭系各含油构造油气成藏规律及二者之间的关系进行研究。

1 区域地质背景

马朗凹陷位于三塘湖盆地中部,西接条湖凹陷,东邻淖毛湖凹陷,是在中泥盆世以前褶皱基底上发育起来的晚古生代和中新生代凹陷[3]。经历了多次构造运动,凹陷内断裂、构造十分发育,主要断裂走向为北西-南东向,次要断裂走向为北东-南西向。受海西晚期与燕山晚期构造挤压作用影响,研究区内发育马北构造、牛圈湖构造、牛东构造、马中构造、马东构造、黑墩构造及岔哈泉构造7个三级构造[4](图1)。

图1 三塘湖盆地马朗凹陷构造特征(据吐哈油田公司,2009)Fig.1 Structural characteristics of Malang sag,Santanhu Basin(according to Tuha Oilfield company,2009)

马朗凹陷石炭系自下而上发育下石炭统姜巴斯套组,上石炭统巴塔玛依内山组、哈尔加乌组和卡拉岗组,与上覆二叠系之间表现为区域性不整合接触。姜巴斯套组是一套海相沉积,岩性以灰黑色泥岩和灰色砂岩为主,巴塔玛依内山组以中基性喷发岩为主,哈尔加组发育一套海陆交互相沉积的火山岩夹碳质泥岩、油页岩和凝灰质泥岩,是石炭系主要烃源岩,卡拉岗组为大套陆相火山岩夹火山碎屑岩、碎屑岩组合[5]。

2 烃源岩分布及烃源灶演化

2.1 烃源岩与火山岩共生关系

以现代火山岩研究成果为指导,综合分析马朗凹陷石炭系地震反射特征及火山岩-烃源岩共生关系。研究结果表明,在研究区火山岩地层中烃源岩主要有正常沉积型和火山碎屑沉积型两种赋存形式(图2)。

在正常沉积型烃源岩赋存形式中,烃源岩与火山岩共生关系存在两种方式:一种(A型)是空间上远离火山口,陆上形成溢流相,高温中基性熔岩流遇到低温湖水,会在入湖处形成爆发相,这样就在平面上形成向湖(海)方向依次发育的溢流相、爆发相及正常沉积相;另一种(B型)为水下喷发,垂向上底部为岩浆溢流相,向上与湖(海)水接触部为爆发相,火山喷发停止后,火山体上部接受水下沉积形成厚层烃源岩。

火山碎屑沉积型中也有两种与火山岩的共生关系:一种(C型)是空间上受火山口分布控制,沉积发育在两个火山锥体之间的凹地部位,距离火山口位置越近,泥质含量越低,凝灰质含量越高(图2);另一种(D型)发育在多期火山喷发间歇期,这种沉积往往具有较高的凝灰质含量,厚度较薄(图2)。

2.2 烃源岩特征及分布

在特殊地质条件下,岩浆侵入、断裂活动、放射性元素富集区等局部热源会影响烃源岩生烃演化[6-7]:杨文宽等[6-9]发现火山岩侵入体对烃源岩有机质生烃过程和烃类成熟作用有明显影响,其影响程度取决于烃源岩距火成岩侵入体的距离和火成岩体的规模;万从礼等[10]认为水下喷溢活动带来大量热量和养料,导致白云岩和油页岩的形成;高岗等[11]研究指出三塘湖盆地二叠系喷出岩对岩石有机质的演化基本没有影响,辉绿岩侵入体对烃源岩影响垂向深度不超过200 m。研究区石炭系与烃源岩共生的火山岩主要是玄武岩、安山岩和凝灰岩等喷出岩,侵入岩体少见,且规模小。因此,笔者认为马朗凹陷石炭系火山岩对泥质烃源岩中的有机质演化影响较小。

图2 马朗凹陷石炭系烃源岩赋存型式及其与火山岩共生关系Fig.2 Carboniferous hydrocarbon source rock occurrence types and their relationships with volcano rocks in Malang sag

哈尔加乌组烃源岩是盆内马朗凹陷石炭系主要烃源岩和油气来源[1-3,5]。这套烃源岩主要是火山喷发间歇期沉积产物,岩性以碳质泥岩为主,暗色泥岩、油页岩和煤层也见发育。烃源岩有机碳质量分数为0.19%~21.02%,生烃潜量为0.18~69.9 mg/g,平均值为20.9 mg/g,热解、H/C~O/C 原子比等数据判识有机质以∏-Ⅲ型干酪根为主,个别样品为Ⅰ型干酪根。

