焉耆盆地四十里城地区八道湾组全油气系统成藏特征与模式

The characteristics and reservoir formation models of the whole petroleum system of the Badaowan Formation in the Sishilicheng blocks of the Yanqi Basin

摘要

全油气系统理论能够解释常规-非常规资源有序共生机理。焉耆盆地四十里城地区八道湾组包含了页岩油、致密油与常规油3种类型资源,具备全油气系统特征。基于全油气系统理论,对区内八道湾组常规-非常规资源开展了成藏静态要素匹配与成藏动态要素演化分析,明确了各类型资源成藏特征,建立了全油气系统成藏模式。研究表明:研究区八道湾组构造油藏、致密油藏、页岩油藏序列共生,各类型油气成藏特征差异明显;研究区八道湾组全油气系统成藏条件良好,烃源岩供应了充足的油气、多类型储集层提供了有利储集空间、区域盖层封闭性能较强、地层产状与断层控制了油气运移与圈闭、常规-非常规资源成藏要素具有时间匹配性;在研究区低部位凹陷区,非常规油藏具有滞留成藏、源储紧邻、超压驱动特征;而在斜坡带高部位西北缘,常规油藏具有源储分离、长距离运移、浮力驱动特征。

Abstract

The theory of the whole petroleum system (WPS) can explain the orderly coexistence mechanism of conventional and unconventional resources. The Badaowan Formation in the Sishilicheng area of the Yanqi Basin contains three types of resources: shale oil, tight oil, and conventional oil, exhibiting characteristics of a whole petroleum system. Based on the theory of the whole petroleum system, a static element matching analysis and a dynamic element evolution analysis of reservoir formation were conducted for the conventional and unconventional resources in the Badaowan Formation within the area. This analysis clarified the reservoir formation characteristics of each type of resource and established a reservoir formation model for the whole petroleum system. The research indicates that in the study area, the Badaowan Formation features a sequential coexistence of structural oil reservoirs, tight oil reservoirs, and shale oil reservoirs, with significant differences in the reservoir formation characteristics of various types of oil and gas. The whole petroleum system in the Badaowan Formation of the study area has favorable reservoir formation conditions, with source rocks supplying sufficient oil and gas, multiple types of reservoirs providing favorable storage space, strong sealing performance of regional cap rocks, stratigraphic occurrence and faults controlling oil and gas migration and entrapment, and time matching of reservoir formation elements for conventional and unconventional resources. In the low-lying sag area of the study area, unconventional oil reservoirs exhibit characteristics of retention and accumulation, close proximity of source and reservoir, and overpressure driving. In the high-lying northwest edge of the slope zone, conventional oil reservoirs exhibit characteristics of source-reservoir separation, long-distance migration, and buoyancy driving.

Graphical abstract

关键词

焉耆盆地 / 四十里城 / 八道湾组 / 全油气系统 / 地质特征 / 成藏模式

Key words

Yanqi Basin / Sishilicheng / Badaowan Formation / whole petroleum system / geological characteristics / reservoir formation model

0 引言

近年来,以致密油气、页岩油气为代表的非常规油气勘探已经取得重大进展,成为接替常规油气增储上产的重要领域,但也对传统石油地质理论提出了挑战^[1-5],全油气系统概念的提出完善并发展了经典油气系统理论。

全油气系统指含油气盆地中相互关联的烃源岩层形成的全部油气、油气藏、油气资源,并涵盖其形成演化过程和分布特征的自然系统^[6-7]。在该理论指导下,前人已经于准噶尔盆地二叠系风城组与芦草沟组^[8-18]、松辽盆地白垩系青山口组^[19-20]、鄂尔多斯盆地上古生界^[21]、四川盆地三叠系须家河组与震旦系灯影组^[22-23]、渤海湾盆地古近系沙河街组与东营组^[24-25]、珠江口盆地古近系文昌组与恩平组等层位^[26],成功预测了油气资源量,划定了有利区带,有力地证实了该理论的科学性与实践性。

