張鑫

（中海油研究總院）

1 概 況

美國地質調查局（USGS）2008年基于已發(fā)現(xiàn)油氣田的資料，應用概率法評價技術，對北極圈進行了資源評估，結果顯示北極圈內存在豐富的油氣資源，如西西伯利亞盆地、阿拉斯加北坡盆地及巴倫支海盆地等。截至2009年，美國、加拿大、挪威等國家在北極圈內已發(fā)現(xiàn)了61個大型油氣田（其中15個尚未投產(chǎn)）?？傮w來講，北極地區(qū)勘探程度較低，尤其是海上，由于氣候和設備的限制，大部分地區(qū)還處于勘探的初級階段［1］。

阿拉斯加北坡盆地位于北極圈內，跨越整個阿拉斯加北部，東西長1 100 km，南北寬100～600 km，面積約36×104km2。盆地南接布魯克斯嶺，北鄰波弗特海陸坡，西以赫拉爾德隆起與北楚科奇盆地、南楚科奇—霍普盆地相鄰（圖1）。北坡盆地屬于被動大陸邊緣疊合盆地，已證實其油氣資源豐富，美國最大的油田普魯?shù)禄魹常≒rudhoe Bay）油田位于盆地北部陸坡布魯克斯層序內，同時美國在該盆地還發(fā)現(xiàn)了一系列大、中型油氣田［2］。盆地具有縱向上多層系含油的特點，但目前商業(yè)性油氣都產(chǎn)自陸上。北坡盆地已證實具有極好的油氣遠景，截至2012年，盆地已經(jīng)鉆探500多口探井，獲得了64個油氣田發(fā)現(xiàn)，其中海上有16個發(fā)現(xiàn)，主要分布在波弗特海岸區(qū)，北坡盆地海上勘探程度還很低，具有巨大的勘探潛力。

由于北坡盆地海域勘探程度低，國內外對該區(qū)的研究成果比較少，前人多從盆地的構造演化入手，結合盆地的陸上油田資料來分析盆地的油氣資源潛力［2］，對盆地海域的烴源巖潛力、儲蓋組合分布情況以及油氣成藏規(guī)律還認識不清。本文通過大量阿拉斯加北坡盆地海域的地質、地球物理和分析化驗等資料，綜合研究盆地的烴源巖、儲蓋組合、圈閉類型等成藏要素特征，探討了盆地油氣成藏特征和資源潛力，明確了油氣聚集有利區(qū)帶及勘探方向，這對我們北極圈的合作勘探具有現(xiàn)實的指導意義。

圖1 阿拉斯加北坡盆地構造位置及已證實的油氣系統(tǒng)分布（據(jù)文獻［2］和① MAGOON L B,LILLIS P G,BIRD K J,et al.Alaskan North Slope petroleum systems［R］.United States Geological Survey,2003:1-3.綜合編繪）

2 區(qū)域地質特征

2.1 構造特征

阿拉斯加北坡盆地由一系列古生代至新生代的地臺、地槽、拱曲和次盆組成，在海域主要包括前陸擠壓構造帶、楚科奇地臺、漢納地槽與巴羅拱曲等，擠壓構造帶以NW向斷層為主，漢納地槽和楚科奇地臺以NE、NS向斷層為主，反映出它們復雜的構造演化過程。北坡盆地的構造演化是由造山過程控制的，主要包括兩大構造體制（圖2）：（1）自晚泥盆世埃爾斯米爾造山運動以來，北坡盆地海域一直位于或鄰近于埃爾斯米爾造山盆地的北部邊緣；（2）從中、晚侏羅世一直到現(xiàn)今，布魯克斯造山運動致使北阿拉斯加盆地的構造發(fā)生了反轉［3］，盆地整體呈現(xiàn)南部抬升、擠壓變形和北部沉降的構造格局,阿拉斯加北坡盆地由裂谷盆地逐步轉化為前陸盆地。

