沉积盆地油气成藏期研究及成藏过程综合分析方法

第19卷第6期2004年12月

文章编号:100128166(2004) 0620939208

地球科学进展

ADVANCES IN EAR TH SCIENCE

Vol. 19　No. 6Dec. ,2004

沉积盆地油气成藏期研究及成藏过程综合分析方法

赵孟军1, 宋　岩1, 潘文庆2, 韩剑发2, 柳少波1, 秦胜飞1

(1. 中国石油勘探开发研究院, 北京　100083;2. 中国石油塔里木油田分公司, 新疆　库尔勒　841000)

摘　要:从油气成藏研究的发展阶段入手讨论了油气成藏期研究方法的演变, 早期主要从生、储、盖、运、聚、保各项参数的有效配置, 根据构造演化史、圈闭形成史与烃源岩生排烃史来推断油成藏

期次和过程; 近年来随着科技的进步, 油气成藏期的“正演”分析方法, 如对构造演化史、圈闭发育史与烃源岩生排烃史的研究越来越深入、精细, 相应地深化了油气成藏条件、; 同时, 依靠“成藏化石”记录方面的成藏期定量数据分析可以“, 如具有封闭, 注、演化过程的油气分异特征、并以克拉2气田成藏过程为例, 提出了在油气分异特征、包裹体分析, 结合盆地构造演化史、, 综合分析油气成藏期次、过程的方法关　键　词:; 包裹体; 储层沥青; 成岩矿物测年中图分类号:　　　文献标识码:A

如油气非均一性、包裹体研究、成岩矿物定年和储层

沥青分析等[2～4]。

0　引　言

我国许多含油气盆地, 特别是叠合含油气盆地具有多套烃源层、多个烃源区、多期油气生成、多个油气系统或子系统控油、多期油气充注聚集, 同时又遭受多期破坏特点。因此准确分析经历了多期构造运动的复杂含油气盆地的油气运聚期次、认识油气成藏过程, 是深化油气分布规律、提高油气勘探效益的重要研究内容。不同时期人们研究油气成藏充注的手段不同, 传统的成藏期分析主要从生、储、盖、运、聚、保各项参数有效配置, 根据构造演化史、圈闭形成史与烃源岩生排烃史作出推断[1], 常用的3个方法是根据油源岩的主生油期、圈闭形成期、油藏饱和压力分析油气藏形成期。随着地球化学分析手段的深入,20世纪90年代以来成藏期分析是在构造发展史、埋藏史、热演化史、沉积成岩史等地质历史分析的基础上, 寻求油气成藏的直接地球化学证据,

Ξ　收稿日期:2003210216; 修回日期:[1**********]

1　油气成藏期研究回顾

成藏过程研究是油气成藏研究的重要组成部

分, 因此成藏过程研究随着油气成藏研究的深入而不断深化。纵观油气藏成藏过程的研究历史, 可以大致划分为3个主要发展阶段:1. 1　第一阶段(19世纪至20世纪50年代末) 油气成藏研究的初始阶段以油气背斜褶皱带分布油气藏的背斜说或重力说为代表。首先在1861年怀特提出的早期背斜学说基础上, 建立了比较完善的油气成藏的背斜学说。此后尽管人们又提出了“非背斜圈闭理论”, 但是以浮力、水动力和毛细管力为成藏过程中油气运移和聚集的主要控制因素的背斜褶皱带控油理论下的成藏过程研究, 主要以集中在构造演化史下的圈闭形成期为主。

(编号:2001BA605A206) 资助13基金项目:国家“十五”科技攻关课题“重点前陆盆地大中型气藏形成的控制因素与分布规律”

　作者简介:赵孟军(19652) , 男, 河北巨鹿人, 高级工程师, 主要从事油气成藏及地球化学研究1E 2m ail :zmj @petrochina. com. cn

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1. 2　第二阶段(20世纪60年代至80年代初期)

