松遼盆地梨樹斷陷期儲層流體包裹體特征及油氣成藏期次

李永剛

(中國石油化工股份有限公司 東北油氣分公司,吉林 長春 130062)

成藏期次是油氣成藏研究中的關鍵問題之一,是研究油氣藏形成過程和分布規律的基礎,對油氣勘探開發具有重要意義[1-3]。目前,研究油氣成藏期的有效手段包括自生伊利石測年法[4-5]、磷灰石裂變徑跡法[6-7]和流體包裹體與熱史(埋藏史)結合法[8-13]等。

流體包裹體捕獲了地質歷史時期的流體,記錄了流體包裹體形成時的流體組分、壓力、相態及古溫度和古鹽度等信息,是油氣成藏過程研究的重要證據,具有重要研究價值[14]。流體包裹體分析首先開展巖相學分析,研究石油包裹體組合特征和豐度;測試與石油包裹體共生的鹽水包裹體的均一化溫度和鹽度,與埋藏史結合可確定石油充注時間[8-13];石油包裹體熒光光譜能夠分析石油包裹體組分[8-13]。

梨樹斷陷是松遼盆地重要的富烴坳陷,斷陷期沉積了厚層的泥巖和砂巖,形成了良好的生儲蓋組合,具有較好的油氣資源潛力[15-21]。前人針對梨樹斷陷油氣成藏開展了深入研究,認識到梨樹斷陷具有多期構造疊加演化[15-16]、多源供烴[17-19]、多期運聚[20-21]等特征,導致不同地區油氣藏相態及成藏時間差異大,對高效勘探開發提出了挑戰。因此,深化梨樹斷陷層碎屑巖儲層的油氣成藏研究具有重要意義。本文在前人研究的基礎上,應用流體包裹體分析結合盆地模擬技術,開展了梨樹斷陷沙河子組油氣充注歷史和成藏演化研究,以期為梨樹斷陷油氣勘探提供依據,為斷陷盆地油氣成藏研究提供借鑒。

1 地質背景

梨樹斷陷位于松遼盆地南部,在西側桑樹臺邊界斷裂的控制下,形成“西斷東超”的箕狀斷陷構造樣式,構造單元可劃分為東南斜坡帶、北部斜坡帶、中央隆起帶、蘇家屯次洼帶、雙龍次洼帶和桑樹臺洼陷帶,如圖1(a)所示。梨樹斷陷經歷斷陷期、斷拗轉換期、拗陷期和構造反轉期4個演化階段,形成了構造、巖性、地層等多種類型的圈閉,控制了油氣藏的類型與分布。梨樹斷陷在斷陷期沉積了火石嶺組、沙河子組、營城組和登婁庫組,形成了良好的生儲蓋組合,如圖1(b)所示。研究區發育火石嶺組、沙河子組與營城組烴源巖,其中火石嶺組有機質類型主要為Ⅲ型,沙河子組和營城組有機質類型以Ⅱ型為主,具有早期生油、晚期生氣的特征[17-19]。儲層巖性以砂礫巖為主,鏡下可見石英次生加大邊、長石絹云母化和方解石膠結等成巖特征[22-24]。

2 流體包裹體分析

2.1 樣品與實驗方法

采集梨樹斷陷6口井(梨6、梨601、金1、河山3、河山4、河山9)沙河子組的28塊巖心樣品,制成雙面拋光的薄片(厚度100 μm),在20 ℃室溫條件下,開展流體包裹體巖相學、微束熒光譜學和顯微測溫分析。實驗儀器采用Olympus顯微鏡,連接熒光光譜儀(激發波長為365 nm)。流體包裹體均一化溫度(Th)和冰融溫度(Tm)利用Linkman THMS600G冷熱臺測定,Th測試精確度為1 ℃,Tm測試精確度為0.1 ℃。