笔者根据研究区火山岩-烃源岩共生关系及地震反射特征,对三维区进行烃源岩追踪识别,并利用井震结合方法,预测马朗凹陷哈尔加乌组烃源岩厚度分布(图3)。结果表明,马朗凹陷哈尔加乌组烃源岩分布范围广,但横向厚度变化大,非均质性强,平面上有多个沉积厚度中心,各厚度中心烃源岩厚度为140~200 m。钻井泥岩厚度统计表明,马朗凹陷哈尔加乌组烃源岩单层厚度不超过20 m,累积厚度最厚达118 m,这与上述预测结果基本相符。根据哈尔加乌组烃源岩平面分布特征,可将其划分为三大烃源岩发育区:凹陷中心烃源岩区、西峡沟构造带东南部深洼烃源岩区及凹陷北斜坡带牛东构造带烃源岩区。其中,马中构造带基本不发育烃源岩,牛东构造带本地烃源岩较发育,且烃源岩分布同样不均匀,厚度变化大。

图3 马朗凹陷石炭系哈尔加乌组泥岩厚度等值线图Fig.3 Mudstone thickness isoline map of Haerjiawu formation,Carboniferous in Malang sag

2.3 烃源灶迁移演化

三塘湖盆地自晚古生代以来经历了海西、印支、燕山、喜马拉雅期等多期构造运动的改造[12],各期构造运动所造成的剥蚀情况不同。笔者针对马朗凹陷剥蚀情况的差异,分别采用地层构造趋势外推法、参考层厚度变化率法、声波时差法及优化孔隙度方法,恢复了二叠纪末期、三叠纪末期、白垩纪中期的剥蚀厚度,并结合前人热史研究成果[12],采用盆地模拟技术,对马朗凹陷哈尔加乌组烃源岩生烃演化史及烃源灶迁移演化规律进行了研究。

研究结果表明,二叠纪末期(245 Ma)凹陷中心烃源岩区和西峡沟构造南缘深洼烃源岩区的烃源岩已经开始成熟,出现较小范围成熟烃源灶,北斜坡带牛东地区为低熟烃源岩(图4(a));至侏罗纪末期(145.6 Ma),成熟烃源岩分布范围向外围扩展,面积扩大,但凹陷中心和西峡沟南缘地区的烃源岩仍为成熟烃源岩,北斜坡带牛东地区依旧是低熟烃源岩(图4(b));至白垩纪末期(65 Ma),凹陷中心和西峡沟南缘深洼区的烃源岩演化成为高成熟烃源岩,此时,凹陷中心局部出现过成熟气烃源岩,北斜坡带牛东地区的烃源岩演化成为成熟烃源岩,其外围低熟烃源岩范围大面积缩小(图4(c));白垩纪至今,高成熟烃源岩和成熟烃源岩分布范围基本保持不变,仍维持着凹陷中心烃源岩区为高成熟烃源岩,北斜坡带牛东地区为成熟烃源岩的分布格局(图4(d))。

图4 马朗凹陷哈尔加乌组烃源灶迁移演化及有效烃源灶分布Fig.4 Hydrocarbon kitchen evolution and distribution of Haerjiawu formation in Malang sag

3 原油地球化学特征及油源对比

马朗凹陷石炭系原油主要分布于牛东构造带和马中构造带卡拉岗组、哈尔加乌组两个层段。这些原油姥植比较高,为1.8~2.8,基本不含β-胡萝卜烷和 γ-蜡烷,规则甾烷 20RαααC27>20RαααC28、20RαααC28<20RαααC29,呈不对称“V”型分布,与哈尔加乌组碳质泥岩生物标志物组成特征一致(图5),且原油与哈尔加乌组烃源岩的碳同位素类型曲线吻合较好,二者的族组分碳同位素差值皆不超过3.0‰,却明显重于二叠系烃源岩,轻于下石炭统烃源岩(图6),表明这两构造带石炭系原油均源于哈尔加乌组烃源岩。

图6 马朗凹陷石炭系原油与哈尔加乌组、巴塔玛依内山组烃源岩碳同位素类型曲线对比Fig.6 Carbon isotopic type curves comparison of Carboniferous crude oil and source rocks in Malang sag

