地质力学学报  2020, Vol. 26 Issue (1): 65-73
引用本文
薛明旺, 张坦, 丁文龙, 焦保程, 周志成, 杜晓宇. 巴彦浩特盆地东部坳陷石炭系流体势特征及油气运聚单元划分[J]. 地质力学学报, 2020, 26(1): 65-73.
XUE Mingwang, ZHANG Tan, DING Wenlong, JIAO Baocheng, ZHOU Zhicheng, DU Xiaoyu. Fluid potential characteristics of Carboniferous and the division of hydrocarbon migration and accumulation units in the eastern depression of the Bayanhaote Basin[J]. Journal of Geomechanics, 2020, 26(1): 65-73.
巴彦浩特盆地东部坳陷石炭系流体势特征及油气运聚单元划分
薛明旺1,2,3, 张坦2,3,4, 丁文龙1,2,3, 焦保程1,2,3, 周志成1,2,3, 杜晓宇1,2,3    
1. 中国地质大学(北京) 能源学院, 北京 100083;
2. 非常规天然气地质评价与开发北京市重点实验室, 北京 100083;
3. 页岩气勘查与评价国土资源部重点实验室, 北京 100083;
4. 中国地质大学(北京) 地球科学与资源学院, 北京 100083
摘要:巴彦浩特盆地是油气勘探的重点,但其流体势特征及油气运聚单元始终未进行研究,限制了区域成藏研究及勘探目标的优选。文章探讨巴彦浩特盆东部坳陷石炭系流体势特征及油气运聚单元的划分,从油气运移动力学角度分析巴彦浩特盆地东部坳陷油气运聚规律及原因。以盆地主要成藏时期晚白垩世的构造演化活动为基础,结合该时期的构造格局,计算出巴彦浩特盆地东部坳陷晚白垩世时期石炭系流体势,明确流体势场表现出的油气运聚特征。结果表明晚白垩世时期石炭系总体上表现为自坳陷东部及南部向西部及东南部降低的规律,高势区分布范围较小,主体位于坳陷的东部及南部。在此基础上,可划分为3个油气运聚区8个油气运聚单元。上述流体势特征有利于油气长期运移聚集,较好的油气运聚单元是未来巴彦浩特盆地东部坳陷勘探的主要潜力区。
关键词巴彦浩特盆地东部坳陷    石炭系    流体势    古埋深    古压力    油气运聚单元    
DOI10.12090/j.issn.1006-6616.2020.26.01.007    
Fluid potential characteristics of Carboniferous and the division of hydrocarbon migration and accumulation units in the eastern depression of the Bayanhaote Basin
XUE Mingwang1,2,3, ZHANG Tan2,3,4, DING Wenlong1,2,3, JIAO Baocheng1,2,3, ZHOU Zhicheng1,2,3, DU Xiaoyu1,2,3    
1. School of Energy, China University of Geosciences, Beijing 100083, China;
2. Beijing Key Laboratory of Unconventional Natural Gas Geology Evaluation and Development, Beijing 100083, China;
3. Key Laboratory of Shale Gas Exploration and Evaluation, Ministry of Land and Resources, Beijing 100083, China;
4. School of Earth Science and Resources, China University of Geosciences, Beijing 100083, China
Abstract: The Bayanhaote Basin is the focus of hydrocarbon exploration, but its fluid potential characteristics and hydrocarbon migration and accumulation units have not been studied, which limits the optimization of regional hydrocarbon accumulation research and exploration objectives. This paper discusses the fluid potential characteristics of Carboniferous and the division of hydrocarbon migration and accumulation units in the eastern depression of the Bayanhaote Basin. From the perspective of hydrocarbon transportation dynamics, this paper analyzes the hydrocarbon migration and accumulation laws and causes in the eastern depression of the Bayanhaote Basin. Based on the tectonic activity evolution of the basin during the main accumulation period, combined with the tectonic pattern of the period, the Late Cretaceous fluid potentials in the eastern depression of the Bayanhaote Basin were calculated, and the hydrocarbon migration and accumulation characteristics were identified by the fluid potential fields. The results show that the fluid potential field generally decreases from the east and the south to the west and southeast of the depression. The high-potential area has a small range, and the main body is located in the east and south of the depression. On this basis, it can be divided into three areas and eight units for hydrocarbon migration and accumulation. The above-mentioned fluid potential characteristics are conducive to the long-term migration and accumulation of hydrocarbon. The better hydrocarbon migration and accumulation unit is the main potential area for exploration in the eastern depression of the Bayanhaote Basin.
Key words: the eastern depression of the Bayanhaote Basin    Carboniferous    fluid potential    ancient buried depth    paleo-pressure    hydrocarbon migration and accumulation unit    
0 引言

