張紅偉 李江海 張立偉

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維也納盆地石油地質特征與勘探潛力探討

張紅偉1,2李江海1,2,?張立偉3

1. 造山帶與地殼演化教育部重點實驗室, 北京大學地球與空間科學學院, 北京 100871; 2. 北京大學石油與天然氣研究中心,北京 100871; 3. 中國石油化工股份有限公司石油勘探開發(fā)研究院, 北京100871; ? 通信作者, E-mail: jhli@pku.edu.cn

通過分析維也納盆地的地層和斷裂發(fā)育特征, 總結該盆地的石油地質特征, 并對該盆地的勘探潛力進行探討。維也納盆地是位于東阿爾卑斯與西喀爾巴阡褶皺帶之間的走滑拉分盆地, 具有波西米亞和古生界至中生界雙重基底, 構造演化分為侏羅紀伸展斷陷、白堊紀至早中新世逆沖推覆和中新世中期盆地拉分3個階段。維也納盆地自下而上形成3個構造層, 分別為侏羅系至白堊系原地沉積層、二疊系至古近系外來推覆體沉積層和新近系沉積層。維也納盆地發(fā)育上侏羅統泥灰?guī)r和古近系頁巖兩套烴源巖, 上侏羅統啟莫里階Malmian 組泥灰?guī)r是主要的烴源巖。儲層分布于三疊系至新近系中新統的各個層段, 其中最重要的儲層為中新統淺水三角洲相砂巖, 其油氣儲量占總儲量的 76%, 其次為三疊系亮晶白云巖。區(qū)域蓋層為新近系頁巖。綜合評價認為, 中生界外來推覆體(復理石濁積巖和三疊系白云巖)和原地中生界沉積物(即第二、第三構造層)是最重要的勘探潛力區(qū)。

油氣地質; 勘探潛力; 維也納盆地; 走滑盆地

維也納盆地(Vienna Basin)作為歐洲唯一的走滑拉分盆地, 儲量規(guī)模列歐洲 48 個含油氣盆地第16 位, 具有較高的含油氣性指標[1], 其油氣豐度位于歐洲第二位, 僅次于北海盆地[2]。維也納盆地的勘探始于 1856 年, 1914 年開鉆第一口井并獲得油氣產量, 1930 年在維也納盆地北部奧地利地區(qū)的Zistersdorf 成功出油[3]。1985 年開鉆的 Zistersdorf UET2a井深度達到8553 m, 并有油氣顯示, 在深盆氣勘探方面取得突破性進展[4]。維也納盆地迄今已發(fā)現 124 個油氣田[2], 其中最大的 Matzen 油氣田, 其油氣可采儲量超過 5.2 億桶[5], 約占維也納盆地油氣可采總儲量的 60％。鑒于國內學者對維也納盆地的研究相對匱乏, 本文在大量收集資料的基礎上, 對維也納盆地的石油地質特征和勘探潛力進行探討。

1 地質背景

維也納盆地位于中歐東部(16°—18°E, 47.5°—49.5°N), 是一個典型的新近紀走滑拉分盆地[6]。盆地呈菱形, 長約200 km, 寬約60 km, 面積約6500 km2, 大致呈北東?南西向展布[5](圖 1)。在構造位置上, 維也納盆地位于阿爾卑斯、喀爾巴阡造山帶和潘諾地塊的接合處, 西南邊界為東阿爾卑斯山, 東北邊界為西喀爾巴阡褶皺帶, 北部為阿爾卑斯?喀爾巴阡前淵和波西米亞地塊, 南部為潘諾盆地[8]。在地理位置上, 維也納盆地 40%的面積位于奧地利東部, 30%的面積位于捷克東南部, 30%的面積位于斯洛伐克西南部[9]。

2 盆地構造演化

維也納盆地具有雙重基底[1], 其下基底為波西米亞結晶基底, 形成于前寒武紀末期; 上基底為古生界?中生界基底, 分別由晚石炭世華力西造山運動中形成的高度變形的厚層變質巖和三疊統碳酸鹽巖組成。沉積蓋層的構造演化可劃分為 3 個階段(圖2)[2,10]: 伸展斷陷階段(主要形成侏羅系原地沉積物)、逆沖推覆階段(主要形成阿爾卑斯?喀爾巴阡中生界外來推覆體)和中新世中期拉分盆地階段[11]。中新世晚期(Badian-Sarmatian期, 16~8 Ma)走滑拉分作用下形成維也納盆地[12]。

