贺永红,王爱国,杜彦军,王变阳,宋 健,马 浪,李春雨
(1.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院,陕西 西安 710075;2.西北大学 地质学系/大陆动力学国家重点实验室,陕西 西安 710069)
鄂尔多斯盆地延安组油藏埋藏浅,物性好,单井产量高,因而具有“小而肥”的特点[1-2]。鄂尔多斯盆地延安组年产油近900万吨,仅次于延长组,是盆地内的重点勘探层段[3]。关于延安组油藏的成藏机制,前人研究认为是长7烃源岩排出的石油经由前侏罗系古河道运移至河道两侧的圈闭中成藏,即“古河道控藏”[3-6]。然而,随着勘探的深入,发现在古河道两侧经常遭遇勘探失败,而在远离古河道的地区(如靖边地区)却存在大量的延安组油藏(见图1)。延安组油藏的成藏规律急需进一步研究和完善。
油源和运移通道是揭示油气成藏机制的两个关键环节。准确地确定延安组油藏的油源以及石油进入延安组的运移通道,有助于恢复延安组的成藏过程,对侏罗系成藏机制的建立至关重要。关于延安组油藏的油源,前人普遍认为是延长组长7烃源岩,但存在“近源”(本地)和“远源”(湖盆中心)之争[7-10];关于运移通道,前人认为下伏石油沿裂缝或叠置砂体进入下切延长组的前侏罗纪古河道后[9-11],在延安组内部继续向构造高部位运移[3-6]。
志(丹)靖(边)地区既发育长7烃源岩,又发育前侏罗系古河道,且在古河道两侧以及远离古河道的地区均出现大量延安组油藏,是开展延安组成藏研究的理想地区。因此,本研究选择志靖地区作为研究区,通过精细的原油地化分析,探讨延安组石油的来源和运移通道,以期为延安组成藏研究提供参考。
鄂尔多斯盆地是中国重要的含油气盆地,由伊盟隆起、西缘逆冲带、天环拗陷、伊陕斜坡、晋西挠褶带、渭北隆起6个二级构造单元构成[12-13]〔见图1(a)〕。延长组沉积时,盆地为湖泊-三角洲环境并在南部深湖区沉积了大范围的长7优质烃源岩[14-15]。晚三叠世末,印支运动导致盆地抬升,延长组顶部遭受剥蚀。早侏罗世晚期,盆地内发育多条古河,在古河道内发生了填平补齐式的富县组沉积[15-16]。中侏罗世延安期,盆地再次进入湖盆发育期:延10亚期为曲流河-辫状河沉积环境;延9、延8亚期,整体沉积环境为河湖三角洲体系;延7、延6亚期,河流作用减弱,三角洲平原范围扩大,是盆地重要的成煤期;延4+5亚期,盆地发育进入萎缩阶段,整体表现为曲流河-残留湖体系;延3-延1亚期,盆地再次抬升,延3-延1段发生不同程度缺失[17]。
志靖地区位于伊陕斜坡中部,西南部发育长7优质烃源和前侏罗系甘陕、蒙陕两条古河道〔见图1(b)〕。区内发育4条隐伏断裂[18]和2条基底断裂[19],断裂走向以北东—南西向为主〔见图1(b)〕。
志靖地区延安组石油资源丰富〔见图1(b)〕,主力产油层为延9、延10段。其储层孔隙度为12%～20%,渗透率多大于10×10-3μm2,属中-低孔、中-低渗储层。其油藏类型以构造、构造-岩性油藏为主[9]。志靖地区延长组的主力产油层为长6段。
注:断裂分布据文献[9,18-19],长7有效烃源岩范围据文献[20]。图1 鄂尔多斯盆地志靖地区的地质要素与原油样品分布Fig.1 Geological elements and distribution of oil samples in the Zhijing Area,Ordos Basin
本研究从志靖地区延安组延10、延9段采集了19个油样,从延长组长6、长4+5段采集了11个油样。油样分布如图1(b)所示,油样信息见表1。在西北大学大陆动力学国家重点实验室对这些油样开展了原油全烃气相色谱和饱和烃气相色谱-质谱测试。
全烃气相色谱的测试仪器为热电TRACE 1300气相色谱仪。测试条件:载气99.999%N2(流量1 mL/min),燃气H2,助燃气空气;进样口和FID检测器温度为300 ℃;色谱柱选用HP-1MS弹性石英毛细柱(30 m×0.25 mm×0.25 μm),升温程序为初温40 ℃(保持10 min),4 ℃/min升温至70 ℃,8 ℃/min升温至300 ℃并保持40 min。