流体势是控制地下孔隙流体流动的基本动力,将其定义为单位体积流体相对于基准面所具有的总势能,包括位能、压能和动能(朱红涛,2001)。地下流体势场的分布直接控制着地层中流体的运移,流体的运移方向是从高势区指向低势区,在势场的作用下,不同的流体按各自的势场分布规律运移(彭存仓等,2003;,张青松等,2011)。因此,分析流体势场的分布特征,对明确沉积盆地内油气的运移、聚集过程和油气藏的分布规律具有重要意义(伍英,2014朱景修,2016)。

油气运聚单元是盆地中具有共同的油气生成、运移和聚集历史和特征的、具有成因联系的一组油气藏和远景圈闭以及为其提供烃源的有效烃灶的集合体(于仲坤等,2018)。它是有效的烃源岩、优势运移通道、有效的储集层、有效的盖层、有效的圈闭等要素和油气的生成、油气的运聚、圈闭的演化等成藏作用在时间和空间上的有机组合(柳广弟和高先志,2003)。因此,划分油气运聚单元对油气资源的研究与勘探具有重大意义。

巴彦浩特盆地油气勘探开始于20世纪50年代初(卫平生和谭开俊,2009),在巴彦浩特盆地东部坳陷西北部的锡林凹陷和南部坳陷的中部和东部查汗凹陷和二道湖凹陷都有一定油气发现,但至今油气勘探仍未获得真正意义上的突破。

由于实际资料的不足及研究手段的限制,迄今为止,对巴彦浩特盆地油气的运移通道、运聚有利条件、流体势分布规律、油气运聚单元的划分等还没有展开过系统的研究工作,限制了区域成藏研究及勘探目标的优选。为此,文章将已有成果与新的钻井、地震、野外等实际资料结合,对巴彦浩特盆地东部坳陷石炭系关键成藏期的流体势进行了恢复,并划分了油气运聚单元。

1 地质背景

巴彦浩特盆地位于阿拉善地块的东南部,贺兰构造带、阿拉善地块和河西走廊构造带三大构造单元的结合部位(高白水和王刚,2011李昂等,2013),面积约1.8×104 km2(李亚男等,2017)。盆地总体走向为北东—南西向,呈略向南东凸出的弧形展布,形似靴状。北接河套盆地,南邻祁连山前陆冲断-褶皱带,西临雅布赖盆地、潮水盆地,东与贺兰山冲断-褶皱带毗邻,是一个不同时期具有不同性质的多期叠合盆地。盆地受三条边界大断裂控制:巴彦乌拉山断裂、贺兰山西麓断裂以及查汗断裂。巴彦浩特盆地现今构造格架呈“三坳一隆一斜坡”的特征,即东部坳陷、西部坳陷、南部坳陷、中部隆起带和东部阶状斜坡(图 1)(汤锡元等,1990刘学锋,1997)。研究区主要位于巴彦浩特盆地的东部坳陷。盆内钻井揭露的地层包括寒武系、奥陶系、石炭系、二叠系、侏罗系、白垩系、古近系和第四系(王艳琴,2012),其中石炭系是研究区内油气勘探的重要目的层,烃源岩主要发育在下石炭统臭牛沟组、上石炭统靖远组和羊虎沟组。研究区内二叠系地层厚度很小,分布范围较小,在二维地震剖面中不作识别。

图 1 巴彦浩特盆地构造单元划分图(据汤锡元等,1990修改) Fig. 1 Schematic diagram of the structural units of the Bayanhaote Basin (modified after Tang et al., 1990)

