蔣有錄,劉 佳,蘇圣民,劉景東,胡洪瑾

(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)

近年來,渤海灣盆地潛山油氣勘探取得重大突破,在冀中坳陷牛東1井前古生界、黃驊坳陷歧古8井奧陶系、遼河坳陷興隆臺中生界等獲得高產(chǎn)油氣流[1-3],展示渤海灣盆地潛山油氣勘探的良好前景。由于受多期構(gòu)造作用,潛山油氣藏發(fā)生調(diào)整改造,部分潛山發(fā)現(xiàn)大量儲層瀝青,表明潛山油氣藏遭到破壞[4-6],不同地區(qū)保存條件的差異影響潛山油氣藏的形成及富集[7-8],因此保存條件是影響潛山油氣藏形成及分布的重要因素。前人對渤海灣盆地潛山油氣保存條件的研究,多針對局部地區(qū)或單一因素(如蓋層),并取得很多認識[9-11],但對全盆地潛山油氣保存條件研究還較薄弱,對關(guān)鍵保存要素的整體分析尚不夠深入。筆者以大量統(tǒng)計資料為基礎(chǔ),通過蓋層特征、構(gòu)造抬升作用和斷裂作用的分析,探討渤海灣盆地潛山油氣保存條件,以期為潛山油氣藏的深化勘探提供借鑒。

1 油氣地質(zhì)背景

渤海灣盆地為華北地臺上發(fā)育的中、新生代疊合盆地,包括遼河、渤中、濟陽、冀中、黃驊、臨清和昌濰7個坳陷及埕寧、滄縣、內(nèi)黃、邢衡4個隆起[12],面積約為20×104km2(圖1)。

圖1 渤海灣盆地不同來源潛山油氣藏分布Fig.1 Distribution of buried hill reservoirs from different sources in Bohai Bay Basin

盆地內(nèi)主要發(fā)育古近系和石炭—二疊系2套烴源巖,其中古近系烴源巖為現(xiàn)今潛山油氣的主要來源[13](圖1)。潛山油藏主要源于古近系烴源巖,部分來自石炭—二疊系烴源巖。潛山氣藏則主要為源于成熟度較高的石炭—二疊系烴源巖的煤成氣,部分為來自較高演化階段的古近系油型氣或兩者的混合[14-15]。石炭—二疊系氣藏多來自本層系,主要為自源型氣藏,而前古生界、下古生界及中生界油氣來自其他層系,為它源型油氣藏。潛山經(jīng)歷1～3期次成藏作用,其中古近紀(jì)末和新近紀(jì)—第四紀(jì)是渤海灣盆地潛山油氣的主成藏期[16-17]。

渤海灣盆地潛山油氣藏分布廣泛,在中生界碎屑巖及火山巖、石炭—二疊系碎屑巖、下古生界碳酸鹽巖、中上元古界碳酸鹽巖以及太古界變質(zhì)巖中均發(fā)現(xiàn)油氣藏[13],但不同地區(qū)潛山油氣富集層系存在較大差異。遼河坳陷潛山油氣主要富集于太古界變質(zhì)巖中,在中生界火山巖中也有油氣發(fā)現(xiàn);冀中坳陷潛山油氣主要富集于中上元古界和下古生界碳酸鹽巖中;渤中坳陷潛山油氣的主要富集層系為太古界和下古生界;濟陽坳陷和黃驊坳陷潛山主力含油氣層系均為下古生界,在上古生界和中生界也有部分油氣發(fā)現(xiàn)(圖2)。

圖2 渤海灣盆地不同坳陷潛山油氣藏分布層系對比Fig.2 Comparison of distribution strata of buried hill reservoirs in different depressions of Bohai Bay Basin

