杨海军1,2，石万忠3,4，杜浩3,4，史玲玲1,2，王祥1,2，董国宁3,4，莫涛1,2，左廷娜3,4，徐立涛3,4，姜潇俊3,4
基金项目:中国石油天然气集团有限公司科技项目“超深层碎屑岩油气分布规律与区带目标优选”(2023ZZ14YJ02)资助。
摘要:塔里木盆地库车坳陷博孜—大北地区是近年来深层—超深层油气勘探的主战场之一,具有构造变形强、断裂体系复杂、构造圈闭密集排布的特征。目前的勘探结果显示,研究区不同圈闭内的油气相态、成熟度存在明显差异,并在平面上呈现明显的递变规律,但其成因机制尚不明确。此外,研究区还存在油气充注期次不明、构造圈闭的演化时序不清的问题。基于流体包裹体技术、埋藏史-热演化史模拟、三维地震资料解释和油气碳同位素测试结果,分析了研究区巴什基奇克组的油气充注期次及其对构造圈闭形成时序的指示。研究结果表明:①巴什基奇克组的流体包裹体主要为烃包裹体所伴生的盐水包裹体,发育少量气液两相包裹体和气态烃包裹体,主要赋存在石英颗粒或石英的愈合裂隙中;②研究区整体存在3期油气充注,博孜地区的油气充注以第1期和第3期为特征,而大北地区的油气充注以第2期和第3期为特征且整体晚于博孜地区;③结合油气充注期次、成熟度及气油比分析认为,大北地区可在其后缘(北部)优先形成圈闭,并逐渐向前缘(南部)扩展,而博孜地区由于受温宿古隆起遮挡,会优先在其南缘和北缘形成圈闭,进而向中部逐渐扩展。
关键词:库车坳陷;流体包裹体;油气成藏期次;构造圈闭形成时序;逆冲推覆
中国油气勘探工作逐渐由浅层向深层发展,并逐步推进到超深层勘探领域[1-3]。塔里木盆地库车坳陷是中国典型的深层—超深层勘探区块之一,近年来陆续发现了大规模的油气藏[4],特别是新发现的博孜9气藏、博孜12气藏、大北12气藏、大北14气藏等多个气藏呈连片分布,初步估算具有万亿立方米的天然气储量,实现了中国深层—超深层天然气勘探的重大突破[5-6]。
库车坳陷博孜—大北地区从北向南发育成排成带的构造圈闭,这些构造圈闭普遍有油气充注,但不同油气藏的充注时间、相态和成熟度存在明显差异[7-8]。贾茹等[9]和Zhao等[10]研究认为,库车坳陷存在2~3期油气充注,油气藏普遍具有“早期聚油、晚期聚气”的特征。多期次的油气充注使得研究区的油气藏相态多样,其中,博孜地区以凝析气藏和油藏为主,大北地区以湿气气藏为主[11-13]。除了整体差异外,油气藏在博孜地区和大北地区内部也存在较大的相态差异,如在博孜7区块主要为挥发油藏,在博孜9区块表现为凝析气藏,而在大北3区块则表现为干气[10,12,14]。Wang等[15]针对库车坳陷前陆盆地的油气成藏特征开展了研究,主要侧重分析克拉苏构造带东部克拉地区、克深地区的典型油气藏特征和成藏过程,对博孜—大北地区的油气成藏研究相对薄弱。博孜—大北地区的油气充注期次、成熟度和相态差异特征需要进一步厘定,同时还需深入分析研究区构造圈闭的形成及其与构造演化的耦合关系[16-17]。笔者基于流体包裹体和天然气碳同位素等地球化学测试数据,结合气油比的平面分布和三维地震资料,系统分析了博孜—大北地区的油气充注时期、油气成熟度和相态差异特征,揭示了构造圈闭形成和研究区构造变形的时序[10,18]。
1 区域地质概况
库车坳陷位于塔里木盆地北缘,北邻南天山,南至塔北隆起。库车坳陷可划分为7个二级构造单元,即北部单斜带、克拉苏—依奇克里克构造带、拜城凹陷、阳霞凹陷、乌什凹陷、秋里塔格构造带和南部斜坡带,其中,克拉苏构造带是库车坳陷油气的重要富集带。
克拉苏构造带是库车坳陷一条近EW走向的重要构造带,具有东西分段、南北分带的特征(图1),自西向东可划分为阿瓦特段、博孜段、大北段、克深段和克拉段,自南向北发育博孜—克拉苏断裂带、克深断裂带和拜城断裂带3大断裂带[1,19]。这些断裂带和褶皱带导致区域内地层变形和错动,对油气的运移和聚集具有重要的影响[9,20-21]。
图1 库车坳陷克拉苏构造带构造位置、构造特征及油气藏分布
Fig.1 Location,structural characteristics,and distribution of oil-gas reservoirs in Kelasu structural belt of Kuqa depression
