鄧思哲, 張明軍, 馬文禮, 孔令洪, 尹 微, 蔡 蕊
(1.中國石油大學(xué)(北京)地球科學(xué)學(xué)院, 北京 102249; 2.中國石油勘探開發(fā)研究院, 北京100083;3.中國石油國際勘探開發(fā)有限公司, 北京 100034)
南圖爾蓋盆地油氣勘探始于20世紀60年代,伴隨Kumkol、Aryskum等油田的發(fā)現(xiàn),盆地進入第一個儲量增長高峰期,中石油2005年收購PK公司后,通過加強新區(qū)、新領(lǐng)域勘探技術(shù)攻關(guān),在復(fù)雜斷塊、基巖潛山、扇體及新層系等多個領(lǐng)域取得重大發(fā)現(xiàn),迎來了盆地第二個儲量增長高峰期,并對盆地整體的油氣分布規(guī)律有了一定認識[1-3]。南圖爾蓋盆地的勘探工作及相應(yīng)的成藏規(guī)律研究,長期以來一直是以增加石油儲量為目標,雖有幾個規(guī)模較大的氣頂發(fā)現(xiàn),但由于氣頂?shù)男纬膳c保存依賴于油藏,所以前人對該盆地油氣成藏規(guī)律的研究,本質(zhì)上是對石油成藏規(guī)律的研究[3-7],其成果對獨立成藏的氣藏,將不再適用。
近幾年,在盆地上侏羅統(tǒng)—下白堊統(tǒng)精細勘探的同時,通過兼探深層,揭示盆地中下侏羅統(tǒng)蘊藏豐富的天然氣資源,主要為獨立成藏的氣藏,分布規(guī)律與油藏不同,前人尚未針對這些氣藏的成藏規(guī)律開展系統(tǒng)性研究。相比油藏的分布,這些氣藏大多分布于中下侏羅統(tǒng),埋藏較深,構(gòu)造沉積背景復(fù)雜,斷裂系統(tǒng)發(fā)育,儲層低滲、厚度薄、橫向連續(xù)性差,不易形成規(guī)模較大的氣藏,多以中小氣藏群的形式在盆地局部集中分布,且以巖性地層氣藏和復(fù)雜斷塊氣藏為主,成藏規(guī)律十分復(fù)雜,勘探風(fēng)險較高。
現(xiàn)首先基于前人成果,概述盆地區(qū)域地質(zhì)背景;然后,以近幾年南圖爾蓋盆地天然氣勘探實踐為基礎(chǔ),結(jié)合經(jīng)典天然氣成藏理論,首次從全盆地和有利含氣區(qū)帶兩個尺度上,系統(tǒng)性地闡述南圖爾蓋盆地天然氣成藏規(guī)律;最后,分析有利的天然氣勘探靶區(qū)。研究成果將為下一步該盆地天然氣勘探開發(fā)一體化工作部署提供可靠理論依據(jù)。
南圖爾蓋盆地位于哈薩克斯坦中部,為海西期褶皺基底之上的中生代走滑裂谷盆地,中新生代共歷經(jīng)五個構(gòu)造演化階段,即初始張裂階段、斷陷發(fā)育階段、斷坳轉(zhuǎn)換階段、坳陷發(fā)育階段和后期隆起階段,最終形成了盆地現(xiàn)今“三隆四凹”的構(gòu)造格局(圖1)[1-2, 4,8-10]。盆地在侏羅紀沉積與沉降速率最大,白堊紀時期相對較低,不同時期的沉積沉降中心有所遷移,各凹陷均在白堊紀末達到最大埋深,新生代均遭受抬升剝蝕,具有“古埋深大于今埋深”的沉積埋藏特征[1]。
侏羅紀時期,盆地發(fā)育幾個不連通的斷陷湖盆,粗碎屑物質(zhì)供給充足,期間遭受了兩次大規(guī)模的水侵,使富含有機質(zhì)的暗色泥巖得以廣泛發(fā)育,且常含煤層;白堊紀早期盆地開始整體坳陷沉降,各凹陷相互連通并發(fā)育了盆地唯一的區(qū)域蓋層;新生代盆地萎縮隆起,侏羅系和白堊系均遭受局部剝蝕[11-12]。盆地沉積相類型多樣,發(fā)育特征及空間展布受構(gòu)造沉積旋回控制,盆地斷陷期圍繞古隆起發(fā)育扇三角洲,斷坳轉(zhuǎn)換期以正常三角洲、扇三角洲及凸起斜坡部位的灘壩為主,坳陷期以辮狀河三角洲、正常三角洲、河流為主,濱淺湖沿凹陷周緣發(fā)育,深湖-半深湖發(fā)育于凹陷中心地帶[11-12]。