渤海灣盆地不同地區(qū)及不同層系潛山油氣藏的烴類相態(tài)存在較大差異。平面上,盆地北部地區(qū)以油藏為主,中部地區(qū)油藏、氣藏和油氣藏并存,南部地區(qū)則以氣藏為主?？v向上,中生界以油藏為主,主要分布于黃驊坳陷中南部、遼河坳陷興隆臺地區(qū)及渤海海域,整體上埋深較淺(圖3(a));上古生界以氣藏為主,主要分布于濟陽坳陷北部、冀中坳陷東北部、黃驊坳陷中南部和東濮凹陷等地區(qū),其中在濟陽坳陷孤北地區(qū)、黃驊坳陷王官屯王古1井區(qū)和北大港地區(qū)、東濮凹陷文留和馬廠地區(qū),潛山烴類相態(tài)為氣相,而在冀中坳陷蘇橋—文安地區(qū)和黃驊坳陷烏馬營地區(qū),潛山烴類相態(tài)主要為凝析氣相(圖3(b));下古生界以油藏為主,集中分布于冀中坳陷和濟陽坳陷,包括濟陽坳陷埕海—樁海地區(qū)及冀中坳陷荊丘和深西地區(qū)等(圖3(c));前古生界以油藏為主,主要分布在冀中坳陷霸縣凹陷和饒陽凹陷、遼河坳陷大民屯凹陷和西部凹陷等(圖3(d))。

2 蓋層特征與油氣保存的關(guān)系

渤海灣盆地潛山油氣藏發(fā)育多套泥巖蓋層,主要包括石炭—二疊系下部(本溪組—山西組)及上部(上石盒子組—石千峰組)、中生界、古近系和新近系等。黃驊、渤中和濟陽等坳陷均發(fā)育石炭—二疊系、中生界和新生界泥巖蓋層,冀中坳陷和東濮凹陷多缺失新近系蓋層,冀中坳陷廊固凹陷和束鹿凹陷缺失中生界蓋層,遼河坳陷大民屯凹陷和西部凹陷缺失石炭—二疊系蓋層。區(qū)域蓋層的分布與其下部潛山油氣藏的分布有密切關(guān)系,厚度較大的蓋層使源自石炭—二疊系和古近系烴源巖的油氣在其下部得以聚集和保存(圖4)。

古近系發(fā)育多套區(qū)域性泥巖蓋層,其泥巖累積厚度可達1 500 m以上,是盆地最重要的區(qū)域性蓋層,對潛山油氣藏的封蓋起關(guān)鍵作用。盆地內(nèi)新近系泥巖蓋層分布較局限,其下伏潛山油藏集中分布于泥巖厚度較大的渤海海域及其周緣地區(qū)。石炭—二疊系泥巖主要分布于盆地中南部,現(xiàn)今古生界天然氣富集于此套蓋層之下,以本溪組—山西組泥巖蓋層為例,其下伏下古生界油氣藏多分布于蓋層厚度大于50 m的地區(qū)。

前人在研究南堡凹陷蓋層時提出泥巖排替壓力大于1 MPa時,封閉能力才開始形成[18];對中國氣藏蓋層特征統(tǒng)計結(jié)果表明,當(dāng)蓋層排替壓力介于5～10 MPa時,能夠封住常壓氣藏[19]。結(jié)合前人研究成果,本文中取蓋層排替壓力為1 MPa作為封蓋石油的下限,排替壓力為5 MPa作為封蓋天然氣的下限。

圖3 渤海灣盆地潛山油氣藏相態(tài)類型分布Fig.3 Hydrocarbon facies distribution of buried hill reservoirs in Bohai Bay Basin

圖4 渤海灣盆地主要坳(凹)陷區(qū)域性蓋層及下伏潛山油氣儲量對比Fig.4 Comparison of regional cap rocks and underlying buried hill oil and gas reserves in main depressions(sags)of Bohai Bay Basin

