鄂尔多斯盆地北部上古生界天然气成藏期次——以杭锦旗探区为例

摘 要

摘要：杭锦旗探区是中国石油化工股份有限公司在鄂尔多斯盆地北部的一个重点区块，油气生、储、盖条件良好，目前对于该区上古生界天然气成藏期次的认识存在分歧。通过生烃时间法、
摘要：杭锦旗探区是中国石油化工股份有限公司在鄂尔多斯盆地北部的一个重点区块，油气生、储、盖条件良好，目前对于该区上古生界天然气成藏期次的认识存在分歧。通过生烃时间法、圈闭形成期法、流体包裹体法以及储层致密化时间和煤热解模拟结果等方法对该区上古生界油气成藏期次展开研究。结论认为杭锦旗探区上古生界存在2期大规模油气运聚；结合生烃高峰和流体包裹体均一化温度结果，明确了该区上古生界油气成藏时间，分别对应于中-晚侏罗世和早白垩世末-至今，前者为油气兼生期，后者为大规模天然气生成期。研究过程中结合多种方法和手段来判识油气成藏期次，避免了单一方法的局限性，结论及认识的可信度更高。
关键词：鄂尔多斯盆地杭锦旗探区；晚古生代；天然气；成藏期次；生烃时间；圈闭形成期；流体包裹体
    研究油气成藏期次传统的方法是根据烃源岩主生排烃期、圈闭形成期、油气藏饱和压力等进行油气藏期次的分析。近年来，随着分析测试技术手段的提高，应用流体包裹体、自生矿物测年、油气藏地球化学以及油气水界面追溯等方法进行油气成藏期次的研究日益受到科研人员的重视，目前应用最为广泛的是运用流体包裹体确定油气成藏期[1～7]。这些新技术、新方法已经广泛地应用于油气地质勘探中，并取得了很好的效果，但同时也发现了一些问题，如测试样品的选择、测试误差、均一温度的不准确性、自生矿物的分离等，加之上述方法在使用过程中需要一些限制性条件[8～10]，导致了成藏期次研究的不确定性和多解性。
    鄂尔多斯盆地北部(以下简称鄂北)上古生界油气勘探一直停滞不前。近年来，随着苏里格、大牛地等亿吨级大气田的发现，给鄂北上古生界天然气勘探带来了极大的希望[11～15]。杭锦旗探区作为中国石化鄂北地区一个重点区块被寄予了很高的期望，目前已有学者对该区或附近油气成藏期次展开研究，但是认识存在较大分歧，有两期成藏、三期成藏及五期成藏等不同观点[16～19]。针对上述问题，笔者将传统方法和当前先进的油气成藏期次研究方法相结合，以此来分析杭锦旗探区上古生界天然气成藏期次。
1 区域地质概况
    杭锦旗探区(包括杭锦旗区块和杭南区块)位于鄂北，横跨伊盟隆起和伊陕斜坡两大一级构造单元，总面积为9825km2。根据基底顶面起伏、盖层发育情况以及构造形态特征，该区又可划分为乌兰格尔凸起、公卡汉凸起、杭锦旗断阶、伊陕斜坡及天环向斜一角等5个次一级构造单元(图1)[20～21]。在地形特征上，杭锦旗探区是鄂北地区长期继承性古隆起，被认为是鄂北油气运移的有利区。
    晚古生代沉积前，研究区一直处于长期隆起状态，属于基岩隆起区，基底主要由太古界-元古界混合化变质岩系组成，基岩岩性包括灰白色含榴浅粒变质岩、黑云母石英片岩、片麻岩、角闪岩、变粒岩、大理岩和石英岩等。
    至晚石炭世接受沉积以来，上古生界地层以不同层位由南向北超覆于太古-元古界基底之上。上石炭统太原组主要分布在研究区南部，为一套温暖潮湿气候条件下的陆表海潮坪相含煤碎屑岩沉积，包括潮道、砂坪、泥坪和沼泽坪等沉积微相，下二叠统山西组沉积了一套温暖潮湿气候下的三角洲平原相沉积，下石盒子组为一套辫状河沉积，上石盒子组为干旱气候条件下的河流相沉积，石千峰组主要为一套属内陆炎热干旱气候的河湖相沉积。
