储层流体包裹体记录了油气运移聚集过程中的温度、压力及成分等重要信息^[1-2], 对恢复地层流体压力^[3]、确定油气的充注时间和期次^[4-7]具有重要作用, 已成为一种沉积盆地流体历史研究的重要工具。近二十年来, 地质工作者利用储层流体包裹体提供的信息, 对油气充注历史开展了卓有成效的工作, 并取得了大量成果^[3-9]。在富油凹陷中, 不同生烃洼陷主力烃源岩热演化生烃史及分布的差异导致不同地区及层系的油气成藏期不尽相同^[8], 搞清这种差异性对于油气勘探评价有重要意义。饶阳凹陷是渤海湾盆地西部典型的富油凹陷, 古近系油气资源丰富, 凹陷中发育多个生烃洼陷(洼槽), 古近系不同层系油气成藏期尚未开展系统研究, 不同地区古近系成藏期的演变规律尚不清楚。因此研究饶阳富油凹陷古近系油气成藏期, 对研究区及渤海湾盆地其他富油凹陷油气成藏研究及深化勘探具有重要意义。笔者利用大量古近系储层流体包裹体样品, 根据烃类包裹体宿主矿物序次, 包裹体岩相学特征、显微荧光特征以及显微测温数据, 结合主力烃源岩热演化生烃史, 分析饶阳凹陷古近系油气成藏期及不同地区成藏期演变规律。

饶阳凹陷位于渤海湾盆地冀中坳陷中部, 东临献县凸起, 西至高阳低凸起, 南至衡水断层, 北与霸县凹陷相邻, 面积约6300 km², 是一个东断西超的新生代箕状凹陷^[10]。受断裂构造的控制, 自西向东依次划分为西部斜坡带、西部次洼槽带、中央隆起带、东部主洼槽带和东部陡坡带5个次级构造单元。新生代凹陷经历了古近纪断陷, 新近纪及第四纪整体拗陷两大阶段^[11], 古近纪末构造抬升, 古近系遭受较大幅度的剥蚀。受多期构造运动的作用, 饶阳凹陷具有多洼共生的特点, 自北向南依次发育任西、马西、河间、留西与饶南5个生油洼槽(图 1), 不同洼槽的沉降埋藏史差异较大。饶阳凹陷主力烃源岩层为古近系沙河街组三段和沙一下亚段^[12], 自下而上发育3套主要储集层系, 即中上元古界及下古生界碳酸盐岩、古近系和新近系碎屑岩储层, 油气主要赋存于上元古界、下古生界和古近系, 新近系储量较少^[13], 古近系勘探潜力巨大^[10]。古近系沙河街组一段和新近系明化镇组为区域性良好盖层。油气富集于深洼槽周围正向构造带, 主要围绕生烃洼槽呈“环洼分布”^[13], 生烃洼槽中心部分油气分布较少。

图 1

图 1 饶阳凹陷区域构造及样品分布位置 Fig.1 Regional tectonics and locations of fluid inclusion samples in Raoyang Depression

系统采集了饶阳凹陷古近系砂岩储层(东营组、沙一段、沙二段、沙三段)140余块样品并制作了包裹体薄片, 样品分布如图 1所示, 对包裹体的岩相学特征及显微测温特征进行了分析。包裹体观察采用蔡司数字偏光显微镜(ZEISS AXIO Imager D1m), 荧光激发光源选用紫外+紫荧光滤片, 显微测温仪器为Linkam THMS600G冷热台。

透射光和荧光薄片显微观察表明, 饶阳凹陷古近系砂岩储层发育大量流体包裹体, 直径一般为5~15 μm, 形状为椭圆型、长条形和不规则形等, 根据相态和成分特征可以划分为纯液相油包裹体、纯气相包裹体、气液两相油包裹体和盐水包裹体等类型。大部分样品中检测到油包裹体, 在紫外光激发下发黄色、橙色、黄绿色、蓝绿色等多种荧光, 其中以黄绿色、蓝绿色荧光油包裹体数量最多, 主要赋存于石英颗粒表面及穿石英颗粒裂纹内, 其次为黄色荧光油包裹体, 分布于石英颗粒内裂纹及河间洼槽长石溶蚀孔缝中, 橙色荧光油包裹体仅在任西洼槽长3井沙一段储层样品中有所发现。少量样品内可观测到纯气相包裹体, 在紫外光激发下不发荧光或发弱黄白色荧光, 赋存于石英颗粒表面。盐水包裹体以气液两相为主, 不发荧光, 分布于烃类包裹体发育的裂隙内, 两者呈现一定的伴生关系(图 2)。