該盆地以發(fā)育砂巖儲層為主,同時也發(fā)育碳酸鹽儲層和變質(zhì)巖儲層,儲層類型豐富和儲集物性較好是該盆地的主要特點[3]。盆地主要的油氣田位于構(gòu)造隆起部位,主力產(chǎn)層為上侏羅統(tǒng)-下白堊統(tǒng)的河流-三角洲沉積砂體,中下侏羅統(tǒng)是盆地目前主要的勘探層位[1, 8, 13]。該盆地有兩個主要成藏期:侏羅紀末期,Aryskum和Akshabulak凹陷烴源巖達到生烴高峰,斷層輸導(dǎo)為主,發(fā)生第一次充注成藏;白堊紀末期,盆地主力烴源巖達到第二個生烴高峰,烴類大量排出,砂體、不整合面輸導(dǎo)為主,呈現(xiàn)出第二次充注成藏[11]。
宏觀構(gòu)造演化控制著天然氣儲集空間和聚集場所在盆內(nèi)的空間分布。南土爾蓋盆地的構(gòu)造演化不僅形成了“三隆四凹”相間排列的構(gòu)造格局,同時伴生了復(fù)雜的斷裂系統(tǒng),在各凹陷的內(nèi)部及邊緣均發(fā)育包括控凹斷裂在內(nèi)的各種類型斷層,此外,構(gòu)造演化還引發(fā)了盆地多期的水進-水退、構(gòu)造抬升與構(gòu)造反轉(zhuǎn),導(dǎo)致構(gòu)造沉積環(huán)境復(fù)雜多變,形成了多種砂體、多期次不整合面及不同類型圈閉,從而創(chuàng)造了可供天然氣大規(guī)模運聚成藏的儲集空間和聚集場所。
宏觀構(gòu)造演化控制著天然氣主要成藏期。白堊紀末構(gòu)造抬升時期,對應(yīng)于天然氣大量生成期(圖2),同時構(gòu)造活動使盆內(nèi)斷層不同程度活化,溝通砂體和不整合面,形成有效的天然氣運移通道,促使天然氣大規(guī)模運移,另外,盆地此時也形成了大量與構(gòu)造反轉(zhuǎn)相關(guān)的圈閉,與有效的輸導(dǎo)體系相配合,共同促成天然氣在白堊紀末的大規(guī)模成藏。
圖2 南圖爾蓋盆地?zé)N源巖演化模式Fig.2 Evolution model of source rocks in South Turgay Basin
盆地的宏觀構(gòu)造演化從空間和時間上控制著盆地天然氣整體的分布格局,其中,又以生烴凹陷的構(gòu)造演化對氣藏分布控制作用最強,勘探實踐表明,已發(fā)現(xiàn)的多數(shù)氣藏分布于生烴凹陷內(nèi)部的斷裂發(fā)育區(qū)及其邊部斜坡帶。以Aryskum凹陷為例,構(gòu)造作用使凹陷下侏羅統(tǒng)氣源巖十分發(fā)育,同時使其內(nèi)部發(fā)育大型走滑斷層,并伴生有與構(gòu)造反轉(zhuǎn)相關(guān)的斷背斜,為凹陷深部天然氣向上垂向運移并聚集提供了很好的輸導(dǎo)和圈閉條件,利于形成有利含氣區(qū)帶。
南土爾蓋盆地包含Aryskum凹陷、Akshabulak凹陷、Sarylan凹陷、Bozingen凹陷共4個生烴凹陷,前人研究表明,各凹陷均發(fā)育下侏羅統(tǒng)(J1)、中侏羅統(tǒng)Doshan組(J2ds)及中侏羅統(tǒng)Karagansay組(J2kr)三套有效烴源巖,這三套烴源巖厚度大,有機質(zhì)豐度高,熱演化程度高,是全盆地油氣成藏的物質(zhì)基礎(chǔ),但各凹陷烴源巖厚度、類型及成熟度存在差異[3, 14-16]。