在研究古近系和新近系泥巖蓋層時,依據(jù)泥巖埋藏深度與孔隙度關(guān)系[20]、泥巖孔隙度與排替壓力關(guān)系[21],對其現(xiàn)今排替壓力進行間接求取。據(jù)計算,現(xiàn)今埋深為2 000、2 300、3 400 m的泥巖,其對應(yīng)的排替壓力依次約為3、5、8 MPa。對于上古生界和中生界蓋層,現(xiàn)今埋深與排替壓力對應(yīng)關(guān)系較差,可根據(jù)前人測定的排替壓力或以其地質(zhì)歷史時期所處最大埋深對應(yīng)的排替壓力為現(xiàn)今排替壓力。

石炭—二疊系來源的潛山油氣藏蓋層以石炭—二疊系泥巖為主，且多為自源型油氣藏,埋深多大于3 400 m,排替壓力大于8 MPa,烴類多為氣相(圖5(a));石炭—二疊系與古近系烴源巖混合來源的潛山油氣藏蓋層同樣以石炭—二疊系泥巖為主,前人研究[22]認為石炭—二疊系泥巖排替壓力多大于8 MPa,烴類多為氣相和油相(圖5(b));古近系來源的潛山油氣藏均為它源型潛山油氣藏，蓋層層位多樣，烴類相態(tài)多樣。中生界泥巖蓋層排替壓力大多分布于3～10 MPa,排替壓力小于3 MPa或大于8 MPa的古近系泥巖蓋層均有廣泛分布。新近系泥巖蓋層排替壓力一般較小,只能封蓋石油(圖5(c))。

圖5 渤海灣盆地不同油氣來源的潛山油氣藏蓋層層系及埋深Fig.5 Cap rock series and burial depth of buried hill reservoirs with different oil and gas sources in Bohai Bay Basin

結(jié)合蓋層宏觀和微觀特征的分析,選取蓋層厚度和排替壓力2個參數(shù)來表征蓋層質(zhì)量,參照前人相關(guān)蓋層評價標(biāo)準(zhǔn)[22],將排替壓力大于8 MPa且厚度大于50 m的泥巖蓋層劃為Ⅰ類蓋層,將排替壓力為3～8 MPa、厚度為20～50 m的泥巖蓋層劃為Ⅱ類蓋層,將排替壓力小于3 MPa且厚度小于20 m的泥巖蓋層劃為Ⅲ類蓋層。研究區(qū)潛山油氣藏上覆蓋層綜合評價結(jié)果表明:石炭—二疊系下部泥巖蓋層和石炭—二疊系上部泥巖蓋層厚度較大,排替壓力高,多屬于Ⅰ類蓋層,封閉能力強,且自源型潛山油氣藏上覆石炭—二疊系泥巖和煤系現(xiàn)今多再次不同程度生烴，可能具有某種程度的烴濃度封蓋作用;中生界泥巖排替壓力多大于3 MPa,屬于Ⅰ類或Ⅱ類蓋層;古近系Ⅰ類、Ⅱ類和Ⅲ類蓋層均發(fā)育，部分古近系厚層泥巖蓋層目前處于生烴階段，可能具有烴濃度封蓋作用，也具有異常壓力封蓋作用;新近系泥巖厚度小,排替壓力低,多屬于Ⅲ類蓋層?，F(xiàn)今各坳陷潛山天然氣分布于Ⅰ類和Ⅱ類蓋層之下,并以前者為主,Ⅲ類蓋層由于質(zhì)量較差,只能封蓋石油(圖6)。

圖6 渤海灣盆地各坳陷不同相態(tài)潛山油氣藏上覆蓋層類型頻率分布Fig.6 Frequency distribution of upper overburden types of buried hill reservoirs with different facies in each depression of Bohai Bay Basin

3 抬升剝蝕作用對油氣保存的影響

抬升剝蝕作用會破壞原始蓋層的連續(xù)性和完整性,且當(dāng)油氣藏抬升到淺部,油氣受大氣淡水下滲作用、菌解作用等的影響明顯增大,若上覆蓋層被剝蝕,則油氣藏遭到破壞。