该阶段在油气成藏的基本条件和形成过程分析

的基础上, 全面开展油气成藏的机理研究。有机地球化学实验分析技术的发展, 从而使油气有机生成理论日趋成熟和完善[5,6]; 开展了成藏过程中油气的初次运移、二次运移和聚集机理的研究, 并在油气运移的相态、动力、阻力、通道、方向、距离以及运移时间和运聚效率等方面取得了一定的进展[7,8]; 系统研究了油气聚集成藏的生、储、盖、运聚、保存等油气成藏的宏观条件及其之间的匹配关系。因此该时期的成藏过程研究除了圈闭形成期分析更为完善外, 油气生排烃期成为了油气成藏过程研究的重要手段, 同时还有根据油气藏埋深推算成藏地质时代的饱和压力法。1. 3　第三阶段(20世纪80年代初至今) 随着国内外制约源岩生烃史的埋藏史、热史等制约因素研究的不断深入, 含油气盆地范围内的地]Dow (1972) , 经过后人的不断完善, 统的研究流程和工作方法对油气勘探具有宏观指导作用[14]。该阶段在成藏条件研究的基础上将油气生成、运移、聚集统一研究, 提出了许多思路新颖的油气成藏理论, 如流体封存箱[15]、天然气运聚动平衡[16]、油气优势通道运移[17, 18]和幕式成藏理论[19]等。

上述油气成藏期研究的进步, 在很大程度上取决于研究油气成藏过程和期次的“示踪”技术方法有了很大的进展, 如利用储层中自生矿物(主要是伊利石) 同位素年代学分析烃类进入储集层的时间[20～25], 通过包裹体研究分析油气充注的路径和机理、对比研究油气充注过程中油气成分的变化过程和研究盆地热液流体的演化过程[26～33], 通过储层沥青来研究油气充注期次和运移路径[34～38], 初步建立了油气成藏过程研究的综合分析方法[39]。

保各项参数有效配置的“正演”特点; 而油气成藏研究晚期的第三阶段, 则在油气成藏期研究的直接证据上有了很大的进展, 王飞宇等[4]将油气成藏过程遗留下一些可以观察到的地质记录形象的比喻为“成藏化石”, 因此根据“成藏化石”记录推断的油气成藏期和过程具有“反演”的特征。在成藏期和成藏过程研究的实践中, 我们认为成藏期的研究相当复杂, 必须将油气成藏期的“正演”分析和“反演”分析有机的结合起来, 才能准确地认识油气藏的成藏过程(图1)

。

图1　油气成藏期研究方法框图

Fig. 1　B lock scheme of approaches to constraining the timing of hydrocarbon accumulation in sedimentary b asins

2. 1　油气成藏期“正演”分析方法

油气成藏期“正演”分析方法建立在盆地演化史、构造演化史、沉积埋藏史和热史研究的基础之上

(图1) , 从而将油气充注与地质时间有关的圈闭发育和源岩生排烃结合起来判断油气成藏期。2. 1. 1　根据圈闭发育史确定油气藏成藏期

油气藏是烃类流体在圈闭中聚集的结果, 所以成藏期只能与圈闭的形成期相当或晚于圈闭的形成期[1]。值得注意的是, 对于叠合含油气盆地, 盆地的不同演化阶段均有圈闭的形成, 或者说盆地的不同演化阶段预示着圈闭的不同发育阶段, 而油气注入的滞后性决定了圈闭的形成期只可能是油气注入的最早时间。

圈闭发育史准确确定的基础是沉积埋藏史和构造发育史, 现今包括正演法、反演法和正反演结合法

2　油气成藏期研究方法概述

综上所述, 在油气成藏过程研究的不同阶段, 成藏期的研究手段不同, 在油气成藏研究早期的第一、

第二阶段, 成藏期的研究主要建立在盆地构造演化、沉积埋藏史基础上的圈闭发育史、源岩生排烃期和油藏饱和压力分析等方法, 具有从生、储、盖、运、聚、

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在内的模拟方法日趋完善[40], 为圈闭发育史的精确分析奠定了基础。2. 1. 2　根据源岩主要生烃期确定成藏期

油气藏的形成是油气生成、运移、聚集的结果, 因此源岩中油气生成并排出的主要时期则是油气藏形成的上限。源岩在地温梯度高的快速沉降盆地, 烃源岩达到主要生排烃期的时间早, 如前陆盆地地区; 相反在地温梯度低的缓慢沉降盆地, 烃源岩达到主要生排烃期的时间晚。

