鄂尔多斯盆地南部延长组长8油藏油气充注期次

丁 超，郭 顺，郭 兰 ，郭小波 ，杜贵超 ，吴洪帅

（1.西安石油大学地球科学与工程学院，西安710065；2.陕西延长石油（集团）有限责任公司资源与勘探开发部，西安710075；3.延长油田股份有限公司，陕西延安716000）

0 引言

多旋回叠合盆地油气成藏年代学研究不仅是油气成藏地质学中重要的研究内容，而且是油气成藏过程与机理研究的前沿和热点问题［1-5］。传统的油气成藏年代学研究方法包括：圈闭时间形成法、烃源岩生排烃法、油气藏饱和压力法和油气地球化学法等［6-10］，这些方法可定性分析油气成藏的最早时间或最晚时间，但无法精细刻画油气成藏期次与充注时限。2000年以来，随着成岩流体包裹体研究在油气地质学领域的逐步应用，地质学家们开始应用流体包裹体均一温度，结合储层成岩演化过程和构造热演化史，间接获取油气成藏期次与时间，从而推动了油气成藏年代学研究由定性向定量化方向的转变［11-14］。

鄂尔多斯盆地三叠系为中生界重要的产油层系，已有大量研究成果表明［15-19］：三叠系油藏为典型的构造-岩性油气藏或岩性油气藏，储层致密、非均质性强，探明的含油层受沉积相和储层物性控制，具有平面上大面积连片分布和纵向上复合叠置的特点，但是对于油气成藏期次与时限的研究相对薄弱。近些年来，学者们对鄂尔多斯盆地三叠系油气成藏方面的研究也存在一定程度的分歧，多数学者［20-22］认为盆地三叠系延长组油气仅经历了一期油气充注，主要发生在早白垩世中期；也有部分学者［23-24］认为延长组的油气充注开始于晚侏罗世，至早白垩世中期，油气大规模充注成藏，为两幕次连续充注；张凤奇等［25］认为延长组油气成藏主要发生于早白垩世，晚白垩世以来发生了油气藏的调整和逸散。针对鄂尔多斯盆地三叠系延长组长8油层组的油气成藏期次研究尚不够系统化，为此，笔者选取长8油层组的钻井岩心进行系统分析，包括薄片鉴定、荧光分析和流体包裹体均一温度测试，结合其构造热演化史研究，系统分析其油气成藏期次与时限，综合构建延长组油气成藏年代学框架，以期为三叠系延长组的油气成藏机理与成藏动力学研究提供基础地质信息。

1 区域地质概况

鄂尔多斯盆地为中国内陆大型富含能源资源的沉积盆地，富含包括石油、天然气、煤炭、铀矿和镓矿等多种能源矿产，是我国较早发现油气的沉积盆地之一［15-16］。鄂尔多斯盆地处于我国东部与西部构造体系的过渡部位，受到反复拉张与挤压作用的影响，发育多期构造不整合面，整体表现为多构造叠加、多期沉积-沉降、多演化阶段和多旋回叠加的复合沉积盆地。盆地内部构造简单、沉降稳定、断裂较少，经过新生代以来的周缘断陷活动，最终形成了四面环山的构造格局。盆地基底由太古界—元古界多套变质岩系组成，古生代为海相沉积环境，发育多套碳酸盐岩沉积组合；中生代由于秦岭洋的闭合，鄂尔多斯盆地演变为独立的陆内沉积盆地，发育陆相碎屑岩沉积，其中三叠系延长组为中生界重要的含油层系。根据沉积旋回可将延长组自上而下划分为长1—长10油层组，其中长8油层组为重要的油气产层［图1（a）］，主要发育三角洲前缘、前三角洲、浅湖、半深湖—深湖等沉积亚相。庆阳地区发育镇原—庆阳三角洲沉积和宁—合水三角洲沉积体系，物源来自西南部地区；富县地区发育富县三角洲前缘沉积，物源来自东北部［图1（b）］。

研究区长8储层砂体相对较为发育，在纵向上发育多套透镜状单砂体，且横向上具有一定的连通性，受控于沉积物源的影响，西南部长8油层组砂体主要发育在长81油层亚组，东部地区厚层砂体主要发育在长82油层亚组（图2）。长8储层孔隙度主要为6.0%～11.0%，渗透率值分布范围较广，主要为0.1～1.0 mD，物性分级属低—特低孔、特低—超低渗型致密储层。新生代以来，盆地主体遭受抬升剥蚀，第四纪沉积的黄土覆盖其上，遭受风化、雨水淋滤后形成了现今沟壑纵横的黄土地貌。