2.1 侏羅紀伸展斷陷階段

早侏羅世, 隨著 Penninic 洋的張開, 維也納盆地所在區(qū)域開始發(fā)生斷陷作用[13], 沉積大量磨拉石和侏羅統原地沉積物。原地沉積物包括中?上侏羅統Malmian組泥灰?guī)r、碳酸鹽巖以及Dogger組白云巖、砂巖和三角洲碎屑巖, 以Malmian組泥灰?guī)r為主, 位于阿爾卑斯?喀爾巴阡推覆體之下。早侏羅世斷陷作用之后, 中?晚侏羅世發(fā)生區(qū)域熱沉降作用。

2.2 白堊紀至早中新世逆沖推覆階段

早白堊世, 本區(qū)發(fā)生隆升作用。隨后, 下白堊統和侏羅系地層遭到不同程度剝蝕。晚白堊世, 由于歐洲板塊與阿普利亞板塊的持續(xù)碰撞作用, 本區(qū)發(fā)生強烈擠壓和逆沖變形, 導致阿爾卑斯?喀爾巴阡褶皺帶外來推覆體形成。該推覆體可劃分為一系列逆沖單元, 包括Waschberg單元、復理石帶、鈣質阿爾卑斯帶雜砂巖單元和中阿爾卑斯推覆體, 各個逆沖單元具有不同的構造和地層發(fā)育特征。在該階段, 隆起區(qū)的剝蝕物為推覆體前緣的磨拉石構造單元提供了物源[14]。

隨后, 盆地進入沉降期, 并持續(xù)到早始新世。始新世末, 鈣質阿爾卑斯帶逆沖推覆到磨拉石構造單元和復理石帶之上, 這一作用一直持續(xù)到晚漸新世至早中新世[14], 同時在早中新世形成東西向的“背馱式”盆地[11]。

2.3 中新世中期拉分盆地階段

該階段沉積物迅速沉積, 在沉積中心地層最大厚度超過5 km[6,8], 而整個中生界?新生界地層的厚度只有大約10 km。該階段斷裂和構造活動強烈, 在中新世中期形成一系列北東—南西向的左旋走滑斷層, 同時伴生一系列右旋走滑斷層。中新世晚期繼承中新世中期的構造格局, 同時構造活動減弱, 之后進入穩(wěn)定的沉降時期[15]。

3 斷裂發(fā)育特征

根據地震資料解釋, 維也納盆地內發(fā)育多種形式的斷裂, 主要有 3 種, 分別為走滑斷層、正斷層和花狀構造, 其中走滑斷層和正斷層控制著整個盆地的構造形態(tài), 如圖3中斷層Ⅰ和Ⅱ均為走滑斷層, 其中斷層Ⅰ斷距較小, 從盆地南西端延伸到盆地內部, 將 Styrian 增生楔從阿爾卑斯褶皺帶中分離出來。斷層Ⅱ也是從南部開始發(fā)育, 導致維也納盆地中新世的地層中發(fā)育花狀構造, 該構造決定了維也納盆地菱形的拉分構造形態(tài), 并導致沉積厚度由南向北增厚, 花狀構造的上部被第四系沉積物覆蓋。斷層Ⅲ為跨越整個盆地的走滑斷層和正斷層, 與阿爾卑斯?喀爾巴阡褶皺帶的滑脫方向一致, 控制著盆地沉積中心的分布[16]。

4 盆地沉積充填

在縱向上, 除波西米亞基底和古生界?中生界基底外, 維也納盆地自下而上可以劃分為 3 個構造層系[17], 分別為侏羅紀至白堊紀原地沉積層、二疊紀至古近紀外來推覆體沉積層以及新近紀沉積層(圖4)[4]。

4.1 侏羅紀至白堊紀原地沉積層

原地沉積物在波西米亞基底之上發(fā)育, 用巖相古地理方法恢復這些原地沉積物為磨拉石帶和阿爾卑斯?喀爾巴阡推覆體之下的侏羅紀和白堊紀沉積物, 其性質與前陸帶的沉積物類似[4]。原地沉積物自下而上發(fā)育 Dogger 組三角洲碎屑巖、白云巖、砂巖以及Malmian組碳酸鹽巖、泥灰?guī)r[8]。