按照行业标准(SY/T 5119-2016)对油样进行族组分分离后,按照国家标准(GB/T 18606-2017)对分离出的饱和烃开展了色谱-质谱测试。测试仪器为热电TRACE 1300-ISQ QD 300气相色谱-质谱联用仪。测试条件:载气99.999% He(流量1 mL/min),进样口、传输线温度300 ℃;色谱柱选用HP-5MS弹性石英毛细管柱(60 m×0.25 mm×0.25 μm);升温程序为色谱柱初温50 ℃(恒温1 min),20℃/min升温至120 ℃,4℃/min升至250 ℃,再以3 ℃/min升至310 ℃并保持30 min;选择离子(质荷比为85,123,191,217)进行扫描。
3.1 正构烷烃
志靖地区原油的正构烷烃分布均呈单峰型,主峰碳位于nC14～nC19(见表1)。碳优势指数(CPI)和奇偶优势比(OEP)可揭示原油的热演化程度[21]。经计算,研究区原油的CPI 和OEP值范围分别为1.08～1.16和0.98～1.12(见表1),均无奇偶碳数优势,表现出成熟原油的特征。
表1 鄂尔多斯盆地志靖地区原油全烃气相色谱分析生标参数表Tab.1 Biomarker parameters from the whole hydrocarbon analysis of crude oils in the Zhijing Area,Ordos Basin
对于成熟的正常原油(即未遭受次生改造的原油),Kissin研究发现,C7以上正构烷烃的摩尔丰度呈指数分布特征[22]。然而,后期的一系列次生改造作用(如气侵、气洗、蒸发分馏、晶析、生物降解等作用)都会打破这一分布规律(见图2)[23],导致正构烷烃的分布样式多样化。经观察发现(见图3),研究区延安组原油和延长组原油表现出明显不同的正构烷烃分布样式。延安组原油C18以下的正构烷烃(nC18-)分布比较凌乱,且在C11处存在明显的“错位”〔见图3(a)～(f)〕。相较而言,延长组原油的nC18-分布比较接近正常原油〔见图3(g)～(h)〕。但在个别井〔见图3(i))〕中,延长组原油也存在C8以下组分的丢失。
图2 不同次生改造作用对原油正构烷烃分布的影响(据文献[23])Fig.2 Effect of several secondary modifications on the distribution of normal alkanes in crude oil
图3 鄂尔多斯盆地志靖地区代表性原油的正构烷烃分布特征Fig.3 N-alkane distribution characteristics of the representative oils from the Zhijing Area,Ordos Basin
3.2 类异戊二烯烷烃
姥鲛烷(Pr)和植烷(Ph)是原油中丰度较高的两种类异戊二烯烷烃,二者的比值(即姥植比,Pr/Ph)是目前常用的反映有机质沉积环境的指标[21]。经计算,研究区延安组原油的Pr/Ph值为1.20～1.41,平均1.33;延长组原油Pr/Ph值为1.13～1.32,平均1.24(见表1)。由此可见,区内延安组和延长组原油的Pr/Ph值是比较接近的,均揭示了一个弱氧化-弱还原的烃源岩沉积环境[21]。
研究区延安组和延长组原油的Pr/nC17值和Ph/nC18值也很接近,前者为0.3～0.9,后者为0.25～0.69(见表1,图4)。这一方面表明,区内的原油未发生生物降解作用;另一方面也揭示,研究区原油的生油母质主要为水生生物与陆源植物的混合有机质(见图4)。
图4 鄂尔多斯盆地志靖地区原油Pr/nC17和Ph/nC18交会图(Pr=姥鲛烷,Ph=植烷)Fig.4 Cross plot of Pr/nC17 and Ph/nC18 for the crude oils from the Zhijing Area,Ordos Basin
3.3 萜烷
3.3.1 三环萜烷系列
三环萜烷(TT)系列化合物蕴含大量的成熟度、沉积环境等方面的地质信息,被广泛地应用于油源对比研究[24]。前人研究发现,海相和咸水湖相烃源岩往往具有C23TT优势,表现为C20