图1 鄂尔多斯盆地南部延长组长8地层岩性柱状图（a）与沉积相（b）Fig.1 Stratigraphic column（a）and sedimentary facies（b）of Chang 8 reservoir of Yanchang Formation in southern Ordos Basin

图2 鄂尔多斯盆地南部ZH219井—FX47井延长组长8油层组砂体剖面Fig.2 Sand body section of Chang 8 reservoir from well ZH219 to well FX47 in southern Ordos Basin

2 成岩作用与成岩序列

一直以来，储集层中油气充注史及其与成岩演化的响应关系都是油气勘探中的重要研究内容，理清这些充注期次与成岩矿物的相互作用对识别油气藏的类型和预测油气藏的分布具有重要指导作用［26］。鄂尔多斯盆地南部延长组储层经历的主要成岩作用包括压实作用、胶结作用和溶蚀作用（含溶蚀交代作用）等3类。通过对岩石薄片的显微镜观察和扫描电镜分析，从微观和超微观角度分析了岩石的成岩演化，为油气充注过程研究提供了详实证据。

2.1 压实作用

压实作用始于沉积物沉积后，贯穿于成岩作用的各个阶段，研究区延长组在构造沉降作用下，随着水体不断变深，沉积速率加快，埋深随之增加，温度和压力不断增大，松散沉积物逐渐固结，孔隙水不断被排除，颗粒间接触逐渐紧密，塑性颗粒被压弯变形，同时颗粒间发生各种物理化学变化，孔隙度和渗透率均变差。显微镜观察结果显示，研究区延长组长8油层组砂岩的机械压实作用主要表现为碎屑颗粒之间呈线接触、镶嵌式接触，云母等塑性矿物被压弯变形，甚至部分镶嵌式接触的颗粒存在压溶现象［图 3（a）］。

图3 鄂尔多斯盆地南部长8油层组成岩作用与油气包裹体特征Fig.3 Microphotos showing diagenesis and hydrocarbon fluid inclusion of Chang 8 reservoir in southern Ordos Basin

2.2 胶结作用

胶结作用多发生于埋藏期和表生期。研究区延长组长8油层组砂岩中可见到3种类型的胶结物：①自生黏土矿物，如绿泥石沿着碎屑颗粒边缘呈叶片状分布，形成绿泥石包膜［图3（b）］。②碳酸盐胶结物，阴极发光下呈黄绿色，充填于颗粒之间或长石溶蚀孔隙中［图3（c）］，同时可见黑色沥青和烃类包裹体沿方解石裂缝分布［图3（d）］，表明碳酸盐胶结晚于长石溶蚀，油气充注晚于碳酸盐胶结。③硅质胶结物，多以石英次生加大边形式出现，可见自生石英加大边多与绿泥石包膜共生［图3（e）］，部分石英加大边的溶蚀孔被方解石胶结物充填，表明硅质胶结物的形成晚于绿泥石包膜的形成，但早于碳酸盐胶结物的形成。自生石英加大边内部发育串珠状烃类包裹体［图 3（f）—（h）］，表明油气充注同时或略早于硅质胶结物的形成。

2.3 溶蚀作用

溶蚀作用几乎发生于成岩作用各个阶段，包括同生与准同生期溶蚀作用、埋藏溶蚀作用以及表生溶蚀作用。陈启林等［27］从溶蚀作用发生的成岩阶段、溶蚀流体的类型、溶蚀作用强弱的主控因素和溶蚀作用对储集层的改造效果等4个方面系统地阐述了溶蚀作用对储集层的改造。研究区延长组长8油层组砂岩可见2期溶蚀作用，相对早期的溶蚀作用表现为石英和长石等碎屑颗粒边缘或内部发生溶蚀而产生孔隙［图 3（a），（b）］，相对晚期的溶蚀作用造成了方解石胶结物溶蚀孔和微裂缝扩溶孔［图 3（e），（j）］。长 8 储集层中溶蚀孔隙的生成与烃类大量充注有关，多为有机酸溶蚀而成，晚期溶蚀孔的形成可能叠加了大气水的淋滤作用。