研究区位于克拉苏构造带西部,其烃源岩主要分布在侏罗系和三叠系[10,22-23]。博孜—大北地区的含油气层系为下白垩统巴什基奇克组致密砂岩储层,是一套辫状河三角洲—扇三角洲前缘体系下的砂泥岩互层沉积,储层非均质性强、埋深在6 000~8 000 m,属于典型的深层—超深层油气藏[24-25]。库姆格列木群中的膏泥岩段是下伏储层的优质盖层(图2),能够很好地封盖下伏巴什基奇克组中的超压油气,对该地区油气的保存具有重要作用[26-28]。
图2 克拉苏构造带博孜—大北地区储-盖层综合地层特征
Fig.2 Comprehensive stratigraphic characteristics of reservoir and cap in Bozi-Dabei area of Kelasu structural belt
2 样品采集与处理
流体包裹体样品采自库车坳陷克拉苏构造带博孜地区和大北地区17口井的岩心,45件样品均来自下白垩统巴什基奇克组。17口采样井主要分布在克深断裂带和拜城断裂带,其中,博孜18井、博孜22井、博孜301井、博孜1203井、博孜15井、大北9井、大北10井、大北102井、大北203井和大北12井分布在克深断裂带;博孜106井、博孜2402井、博孜7井、博孜8井、博孜9井、大北4井和大北304井分布在拜城断裂带。流体包裹体测试在武汉市新生纪科技有限公司的实验室完成,采用日本生产的Olympus BX50型显微镜与英国Linkam科学仪器公司生产的TH MSG600型冷热台测试设备,按照流体包裹体的测试标准,共获得418个流体包裹体均一温度数据。在研究区17口重点井中选取了30件天然气样品进行甲烷碳同位素测试并分析其成熟度。同时在8口井中选取了8件原油样品进行定量色谱-质谱分析,通过计算甲基菲比值(RMP)推算源岩的成熟度。样品涵盖了克拉苏构造带内不同断裂带的代表性钻井,依据这些样品可系统地查明研究区油气的充注期次、成熟度和相态差异,揭示构造圈闭的形成时序[29-31]。
3 油气充注期次
分析表明,博孜—大北地区存在5种不同类型的包裹体(图3):蓝白色荧光油包裹体、蓝绿色荧光油包裹体、亮黄色荧光油包裹体、黑色气态烃包裹体和两相盐水溶液包裹体。其中,油包裹体较少发育,只有在博孜地区检测到发黄色荧光和发蓝白色荧光的油包裹体,且主要发育在石英裂纹中。2种不同类型的油包裹体代表了2期油充注,其中,发黄色荧光的油包裹体代表了早期成熟度相对较低的原油充注,发蓝白色荧光的油包裹体代表了晚期成熟度相对较高的原油充注。在大北地区检测到黑色气态烃包裹体,指示大北地区存在晚期高成熟—过成熟天然气充注[32-33]。两相盐水溶液包裹体由盐水溶液+气体组成,包裹体的直径为3~12 μm,形态呈不规则状、长条形或椭圆形等,在碎屑颗粒中呈群状、线状分布。在博孜102井、大北304井等井中可观察到与烃类包裹体伴生的盐水包裹体(图3)。
(a)蓝白色荧光油包裹体,博孜301井5 853.26 m,荧光照片;(b)蓝绿色荧光油包裹体,博孜301井5 840.40 m,荧光照片;(c)亮黄色荧光油包裹体,博孜301井5 931.23 m,荧光照片;(d)亮黄色荧光油包裹体,博孜102井6 761.84 m,荧光照片;(e)亮黄色荧光油包裹体,博孜102井6 865.37 m,荧光照片;(f)蓝白色荧光油包裹体,博孜9井7 679.70 m,荧光照片;(g)气态烃包裹体及伴生盐水包裹体,博孜102井6 788.74 m,显微电镜;(h)蓝白色荧光气态烃包裹体,博孜102井6 788.74 m,荧光照片;(i)黑色气态烃包裹体及伴生盐水包裹体,大北304井5 986.20 m,显微电镜。
图3 库车坳陷克拉苏构造带地区储层烃包裹体显微荧光照片和盐水包裹体显微电镜照片
Fig.3 Microscopic fluorescence images of hydrocarbon inclusions and electron microscopic images of saline inclusions from reservoirs in Kelasu structural belt of Kuqa depression
