0 引言
基岩油气勘探和研究已有百余年的历史。20世纪30—60年代,国外学者对基岩及基岩油气藏的研究和论述逐渐增加。AAPG于1932年出版了
Symposium on Occurrence of Petroleum in Igneous and Metamorphic Rocks专辑,其中涉及到基底火山岩和变质岩
[1]、基底杂岩
[2-3]、结晶基底
[4]等概念,随后有学者陆续提出变质基底
[5]、裂缝基岩
[6-7]等概念。Landes等
[8]在1960年首先提出基岩油藏这一概念,将不整合于年轻沉积盖层之下的褶皱变质和火成岩侵入的结晶基底称之为基岩,把年轻沉积岩中生成的石油运移至基岩中所形成的油藏称之为基岩油藏,本文采用这一基岩概念。上世纪80年代国内出版的《潜山油气藏》
[9]和《基岩油气藏》
[10],以及21世纪初国外出版的
Hydrocarbons in Crystalline Rocks[11],展示了基岩/潜山油气勘探的成功案例,对理论、技术和勘探实践进行了阶段性总结。
21世纪以来,随着油气勘探向深部层系和海外进军,基岩勘探受到更加广泛的关注
[12-33]。中国学者在大型走滑断裂带控制的裂谷盆地不断取得基岩勘探突破,例如国内渤海湾盆地海域的变质岩潜山陆续取得渤中19-6、曹妃甸23-6、渤中26-6等取得油气发现
[24,27,34-37],在中非剪切带的乍得邦戈尔盆地发现Baobab、Raphia South和Lanea等基岩含油带
[18-22,38]。本文在分析全球基岩油气勘探历程和分布的基础上,系统总结全球基岩油气藏形成和分布特征,以期为推动基岩油气勘探的加快发展提供参考。
1 勘探历程
截至2024年底,全球共发现462个基岩油气藏
[39](
图1[8,16,39-40]),油气可采储量140.8×10
8 boe,其中石油98.2×10
8 bbl、天然气42.6×10
8 boe。储量规模大于1×10
8 boe的油气藏27个,占基岩油气藏总储量的71.2%。基岩油气藏发现可追溯至上世纪初,根据其勘探发现历程可分为1910—1949年偶遇发现、1950—1989年兼探发现、1990年以来的主动发现等三个阶段。
1.1 偶遇发现阶段
20世纪50年代之前,所有基岩油气藏均为偶然发现
[13,41-42],当时普遍认为在基底岩石中发现石油的可能性很小,因此一旦钻遇基底,钻探工作就会停止。1913年,壳牌公司在印度尼西亚南苏门答腊盆地发现Kluang油田,为最早发现的基岩油气藏,储层岩性为花岗岩,顶部埋深695 m,油气可采储量119×10
4 boe(
图2[39])。随着1930年代重力仪的研制成功和广泛应用,以及旋转钻井技术的应用,钻井深度逐渐增加。截止1949年,陆续发现11个基岩油气藏,油气可采储量增加到6 659×10
4 boe,主要分布在美洲地区的美国、秘鲁和委内瑞拉,欧洲地区的匈牙利、克罗地亚,以及非洲地区的摩洛哥。
1.2 兼探阶段
1950—1980年代,随着二维地震勘探全面应用及三维地震的逐步普及,在以盆地内沉积岩为主要勘探层系的同时,开始兼探深部基岩油气藏,发现的基岩油气藏数量和储量增多,共发现210个基岩油气藏,可采储量80.7×10
8 boe,其间委内瑞拉、利比亚、英国和越南获得一系列大-中型发现,推动了基岩储量的跨越式增长(
图1)。1953年,壳牌公司在委内瑞拉马拉开波盆地La Paz油田古近系—白垩系之下通过加深钻探发现侏罗系—三叠系基岩油藏