2.2 地層特征

根據(jù)區(qū)域資料，北坡盆地的地層記錄可追溯到前寒武系，并可劃分為4套構造-地層層序（圖2）。由下往上依次為：（1）基底——富蘭克林層序，包括晚寒武世到泥盆紀地層，這一層系包括了各種巖類的組合，常見變形和輕度變質的頁巖，還見石英巖、硬砂巖、碳酸鹽巖和火山巖的沉積物［3］；（2）埃爾斯米爾層序，包括晚泥盆世至三疊紀地層，對應于被動大陸邊緣階段，以區(qū)域性的二疊紀不整合面（PU）為界分為上下兩個層序②CRAIG J D，SHERWOOD K W,JOHNSON P P.Geologic report for the Beaufort Sea planning area,Alaska:Regional geology,petroleum geology,environmental geology［R］.U.S.Department of the Interior Minerals Management Service,1985,85-111.，被動邊緣期三疊系發(fā)育主力烴源巖Shublik組，Ⅱ型干酪根，生油為主；（3）波弗特層序，包括侏羅紀至早白堊世地層，對應于裂谷階段,主要分布在海岸線以北地區(qū)，厚度變化大［4］，裂谷期發(fā)育下白堊統(tǒng)淺海相和三角洲相砂巖，Kuparuk為主要儲集層，上白堊統(tǒng)Torok三角洲砂巖為次要目的層；（4）布魯克斯層序，包括中—晚白堊世至第四紀地層，對應于前陸盆地和新的被動大陸邊緣階段。

圖2 阿拉斯加北坡盆地海域地層柱狀圖（據(jù)康菲公司，2012，有修改）

3 油氣地質條件

3.1 烴源巖條件

北坡盆地主要有三個沉積中心，分別位于盆地西南部、南部和東部，沉積厚度超過6000m。盆地的發(fā)育演化呈現(xiàn)多階段、多旋回、多類型的特征，從而控制了盆地內多期次、高豐度、多類型烴源巖的發(fā)育。盆地海域主要烴源巖有三疊系Shublik組；次要烴源巖有上二疊統(tǒng)—下三疊統(tǒng)Kavik組泥巖，侏羅系—下白堊統(tǒng)Kingak組泥巖，白堊系Hue頁巖、Pebble泥巖、Torok組泥巖等；潛在的烴源巖有下白堊統(tǒng)Nanushuk組［5-7］。

3.1.1 有機質類型

通過對北坡盆地海域烴源巖樣品的巖石熱解參數(shù)進行分析，三疊系Shublik組、Fire Creek組和上二疊統(tǒng)—三疊系Ivishak組的樣品氫指數(shù)（IH）分布范圍為200～600mg/g，表明烴源巖有機質類型主要為腐泥型的。其他層系烴源巖樣品氫指數(shù)分布范圍多在50～200mg/g，表明烴源巖有機質類型主要為腐殖型或含腐泥腐殖型的。

運用氫指數(shù)—氧指數(shù)（IH—IO）和氫指數(shù)—熱解峰溫（IH—Tmax）圖版，繪制出該區(qū)烴源巖的類型判別圖（圖3），由圖可見，三疊系Shublik組、Fire Creek組以及上二疊統(tǒng)—三疊系Ivishak組烴源巖屬于Ⅰ—Ⅱ1型干酪根，其他層系多屬于Ⅱ2—Ⅲ型干酪根（圖3）。

圖3 阿拉斯加北坡盆地海域有機質類型判別圖

3.1.2 有機質豐度

有機質豐度主要受有機質來源、生物生產(chǎn)率、沉積環(huán)境、沉積速率及礦物巖石等因素的影響。根據(jù)不同有機質類型的烴源巖評價標準，北坡盆地海域三疊系Shublik組、Fire Creek組和三疊系—上二疊統(tǒng)Ivishak組烴源巖（有機質類型為Ⅰ—Ⅱ1型干酪根）屬于好—很好烴源巖。Shublik組的巖性在區(qū)域上具有非均一的特征，主要包括海相碳酸鹽巖、泥灰?guī)r、頁巖和磷灰?guī)r等，其形成環(huán)境為東西走向的陸架環(huán)境，向北為海岸線，向南為寬闊海洋，古緯度大約50°N［8］。其他層系烴源巖（有機質類型為Ⅱ2—Ⅲ型干酪根）從差到好都有分布，但主要為中等—好烴源巖（圖4）。

