李剑,李谨,谢增业,王超,张海祖,刘满仓,李德江,马卫,毛丹凤,曾旭
(1.中国石油勘探开发研究院,北京 100083;2.中国石油天然气集团有限公司天然气成藏与开发重点实验室,河北廊坊065007;3.广东石油化工学院,广东茂名 525000;4.中国石油塔里木油田公司,新疆库尔勒 841000)
秋里塔格构造带位于塔里木盆地库车前陆盆地冲断带前锋并与前缘隆起带交接的部位,东西长300 km,南北宽25 km,勘探面积5 200 km2,构造带中西段勘探程度低,是库车地区油气勘探重要的接替领域。秋里塔格构造带地表和地下地质构造复杂,地震资料品质差,圏闭落实困难,构造带的中西段天然气勘探长期未取得突破。通过持续攻关认为,中秋—东秋段与克拉苏构造带的盐下冲断构造同属于一个构造带,在断层的下盘(中秋段)发育一个类似克深构造带的逆冲叠瓦构造,油气成藏条件好,在此基础上部署了中秋 1风险井,在白垩系巴什基奇克组获高产工业油气流,使秋里塔格构造带由战略接替领域转变为现实的规模增储上产领域[1]。前人对于秋里塔格构造带油气成藏研究主要集中在秋里塔格构造带东段和西段(以下分别简称为东秋段和西秋段)[2-4],对秋里塔格构造带中段(以下简称中秋段)几乎没有涉及。本文在对秋里塔格构造带与邻近地区天然气地球化学特征对比基础上,针对中秋段中秋 1井开展系统的油气源对比,明确中秋1构造油气来源,分析中秋1圈闭油气成藏过程,对秋里塔格构造带下一步的油气勘探与开发提供理论依据。
秋里塔格构造带处于塔里木盆地库车前陆冲断带前锋,处于与前缘隆起带交接部位,根据构造变形特征自东向西划分为东秋、中秋、西秋、佳木4段(见图1a)。秋里塔格构造带东西不同段构造特征明显不同,中秋—东秋段构造样式与克拉苏构造带相似,发育逆冲叠瓦构造,西秋—佳木段为低幅度雁行式断裂构造(见图1b)[1]。中秋1井处于中秋段,2018年该井在白垩系巴什基奇克组(K1bs)砂岩获工业油气流,5 mm油嘴测试日产天然气为33.4×104m3,原油为21.4 m3。气藏地层压力为120.72 MPa,压力系数为2.0,地层温度为146.35 ℃,属于底水块状、高温、超高压背斜型凝析气藏。
图1 中秋1井位置及地震地质解释剖面图
库车坳陷侏罗系主要发育沼泽相含煤系沉积,三叠系以湖湘泥岩沉积为主,侏罗系—三叠系烃源岩有机质丰度高、成熟度高、厚度大、连续性好,为秋里塔格构造提供了良好的烃源岩条件[5-6];秋里塔格构造主要储集层是白垩系巴什基奇克组,为辫状河三角洲沉积,其中佳木段—西秋段为中孔中渗储集层,中秋段为低孔中渗储集层,东秋段为特低孔低渗储集层;秋里塔格构造带盖层十分发育,古近系和新近系膏泥岩盖层是主要盖层,古近系膏盐岩厚度中心处于西秋段秋探1井附近,最大厚度可达4 000 m,向西至中秋段逐渐减薄,于西秋2井附近尖灭;新近系吉迪克膏盐岩厚度中心位于东秋5井附近,最大厚度可达3 000 m,向东至中秋段逐渐减薄,在东秋8井附近尖灭。中秋段处于两套膏盐岩叠覆区域,膏岩总厚度为60~200 m。
秋里塔格构造带中秋段勘探程度低,目前仅钻探中秋1井。笔者采集了中秋1井天然气和原油样品,系统开展了地球化学分析。同时,对库车坳陷东部侏罗系、三叠系烃源岩中正构烷烃碳同位素组成进行了分析,收集并整理了邻区油气田(迪那、迪北、大北、克拉2、克深、牙哈、博孜)天然气相关数据。