目前,关于全油气系统的概念与原理研究主要包括:提出了全油气系统定义,建立了常规-非常规油气有序分布模式^[6-7];揭示了常规-非常规资源微观成藏机理,划分了不同类型资源成藏界限^[27-28];将全油气系统理论与盆地数值模拟结合,归纳了盆模方法的技术思路与工作流程^[29-31];总结了全油气系统下生、排烃和运聚定量分析中的关键问题与解决途径等^[32]。

焉耆盆地博湖坳陷已探明的常规油气储量主要分布在宝浪苏木构造带和本布图构造带^[33-36],下一步油气勘探的重点目标将转向受构造运动影响较小、后期保存条件较好的八道湾组非常规油藏^[37-38]。四十里城地区下侏罗统八道湾组油气显示比较活跃,在已完钻的星1井、海1井、城1井、城2井、城3井等钻井均有油气显示。八道湾组在未压裂改造的情况下,各井测试均见到了油气,若经过压裂改造后,获得工业油气流的潜力巨大。

四十里城斜坡带八道湾组具备全油气系统成藏潜力,一旦勘探突破,将大大拓展焉耆盆地的油气勘探领域。本文以焉耆盆地四十里城斜坡带八道湾组为研究对象,明确不同类型油气成藏静态要素特征、成藏动态要素演化过程,建立了常规-非常规油气有序共生演化模式。本文旨在为焉耆盆地有利区优选提供支持。

1 研究区地质概况

四十里城地区位于焉耆盆地博湖坳陷西北缘斜坡带。焉耆盆地位于南天山褶皱带上,处于塔里木、准噶尔盆地之间,自南向北分为博湖坳陷、焉耆隆起、和静坳陷^[39-40]。焉耆盆地油气勘探的主要目的层是侏罗系,侏罗系在北部的和静坳陷、焉耆隆起几乎剥蚀殆尽,只在博湖坳陷大面积分布(图1)。

2 烃源岩地化与生排烃特征

2.1 烃源岩地化特征

下侏罗统八道湾组J₁b主要发育3种不同类型烃源岩,包括暗色泥岩、煤层以及碳质泥岩^[41]。三类烃源岩在斜坡带连片分布,沉积中心位于斜坡凹陷部位,暗色泥岩厚度总体为50~300 m,逐渐向西北方向减薄(图2a)。暗色泥岩具有较大的纵向厚度,从下到上有3个烃源岩集中发育段,其中J₁b₁中暗色泥岩厚度总体为20~60 m,J₁b₂中为10~50 m,J₁b₃中为20~120 m。暗色泥岩总有机碳(Total Organic Carbon,TOC)含量总体为1.0%~3.8%,含量逐渐向西北方向减小(图2b)。

下侏罗统八道湾组有机质类型为Ⅱ₂-Ⅲ型,有机质物源以陆生高等植物为主,辅以少量的低等水生生物。八道湾组烃源岩镜质体反射率值表现稳定,随埋深增加热演化程度线性增加,具有相对较好的连续性。八道湾组暗色泥岩有机质成熟度R₀总体为0.7%~1.0%,处于生烃成熟期,平面上成熟度向南-东南方向逐渐变高(图2c)。

2.2 烃源岩生排烃特征

对八道湾组发育的三类烃源岩进行黄金管热模拟生烃试验。3块试验样品中,暗色泥岩取自焉参1井1 995.9 m,TOC含量为1.29%,R₀为0.67%;碳质泥岩取自宝2井2 330.5 m,TOC含量为9.95%,R₀为0.61%;煤取自焉参1井2 107.42 m,TOC含量为64.50%,R₀为0.66%。3块样品演化程度均处于成熟阶段早期。

试验中,3块样品演化程度从0.6%升至1.4%,经历了有机质成熟期有机质热解生油、过成熟早期油裂解生气两个阶段。碳质泥岩与煤岩样品在R₀为0.95%左右时达到生油高峰,碳质泥岩产油率接近125 kg/t(以TOC计),约为煤岩峰值产率的2倍。暗色泥岩样品在R₀为0.75%左右时达到生油高峰,产油率接近55 kg/t(以TOC计),且生油高峰持续的成熟度区间较短。3块样品产油率排序:碳质泥岩>煤岩>暗色泥岩,碳质泥岩具有较高的生油潜力(图3a)。