    石炭系太原组和二叠系山西组发育的煤层、暗色泥岩及碳质泥岩可以作为本区良好的烃源岩，这2组地层中发育的砂体与石盒子组砂体、泥岩一起构成了本区油气储集层和封盖层(图2)。
2 成藏期分析
2.1 生烃时间法
    通常来说，烃源岩大量生烃期即为油气的成藏期[1]，盆地模拟结果表明[22](表1)，杭锦旗探区上古生界烃源岩主要经历了2次大规模的生烃高峰。第一次生烃高峰发生于中侏罗世末，结束于侏罗纪末，此时研究区烃源岩已经进入生油门限，烃源岩成熟度不断增加，处于油气兼生阶段，但由于烃源岩有机质类型主要为腐殖型，液态烃产率最高，但与气态烃相比，气态烃仍然占据主导地位；第二次生烃高峰起始于早白垩世末，此时研究区经历了强度最大的晚燕山构造运动，地层发生倒转，形成现今东高西低，由南西向北东方向延伸的斜坡，烃源岩处于最大埋深，有机质成熟较高，Ro普遍在1.0%左右，烃源岩达到生气高峰。早白垩世以来，研究区又经历了构造抬升事件，但幅度不大，对有机质演化无较大影响，Ro与早白垩世末相当。该次生烃高峰也是本区最大生烃高峰，山西组和太原组生烃量分别达到18.597×108t和10.064×108t油当量。因此，根据烃源岩生烃模拟结果，认为本区发生过2期大规模的油气聚集成藏，一期为中-晚侏罗世，另一期为早白垩世末-至今。
表1 杭锦旗探区烃源岩不同时期总生烃量模拟统计表1)
层系
早三叠世末
中侏罗世末
侏罗纪末
早白垩世末
现今
石盒子组
0
0.005
0.007
0.014
0.017
山西组
0.143
7.28
9.486
18.597
22.164
太原组
0.241
4.53
5.342
10.064
11.873
合计
0.384
11.815
14.835
28.675
34.054
注：1)总生烃量的单位为108t洫当量。
2.2 圈闭形成期法
    圈闭形成期法能够确定油气成藏的最早时期。研究区的圈闭类型多属于地层超覆、岩性尖灭于加里东侵蚀面古残丘上而形成的披覆构造和断层牵引型的背斜及半背斜构造。一些受地形影响的圈闭，其形成期与构造活动关系不大，主要与沉积时间有关，如什股壕圈闭。而一些受褶皱、断裂影响的圈闭，其形成期与褶皱和断裂活动期密切相关，从成因上分析，这些与褶皱和断裂作用有关的圈闭主要受燕山期水平挤压应力形成，研究区上古生界此类圈闭定型期一般为燕山期或早于燕山期，如阿日柴达木圈闭。因此，根据圈闭定型期，可以推断本区主要油气成藏期应该在燕山期。
2.3 流体包裹体分析法
    流体包裹体是矿物结晶过程中捕获于晶体中的成岩成矿流体，是流体生成、运移、聚集过程中遗留下来的原始样品和历史记载，直接记录了沉积盆地油气成藏的条件及过程。通常由包裹体恢复古地温，根据古地温梯度进一步确定包裹体的形成深度，再根据研究区的沉积埋藏史和热演化史来确定包裹体的形成时间，进而确定油气的充注时间[4、8]。
    在对研究区锦6、锦7、锦8、锦9、锦10及锦11井岩心观察基础上，根据测井、试井解释结果，对油气活跃段山西组和下石盒子组进行系统取样，共计切制了11块流体包裹体样品，在Linkam THMSG-600冷热台上进行测试。
    测试结果表明，包裹体绝大多数属于气液两相包裹体，个别探井存在含油包裹体，显微镜下有明显的荧光现象(图3)。宿主矿物为石英，一般在裂缝中成串分布(图4)，形态不规则，大小为2～4μm，气液比较低，一般在5%左右，包裹体颜色主要呈黑色或无色(占绝对优势)。包裹体盐度基本上反映了地质历史时期包裹体形成时水介质的含盐度。本区上古生界古盐度分布在0～8%，表明当时研究区沉积水古盐度比较淡，属于潮湿环境。
 