秋里塔格构造带发现的天然气主要分布在白垩系及古近系,天然气以甲烷为主,含量为81.6%~92.3%,乙烷含量为3.8%~10.6%,干燥系数(C1/C1—6)为0.83~0.95,均为湿气。天然气中非烃气体含量较低,主要为N2,含有少量 CO2,N2和 CO2总含量一般低于 5%。中秋1井天然气甲烷含量为92.3%,乙烷含量为4.58%,与东秋段相近,较西秋段高;中秋 1井天然气中干燥系数为0.94,与迪北气田相当,低于克拉、克深、大北气田,明显高于牙哈、博孜、迪那气田(见表1)。库车坳陷天然气干燥系数分布的差异与天然气热演化程度、烃源岩母质类型、油气藏改造等因素有关[7-8]。
中秋1井甲烷碳同位素组成(δ13C1)为-32.6‰,乙烷碳同位素组成(δ13C2)较重,达-22.5‰,丙烷碳同位素组成(δ13C3)为-20.7‰,丁烷碳同位素组成(δ13C4)为-20.6‰,碳同位素组成系列呈正序分布(δ13C1<δ13C2<δ13C3<δ13C4)(见表 1)。根据戴金星等、宋岩等提出的天然气成因类型鉴别标准[9-10],中秋1井天然气与邻近气田天然气样品均为腐殖型气煤型气(见图2)。
天然气碳同位素组成系列呈正序分布的有中秋 1井、迪那、迪北、博孜等气田,牙哈气田天然气出现δ13C3>δ13C4局部倒转现象,大北、克拉 2、克深等气田天然气碳同位素组成系列倒转程度大,出现δ13C2>δ13C3>δ13C4局部倒转(见表1)。一般情况下,导致天然气组分碳同位素组成系列发生倒转的因素有热演化程度、母质来源、混合作用等[11]。相对母质来源、天然气混合等因素而言,热演化程度是库车坳陷天然气碳同位素组成系列发生倒转的关键因素。根据戴金星等提出的通过甲烷碳同位素组成计算天然气成熟度的经验公式[12],计算博孜、迪那、中秋 1井、迪北、牙哈、大北、克拉2、克深等气田天然气成熟度分别在0.8%,1.0%~1.1%,1.3%,1.1%~1.4%,1.2%~1.4%,1.8%~6.1%,2.8%~3.4%,2.7%~5.3%,对比发现碳同位素组成系列在Ro值大于 1.4%后,δ13C3、δ13C4开始出现轻微的局部倒转,在Ro值大于2.0%后,倒转程度增大,普遍出现δ13C2>δ13C3>δ13C4倒转现象。中秋1井天然气成熟度在1.3%左右,碳同位素组成系列呈正序分布,表明其热演化程度适中,尚未达到倒转的程度。
中秋1井与迪那、牙哈、克深、克拉2等气田天然气中的轻烃均含有较多的芳烃、环烷烃(见图 3a、图4),显示出腐殖型母质来源特征[13-15]。中秋1井天然气轻烃中芳烃相对含量明显低于迪那、大北、克拉2、克深等气田,与牙哈气田相当,但高于博孜气田(见图 4),总体表现出随天然气成熟度增高,轻烃中芳烃含量逐渐增大的趋势。迪北气田阿合组气藏中C6—7轻烃中含有较高的正构烷烃,苯和甲苯含量相对较低,显示出腐泥型母质来源特征(见图3d),这与其主要来源于三叠系湖相泥岩有关[16]。
中秋 1井原油密度为 0.806 7 g/cm3(20 ℃条件下),含蜡量为6%,运动黏度(50 ℃条件下)为1.128 mm2/s。原油中饱和烃含量为 73.83%,芳烃含量为17.87%,饱和烃/芳烃值为4.13,沥青质和非烃含量较低,分别为1.49%和0.11%,属于轻质油。