暗色泥岩具有两个生油、气高峰阶段。第一个阶段与生油、气高峰所处成熟度区间大致相同,说明此时油气体直接来源于干酪根热解,气产率最高值约为20 m³/t(以TOC计)。高成熟阶段开始后,有机质进入第二个生油、气高峰,生油速率略有下降,生气速率快速增长,表明新生成气体主要由已生成的原油裂解贡献,产气率总体较碳质泥岩与煤岩低,最高值约为38m³/t(以TOC计)(图3b)。

下侏罗统八道湾三套烃源岩中,暗色泥岩虽然单位生烃产率相对较低,但纵向上有效厚度大、有机质丰度较高、热演化程度适中,仍然具有很大的生烃潜力,是四十里城地区主力烃源岩。

源岩排油强度直接控制了致密油气与常规油气的形成^[42-43]。根据四十里城地区八道湾组三套层段中暗色泥岩的厚度、TOC含量、R₀及物性平面展布情况,利用软件模拟了烃源岩排油强度(图4)。3套源岩排油强度主要为(150~350)×10⁴ t/km²,四十里城斜坡底部凹陷为排油中心,排油量向凹陷西北缘递减。排油强度分布与源岩厚度分布具有一致性,J₁b₃发育巨厚的暗色泥岩层,平均排油强度最大;J₁b₁与J₁b₂暗色泥岩厚度分布近似,平均排油强度相近。

烃源岩在满足自身的滞留量后才会向外排烃。纵向上三段源岩均有形成页岩油潜力,其中J₁b₃暗色泥岩厚度较大,滞留形成的页岩油资源量潜力也较大。

常规与致密油资源量受源储配置关系控制,储层接受供烃量越大,形成资源量也越丰富。纵向上J₁b₂砂岩同时接受J₁b₃以及J₁b₂两套暗色泥岩供油,因此下伏方向致密油、上倾方向常规油资源量潜力较大。

3 成藏静态要素特征

3.1 沉积相特征

八道湾组三角洲沉积保存比较完整,剥蚀相对较少。三角洲主体分布沉积物源从北西方向进入,三角洲主体分布在霍拉山东侧与四十里城凹陷西北区域,呈NW-SE方向展布^[44-46]。水流的主要流向为四十里城凹陷,凹陷内部发育不固定的分支水道。

通过对区块八道湾组野外露头、岩心、测井和地震解释资料的观察分析,可识别出三角洲平原、三角洲前缘、前三角洲浅湖3类沉积亚相;根据沉积背景及沉积物特征,又可进一步将三角洲前缘细分为水下分流河道与水下分流间湾2类沉积微相(图5)。J₁b₁下亚段、J₁b₂下亚段以及J₁b₃下亚段沉积期,主要发育厚层的平原-前缘的砂体,源供应十分充足;向湖中心砂地比逐渐降低,过渡为砂泥互层及厚层泥岩。

3.2 储层物性与孔隙特征

统计四十里城地区城1、城2、城3、星1井及八道湾组共550余块砂岩样品的物性参数,发现砂岩孔隙度主要为3.0%~15.0%。其中水下分流河道砂岩孔隙度主要为9.0%~15.0%,平均为12.5%;水下分流间湾砂岩孔隙度主要为3.0%~11.0%,平均为7.7%。参考《致密油地质评价方法》(GB/T 34906—2017),将12%作为储层致密化界限。水下分流河道样品中54.6%为常规砂岩储层,45.4%为致密砂岩储层,同时具有常规-非常规油气储层特征;水下分流间湾基本属于致密砂岩储层(图6)。

四十里城地区微观孔隙空间主要以原生孔、溶蚀孔为主,少量为压溶孔、微裂缝。其中,原生孔以粒间孔、粒内孔为主;溶蚀孔也以粒间孔、粒内孔为主。

粒间孔是研究区页岩中观察到的主要孔隙类型,形态多样,多数为不规则或狭缝形孔,主要发育于脆性颗粒和塑性颗粒接触处(图7a,b)。八道湾组页岩处于生油窗范围,生烃过程伴生较多有机酸,会对碳酸盐矿物造成溶蚀作用。研究区碳酸盐矿物和长石表面能够观察到一些溶蚀孔隙,与粒间孔对比,其孔径普遍较大、分布较分散孤立(图7c)。镜下还能观察到方解石等矿物因受到压溶而发生物质迁移形成的压溶孔隙,与粒间孔相比,这些压溶孔隙的孔径普遍较小、孔隙边界相对粗糙、形态较为狭长(图7d)。虽然研究区内裂缝数量较少,但裂缝形态平直、尺度较大、位置集中且大量切割岩石颗粒,属应力破裂成因,说明研究区曾经遭受过较强的区域构造作用(图7e,f)。

