2. 中石化胜利油田分公司勘探开发研究院, 山东东营 257015
2. Exploration & Development Research Institute, Shengli Oilfield Branch Company, SINOPEC, Dongying 257015, China
含油气盆地斜坡带长期处于油气运移指向区, 历来是油气勘探的重点地区[1-5], 然而位于沾化凹陷西南部的三合村洼陷虽处于含油气盆地的斜坡带, 历经了40多年的勘探, 并未取得突破。前人认为三合村洼陷没有勘探潜力, 这一结论是基于其本身不具备生烃条件, 渤南洼陷晚期生成的油气很难穿过盆缘负向构造区在浮力驱动下运移到三合村洼陷的推论。随着2012年于三合村洼陷带部署的罗322井钻探成功打破了成藏不利的认识, 该井于中生界、沙三段发现油气, 并在沙三段测试获得工业油流, 从而发现了胜利油田第81个油田——三合村油田。至2016年, 在沙四段、沙三段累计上报控制、预测储量近5 000×104 t。但是三合村油田与前期中浅层发现的油田在原油性质上存在较大差异, 油气来源不清, 同时渤南洼陷生成的油气是如何跨越垦西低凸起运移至研究区深层中的也不清楚。笔者从沾化凹陷沉积埋藏史和生烃史分析入手, 结合油气源特征和成藏期研究, 动态分析研究区油气运聚历史, 明确三合村洼陷油气成藏演化过程, 研究结果不仅可以指导研究区下步油气勘探, 而且对其他类似探区也有一定的借鉴意义。
1 勘探概况三合村洼陷是一个受垦西断裂控制的北断南超的箕状小洼陷, 勘探面积约300 km2(图 1), 古近系烃源岩最大埋深小于2 500 m, 自身不具备生烃条件, 但是它位于济阳坳陷沾化凹陷南部盆缘斜坡带, 其北邻的渤南洼陷是一个富油洼陷[6-7], 构造位置处于油气运移有利区, 因此油气勘探工作开始较早。自1967年钻探垦11井至今, 已有近50年的勘探历史。截至2010年研究区仅在古近系东营组顶部和新近系发现规模油气, 而古近系东营组以下的地层中一直没有获得勘探突破。但随着2012年部署钻探的罗322井获工业油流, 掀起了三合村洼陷勘探的热潮。
三合村洼陷发现的原油性质多样, 各层系之间、甚至同层系不同区块之间均有较大差异(表 1), 总体上可分为两类:一类是浅部馆陶组—东营组的原油, 总体具有低密度、低黏度、低凝固点、低含硫量的特征, 在缓坡带有部分馆陶组油藏中的原油由于生物降解作用发生稠化, 所以密度和黏度变化较大; 一类是深部沙三段—中生界的原油, 具有高密度、高黏度、高凝固点、高含硫量的特征。
此外原油地球化学特征也存在较大的差异性, 原油族组分表现为两类特征(表 2):浅部馆陶组—东营组原油族组分总体具有高烷烃、高芳烃、低非烃、低沥青质的特点, 深部沙三段—中生界原油族组分总体表现为低烷烃、低芳烃、高非烃、高沥青质的特点。原油正构烷碳数有单峰和双峰型两种类型, 原油生物标志物也有较大差异。原油性质及地化特征的差异反映了三合村洼陷油气来源、成熟度以及成藏后生物降解程度的差异, 这些差异与烃源岩生烃史、油气运聚史及成藏后的次生变化有着复杂的联系[8]。
济阳坳陷新生代盆地演化可分为断陷期和拗陷期两个阶段, 其中断陷期可划分为4个幕式断陷阶段[9], 幕式断陷运动和周期性气候变化决定了盆地内沉积环境的多样性和差异性, 同时也决定了烃源岩生烃史具有阶段性, 从而控制了油气原始特征的差异性[8]。受幕式断陷运动的控制, 渤南洼陷自沙四上亚段以来经历了多期构造抬升与沉降过程, 本次研究以沉降中心的渤深8井为代表, 在地层厚度与沉积时间测定基础上, 恢复其沉积埋藏史(图 2)。