中秋1井原油中C6—7轻烃谱图见图3b,轻烃组成中以苯含量最高,其次为甲苯,甲基环己烷、正己烷、正庚烷、环己烷含量依次降低。值得注意的是,中秋1井原油中甲苯、正辛烷等化合物丰度远高于中秋 1井天然气(见图3a),显示高碳数的轻烃组分更易赋存于原油中。总体而言,中秋 1井原油与天然气轻烃分布特征相似,均含有较多的芳烃,显示两者的轻烃具有腐殖型母质来源特征。
续表 秋里塔格构造带及邻近地区气田天然气地球化学信息表
图 2 δ13C1-δ13C2-δ13C3烷烃气类型鉴别图版
中秋 1井原油饱和烃气相色谱中正构烷烃分布以C18为主峰,CPI(碳优势指数)和OEP(有机质的奇偶碳比值)分别为1.09、1.03,轻重比(nC21-/nC22+)值为 3.72,低碳数正构烷烃占优势,指示水生生物来源。Pr/Ph 值为 1.1,Pr/nC17值为 0.15、Ph/nC18值为 0.13,指示有机质类型属于Ⅱ型,处于偏还原环境中;中秋1井原油三环萜烷系列化合物含量较高,五环萜烷的含量明显偏低,推测与原油较高的热演化程度有关。中秋1井原油中三环萜烷以C23为主峰,大体呈正态分布特征,C27、C28和 C29规则甾烷呈“V”型分布,C27甾烷与C29甾烷比值为1.01,两者含量相近(见图5),伽马蜡烷与C30藿烷比值为0.18,总体表现出微咸水湖相水生生物输入的特点。
中秋 1井原油中菲含量远远大于甲基菲含量(见图6),菲/甲基菲值达2.24,推测中秋1井中过高的菲含量与高演化阶段有关。在高演化阶段由于热力作用增强,甲基菲脱甲基作用明显,会导致菲的相对丰度急剧增大。根据Radke等提出的甲基菲指数(MPI1)公式[17]以及MPI1与镜质体反射率之间的两段式经验估算公式[18],估算中秋 1井原油成熟度(Rc):当Ro值为0.65%~1.35%时,计算中秋1井Rc值为0.49%,处于未熟阶段;当Ro值为1.35%~2.00%时,中秋1井Rc值为2.22%,处于过熟阶段。两种计算结果差异巨大,说明采用甲基菲指数难以准确判断中秋1井原油成熟度。
观察中秋1井原油芳烃组成中4个甲基菲化合物的分布特点,发现 9-甲基菲、1-甲基菲的相对含量较3-甲基菲、2-甲基菲高,且9-甲基菲含量异常高(见图6)。不同沉积环境和生源烃源岩中的甲基菲分布特征对比显示,淡水湖沼相原油要比半咸水—咸水湖相、海相原油富集 2-甲基菲、3-甲基菲[19-21]。由此认为,中秋1井原油芳烃中9-甲基菲含量异常高与沉积环境和母质来源有关,指示母质来源于微咸水—咸水沉积环境下水生生物,与饱和烃生物标志物所指示的生源特点一致(见图5)。
图3 中秋1井及邻近地区气田天然气、原油轻烃色谱图
图4 中秋1井及邻近地区天然气中C6—7轻烃三角图组成
金刚烷类化合物的形成一般不受有机质输入和烃源岩沉积环境的影响,化合物性质稳定,不易受热力、生物降解、运移过程中的色层作用影响,可作为判别高成熟原油裂解产物的有效指标[22-25]。中秋1井原油中检测到丰富的单金刚烷、双金刚烷系列化合物,其单金刚烷成熟度(MAI)为 62.6%,双金刚烷成熟度(MDI)为40.6%,根据金刚烷指标与成熟度之间的关系,得出中秋1井原油成熟度约为1.3%(见图7),与天然气成熟度相近,均处于高成熟阶段。
4.1.1 生物标志物判识原油来源