2.4 成岩演化序列

通过岩心观察与薄片分析，可以发现研究区延长组长8油层组砂岩中发育2期微裂缝，早期微裂缝沿石英颗粒内部发育，烃类包裹体呈线型分布于这些裂缝中。晚期微裂缝切割了早期微裂缝，甚至部分切穿了石英颗粒及其加大边，沿微裂缝内部发育烃类包裹体或沥青物质。

综上所述，通过对研究区延长组长8油层组砂岩的成岩作用精细研究，可建立其成岩演化序列（图4）：机械压实作用→早期绿泥石包膜→早期微裂缝→相对早期溶蚀作用→烃类充注Ⅰ→石英次生加大→方解石、长石溶蚀→烃类充注Ⅱ→晚期构造形成微裂缝→相对晚期溶蚀作用→烃类充注Ⅲ［图 3（k），（l）］。

图4 鄂尔多斯盆地南部长8油层组成岩序列Fig.4 Diagenetic sequences of Chang 8 reservoir in southern Ordos Basin

3 油气充注期次与定年

油气成藏期是指油气生成、运移、聚集成藏的整个时间过程，可以包括一个或多个油气充注幕次。本次研究选取了鄂尔多斯盆地南部12口探井的延长组长8油层组的岩心样品进行油气成藏年代学研究，在成岩演化序列研究的基础上，利用荧光显微镜分析不同产状的烃类包裹体的分布特征、相态、丰度及荧光性，同时利用冷热台对不同产状的流体包裹体进行均一温度和冰点温度测试，并计算出相应包裹体的含盐量，从而系统分析研究区长8储层的油气充注期次。

3.1 流体包裹体特征

通过研究区长8储层成岩演化序列研究，可识别出3类烃类包裹体：①第1类烃类包裹体主要呈串珠状发育于石英矿物早期裂缝中或石英矿物颗粒内部的溶蚀区［图5（a）］，后又被石英加大边包裹，包裹体形态较小，形状多为球形或椭圆体，直径多为5.0～10.0 μm，气液比≤5.0%，单偏光显微镜下显示褐色［图5（a）］，荧光显微镜下呈绿色或黄绿色［图 5（b）］，烃类包裹体丰度（GOI）多为 3.0%～5.0%。②第2类烃类包裹体主要分布在石英加大边的外部［图5（c）］或溶蚀矿物颗粒内部充填的方解石胶结物中［图3（d）］，包裹体形态较小，气液比≤5.0%，发蓝绿色荧光［图 5（d）］，GOI多为 4.0%～6.0%，同时可见残余黑色沥青［图3（k）］。③第3类烃类包裹体主要分布在切穿石英及其加大边的晚期裂缝中或晚期方解石胶结物中［图 3（j），图 5（e）］，包裹体直径多≤7.0 μm，气液比≤5.0%，发蓝白色荧光［图 5（f）］，GOI多为 3.0%～6.0%，少数井可见黑色沥青［图 3（l）］。

图5 鄂尔多斯盆地南部长8油层组包裹体产状与荧光特征Fig.5 Microphotos showing characteristics of fluid inclusion occurrence and fluorescence of Chang 8 reservoir in southern Ordos Basin

3.2 流体包裹体均一温度

流体包裹体均一温度测试在西安石油大学的“陕西省油气成藏地质学重点实验室”完成，仪器设备为THMS600型冷热台，选择与烃类包裹体共生的盐水包裹体进行均一温度和冰点温度的测试，流体包裹体均一温度分布范围较广（表1），主要分布为85.0～165.0℃。利用Bodnar方程和冰点温度数据计算包裹体含盐量，再进一步根据包裹体期次分别统计不同产状包裹体的均一温度和含盐量。研究结果显示：第1期盐水包裹体均一温度分布在61.1～121.7℃，峰值接近85.0℃，含盐质量分数分布在3.2%～14.5%；第2期包裹体均一温度分布在106.2～155.7℃，峰值接近120.0℃，含盐质量分数分布在5.5%～16.3%；第3期包裹体均一温度分布在92.2～130.5℃，峰值接近105.0℃，含盐质量分数分布在4.1%～15.9%（图6，表1）。

图6 鄂尔多斯盆地南部长8油层组包裹体含盐量与均一温度交会图Fig.6 Crossplot of salinity and homogenization temperature of Chang 8 reservoir in southern Ordos Basin