該盆地?zé)N源巖類型包括湖相暗色泥巖與煤層兩類,湖相泥巖全盆地廣泛分布,在Aryskum凹陷沉積厚度最大,Akshabulak南次凹次之,煤層主要分布于盆地南部。干酪根類型以II2、III型干酪根為主,利于生氣,II2型分布比較廣泛,III型主要分布于盆地南部。干酪根基本處于低熟-過熟階段,Aryskum凹陷烴源巖熱演化程度最高,從鏡質(zhì)體反射率(Ro)來看,J1烴源巖Ro最高超過2.00%,J2ds烴源巖Ro以0.6%~0.8%為主,J2kr烴源巖Ro以0.5%~0.7%為主。Akshabulak凹陷三套烴源巖的熱演化程度與Aryskum凹陷相近,Bozingen凹陷與Sarylan凹陷烴源巖熱演化程度相對較低。結(jié)合盆地?zé)N源巖演化史可知(圖2),Aryskum凹陷和Akshabulak南次凹J1烴源巖是盆地最主要的氣源巖,Aryskum凹陷的生氣量最大,約占了總生氣量的60%,其次為Akshabulak南次凹,約占總生氣量的40%,而目前發(fā)現(xiàn)的氣藏也主要位于這兩個地區(qū)。
對比烴源巖發(fā)育特征與已發(fā)現(xiàn)氣藏的分布規(guī)律可知,對于整個盆地,有效烴源巖分布、類型及其熱演化程度與天然氣聚集成藏有較好的相關(guān)性,它們通過影響氣源巖的生氣規(guī)模,控制著氣藏在盆內(nèi)的宏觀展布范圍。Aryskum凹陷與Akshabulak南次凹正是由于J1有效烴源巖厚度大,熱演化程度高,生氣條件佳,使得這兩個地區(qū)天然氣富集程度高(圖2),目前在Aryskum凹陷西部斜坡帶、Akshabulak南次凹復(fù)雜斷裂帶的天然氣勘探發(fā)現(xiàn)驗證了這一認識,而處于Aryskum凹陷和Akshabulak凹陷之間的Aksai隆起區(qū),距兩生烴凹陷相對較遠,且該地區(qū)地層剝蝕嚴重,對于天然氣來說,保存條件相對較差,以致難以在此獨立成藏(圖3)。
圖3 南圖爾蓋盆地構(gòu)造帶類型與油氣藏分布Fig.3 Tectonic belt types and oil and gas reservoir distribution in South Turgay Basin
依據(jù)經(jīng)典的天然氣成藏理論,天然氣分子直徑小、重量輕、易擴散且擴散速率大,相對于油藏,天然氣成藏對保存條件要求更高,所以,通常大氣田的分布會受盆內(nèi)蓋層發(fā)育的嚴格控制[17-20]。
南圖爾蓋盆地在全盆地發(fā)育的下白堊統(tǒng)下Neocomian組(K1nc1)區(qū)域蓋層,具有泥巖厚度大(超過80 m)、分布穩(wěn)定的特點,是盆地內(nèi)多種油氣藏長期保存的必要條件[3, 11],但要實現(xiàn)氣藏的長期保存,在各生烴凹陷分布較穩(wěn)定的盆地局部蓋層則是另一個必要條件。
該盆地的局部蓋層自上而下共4套:下侏羅統(tǒng)Doshan組(J2ds)上部、中侏羅統(tǒng)Karagansay組(J2kr)、上侏羅統(tǒng)Kumkol組(J3km)上部和上侏羅統(tǒng)Akshabulak組(J3ak)上部,這4套局部蓋層配合K1nc1區(qū)域蓋層構(gòu)成的縱向保存條件,是南圖爾蓋盆地大面積分布的中小型氣藏群在盆地演化過程中得以長期保存的基礎(chǔ)。