研究区的原油除ZJ-24油样外,其余油样的C21/C20TT和C23/C21TT值均大于0(见表2),即研究区内的原油基本上呈C20 图5 鄂尔多斯盆地志靖地区原油的萜烷特征Fig.5 Terpene characteristics of crude oils from the Zhijing Area,Ordos Basin 3.3.2 藿烷类 伽马蜡烷指数之前常被用于表征沉积水体的盐度,但现在被认为是水体分层的指标[27]。研究区延安组与延长组原油的伽马蜡烷指数接近,为0.05～0.07〔见表2,图5(b)〕,较低的伽马蜡烷指数揭示烃源岩的沉积水体分层性可能较差。 升藿烷指数〔C31藿烷22S/(22S+22R)〕和莫藿比(C30莫烷/C30藿烷)是判识原油/烃源岩是否成熟的有效参数。经计算(见表2),研究区原油的升藿烷指数为0.56～0.59,莫藿比为0.08～0.10,揭示区内原油均为成熟原油[21]。在这种情况下,Ts/Tm、C29Ts/C29降藿烷和C30重排藿烷/C30藿烷均是定量表征原油成熟度的有效指标(见表2)。 表2 鄂尔多斯盆地志靖地区原油萜烷类生标参数表Tab.2 Terpene parameters of crude oils in the Zhijing Area,Ordos Basin 志靖地区原油的甾烷成熟度指标C29甾烷ββ/(ββ+αα)和C29甾烷20S/(20S+20R),分别为0.50～0.56和0.38～0.46(见表3),再次证实研究区内的原油均已成熟〔见图6(a)〕。C27—C28—C29规则甾烷的相对丰度可反映母质来源[28]。由C27—C28—C29规则甾烷判识图〔见图8(b)〕可知,区内原油的母质来源以浮游生物和陆地植物/细菌的混合来源为主,这与前文Pr/nC17-Ph/nC18判识结果一致(见图4)。 (a)成熟度 (b)母质来源图6 鄂尔多斯盆地志靖地区原油成熟度和母质来源Fig.6 Maturity and biological sources of crude oils in the Zhijing Area,Ordos Basin 表3 鄂尔多斯盆地志靖地区原油甾烷类生标参数表Tab.3 Hopane parameters of crude oils in the Zhijing Area,Ordos Basin 前人研究发现[20,29-30],志靖地区存在长7、长8、长9三套潜在的烃源岩。它们均有“好”以上的有机质丰度和偏腐泥型的有机质类型,而且均已成熟。因而,这三套烃源岩都具有为延安组供油的潜力。经油-源对比,志靖地区的延安组原油均来自长7烃源岩(见图7),与前人的认识一致。需要注意的是,区内延安组原油与延长组原油的地化特征相近(见图4、5、6),这说明二者同源,均来自长7烃源岩(见图7)。 注:长7烃源岩数据据文献[29];长8、长9烃源岩数据据文献[30]。图7 鄂尔多斯盆地志靖地区油源对比图Fig.7 Oil-source correlation for the crude oils from the Zhijing Area,Ordos Basin 前人研究表明,鄂尔多斯盆地湖盆中心和陕北斜坡均发育长7烃源岩[10,20,31-33]。因此,延安组的原油到底是“近源”还是“远源”,需进一步研究。为此,本研究分析了长7烃源岩在湖盆中心和陕北斜坡间的地化差异性。结果发现,它们在Pr/Ph、C27-C28-C29规则甾烷相对含量等示源指标上存在明显差异。如图8(a)所示,湖盆中心长7烃源岩的Pr/Ph主要为0.5～1.3,20Rααα-C27/C29甾烷多大于1.0;而陕北斜坡长7烃源岩的Pr/Ph主要为1.0～2.2,20Rααα-C27/C29甾烷多小于1.0。与湖盆中心相比,陕北斜坡长7烃源岩形成于偏氧化的沉积环境,存在较多的陆生植物输入〔见图8(a)〕。 利用Pr/Ph和20Rααα-C27/C29甾烷开展油源对比后发现,志靖地区的原油(包括延长组和延安组)均来自湖盆中心的长7烃源岩〔见图8(b)〕。廖青根据总有机碳含量与热解残留烃含量和氯仿沥青“A”含量之间的关系确定了长7有效烃源岩的TOC下限(TOC>1.5%),并绘制了其分布范围[20](长7有效烃源岩的北部边界如图1(b)所示)。