库车坳陷侏罗系以发育沼泽相含煤沉积为主,生物标志物中三环萜烷以 C19为主峰,C20、C21、C23三环萜烷呈现逐渐递减、C27甾烷、C28甾烷、C29甾烷倒L分布。Pr/Ph值为1.48~4.83,处于氧化环境。伽马蜡烷/C30藿烷值为0.08~0.09,属于淡水沉积环境(见图8a)。三叠系以湖相泥岩沉积为主,生物标志物中三环萜烷呈正态分布、C27甾烷、C28甾烷、C29甾烷呈V形分布,显示存在较多的水生生物输入,贫重排甾烷、相对富含伽马蜡烷,伽马蜡烷/C30藿烷值为0.16~0.24,显示水体为微咸水环境(见图 8b)[16],Pr/Ph值为0.86~2.01,处于偏还原环境。
图5 中秋1井原油中甾萜烷系列化合物分布特征
图6 中秋1井原油菲、甲基菲色质图谱
图7 秋里塔格构造带及邻近地区不同油气田中原油成熟度[5, 24-25]
前已述及,中秋1井原油中三环萜烷以C23为主峰,大体呈正态分布特征,C27、C28和C29规则甾烷呈“V”型分布(见图5),伽马蜡烷/C30藿烷值为0.18,Pr/Ph值为 1.10,与三叠系湖相泥岩生物标志物特征一致;中秋 1井原油芳烃中 9-甲基菲、1-甲基菲含量高,同样指示来源于微咸水—咸水湖相水生生物。
4.1.2 正构烷烃碳同位素组成判识原油来源
通过中秋 1井原油正构烷烃碳同位素组成与库车坳陷侏罗系—三叠系烃源岩正构烷烃碳同位素组成对比,可判识中秋1井原油来源。由图9可以看出,库车坳陷侏罗系烃源岩正构烷烃碳同位素组成分布为-27.2‰~-23.5‰,三叠系烃源岩正构烷烃碳同位素组成明显较轻,分布为-31.6‰~-28.2‰,中秋1井原油正构烷烃碳同位素组成为-31.6‰~-29.8‰,与三叠系烃源岩分布特征相近,指示中秋 1井原油主要来源于三叠系湖相泥岩。
综上所述,中秋1井原油生物标志物特征、稳定碳同位素组成特征均与库车坳陷三叠系湖相泥岩匹配。值得注意的是,中秋1井原油C6—7轻烃中芳烃含量高,指示存在煤系贡献,由此推测中秋 1井原油主要来源于三叠系湖相泥岩,混有侏罗系煤系所产轻烃的贡献。
通过对比岩石热解轻烃与天然气轻烃特征,可判识中秋1井天然气来源[14,16]。库车坳陷侏罗系主要发育煤系,三叠系烃源岩以湖相泥岩为主,其烃源岩热解产物中轻烃分布差异明显(见图10),侏罗系泥岩和煤在300 ℃和500 ℃时,岩石热解轻烃均表现为C6—7芳香烃含量高(大于30%),C6—7支链烷烃含量低的特点(小于 10%);三叠系泥岩在 300 ℃和 500 ℃时,岩石热解轻烃则表现为C6—7芳香烃含量相对低(小于50%),C6—7支链烷烃含量相对高的特点(大于 15%)[16],由此,可用来进行气源对比研究。
图8 库车坳陷侏罗系煤系、三叠系湖相泥岩中甾-萜烷系列化合物分布特征
图9 中秋1井原油及库车坳陷侏罗系—三叠系烃源岩中正构烷烃碳同位素组成对比图
图10 库车烃源岩热模拟轻烃与中秋1井天然气轻烃组成对比图
本文选用轻烃中 C6—7芳烃、C6—7支链烷烃占 C6—7轻烃的相对比例来判识天然气来源,将C6—7芳香烃含量大于 30%、C6—7支链烷烃含量小于 10%视为侏罗系煤系来源;C6—7芳香烃含量小于 50%、C6—7支链烷烃含量大于15%视为三叠系湖相泥岩来源。中秋1井天然气 C6—7芳香烃含量为 36.1%,C6—7支链烷烃含量大于11.9%,处于侏罗系煤系和三叠系湖相泥岩生烃贡献的过渡区(见图10),据此认为中秋1井天然气同时有侏罗系和三叠系的贡献。