值得注意的是,马中构造带哈尔加乌组轻质油与牛东构造带原油、烃源岩生标组成特征固然相似,但前者同后二者在甾萜烷成熟度指标上的差异较大(表1):牛东构造带石炭系原油整体为成熟原油,其OEP为1.01~1.11,C29甾烷w(20S)/w(20S+20R)为0.36~0.44,w(ββ)/w(ββ+αα)为0.37~0.49,C31藿烷w(22S)/w(22S+22R)为0.52~0.60,补身烷w(8β)/w(8α+8β)为0.74~0.90,w(C29藿烷)/w(藿+莫烷)为0.80~0.98,这些生标成熟度参数与牛东地区哈尔加乌组碳质泥岩吻合较好(表1),表明牛东油田原油很可能是本地烃源岩所生。马中构造带原油则表现出高成熟度原油特征,与牛东构造带成熟油和成熟烃源岩相比,该原油族组份中饱和烃含量明显偏高,达78%,正构烷烃曲线光滑,轻重比(w(C21-)/w(C22+))为5.18,也远高于牛东构造带原油和烃源岩,OEP为1.02,C29甾烷成熟度参数w(20S)/w(20S+20R)和w(ββ)/w(ββ+αα)分别为0.40、0.52。w(Ts)/w(Ts+Tm)和w(三环萜)/w(C3017α(H)-藿烷)作为高成熟度(Ro>1.0%)未降解原油判别最为可靠的成熟度指标[13],其比值随热演化程度的升高而增大[14]。马中构造带原油Ts和Tm相对丰度较高,三环萜含量也显著升高,w(Ts)/w(Ts+Tm)为0.60,w(三环萜)/w(C3017α(H)-藿烷)为1.19,两参数值明显高于牛东构造带石炭系成熟原油和烃源岩(表1)。马中构造带原油与牛东构造带石炭系原油、烃源岩甾萜烷成熟度指标间的差异表明:马中构造带石炭系原油成熟度高于牛东构造带原油和烃源岩,该原油不可能来自牛东构造带,而应由更高成熟度烃源岩所生。

表1 马朗凹陷石炭系原油与烃源岩生物标志物成熟度参数对比Table 1 Maturity parameters comparison of Carboniferous crude oil and source rocks in Malang sag

4 烃源灶迁移演化与马朗凹陷石炭系油气成藏关系

4.1 烃源灶演化与马中构造石炭系油气成藏的关系

4.1.1 烃源灶演化与原油成熟度匹配预测原油成藏期

在马朗凹陷北斜带采集的哈尔加乌组碳质泥岩样品的镜质体反射率(Ro)为0.73%~1.10%,说明牛东构造带该烃源岩整体处于成熟演化阶段,这与前文盆地模拟的认识一致。处于该演化阶段烃源岩的生标成熟度指标明显低于马中构造带石炭系原油(表1),表明马中构造带原油应来自更高成熟度的烃源岩,即高成熟烃源岩所生。邻近马中构造带处于高成熟演化阶段的烃源岩正处凹陷中心烃源岩区,该处烃源岩侏罗纪末期仍为成熟烃源岩,至白垩纪末期才演化成高成熟烃源岩,此阶段生成的原油经运移聚集后其成熟度才可能高于牛东构造带成熟烃源岩,与其成熟指标存在较大差别。这说明马中构造带石炭系原油来自凹陷中心烃源岩区的烃源岩,其成藏期也较晚,为晚燕山期至今。

4.1.2 烃源岩与原油分布及空间配置关系预测有效供烃范围

横穿马朗凹陷的北东-南西向构造演化剖面显示,自二叠纪末期至今,牛东构造带长期位于马中构造带上倾部位(图7),该构造带哈尔加乌组烃源岩不可能为马中构造带提供油源向下倾方向运移倒灌成藏。因此,马中构造带原油只可能来自其下倾部位的凹陷中心烃源岩。

4.2 烃源灶演化与牛东构造石炭系油气成藏的关系

牛东构造石炭系原油与其本地区哈尔加乌组烃源岩,无论是生标组成和同位素特征,还是成熟度指标方面二者对比性都较好。综合认为,该构造带原油可能是本地哈尔加乌组烃源岩所生,而并非来自凹陷中心。从生烃机制看,牛东构造带石炭系成熟原油究竟来源于本地成熟烃源岩还是马朗凹陷深洼区高成熟烃源岩还需进一步探讨烃源灶迁移演化与牛东构造石炭系油气成藏的关系。

4.2.1 成藏期烃源岩成熟度与原油成熟度匹配指示烃源灶有效供烃范围

同一凹陷不同构造位置地层沉降速率和构造抬升情况差异,导致在同一地质历史时期同层位烃源灶的不同区烃源岩所处热演化阶段不同,所生的原油成熟度也就存在差异。因此,在原油来源和成藏期确定的基础上,恢复烃源灶演化史,成藏期与原油成熟度对应的烃源岩范围就是该原油的有效供烃源岩范围。牛东构造带石炭系原油来源于哈尔加乌组烃源岩,是一类成熟原油。牛东地区石炭系原油成藏期为晚燕山期至今[15-17]。换言之,该构造带原油成藏时(即白垩纪中晚期至今),哈尔加乌组烃源灶中成熟烃源岩区即为此构造带原油的有效供烃源岩范围。白垩纪中晚期至今,马朗凹陷北斜坡带牛东地区哈尔加乌组烃源岩进入成熟演化阶段,开始大量生烃,生烃中心在马19井区附近,而现今凹陷中心哈尔加乌组烃源岩则进入高—过成熟演化阶段(图4、8)。因此,判断牛东构造带石炭系原油来源于北斜坡带哈尔加乌组成熟烃源岩,而不可能来自马朗凹陷中心高成熟烃源岩。这与前文牛东构造带原油与牛东本地烃源岩生物标志物组成、成熟度指标匹配较好,可能由本地烃源岩所生的认识基本一致。