生烃期分析的准确性取决于源岩层位、古地温梯度和埋藏史的准确确定。其中热史恢复的基本方法包括随机反演法[41]、古地温梯度法和古热流法[42], 烃源岩的生烃史分析方法则包括TTI 、Easy 2Ro 和化学动力学等方法。随着生烃动力学理论的完善和盆地模拟软件的广泛应用, 根据生烃史确定成藏期的上限越来越准确。2. 1. 3　根据油藏饱和压力确定成藏期

油藏在饱和压力情况下, 力相等。如果油气藏形成之后, 变化, ,

1) 。其中流体包裹体是相对的“封闭体系”下记录的

流体包裹体形成时的油气充注条件, 其它的分析方法则与油气藏一样是在“开放体系”下记录了油气的变化过程或者是储层中胶结物的演化过程。2. 2. 1　油气来源及分异特征与油气成藏期分析烃类在储层中的相态相当复杂, 有固相沥青、液相原油和天然气, 同时即使同一相态也存在物性和成熟度上的差异。有机地球化学技术的发展, 一是油气族群划分和精细的油气源对比, 可以建立起不同油气与烃源灶的对应关系, 从而结合生烃史推测油气充注期; 二是根据分子地球化学成熟度参数(包括油气总体特征的物性参数、碳同位素特征, 常规烷烃类参数, 芳烃类的萘系列、菲系列、联苯系列、二苯并噻吩系列参数, C 7温度计等) , 通过烃类, 可以更精三是从油气藏非均质性推、判断烃类注入方向和, 并结合油水界面的位置及其变迁史, 阐明油气藏的演化史[45～48]。

[1]。2. 2. 2　流体包裹体研究与油气成藏期分析但是, 、油藏形成后频繁的构造流体包裹体是指矿物结晶生长时被包裹在矿物运动以及静水压力与饱和压力换算过程中的误差, 晶格的缺陷或窝穴内的成矿流体, 其形成后由于没限制了该方法的应用。如果没有证据支持目前油气有外来物资的加入和自身流体的外溢, 因此其是在藏的PV T 条件类似于油气成藏时的PV T 条件, 无“封闭条件”下仍保留着原始成矿流体的成分、性质, 论从油藏饱和压力或PV T 相图推断成藏期都是不反映的是当时成矿时的物理化学条件(成矿时的温、准确的。2. 2　油气成藏期“反演”分析方法

油气运移成藏的成岩记录是从岩石学和地球化学方法反演成藏过程的基础, 其理论基础是烃类流体—水—矿物之间的相互作用。烃类流体注入储层, 一方面由于浮力、重力、与矿物间的吸附力等作用下或不同期油气混合作用下造成分异; 另一方面储层中胶结物及其中流体包裹体记录了当时的成藏条件(温度、压力、流体成分和相态) ; 同时随着含油气饱和度增加, 孔隙水流体与矿物之间的反应受抑制(如储层中石英次生加大等) 或中止(自生伊利石、钾长石的钠长石化等) [4]。但是储集层中石油的注入如何影响了成岩作用(特别是胶结作用) 的速率目前仍缺乏明确认识[43, 44]。

正是由于这样的烃类流体—水—矿物之间的相互作用, 从而建立了认识油气成藏期的分析方法, 如烃类分异特征、流体包裹体分析、储层沥青分析、成岩矿物定年等对油气成藏期的反演示踪分析方法(图

压, 成矿溶液的密度和盐度, 成矿流体的组分和同位素特征等) 。近几年来, 作为油气藏形成和演化研究的重要方法和手段之一, 流体包裹体地球化学研究已广泛应用于油气地质地球化学的研究中[26～33], 概括起来有以下几方面[32,33]:建立在包裹体均一温度、与沉积埋藏史有关的深度值、古热流或古地温梯度的关系; 推断油气田油气充注的路径和机理, 确定油气藏油水界面; 通过分析不同世代油气包裹体的成分, 对比研究油气充注过程中油气成分的变化过程; 通过矿物形成的先后顺序及其水溶液包裹体盐度的变化研究盆地热液流体的演化过程。