2.2 流體包裹體巖相學特征

流體包裹體巖相學研究是在顯微鏡透射光和紫外光下,分析不同期次包裹體組合的產狀、大小、相態、熒光顏色、氣液比等特征[25-26]。梨樹斷陷沙河子儲層巖性主要為長石巖屑砂巖,礦物類型主要為石英、長石、方解石和黏土礦物,顆粒間呈點—線接觸,主要發育粒間孔隙,部分為長石溶蝕形成斑點狀孤立粒內溶孔;可見大量石英次生加大邊,粒間填充少量方解石膠結物,長石部分被溶蝕并被方解石交代,經歷了機械壓實、石英次生加大邊、長石溶蝕、方解石交代長石、溶解作用等成巖作用過程,如圖2(a)—(d)所示。

樣品中石油包裹體和與其共生的鹽水包裹體非常豐富,大多為氣—液兩相,在20 ℃室溫條件下可見小氣泡,氣液比較小(圖2)。第1種包裹體組合發育于石英次生加大邊、方解石膠結物中,如圖2(e)—(h)所示。結合成巖演化研究表明,該組合為后期成巖過程中被捕獲,形成時間晚。包裹體呈分散狀、帶狀、群狀分布,大小為1 μm×3 μm～3 μm×6 μm,形態不規則,氣液比小于5%。第2種包裹體組合發育于穿石英的裂縫中,如圖2(i)、(j)、(l)、(m)、(o)、(p)所示,發育呈串珠狀、帶狀分布,比共存的鹽水包裹體大,一般大小為1 μm×3 μm～3 μm×17 μm,多為圓形、橢圓形,氣液比小于5%;在石油包裹體的樣品中也可見少量氣態烴包裹體,主要分布在石英的裂隙中,大小為1 μm×1 μm～2 μm×5 μm,多為圓形、橢圓形,如圖2(k)、(n)所示。

圖2 梨樹斷陷沙河子組流體包裹體巖相學特征Fig.2 Petrographic characteristics of fluid inclusions in Shahezi Formation of Lishu fault depression

不同化學組分的石油(API密度和熱成熟度不同)具有不同的熒光顏色,肉眼區分石油包裹體的熒光顏色帶有主觀性,無法準確判斷顏色[25]。測試石油包裹體的顯微熒光光譜,獲取包裹體中石油的成熟度信息,并計算了熒光顏色對應的CIE色度。樣品中石油包裹體的熒光顏色主要為近黃色和藍白色(圖2)。前人認為,流體包裹體不同的熒光顏色反映了不同的烴類性質,近黃色熒光石油包裹體反映了烴源巖在成熟階段釋放的油氣被宿礦物捕捉形成,具有低成熟、高重質組分的特點;藍白色熒光石油包裹體反映了烴源巖在高成熟階段釋放的凝析油氣被宿主礦物捕捉形成,具有高成熟、低重質組分的特點[25]。通過測試單個包裹體熒光光譜并確定熒光顏色的CIE色度,可以顯著地區分石油包裹體的熒光顏色(圖3)。結果表明,河山3井的樣品中含油近黃色和藍白色油包裹體,前者在石英裂隙中發育,后者在石英次生加大邊中發育,反映了河山3井的2種包裹體在不同時期被捕獲,如圖2(e)、(f)所示。其余井的樣品均為單一的熒光顏色,為近黃色或藍白色。

圖3 梨樹斷陷沙河子組石油包裹體熒光色度坐標Fig.3 Fluorescence chromaticity coordinates of petroluem inclusions in the Shahezi Formation of the Lishu fault depression

2.3 流體包裹體均一溫度和鹽度特征

石油包裹體的熒光顏色存在顯著的差異,表明捕獲了不同成熟度的石油,可能是不同時期充注的或是同期不同來源的石油。因此,需要通過流體包裹體顯微測溫分析石油充注期次。流體包裹體的均一溫度反映了被捕獲時的古溫度,對于研究油氣充注期次具有重要的指示意義[9]。一般來說,烴類包裹體被宿主礦物捕獲時,溫度往往偏高,不能真實地反映油氣充注時地層的溫度;而與烴類包裹體共生的鹽水包裹體的均一溫度具有更高的穩定性,代表了油氣被捕獲時的最低溫度,通常被作為油氣充注期次的劃分依據[26]。