渤南洼陷沙四上亚段形成于断陷Ⅱ幕, 距今约45 Ma, 沉积厚度一般为300~700 m, 沉降中心的渤深8井区沉积厚度可达1 000 m, 这一时期为一快速沉积过程, 在3 Ma内沉积了较厚地层, 沙四上亚段沉积末期济阳坳陷经历了短暂的构造抬升, 但渤深8这一沉降中心并未被剥蚀; 从而在距今约42 Ma时开始沉积沙三段, 沙三段形成于断陷Ⅲ幕, 该时期是盆地发育鼎盛时期, 沉积厚度约为1 000 m, 这一沉积期大概经历了5 Ma, 沉积速率有所减缓; 此后, 在距今约37 Ma和35 Ma时期, 分别开始沉积沙二段和沙一段, 值得注意的是沙三段、沙二段及沙一段沉积末期区域构造都经历了不同程度的抬升剥蚀, 但位于沉降中心的渤深8井区始终处于接受沉积的状态; 距今约33 Ma时东营组开始沉积, 这一沉积过程一直持续到距今约25 Ma, 沉积厚度可达1 000 m, 但此后构造缓慢抬升遭受剥蚀, 这一剥蚀过程持续了近11 Ma, 据多种剥蚀厚度计算方法可得出古近系沉积末大规模的构造隆升作用在渤深8井区剥蚀掉近200 m东营组; 距今14 Ma时期, 渤南洼陷重新沉降并接受新近系沉积, 在13 Ma内沉积了馆陶组、明化镇组近2 000 m地层; 且在距今1 Ma左右沉积了近200 m第四系平原组。
3.2 烃源岩热演化史在沉积埋藏史分析基础上, 结合渤南洼陷古地温梯度[10], 恢复了渤南洼陷烃源岩热演化史(图 2)。渤南洼陷共发育沙四上亚段、沙三段及沙一段3套烃源岩[11-15]。沙四上亚段烃源岩在沙三段沉积末期(距今约37 Ma)埋深达2 000 m(图 3), 地层温度约90℃, 干酪根镜质体反射率达到0.5%[16], 到达生烃门限; 到沙一段末期—东营组沉积期(距今约33 Ma)埋深到达2 800 m, 地层温度超过120 ℃, Ro达到0.75%~1.0%, 进入主生烃期; 至明化镇组沉积早期埋深超过4 500 m, 地层温度超过180 ℃, Ro超过1.3%, 沙四上亚段烃源岩进入高成熟阶段, 以生成天然气为主。沙三段有效烃源岩多形成于沙三段沉积早期, 此套烃源岩在东营组沉积中早期(距今约26 Ma)埋深大于2 800 m, Ro大于0.5%(图 3), 达到生烃门限; 馆陶组沉积中晚期(距今约8 Ma)埋深大于3 200 m, Ro大于0.7%, 进入主生烃期并延续至现今; 沙一段烃源岩于明化镇沉积中期(距今约3 Ma)埋深超过2 800 m, Ro达到0.5%(图 3), 进入生烃门限, 但至今仍未进入主生烃期, 不是研究区主力烃源岩。渤南洼陷烃源岩热演化史分析可证实东营组沉积时期为沙四上亚段烃源岩生烃期, 而馆陶组沉积时期为沙四上和沙三段共同生烃期, 明化镇组沉积时期至今为沙三段烃源岩生烃期[8]。
前人研究表明, 渤南洼陷在幕式构造运动及周期性气候变化影响下, 主要发育沙四上亚段、沙三段及沙一段3套烃源岩[11-15], 各套烃源岩受控于不同沉积期的水体环境及生物群落, 具有不同的地球化学特征(图 4)。其中沙四上亚段沉积期古气候干热, 形成的烃源岩碳酸盐含量较高, 岩性主要为灰质油泥岩、灰质泥岩、泥灰岩、泥质灰岩和石膏质泥岩, 有机质类型为Ⅰ和Ⅱ1型, 有机碳含量0.93%~4%, 生物标志化合物表现为明显的植烷优势和高伽马蜡烷含量, C35升藿烷含量明显大于C34升藿烷含量, 重排甾烷不发育(图 4(a))。到沙三段沉积期气候温暖潮湿, 盆地水体为深湖-半深湖淡水环境, 发育大套油页岩、油泥岩和暗色泥岩, 烃源岩有机质类型以Ⅰ型为主, 有机碳含量为2%~19%, 生物标志化合物姥鲛烷含量高, 伽马蜡烷含量低, 重排甾烷和4-甲基甾烷含量高(图 4(b))。沙一段烃源岩形成于咸化环境下, 岩性主要为油页岩、灰质油泥岩和暗色泥岩, 有机质类型以Ⅰ型为主, 有机质丰度高, 成熟度处于未熟-低成熟阶段, 生物标志化合物具有明显植烷优势, 伽马蜡烷含量高, 重排甾烷和4-甲基甾烷含量很低[7](图 4(c))。
