熊 偉,王 越,熊崢嶸,梅文科,白仲才,蔡倩茹,宋智華

中國石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院,山東 東營 257015

石炭系是準噶爾盆地重要勘探領域之一,主要發(fā)育石炭系自生自儲型油氣藏和以石炭系火山巖為儲集體的他源型油氣藏,累計發(fā)現三級儲量超4.6億噸。自生自儲型主要發(fā)現于準噶爾盆地東部殘留型凹陷及凸起帶,如克拉美麗氣田、五彩灣氣田等[1-3]。前人從板塊運動、洋盆演化的角度,將石炭系作為準噶爾盆地的基底進行研究[4],針對準噶爾盆地克拉美麗洋閉合時間提出了不同的認識[5-11],并對石炭系火山巖、烴源巖的地球化學特征開展了大量的研究[12-16],但對同時期沉積的火山碎屑沉積巖、富火山物質的烴源巖發(fā)育分布特征研究比較薄弱[8]。關于準噶爾盆地火山巖、火山碎屑沉積巖、烴源巖的發(fā)育模式以及源儲配置、油氣成藏模式取得了一些初步認識[17-21],但仍不能滿足油氣勘探的需要。

石北凹陷位于準噶爾盆地東部陸梁隆起帶北部,前期針對石炭系火山巖圈閉勘探一直未獲突破。近期完鉆的準北6井揭示了石炭系姜巴斯套組發(fā)育較好的烴源巖,特別是源內發(fā)育多層凝灰質砂礫巖致密氣藏,常規(guī)測試日產氣3 635 m3,反映了姜巴斯套組自生自儲型油氣藏具有較大的勘探潛力,但以往針對這類儲層的成因及分布研究較少。本文在前人研究的基礎上,通過鉆井、地震及分析測試資料,結合烴源巖地球化學特征分析,系統(tǒng)分析下石炭統(tǒng)姜巴斯套組火山—沉積建造與烴源巖特征,建立島弧環(huán)境下烴源巖—儲層發(fā)育模式,以期為具有相同沉積背景的地區(qū)油氣勘探提供理論依據。

1 區(qū)域地質概況

石北凹陷位于準東陸梁隆起帶上,西鄰石英灘凸起,東北鄰索索泉坳陷,南接三個泉—滴北凸起,面積約為1 200 km2(圖1)。石北凹陷自下而上發(fā)育石炭系、二疊系、三疊系、侏羅系、白堊系及古近系,缺失新近系。石炭系為一套海相、海陸過渡相碎屑巖與火山巖建造,下石炭統(tǒng)姜巴斯套組、上石炭統(tǒng)巴塔瑪依內山組暗色泥巖是主要的源巖層[22-24]。下石炭統(tǒng)姜巴斯套組為溝、弧—盆沉積體系,可分為兩個巖性段,下段主要為厚層凝灰質砂礫巖、中粗砂巖;上段主要為灰色凝灰?guī)r、凝灰質砂巖、凝灰質粉砂巖、凝灰質泥巖不等厚互層。上石炭統(tǒng)巴塔瑪依內山組為一套陸內裂谷盆地海陸交互相沉積,可分為兩個巖性段,下段底部多為以灰色、灰綠色安山巖、流紋巖為主,頂部以灰色凝灰?guī)r與碳質泥巖不等厚互層為主;上段底部以灰綠色凝灰?guī)r、安山巖、火山角礫巖為主,頂部見灰綠色、土黃色凝灰質砂巖(圖2)。