成岩过程中,压实作用和胶结作用是使孔隙度降低的两种最重要的作用,其控制了区块内八道湾组储层致密化程度,其中压实作用强烈,胶结作用相对较弱,且以黏土胶结为主。

储层在上覆静岩压力作用下,支撑原始孔隙的骨架被压实、压缩,并且在压溶作用配合下,颗粒间接触关系由不接触、点接触逐渐变成凹凸接触、线接触(图8a-c)。研究区内胶结作用主要为自生黏土胶结,少部分为石英、长石和碳酸盐胶结;胶结物含量有限,光镜下不易观察到,在电镜下可以观察到部分孔隙壁面存在书页状高岭石,所以胶结作用对孔隙度影响不大(图8d)。

3.3 区域盖层特征

焉耆盆地经历了印支、燕山、喜山多期构造运动的改造和破坏,盖层封闭性对油气勘探尤为重要,直接决定了区块的油气富集程度。J₁b₃暗色泥岩是湖侵期形成的区域性泥岩盖层,厚度总体为20~120 m。排替压力是评价盖层物性封闭能力最直接的参数,排替压力越大,盖层封闭能力越强。前人利用声波时差和地震层速度求取了博湖坳陷J₁b₃暗色泥岩盖层的排替压力,主要为7~14 MPa,表明该区域盖层具有较好的封闭能力(图9)^[47]。

3.4 圈闭特征

四十里城斜坡带位于隆凹相间的格局带中,构造总体稳定;区域内圈闭大多受封闭性逆断层控制,在平面上总体呈带状分布,圈闭类型主要为断鼻和断块型等构造型圈闭^[48]。在斜坡带西南缘,种马场断层、城2井北1号断裂、城2井北2号断裂以及城2井北3号断裂共同切割四十里城斜坡带,形成了城2井区3套八道湾组断块圈闭(图10)。3套圈闭面积与闭合度均较高,可储集油气的空间大;最高点海拔相对较高,为浮力运移提供了动力,所以3套断块圈闭可靠性较高(表1)。

从位于①号圈闭的城2井历史钻探情况分析,城2井进入八道湾地层后,气测异常明显,油气显示活跃;在未采取任何储层改造措施的情况下,地层测试出气,展示了八道湾组较好的勘探潜力,说明该组圈闭可靠性高。

3.5 生储盖匹配特征

常规油气具有源储分离特征,油气需利用浮力、借助优势运移通道聚集成藏。斜坡底部凹陷主要发育前三角洲浅湖相的富有机质暗色泥岩,该位置是J₁b的3套暗色泥岩的排油中心;斜坡西北缘泥岩厚度减薄,岩性主要为水下分流河道相砂岩,是良好的储集层。原油从凹陷排出后,凭借向上浮力聚集于西北缘断块、断鼻圈闭内;J₁b₃顶部的暗色泥岩排替压力高,是良好的区域盖层。以上要素构成良好的源、储、圈闭、盖层组合。

致密油气与页岩油气具有源储紧邻或源储一体特征,对圈闭与盖层条件要求降低,源储及其空间匹配关系显得更加重要。J₁b₁、J₁b₂、J₁b₃下亚段物源充足,辫状河三角洲前缘水下分流河道砂体多期叠置连片,厚度大、分布面积广;J₁b₁、J₁b₂、J₁b₃上亚段为三角洲浅湖相沉积,暗色泥岩、碳质泥岩与煤发育,既是烃源岩又是盖层,与下亚段构成良好的源、储、盖组合。