实验数据表明，第1期和第2期包裹体均一温度存在相互叠置的关系，且含盐量变化不大，荧光特征显示了油气由低熟到成熟的演化过程，总体表现为2期连续充注特征。第3期包裹体主要发育在切穿石英及其加大边的晚期微裂缝中，均一温度峰值介于第1期包裹体和第2期包裹体均一温度峰值之间，表明第3期包裹体记录了盆地经历最大构造沉降后抬升剥蚀所引起油气调整逸散时的均一温度，为晚期油气充注成藏事件。因此，综合分析包裹体数据和构造-埋藏演化历史可以得出，鄂尔多斯盆地南部长8油藏主要经历了3期油气充注过程。

表1 鄂尔多斯盆地南部长8油层组流体包裹体均一温度测试数据Table 1 Testing data of homogenization temperature of fluid inclusions of Chang 8 reservoir in southern Ordos Basin

3.3 磷灰石裂变径迹定年

鄂尔多斯盆地晚白垩世以来经历了多旋回抬升改造，最大剥蚀厚度可达2 000 m以上。近年来，磷灰石裂变径迹（AFT）技术已成为造山带隆升历史、盆地构造热演化史研究的重要手段［28］，有效降低了剥蚀厚度恢复误差。本次研究选取了鄂尔多斯盆地南部N65井延长组长8储层砂岩样品，通过重矿物分析遴选出磷灰石颗粒，在中国科学院高能物理所进行了磷灰石裂变径迹分析（表2）。测试数据显示，磷灰石的中值年龄与池年龄大致相当，且明显小于地层年龄，P（χ2）检验概率为13.5%，平均FT长度为12.0±2.1 mm，表明该砂岩样品经历了完全退火，之后被抬升冷却，23.0±6.0 Ma代表了抬升冷却年龄。基于Laslett退火模型［29］运用AFT Solve软件模拟了研究区长8储层热演化史，拟合选用限制任意搜索项（CRS），拟合曲线数选取10 000，Dpar赋值为1.5 mm，设定地表温度和样品所在地层的年龄为模拟的初始温度和时间，根据获得的裂变径迹长度和年龄，结合样品所处的地质背景，确定热史模拟过程中关键地质事件的温度和时间条件。该方法的优势在于挖掘了先前没考虑到的数据信息，延伸了裂变径迹分析在地质热信息分析中的实践性，增加了模型的可信度。实验结果显示，模拟径迹长度为12.1±2.1 mm，实测径迹长度为12.0±2.1 mm，径迹长度总体拟合率（K-S Test）为67.0%，模拟年龄为30.5±2.0 Ma，实测年龄为30.7±2.4 Ma，径迹年龄总体拟合率（Age GOF）为94.0%，表明了热演化史模拟效果质量较高，可信度较高。

表2 鄂尔多斯盆地南部N65井长8油层组砂岩磷灰石裂变径迹测试数据Table 2 AFT data of Chang 8 reservoir sandstone samples from well N65 in southern Ordos Basin

鄂尔多斯盆地南部长8油藏夹持于长7张家滩页岩与长9李家畔页岩之间。已有研究成果表明［30-31］，长7张家滩页岩为长8油藏的有效烃源岩，具有“上生下储”的油气成藏模式。张家滩页岩厚度为25～50 m，TOC质量分数主要为6%～14%，氯仿沥青“A”平均值为0.5%，母质类型属于腐泥型，镜质体反射率为1.0%～1.1%，表明烃源岩经历过生油气高峰阶段。因此，张家滩页岩具有厚度大，成熟度高，生油能力强等特征，主要生烃期为早白垩世。利用N65井延长组长8油层组的磷灰石裂变径迹的热史模拟结果，获取了延长组构造热演化的最佳路径（t-T曲线），在此基础上，把不同期次包裹体均一温度合理投影到热史路径上，获取相应的油气充注时间（图7）。结果表明：研究区长8油藏经历了第1期早侏罗世—晚侏罗世（192.5～152.0 Ma）的低温成藏阶段，油气充注的峰值年龄为182.0 Ma；第2期晚侏罗世—早白垩世（152.0～126.0 Ma）的主成藏阶段，峰值年龄为150.0 Ma，捕获烃类包裹体丰度相对较高，为高温油气成藏阶段；第3期古近纪（60.0～36.5 Ma）的调整逸散以及次生油气藏的形成阶段。