油氣藏埋藏深度較大(大于2 000 m)時,油氣遭受破壞作用相對較弱(圖7(a)、(b));當(dāng)抬升至小于2 000 m,地溫低于60～80 ℃,地層存在流動水時[23],油氣藏多遭受水洗氧化和生物降解作用,受到不同程度的破壞,甚至形成儲層瀝青(圖7(c));長期的構(gòu)造隆升會導(dǎo)致蓋層被完全剝蝕,油氣不能得到有效保存(圖7(d)),當(dāng)潛山再次被埋藏時,較新蓋層可沉積其上。若再次成藏時埋深較淺,油氣藏同樣可遭受嚴重的破壞作用,埋深大于2 000 m時,保存條件變好(圖7(e)、(f))。

在早、中三疊世,渤海灣盆地一般接受1 200～1 500 m的碎屑巖沉積,大部分地區(qū)石炭—二疊系烴源巖埋深大于2 000 m,發(fā)生初次生烴及運聚作用[24-25]。中三疊世末的構(gòu)造運動造成盆地整體抬升,部分潛山(如樁西潛山)石炭—二疊系被完全剝蝕,下伏油氣完全散失;部分潛山殘留石炭—二疊系蓋層,但早期形成的油氣藏抬升到近地表,油氣遭到強烈破壞(圖8)。以北大港潛山為例,受構(gòu)造抬升作用影響，下古生界最小埋深為500 m，潛山油氣藏遭受強烈生物降解作用和氧化作用，現(xiàn)今潛山儲層內(nèi)發(fā)育的大量碳質(zhì)瀝青即為古油藏被破壞的有力證據(jù)(圖9)。

圖7 構(gòu)造抬升與油氣藏破壞程度關(guān)系Fig.7 Relationship between structural uplift and reservoir damage

部分煤系烴源巖在晚侏羅世—早白堊世二次生烴,但白堊世末期的抬升運動造成研究區(qū)整體處于隆起狀態(tài),大部分地區(qū)剝蝕厚度大于500 m,局部可達2 000 m,只有低洼處發(fā)育中生界碎屑巖沉積。早期形成的潛山油氣藏多因構(gòu)造抬升作用而被破壞(圖8),如黃驊坳陷王官屯潛山和烏馬營潛山,其古生界最小埋深分別可達1 200和1 000 m,具備生物降解作用和氧化作用發(fā)生的條件,保存條件變差,現(xiàn)今儲層中碳質(zhì)瀝青的存在(圖9)說明早期油氣散失嚴重[5-6]。

古近紀(jì)以來,潛山油氣藏周緣煤系烴源巖大多再次進入生烴階段,古近系烴源巖也逐漸達到成熟—高成熟階段,同時潛山之上多沉積古近系或新近系泥巖蓋層。盡管研究區(qū)在東營組末期發(fā)生整體抬升,但多數(shù)潛山抬升幅度小于300 m,油氣藏破壞程度較小,且由于潛山后期埋深逐漸增加,只有少數(shù)潛山油氣藏遭到不同程度的破壞。以蓬萊9-1中生界油藏為例,其主體埋深為1 300～1 500 m,原油受到強烈的生物降解[26],形成重質(zhì)稠油。

渤海灣盆地潛山通常經(jīng)歷多期成藏作用,早期潛山油氣藏在后期遭受較強烈的構(gòu)造抬升作用,油氣藏破壞嚴重,現(xiàn)今潛山油氣藏主要形成于古近紀(jì)末和新近紀(jì)—第四紀(jì)。由于渤海灣盆地新近紀(jì)以來沉降速率較快，盆地快速升溫，晚期充注的潛山油氣有效加熱時間短，原油可以在較高的溫度狀況下存在，結(jié)合前人關(guān)于原油裂解研究[27-28],以160 ℃作為原油開始裂解溫度,對應(yīng)渤海灣盆地地層埋深約為4 420 m(圖8,節(jié)點表示成藏期),只有一小部分潛山油氣藏埋深大于此值,據(jù)此推測渤海灣盆地大部分潛山油氣藏因晚期埋深增大、溫度增高而遭受烴類裂解破壞的可能性很小。