由图1(b)可见,研究区延安组油藏的油源位于吴起—旦八一线的西南。 注:数据引自文献[10,31-33]。图8 鄂尔多斯盆地长7烃源岩横向差异性和志靖地区的油源判识Fig.8 Lateral difference of Chang 7 Source rocks in the Ordos Basin and the source identification for the oils in the Zhijing Area 4.2.1 垂向运移通道 由图1(b)所示的源-藏空间分布可以看出,研究区延安组油藏主要分布于长7生烃灶的东北部(长7有效烃源岩之外)。这一研究结果表明,延安组石油既发生了垂向运移又发生了侧向运移。对于垂向运移,前人认为断裂/裂缝是下伏长7石油进入延安组的运移通道[9,11]。这一观点得到了延安组原油地化特征的支持(前文已述,延安组原油与延长组原油同源)。另外,成熟度参数Ts/Tm和C29Ts/C29降藿烷还揭示延安组原油与延长组原油的成熟度也是相近的(见图9),即二者还是同期的。然而,研究区延安组原油与延长组原油的正构烷烃分布却存在明显差别(见图3)。这种差异与油源无关,与成熟度也无关,应该与石油的运移方式有关。石油在运移的过程中,特别是沿断裂垂向运移的时候,温压条件的显著变化会引发相分馏,导致原油轻、重组分分离[34-38]。延安组石油nC18-的杂乱分布以及在C11处的“错位”〔见图3(a)～(f)〕,应该是石油沿断裂/裂缝垂向运移过程中,轻、重组分分离、二次混合的痕迹和记录。相较而言,长6、长4+5石油以侧向运移为主,垂向运移较弱,其正构烷烃分布就比较规律〔见图3(g)、(h)〕。 Thompson研究发现,相分馏会导致轻组分相对富集正庚烷而相对亏损甲苯,进而导致分馏出的轻组分的甲苯/正庚烷相较于分馏前的石油会降低[39]。如图9所示,延安组石油的甲苯/正庚烷明显低于延长组石油的值,再次证实延安组石油发生了相分馏,进而揭示延安组石油发生过沿断裂/裂缝的垂向运移。 上述认识得到了延安组油藏分布与断裂展布的“空间伴生”关系的有力支持。如图1(b)所示,虽然研究区南部在空间距离上更接近烃源岩,但研究区北部的延安组油藏却更为发育,而且油藏分布与断裂展布具有明显的伴生关系。研究区北部不但断裂密度较大,而且断裂纵向延伸长:断裂自延长组底部向上延伸至白垩系〔见图1(b)、图10中断裂1～2和5～6〕。相反,研究区南部不但断裂密度小,而且北西—南东向的断裂纵向延伸短,未延伸至白垩系(见图10中断裂4)。这意味着,研究区北部的断裂不但沟通了整个延长组和延安组,而且断裂活动期很可能与延安组的成藏期(即早白垩世)[40]在时间上是匹配的。因此,对延安组成藏来说,研究区北部比南部具有更发育的垂向运移通道。 图9 鄂尔多斯盆地志靖地区延安组与延长组原油的甲苯/正庚烷差异Fig.9 Toluene/n-heptane differences between the oils from the Yan’an and Yanchang Formations in the Zhijing Area,Ordos Basin 4.2.2 侧向运移通道 对于远离长7有效烃源岩的延安组油藏(如研究区东北部)而言,石油运移除了垂向运移外,显然在北东方向还发生了长距离的侧向运移。整体上看,东北部的延安组石油存在两种潜在的侧向运移方式。一种是注入前侏罗系古河道的石油在延安组内部发生北东向侧向运移;另一种是长7烃源岩排出的石油在延长组内部发生北东向侧向运移(后沿断裂/裂缝垂向注入延安组)。无论哪种侧向运移方式,石油均会在其运移的路径上留下地化印记。因此,借助这些地化印记便可恢复延安组石油真实的运移通道。 对于同源的石油而言,石油的成熟度梯度是示踪石油运移的有效指标[41]。前人研究认为,随着运移距离增大,石油成熟度逐渐降低[42]。为此,本研究绘制了延安组石油成熟度(Ts/Tm表征)分布与前侏罗系古地貌叠合图〔见图11(a)〕。