南土爾蓋盆地主要發(fā)育基巖隆起構(gòu)造帶、斷裂型構(gòu)造帶、陡坡型構(gòu)造帶、緩坡型構(gòu)造帶及凹中隆構(gòu)造帶等5種類型。不同類型的構(gòu)造帶由于具備不同的成藏條件,發(fā)育的油氣藏類型存在差異,有的更利于石油成藏,有的則更利于天然氣成藏,于是構(gòu)造帶類型控制了盆地有利含氣區(qū)帶分布,也控制了氣藏發(fā)育類型。目前勘探發(fā)現(xiàn)的氣藏主要分布于斷裂型構(gòu)造帶和緩坡型構(gòu)造帶(圖3)。
在斷裂型構(gòu)造帶,受走滑斷裂及其派生斷裂活動的控制,形成斷裂帶控制的有利含氣區(qū)帶。如Akshabulak南次凹復(fù)雜斷裂帶,早侏羅世的裂陷作用使凹陷氣源巖十分發(fā)育,天然氣可源內(nèi)就近運移至砂體,形成自生自儲的氣藏,同時,伴隨復(fù)雜的斷裂系統(tǒng)及其派生的擠壓、褶皺和抬升,不僅形成背斜、斷層、鼻狀構(gòu)造等圈閉,而且促使大量的天然氣向上運移,形成一系列與斷層相關(guān)的氣藏。
在緩坡型構(gòu)造帶,形成緩坡型巖性地層有利含氣區(qū)帶。例如,Aryskum凹陷西部斜坡帶,受沉積構(gòu)造條件控制,縱向上多套烴源巖與砂體相互疊置,橫向上不整合面?zhèn)认蚴鑼?dǎo),有利于源內(nèi)或源外氣藏的發(fā)育,可以形成大面積含氣的局面。
對于氣藏在有利含氣區(qū)帶內(nèi)部的分布,通常又受生烴中心的進一步控制,目前發(fā)現(xiàn)的氣藏多以氣藏群形式近生烴中心集中分布(圖4)。生烴強度是評價預(yù)測氣藏的核心指標,該指標是烴源巖厚度、有機質(zhì)豐度、有機質(zhì)類型及成熟度的綜合體現(xiàn)。生烴中心指生烴強度高值區(qū),對于天然氣成藏,生烴中心一般認為是生烴強度大于20×108m3/km2(氣當量)的區(qū)域[17, 21-24]。生烴中心及其周緣不僅可以源源不斷獲得高豐度的氣源供給,而且運移距離短,避免了天然氣在長途運移中的大量散失,最利于天然氣成藏。在盆地南部,不同于油藏分布,氣藏在Aryskum凹陷南部、Akshabulak南次凹兩個區(qū)域均以氣藏群形式近生烴中心集中分布,生烴中心位置在有利含氣區(qū)帶內(nèi)對天然氣成藏有很強的控制作用。
圖4 南圖爾蓋盆地生烴強度分布與氣藏分布Fig. 4 Hydrocarbon generation intensity distribution and gas reservoir distribution in South Turgay Basin
在有利含氣區(qū)帶內(nèi),斷裂系統(tǒng)與生烴中心的配置關(guān)系是控制氣藏分布的最主要因素之一,溝通生氣中心的斷裂系統(tǒng)控制著天然氣的優(yōu)勢運移路徑與聚集部位。近生氣中心的斷裂系統(tǒng)是深層天然氣運移的主要通道,斷陷期烴源巖生成的天然氣可以沿斷層、高滲透砂體等運移至上部層位聚集形成近源氣藏,或者通過斷層的連接作用就近運移聚集在中下侏羅統(tǒng)砂體中形成源儲一體源內(nèi)氣藏。以Akshabulak南次凹為例,近生氣中心的斷裂系統(tǒng)對天然氣聚集成藏的控制作用十分明顯,目前該地區(qū)發(fā)現(xiàn)的主要氣藏均沿近生烴中心斷裂分布(圖5)。