流体包裹体用于成藏期分析可分为2个层次[4], 第一层次是主要是应用储层流体包裹体均一化温度、埋藏史与热演化史两方面分析资料推测成藏时限, 这是目前成藏期分析最常用的方

法[29, 30, 49, 50]; 第二层次是通过Rb 2Sr 法和40Ar/Ar 法开展流体包裹体定年分析获得其绝对地质年龄[51～54], 分析对象包括石英和方解石等各类胶结

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物。流体包裹体研究成藏期的发展趋势是由群体包

裹体向单个包裹体研究发展, 并开展包裹体成分和压力的分析研究。2. 2. 3　储层沥青研究与油气成藏期分析

90年代关于储层沥青的研究取得了重大进展[34～38,55], 原油脱沥青作用归纳起来有6种成因(38]:①气体脱沥青作用; ②重力分异作用; ③生物降解作用; ④油藏内部或疏导层内的热演化作用; ⑤原油的混合作用; ⑥热对流作用。因此储层沥青是油藏中石油蚀变的产物或者通过物理化学作用后分异的产物, 记录了油藏演化或被改造、破坏的信息。如通过对储层沥青的生标特征研究可以发现储层沥青曾经遭受生物降解, 结合埋藏史从而确定油气早期聚集、破坏的过程[39]; 再如固体沥青反射率反映了烃类流体转变为固体沥青后所经历的热历史, 从储层固体沥青反射率、沥青反射率化学反应动力学, 结合储层埋藏史和热演化史定量分析, 可确定油藏破坏的时间[4]。

在实际油气藏研究中, 最为常见。另外, 铀矿物, (如U 2Pb 法) 可确定固体沥青形成的绝对地质年龄[56,57]。2. 2. 4　成岩矿物定年与油气成藏期分析

利用储层中自生矿物(主要是伊利石) 同位素年代学分析烃类进入储集层的时间是国际上80年代后期逐步发展起来的新技术, 并成功地应用于分析北海油田等地区烃类成藏时间[20～24]。王飞宇等[25]研究了塔里木盆地和准噶尔盆地一些典型油气藏的成藏时间。储层中能作为同位素地质年代学分析的2种富含钾的自生矿物, 一是Hamilton 等[22,23]建立了储层自生伊利石定年实验分析方法; 一是G irard 等[58]建立了储层自生钾长石实验定年分析技术。利用砂岩储层中自生矿物的同位素年龄来限定油气藏的形成时间的原理是, 储层中自生伊利石仅在富钾的水介质环境下形成, 油气进入储层后伊利石形成过程便会停止; 另一方面, 油气注入储层导致钾长石的钠长石化中止[4]。

值得注意的是, 很多学者对成岩矿物同位素年代数据的理解出现了绝对化的现象, 甚至将其神话为“成藏年代学”的具体时间。我们知道成岩矿物同位素年代学分析提供了成岩矿物形成的绝对年龄, 但是, 由于自生伊利石的分离富集的困难, 如早期形成的伊利石粒径较大、晚期形成的粒径小, 而颗粒大

小影响其与原生伊利石的分离纯度; 其次自生伊利

石生长过程并非在整个成岩过程均匀连续, 储层中流体的特征是控制伊利石生长的重要因素; 同时储层伊利石同位素年龄仅限定了早期成藏事件最大地质年龄, 即成藏期晚于这一地质年龄段。因此将成岩矿物测定的绝对同位素年龄用于成藏过程的地质年龄是一种肤浅的简单化解释。

除上述油气成藏期示踪分析方法外, 由于认识到磁铁矿的形成与烃类运移聚集的相关关系, 近10年来运用古地磁学方法限定油气运聚时间上作了许多研究[59～61]; 并从油田卤水定年分析石油和地下水时代关系领域做了一些研究[62～64], 这方面的研究对追溯烃类流体运移聚集史具有重要意义。

3　3. 　, 早期主要从生、保各项参数的有效配置, 根据构造演、圈闭形成史与烃源岩生排烃史来推断油成藏期次和过程。近年来随着科技的进步, 油气成藏期的“正演”分析方法如对构造演化史、圈闭发育史与烃源岩生排烃史的研究越来越深入、精细, 相应地深化了油气成藏条件、期次和过程的认识; 同时, 依靠“成藏化石”记录方面的成藏期定量数据分析可以“示踪”油气成藏期次和过程, 如储层成岩矿物及其中流体包裹体直接记录了沉积盆地早期油气成藏条件和过程, 储层沥青分析反映了油气的演化过程, 自生矿物年代学研究可以获得油气充注时期的准确数据。