4.2 二疊紀至古近紀外來推覆體沉積層

外來的鈣質阿爾卑斯推覆體從盆地南部逆沖到原地沉積物之上, 并在逆沖過程中發(fā)生變形, 鈣質阿爾卑斯推覆體主要由二疊紀至白堊紀的巖石組成, 其間夾雜時代較晚(早白堊世至漸新世)的復理石帶地層。該構造層主要在外喀爾巴阡褶皺增生楔和西喀爾巴阡中部碰撞邊緣撓曲斷層形成的溝槽內發(fā)育, 并發(fā)育一系列北西—南東向的逆沖斷層和南北向的正斷層[8]。

4.3 新近紀沉積層

新近紀沉積巖以不整合形式覆蓋在外來的并變形的阿爾卑斯推覆體沉積物之上, 幾乎未受到構造作用的影響, 僅在與逆沖斷層帶的相鄰區(qū)域發(fā)生微弱變形。新近紀最大沉積層厚度超過 5 km[8], 巖性主要為砂巖、泥灰?guī)r和少量碳酸鹽巖。該沉積層底部為 Karpatian 階沉積巖, 沉降環(huán)境為湖泊和河流環(huán)境。到 Badenian 早期, 盆地北部發(fā)生海侵作用, 致使 Sarmatian 期變?yōu)槲⑾坛练e環(huán)境。之后, 隨著鹽度持續(xù)降低, 在 Pannonian 期又變?yōu)楹春秃恿鞒练e環(huán)境[18]。

5 石油地質特征

5.1 烴源巖

維也納盆地生烴源巖有兩套, 其中最重要的一套生烴源巖發(fā)育在原地中生界地層中, 以上侏羅統啟莫里階Malmian組泥灰?guī)r和頁巖為主(圖5)①, 是維也納盆地全部石油以及大部分熱裂解氣的主要來源[19-20]。上侏羅統Malmian組泥灰?guī)r中TOC含量為 0.3%~5.0%, 平均 1.5%~2.0%, 干酪根為Ⅱ型或Ⅲ型, 鏡質體反射率在生油窗頂部為0.74%, 底部為1.42%。4000~6000 m為生油窗, 6000 m以下主要生成熱裂解氣, 平均鏡質體反射率大于1.6%[10]。

第二套生烴源巖為古近系頁巖, 為盆地內生物成因氣的主要來源, 為次要烴源巖。平均TOC含量為2%~3%, 干酪根類型為Ⅰ型或Ⅱ型。飽和烴中的姥鮫烷含量大于植烷, 表明沉積環(huán)境為偏氧化環(huán)境。天然氣色譜顯示發(fā)育高碳正烷烴, 指示干酪根來源于植物和微生物的混合有機質, 且正烷烴的含量隨著成熟度增加而減少。鏡質體反射率顯示該時代的烴源巖, 即使最深部的樣品, 成熟度也剛剛達到生烴門限[10], 因此, 該時代烴源巖僅生成少量生物氣。

5.2 儲層

維也納盆地的重要儲層共有 3 套(表 1), 分別為三疊系白云巖(占油氣總儲量的 19%)、白堊系至古近系灰色至黑灰色粗砂碎屑巖(占油氣總儲量的5%)和中新統淺水三角洲相砂巖(占油氣總儲量的76%)[21](圖 5), 儲層的空間分布與形成盆地的構造活動有關。

表1 維也納盆地不同時代儲層中的油氣分布①

Table 1 Reservoir oil distribution within different periods in the Vienna Basin①

5.2.1 三疊系儲層

三疊系的儲層為鈣質阿爾卑斯構造單元, 包括Wetterstein, Hauptdolomit 和 Dachstein 組地層, 其中Hauptdolomit組是主要的儲層單元。三疊系儲層發(fā)育在碳酸鹽巖陸棚中, 形成于構造相對穩(wěn)定時期, 由泥晶白云巖和亮晶白云巖組成, 并含硅質(伊利石和石英)和有機質。儲層具有強烈的非均質性, 孔隙由微裂縫組成, 并含少量基質孔隙。由于裂縫發(fā)育, 導致滲透率高達幾百毫達西[22]。

5.2.2 新近系儲層

新近系儲層主要為中新統碎屑巖, 其形成與中新世構造活動密切相關。阿爾卑斯?喀爾巴阡構造帶剪切應力場的變化導致維也納盆地沉積中心向東南方向遷移[5], 隨后又發(fā)生三角洲進積作用。大多數中新統儲層在淺水(300 m 以上)三角洲環(huán)境中沉積, 為白色至黑灰色的粗粒?中粒?細粒砂巖, 主要為巖屑長石砂巖、長石質巖屑砂屑巖和亞長石砂巖, 具有晶格支撐結構。儲層性質通常受生物擾動作用和膠結作用控制。砂巖通常與低滲透率的頁巖或方解石膠結的砂巖互層, 孔隙度較高, 為 20%~ 30%, 滲透率可達幾千毫達西[23]。