图 2

图 2 饶阳凹陷古近系储层流体包裹体特征 Fig.2 Characteristics of fluid inclusions in Paleogene reservoirs in Raoyang Depression

烃类包裹体期次的划分是确定油气成藏期次及充注时间的基础和关键, 包裹体期次划分的准确性直接影响显微测温及油气成藏期分析的结果^[14-16]。不能仅根据包裹体显微荧光特征划分期次, 即认为存在几种不同荧光颜色的包裹体就划分为几期, 或者仅根据显微测温结果, 即包裹体均一温度直方图有几个峰值区间就划分为几期。包裹体宿主矿物成岩演化序列是包裹体期次划分的根本依据^[17]。研究通过铸体薄片观察, 综合自生矿物的形态、交代切割及溶解充填关系、烃源岩热演化史分析及流体包裹体测温结果确定饶阳凹陷古近系储层成岩演化序列为:压实作用、黄铁矿胶结/早期方解石/泥晶白云石胶结(38~31 Ma)→长石溶蚀/岩屑溶蚀/石英加大(31~23 Ma)→碳酸盐胶结/石英溶蚀(23~15 Ma)→长石溶蚀/岩屑溶蚀/胶结物溶蚀/石英加大(15~5 Ma)→碳酸盐胶结/黄铁矿胶结(5 Ma~现今)(图 3)。

图 3

图 3 饶阳凹陷古近系成岩演化序列与储层埋藏史结合划分包裹体期次 Fig.3 Using diagenetic sequence and burial history to determine the periods of inclusions

统计表明, 赋存于不同成岩矿物中的包裹体的形成深度有一定分布规律:早期碳酸盐胶结物中的包裹体出现在2500~3500 m, 石英颗粒内裂纹中的包裹体分布在2800~4000 m, 长石溶蚀孔缝中的包裹体分布在3500~4500 m, 穿石英颗粒裂纹中的包裹体分布在3500~4800 m, 石英颗粒表面的包裹体在各深度段均有分布。结合储层埋藏史分析表明, 早期碳酸盐胶结物及石英颗粒内裂纹中的烃类包裹体形成于东营组沉积末期, 而长石溶蚀孔缝及穿石英颗粒裂纹中的烃类包裹体是在古近纪末构造抬升之后再次沉降时期形成的。

根据包裹体宿主矿物的成岩演化序列, 结合包裹体的岩相学和显微荧光特征, 将饶阳凹陷烃类包裹体划分为2期(图 3)。第Ⅰ期烃类包裹体分布在早期碳酸盐胶结物、石英颗粒表面及石英颗粒内裂纹中(图 2(a)、(b)), 零星分布或群体分布, 多为气液两相油包裹体和液相油包裹体, 紫外光激发下发橙色、黄色及黄绿色荧光; 第Ⅱ期烃类包裹体赋存于长石溶蚀孔缝及穿石英颗粒裂纹中(图 2(c)~(f)), 串珠状分布或群体分布, 以气液两相油包裹体为主, 部分为气相包裹体和气泡较大的凝析油包裹体(图 2(g)、(h)), 显示黄绿至蓝绿色荧光。同时, 碎屑岩颗粒间及裂缝内充填有大量碳质沥青, 透射光及荧光下均为黑色(图 2(i)、(j)), 这种黑色碳质沥青是早期充注的油气遭受蚀变形成的残留产物。此外, 研究区还发育两种类型的油质沥青, 即以显示黄色荧光为主的油质沥青和以显示蓝绿色荧光为主的油质沥青(图 2(k)、(l))。

均一温度代表了流体包裹体形成时所经历的温度, 与烃类包裹体伴生的盐水包裹体均一温度的稳定性较高, 因此通过测定伴生盐水包裹体的均一温度, 进一步结合储层埋藏受热史, 可以确定油气充注时间^{[1-2, 18-20]}。根据上述划分的烃类包裹体期次, 对不同期次包裹体所伴生的盐水包裹体进行均一温度测试。结果表明, 伴生盐水包裹体的均一温度分布范围为70~160 ℃(图 4(a))。不同期次包裹体的均一温度分布存在差别:第Ⅰ期伴生盐水包裹体均一温度分布范围为70~130 ℃, 峰值区间为90~100 ℃; 第Ⅱ期伴生盐水包裹体分布范围为80~160 ℃, 峰值区间为120~140 ℃。其中, 近黄色荧光油包裹体的伴生盐水包裹体均一温度介于75.4~124.6 ℃, 近橙色荧光油包裹体的伴生盐水包裹体均一温度介于93.6~108.8 ℃, 近黄绿色荧光油包裹体的伴生盐水包裹体均一温度介于81.2~137.5 ℃, 近蓝绿色荧光油包裹体的伴生盐水包裹体均一温度介于90.1~158.9 ℃(图 4(b))。