在已有研究的基础上(宋桂桥等,1999; 熊保贤等,2001),结合最新资料分析,盆地的演化可分为压性盆地发育阶段(中元古代—三叠纪)、转换过渡阶段(侏罗纪—白垩纪)和新生代走滑拉分叠合期三个阶段。巴彦浩特盆地元古代—古生代经历了蓟县运动、加里东运动、海西-印支运动,总体受近南北向挤压,主要发育近东西向展布的逆断层;早中侏罗世受燕山运动的影响,受北西—南东向挤压,在古生界发育了一系列北东—北北东走向的逆断层;晚侏罗世—早白垩世,区域受到了北西—南东向强烈挤压作用,此时东西边界断裂发生了强烈的走滑反转,使盆地内走滑拉分产生伸展,早中侏罗世形成的逆断层体系发生了一定的反转,但总体上依然表现为逆断层性质;白垩纪,受区域性岩浆活动引起的地壳减薄,上部开始发育正断层,之前形成的逆断裂体系持续发生反转活动;晚白垩世—始新世盆地整体隆升剥蚀,受喜山运动的近南北向挤压,形成了新的北东向中—高角度正断层;第四纪,盆地受到北北东—南南西方向的挤压应力,近东西向逆断层微弱活动。因此,巴彦浩特盆地根据断裂的性质和纵向展布,以侏罗系为应力释放层划分出上下两套断裂体系,即下部逆断层体系和上部正断层体系。根据断裂走向可划分出北东走向、北北东走向、近东西走向三个方向的断裂系统(图 1)。相关学者通过多种方法对巴彦浩特盆地的主要生排烃期进行研究,结果表明,巴彦浩特盆地的大量生排烃期为晚白垩世(曹新焰等,2011),油气运移动力充足,有利于油气聚集成藏,此时也为主要的成藏期。研究区石炭系有效烃源岩主要分布在南部及东北部。

2 流体势等值图的编制 2.1 流体势计算公式

Hubbert对流体势的定义是单位质量流体具有的机械能,包括位能、单位质量压能和动能等,是质量势,当地层流体流动速度较慢时,可以忽略动能(Hubbert,1953陈军等,2017)。England则认为流体势是单位体积流体相对于基准面具有的总机械能,表现为单位体积流体从基准点到研究点所做的功,是体积势(England et al., 1987)。二者相比,England流体势多了一项毛细管压力,当地层的孔隙结构较大或孔隙中流体流速缓慢时,可以忽略毛细管压力的影响。文章采用Hubbert公式求取石炭系暗色泥岩在关键成藏期的流体势。其简约表达式为:

式中:Φ为流体势,J/kg;Z为流体高程,m;P为流体压力,Pa;ρ为流体密度,Kg/m3g为重力加速度,m/s2

2.2 流体势计算

地层埋深是研究流体势的重要参数,在分析巴彦浩特盆地东部坳陷石炭系的流体势之前,必须要分析研究区石炭系成藏期的地层埋深。根据巴彦浩特盆地的地质背景分析,在晚白垩世受喜山运动挤压,盆地整体抬升剥蚀,因此,在恢复晚白垩世埋深时应考虑剥蚀作用的影响,需恢复剥蚀厚度。文中采用地层厚度对比法(杨江峰等,2006袁玉松等,2008吴斌等,2018)恢复剥蚀量(图 2),由剥蚀厚度图可以看出,研究区西南部受剥蚀较严重,东北部剥蚀厚度较小,整体为由西南向东北递减的趋势。在根据该层位的单程声波时差计算其深度,经过压实校正,结合剥蚀厚度对该层古埋深进行恢复。

图 2 巴彦浩特盆地东部坳陷晚白垩世剥蚀厚度图 Fig. 2 Carboniferous erosion thickness in the eastern depression of the Bayanhaote Basin

地下流体势场的分布受地层压力分布的控制,分析地层压力的分布是研究流体运移规律的关键(刘静静等,2015)。相关学者曾提出计算地层压力的方法有很多,例如泥岩声波时差法(刘福宁,1994)、盆地模拟法(米敬奎等,2003)、等效深度法、地震速度法、流体包裹体法(朱荣伟等,2015)、Fillippone法(Fillippone,1983)以及改进的Fillippone法(刘震等,1993)等。

本次采用改进的Fillippone公式求地层的古流体压力:

式中:Pf为地层压力,MPa;Pov为上覆负荷压力,MPa;V为地史时期地层层速度,m/s;Vm为岩石骨架速度,m/s;Vf为孔隙流体速度,m/s。由于VmVf相对于V的变化较小,可视为常数。

结合所需研究区资料,将上述参数带入公式(1)中,通过计算得到晚白垩世时期石炭系流体势。

2.3 流体势分布特征

由巴彦浩特盆地东部坳陷晚白垩世时期石炭系流体势等值图(图 3)可以看出,其分布规律性不强,在东部及西南部最高,可达6.22×104 J/kg,西部及东南部较低,最小为2.19×104 J/kg,高势区分布范围较小。根据油气运移遵循的原则(王连捷等,1996),从坳陷东部及西南部两个高势区向西部及东南部低势区运移。在平面上,流体势总体表现出由研究区东、西南部向西、东南方向逐渐降低的分布规律。

图 3 巴彦浩特盆地东部坳陷晚白垩世流体势等值图 Fig. 3 Equivalent diagram of the Late Cretaceous fluid potential of the Carboniferous in the eastern depression of the Bayanhaote Basin

