马朗凹陷断裂—烃源岩空间配置关系与石油垂向运移特征①

马 剑 黄志龙 李华明 吴红烛 陈 旋 文川江

(1.中国石油大学 油气资源与探测国家重点实验室 北京 102249;2.中国石油吐哈油田公司 新疆哈密 839000)

0 引言

三塘湖盆地马朗凹陷先后发现了牛圈湖和西峡沟含油气构造，之后又发现了马中油田等含油气构造，油气主要赋存于二叠系和侏罗系，前人研究认为马朗凹陷主要的烃源岩是二叠系芦草沟组［1～4］。最近又在石炭系发现了良好的含油气性，石炭系哈尔加乌组是其主要的烃源岩。烃源岩的分布具有较强的非均质性，主要受控于有机质的类型、岩性及沉积相带，这就决定了油气分布的不均一性。马朗凹陷侏罗系本身不具备很好的生成油气的烃源岩，其中的油气主要来自下覆二叠系芦草沟组烃源岩，但大部分地区几乎没有石炭系烃源岩生成的油气进入侏罗系。这一直是困扰大家的问题。那么，二叠系芦草沟组生成的油气如何进入侏罗系成藏的呢?以及石炭系生成的油气为何运移不到侏罗系成藏呢?有人认为可能是断层的输导作用使油气向上运移［5，6］，但缺少对断层活动性的定量化研究。本文通过对马朗凹陷断裂的活动强度、垂向输导断裂与烃源岩的匹配关系的研究，结合含氮化合物示踪油气运移方向来分析油气垂向运移特征和侏罗系成藏的控制因素。

1 烃源岩分布特征与油气来源

马朗凹陷对油气生成有贡献的烃源岩主要有2套，分别是二叠系芦草沟组和石炭系哈尔加乌组(图1)。芦草沟组岩性复杂，主要的岩石类型为云岩、泥岩及它们的过渡岩石类型，沉积于半咸水—咸水的陆相湖泊，主要发育于缺氧的封闭性较好的还原环境，陆源碎屑供给不足，其中芦草沟组二段烃源岩生烃潜力最大。芦草沟组烃源岩整体处于低成熟—成熟演化阶段，由于烃源岩具有较多的富氢组分，在低演化阶段就开始生成大量的烃类。石炭系哈尔加乌组烃源岩以碳质泥岩为主，兼有凝灰质泥岩及暗色泥岩。碳质泥岩有机质丰度高、生油能力强，主要发育在沼泽化 湖沉积环境。重要的是石炭系烃源岩与火山岩共生，烃源岩具有较强的非均质性，分布局限，形成多个源岩中心，主要处于成熟演化阶段。

研究表明，马朗凹陷原油类型可以划分为3类(表1)。Ⅰ类原油正构烷烃系列呈单峰型，主峰碳为nC21、nC23或 nC25，Pr/Ph ＜1.0，具有高丰度 β-胡萝卜烷和 γ-蜡烷，低丰度三环萜烷的特点，规则甾烷ααα20RC27、ααα20RC28、ααα20RC29呈“/”型分布，这些特征与芦草沟组二段泥质岩抽提物生物标志物特征吻合，表明Ⅰ原油来自芦草沟组二段泥质烃源岩。Ⅰ油主要分布在牛圈湖和马北地区的侏罗系，牛圈湖、马中和黒墩地区二叠系的条湖组和芦草沟组。Ⅱ类原油正构烷烃系列也呈单峰型，无β-胡萝卜烷和γ-蜡烷，Pr/Ph ＞ 1.8(一般大于 2.0)，规则甾烷ααα20RC27、ααα20RC28、ααα20RC29呈不对称“V”型分布，这与马朗凹陷石炭系哈尔加乌组碳质泥岩抽提物生物标志物特征一致，另外，该类原油为成熟原油，与石炭系源岩成熟度特征吻合，说明该类原油来自石炭系烃源岩。Ⅱ类原油主要分布在牛东和马中地区的石炭系，在二叠系和侏罗系未见这类原油的聚集。Ⅲ类原油的谱图和众多生标参数介于芦草沟组泥质岩和石炭系碳质泥岩之间，此类原油为Ⅰ和Ⅱ类油的混源油，主要分布在西峡沟地区二叠系的条湖组和侏罗系。