選取研究區典型鹽水包裹體進行激光拉曼的測定,結果表明,與石油包裹體共生的鹽水包裹體均飽和甲烷(圖4)。通過測量其均一溫度,可反映石油包裹體被捕獲時的溫度,飽和甲烷的鹽水包裹體的均一化溫度可以代表真實的包裹體捕獲溫度,不需進行任何壓力校正[26]。

研究區主要發育含近黃色石油包裹體、藍白色石油包裹體、氣態烴包裹體和含甲烷鹽水包裹體。在梨601井沙河子組3 065.7 m處,測得4個烴類伴生鹽水包裹體的均一溫度為107～110 ℃;其余18個點均為獨立的含甲烷鹽水包裹體,均一溫度在90～134 ℃。金1井沙河子組2 754.2 m處發育大量的含甲烷鹽水包裹體,其中有14個包裹體賦存在石英裂隙中,測得均一溫度為101～146 ℃;有5個包裹體賦存在方解石中,測得均一溫度為105～138 ℃。同樣,在河山3井沙河子組3 462 m處,發育大量的含烴鹽水包裹體,均一溫度為111～132 ℃的包裹體賦存在石英裂隙中,均一溫度為130～146 ℃的包裹體賦存在石英次生加大邊中,2種宿主礦物內的包裹體在溫度上是連續的,說明河山3井沙河子組3 462 m存在2期包裹體。河山4井、河山9井、梨6井的含甲烷鹽水包裹體賦存在石英裂隙中,河山4井的均一溫度在96～146 ℃,河山9井的均一溫度在78～112 ℃,梨6井的均一溫度在102～148 ℃(圖5)。

圖4 梨樹斷陷沙河子組儲層鹽水包裹體激光拉曼譜Fig.4 Laser Raman spectrum of saline inclusions in the Shahezi Formation of the Lishu fault depression

圖5 梨樹斷陷沙河子組儲層鹽水包裹體均一化溫度分布Fig.5 Homogenization temperature distribution of saline inclusions in the Shahezi Formation of the Lishu fault depression

鹽度是研究流體包裹體的一個重要指標,反映了成藏流體的物理化學性質和流體來源,同一時期、同一位置包裹體的鹽度應該近似相等[9]。梨樹斷陷沙河子組儲層流體包裹體鹽度與均一化溫度如圖6所示?？梢钥闯?包裹體的均一溫度與鹽度并沒有太大關系,但是可以明顯區分高鹽度包裹體與低鹽度包裹體。其中,河山3井沙河子組3 462 m處的鹽度處于0～2%、8%～12%內,表明河山3井油氣在成藏時存在2種不同的地層流體,進一步說明河山3井的包裹體為2期形成,與上文熒光照片和均一溫度的分析一致。河山9井、梨601井、梨6井、河山4與河山3井相似,發育2種不同鹽度的地層流體。金1井的鹽度均處在12%～16%,鹽度變化不大,為單一類型的地層流體。

圖6 梨樹斷陷沙河子組儲層流體包裹體鹽度與均一化溫度Fig.6 Salinity and homogenization temperature of fluid inclusions in Shahezi Formation reservoir of the Lishu fault depression

3 盆地模擬

油氣成藏期次的劃分主要依靠烴類包裹體的巖相學,不同時代形成的烴類包裹體代表不同的期次。為了進一步明確油氣充注時間,利用一維盆地模擬軟件(PetroMod 2012),分別對河山4井、梨6井等6口井的埋藏史、熱史、成熟度史進行模擬,旨在更好地還原研究區油氣的充注過程。

3.1 埋藏史

準確地恢復埋藏史,需要明確地層的巖性、地質年齡、剝蝕厚度、剝蝕時間和孔隙度。研究中,地層巖性、地層厚度等均為鉆井中實測所得,地質年齡、剝蝕時間等由盆地年代地層格架來確定。剝蝕量的恢復對追溯烴源巖的演化十分重要,主要影響了地層的溫度與孔隙度;前人對剝蝕量的研究主要有沉積速率法、砂泥巖孔隙度法、聲波時差法、流體包裹體法、鏡質體反射率法等[27-29]。根據研究區的實際情況,采用聲波時差法與鏡質體反射率法相結合來恢復地層剝蝕量。