圖1 準噶爾盆地石北凹陷及鄰區(qū)構造單元劃分

圖2 準噶爾盆地石北凹陷石炭系綜合柱狀圖

2 火山—沉積建造特征

2.1 大地構造背景

從石北凹陷4口鉆井所揭示的巖性來看,下石炭統(tǒng)姜巴斯套組火山巖為一套中基性火山巖,它們具有變化的SiO2含量(44%～62%),里特曼指數大于4,屬于堿性系列。樣品中部分元素含量變化較大,整體呈現LREE、LILE(Ba,U,K,Sr,Pb)富集,HREE、HFSE(Nb,Ta,Ti)虧損的特征,稀土元素含量較低,總量為(25.80～109.21)×10-6,顯示了島弧火山巖和受到地殼混染地球化學屬性[25]。La/Nb為0.17～0.24、(Th/Nb)N為7.77～14.63以及極低的Nb/U比值(2.22～4.25)與受到混染的大陸地殼特征不同。因此與俯沖作用有關的消減板片的流體或熔體對地幔交代作用對其源區(qū)成分有重要貢獻。(Ta/La)N和(Hf/Sm)N常用來鑒別弧巖漿來源于流體交代地幔還是熔體交代地幔,在(Ta/La)N(Hf/Sm)N圖解中,樣品主要落入在俯沖流體交代地幔范圍內,指示姜巴斯套組火山巖可能起源于俯沖流體交代的虧損地幔楔的部分熔融(圖3a)。在La/Nb-La圖解中,樣品均落入火山弧火山巖范圍內(圖3b);在TiO2-Zr圖解中,所有樣品均投入島弧火山巖的區(qū)域,反映了姜巴斯套組火山巖形成于與俯沖相關的島弧環(huán)境(圖3c)。

圖3 準噶爾盆地石北凹陷石炭系姜巴斯套組巖漿巖地球化學分析圖解 判識模板分別引自文獻[26-28]。

2.2 火山建造特征

利用鄰區(qū)已鉆井解釋的火山巖巖相組合特征及地震相特征[29-32],結合本區(qū)典型井火山碎屑沉積的標定,建立了不同火山巖巖相地震相識別標志:火山巖巖相是指在一定的地質條件下由火山作用形成的各種巖石的組合。石北凹陷火山巖巖相主要可劃分為爆發(fā)相—近火山口亞相、溢流相、爆發(fā)相—遠火山口亞相3種相類型(圖4)。

圖4 準噶爾盆地石北凹陷石炭系姜巴斯套組火山巖地震相

2.2.1 爆發(fā)相—近火山口亞相

分為近火山口爆發(fā)相和遠火山口爆發(fā)相。近火山口爆發(fā)相形成于火山作用的早期和噴發(fā)強烈階段,主要由較粗的火山碎屑巖組成。在石北凹陷及鄰區(qū)主要為火山角礫巖,呈不規(guī)則棱角狀,成分復雜,主要以壓實方式成巖,由于近火山通道,地層高陡,地震反射上呈現出丘狀外形,內部多為弱振幅、連續(xù)性差、雜亂或空白反射,在常規(guī)時間切片上,地層產狀發(fā)生明顯突變或與周邊反射特征存在明顯差別,平面上具有環(huán)狀—近環(huán)狀的特征(圖4a)。

2.2.2 溢流相

溢流相形成于火山噴發(fā)旋回的中晚期,是含晶礦物和同生角礫的熔漿在后續(xù)噴出物推動和自身重力的共同作用下,巖漿熔體從地下深處通過火山通道上升至地表,自火山口向外溢流,形成各種類型的熔巖,以熔巖流和熔巖被兩種形式產出。溢流相火山巖地震相表現為中低頻、中強振幅、較具連續(xù)性、平行—亞平行反射;這種反射特征與沉積巖反射存在較為明顯的區(qū)別,一般沉積巖反射軸能較長距離連續(xù)追蹤,但這種結構中的反射連續(xù)追蹤性差,同時多出現強波中斷或者同向軸扭曲的現象,常見“終止下超”反射現象(圖4b)。

2.2.3 爆發(fā)相—遠火山口亞相

遠火山口爆發(fā)相的特點是火山碎屑為火山灰,含少量同成分的角礫,在準北3井區(qū)尤為發(fā)育,其地震相特征表現為低頻、中弱振幅、較連續(xù)、層狀—亞平行反射,但這種反射特征與沉積巖反射也存在較為明顯的差異,縱向上與上部中生界沉積巖相比可以發(fā)現,其頻率較低,反射層次感以及成層性也較差,同時在橫向上振幅變化也較為明顯,同向軸有扭曲的現象(圖4c)。

2.3 沉積建造特征

準北6井鉆遇姜巴斯套組上段地層,厚1589m,其中,下部(井深4 600～5 469 m)以火山碎屑沉積類為主,垂向上由多個凝灰質礫巖、凝灰質砂巖與凝灰質泥巖(沉凝灰?guī)r)不等厚互層組成的由粗變細的旋回構成,厚869 m。上部(井深3 880～4 600 m)以凝灰?guī)r與凝灰質泥巖互層為主,厚720 m,電阻率曲線平直、密度較低;姜巴斯套組整體表現為水進沉積過程。通過對準北6井取心的觀察和描述,結合測井以及地震相分析,明確該區(qū)姜巴斯套組上段主要為扇三角洲和濱淺海2種沉積相類型。