为确定流体活动的期次,笔者对研究区巴什基奇克组的盐水包裹体进行了显微测温和盐度分析,得到了盐水包裹体的均一温度分布和冰点温度,并按照第1期黄色荧光油包裹体、第2期蓝色荧光油包裹体和第3期气态烃包裹体的伴生盐水包裹体分期进行统计,绘制了烃类包裹体的伴生盐水包裹体均一温度分布图(图4)。研究结果显示:第1期伴生盐水包裹体的均一温度分布在92.3~127.5 ℃[图4(a)];第2期伴生盐水包裹体的均一温度分布在93.6~135.4 ℃[图4(b)];第3期伴生盐水包裹体的均一温度分布在103.7~153.4 ℃[图4(c)]。为进一步厘定研究区流体的活动期次,以烃类包裹体的伴生盐水包裹体为基准,依据其他盐水包裹体的均一温度和冰点温度特征划分期次,其结果显示:研究区盐水包裹体的冰点温度整体差异不大,最高为-1.1 ℃,最低为-7.3 ℃;均一温度差异较大,最低为81.2 ℃,最高为173.2 ℃。整体来看,相较于博孜地区,大北地区流体包裹体的均一温度较高,指示二者流体活动的期次存在差异[图4(d)]。
图4 博孜—大北地区巴什基奇克组与烃类包裹体伴生的盐水包裹体的均一温度及盐水包裹体均一温度与冰点关系
Fig.4 Homogenization temperatures of saline inclusions associated with hydrocarbon inclusions and the relationship between homogenization temperatures of saline inclusions and freezing points in Bashijiqike Formation of Bozi-Dabei area
将各期与油、气包裹体相伴生的同期盐水包裹体的均一温度作为其捕获时的最小古温度,并将之“投影”到单井埋藏史图(图5)中,即可以确定出各期油气的成藏时期[34-35]。杨海军等[36]认为:拜城凹陷上三叠统烃源岩在中新世(23~12 Ma)大量生油;中—下侏罗统烃源岩则在5 Ma以后大量生气,特别是在2 Ma以后大量生成干气;结合博孜地区部分钻井岩心中检测到的油包裹体来约束,可以确定出充注烃类的相态类型。田军等[5]认为:克拉苏构造带西部的第Ⅰ成藏期在新近系康村组沉积早—中期(距今26~10 Ma),期间侏罗系、三叠系烃源岩普遍进入成熟阶段,以恰克马克组烃源岩的成熟为主;第Ⅱ成藏期在库车组沉积晚期—第四系西域组沉积期(距今5~1 Ma),期间埋深急剧增加,烃源岩达到高成熟—过成熟阶段。笔者根据流体包裹体均一温度和冰点温度的测试结果,将研究区的流体充注划分为3期。基于研究区典型井(博孜7井和大北304井)的埋深和热演化史研究,将所测的盐水包裹体均一温度进行投影后显示:博孜7井经历了第1期和第3期的油气充注,大北304井经历了第2期和第3期的油气充注(图5)。第1期在11~9 Ma,对应的地质时期为中新世,侏罗系烃源岩已经处于生油阶段,充注流体以原油为主;第2期在10~7 Ma,充注发生在中新世末期—上新世初期,烃源岩处于生油—生气过渡阶段,油和气均有充注;第3期在2~1 Ma,充注发生在更新世,烃源岩处在生气阶段,以天然气充注为主。
图5 库车坳陷克拉苏构造带博孜7井和大北304井储层埋藏史及油气成藏期次
Fig.5 Reservoir burial history and oil-gas accumulation periods of Well Bozi7 and Well Dabei304 in Kelasu structural belt of Kuqa depression
将博孜地区和大北地区其他钻井中检测到的与油气包裹体相伴生的同期盐水包裹体的均一温度投到对应井的埋藏史图(图6)上,得到各个井点的油气充注时间,最终确定出博孜地区和大北地区的油气成藏期次。总体来看,博孜地区的油气充注以第1期和第3期为主,第2期为辅,其中,第1期以油气充注为主,第3期以天然气充注为主;而大北地区的油气充注以第2期和第3期为主,第1期为辅,其中,第2期以油气充注为主,第3期以天然气充注为主。因此,博孜地区的气油比(天然气体积与石油体积的比值)远低于大北地区的气油比,博孜地区以发育凝析气藏为主,大北地区的天然气以湿气为主(图7)。