研究區白堊紀以來經歷了多期剝蝕,發育營城組頂部的不整合面、登婁庫組頂部的不整合面、嫩江組—明水組頂部的削蝕不整合面。營城組沉積時期,桑樹臺斷裂活動,研究區整體抬升,剝蝕中心位于研究區南部,剝蝕厚度100～200 m;登婁庫組沉積時期,秦家屯—秦東斷裂活動,剝蝕中心向北部遷移,剝蝕厚度為200～300 m;嫩江組—明水組沉積時期,小寬斷裂活動,地層發生構造反轉,剝蝕中心繼續向北遷移,剝蝕厚度為300～1 300 m。

3.2 熱史

溫度在盆地演化中起著重要的作用,是烴源巖生烴的主要動力,控制油氣的生成。因此,在熱史模擬中,主要模擬地溫的變化過程。熱史模擬應用的主要參數有大地熱流值、巖石熱導率和地表溫度[30]。前人研究表明[24],大地熱流值在數值上等于地溫梯度與巖石熱導率的乘積,通過計算,研究區現今的平均熱流值為68.24 MW/m2。古熱流值主要通過研究區不同時期的盆地原型,結合不同盆地類型的熱體制條件對其進行初始賦值,最后確定研究區泉頭組沉積期、登婁庫組沉積期、營城組沉積期和沙河子組沉積期熱流值分別為79.0、82.1、86.2和91.5 MW/m2。利用各單井實測溫度與成熟度對熱史模型進行校正,如圖7所示,研究區熱史模擬結果與實測值有較高的吻合度,說明模擬結果合理。

圖7 梨樹斷陷沙河子組儲層實測井底溫度、Ro與模擬值對比Fig.7 Comparison of measured bottom hole temperature,Ro and simulated values of the Shahezi Formation of the Lishu fault depression

3.3 成熟度史

鏡質體反射率是評價烴源巖成熟度的常用指標[19]。研究中,使用PetroMod軟件計算了火石嶺組和沙河子組烴源巖的成熟度,在不改變當前熱流的情況下進行校準,如圖7所示,實測和計算的RO值與溫度之間的良好相關性,表明成熟度史模型適用于該研究區。由于研究區的油氣藏是多套烴源巖聯合供烴,為了簡化模型且減小模擬誤差,在前人研究的基礎上,將梨6井、梨601和金1井的火石嶺組烴源巖定為主力烴源巖,河山3井、河山9井和河山4井沙河子組烴源巖定為主力烴源巖[17,20]。

模擬結果顯示,研究區經歷了早期的快速下降沉積階段(距今130～92 Ma)、中期的過渡階段(距今92～65 Ma)和晚期的構造抬升階段(距今65～0 Ma)。在快速沉積階段,研究區沙河子組地層沉積厚,溫度快速升高,烴源巖快速達到生烴門限;在中期的過渡階段,研究區發生頻繁的構造活動,形成大量的古構造和古圈閉;晚期的抬升階段,地層壓力和溫度降低,烴源巖生烴速率變慢。由于受古地勢的高差與烴源巖分布的影響,在盆地不同地區形成的油氣藏在時間上存在一些差異。研究區南部梨6井火石嶺組烴源巖于登婁庫時期(距今100 Ma)開始進入生烴階段(RO=0.5%),距今約88 Ma進入生濕氣階段(RO=1.2%);研究區北部河山4井沙河子組烴源巖于泉頭期開始生烴(距今98 Ma),距今約82 Ma進入生濕氣階段?？傮w上,研究區距今105～98 Ma開始生烴。成熟度史表明,研究區南部烴源巖最先達到生烴門限,演化程度最高,自南向北烴源巖進入生烴時間依次變晚,演化程度也逐漸降低(圖8)。