[43],油气可采储量4.9×10
8 boe(
图2),占委内瑞拉基岩油气总储量的77.9%。1975年,美孚等公司在越南的兰龙盆地新近系碎屑岩钻探发现油流,1988年Vietsovpetro公司在该油田的深层基岩发现白虎(Bach Ho)油气藏
[44],可采储量18.4×10
8 boe,占越南基岩油气藏总储量的64.4%。这一时期,国内自1959年在酒泉盆地发现鸭儿峡基岩油气藏以来,陆续在渤海湾、松辽、二连、塔里木、依兰—伊通等盆地发现19个基岩油气藏,可采储量合计2.8×10
8 boe,其中位于渤海湾盆地的静安堡基岩油气藏储量规模最大,超过1×10
8 boe(
表1[15,20,23,27,37,39,43-63])。
1.3 主动发现阶段
1990年代以来,随着计算机技术的飞速发展和数据处理能力的提升,可以对三维地震数据体进行全方位、立体式的处理分析,进一步提高了地震资料的分辨率和地下地质构造的成像精度,与此同时,欠平衡钻井技术也从局部实践应用逐步发展成广泛应用,油公司开始主动在基岩储层中勘探,持续获得勘探发现。据统计
[39],这一时期全球发现的前十大基岩油气藏可采储量合计为28.4×10
8 boe,占该时期发现的255个基岩油气藏总储量的47.7%。南苏门答腊盆地的油气勘探超过百年,早期的钻探是在通过地质测绘识别出的NW-SE向的地表背斜附近进行
[64],随着三维地震识别技术的提升,1990—2000年间印度尼西亚引领基岩勘探发现,全球十大发现中有3个位于南苏门答腊盆地,Suban、Sumpal和Dayung基岩油气藏可采储量合计10.3×10
8 boe。另外,在也门撒韵—马西拉盆地发现Kharir基岩油藏,可采储量达2.3×10
8 boe。
21世纪以来,中国油公司引领全球基岩油气勘探,在前十大基岩油气藏发现中,有4个位于中国,可采储量合计12.4×10
8 boe,占中国59个基岩油藏总储量的56.3%;另有1个为非洲陆上首个发现的乍得邦戈尔盆地的Baobab基岩油气藏(
图2),可采储量1.6×10
8 bbl,占乍得基岩油藏总储量的60.2%。随后发现Raphia South、Lanea E、Phenix S和Mimosa E四个油田
[19]。
2 基岩油气藏发育特征
2.1 含油气域
地球演化过程中多圈层相互作用控制了全球油气的形成和分布,也控制了基岩油气藏的发育
[65]。全球油气分布可以划分为南冈瓦纳域、北方域、特提斯域和太平洋域等四大含油气域
[66](
图1),其面积占比分别为38%、28%、17%和17%。统计发现,不同含油气域的基岩油气储量富集程度存在较大差异。在同一含油气域,通常受全球性或区域性构造事件影响,基岩储层可能存在相似的演化历史和可类比的油气成藏条件。南冈瓦纳域的构造相对稳定,主要为泛非期形成的前寒武纪基岩储层,共发现77个油气藏(
图1),可采储量合计14.0×10
8 boe,占全球基岩油气总储量的10.0%。特提斯域共发现234个基岩油气藏,油气可采储量合计94.0×10
8 boe,占全球基岩油气总储量的66.8%;除东南亚地区以侏罗纪—白垩纪基岩为主外,特提斯域其他地区以前寒武纪和寒武纪基岩为主。北方域共发现125个基岩油气藏,占基岩总储量的22.6%。环太平洋域因板块俯冲活跃,油气保存条件较差,储量仅占0.6%。
2.2 盆地类型