圖4 阿拉斯加北坡盆地海域有機質豐度判別圖

3.1.3 有機質成熟度

北坡盆地海域鏡質組反射率（Ro）分析結果顯示：該區(qū)有機質在白堊系Torok組中部（深度大約1500m）進入低成熟階段(0.5%＜Ro≤0.7%)，在白堊系底部（埋深約2800m）進入成熟階段(0.7%＜Ro≤1.3%)，沒有樣品顯示有機質成熟度達到高成熟階段（圖5）。Shublik組為近源古地理環(huán)境，其下部為海侵形成的層狀泥灰?guī)r和頁巖，富含海藻等缺氧環(huán)境下沉積的殼質組沉積物，烴源巖樣品的Ro值在0.6%～0.9%之間，且以Ⅰ—Ⅱ1型干酪根為主，研究認為，Ro介于0.6%～1.35%之間，相當于烴源巖的液態(tài)烴生成階段［9］，該套烴源巖有機質成熟度適中，以生油為主。

圖5 阿拉斯加北坡盆地海域有機質成熟度分布圖

3.2 儲蓋組合條件

3.2.1 儲層條件

北坡盆地海域埃爾斯米爾、波弗特及布魯克斯層序中（圖2）擁有眾多砂巖儲層，碳酸鹽巖儲層則主要發(fā)育在石炭系和三疊系內，白堊系—第三系的煤層是潛在的煤層氣儲層。

埃爾斯米爾層序為陸架被動大陸邊緣沉積，該時期盆地北高南低，主物源為北部隆起的基底剝蝕區(qū)，向南往現(xiàn)今布魯克斯嶺一側水體加深，儲層主要分布在盆地的東北部，屬過渡相、淺海相沉積環(huán)境。儲層主要包括二疊系—泥盆系碳酸鹽巖、下三疊統(tǒng)—上二疊統(tǒng)淺海相、三角洲相砂巖。二疊系—泥盆系碳酸鹽巖主要為灰?guī)r，孔隙度一般在1%～10%之間，滲透率一般在（0.01～2）×10-3μm2之間，總體上為差—中等的儲層，該盆地古生界油氣藏主要分布在石炭系碳酸鹽巖儲層中［10］。下三疊統(tǒng)—上二疊統(tǒng)發(fā)育淺海相、三角洲相砂巖，以長石石英砂巖和巖屑石英砂巖為主，成巖作用屬于中成巖作用階段A期。儲層孔隙度一般在5%～30%之間，滲透率范圍一般在（0.1～100）×10-3μm2之間，差—好儲層均有分布。該套地層沉積期間經(jīng)歷過多期海泛與海退，其上被三疊系Shublik組頁巖覆蓋。

北坡盆地裂谷期以早白堊世發(fā)育的裂谷作用為主，北部存在繼承性的局部短物源，西部陸架區(qū)的楚科奇地臺抬升。早白堊世晚期，布魯克斯嶺開始抬升，物源轉為南部的布魯克斯嶺，碎屑巖發(fā)育于盆地的坡折地帶，北部形成一系列小型地塹與半地塹。該時期先后經(jīng)歷河流—過渡相、邊緣相與海相沉積環(huán)境。主要儲層為下白堊統(tǒng)Kuparuk組三角洲相和淺海相砂巖，其物源來自西部楚科奇地臺和北部的隆起，儲層主要分布在盆地的中部和北部地區(qū)，儲層成巖作用屬于中成巖作用階段A期。儲層孔隙度范圍一般為10%～25%，滲透率范圍為（1～1000）×10-3μm2，屬于較好—好的儲層，三角洲前緣水下分流河道、河口砂壩分布區(qū)是主要的有利勘探目標區(qū)。

前陸盆地階段，盆地物源以南部布魯克斯嶺為主，巴羅拱曲為前緣隆起。盆地先后經(jīng)歷了淺海相、海相三角洲與陸相河流相沉積。該時期主要儲層為下白堊統(tǒng)Torok組的三角洲、海底扇和淺?！肷詈Ｏ嗌皫r，Nanushuk組的三角洲、河流相砂巖，成巖作用屬于早成巖作用階段A期和B期。儲層孔隙度范圍一般為20%～35%，滲透率范圍為（10～4000）×10-3μm2，大部分屬于好的儲層。