图7 三塘湖盆地马朗凹陷南北向构造演化史剖面(据吐哈油田研究院,2010,修改)Fig.7 North-south tectonic evolution profile maps of Malang sag,Santang Basin(according to the institute of Tuha Oilfield,2010,modified)

图8 牛东构造带石炭系原油成熟度、成藏期及烃源灶演化配置关系Fig.8 Configuration of Carboniferous crude oil maturity,reservoiring period and hydrocarbon kitchen evolution of Niudong tectonic belt

4.2.2 原油运移规律与烃源灶空间配置关系指示烃源灶有效供烃范围

原油含氮化合物受母源、沉积环境及成熟度的影响较小,可作为良好的原油运移示踪剂。其原理是原油在储层中运移产生的地色层效应,表现为随运移距离增大,原油中含氮化合物绝对浓度逐渐降低,屏蔽型异构体(如1,8-DMC)相对富集,暴露型异构体(如1-MC)相对减少,线型异构体(如苯并卡唑[a])相对富集,球型异构体(如苯并卡唑[c])相对减少[18-19]。根据牛东构造带油-源及油-油的对比分析,该构造带原油来自同一烃源岩,整体为成熟原油,排除成熟度异常原油的影响,w(C21-)/w(C22+)和w(三环萜)/w(五环萜)也可作为示踪原油运移的参数。

牛东构造带石炭系原油含氮化合物示踪油气运移方向显示,自马19井向北西和南西方向,原油含氮化合物总浓度和苯并卡唑([a]+[c])浓度均呈现出随距离增加而降低的趋势,w([a])/w([a]+[c])、w(1,8-DMC)/w(1-MC)、w(C21-)/w(C22+)和w(三环萜)/w(五环萜)则随距离增加而升高,原油含氮化合物及运移参数的这种变化趋势,指示牛东构造带石炭系原油运移总体方向为自东往西运移(图9),即牛东构造带石炭系原油的有效供烃源岩分布范围位于该构造带东面或本地。凹陷中心烃源岩区的烃源岩位于牛东构造带西部,若牛东构造带原油来自该地区烃源岩,那么原油运移总体趋势便会变为自南西往北东运移,这显然与该构造原油实际运移趋势相矛盾。因此,笔者认为牛东构造带石炭系原油为本地烃源岩所生,它与马中构造带石炭系原油的有效供烃源岩区的位置和方向不同,是不同地区烃源岩在不同演化阶段所生的原油,分别经过不同运移路径成藏。

图9 牛东地区上石炭统烃源灶、优质烃源岩及原油运移特征叠合图Fig.9 Composite map of Upper Carboniferous hydrocarbon kitchen,high-quality hydrocarbon source rocks and oil migration characteristics in Niudong area

5 结 论

(1)马朗凹陷石炭系火山岩系烃源岩主要有正常沉积型和火山碎屑沉积型两种赋存形式;哈尔加乌组烃源岩主要分布于牛东构造带、凹陷中心和岔哈泉东南缘洼陷三个地区,凹陷其他地区不发育这套烃源岩。位于凹陷中心烃源岩区和西峡沟东南缘洼陷烃源岩区的烃源岩于侏罗纪末整体演化为成熟烃源岩,白垩纪末演变为高成熟烃源岩,现今仍为高成熟烃源岩。牛东构造烃源岩区的哈尔加乌组(C2h)烃源岩于白垩纪中晚期才演化成为成熟烃源岩,现今此构造带该套烃源岩仍处成熟演化阶段。

(2)马朗凹陷石炭系牛东和马中两含油构造的原油皆由哈尔加乌组烃源岩所生,但这两处原油成熟度差异较大,有效供烃源岩区位置不同。前者为成熟油,来源于牛东本地哈尔加乌组成熟烃源岩,该地区烃源岩于白垩纪中晚期才演化为成熟烃源岩,此时为牛东地区石炭系油气的成藏提供油源;后者为高成熟度原油,来自凹陷中心哈尔加乌组高成熟烃源岩,于晚燕山期开始为马中构造带石炭系轻质油的成藏提供油源。

(3)牛东构造带石炭系原油总体运移方向为自北东向南西,沿马19井附近沟通源储的断裂注入。

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