如图11(a)所示,蒙陕古河道区域内石油的Ts/Tm值(0.85～1.09)明显低于远离古河道的中山涧-杨米涧地区的Ts/Tm值(1.11～1.17)。而且,自蒙陕古河至中山涧-杨米涧地区,延安组石油的成熟度分布杂乱,毫无规律。这些地化特征不支持石油发生自古河道开始的北东向长距离侧向运移。因此,研究区东北部延安组石油的侧向运移应该是在延长组内完成的。 注:断裂1～6的位置见图1(b),据文献[9,18-19]修改。图10 鄂尔多斯盆地志靖地区隐伏断裂在地震剖面上的响应Fig.10 Response of hidden faults on the seismic sections in the Zhijing Area,Ordos Basin 延安组与延长组油藏分布的“空间互补”关系〔见图11(b)〕也支持上述认识。如图11(b)所示,延长组油藏发育的区域,延安组油藏不发育,而延安组油藏发育的区域,延长组油藏不发育。如果石油在延安组内部发生长距离侧向运移,那么这种“空间互补”的关系不会出现。因为,延安组内部的始自古河道的侧向运移不会影响下伏延长组内部的始自长7烃源岩的侧向运移。由于上、下两套地层内,侧向运移的起点相近、方向一致,所形成的延安组油藏与延长组油藏大概率会出现上下重合的现象。同时,先在延长组内部侧向运移后,垂向运移至延安组的运移方式则很好地解释了该“空间互补”关系。源自长7烃源岩的石油在延长组内部沿砂体侧向运移的过程中,如果没有遇到断裂/裂缝,石油则不会垂向运移而是在延长组内的圈闭中成藏,油藏上方的延安组由于没有石油注入而无藏;如果遇到断裂/裂缝而发生垂向运移,石油则注入延安组而成藏,油藏下方的延长组则无藏。 在延长组内部,侧向运移后再垂向运移至延安组的运移方式也能很好地解释延安组石油成熟度平面分布的杂乱。由于开始注入延安组的石油基本上以沿断裂/裂缝的垂向注入为主,那么多条断裂/裂缝的输导必然导致延安组存在多个石油注入点,而石油多点注入又必然导致石油运聚过程的复杂化,进而导致区域上原油成熟度指标的混乱。根据石油成熟度示踪原理[42],局部区域的石油成熟度高值可能代表了下伏石油进入延安组的“注入口”。据此可以发现,研究区北部延安组至少存在3个石油“注入口”〔见图11(a)〕。 综合上述油源和运移通道的认识,本研究认为,志靖地区延安组油藏的成藏过程为:源自湖盆中心长7烃源岩的石油在延长组内部发生距离不等的侧向运移后,沿断裂/裂缝垂向运移、多点注入延安组,并在注入点附近的圈闭中聚集成藏。由此可以看出,下伏石油进入延安组的通道主要是延长组砂体和断裂/裂缝,二者的空间配置控制了长7石油进入延安组的路径。延长组砂体的侧向输导作用,使得湖盆中心的长7石油可以向北东方向发生长距离的侧向运移;断裂/裂缝又将石油的侧向运移改变为垂向运移,从而控制了石油进入延安组的注入口。因此,延安组油藏的分布并不仅限于古河道,而是受控于切割延长组砂体的断裂/裂缝的分布。这也是在远离前侏罗系古河道的区域仍然发育延安组油藏的原因。 (a)延安组原油Ts/Tm平面分布 (b)延安组、延长组油藏分布图图11 鄂尔多斯盆地志靖地区原油成熟度和油藏的平面分布Fig.11 Spatial distribution of oil maturitiesand oil reservoirs in the Zhijing Area,Ordos Basin 1)志靖地区长6以浅的原油的生源和成熟度指标均相近,属同源同期的成熟原油,其油源为湖盆中心的长7烃源岩。 2)延安组和延长组石油的正构烷烃分布特征明显不同,前者的相分馏指数(甲苯/正庚烷)普遍小于后者的值,其原因与石油不同的运移方式有关。下伏石油沿断裂/裂缝垂向运移过程中发生的轻、重组分分离以及混合作用,导致了延安组石油异常的正构烷烃分布:C18以下正构烷烃分布凌乱并在C11处出现“错位”。延长组长6、长4+5石油以侧向运移为主,其正构烷烃分布相对规律。 3)源自湖盆中心长7烃源岩的石油先在延长组内发生北东向侧向运移,然后沿断裂/裂缝垂向运移注入延安组。导油断裂/裂缝的展布控制了下伏石油进入延安组的注入点,进而控制了延安组油藏的分布。
3.4 甾烷
4.1 延安组油藏的油源
4.2 延安组石油的运移通道
4.3 延安组油藏的分布规律