圖5 Akshabulak南次凹生烴中心、斷裂系統(tǒng)與氣藏分布Fig.5 Distribution of hydrocarbon generation center, fault system and gas reservoirs in the southern sub-sag of Akshabulak
同時,自生烴中心延伸出的斷裂系統(tǒng)溝通了不整合面和高滲透砂體,形成復(fù)合輸導(dǎo)體系,在足夠的生氣強度下,可延長天然氣的運移距離。在Aryskum凹陷北部,得益于J1烴源巖良好的供氣能力,天然氣通過“斷層+高滲透砂體+不整合面”復(fù)合輸導(dǎo)體系,運移至西部斜坡區(qū)高部位形成天然氣聚集帶,擴大了天然氣分布范圍。
對于有利含氣區(qū)帶局部的天然氣成藏,巖性尖滅或斷層遮擋成為了天然氣聚集保存的重要補充,從目前的天然氣勘探發(fā)現(xiàn)來看,多數(shù)氣藏在縱向上受到蓋層封閉的同時,側(cè)向上通常會受到巖性尖滅或斷層遮擋的控制,進一步限制天然氣的逸散,形成了如巖性上傾尖滅氣藏、斷層遮擋氣藏等類型的氣藏。
根據(jù)經(jīng)典的天然氣成藏理論,生烴凹陷內(nèi)部的斷裂發(fā)育區(qū)及其邊部斜坡帶通常是天然氣運聚的有利指向區(qū),而局部構(gòu)造高部位天然氣最為富集,這些部位多以斷層遮擋的近源氣藏為主[18,25]。但在南圖爾蓋盆地,構(gòu)造低部位或源內(nèi)的天然氣勘探也獲得發(fā)現(xiàn),在這些位置,巖性變化對天然氣成藏及保存起到了重要的作用,尤其對于天然氣源儲一體的源內(nèi)成藏,巖性變化對氣藏的分布及發(fā)育規(guī)模具有明顯的控制作用。
Akshabulak南次凹目前發(fā)現(xiàn)的氣藏主要分布于J2kr和J2ds,以斷背斜和斷塊氣藏為主,斷層遮擋對天然氣成藏發(fā)揮了重要作用。例如,A3-A4井區(qū)發(fā)育斷層遮擋氣藏,上覆泥巖蓋層的同時,得益于斷層的側(cè)向封堵,擴大了含氣面積(圖6)。
圖6 Akshabulak南次凹連井油藏解剖Fig.6 Akshabulak southern sub-sag well section
南圖爾蓋盆地天然氣成藏的一般模式為:有效氣源巖進入生排烴期后,天然氣首先會就近運移至源內(nèi)砂體形成源儲一體巖性氣藏;在斷裂型構(gòu)造帶,天然氣會繼續(xù)沿通源斷裂系,垂向運移至上部有利部位聚集成藏,這些部位在上覆泥巖蓋層的同時,側(cè)向上通常會受到斷層封堵,多發(fā)育與斷裂相關(guān)的構(gòu)造氣藏;在緩坡型構(gòu)造帶,自生烴中心延伸出的斷裂系統(tǒng)溝通了不整合面和高滲透砂體,形成“斷層+不整合面+砂體”復(fù)合輸導(dǎo)體系,使天然氣能夠向緩坡區(qū)上傾方向側(cè)向運移,形成以巖性地層氣藏為主的聚集帶,更進一步,在足夠的供氣強度下,天然氣可能實現(xiàn)較遠距離的運移,到達斜坡區(qū)的高部位聚集成藏(圖7)。
圖7 南圖爾蓋盆地天然氣成藏模式圖Fig.7 Natural gas accumulation model in the South Turgay Basin
因此,在天然氣聚集帶內(nèi)部,氣源條件、運移條件、儲集條件及保存條件的合理配置,是確定有利含氣圈閉位置的關(guān)鍵。首先,生烴中心的評價是分析的前提;其次,通過刻畫自生烴中心延伸出的斷裂系統(tǒng),可把握天然氣有利聚集部位;最后,開展基于目標的構(gòu)造分析、儲層預(yù)測與保存條件評價,可以有效提高含氣圈閉勘探成功率。