图7 鄂尔多斯盆地南部长8油层组流体包裹体均一温度与构造-埋藏热演化史Fig.7 Thermal history projected with homogenization temperature of fluid inclusions of Chang 8 reservoir in southern Ordos Basin

依据研究区延长组长8油层组的包裹体测试数据，结合其构造-埋藏热演化史，揭示了油气成藏事件与构造演化的匹配关系，为盆地三叠系延长组油气成藏提供了更精确时间域的约束（图7）。综合分析结果表明，晚三叠世—早侏罗世，鄂尔多斯盆地经历了华北残余克拉通内挠曲挤压坳陷向大鄂尔多斯盆地内陆弱伸展坳陷的转变，研究区长8油层组经历了快速沉降缓慢增温过程（沉积增温速率1.3℃/Ma，沉积速率为57.0 m/Ma，地温梯度2.3 ℃/100 m［32］），长 8 地层温度接近 85.0 ℃，油气开始进入长8储层。早侏罗世—晚侏罗世（192.5～152.0 Ma）发生了早期油气充注事件，主要充注峰值年代为182.0 Ma。白垩世早期，盆地内陆弱伸展坳陷转变为内陆冲断山前坳陷，沉降沉积增温开始加快（沉积增温速率1.5℃/Ma，沉积速率为37.5 m/Ma，地温梯度 4.0 ℃/100 m［32］），至白垩世中期（约120.0 Ma），盆地延长组埋藏增温，最高可达165.0 ℃，最大埋藏深度 3 875.0 m，与任战利等［33］认识一致（Tmax＞150.0℃，镜质体反射率 Ro＞1.0%），烃源岩开始大量生排烃，此时为延长组长8油层组的主成藏期。综合构造-埋藏热演化史投点分析，油气主要聚集充注时限为晚侏罗世—早白垩世（152.0～126.0 Ma），充注峰值年代为 150.0 Ma，以上2次幕式充注为一连续性油气充注成藏过程。晚白垩世以来，鄂尔多斯盆地经历了多旋回构造抬升改造过程，包括研究区在内的盆地主体抬升，周缘发生断陷，导致盆地古生界的天然气和中生界的石油发生调整逸散以及二次成藏。鄂尔多斯盆地伊盟隆起斜坡带上可见中、下侏罗统延安组煤系地层的烧变岩和漂白砂岩、中侏罗统绿色蚀变砂岩，这些都是新生代油气调整逸散的证据［34-38］。其中，研究区长8油藏发生调整和二次成藏的时间为古近纪（60.0～36.5 Ma）。

4 结论

（1）通过对鄂尔多斯盆地南部上三叠统延长组长8油藏的成岩序列及其与油气包裹体关系的研究，识别出3期油气充注事件：第1期发生在机械压实作用之后，与绿泥石包膜形成同期或稍滞后，烃类包裹体主要分布在早期微裂缝或溶蚀孔缝中，发褐色或浅黄绿色荧光，GOI主要分布在3.0%～5.0%；第2期发生在石英次生加大之后或同期，烃类包裹体主要位于石英加大边外侧和方解石胶结物中，发浅黄色或蓝绿色荧光，GOI主要分布在4.0%～6.0%；第3期烃类包裹体主要分布在切穿石英及其加大边的晚期裂缝或晚期方解石胶结物中，发褐黄色或黄绿色荧光，GOI分布在3.0%～6.0%。第1期盐水包裹体均一温度为61.1～121.7℃，含盐质量分数为3.2%～14.5%；第2期盐水包裹体均一温度为106.2～155.7℃，含盐质量分数为5.5%～16.3%；第 3期盐水包裹体均一温度为 92.2～130.5℃，含盐质量分数为4.1%～15.9%。

（2）结合延长组长8油藏的热演化史模型，建立了鄂尔多斯盆地南部长8油层组成藏年代学序列：第1期油气成藏发生在早侏罗世—晚侏罗世（192.5～152.0 Ma），沉积增温速率 1.3℃/Ma，沉积速率为57.0 m/Ma；第2期成藏发生在晚侏罗世—早白垩世（152.0～126.0 Ma），沉积速率为37.5 m/Ma，第1期与第2期成藏表现为油气连续充注成藏过程。第3期油气成藏发生在古近纪（60.0～36.5 Ma），为油气调整逸散和二次成藏过程。