三合村洼陷原油可分为3种类型, 据原油生物标志物特征分析(图 5), 并与渤南洼陷烃源岩生物标志物特征对比(图 4), 进而确定不同类型原油的来源。
第Ⅰ类原油主要产自于深部沙三段—中生界中(图 5(a)), 此类原油生物标志化合物组成中, 规则甾烷含量为C27>C29>C28, C29S/(S+R)值为0.44, C29αββ/(ααα+αββ)值为0.47, 为成熟原油; 具有明显的植烷优势和高伽马蜡烷含量, Pr/Ph值0.32, 伽马蜡烷/C30藿烷值为0.7, 显示了高盐度强还原性的沉积环境。C35升藿烷含量明显大于C34升藿烷含量, C35/C34值为3.31, 重排甾烷不发育, 与渤南洼陷沙四上亚段烃源岩具有明显亲缘关系。
第Ⅱ类原油来源于沙四上亚段和沙三段烃源岩, 主要产自于浅部馆陶组—东营组中, 此类原油具有以下生物标志物特征(图 5(b)):规则甾烷含量为C27>C29>C28, C29S/(S+R)值为0.35, C29αββ/(ααα+αββ)值为0.41, 为成熟原油; 发育重排甾烷, 4-甲基甾烷含量较高, 伽马蜡烷指数低, 伽马蜡烷/C30藿烷值为0.12, 具有沙三段烃源岩特征。同时C35升藿烷含量稍高于C34升藿烷含量, C35/C34值为1.1, 为沙四段烃源岩的特征。此类原油应为渤南洼陷沙三段和沙四段烃源岩生成原油的混合。
第Ⅲ类原油来源于沙三段烃源岩, 主要产自于馆陶组, 此类原油生物标志物特征(图 5(c)):规则甾烷含量为C27>C29>C28, C29S/(S+R)值为0.38~0.39, 属于成熟原油。重排甾烷发育, 4-甲基甾烷含量高, 伽马蜡烷指数低, 伽马蜡烷/C30藿烷值为0.12~0.13, 与渤南洼陷沙三段烃源岩生物标志物相似。
4.2 油气成藏期次油源对比显示三合村洼陷的三种原油类型分别与渤南洼陷各层段烃源岩具有亲缘关系, 应是在不同的成藏期聚集成藏。关于渤南洼陷油气成藏期次问题已有多位专家开展过相关研究, 运用多种方法综合得出两次充注、三次成藏过程这一结论[8, 11, 17], 即约距今29 Ma的东营组沉积早期第一次充注、距今8~0 Ma的馆陶组沉积末期以及明化镇组沉积期分别为第二次充注的早期和晚期。渤南洼陷烃源岩生排油气造成的中、晚期成藏可波及三合村洼陷已得到广大学者认可[11, 13, 17], 但渤南洼陷沙四上亚段烃源岩生排油气形成的早期成藏是否可影响到三合村洼陷还存在一定争议, 由此本文中主要选取与渤南洼陷沙四上亚段烃源岩层系对接的三合村洼陷沙三段, 对其取心井段与烃类包裹体相伴生的盐水包裹体进行均一温度测定。
罗322沙三段流体包裹体均一温度峰值为80~90 ℃(图 6(b)), 结合三合村洼陷罗322井的沉积埋藏史发现均一温度较低的区间80~90 ℃对应了东营组沉积中早期和馆陶组沉积晚期两个时期(图 6(a)), 成藏期次具有多解性。但这两个时期沙四段生烃灶埋深差异较大, 分别为3 100和3 700 m, 虽生成的都为成熟油, 但不同生烃灶埋深情况下形成的原油成熟度差异明显, 因此对均一温度区间80~90 ℃样品点的原油成熟度进行了分析。最终发现:温度区间80~90 ℃的样品原油Ts/Tm比值较低, 姥植比Pr/Ph也较低, 此外其他反映原油成熟度的指标如石蜡指数、庚烷值等都相对较低[13], 总体反映出成熟度普遍偏低的特点。因此, 均一温度区间80~90 ℃的样品点原油应为东营组沉积中早期形成, 证实了渤南洼陷早期生成的油气可波及至盆缘的三合村洼陷, 三合村洼陷存在早期成藏。综上所述, 三合村洼陷存在东营组成藏期、馆陶组成藏期和明化镇组成藏期3次成藏过程。