    通过对6口探井的包裹体测试结果分析统计，研究区上古生界包裹体均一化温度区间为85～140℃，其中绝大部分数值分布在90～130℃。在这个范围内，均一化温度又可分为2个区间(90～110℃和115～130℃)(图5)，表明上古生界可能至少存在2期油气充注。根据对研究区上古生界古地温史和埋藏史分析，古地表温度取20℃，古地温梯度取2.7℃/100m，分别计算2组包裹体对应的深度2540～3270m和3454～3810m。其对应的油气大规模运移期分别为中-晚侏罗世和早白垩世末-至今(图6)。该结果与研究区烃源岩生烃模拟结果相匹配且与圈闭形成期不冲突，表明计算结果合理。
 
2.4 其他方法
    除了上述几种方法外，笔者还通过杭锦旗探区上古生界储层致密化时间和煤热解模拟结果来判别该区油气的大致成藏时间。
    根据杭锦旗探区上古生界储层致密化研究可知[23]，该区上古生界储层致密化时间大约发生在晚侏罗世末-早白垩世初，结合上古生界发现的油气分布特征，认为该区上古生界至少经历了2期油气充注。根据油气两类含烃流体对运移通道要求的区别，油运移主要发生在储层致密化之前，而之后只能满足天然气的运移条件。也就是说，储层致密化期间前后分别经历了1期油气充注，前期(晚侏罗世以前)为油气兼生期，后期(早白垩世初以后)为天然气大规模运聚期。
    根据前人对上古生界煤热解气的甲烷碳同位素分析研究[23]，指出上古生界煤成气都是在煤的变质程度为肥煤阶段产生的，对比研究区上古生界煤层热演化结果(表2)，可知本区上古生界天然气大规模成藏时间应该为早白垩世末。
表2 杭锦旗探区上古生界煤层热演化程度表[23]    %
井号
T3末
煤阶
J1末
煤阶
J2末
煤阶
J2末
煤阶
伊8
＜0.5
褐煤
0.504
长焰煤
0.570
长焰煤
0.677
气煤
伊23
＜0.5
褐煤
＜0.5
褐煤
0.528
长焰煤
0.600
长焰煤
伊2
＜0.5
褐煤
＜0.5
褐煤
0.505
长焰煤
0.619
长焰煤
井号
K1末
煤阶
K2末
煤阶
E末
煤阶
Q
煤阶
伊8
1.467
焦煤
1.750
瘦煤
1.951
贫煤
1.991
贫煤
伊23
1.129
肥煤
1.318
焦煤
1.469
焦煤
1.503
焦煤
伊2
0.956
气肥煤
1.105
气肥煤
1.424
焦煤
1.305
焦煤
3 结论及认识
    杭锦旗探区上古生界具备良好的天然气生成、储集及封盖条件，并已有良好的天然气发现。通过生烃时间法、圈闭形成期法、流体包裹体法以及储层致密化时间和煤热解模拟结果等方法手段共同展开杭锦旗探区上古生界油气成藏期次研究，研究结果认为该区上古生界油气成藏时间和期次主要落在燕山期内，存在2期大规模油气运聚，分别对应于中-晚侏罗世和早白垩世末-至今。本次研究结合多种方法和手段来判识油气成藏期次，避免了单一方法所产生的误差，结论认识具有较高的可信度。同时也存在探井样品收集不全，范围集中等缺点，今后有必要在全区范围内展开进一步油气成藏期次研究工作，为更准确地认清该区油气成藏及分布规律服务。
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(本文作者：薛会1 王毅1 毛小平2 徐波2 聂海宽2 殷毅2 郭华强2 1.中国石化石油勘探开发研究院；2.中国地质大学 北京)