3.2.2 蓋層條件

阿拉斯加北坡盆地海域經(jīng)歷了多次海進、海退的變化以及構造活動，古生代、中生代、新生代均發(fā)育有蓋層，主要包括埃爾斯米爾層序的上石炭統(tǒng)—下二疊統(tǒng)灰?guī)r、三疊系Shublik組頁巖，波弗特層序的Kingak組、Kuparuk組和Pebble組頁巖，布魯克斯層序的Torok組、Nanushuk組頁巖和泥巖等。上述頁巖、泥巖和灰?guī)r，既是盆地烴源巖，又是蓋層。綜合評價認為研究區(qū)三疊系—下白堊統(tǒng)下部蓋層孔隙度＜3%，沉積環(huán)境為淺?！肷詈?，巖性為泥巖和鈣質泥巖，單層厚度為10～210 m，成巖階段為中成巖A期，綜合評價為好的蓋層。下白堊統(tǒng)上部的蓋層孔隙度在3%～10%之間，沉積環(huán)境為三角洲平原，巖性為泥巖，單層厚度為5～90 m，成巖階段為早成巖A期和B期，為較好—中等的蓋層（表1）。

表1 阿拉斯加北坡盆地海域蓋層條件綜合評價表

3.3 含油氣系統(tǒng)

北坡盆地經(jīng)歷了多期構造運動，發(fā)育了多套烴源巖和蓋層，形成了多套成藏組合，已證實有三套含油氣系統(tǒng)：Shublik—Ivishak系統(tǒng)、Kingak—Alpine系統(tǒng)以及Hue—Thomson系統(tǒng)，主要分布在盆地的東部①（圖1）。其中，三疊系Shublik組頁巖為主要烴源巖，相應的Shublik—Ivishak含油氣系統(tǒng)也是最大的，該系統(tǒng)儲層從石炭系至第三系均有分布，主要儲層為Ivishak組，平面上該系統(tǒng)主要分布在巴羅拱曲。

三疊系Shublik組烴源巖在晚白堊世—古新世進入生烴高峰，該區(qū)域最大埋藏深度發(fā)生于晚白堊世，油氣運聚時間為晚白堊世—古新世（圖6）。晚白堊世到古新世，Shublik組生成的油氣可能排入鄰近的輸導層，縱向上油氣沿斷層向上或向下運移，橫向上油氣沿不整合面及砂巖運移。沿斷裂邊緣的隆升及侵蝕活動導致區(qū)域不整合面的發(fā)育，下白堊系不整合面（LCU，圖2）被認為是一個裂開不整合，LCU截斷了老的地層單元，包括烴源巖和儲層，上超在巴羅拱曲之上，構成了運移通道，巴羅拱曲為油氣運移的有利指向區(qū)。前陸盆地地層的形變發(fā)生在有機質成熟之后，這一時期所形成的褶皺和斷層會改造或破壞早期形成的油氣藏，促使油氣的再運聚。

圖6 阿拉斯加北坡盆地海域含油氣系統(tǒng)事件圖

3.4 圈閉類型

研究區(qū)在構造演化過程中形成了大量圈閉，圈閉類型以構造圈閉、構造-地層復合圈閉為主。

（1）晚泥盆世—中侏羅世被動大陸邊緣階段，北坡盆地海域以拉伸與張扭作用為主,上泥盆統(tǒng)Endicott群—中侏羅統(tǒng)Kingak組形成了局部次盆和拱曲、地槽、地塹等構造，圈閉類型以構造-不整合、背斜為主。

（2）中侏羅世—早白堊世裂谷階段，盆地以拉伸作用為主，中侏羅統(tǒng)Kingak組—下白堊統(tǒng)Hue組發(fā)育正斷層、地槽、地塹等構造，圈閉類型主要為背斜、斷背斜、斷塊等。

（3）白堊世以來布魯克斯造山和前陸盆地階段，下白堊統(tǒng)Torok組—第三系發(fā)育，盆地南部為擠壓構造帶，北部拉伸，在盆地海域形成褶皺背斜、單斜構造、逆沖斷層和正斷層。