将中秋1井原油轻烃投在图10上可以发现,中秋1井原油中C6—7芳香烃含量明显高于中秋1井天然气,处于侏罗系煤系生烃贡献区。前文油源对比指出中秋1井原油主要来源于三叠系湖相泥岩,然而其原油轻烃中含有较高的C6—7芳烃,高含量的C6—7芳烃通常来源于煤系,显然不是来源于三叠系湖相泥岩。
中秋1井原油中高含量的C6—7芳烃应主要来源于侏罗系煤系。首先,库车坳陷侏罗系煤系沉积规模大,厚度为400~700 m;其次,从天然气成熟度与烃源岩成熟度的匹配关系上看,中秋 1井天然气处于高成熟阶段,新近纪库车组沉积期以来,三叠系烃源岩热演化程度基本大于2.0%,处于过成熟阶段,侏罗系烃源岩热演化程度基本大于1.3%,处于高—过成熟阶段[2,5-6]。现今气藏中的天然气成熟度值在1.3%左右,与侏罗系烃源岩匹配。新近纪康村组沉积期以来,侏罗系煤系大量生成高含芳烃的凝析气、干气,向三叠系烃源岩生排烃形成的油藏中大规模充注,侏罗系天然气中芳烃大量溶解在三叠系生成的原油中,导致现今原油中C6—7芳烃含量较高。同时,也间接指示了中秋 1井圏闭中天然气大部分来源于侏罗系煤系。
中秋1井天然气主要来源于库车坳陷侏罗系煤系,原油主要来源于三叠系湖相泥岩,储集层为白垩系巴什基奇克组砂岩,直接盖层为古近系库姆格列木群的泥岩和膏泥岩,具有“早油晚气”的成藏特点。
秋里塔格构造带西接拜城凹陷南缘,东邻阳霞凹陷,中秋 1井所处中秋段恰好位于拜城凹陷和阳霞凹陷之间,两个凹陷广泛发育侏罗系、三叠系烃源岩。根据库车坳陷井-震资料,中秋段侏罗系烃源岩厚度可达200 m,三叠系烃源岩厚度可达100 m,烃源岩厚度大,分布稳定。三叠系—侏罗系烃源岩有机质丰度高,有机质类型以Ⅲ型为主,存在部分Ⅱ型处于成熟—高成熟阶段[2,5-6],总生气强度为(50~100)×108m3/km2,烃源岩条件优越。
中秋1圈闭纵向上主要发育2套储集层:古近系吉迪克组底部砂岩和白垩系巴什基奇克组砂岩(见图11)。吉迪克组底部储集层沉积相类型主要为滨浅湖相,储集层厚度为273 m,砂岩与膏岩、泥岩互层明显,单层砂岩厚度为1~2 m,砂岩累计厚度113 m,砂地比约为 41%;巴什基奇克组沉积相类型主要是辫状三角洲沉积前缘亚相,岩性以砂岩为主,储集层厚度为248 m,砂地比可达86%,横向分布稳定,纵向砂体叠置连片。储集层岩性以长石岩屑砂岩、岩屑砂岩为主,孔隙主要为粒间溶孔,其次为粒间孔,少量微孔隙及粒内溶孔,孔隙度主要为 8%~18%,平均孔隙度为12.8%,渗透率主要为(1.4~3.8)×10-3μm2,平均渗透率为 2.06×10-3μm2,属于低孔中渗储集层[1]。对比两套储集层的砂岩厚度和孔渗条件,确定白垩系巴什基奇克组砂岩是主要储集层。
中秋1圈闭发育2套区域盖层:新近系吉迪克组膏泥岩盖层、古近系泥岩和膏泥岩盖层,古近系膏泥岩盖层既是区域盖层,同时也为直接盖层。由测井、地震等资料分析,新近系吉迪克组中上部膏泥岩由中秋至西秋段有逐渐减薄的趋势,在中秋 1井处厚度为967 m,古近系膏泥岩盖层则是由西秋段向中秋段逐渐减薄,在中秋1井该套盖层厚度为138 m(见图11)。鉴于中秋 1井未钻取岩心,新近系吉迪克组中上部膏泥岩物性特征参考临近区东秋5井数据,东秋5井新近系吉迪克组膏泥岩平均孔隙度为3.1%,平均渗透率为0.07×10-3μm2,盖层品质良好;而古近系膏泥岩盖层位于新近系吉迪克组膏泥岩之下,且压实作用更强,因此古近系膏泥岩是主要盖层,封闭油气能力更强。