基岩油气发现主要集中在裂谷盆地、弧后盆地、被动大陆边缘盆地和前陆盆地,可采储量分别为53.5、46.6、20.3和15.4×108 boe。裂谷盆地形成时地壳伸展导致基底断陷深、断层发育,如果是走滑断层主控形成的裂谷盆地,其基岩的断层和裂缝会进一步发育,为油气运移提供通道和良好的储集空间,例如渤海湾盆地、中西非的邦戈尔盆地均在基岩储层发现了规模油气储量,并实现了成功开发。弧后盆地主要由于板块俯冲作用而形成,以拉张环境为主形成正断层,但也通常会伴随形成走滑断层带,网格化断层体系为油气从烃源岩向基岩储集层运移提供了良好通道,例如越南的兰龙盆地和印度尼西亚的南苏门答腊盆地分别获得27.9×108 boe和10.7×108 boe的储量发现。
2.3 生储盖组合特征
2.3.1 烃源岩
从烃源岩分布来看,中—新生界的古近系、白垩系、新近系和侏罗系烃源岩生成的油气运移至基岩储层的储量规模最大(
图3[39]),分别为52.8、43.5、22.5和19.5×10
8 boe,占基岩油气藏总储量的比例分别为37.5%、30.9%、16.0%和13.9%,而前寒武系、奥陶系、志留系、石炭系、二叠系和第四系等6个层系的烃源岩储量贡献不足2%。
古近系烃源岩主要位于亚太地区的兰龙盆地、渤海湾盆地和珠三角盆地、孟买盆地,储量占比分别为19.8%、12.2%和1.3%、1.5%。白垩系烃源岩主要位于利比亚锡尔特盆地、英国西设得兰盆地、委内瑞拉马拉开波盆地和乍得邦戈尔盆地,储量占比分别为12.9%、10.1%、4.6%和1.9%。新近系烃源岩主要位于印度尼西亚南苏门答腊等盆地、匈牙利潘诺尼亚盆地、埃及苏伊士盆地,储量占比分别为9.6%、4.4%和1.1%。侏罗系烃源岩主要位于俄罗斯西西伯利亚盆地、也门撒韵—马西拉和马利布—沙布瓦盆地、柴达木盆地,储量占比分别为5.6%、2.8%、1.2%和1.2%。
2.3.2 储集层
从基岩储集层时代分布来看,前寒武纪、侏罗纪、白垩纪和寒武纪的储量规模最大,分别为67.8、19.5、19.2和14.9×10
8 boe,占基岩油气藏总储量的86.2%(
图4[39])。前寒武纪基岩储层主要位于锡尔特盆地、渤海湾盆地、西设得兰盆地、撒韵—马西拉盆地和邦戈尔盆地,储量占比分别为12.9%、12.2%、10.9%、2.8%和1.9%,其他28个盆地储量占7.5%。侏罗纪—白垩纪基岩储层主要位于兰龙盆地和南苏门答腊盆地,储量占比分别为17.1%和8.6%,其他11个盆地储量占1.8%。寒武纪基岩储层主要位于马拉开波盆地和潘农盆地,储量占比分别为4.5%和4.4%,其他14个盆地储量占1.7%。
值得关注的是,基岩储集层岩性很少是单一岩性,往往是岩浆岩、正变质岩、副变质岩夹沉积岩构成的复合体。根据标普国际数据库统计
[39],酸性岩、结晶基底(未区分具体岩性)、酸性岩-沉积岩、正变质岩、正变质岩-沉积岩的储量规模最高,均超过20×10
8 boe(
图4),占基岩总储量的28.3%、23.0%、15.5%和14.7%。酸性岩主要位于兰龙盆地,主体为花岗岩体,局部有中性岩侵入体,储量占19.7%。结晶基底主要位于南苏门答腊、马拉开波、西设得兰、西伯利亚等盆地,储量占比分别为7.9%、4.5%和3.3%。酸性岩-沉积岩、正变质岩、正变质岩-沉积岩的储量分布相对集中,分别位于锡尔特盆地、渤海湾盆地、西设得兰盆地,占比均超过10%,分别为11.1%、10.2%和10.1%
[39]。我国辽河坳陷的潜山原岩既有副变质岩又有岩浆岩
[67],而乍得邦戈尔盆地的潜山原岩主要为岩浆岩和正变质岩
[19]。
2.3.3 盖层