4 油氣充注期次

綜合包裹體熒光光譜、均一溫度和共生含水包裹體鹽度來確定研究區油氣的充注期次,將含甲烷鹽水包裹體的均一溫度與熱史模型相結合,來確定與含甲烷鹽水包裹體相伴生的石油包裹體充注時間。如圖9(a)所示,研究區經歷了復雜的地質過程,古地溫總體上經歷了4個階段:第1階段(距今120～80 Ma),地層快速沉積,古地溫呈現快速升溫的趨勢;第2階段(距今80～70 Ma),地層發生抬升、剝蝕,古地溫開始下降;第3階段(距今70～60 Ma),地層穩定沉積,古地溫開始回升;第4階段(距今60～0 Ma),地層緩慢抬升,古地溫緩慢降低。由烴源巖的成熟度史可知,距今約80 Ma,烴源巖均已達到高成熟階段,表明均一溫度相同的包裹體可能在不同的時間被捕獲。如圖9(b)所示,顯示了各井包裹體的形成時間,從河山3井的樣品中可以推斷出油氣發生了2期充注(距今98～92 Ma和88～80 Ma)。在河山3井的樣品中,近黃色熒光包裹體要遠遠多于藍白色熒光包裹體,并且共生鹽水包裹體均一溫度的主峰主要集中在110～130 ℃,由此可以得出第一階段生油期在距今98～92 Ma。在梨601井和梨6井的樣品中,可見近黃色的石油包裹體和氣態烴包裹體,由于現今研究區南部為氣田,并且烴源巖主要為Ⅲ型,綜合判斷第二階段生氣期在距今88～80 Ma。

圖9 梨樹斷陷沙河子組古地溫及成藏期次Fig.9 Paleogeotherm and accumulation stages of the Shahezi Formation in the Lishu dault depression

在綜合地史模擬結果和流體包裹體均一溫度數據的基礎上,結合烴源巖不同類型,在研究區儲層中,明確距今98～92 Ma和88～80 Ma為2期油氣充注時間(圖9(c))。河山3井、河山4井和河山9井的樣品油氣在距今98～92 Ma發生強充注,該時期研究區以形成油藏為主,此時研究區北部的Ⅱ型烴源巖達到生油高峰,地層出現異常高壓。當孔隙流體壓力超過毛管壓力時,巖石中微裂縫將被開啟,油氣將沿著微裂縫發生運移;當壓力釋放結束后,孔隙流體壓力小于毛管壓力,微裂縫將閉合,油氣將就近被封閉在儲層中,形成第1期油藏。第2階段油氣在距今88～80 Ma發生充注,梨6井、梨601井和金1井的樣品為強充注,該時期研究區以形成氣藏為主,此時研究區南部的Ⅲ型烴源巖達到生氣高峰,隨著地層繼續沉降,烴源巖中的孔隙流體壓力增加,一旦地層流體壓力超過破裂壓力閾值,第1階段形成的微裂縫將重新打開,烴源巖中的油氣將再次排出,形成第2期氣藏,“南氣北油”的分布格局就此形成。

5 結論

(1)梨樹斷陷沙河子組儲層樣品中發育2期包裹體,第1期包裹體主要分布在石英裂隙中,成熟度較低,呈現近黃色熒光,具有低均一溫度特征;第2期包裹體主要分布在石英次生加大邊、方解石膠結物中,成熟度相對較高,呈現藍白色熒光,具有高均一溫度特征。

(2)盆地模擬結果表明研究區經歷了早期的快速下降沉積階段(距今130～92 Ma)、中期的過渡階段(距今92～65 Ma)和晚期的構造抬升階段(距今65～0 Ma)。烴源巖在研究區不同位置的演化程度有所差別,整體上由南向北成熟度逐漸降低,距今105～98 Ma開始生烴,現今仍處于生烴期。

(3)梨樹斷陷沙河子組儲層發生了兩期油氣充注(距今98～92 Ma和88～80 Ma),與區域地層沉降時期相吻合,油氣充注發生在烴源巖生烴之后。