南圖爾蓋盆地的氣源巖主要分布于Aryskum凹陷和Akshabulak南次凹,這兩個凹陷的氣源條件、運移條件、儲層條件、保存條件及其相互配置關(guān)系對天然氣成藏十分有利,兩個凹陷的斷裂型構(gòu)造帶和緩坡型構(gòu)造帶是天然氣聚集成藏的最主要地區(qū)。綜合分析表明,南圖爾蓋盆地天然氣重點的勘探領(lǐng)域主要為斷裂型構(gòu)造帶的復(fù)雜斷塊氣藏和緩坡型構(gòu)造帶的巖性地層氣藏。
在南圖爾蓋盆地復(fù)雜的構(gòu)造演化背景下,中侏羅世末、晚侏羅世末及新生代早期的三次走滑反轉(zhuǎn)對天然氣有利圈閉的發(fā)育控制作用最強,根據(jù)三期走滑反轉(zhuǎn)斷裂特征,總結(jié)出三種走滑反轉(zhuǎn)斷裂類型,分別是Aryskum凹陷Karatau大型走滑斷裂帶K2末期的高強度反轉(zhuǎn)、Akshabulak南次凹多期中強度反轉(zhuǎn)及Sarylan凹陷J3末期弱反轉(zhuǎn),分別形成了羽狀排列、梳狀排列、雁行排列的斷裂系。其中,Akshabulak南次凹復(fù)雜斷裂帶靠近生烴中心,多期的走滑反轉(zhuǎn)作用使得該地區(qū)發(fā)育大量利于天然氣成藏的復(fù)雜斷塊圈閉,勘探結(jié)果證實,該地區(qū)天然氣資源豐富、勘探潛力較大、鉆井成功率高,是未來天然氣精細勘探的有利區(qū)。
Aryskum凹陷在早侏羅世斷陷期,不僅發(fā)育了盆地最主要的氣源巖,同時在西部緩坡帶發(fā)育各類扇體和三角洲,有利于發(fā)育巖性地層圈閉。目前在Aryskum西斜坡取得的一系列天然氣勘探發(fā)現(xiàn),以中下侏羅統(tǒng)巖性地層氣藏為主,大多位于生烴中心附近或與溝通生烴中心的斷裂系統(tǒng)相關(guān),也有天然氣通過斷裂、高滲透砂體、不整合面組成的復(fù)合輸導(dǎo)體系運移至斜坡高部位成藏。在Aryskum凹陷的西斜坡,沉積構(gòu)造演化控制了層序、沉積相、斷裂系統(tǒng)的發(fā)育特征,利于形成大量的巖性地層圈閉,在充足的氣源供給下,這些地區(qū)具有天然氣大面積成藏的潛力。
通過分析南圖爾蓋盆地天然氣成藏規(guī)律與勘探潛力區(qū),得到以下結(jié)論。
(1)對于整個南圖爾蓋盆地,宏觀構(gòu)造演化控制了盆地天然氣分布格局,有效烴源巖分布、類型及其熱演化程度控制著天然氣的宏觀展布范圍,盆地蓋層發(fā)育情況是天然氣大面積成藏并長期保存的基礎(chǔ),構(gòu)造帶類型控制著盆地有利含氣區(qū)帶分布與氣藏發(fā)育類型。
(2)在南圖爾蓋盆地有利含氣區(qū)帶內(nèi)部,天然氣以氣藏群形式近生烴中心集中分布,溝通生烴中心的斷裂系統(tǒng)控制著天然氣運移方向和聚集部位,局部上的“巖性尖滅”或“斷層遮擋”是天然氣聚集保存的重要補充,有利含氣區(qū)帶內(nèi)“源-運-儲-?!焙侠砼渲藐P(guān)系是確定有利含氣圈閉的關(guān)鍵。
(3)南圖爾蓋盆地天然氣重點的勘探領(lǐng)域主要為斷裂型構(gòu)造帶的復(fù)雜斷塊氣藏和緩坡型構(gòu)造帶的巖性地層氣藏。Akshabulak南次凹復(fù)雜斷塊地層氣藏天然氣資源豐富、勘探潛力較大、鉆井成功率高,是未來天然氣精細勘探的有利區(qū)。Aryskum凹陷西斜坡利于形成大量的巖性地層圈閉,具有天然氣大面積成藏的潛力。