5.3 蓋層及圈閉

新近系發(fā)育多套區(qū)域性頁巖蓋層, 與中新統儲層(Eggenburgian-Pannonian 階)互層或不整合接觸, 其下中新統頁巖成為三疊系白云巖和下中新統白云巖碎屑儲層的局部蓋層(圖 5), 并構成下中新統砂巖儲層的層內建造蓋層[19]。

古新統頁巖和膠結砂巖構成上白堊統白云巖碎屑儲層和三疊系白云巖的蓋層。三疊系白云巖主要被上覆的上白堊統或中新統頁巖覆蓋。海相侏羅系灰?guī)r和頁巖或被同時代非滲透的層位覆蓋, 或被上覆逆沖推覆體覆蓋。非滲透的阿爾卑斯?喀爾巴阡推覆體可能成為次級推覆體儲層的重要蓋層。

維也納盆地的圈閉類型有構造圈閉、巖性圈閉和復合圈閉等(圖 6)[19,24]。構造圈閉包括兩大類, 其中一類為構造背斜和與斷層相關的圈閉, 另一類為古潛山圈閉。巖性圈閉主要存在于新近系地層中, 構造潛山圈閉主要存在于鈣質阿爾卑斯帶中, 而構造背斜圈閉和斷層圈閉在新近系和其下伏推覆體中都存在[15]。

6 油氣成藏特征及油氣富集規(guī)律

維也納盆地的油氣藏主要為外來鈣質阿爾卑斯推覆體中的三疊系碳酸鹽巖油氣藏和中新統的碎屑巖油氣藏。外來鈣質阿爾卑斯推覆體中的三疊系碳酸鹽巖油氣藏的儲層為白云巖, 微裂縫發(fā)育。白云巖儲層在白堊紀至中新世早期逆沖到原地中生界沉積物之上, 并形成背斜圈閉和斷層圈閉, 上覆古新統頁巖和膠結的砂巖以及下中新統頁巖具有很好的封堵性, 是其良好的蓋層。中新統碎屑巖油氣藏儲層為砂巖, 以巖性圈閉為主, 蓋層是上覆頁巖。烴源巖為上侏羅統啟莫里階 Malmian 組泥灰?guī)r和頁巖, 在距今 15 Ma 達到生油高峰期, 沿斷層和裂縫側向運移, 運移距離為 2~4 km[19]。中新世中期是盆地構造活動強烈時期, 形成的斷層溝通烴源巖與儲層[4], 油氣通過斷層進入上述圈閉形成油氣藏。為此, 維也納盆地的油氣成藏模式為“下生上儲”, 通過斷層或者疏導層溝通烴源巖和儲層。

維也納盆地的油氣田主要分布在盆地中部, 南部有零星分布。受構造控制, 在平面上沿斷裂帶呈北東?南西向帶狀分布(圖 7)[8,25]。盆地北部沒有油氣藏分布, 在盆地南部發(fā)現的零星氣藏則是由古近系頁巖供烴, 在中新統碎屑巖中形成油氣藏。總體來看, 維也納油氣田分布受烴源巖控制, 靠近烴源巖則形成油氣藏, 遠離烴源巖則缺乏油氣藏, 符合源控論的分布特征。總之, 影響維也納盆地油氣富集的因素是多方面的, 其中最重要的是與晚期造山運動相關的走滑斷層控制油氣的生成和運移[8]。

7 油氣勘探潛力探討

縱向上, 維也納盆地的勘探目標自下而上集中在 3 套構造層中, 即下部的阿爾卑斯?喀爾巴阡原地沉積層、中部的阿爾卑斯?喀爾巴阡外來沉積層和上部新近系沉積層。早期勘探目標僅集中在淺部的第一構造層(在該構造層內發(fā)現Matzen油田), 至今該構造層的勘探程度已進入成熟階段[26]。20 世紀 50 年代開始勘探第二構造層, 包括新近系之下的復理石帶和鈣質阿爾卑斯帶, 勘探深度為 2600~ 6300 m之間。在該構造層內, 主要在復理石濁積巖和三疊系白云巖中發(fā)現石油, 在破碎的白云巖儲層中發(fā)現天然氣。目前, 第三構造層勘探程度較低, 是主要的潛力層位[4]。中新世中期構造運動以后, 侏羅系生成的油氣沿深大斷裂運移, 通過阿爾卑斯推覆體進入新近系儲層, 因此, 已發(fā)現的油氣田主要是構造和斷裂控制的構造油氣藏, 很少發(fā)育巖性油氣藏。