整体上,巴彦浩特盆地东部坳陷晚白垩世时期石炭系流体运移的总方向为自研究区东部及南部向西部及东南部运移。高势区分布范围较小,主体位于研究区的东部及南部,与石炭系烃源岩分布位置相吻合,即生烃中心正好位于流体势高势区,因此,只要存在有效圈闭,油气就可以聚集成藏。与研究区的构造特征结合发现,在低势区发育多个冲断带和对冲构造带,成藏期油气在流体势能差的作用下,烃源岩生成的油气通过多级次断裂和不整合面输导,从高势区的生烃中心向低势区运移,在冲断带和对冲构造带处可以形成背斜、断背斜等多种类型的构造油气藏,在斜坡的末端还可以形成上倾尖灭型岩性油气藏。

3 运聚单元划分

油气运聚单元的划分主要是依据分割槽原理。油气运移的“分割槽”是由主要成藏期含油气地层顶面流体势等值图上的高势面所确定。高势面往往是确定盆地运聚单元边界的主要依据,高势面两侧为两个不同的油气运聚单元。在流体势等值线图上,油气运移的方向是沿着势梯度的负方向从高势区向低势区运移,流体势图上的高势面即成为油气运移的分割槽,是油气运聚单元的重要边界(柳广弟和高先志,2003)。

根据晚白垩世时期石炭系流体势分布特征,按照上述依据,将研究区划分为3个油气运聚区,即南部油气运聚区、中部油气运聚区和北部油气运聚区。根据构造特征(图 4)、流体势变化等因素,在3个油气运聚区的基础上进一步细化出8个运聚单元(图 5)。

图 4 巴彦浩特盆地东部坳陷晚白垩世时期石炭系顶面构造图 Fig. 4 Superface structures of the Late Cretaceous Carboniferous in the eastern depression of the Bayanhaote Basin

图 5 巴彦浩特盆地东部坳陷石炭系油气运聚单元划分图 Fig. 5 Division of hydrocarbon migration and accumulation units of Carboniferous in the eastern depression of the Bayanhaote Basin
3.1 南部油气运聚区

Ⅰ号运聚单元:位于研究区东南部,该区断裂发育,主要发育北东向高角度逆断层,但由于断层活动,并没有完全封闭,油气可以通过断面运移,部分起封堵作用。包含有效烃源岩面积较大,以断层组成的垂向输导体系为主,流体运移以汇聚流为主,发育对冲带、冲断带和“y”字形构造样式,主要发育背斜圈闭、断背斜圈闭。该区西部处于流体高势区,而东部处于低势区,且构造位置高,有利于流体的运移、聚集成藏,为较好的油气运聚单元(图 6)。

图 6 巴彦浩特盆地东部坳陷南部石炭系油气运聚单元构造剖面图 Fig. 6 Structural sections of the Carboniferous hydrocarbon migration and accumulation units in the south of the eastern depression in the Bayanhaote Basin

Ⅱ号运聚单元:位于研究区西南部,该区断裂比较发育,主要发育北东东向高角度逆断层,但由于断层活动,并没有完全封闭,油气可以通过断面运移,部分起封堵作用。包含有效烃源岩面积较大,以断层-砂体-不整合组成的立体输导体系为主,流体运移以平行流为主,发育少量背冲对冲构造组合、冲断带和“y”字形构造样式,但构造样式发育幅度较小,发育的圈闭较少,且流体势较高,大部分处于构造低部位,不利于流体的运移、聚集成藏,为较差的油气运聚单元。

3.2 中部油气运聚区

Ⅲ号运聚单元:位于研究区中东部,该区断裂发育,主要发育北北东向高角度逆断层,但由于断层活动,并没有完全封闭,油气可以通过断面运移,部分起封堵作用。包含有效烃源岩面积中等,但势差梯度较大,以断层-砂体-不整合组成的立体输导体系为主,流体运移以汇聚流为主,发育对冲带、冲断带、“y”字形构造和正花状构造样式,发育的圈闭类型主要有背斜圈闭、断背斜圈闭。该区西南部及东北部为流体高势区,向东南部逐渐变为低势区,且有多处构造高点,有利于流体的运移、聚集成藏,为较好的油气运聚单元(图 6图 7)。

图 7 巴彦浩特盆地东部坳陷中部石炭系油气运聚单元构造剖面图 Fig. 7 Structural sections of the Carboniferous hydrocarbon migration and accumulation units in the middle of the eastern depression in the Bayanhaote Basin