图1 马朗凹陷地层综合柱状图Fig.1 Columnar section of the strata in the Malang sag

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2 输导断裂烃源岩的空间配置与油气垂向运移关系

马朗凹陷二叠系条湖组和侏罗系的原油主要来自二叠系芦草沟组烃源岩，大部分地区二叠系条湖组和侏罗系未见有来自石炭系烃源岩的Ⅱ类原油，只有西峡沟地区二叠系条湖组和侏罗系见有石炭系生成原油的混入。原油的分布层位和部位与其对应的烃源岩分布及断裂的输导作用关系非常密切。马朗凹陷断裂很发育，但不同断裂的断裂活动时间和强度差别很大，同一时期断裂活动强度也不一样。只有那种沟通下部烃源岩与上部二叠系条湖组和侏罗系，并且在烃源岩主要生烃期活动的断裂才能对油气的垂向运移起到输导作用，并对浅层的二叠系条湖组和侏罗系油气成藏做出贡献，把这种断裂称为垂向输导断裂。

2.1 断裂活动强度决定油气垂向运移能力

用来描述断裂活动性的方法主要有:断层生长指数法、断层落差法和断裂活动速率法［7，8］。由于断层生长指数法要求凹陷内不同部位、各时代的沉积速率一致，断层上下盘没有大的沉积间断;断层落差法又没有考虑时间的概念;断层活动速率为某一地质时期的断层落差与时间跨度的比值，该参数既保留了断层落差的优点，又能弥补断层生长指数由于缺少时间概念所带来的不足，所以能够更好的反映断层的活动特点。假定从t1层沉积到t2层所经历的时间为T(Ma)，落差为ΔH(m)，其上、下盘的厚度分别为H1(m)和H2(m)，则ΔH=H1－H2。因此，断层活动速率(vf)可以用下式表示:

鉴于断层活动对两盘地层所造成的沉积、剥蚀作用的差异性，针对不同类型的断层确定了不同的计算方法［9］:

1)同沉积正断层，断层活动速率(vf)=(上盘沉积厚度－下盘沉积厚度)/时间。

2)边界正断层，断层活动速率(vf)=(上盘沉积厚度+下盘剥蚀厚度)/时间。

3)逆断层，断层活动速率(vf)=(上盘剥蚀厚度+下盘沉积厚度)/时间。

研究表明，侏罗纪末—白垩纪是马朗凹陷油气成藏的主要时期［10，11］，因此，侏罗纪末—白垩纪时期的断裂活动速率，可以反映断裂对石油的垂向输导能力。马朗凹陷从印支期开始主要受区域挤压作用，普遍发育逆断层，计算了其中4条主要的沟通烃源岩的断层在侏罗纪末—白垩纪时期的断裂活动速率，其中西峡沟地区断裂①的断裂活动速率为20～25 m/Ma，牛圈湖地区断裂②的断裂活动速率为15～25 m/Ma，断裂③的断裂活动速率为10～15 m/Ma，马中地区断裂④的断裂活动速率为8～12m/Ma，并且在断裂的不同部位断裂活动速率差别不大。这几条断裂均为垂向输导断裂，西峡沟、牛圈湖和马中地区侏罗系和二叠系条湖组的油气藏均与这几条断裂有关(图2)。

2.2 垂向输导断裂与烃源岩的匹配控制油气分布

图2 马朗凹陷侏罗系和二叠系条湖组油藏与输导断裂的关系Fig.2 The relationship between reservoirs of Jurassic and Permian Tiaohu Formation and transporting faults in the Malang sag

从垂向输导断裂和烃源岩分布图上可以看出，二叠系芦草沟组烃源岩厚度中心分布在牛圈湖和马中地区，石炭系哈尔加乌组烃源岩主要分布在牛东地区、牛圈湖的南部和西峡沟地区;沟通芦草沟组的垂向输导断裂分布在西峡沟、牛圈湖和马中地区(图3)，发育在石炭系哈尔加乌组内部的断裂主要分布在牛东地区(图4)。平面上，西峡沟、牛圈湖、马中和牛东地区输导断裂与烃源岩的匹配性较好。

从断裂活动强度与烃源岩分布来看，断裂①附近既发育二叠系芦草沟组烃源岩，又发育石炭系哈尔加乌组烃源岩，断裂活动速率最大，断裂活动性最强，在西峡沟地区深层芦草沟组和哈尔加乌组生成的油气均可以沿此断裂向上运移，在二叠系条湖组和侏罗系聚集成藏，所以该地区原油具有混源的特点。垂向输导断裂②和断裂③附近芦草沟组烃源岩厚度较大，但缺少石炭系烃源岩，所以在牛圈湖地区二叠系条湖组和侏罗系仅聚集了Ⅰ类原油。断裂④附近芦草沟组烃源岩厚度也很大，但是断层活动速率相对较小，导致油气垂向运移受限制，所以在马中地区芦草沟组的上覆地层中油气聚集相对较少。在牛东地区，哈尔加乌组烃源岩发育，并具有沟通烃源岩和石炭系火山岩储层的输导断裂，但这些断裂大都只发育在石炭系内部，都未断至侏罗系，所以石炭系烃源岩生成的油气主要在石炭系顶部和烃源岩附近的储层中聚集成藏，该地区的侏罗系甚至无油气显示。