北坡盆地海域的油氣發(fā)現(xiàn)多在構造圈閉中，圈閉類型多樣，包括大型低幅度背斜圈閉、斷背斜、斷塊等（圖7）。目前已發(fā)現(xiàn)的油氣田多位于波弗特海岸巴羅拱曲附近，該區(qū)處于優(yōu)勢運移方向，油氣沿斷層作垂向運移、沿儲層或不整合面作橫向運移，在背斜等圈閉中聚集成藏。

圖7 阿拉斯加北坡盆地南北向地質剖面圖

4 勘探潛力

北極地區(qū)的油氣資源極為豐富,美國地質調查局對北極潛在的常規(guī)油氣資源進行估計，結果為石油近900×108bbl、 天然氣1 669×1012ft3和凝析油440×108bbl，并且待發(fā)現(xiàn)的石油和天然氣資源主要分布于海域［11-12］。目前海上最大的天然氣發(fā)現(xiàn)，預計可采天然氣儲量達14×1012ft3，雖然由于嚴酷的氣候、基礎設施的缺乏和高昂的作業(yè)費用，暫時未達到商業(yè)性開發(fā)標準，但隨著對油氣需求的增長，楚科奇海域會得到更多的投資。

2011年美國海洋能源管理局(BOEM)對阿拉斯加陸架區(qū)技術可采的待發(fā)現(xiàn)油氣儲量進行評估，結果表明其油氣資源潛力大，石油（包括凝析油）和天然氣待發(fā)現(xiàn)技術可采儲量分別超過260×108bbl和130×1012ft3，且大部分待發(fā)現(xiàn)油氣資源位于阿拉斯加北坡盆地的楚科奇海域和波弗特海域，楚科奇海域液態(tài)油和天然氣待發(fā)現(xiàn)技術可采儲量分別為154×108bbl和 77×1012ft3， 波弗特海域的分別為82×108bbl和28×1012ft3③BOEM.Assessment of undiscovered technically recoverable oil and gas resources of the nation′s outer continental shelf[R].US:Bureau of Ocean Energy Management,2011.，具有巨大的勘探潛力。北坡盆地海域前陸擠壓構造帶、楚科奇海岸、巴羅拱曲及其向西部的延伸區(qū)域，圈閉與儲層都比較發(fā)育，并緊鄰生油凹陷，并且處于油氣運移有利指向區(qū)，生儲蓋組合配置良好，為油氣勘探的有利區(qū)帶。

5 結論

阿拉斯加北坡盆地海域由一系列古生代至新生代的地臺、拱曲和次盆等構造帶組成，經(jīng)歷了四個主要的構造演化階段，分別為前中泥盆世埃爾斯米爾造山階段、晚泥盆世至三疊紀被動邊緣階段、侏羅紀至早白堊世裂谷階段和中—晚白堊世至第四紀前陸盆地階段。

北坡盆地海域的構造演化呈現(xiàn)多階段、多旋回、多類型的特征，從而控制了盆地內多期次、高豐度、多類型烴源巖的發(fā)育，其中被動邊緣期發(fā)育三疊系Shublik組主力烴源巖，該套烴源巖形成于開闊海陸架環(huán)境，干酪根類型為Ⅰ—Ⅱ1型，生油為主。裂谷期發(fā)育下白堊統(tǒng)淺海相和三角洲相砂巖，其中Kuparuk組為主要目的層，前陸盆地階段上白堊統(tǒng)Torok組三角洲砂巖為次要目的層。該區(qū)下白堊統(tǒng)泥巖為區(qū)域蓋層，封蓋條件好。由此，構成了良好的生儲蓋組合配置。在構造演化過程中形成了大量圈閉，圈閉類型以構造圈閉、構造-地層復合圈閉為主，發(fā)育了多套成藏組合。

北坡盆地海域油氣資源豐富，待發(fā)現(xiàn)資源量巨大，具有很好的勘探前景。前陸擠壓構造帶、楚科奇海岸、巴羅拱曲及其向西部的延伸區(qū)域是有利勘探區(qū)帶。

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