图 4

图 4 饶阳凹陷古近系储层流体包裹体均一温度分布 Fig.4 Histogram of homogenization temperatures of fluid inclusions in Paleogene reservoirs in Raoyang Depression

盐度是流体包裹体研究中一个重要的地球化学参数, 反映了成藏流体的物理化学性质和流体来源^[3]。根据盐水包裹体测定的冰点温度可以计算盐度, 计算结果表明, 古近系储层伴生盐水包裹体盐度变化范围较大, 主要分布范围为2%~16%(图 5), 存在高盐度和低盐度共存的现象, 说明了流体充注的复杂性。其中第Ⅰ期伴生盐水包裹体盐度较低, 分布范围为2%~16%;第Ⅱ期伴生盐水包裹体分布范围为5%~20%。

图 5

图 5 饶阳凹陷古近系储层流体包裹体密度分布 Fig.5 Distribution of densities of fluid inclusions in Paleogene reservoirs in Raoyang Depression

包裹体的密度与均一温度、盐度之间存在着一定的关系, 对于NaCl-H₂O体系, 可以利用温度-盐度-密度相图来确定流体密度^[21]。从相图来看, 包裹体密度一般为0.95~1.1 g·cm^-3(图 5), 均一温度和盐度之间没有明显的相关关系, 可能因为包裹体形成于一个相对开放的环境。早期高盐度伴生盐水包裹体密度分布在1.00~1.10 g·cm^-3, 晚期低盐度包裹体分布范围为0.95~1.05 g·cm^-3。

综上可知, 饶阳凹陷古近系砂岩储层第Ⅰ期伴生盐水包裹体具有低温、中高盐度、高密度特征, 第Ⅱ期伴生盐水包裹体则具有高温、中低盐度、低密度特征, 反映了两期包裹体的存在, 也反映了两次油气充注过程。

烃源岩热演化生烃史分析是成藏期研究的基础^[22], 利用PetroMod盆地模拟软件对饶阳凹陷30口探井主力烃源岩的热演化生烃史进行了模拟。以河间洼槽为例, 分别对洼陷中心宁古4井和洼陷南缘留63井的热演化史进行分析。结果表明, 洼陷中心沙三段烃源岩热演化程度较高, 东营组沉积早期(30 Ma)进入生烃门限(R_o=0.5%), 东营组沉积后期(27 Ma)进入生烃高峰(R_o=0.7%), 此时沙一下亚段烃源岩进入生烃门限, 明化镇组沉积中期(8 Ma), 沙三段烃源岩进入高成熟阶段(R_o=1.0%), 沙一下亚段烃源岩进入成熟阶段, 大部分油气在此时生成, 烃源岩进入生烃高峰期(图 6(a))。洼陷边缘烃源岩抬升剥蚀作用强烈, 地层埋深较浅, 烃源岩热演化程度较低, 沙三段烃源岩在馆陶组沉积中期(20 Ma)开始生烃, 沙一下亚段烃源岩在明化镇组沉积早期(10 Ma)进入生烃门限并开始排烃, 一直持续至今(图 6(b))。

图 6

图 6 利用流体包裹体均一温度与源岩热演化生烃史确定河间洼槽古近系油气成藏期 Fig.6 Hydrocarbon accumulation time determined by homogenization temperature combined with hydrocarbon-generating history of source rocks

综合不同地区烃源岩热演化生烃史可以看出, 饶阳凹陷古近系主力烃源岩沙三段、沙一段存在两期主要生烃期, 第一期是古近纪末期东营组沉积中后期, 第二期为馆陶组沉积末期至明化镇组沉积时期, 以第二期生烃为主。

根据烃类包裹体的岩相学特征和显微测温结果, 结合烃源岩的热演化生烃史分析, 显示研究区存在两期油气充注过程。在此基础上, 运用流体包裹体均一温度-埋藏史投影法, 即可获取确切的油气充注时间。宁古4井沙三段储层盐水包裹体均一温度存在90~105 ℃和110~120 ℃两个区间, 显示出两期成藏的特征:第一期在28.6~26.6 Ma, 即东营组沉积后期至抬升初期; 第二期在12.5~6.8 Ma, 即馆陶组沉积末期至明化镇组沉积期, 为主成藏期(图 6(a))。留63井沙三段储层盐水包裹体均一温度为90~115 ℃, 结合储层埋藏史确定为明化镇组沉积期(10.2~2.5 Ma)一期成藏(图 6(b))。