基岩油气藏的源岩通常也作为有效盖层,形成“上生下储、新生古储”的生储盖组合,盖层主要为泥页岩(
图5),控制储量占基岩总储量的95.7%。其他盖层还包括致密灰岩、蒸发岩,但控制的储量规模比较小,例如柴达木盆地阿尔金东段古近系路乐河组含膏盐岩盖层与油气分布关系密切,膏盐发育区油气保存好,下伏基岩易形成构造、岩性、地层油气藏,而含膏盐岩盖层相对缺乏区,油气向浅层逸散,形成古近系多层系油气藏
[68]。
3 基岩油气藏形成的主控因素
基岩储层通常受内因和外因等多因素综合影响。基岩油藏形成通常具备基岩遭受抬升剥蚀和基岩抬升基础上发生断陷或坳陷形成烃源岩两个区域地质条件,使年轻烃源岩直接覆盖在基岩之上或直接以不整合面或断层与基岩相连通
[69]。基岩储层物性受潜山的埋深、缝洞发育程度、裂缝的开度和密度、裂缝内充填物等控制
[21]。
对于基岩油气藏而言,需要重点关注两个问题,一是源储配置关系及其运移通道,二是基岩储层的储集性和连通性(
图5)。关于源储配置关系及其运移通道,汪泽成等总结为“两大类六小类”,即烃源岩-基岩接触型和烃源岩-基岩分离型两大类,并可细分为烃源岩上覆型、烃源岩侧接型、烃源岩包裹型以及正断层沟通型、逆断层沟通型、走滑断裂沟通型等六小类
[28]。
3.1 以岩浆岩和正变质岩为主的基岩控制风化作用和裂缝发育
全球基岩岩性的复杂程度差异很大,年代越老岩性越复杂(
图4),单一岩性的基岩油气藏较少,大多以岩浆岩为主、夹正变质岩和副变质岩构成的复合体。岩性作为控制储层质量的重要内在因素,不同学者提出了各自观点。Gutmanis等
[12]认为基岩储层主要受岩性、变形历史、裂缝再活化、次生蚀变和现今地应力等主控因素影响,副变质岩层理限制了裂缝长度和规模,使得裂缝网络连通性差,而花岗岩等均质岩体发育块状连通裂缝网络,储集性更优。谢文彦等
[26]在中国东部辽河坳陷的变质岩基岩储层研究中,提出了“优势岩性”和“优势应力区”的概念。张鹏飞等
[70]认为黑云母、角闪石等暗色矿物为韧性矿物,不易形成构造裂缝。窦立荣等
[21]通过对乍得邦戈尔盆地的研究发现,岩浆岩和正变质岩为主的刚性基岩易于形成风化壳,而且裂缝也很发育,并通过暗色矿物含量将基岩划分为长英质岩和铁镁质岩石,认为长英质岩石比铁镁质岩石更有利于孔隙和裂缝的发育,从而更有利于形成储层
[19,21]。基于岩石薄片观察和岩心宏观构造分析,有学者认识到华北克拉通太古宇结晶基底主要由长英质矿物大于70%的变质花岗岩组成,岩石的高脆性矿物含量为储层发育提供了岩性基础
[35],实现了渤海湾盆地海域一系列基岩勘探发现
[24,27,34-37]。
3.2 多期次多方向断层控制裂缝发育
基岩形成之后通常会受多期次、多方向断层活动的影响,不同地质时期的断层活动以不同方向和强度作用于基岩,使得基岩经历了多次力学和流体作用的叠加。威尔逊旋回表明板块/陆块经历了多次裂解与拼合,区域或局部的主要构造方向常会发生变化,往往会导致基底形成不同时期、不同方向的网格化断层
[71-75](
图6[71-74])。渤中26-6油田受印支期强烈的挤压碰撞与燕山期走滑逆冲,形成了NWW向和NEE向两组裂缝,新生代以来近SN向的伸展作用使得先期裂缝的有效性得到较好地保持,立体的有效缝网体系是规模储层形成的基础
[35]。