2.3.1 扇三角洲

扇三角洲沉積主要發(fā)育于姜巴斯套組上段(沉積巖段)下部,巖性以灰色凝灰質礫巖、凝灰質砂巖和凝灰質泥巖不等厚互層為主(圖5a)。從取心上來看,礫石成分復雜,多為凝灰?guī)r、玄武巖、安山巖,少量花崗巖、砂巖礫石;整體磨圓較好,但分選較差,礫石最大粒徑可達2 cm(圖5b-d);部分取心井段也可見礫石定向排列(圖5d)、沖刷構造(圖5e)以及交錯層理(圖5f)等沉積構造,反映出扇三角洲前緣水下分流河道沉積的特征;而凝灰質泥巖多呈塊狀,富含植物碎屑(圖5g),反映沉積時水體較淺,為分流河道間沉積,整體來看,該段GR曲線多呈鐘形,偶見箱形,整體表現為扇三角洲前緣水下分流河道和河道間沉積為主。

圖5 準噶爾盆地石北凹陷準北6井石炭系姜巴斯套組下部典型沉積構造特征

2.3.2 濱淺海

濱淺海相沉積發(fā)育于姜巴斯套組上段上部,巖性以厚層凝灰質泥巖夾薄層凝灰?guī)r為主,沉積厚度較大,泥巖厚度一般大于10 m,單層泥巖厚度可達28 m,從成像測井來看,泥巖段沉積構造以水平層理為主,反映了靜水低能的沉積環(huán)境,電阻率曲線基于平直(圖6)。

圖6 準噶爾盆地石北凹陷準北6井石炭系姜巴斯套組上部巖性與測井成像綜合柱狀圖

2.4 火山—沉積建造分布

前期沉積環(huán)境分析以及古水流統(tǒng)計表明,準北6井凝灰質砂礫巖主要來自研究區(qū)南部三個泉—滴北凸起,在島弧側翼發(fā)育扇三角洲沉積。從研究區(qū)近東西向地震剖面可以看出,邊部火山沉積相超覆于火山機構之上,火山機構整體有一個較為完整的包絡面,機構中部以中高頻、雜亂反射為主,對應爆發(fā)、溢流相火山巖,代表近火山口相,邊部以低頻、中弱振幅、弱連續(xù)—較連續(xù)反射為主,代表了遠火山口亞相。這些火山巖均就位于水下環(huán)境,形成水下低凸,區(qū)內發(fā)育多排北西向延伸展布的火山低凸,低凸之間的低洼地帶為濱淺海環(huán)境(圖7)。

圖7 準噶爾盆地石北凹陷石炭系姜巴斯套組二段沉積體系

姜巴斯套組上段沉積時期,火山活動較姜巴斯套組下段沉積時期有所減弱,但仍有噴發(fā)。在火山噴發(fā)期間,陸上弧以及水下弧的近火山口地帶發(fā)育爆發(fā)相火山角礫巖、溢流相安山巖、玄武巖,遠火山口地區(qū)廣泛覆蓋凝灰?guī)r。在火山噴發(fā)間歇期,南部3個泉島弧帶與北部沉積區(qū)存在較大地形差異,提供了較為充足的物質供給及沉積可容空間,為扇三角洲沉積體系提供了較好的構造背景。大量的沉積物從三個泉島弧向北推進,在島弧側翼形成了較大的扇三角洲扇群。由于火山活動的間歇性、多期次噴發(fā),形成火山巖、火山碎屑巖與沉積巖頻繁互層的巖性組合。

3 烴源巖特征

準北6井鉆遇的姜巴斯套組以火山碎屑沉積巖為主,整體表現為水進沉積。其鉆揭的凝灰質泥巖累計厚度596 m,生標及地化特征顯示其與鄰區(qū)已證實的烴源巖指標相似,具備較好的生烴條件。

3.1 烴源巖地化特征

根據準東北緣區(qū)域地層、構造格架和巖相古地理綜合分析,石北凹陷與陸梁隆起之上的滴水泉凹陷均為克拉美麗縫合帶西側陸梁隆起上發(fā)育的次一級凹陷,在石炭紀時期具有相似的沉積—構造背景,通過準北6井鉆井揭示的烴源巖與克拉美麗地區(qū)美13井對比來看(圖8a-b),兩者生標特征基本一致,均表現為三環(huán)萜烷山峰型,Pr/Ph中等、規(guī)則甾烷C29占優(yōu)勢的特點,反映了半氧化半還原、咸水及高等植物輸入為主沉積環(huán)境,與烏參1井還原、咸水、低等水生生物為主混有高等植物輸入的沉積環(huán)境不同(圖8c)。