圖8 渤海灣盆地典型潛山油氣藏不同時期埋深變化Fig.8 Variation of buried depth of typical buried hill reservoirs in Bohai Bay Basin in different periods

圖9 渤海灣盆地黃驊坳陷部分潛山儲層瀝青鏡下特征Fig.9 Bitumen microscopic characteristics of some buried hill reservoirs in Huanghua Depression,Bohai Bay Basin

4 斷裂對油氣保存及富集的影響

4.1 潛山斷裂及斷蓋組合樣式

由于經(jīng)歷多期復(fù)雜的構(gòu)造作用,渤海灣盆地內(nèi)發(fā)育大量不同級別的斷層,從而對蓋層的封閉作用產(chǎn)生重要影響。依據(jù)斷至蓋層層系及對蓋層破壞程度等斷蓋配置特征,將渤海灣盆地潛山斷裂劃分為A、B、C 3類。A類斷層多為規(guī)模較大的控凹、控帶斷層,淺部斷至新近系,且將石炭—二疊系完全斷開;B類斷層規(guī)模僅次于A類斷層,淺部同樣斷至新近系,但石炭—二疊系僅被部分錯開,多分布于斜坡帶和隆起帶;C類斷層向上僅斷至中生界或古近系,斷層規(guī)模一般較小,這類斷層在凹陷內(nèi)分布廣泛(圖10、11)。

在潛山斷裂類型劃分的基礎(chǔ)上,將潛山斷蓋組合樣式劃分為A型、B型、C型等3類。A型:潛山斷裂為A類斷裂,斷層將潛山上覆蓋層完全錯開,斷距較大,油氣可沿斷層發(fā)生垂向運移,油氣主要分布于潛山或古近系儲層中;B型:潛山斷裂為B類斷裂,雖然斷裂貫穿蓋層,但蓋層多被部分錯開,油氣沿斷裂運移散失較少,油氣主要分布于潛山中;C型:潛山斷裂屬于C類斷裂,且于早中古近紀(jì)已停止活動,油氣主要分布于潛山中(圖11)。

圖10 渤海灣盆地中、古生界潛山斷層類型劃分Fig.10 Fault type division of Mesozoic and Paleozoic buried hill in Bohai Bay Basin

圖11 渤海灣盆地潛山斷蓋配置與油氣縱向富集層系關(guān)系示意圖Fig.11 Relationship between fault-cap configuration and vertical vertical hydrocarbon accumulation enriched strata in buried hills of Bohai Bay Basin

4.2 不同斷蓋組合樣式潛山的油氣保存條件

冀中坳陷任丘中上元古界—下古生界潛山油藏為A型斷蓋組合樣式的典型代表[29]。任西斷層的發(fā)育使得任丘潛山上覆沙三段蓋層被完全錯開,蓋層完整性遭到破壞。斷層的錯斷同樣使得潛山儲層直接對接沙一段和東營組泥巖,且在新近紀(jì)以來任西斷層活動性顯著減弱,斷層巖逐漸進入壓實成巖階段,斷層封閉能力持續(xù)增強,因此來源于沙三段和沙一段烴源巖的油氣得以在潛山中有效保存。

冀中坳陷蘇橋二疊系潛山氣藏為B型斷蓋組合樣式[25]，遼河坳陷興隆臺太古界潛山油藏和渤中坳陷渤中19-6太古界潛山氣藏為C型斷蓋組合樣式[30-31],其共同特點為潛山圈閉定型期早，晚期形成的斷層對潛山油氣藏上覆蓋層破壞作用較弱,潛山具有良好的封閉性。蘇橋地區(qū)潛山斷裂規(guī)模較小,蓋層段內(nèi)斷層巖泥質(zhì)含量高,封閉性較好,來自下部石炭—二疊系烴源巖的天然氣可沿斷層錯動形成的對接砂體運移至二疊系儲層高部位運聚成藏并得到有效保存。興隆臺潛山斷裂僅貫穿中生界,未斷穿沙三段泥巖蓋層,油氣不能沿斷裂發(fā)生運移散失,此時蓋層封閉性對油氣的保存起到關(guān)鍵作用。渤中19-6潛山上覆厚層?xùn)|營組泥巖蓋層,淺層斷裂消失于東營組及以上地層中[31],未破壞潛山氣藏,大量天然氣可以在深部得到有效聚集與保存。