图11 中秋1井储盖组合柱状图
根据中秋 1井储、盖发育特征分析,该区域存在两套储盖组合,分别是新近系吉迪克组膏泥岩与吉迪克组底部砂砾岩段—苏维依组盐内砂岩储集层、古近系库姆格列木组膏泥岩与白垩系巴什基奇克组储集层。由于吉迪克组—苏维依组储集层砂地比相对较低、物性条件较差,且油气难以沿活动断裂穿盖层运移到该套储集层内,不是有利储盖组合;古近系库姆格列木组膏泥岩与白垩系巴什基奇克组储集层形成优质的储盖组合,由于活动断裂难以将塑性膏泥岩错断,能够有效地抑制巴什基奇克组内油气垂向散失。此外,古近系膏盐层可起到滑脱作用,吸收盐下构造应力,补偿部分构造变形的影响,使白垩系巴什基奇克组内叠瓦状断背斜型圈闭保存良好,为油气聚集提供良好的圈闭条件。
基于中秋1构造演化史研究,结合中秋1圈闭油气来源和烃源岩生烃演化特征[2,5-6],分析中秋1圈闭油气成藏过程:①吉迪克组沉积早期,三叠系与侏罗系烃源岩Ro值分别小于 0.7%和0.5%,处于未成熟—低成熟阶段,可生成少量低熟轻质油,但此时中秋段白垩系圈闭尚未形成;吉迪克组沉积中期至晚期,伴随地层持续沉积和构造运动的影响,侏罗系烃源岩仍处于低成熟阶段,生成少量轻质油,而三叠系烃源岩Ro值为0.7%~1.3%,开始大量生成轻质油和凝析油[26],沿活动断裂运移至同期形成的白垩系圈闭中成藏;②康村组沉积期,三叠系烃源岩Ro值为1.3%~2.0%,开始生成凝析气和干气,侏罗系烃源岩Ro值为 0.7%~1.3%,大量生成轻质油和凝析油,与此同时白垩系圈闭在构造挤压作用下,幅度增大,烃源岩生成的油气沿活动断裂运移至白垩系中秋 1圈闭、秋里塔格构造带断层下盘圏闭以及克拉—克深地区白垩系圏闭中;③库车组沉积期,在强构造挤压运动作用下,白垩系圈闭幅度增大,且接近定型,与此同时三叠系和侏罗系烃源岩Ro值均大于1.3%,进入大量生成凝析气和干气的阶段,生成的天然气沿活动断裂在中秋 1圈闭、断层下盘圈闭白垩系内,以及克拉—克深地区白垩系圏闭中充注成藏,并伴有对早期聚集油藏的大规模气侵作用。上述分析表明,中秋 1圈闭形成时期早于或等于烃源岩大量生排烃时期,且活动断裂沟通烃源岩和圏闭,为油气运移提供了输导通道。
中秋 1圏闭油气成藏具有“早油晚气”的特点,在早期大量生油阶段(吉迪克沉积中期—晚期、康村组沉积期)和晚期大量生天然气阶段(库车组沉积期),烃源岩生成的油气沿活动断裂运移至膏岩盐盖层之下断背斜圈闭中聚集成藏,构成“源-断-圈-盖”四元耦合控藏模式,有利于中秋 1圏闭油气运聚成藏。中秋构造带白垩系断层下盘存在一系列构造圈闭,其成藏要素与中秋 1圏闭具有相似性,是中秋构造带下一步有利勘探目标(见图12)。
图12 中秋1井油气成藏剖面示意图
中秋 1井天然气和原油均处于高成熟阶段,天然气为煤型气,主要来源于侏罗系煤系,原油主要来源于三叠系湖相泥岩。中秋 1油气藏具有“早油晚气”的成藏特征,原油主要充注时期为吉迪克沉积期至康村组沉积期,以三叠系湖相泥岩生烃贡献为主;天然气充注主要发生在库车组沉积期,以侏罗系煤系生烃贡献为主,晚期侏罗系生成的煤型气对早期形成的油藏构成大规模气侵。中秋 1圈闭形成时期早于或等于三叠系—侏罗系烃源岩生排烃期,活动断裂沟通烃源岩和圏闭,为油气运移提供输导条件,“源-断-圈-盖”时空有效匹配,中秋构造断层下盘圈闭与中秋 1圏闭成藏条件相似,有望成为下步勘探方向。