Ⅳ号运聚单元:位于研究区西缘,该区断裂发育,主要发育北北东向高角度逆断层,但由于断层活动,并没有完全封闭,油气可以通过断面运移,部分起封堵作用。包含有效烃源岩面积较小,以断层-砂体-不整合组成的立体输导体系为主,流体运移以汇聚流、平行流为主,发育背冲对冲构造组合、冲断带、“y”字形构造和正花状构造样式,发育的圈闭类型主要有背斜圈闭、断背斜圈闭。该区大部分是流体低势区,且构造位置较高,对流体的运移、聚集成藏有利,为较好的油气运聚单元(图 6图 7)。

Ⅴ号运聚单元:位于研究区中东部,该区断裂发育,主要发育北东、北北东向高角度逆断层,但由于断层活动,并没有完全封闭,油气可以通过断面运移,部分起封堵作用。包含有效烃源岩面积较大,以断层-砂体-不整合组成的立体输导体系为主,流体运移以汇聚流为主,发育对冲带、冲断带、“y”字形构造和正花状构造样式,主要发育背斜圈闭、断背斜圈闭。该区北东部和南部为流体高势区,中部为低势区,在高势区范围内存在很多闭合低势区,且有多处构造高点,对流体的运移、聚集成藏有利,为较好的油气运聚单元(图 7图 8)。

图 8 巴彦浩特盆地东部坳陷北部石炭系油气运聚单元构造剖面图 Fig. 8 Structural sections of the Carboniferous hydrocarbon migration and accumulation units in the north of the eastern depression in the Bayanhaote Basin References CAO X Y, YAN Y X, LIN X Q, et al., 2001. Application of apatite fission track to study the thermal evolution history of Bayanhot carboniferous system[J]. Petroleum Geology and Engineering, 15(6): 9-12, 2. (in Chinese)

Ⅵ号运聚单元:位于研究区中北部,该区断裂发育,主要发育北东向高角度逆断层,但由于断层活动,并没有完全封闭,油气可以通过断面运移,部分起封堵作用。包含有效烃源岩面积很小,以断层-砂体-不整合组成的立体输导体系为主,流体运移以发散流为主,发育背冲对冲构造组合、冲断带、“y”字形构造和正花状构造样式,但构造样式发育幅度较小,发育的圈闭较少,且该区大部分处于构造低部位和缓坡带,不足以形成有效的圈闭,不利于油气聚集成藏,是较差的油气运聚单元。

3.3 北部油气运聚区

Ⅶ号运聚单元:位于研究区东北部,该区断裂不是很发育,主要发育少量大的北北东向高角度逆断层,且断层活动未封闭,油气可以通过断面运移。包含有效烃源岩面积较大,以砂体-不整合组成的层状输导体系为主,流体运移以汇聚流为主,发育背冲带、冲断带、“y”字形构造和正花状构造样式,发育的圈闭类型主要有上倾尖灭型岩性圈闭、背斜圈闭、断背斜圈闭,构造幅度较小,且该区处于构造缓坡带,有利于流体的运移、聚集成藏,为较好的油气运聚单元(图 8)。

Ⅷ号运聚单元:位于研究区北缘,该区断裂发育较差,主要发育几条大的北北东向高角度逆断层。包含有效烃源岩面积中等,以砂体-不整合组成的层状输导体系为主,流体运移以发散流为主,发育少量对冲带和冲断带,且构造样式发育幅度很小,虽存在流体高势区,但无构造高点,多属缓坡带,构造低部位,圈闭几乎部发育,不利于油气的聚集成藏,是较差的油气运聚单元。

综上,油气运聚单元Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ包含的有效烃源岩规模大,烃源充足,输导体系有利,运移形式主要为汇聚流,圈闭发育类型多且构造幅度大,为研究区最有利的油气运聚单元。较好的为Ⅳ、Ⅶ号,较差的为Ⅱ、Ⅵ、Ⅷ号运聚单元,油气聚集条件远不如前三者。

4 结论

(1) 巴彦浩特盆地东部坳陷晚白垩世时期石炭系流体运移的总方向为自研究区东部及西南部向西部及东南部运移。高势区分布范围较小,主体位于研究区的东部及西南部。

(2) 根据石炭系流体势特征将巴彦浩特盆地东部坳陷划分为3个油气运聚区8个油气运聚单元。其中,南部油气运聚区的Ⅰ号油气运聚单元、中部油气运聚区的Ⅲ号和Ⅴ号运聚单元最好,中部油气运聚区的Ⅳ号和北部油气运聚区的Ⅶ号运聚单元较好,有利于油气聚集成藏。

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