而油气成藏演化历史是含油气系统中各地质要素和地质作用过程在时间和空间上有机匹配的历史, 因此必须将油气成藏期的“正演”分析方法与油气成藏期的“反演”分析方法有机的结合起来, 即在油气分异特征、包裹体分析、储层沥青分析和成岩矿物年代学等研究的基础上, 结合盆地构造演化史、沉积埋藏史、烃源岩热演化史以及各种成藏条件的有效匹配, 综合分析油气成藏期次、过程(图1) , 建立油气成藏模式, 指导油气勘探。3. 2　实例分析:克拉2气田成藏过程克拉2气田位于塔里木盆地库车坳陷直线背斜带西段, 南为拜城凹陷, 北为北部单斜带。克拉2气田天然气甲烷含量为96. 90%～98. 22%, 乙烷含量很低, 为0. 31%～0. 53%, 几乎不含大于乙烷的烃类组分, 因此天然气干燥系数几乎接近1. 0; 且碳同位素明

1313

δ显偏重, 如δC 1均值为227. 4‰、C 2均值为

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[39]-18. 5‰。同时该气田含有极少量的正常原油。

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3. 2. 1　成藏过程的地球化学“示踪”证据

(1) 克拉2气田中的少量原油是源自三叠系湖

沼相泥岩和侏罗系煤系泥岩的混源油, 天然气则主要源自侏罗系烃源岩, 其次为三叠系烃源岩[65, 66]。而组分偏干、同位素偏重的克拉2天然气则主要反映了晚期阶段聚集的产物, 克拉2气藏主要捕获的是三叠系烃源岩在R o 为1. 3%、侏罗系烃源岩在R o 为0. 9%之后生成的产物, 而其以前的产物由于油气藏调整和破坏, 除了少量的以三叠系为主的原油保存下来, 天然气已破坏贻尽[39]。

(2) 萜烷特征表明所有的白垩系—下第三系储层沥青都与三叠系烃源岩有关, 并都检测到了252降藿烷(图2) , 并且储层沥青的Pr/nC 17和Pr/nC 18值明显偏高, 最高值分别可达0. 72和0. 47, 也表现为一定的生物降解特征。我们认为这是三叠系烃源岩生成的原油在喜山早期聚集并遭受生物降解所形成的

。

是异常热事件的反映。早期方解石胶结物中普遍见碳质沥青包裹体, 石英次生加大边内缘缝见线状分布的沥青包裹体, 这些沥青包裹体呈灰色、褐灰色和黑色, 不发荧光或发深褐色荧光; 晚期白云石脉及硬石膏脉体中见有大量的气态烃包裹体, 白云石脉中的气态包裹体呈他形, 灰色, 不发荧光或发灰白色荧光, 硬石膏脉中的气态烃包裹体为灰色细管状, 说明这期气或油的注入在胶结作用之后发生(67]。3. 2. 2　油气生成与圈闭形成的匹配关系

(1) 拜城凹陷源岩生烃史研究表明, 在早第三世末, 三叠系烃源岩的R o 值可达1. 3%, 侏罗系烃源岩可达0. 9%; 由于上第三系巨厚沉积, 使拜城凹陷侏罗系烃源岩的成熟度达到1. 8%～2. 2%, 三叠系烃源岩的成熟度为2. 2～2. 4%。这就为克拉2。

(2) 早第三纪末在山前已, 该时期的圈闭主要, 克拉2气田中少量2圈闭幅度很低。中新世以来的构造变形作用最强烈, 主要是自北向南依次变新地形成前展式冲断构造和多种类型的断层相关褶皱, 是库车前陆盆地主要构造及克拉2圈闭的定型期[68,69]。晚期的构造变形作用一方面对早期形成的油气藏进行破坏和调整, 另一方面与源岩主要的生气、排气期相匹配, 这就决定了此时形成的圈闭如克拉2以聚集天然气为主。3. 2. 3　克拉2气田成藏过程