所以，纵向上，烃源岩和垂向输导断裂匹配较好的地方，上覆地层中才有油气聚集。西峡沟地区二叠系条湖组和侏罗系的混源油，牛圈湖地区侏罗系的Ⅰ类原油，以及牛东地区石炭系顶部的Ⅱ类原油的分布均说明了在烃源岩和输导断裂都很发育的地方，油气才能够沿着输导断裂向上发生垂向运移，在上覆地层中聚集成藏(图5)。

3 含氮化合物示踪油气垂向运移方向

近年来，很多学者利用含氮化合物资料对油气运移进行研究，揭示油气运移的方向和路径，并取得了较好的效果［12－14］。含氮化合物中，不同分子量、极性以及不同结构的化合物，在从源岩中排出或通过输导层的过程中，与周围介质进行有选择性的吸附或解吸附作用，运移分馏效应显著，可有效地指示油气运移的方向［15－16］。并且该类化合物受母源、沉积环境及成熟度的影响可能相对较小，所以可以作为很好的油气运移示踪剂。

图7 马中—牛东地区含氮化合物示踪Ⅱ类原油沿断裂的垂向运移Fig.7 Section of type Ⅱ oil vertical migration through faults traced by nitrogen compounds in Mazhong-Niudong area

根据C-1、C-8位上烷基取代情况，可将烷基咔唑分为屏蔽型(C-1和C-8位均被烷基取代，如1，8-二甲基咔唑)、部分屏蔽型(C-1和C-8仅有一个烷基取代基，如1，3-二甲基咔唑等)、暴露型(C-1和C-8均未被烷基取代，如2，4-二甲咔唑)3种结构类型。在油气运移过程中随运移距离增加，不同结构类型的含氮化合物将发生运移分馏效应，使原油中含氮化合物总浓度下降，屏蔽型化合物含量相对富集，而部分屏蔽型、暴露型化合物含量逐渐降低。

马朗凹陷Ⅰ类原油来自二叠系芦草沟组，从深层到浅层，含氮化合物总浓度呈降低趋势，1，8DMC/2，4-DMC呈增大趋势，示踪原油沿断裂的垂向运移，向上运移后在二叠系条湖组及侏罗系聚集成藏(图6)。

马朗凹陷Ⅱ类原油分布在石炭系，从深层到浅层随着运移距离的增加，含氮化合物总浓度逐渐降低，1，8DMC/2，4-DMC 变化趋势不是很明显，但 1，8-DMC 相对于1，3-DMC 更富集，即 1，8DMC/1，3-DMC比值增大，表明原油也是沿断裂向上运移，之后发生侧向运移，石炭系哈尔加乌组生成的油气最终能够在石炭系的顶部聚集成藏(图7)。

由此可见，断层的断裂活动强度控制了油气垂向运移能力，垂向输导断裂与烃源岩相匹配时，烃源岩生成的油气才能向上运移至上覆地层聚集成藏。

4 结论

(1)断层的断裂活动强度控制着油气垂向输导能力，垂向输导断裂与烃源岩的空间配置控制了石油的输导和聚集。二叠系芦草沟组烃源岩厚度中心附近的垂向输导断裂断至侏罗系，所以Ⅱ类原油可以运移至侏罗系聚集成藏;而石炭系哈尔加乌组烃源岩厚度中心附近的垂向输导断裂未断至侏罗系，所以Ⅱ类原油未能运移到侏罗系聚集成藏，仅在石炭系成藏;西峡沟地区垂向输导断裂沟通了二叠系芦草沟组和石炭系哈尔加乌组两套烃源岩，所以，上覆地层聚集了混源油。

(2)含氮化合物可以示踪油气沿断裂的垂向运移，无论是从二叠系芦草沟组到侏罗系的垂向运移，还是从石炭系哈尔加乌组到石炭系顶部的垂向运移，原油中含氮化合物都表现出总浓度降低、1，8DMC/1，3-DMC或1，8DMC/2，4-DMC值增大的特点。

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