雖然維也納盆地勘探程度已經非常高, 但隨著技術和勘探理念的改進, 仍可以發(fā)現潛力地區(qū)作為未來勘探目標, 特別是在新近系蓋層之下的第二、第三構造層中(即中生界外來推覆體和原地中生界沉積物中)[4,8]。利用三維地震資料對含油層位充分、詳細的層序地層解釋, 有可能在新近系淺海相和河流?三角洲砂巖構造或地層圈閉中發(fā)現勘探目標。外來推覆體單元的潛力位置依然位于上白堊統至古近系濁積巖和三疊系白云巖儲層中, 提高地震解釋精度有可能在中生界推覆體頂部發(fā)現更多的構造圈閉, 同時應用水平井技術可以提高這些目標區(qū)的經濟效益。奧地利在20世紀80年代應用深井鉆探技術, 實現天然氣探明儲量的大幅增加。截至目前, 維也納盆地有 4 口超深井(6563~8553 m)達到原地中生界沉積層[8]。1985 年, 由 OWV 公司作業(yè)的Zistersdorf UET2a探井(8553 m, 世界上第二深的商業(yè)開發(fā)井)[27], 在阿爾卑斯?喀爾巴阡山脈推覆體之下的 Zistersdorf 構造上實現天然氣勘探的重大突破。

儲層品質也是影響深層推覆體勘探潛力的重要因素。維也納盆地內好品質的儲層包括破碎的外來三疊系白云巖、原地侏羅系三角洲和淺海相砂巖以及侏羅系臺地相碳酸鹽和泥灰?guī)r。如果發(fā)現優(yōu)質的儲層, 也很有可能發(fā)現具有商業(yè)價值的深層氣[8]。

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Petroleum Geology and Exploration Potential of Vienna Basin

ZHANG Hongwei1,2, LI Jianghai1,2,?, ZHANG Liwei3

1. The Key Laboratory of Orogenic Belts and Crustal Evolution (MOE), School of Earth and Space Sciences, Peking University, Beijing 100871; 2. Institute of Oil and Gas, Peking University, Beijing 100871; 3. SINOPEC Petroleum Exploration and Production Research Institute, Beijing 100871; ? Corresponding author, E-mail: jhli@pku.edu.cn

The oil geology feature of Vienna Basin was summarized and potential of exploration was discussed by analysising the strata of Vienna Basin and fracture development characteristics. Vienna Basin is a pull-apart basin located between the East Alps and West Carpathian. Its basement is composed of the Hercynian Bohemian Massif and Paleozoic and Mesozoic strata. The tectonic evolution can be divided into three stages, including Jurassic extensional rifting, Cretaceous-Early Miocene over-thrusting and Middle Miocene pull-parting stage. There are three structural lays from top to bottom, Jurassic-Cretaceous autochthonous, Permian-Paleogene allochthonous Alpine nappes and Neogene sediments. There are two sets of source rocks: the upper Jurassic marls and Paleogene shale, among which, the Upper Jurassic Kimmeridgian Malmian marls are considered to be the major source rocks. Reservoirs occur at various horizons from Triassic to Neogene Miocene strata, among which, the most important reservoirs are Miocene sandstones that deposit in shallow-water delta environment and contain 76% of all reserves, and the minor reservoirs are the Triassic dolosparite. Neogene shales provide the regional top-seal. After evaluation, it is considered that Mesozoic allochthonous napps (flysch turbidite and Triassic dolomite) and Mesozoic autochthonous succession (the second and the third structural layer) are the most prospective for exploration.

petroleum geology; exploration potential; Vienna Basin; pull-apart basin

10.13209/j.0479-8023.2016.047

P553

2015-05-07;

2015-12-16; 網絡出版日期: 2016-09-01

國家重點基礎研究發(fā)展計劃(2009CB219302)資助

① IHS Energy. IHS Vienna Basin [DB]. IHS Basin Monitor22217 fie, pdf, 2009 (unpublished PDF database)