在油气源对比和储层地球化学研究的基础上, 结合源岩生烃史和构造发育史, 可将克拉2气田的成藏概括为2次充注、2次调整(破坏) 的形成过程, 即喜山早期油气充注、破坏过程和喜山晚期的天然气充注、调整过程[4]。

喜山早期, 即下第三系沉积末期, 克拉苏附近的三叠系烃源岩成熟度已经较高, R o 约为1. 3%, 而侏罗系烃源岩成熟度较低, R o 约为0. 9%。此时, 在白垩系和下第三系中已经形成构造的雏形, 且在下第三系中含有石膏沉积, 可以作为盖层。该期聚集的油气主要分布在白垩系和下第三系中, 后由于喜山早期运动的影响, 断层发生开启, 地表水渗入, 而受到降解破坏。

喜山中晚期, 随着上覆地层的不断沉积, 埋深不断加大, 三叠系烃源岩在R o 为1. 3%之后生成的天然气和侏罗系烃源岩在R o 为0. 9%以后生成的油气开始聚集。由于侏罗系烃源岩以生气为主, 其生

图2　克拉2井储层沥青萜烷和252降藿烷特征

Fig. 2　The characters of terpanes and 252norhopane

of reservoir bitumen in w ell K ela 2

(3) 实测包裹体温度大致分为3组, 一组主要分

布在60～90℃, 对应于早期源自三叠系烃源岩的烃类产物聚集时的埋藏深度, 此时白垩系储层的埋藏深度为2000m 左右; 一组主要集中在120～150℃, 对应于晚期源自三叠、侏罗系烃源岩的烃类产物聚集时的埋藏深度, 此时白垩系储层埋藏深度为5000m 左右; 而在250～300℃左右的包裹体温度则可能

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[14]　Zhao Wenzhi (赵文智) , He Dengfa (何登发) , Li Wei (李伟) ,

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成的少量原油与早期保留下来的源自三叠系烃源岩

的生物降解湖相油混合形成现今的克拉2原油的生标特征; 而天然气则主要是捕获的晚期阶段生成的产物, 从而使其组分偏干、碳同位素偏重。由于N 2k 末时喜山末期构造运动强烈, 克拉2构造圈闭抬升, 聚集在白垩系背斜中的油气发生再转移, 并调整到现今克拉2号气藏中, 形成现今的克拉2号气藏。参考文献(R eferences) :

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THE OVERALL APPR OACH OF H YD R OCARBON FILLING PERIODS AN D PR OCESS IN SEDIMENTAR Y BASINS

ZHAO Meng 2jun 1, SON G Yan 1, PAN Wen 2qing 2, HAN Jian 2fa 2, L IU Shao 2bo 1, Q IN Sheng 2fei 1

(1. Research Instit ute of Pet roleum Ex ploration and Development , Pet roChi na , Beiji ng 100083, Chi na ;

2. Tari m Oilf iel d Com pany of Pet roChi na , Kola 841000, Chi na )

Abstract :The method development of hydrocarbon filling periods is discussed at different study stages. At an early stage , hydrocarbon filling periods and process are derived according to the relationship and efficiency of generation , reservoir , seal , migration , accumulation and preservation. These methods , which are called ”for 2ward methods ”based on the history of structural evolution , trap evolution and hydrocarbon generation and ex 2pulsion , have been developed in more details in recent years. At the same time , hydrocarbon filling periods and process can be ”traced ”based on fossil records of petroleum migration and accumulation in the reservoirs , such as differentiation of hydrocarbon , fluid inclusions , reservoir bitumen , isotopic dating of authigenic minerals. In the paper , the overall approach of hydrocarbon filling periods and process are displayed by elucidating the filling pro 2cess of K ela 22, in the base of differentiation of hydrocarbon , fluid inclusions , reservoir bitumen and isotopic dat 2ing of authigenic minerals combined with the history of structural evolution , trap evolution , hydrocarbon genera 2tion and expulsion and the relationship and efficiency of every geological condition.

K ey w ords :Hydrocarbon filling periods ; Hydrocarbon differentiation ; Fluid inclusions ; Reservoir bitumen ; Isotopic dating of authigenic minerals.