图6 博孜—大北地区烃类充注期次
Fig.6 Hydrocarbon charging periods and time in Bozi-Dabei area
图7 博孜—大北地区白垩系巴什基奇克组气油比及天然气成熟度平面分布
Fig.7 Gas-oil ratio and natural gas maturity distribution of Cretaceous Bashijiqike Formation in Bozi-Dabei area
研究区的油气相态自西向东逐渐由博孜地区的油藏和凝析气藏(高凝析油含量)过渡为大北地区的凝析气藏(低凝析油含量),再到克深—克拉地区的干气气藏。王珂等[37]和雷刚林等[38]研究指出:克拉苏构造带西部地区的原油主要来自中侏罗统恰克马克组烃源岩,其沉积中心位于大北—博孜区段,目前处于生油阶段;而中—东部的天然气则主要来自上三叠统黄山街组烃源岩,其沉积中心位于克拉—大北地区一带;博孜地区的烃源岩厚度较薄,目前处于生干气阶段。博孜地区中侏罗统恰克马克组烃源岩的热演化程度较大北地区烃源岩的热演化程度低,其上三叠统黄山街组烃源岩的厚度较薄,生气强度有限,因此博孜地区和大北地区在油气成熟度和油气相态上存在整体差异。在博孜地区,原油中的重排藿烷异常丰富,碳同位素重,指示原油主要来源于恰克马克组烃源岩,油气来源稳定[5]。大北地区的凝析气藏具有一定的混源特征,是三叠系过成熟干气和恰克马克组原油伴生气的混合产物,其中,2套烃源岩处于协同演化、持续生烃的过程,整体相对稳定。成因上,圈闭的形成和油气充注过程对油气藏的相态、成熟度等具有重要的控制作用。
4 油气成熟度及相态分布
4.1 油气成熟度
甲烷碳同位素和油气成熟度的相关性可由大量的实测数据进行定量/半定量表征。陈建平等[42]提出了甲烷碳同位素组成与油气镜质体反射率(Ro)之间的经验关系式:
笔者对8口井中的原油样品进行了定量色谱-质谱分析,计算得到RMP[其值为(3-甲基菲+2-甲基菲)与(9-甲基菲+1-甲基菲)的比值]。陈琰等[43]提出了腐殖型烃源岩的RMP与折算Ro之间的经验关系式:
笔者采用上述公式计算了油气藏中原油和天然气的成熟度(表1、表2),结果显示:博孜地区油气的Ro为1.16%~1.24%,大北地区油气的Ro为1.67%~2.70%。总体来看,大北地区巴什基奇克组天然气的成熟度相对于博孜地区整体较高(图7)。博孜地区和大北地区的油气成熟度也存在局部差异,并在平面上表现出递变规律。博孜地区的天然气成熟度和油成熟度均呈现出由西南缘向东北缘逐渐升高的特征,如在博孜11井—博孜1203井—博孜17井,Ro的依次变化为0.93%、1.16%和1.24%。大北地区的天然气成熟度呈现出由东南缘向西北缘逐渐降低的特征,如在大北302井—大北301井—大北202井—大北102井,Ro的依次变化为2.11%、1.94%~2.09%、1.92%~2.12%和1.87%~1.92%(表1)。
4.2 油气相态平面分布的差异
博孜—大北地区的油气相态存在显著差异,博孜地区以发育凝析气藏为主,伴有部分易挥发油藏,而大北地区以发育湿气气藏为主。博孜地区和大北地区油气相态、成熟度和气油比的差异是由烃源岩成熟度的差异导致的[44]。除整体差异外,博孜地区和大北地区内部也存在显著的相态差异,并且表现出一定的递变规律(图7)。在博孜地区西南缘博孜9井、博孜10井、博孜301井等井中,油气藏为高凝析油含量的凝析气藏,博孜7井为易挥发油藏,气油比小于500 m3/m3;博孜地区东北缘则以发育低凝析油含量的凝析气藏为主,气油比为5 000~10 000 m3/m3,如博孜18井、博孜102井和博孜22井等。博孜地区整体具有由西南缘向东北缘气油比逐渐升高的趋势,油气的相态逐渐由易挥发油藏向低凝析油含量的凝析气藏过渡。大北地区虽均为湿气气藏,但存在显著的气油比差异,东南缘大北304井区的气油比为120 000 m3/m3,中部大北2井区的气油比集中在50 000~90 000 m3/m3,大北1井区的气油比为30 000~40 000 m3/m3,整体呈现出由北缘向南缘气油比逐渐升高的趋势(图7)。