以基底之上沉积地层时代为时间界限,分为早期断层和晚期断层,并根据形成时间划分为成盆前和成盆期裂缝。早期断层形成的成盆前裂缝由于受地表水及上覆邻近地层的影响,可能会被碳酸盐、硅质、黏土等矿物部分或全部沉淀充填,导致储层的孔隙度和渗透性降低。晚期断层形成之时由于已有上覆地层,成盆期形成的裂缝不容易受地表水影响,难以形成矿物沉淀充填。但如果受岩浆热液作用影响、晚期断层刺穿上覆地层或构造抬升剥蚀等作用,也可能会形成热液改造或矿物沉淀。晚期断层,尤其是最年轻的断层如果在早期断层的基础上再活化,往往会影响早期断层形成的裂缝系统
[12],破坏早期裂缝中的充填物,重新开启或扩大裂缝网络,增强储层的次生孔隙度和连通性,提升储层质量。
3.3 以走滑断层为主导的多类型断层控制了基岩储层的渗透性
基岩储层的构造裂缝系统主要受正断层、逆断层和走滑断层的影响(
图5),而走滑断层因其独特的运动学与几何学特征成为重要的影响因素,例如在中国渤海湾盆地、乍得Baobab、委内瑞拉La Paz、越南白虎等大-中型基岩油气田均主要受控于走滑断层(
图6和
图7[19,22])。
走滑断层具有垂向延伸远深、水平位移大的特征,在剪切-压扭应力场中更易形成复杂的裂缝网络,而其典型的花状构造可使主干断层与分支断层之间形成共轭剪切裂缝等立体网络(
图7),为流体流动提供了更多的通道,从而提高了储层渗透性。这种复杂的构造特征使得走滑断层成为基岩储层中主要的断层作用类型。在储层评价和开发过程中,深入理解走滑断层活动的演化历史、动力学机制、运动学特征,对于提高储层预测的准确性和开发效率具有重要意义。
正断层与逆断层虽对储层局部改造作用显著,也有学者认为断层伸展作用能够产生更大的裂缝密度
[12],但其影响范围与持续性不及走滑断层。伸展背景下形成的正断层主要发育高角度张裂缝,虽然增加了储层的裂缝孔隙度和渗透性,但其切割深度和复杂性通常弱于走滑断层。逆断层通常形成于挤压环境,可能导致裂缝的闭合和充填,从而降低储层的渗透性。但从油气运移的角度来看,正断层和逆断层更有利于基底发生垂向位移,使得沉积岩位于基底之下,从而有利于油气从低部位运移至基岩储层之中。
3.4 热液对基岩油气储层的“建设性”与“破坏性”作用
热液作用是基岩储层形成与演化的重要地质过程之一,其通过矿物沉淀、矿物蚀变产生复杂影响,既可以形成次生孔隙/裂缝从而增加孔隙度和渗透率
[12],也可以通过热液矿物的沉淀充填裂缝形成低渗带
[76]。在构造运动后,沿构造缝溶蚀可以形成构造-溶蚀裂缝,使裂缝壁形状不规则扩大并改变原始容貌
[21]。对于构造裂缝中的矿物充填而言,花岗岩由于形成过程中热液溶解少从而导致裂缝形成过程中的二次矿物沉淀少
[74]。在裂缝再活化的过程中,新断层可能会使裂缝扩大,与此同时流体活动也可以溶蚀早期充填矿物,进一步增加孔隙空间
[12],例如渤中26-6的变质岩潜山规模储层的形成受多期构造与风化淋滤共同控制,在风化裂缝带的岩石保持刚性并沿裂缝发生溶蚀增孔,孔隙度为5%~10%
[27]。热液改造对基岩储层具有“建设性”与“破坏性”双重效应,其最终影响取决于矿物组成、断层活化强度及流体-岩石反应的时空匹配,在勘探实践中需综合构造演化史、热液活动期次及岩石化学组分,聚焦断裂活化带以实现高效储层预测与开发。油气生成和充注过程中带来的CO
2也可能在裂缝中形成方解石,降低裂缝孔隙度。
3.5 多要素叠加控制基岩储层的垂向分带性
对于基岩油气藏而言,岩性是影响基岩基质孔隙和次生孔隙/裂缝发育的重要因素,例如中非裂谷系的前寒武纪基岩岩性复杂,主要是花岗岩类岩浆岩、混合花岗岩和片麻岩类正变质岩及少量石英岩和大理岩等。基岩本身的孔隙空间小,孔隙度通常小于5%,次生孔隙/裂缝是储层有效储集空间的关键组成部分,其发育程度直接决定储层的孔隙度、渗透率和油气富集能力。根据储层的油气富集能力,不同学者将其纵向划分不同的油气富集带(