4 成藏动态要素演化特征

4.1 常规油气烃源岩演化与圈闭形成期匹配

博湖坳陷圈闭主要发育于侏罗系地层内,大多发育于燕山期,喜山期进一步加强而定型。构造型圈闭主要形成于侏罗纪中—晚期的燕山运动,在古近纪末的喜山运动中由于断层的重新活动而得到改造,幅度进一步增大^[49-50]。

四十里城地区八道湾组烃源岩仅在180~150 Ma的中—晚侏罗纪时期大量生烃;城1井附近断鼻、断块圈闭在中侏罗纪开始发育并定型,圈闭的形成时间与烃源岩的生烃高峰时间耦合关系较好,烃源岩热演化与圈闭形成具有很好的匹配性,指示圈闭内可能聚集较多油气资源(图11)。

新近纪时八道湾组地层再次埋深,但有机质未能二次生烃,仍然是侏罗纪末期生排烃量控制油气富集;虽然此时形成了一系列新的复合型圈闭,但生烃演化与圈闭形成匹配度低,油气无法聚集成藏。

4.2 非常规油气储层致密化与油气充注的匹配

侏罗纪中—晚期时,研究区八道湾组处于地层沉降压实、有机质热演化生烃阶段。有机质在侏罗纪早—中期进入生烃门限,于中、晚期形成两次生油高峰。该阶段成岩作用以压实作用为主,至第一次生油高峰时,储层已经致密化。

侏罗纪中—晚期,连通性较好的水下分流河道相对充注了更多油气,较高的孔隙压力减缓了压实作用,保留了部分原生孔隙;伴生有机酸产生的溶蚀作用也改善了储层物性,形成次生溶蚀孔隙。至侏罗纪末期、有机质形成第二次生油高峰时,水下分流河道由致密储层转变为常规储层,水下分流间湾储层始终为致密储层。

白垩纪早期至今,研究区八道湾组油藏处于大规模调整阶段,有机质停止生烃。该阶段由于地层抬升,地层温度降低,导致成岩胶结速率也随之变慢,储层物性略微降低。

古近纪与新近纪地层再次沉降,由于水下分流河道形成常规油藏,高原油充注与溶蚀作用保护了储层物性,最终孔隙度约为12.5%;水下分流间湾形成致密油藏,油气充注与溶蚀作用较弱,孔隙同时被胶结物所充填,致使孔隙度进一步降为7.7%,形成致密油藏(图11)。

5 全油气系统成藏模式

5.1 常规油气浮力成藏模式

当运移通道物性相对较好、孔喉半径相对较大时,油气在浮力的作用下直接向构造上倾方向长距离运移,遇到圈闭聚集成藏,形成常规油气聚集。四十里城斜坡带包含常规油藏所有成藏要素。

研究区具有较好的生—储—盖—圈闭成藏条件。八道湾组内发育了3段优质暗色泥岩,厚度大、TOC含量较高、R₀处于生油窗,生烃能力好;常规储层为水下分流河道砂岩,最大孔隙度15%,孔隙以原生粒间孔为主,储集能力好;J₁b₃暗色泥岩盖层的排替压力较高,是良好的区域盖层;区域内构造圈闭可靠性高。

研究区具有较好的浮力运移条件。水下分流河道砂岩作为油气主要运移通道,油气在其中受到的毛细管阻力小于浮力,运移路径相对通畅;四十里城斜坡产状较陡,浮力的沿层面分量较大,运移动力足;研究区断层封闭性较好,可引导分散油气流汇聚并沿断层平行运移^[51-52]。

结合实际勘探开发结果与成藏条件模拟了油气平面运聚,油气运聚起点主要为东南缘凹陷,终点主要为西北缘的构造圈闭(图12)。油流从凹陷出发后沿深度减小最大梯度方向运移,遇到封闭性逆断层阻拦后,再沿平行断层上倾运移。虽然城2井①号、②号圈闭比星1井③号圈闭可靠性更高,但前者并不处于油气主要运移路径上,缺少油流充注;而③号圈闭可靠性与运移路径匹配性较好,油气富集成藏几率高。