圖8 準噶爾盆地石北凹陷油氣源對比

通過對石北凹陷及鄰區(qū)單井、野外露頭樣品C1j暗色泥巖的地化分析,進一步明確了該套烴源巖的潛力。烏倫古凹陷烏參1井凝灰質泥巖有機碳含量為0.43%～1.88%/0.86%(最小值～最大值/平均值,下同),S1+S2為0.04～3.58/0.57 mg/g,氯仿瀝青“A”為0.013 6%～0.146 8%/0.081 3%;有機顯微組分分析,腐泥組占優(yōu)勢,含量為58%～99%/87%,鏡質組含量為1%～37%/10%,惰質組含量為5%～14%/3%,類型以Ⅰ-Ⅱ1為主;成熟度指標Ro處于1.1%～2.01%之間;根據煤系烴源巖的評價標準[33],綜合評價烏參1井C1j烴源巖為有機質豐度較低,處于成熟—高熟階段的差烴源巖。石北凹陷有4口井均鉆遇C1j,準北3井C1j灰色凝灰質泥巖有機碳含量為0.43%～1.12%/0.74%,S1+S2為0.21～1.03/0.46mg/g,氯仿瀝青“A”為0.015%～0.052%/0.025 5%;有機顯微組分分析,鏡質組占優(yōu)勢,含量為39%～79%/66%,殼質組含量為17%～60%/32%,惰質組含量為1%～8%/2%,類型為Ⅲ型;Ro為1.2%～1.3%;綜合評價為有機質豐度較低的非烴源巖。準北1井灰色凝灰質泥巖、泥巖的有機碳含量為0.43%～1.73%/0.95%,S1+S2為0.22～1.29/0.58 mg/g,氯仿瀝青“A”為0.060 3%～0.065 6%/0.062 9%;有機顯微組分分析,殼質組占優(yōu)勢,含量為62%～66%/64%,鏡質組含量為16%～27%/22%,腐泥組含量為2%～15%/9%,為Ⅱ2型;Ro為0.84%～1.05%;綜合評價為差烴源巖。準北101井灰色凝灰質泥巖的有機碳含量為1.15%～3.5%/2.25%,S1+S2為1.19～4.24/2.63 mg/g,氯仿瀝青“A”為0.018%～0.248%/0.106 1%;有機顯微組分分析,鏡質組占優(yōu)勢,含量為34%～78%/65%,殼質組含量為20%～47%/31%,惰質組含量為2%～3%/2%,為Ⅲ型;Ro為0.9%～1.0%;準北101井C1j暗色泥巖綜合評價為處于成熟階段的中等烴源巖。準北6井深灰色凝灰質泥巖有機碳含量為0.64%～5.63%/2.44%,S1+S2為0.23～12.28/2.23 mg/g,氯仿瀝青“A”為0.029%～0.073%/0.05%;有機顯微組分分析,鏡質組占優(yōu)勢,含量為30%～74%/52%,殼質組含量為16%～62%/41%,惰質組含量為4%～10%/7%,為Ⅲ型;Ro為0.9%～1.4%;準北6井姜巴斯套組凝灰質泥巖綜合評價為處于成熟—高熟階段的中等烴源巖。

3.2 烴源巖分布特征

針對烴源巖的分布預測,采用重、磁、電、鉆井、地震相等分析,結合火山沉積建造發(fā)育特征,落實了有利區(qū)的分布。通過鉆井合成地震記錄標定,準北6井姜巴斯套組烴源巖發(fā)育段在地震上表現為中低頻、中強振幅、較連續(xù)反射特征。受火山島弧的分割,C1j平面上發(fā)育4個北西—南東向的烴源巖槽,烴源巖分布范圍廣,厚度大,三維區(qū)烴源巖厚度大于200 m的地區(qū)近610 km2(圖9)。