表2[19,27,44]),主要包括风化砂砾岩带、风化淋滤带、裂缝带、半充填裂缝带和致密带/基岩带
[19,27,44](
图5),不同带之间是过渡关系。
次生孔隙是形成基岩油气藏的主控因素,通常受风化作用、构造裂缝和热液蚀变等多个要素的共同影响,但在不同地质背景下各具主导作用。基岩如果经历长期风化或强烈风化,风化带之上通常会形成风化碎屑沉积物,例如美国阿纳达科盆地的Panhandle气田,为典型的风化碎屑主导型储层,其孔隙性和渗透性与风化和碎屑沉积密切相关。通过统计全球大-中型基岩储层顶部与上覆地层的时代,其间隔时间通常为70~2 500 Ma(
图8),表明基岩储层与上覆沉积地层之间存在沉积间断或抬升剥蚀,普遍存在风化现象,但储量规模与风化作用持续时长没有明显的相关性(
图8)。
孔隙度具有自上而下逐步降低的趋势,这揭示了风化作用强度自上而下逐步降低
[19,27]。虽然风化带的孔隙度大于裂缝带,具有更好的储层物性,但风化带厚度通常小于100 m,普遍小于裂缝带(
图9)。例如,受走滑断层、正断层和逆断层等构造活动影响的白虎、Sumpal、La Paz、Mara等基岩油藏,裂缝是主要的储集和渗流空间,其发育程度直接影响储层质量和油气富集程度,表明基岩油藏的储量规模受风化带、裂缝带等多重因素影响。
4 结论和建议
(1)全球基岩油气藏的形成和分布受多种因素共同控制。从烃源岩和储集层的时代分布来看,中-新生代的烃源岩为基岩储层提供了主要的油气来源,而前寒武纪、侏罗纪、白垩纪和寒武纪基岩为重要的储集层。不同含油气域的基岩油气储量差异明显,特提斯域因其复杂的构造演化和多样的地质条件,成为全球基岩油气储量最为富集的区域,而太平洋域由于强烈的板块俯冲和挤压作用,基岩变质变形严重,导致其油气储量规模较小。
(2)基岩油气藏的形成与风化作用、断层活动和热液改造等多要素叠加密切相关,多类型、多期次、多方向的断层活动能够显著提升基岩储层质量从而形成有利储集空间,其中走滑断层为最重要的断层类型,热液改造对基岩油气储层有着的“建设性”与“破坏性”双重控制作用。
(3)全球已发现的基岩油气田大多位于盆地边缘的基底构造高部位,随着构造低部位的隐蔽型潜山获得勘探突破,以及地震处理解释技术的进步,未来会向隐蔽型潜山、盆地中部基底隆起带的主动勘探。基岩储层受裂缝的影响较大,裂缝主要受构造因素的影响,因此对能够影响基岩的构造事件的识别至关重要。能够影响基岩的构造事件,往往是规模性抬升剥蚀、区域性断层活动和热液改造活动等。
(4)从全球尺度来看,北方域、特提斯域、南冈瓦纳域和环太平洋域经历不同的构造-沉积演化过程,尤其是最新一期的区域构造演化具有较为明显的差异性,其既是现今盆地类型的判断标准,也通常是影响基岩储层质量最为重要的一期构造活动。南冈瓦纳域、特提斯域和北方域中的裂谷盆地、弧后盆地等,以及太平洋域中具有较好成藏条件的地区,有望成为未来基岩勘探重要突破方向。
(5)中国绝大多数盆地油气勘探已经进入成熟阶段,随着向深层进军和地震勘探技术的提高,深层-超深层尤其是基岩将是重要的勘探目标。“走出去”到海外勘探,基岩和沉积层都应该作为立体勘探的一部分,应该同部署、同评价,力争早发现大油气田。
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