对研究区35口单井主力储层流体包裹体的特征进行了分析, 将各期次与烃类包体伴生盐水包裹体的均一温度投影到对应的埋藏受热史图上, 获得各单井主力储层的油气充注时间(表 1)。综合分析各类成藏期资料表明, 饶阳凹陷古近系具有两期油气成藏:第一期为东营组沉积后期至抬升初期, 该时期仅洼陷中心烃源岩进入生烃门限, 油气多以“自生自储”式就近聚集成藏, 且分布范围及层系局限, 主要富集于沙三段生烃层系中; 第二期为馆陶组沉积末期至明化镇组沉积期, 此时烃源岩进入生排烃高峰期, 大多数油藏在此时形成, 是饶阳凹陷古近系主要成藏期。

表 1

表 1 饶阳凹陷不同地区古近系储层流体包裹体特征及成藏期分析 Table 1 Characteristics of fluid inclusions and hydrocarbon accumulation period in Paleogene reservoirs 地区 构造带 井号 层位 深度/m 烃包裹 体期次 伴生盐水包裹体 均一温度区间/℃ 成藏时间/Ma 河间 洼槽区 河间洼槽 宁古5 Es3 4763.00 Ⅰ、Ⅱ 95~105, 110~120 28.4~26.6, 13.2~8 宁古4 Es3 4679.00 Ⅰ、Ⅱ 90~105, 110~120 28.6~26.6, 12.5~6.8 宁22 Es1x 3716.85 Ⅰ、Ⅱ 75~90, 100~110 27.9~26.2, 6.3~3.2 宁60 Es1 3344.58 Ⅱ 90~100 9.8~5.8 宁59 Ed3 3197.50 Ⅱ 100~110 8.2~4.3 大王庄 构造带 留63 Es3 3487.76 Ⅱ 90~115 10.2~2.5 留422 Es1s 3046.33 Ⅱ 90~105 9~5 饶7x Ed3 2812.87 Ⅱ 95~105 6~3 肃宁 构造带 宁612 Es1s 3250.08 Ⅱ 90~110 8.5~3.6 宁601 Ed3 3065.96 Ⅱ 85~100 7.3~3 宁623 Ed3 2975.97 Ⅱ 85~105 6.9~3 留西—留楚 洼槽区 留楚 楚深1 Es3 4541.45 Ⅰ、Ⅱ 95~110, 120~140 28.6~25.8, 10.2~5.5 楚22 Es3 4116.71 Ⅰ、Ⅱ 80~90, 95~115 28.4~25.8, 10.5~2.2 楚深1 Es1 3782.59 Ⅱ 105~125 8.3~2.5 楚68x Ed3 3021.20 Ⅱ 110~125 6.2~3 楚37 Ed2 2631.00 Ⅱ 85~125 6~2 留西 路44 Es3 3134.60 Ⅰ、Ⅱ 95~115 10~5 路49 Es2 3284.60 Ⅱ 90~100 9.6~4.8 路44 Ed 2143.00 Ⅱ 60~85 8.3~1.6 马西 洼槽区 马西洼槽 马96 Es3 3593.36 Ⅰ、Ⅱ 80~90, 95~110 28~25.6, 12~5 西47 Es2 3190.6 Ⅱ 75~95 8.8~2.5 南马庄 构造带 马99 Es3 3707.64 Ⅰ、Ⅱ 80~100 28~25.5, 9.5~3.5 西9 Es3 3493.39 Ⅱ 85~100 10.9~2 西36 Es2 1790.89 Ⅱ 65~95 5.2~1 八里庄 构造带 宁641 Ed 2669.71 Ⅱ 80~100 6.8~2 任西 洼槽区 任西洼槽带 长3 Es1 3261.34 Ⅱ 100~120 11~4 西柳 西柳10 Es3 3217.84 Ⅱ 100~125 9.4~2 西柳10 Es2 3125.28 Ⅱ 110~150 7.8~0 西柳22 Es2 3494.19 Ⅱ 110~125 8.5~1 西柳102 Es1 3361.54 Ⅱ 90~120 5.6~0 高阳 高43 Es3 3093.05 Ⅱ 95~155 11.7~0 高30 Es2 2557.69 Ⅱ 95~120 6.5~0 高42 Es1 3261.34 Ⅱ 100~125 7.5~0 高46 Es1 2852.00 Ⅱ 95~120 4.2~0 高32 Es1 2658.80 Ⅱ 105~130 4~0

表 1 饶阳凹陷不同地区古近系储层流体包裹体特征及成藏期分析 Table 1 Characteristics of fluid inclusions and hydrocarbon accumulation period in Paleogene reservoirs