斷蓋配置及斷層封閉性控制潛山油氣藏的保存條件。對于A和B型斷蓋組合樣式,潛山蓋層被斷裂完全貫穿,斷層封閉性對油氣保存起到關(guān)鍵作用,蓋層段內(nèi)斷層巖泥質(zhì)含量越高、斷層巖在主成藏期及之后進入壓實成巖階段越早,越有利于油氣在深部潛山中聚集與保存。對于C型斷蓋組合樣式,若潛山蓋層未被斷層貫穿,則蓋層封閉性對潛山油氣保存起到關(guān)鍵作用,蓋層排替壓力的大小決定封閉能力的強弱;另一方面也說明蓋層厚度對油氣保存的重要性,即厚度越大,斷層對其破壞也相對越小。對于切穿潛山蓋層的C類斷層,由于新近紀(jì)構(gòu)造活動對深部構(gòu)造影響較弱,深部斷層未被激活,蓋層內(nèi)斷層巖進入壓實成巖階段時間長,現(xiàn)今斷層封閉性較強?？傮w上C型斷蓋組合樣式最有利于油氣在潛山內(nèi)富集與保存,B型斷蓋組合樣式次之,A型斷蓋組合樣式不利于潛山內(nèi)油氣富集。

5 結(jié) 論

(1)渤海灣盆地潛山油氣來源廣泛,天然氣主要源自石炭—二疊系烴源巖,石油則主要源于古近系烴源巖。不同層系烴類相態(tài)類型多樣,上古生界以氣藏為主,且多為自源型氣藏,主要分布于盆地中南部;中生界、下古生界及前古生界以油藏為主,為它源型油氣藏,多分布于盆地中南部的冀中、濟陽和北部的遼河等坳陷。

(2)渤海灣盆地潛山油氣藏的蓋層主要為石炭—二疊系本溪組—山西組和上石盒子組—石千峰組、中生界、古近系和新近系等5套泥巖蓋層,現(xiàn)今油氣多分布于蓋層厚度較大的地區(qū);石炭—二疊系泥巖主要為Ⅰ類蓋層,前古近系天然氣多分布于這類蓋層之下,中生界泥巖屬于Ⅰ類或Ⅱ類蓋層,古近系3類蓋層均發(fā)育,而新近系泥巖為Ⅲ類蓋層,只能封蓋石油。

(3)研究區(qū)不同時期形成的潛山油氣藏的保存條件存在差異,早期油氣散失嚴重,現(xiàn)今潛山油氣藏主要形成于古近紀(jì)末和新近紀(jì)—第四紀(jì),且大部分潛山油氣藏未遭受烴類裂解破壞。部分地區(qū)前古近系潛山發(fā)現(xiàn)儲層瀝青,表明抬升剝蝕作用使部分潛山油氣藏遭到破壞。

(4)斷蓋配置及斷層封閉性控制潛山油氣藏的保存。在A型、B型和斷層貫穿蓋層的C型斷蓋組合樣式中,斷層封閉性對油氣保存起到關(guān)鍵作用,而在斷層未貫穿蓋層的C型斷蓋組合樣式中,蓋層封閉性對油氣保存起到關(guān)鍵作用?？傮w上C型斷蓋組合樣式有利于潛山油氣的富集與保存,而A型斷蓋組合樣式不利于油氣在潛山內(nèi)富集。