5 对构造圈闭形成时序的指示
博孜地区的油气充注以第1期和第3期为主;而大北地区的油气充注以第2期和第3期为主。博孜地区从西南缘到东北缘气油比逐渐升高,油气成熟度逐渐升高;而大北地区从东南缘到西北缘气油比逐渐降低,油气成熟度逐渐降低。这些特征共同指示博孜地区和大北地区构造圈闭的形成时序具有一定差异,需要进一步分析。
博孜—大北地区受SN向强构造挤压应力作用,形成了近EW走向的褶皱冲断带。田军等[5]和王冰等[19]研究认为,博孜—大北地区的构造演化整体表现为北部早、南部晚,即北部断层及圈闭先形成。然而,博孜地区的流体充注期次显示,西南缘博孜8井和博孜7井的油气充注主要在第1期和第2期,而东北缘博孜22井的油气充注明显晚于西南缘,以在第2期和第3期为主,这指示博孜地区西南缘的流体充注时间早于东北缘圈闭形成时间(图8)。博孜地区巴什基奇克组的圈闭主要由成排成带的断背斜组成,圈闭的形成与逆冲断层的活动高度相关,所以圈闭的形成时间可以指示构造变形的时序[45]。在博孜地区西南缘,由于断层活动时间早,圈闭形成时间早,油气充注时间较早;此外,由于先油后气的充注次序,早期形成的圈闭捕获原油的概率更高,油气相态以高凝析油含量的凝析气藏和易挥发油藏为主。在博孜中部地区,由于断层活动时间相对晚,圈闭形成时间晚,油气充注时间较晚,圈闭捕获原油的概率低,油气相态以低凝析油含量的凝析气藏为主。在博孜地区东北缘,大北14井气油比低的特征指示其圈闭形成时间较早。
图8 博孜地区典型油气藏剖面及构造演化时序(剖面位置见图1)
Fig.8 Oil-gas reservoir profiles and tectonic evolution sequences in Bozi area
大北地区从东南缘到西北缘表现为气油比和油气成熟度逐渐降低(图9)。流体包裹体指示的油气充注期次显示,在位于大北地区东南缘的大北304井,流体充注以第2期、第3期记录为主,而在位于西北缘的大北102井和大北1201井,均检测到第1期流体充注,这指示大北地区北缘圈闭的形成时间更早。
图9 大北地区典型油气藏剖面及构造演化时序(剖面位置见图1)
Fig.9 Oil-gas reservoir profiles and tectonic evolution sequences in Dabei area
从构造演化时序来看,博孜地区在南缘温宿古隆起遮挡和北缘挤压构造应力作用下,会优先在南缘和北缘形成圈闭,进而向中部逐渐扩展,因而其构造演化时序表现为南北早、中部晚。但在大北地区,由于其北缘在强挤压构造应力作用下表现为典型的以前展式方式扩展,可优先在北缘形成圈闭,进而逐渐向南缘扩展,因而其构造演化时序表现为北早南晚。研究区构造演化的差异影响了圈闭的形成时序,进而控制了油气的充注和油气藏的形成。
对研究区圈闭形成及构造演化时序的再认识不仅可以指导油气勘探,同时对逆冲推覆区的构造演化研究有一定的启示。
6 结论
(1) 库车坳陷克拉苏构造带白垩系储层发育液态烃包裹体、气液两相烃包裹体和气态烃包裹体,以盐水包裹体为主;博孜—大北地区巴什基奇克组主要存在3期油气充注,其中,博孜地区的油气充注以第1期(11~7 Ma)和第3期(2~0 Ma)为特征,而大北地区的油气充注以第2期(6~4 Ma)和第3期(1~0 Ma)为特征。第1期和第2期充注主要为油气混合充注,第3期充注主要为气充注。
(2) 在博孜地区,从西南缘向东北缘气油比和油气成熟度逐渐升高;而在大北地区,从东南缘到西北缘气油比和油气成熟度逐渐降低。
(3) 大北地区受北缘强挤压构造应力作用影响,可优先在北缘形成圈闭,进而逐渐向南缘扩展,因而其构造演化时序为北早南晚。博孜地区在南缘温宿古隆起的遮挡和北缘挤压构造应力作用下,会优先在南缘和北缘形成圈闭,进而向中部逐渐扩展,因而其构造演化时序为南北早、中部晚。
引用本文
杨海军, 石万忠, 杜浩, 史玲玲, 王祥, 董国宁, 莫涛, 左廷娜, 徐立涛, 姜潇俊. 库车坳陷博孜—大北地区油气充注期次、成熟度及其对构造圈闭形成时序的指示[J]. 石油学报, 2024, 45(10): 1480-1491.