5.2 非常规油气自封闭成藏模式

储集层孔渗相对较低,孔喉半径相对较小,以微米-纳米级为主,浮力不起作用,油气只能在自身膨胀力驱动下邻源充注,这种情况即为毛细管力和界面张力形成的自封闭,可以形成大面积连续型油气聚集(图13)。四十里城斜坡带包含非常规油气藏自封闭要素。

研究区具有较好的自封闭条件。通过对八道湾组致密储层开展薄片观察,发现致密储层压实作用强,孔隙半径以微米-纳米级为主;部分孔隙存在被黏土胶结情况,导致孔隙半径进一步减小(图8)。赋存的油滴受高毛细管力控制,形成自封闭体系。

研究区具有较好的源储匹配条件。斜坡凹陷部位的J₁b₁、J₁b₂、J₁b₃ 3套地层内部下亚段主要发育水下分流间湾致密砂岩,平均孔隙度为7.7%,属致密砂岩储层;上亚段主要发育浅湖相暗色泥岩,生烃能力优越,上下亚段地层源储紧邻。暗色泥岩生烃后,油气首先在源岩内滞留,形成页岩油藏;而充注入相邻储层的部分,则形成致密油藏。

研究区具有较好的保存条件。凹陷区域构造稳定,上覆地层剥蚀量小,断裂相对不发育;致密储层形态完整,原油损失量小。不会出现断裂切穿源岩与储层后原油沿断裂疏导,越过相邻致密储层而在远源富集的情况。

5.3 全油气系统成藏模式

四十里城斜坡带八道湾组油气类型涵盖常规油、致密油与页岩油,其成藏模式决定了油藏类型的纵向有序分布(图14)。

低部位凹陷区发育源内、近源页岩油-致密油成藏系统。八道湾组暗色泥岩具有较强供烃能力,具有良好的供烃条件;在烃源岩层系内部,泥页岩均具有滞留油气的能力,进而源内聚集形成大面积的页岩气。邻源致密储集层相对发育,具有直接充注的条件,可以形成大面积的致密油。

斜坡西北缘发育远源常规油成藏系统。城2至星1井区断层相对发育,形成良好圈闭,由深部运移而来的原油在此富集,使得该区域发育远源常规油气资源。另外西北缘断块圈闭埋深较浅、勘探开发成本相对较低,并且部分井已出现油气显示,是油气富集的有利区块。

总之,在四十里城斜坡带八道湾组油气勘探中,在低部位凹陷区主要考虑烃源岩生排烃能力与储层储集能力匹配演化关系,寻找源储一体页岩油和邻源充注致密油;在斜坡西北缘考虑源岩生烃能力、储层物性、断裂产状与圈闭可靠性等要素的匹配演化关系,寻找远源成藏的常规油。

6 结论

(1)研究区八道湾组具备全油气系统特征。焉耆盆地四十里城斜坡带八道湾组具备常规构造油藏、致密油藏、页岩油藏3种油藏类型,从凹陷区非常规油藏到斜坡西北缘常规油藏序列共生,各类型油气成藏特征差异明显。

(2)研究区八道湾组具备良好的全油气系统成藏条件。浅湖相暗色泥岩供应了充足的油气;水下分流河道与间湾砂岩为不同类型油藏提供储集空间;J₁b₃顶界泥岩是良好区域盖层;地层起伏与逆断层控制了油气运移路径与优质圈闭形成;非常规油藏“生储保”要素匹配并耦合演化,常规油藏“生储盖圈运”要素匹配并耦合演化。

(3)在四十里城斜坡带凹陷区,非常规油藏以源储压差为运移动力,源岩生排烃量与致密储层物性耦合演化,具有滞留成藏、源储紧邻、超压驱动特征;在四十里城斜坡带西北缘,常规油藏以浮力为运移动力,源岩生排烃量、储层物性、逆断层产状与圈闭可靠性等要素耦合演化,具有源储分离、长距离运移、浮力驱动特征。

(4)基于全油气系统理论,打破了四十里城围绕斜坡带圈闭找油的限制,开始向生烃凹陷深部位拓展。沿凹陷中心区可能发育大规模的致密气和页岩气,可作为战略风险勘探领域开展部署。

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基金资助

新型油气勘探开发国家科技重大专项“准噶尔盆地全油气系统与新领域勘探技术(2025ZD1400300)”