通过渤南洼陷沉积埋藏史与热演化史和三合村洼陷油气源对比及成藏期次研究, 匹配沾化凹陷构造演化史分析, 可将三合村洼陷成藏演化划分为3个阶段(图 7), 即东营组成藏期、馆陶组成藏期和明化镇组成藏期。
东营组成藏期:该成藏时期(图 7(c))三合村洼陷控洼断层——垦西断层在沙四上亚段和沙三段处的断距约为30 m, 垦西低凸起还未成型, 在地质结构上渤南洼陷至三合村洼陷表现为一个逐渐抬起的斜坡。而研究区沙四上亚段和沙三下亚段底部连续发育大套扇三角洲砂体[18-20], 厚度大、延伸远、分布广, 钻遇井厚度一般为80 m, 最大可达120 m, 延伸距离超过10 km, 最远到达垦西低凸起罗36井区, 分布面积超过200 km2, 垦西断层不足以断开大套扇三角洲砂体。此时期沙四段烃源岩已经达到主要排烃期[17], 在上覆沙三下亚段厚层泥页岩的封盖作用下油气主要以断层和不整合构成的二元输导体系运移为主, 渤南洼陷沙四上亚段生成的油气沿沙四下亚段与沙四上亚段和沙四上亚段与沙三段之间的不整合面横向运移, 运移至垦西低凸起沙三、沙四段扇三角洲砂体后, 沿扇三角洲砂体和不整合面继续向高部位运移, 至垦西断层处, 油气通过垦西断层两盘对接的扇三角洲砂体继续运移至三合村洼陷聚集成藏。
馆陶组成藏期:该成藏时期(图 7(b)), 由于垦西断层的持续活动, 垦西低凸起构造幅度不断加大, 垦西断层两侧先期形成的沙三下亚段底部和沙四段上亚段油藏逐渐断开, 同时油藏在硫化作用和生物降解作用下不断稠化[8]。该时期沙三段烃源岩也达到主生烃期, 沙三段与沙四段生成的成熟油气主要由断裂、不整合、骨架砂体组成的三元立体型输导体系运移为主, 油气沿盆倾断层进行纵向运移, 沿沙四下亚段与沙四上亚段和沙四上亚段与沙三段之间的不整合面以及沙三中亚段三角洲砂体横向运移, 油气运移至垦西断层后, 以网毯运移模式向沙三段以上地层中运移[21-25], 遇到合适的圈闭聚集成藏。目前已经在三合村洼陷的沙三段顶部、沙一段、东营组和馆陶组底部发现沙三、沙四段混源原油。
明化镇组成藏期:该成藏时期(图 7(a)), 垦西断层活动逐渐减弱, 三合村洼陷沙三下亚段以下油藏已经与垦西低凸起油藏完全分割开, 并且继续稠化; 而馆陶组成藏期形成的油藏也开始降解稠化。该成藏时期, 沙四上亚段烃源岩已经达到过成熟阶段, 沙三段烃源岩为主要生烃期, 沙三段烃源岩生成的油气运移方式与馆陶组成藏期的油气运移方式类似, 只是目前以沙三段为主要油源的油藏仅在三合村洼陷馆陶组以上地层中有所发现。
通过以上3个阶段的油气成藏演化过程, 形成了现今三合村洼陷多油源类型、原油性质复杂多变的油藏共存的油藏特征。
6 结论(1) 三合村洼陷主要有3种类型原油:第Ⅰ类原油来源于渤南洼陷沙四段成熟烃源岩; 第Ⅱ类原油来源于渤南洼陷沙三段及沙四段烃源岩; 第Ⅲ类原油来源于渤南洼陷沙三段成熟烃源岩。
(2) 三合村洼陷油气成藏主要经历东营组成藏期、馆陶组成藏期和明化镇组成藏期3个阶段, 形成了现今多油源类型、原油性质复杂多样的油藏特征。
(3) 东营组成藏期形成第Ⅰ类原油油藏, 此类油藏在馆陶组成藏期和明化镇组成藏期因硫化作用和生物降解作用发生稠化。馆陶组成藏期形成第Ⅱ类原油油藏, 此类油藏在明化镇组成藏期发生生物降解作用而稠化。明化镇组成藏期形成第Ⅲ类原油油藏。
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