圖9 準噶爾盆地石北凹陷準北1井區(qū)石炭系姜巴斯套組烴源巖厚度

4 烴源巖—儲層發(fā)育模式

研究區(qū)發(fā)育多排北西向延伸展布的火山島弧,島弧之間的低洼地帶為濱淺海環(huán)境,由于火山的間歇性、多期次噴發(fā),形成火山巖、火山碎屑巖與沉積巖頻繁互層的巖性組合[34]。由于研究區(qū)火山以水下噴發(fā)為主,火山巖的噴發(fā)序列或噴發(fā)旋回特征不明顯;島弧火山間歇噴發(fā),近島弧處受波浪改造形成的火山碎屑巖與濱淺海相烴源巖側接,多期火山噴發(fā)與濱淺海凝灰質泥巖互層狀分布,具備較好的源儲配置及成藏條件?；鹕蕉嗥趪姲l(fā)—改造,環(huán)島近岸發(fā)育濱岸海灘砂體與凝灰?guī)r互層,遠岸方向以凝灰?guī)r與凝灰質泥巖互層為主,發(fā)育烴源巖(圖10)。

圖10 準噶爾盆地石北凹陷島弧環(huán)境烴源巖發(fā)育模式

石北凹陷姜巴斯套組上段總體表現為水進沉積過程,下部發(fā)育扇三角洲—濱淺海(含扇三角洲)沉積旋回,上部逐漸過渡到濱淺海相沉積環(huán)境,氣候溫暖潮濕,水體變深,弱氧化還原環(huán)境有利于有機質的生成和保存,烴源巖品質變好。姜巴斯套組形成了在溫濕氣候、弱氧化還原條件、咸水、高水深環(huán)境、高生產力(陸源高等植物和低等水生生物混源供給)條件控制下的有利烴源巖發(fā)育模式,其中還原保存條件主導著姜巴斯套組上部有利烴源巖的分布,濱淺海相是有利烴源巖發(fā)育的理想沉積環(huán)境。

通過分析石北凹陷及鄰區(qū)滴南凸起勘探成果,以石炭系為源,根據圈源配置關系,石北凹陷石炭系發(fā)育源側火山巖和源內火山碎屑巖2種油氣藏類型:源側火山巖油氣藏以克拉美麗氣田為代表,油氣主要分布在烴源巖槽兩側的古隆起之上[35],這類油氣藏儲層物性相對較好、規(guī)模大;源內火山碎屑巖油氣藏以準北6井石炭系油氣藏為代表,石炭系烴源巖生成的油氣在源內儲層中就近成藏,其勘探潛力有待進一步認識。綜合鄰區(qū)解剖以及區(qū)內油氣發(fā)現,石北凹陷發(fā)育多條北西向延伸島弧,火山巖較發(fā)育,島弧間低洼帶形成4個北西—南東向烴源巖洼槽。石北凹陷源側火山巖油氣藏具有較大潛力,且緊鄰烴源巖、近火山口相最為有利,是下一步重點勘探方向。

5 結論

(1)石北凹陷姜巴斯套組整體形成于與俯沖相關的島弧環(huán)境,火山活動期發(fā)育了近火山口爆發(fā)相、近火山口溢流相、遠火山口爆發(fā)相等火山建造;火山噴發(fā)間歇期,火山島弧側翼發(fā)育扇三角洲相砂礫巖、砂巖與凝灰質泥巖等沉積建造。

(2)石北凹陷姜巴斯套組凝灰?guī)r為成熟—高熟階段的中等氣源巖,受火山島弧的分隔形成4個北西—南東向的烴源巖槽,烴源巖厚度分布在100～500 m之間。遠島弧低洼地帶火山建造與沉積建造頻繁互層、指狀交互,濱淺海相凝灰質泥巖與扇三角洲砂礫巖、島弧火山巖具有良好的源儲配置關系。

利益沖突聲明/Conflict of Interests

所有作者聲明不存在利益沖突。

All authors disclose no relevant conflict of interests.

作者貢獻/Authors’ Contributions

熊偉參與研究設計;熊偉、白仲才、蔡倩茹、宋智華參與完成研究工作;熊偉、王越、熊崢嶸、梅文科參與論文寫作和修改。所有作者均閱讀并同意最終稿件的提交。

The study was designed by XIONG Wei. The study was completed by XIONG Wei, BAI Zhongcai, CAI Qianru and SONG Zhihua. The manuscript was drafted and revised by XIONG Wei, WANG Yue, XIONG Zhengrong and MEI Wenke. All the authors have read the last version of paper and consented for submission.