利用上述方法, 获得了饶阳凹陷古近系储层油气的充注时间, 将各充注时间统一标定到同一坐标轴上, 对比洼槽中心与斜坡带等不同构造带油气成藏期的差异可看出, 斜坡带为一期成藏, 成藏时间较晚, 为明化镇组沉积中后期至今(6~0 Ma); 洼槽带成藏时间早, 为两期成藏, 第一期为东营组沉积后期至抬升初期(28.6~25.5 Ma), 第二期为馆陶组沉积末期至明化镇组沉积期(13~6 Ma), 第二期为主成藏期; 中央隆起带为一期成藏, 即明化镇组沉积期(8~2 Ma)(图 7)。

图 7

图 7 饶阳凹陷不同区带古近系储层油气成藏期次划分和成藏时期确定 Fig.7 Determination of hydrocarbon charging periods and ages in Paleogene reservoirs in Raoyang Depression

富油凹陷往往发育多个生烃洼陷, 不同洼陷沉降幅度、烃源岩特征及热演化生烃史存在较大差异, 造成不同地区成藏期不尽相同, 并呈现一定的演变规律^{[8, 23]}。饶阳凹陷不同生烃洼陷烃源岩热演化程度差异明显, 其中, 河间洼槽烃源岩热演化程度最高, 东营组沉积末期, 沙三段烃源岩大部分已进入生烃门限, 开始生成部分低熟油; 馆陶组沉积末期, 沙一下亚段烃源岩进入生烃门限, 沙三段进入生烃高峰。马西洼槽及留西洼槽热演化程度相对较低, 沙三段烃源岩底部在东营组沉积末期进入生低熟油阶段; 任西洼槽热演化程度最低, 东营组沉积末期烃源岩未进入生烃门限, 馆陶组沉积末期沙三段烃源岩进入生烃门限(图 8)。

图 8

图 8 饶阳凹陷不同生烃洼陷主力烃源岩演化差异 Fig.8 Thermal evolution differences of source rocks in different sags in Raoyang Depression

饶阳凹陷不同地区、不同含油气层系的油气成藏期(表 1)存在差异:第一期成藏范围局限, 主要分布于生烃洼陷中心, 包括河间洼槽、马西洼槽及留西洼槽南部, 以沙三段生烃层系中的岩性油气藏为主; 第二期成藏在全区广泛分布, 其中南部河间、留西洼槽晚期成藏时间相对较早, 北部马西、任西洼槽较晚。蠡县斜坡带、大王庄、肃宁、八里庄构造带等远离生烃洼陷的地区只有第二期成藏, 以构造、构造-岩性油气藏为主。由洼槽内部到洼槽边缘, 油气成藏期由两期成藏晚期为主过渡为一期晚期成藏, 成藏时间逐渐变晚。纵向上, 不同层系油气成藏期分布具有上部层系单期、下部层系多期的特征, 即沙三段为两期成藏, 东营组、沙一段及沙二段以第二期成藏为主, 其中河间洼槽中心区主力生烃层系沙一下亚段也表现为两期成藏(图 9)。

图 9

图 9 饶阳凹陷主要含油气层系流体包裹体期次分布 Fig.9 Distribution of hydrocarbon inclusions in major petroleum bearing formations in Raoyang Depression

(1) 饶阳凹陷古近系储层发育两期烃类包裹体:第Ⅰ期包裹体分布于碳酸盐胶结物及石英颗粒内裂纹中, 成熟度较低, 发近黄色荧光, 具有低温、高盐度、高密度特征; 第Ⅱ期包裹体赋存于长石粒内溶蚀孔缝及穿石英颗粒裂纹中, 成熟度高, 发近蓝绿色荧光, 具有高温、低盐度、低密度特征。

(2) 研究区存在古近纪东营期和新近纪馆陶末至明化镇期两次生烃期。早期烃类包裹体伴生盐水包裹体均一温度主峰区间为90~100 ℃, 晚期包裹体主峰区间为120~140 ℃。研究区古近系为两期成藏:第一期为东营组沉积后期至抬升初期, 第二期为馆陶组沉积末期至明化镇组沉积期, 第二期为主成藏期。

(3) 饶阳凹陷不同地区、不同含油气层系成藏期存在差异性:第一期成藏主要分布于生烃洼陷中心, 第二期成藏在全区广泛分布。由洼内到洼缘, 成藏期由两期成藏晚期为主过渡为一期晚期成藏, 成藏时间逐渐变晚。纵向上, 上部层系多为单期成藏, 下部层系多为两期成藏, 第一期成藏集中于主力生烃层系内。