渤海湾盆地冀中坳陷北部石炭-二叠系煤成油气成藏条件及勘探前景

渤海湾盆地冀中坳陷北部石炭-二叠系煤成油气成藏条件及勘探前景赵贤正;金强;张亮;梁宏斌;金凤鸣【摘要】苏桥-文安是渤海湾盆地最早发现石炭-二叠系煤成油气的地方,近期仍有新的发现.为查明研究区源于石炭-二叠系的油气成藏规律,进行了煤系烃源岩二次生烃等成藏背景分析,发现该区存在3种成藏模式:石炭-二叠系自生自储、上古生下古储潜山以及古生新储第三系混源.3 500～5 000 m的石炭-二叠系生油窗是自生自储型油气成藏的控制要素;断距超过300 m,造成奥陶系与石炭-二叠系烃源灶对接,是潜山油气成藏的控制要素;活动性断层沟通煤系源灶,是第三系混源成藏的条件.还指出了3个有利前景区,明确了进一步勘探方向.【期刊名称】《石油实验地质》【年(卷),期】2010(032)005【总页数】6页(P459-464)【关键词】二次生烃灶;油气成藏模式;控制因素;勘探方向;石炭-二叠系;冀中坳陷;渤海湾盆地【作者】赵贤正;金强;张亮;梁宏斌;金凤鸣【作者单位】中国石油天然气股份有限公司,华北油田分公司,河北,任丘,062552;中国石油大学,山东,黄岛,266555;中国石油大学,山东,黄岛,266555;中国石油天然气股份有限公司,华北油田分公司,河北,任丘,062552;中国石油天然气股份有限公司,华北油田分公司,河北,任丘,062552【正文语种】中文【中图分类】TE122.3华北地台广泛发育含煤建造的石炭—二叠系[1]，受印支—燕山运动影响，不少地方抬升遭受剥蚀，但是在渤海湾盆地(包括研究区)仍有大面积的石炭—二叠系含煤地层保存下来，并且在第三纪发生了二次生烃和油气聚集，形成有利油气勘探地区[2-6]。

例如，冀中坳陷的苏桥—文安斜坡[7]、黄骅坳陷的南皮凹陷和歧口凹陷[8]、临清坳陷东部[9]、济阳坳陷孤北潜山[10-11]、渤中坳陷渤南缓坡[12]以及东濮凹陷文留构造[13-14]均发现煤成油气藏。

冀中坳陷苏桥地区是渤海湾盆地最早发现和产出石炭—二叠系煤成气的地区[1]，已发现的油气储量为150.64×108m3，估计资源量为536.5×108m3[15]。

虽然前人对其进行过多种研究[3,16-17]，但是石炭—二叠系分布、油气生成和成藏规律不清楚，导致了前几年煤成油气勘探进展较慢，探井成功率不断下降。

重新认识该区煤系烃源岩生烃作用、成藏主控因素，是急需要解决的问题。

本文通过对煤系烃源岩演化、典型油气藏解剖、区带油气运聚规律的研究，旨在建立相应的煤成油气成藏模式，以期为冀中坳陷北部煤成油气勘探提供一定的理论指导。

1 地质背景冀中坳陷北部的东斜坡残余石炭—二叠系厚度为400～1 000 m，其中煤层厚20～50 m(图1)，暗色泥岩厚100～250 m，Ro值为0.7%～1.6%[18]。

虽然在三叠纪和侏罗纪，较深部位的煤系地层进入生烃门限，但生烃率不足10%[19]；而在古近纪强烈的断陷活动期，煤系烃源岩重新深埋，深度超过3 500 m时再次生成油气，超过5 300 m时进入干气生成阶段[20]。

对渤海湾盆地许多构造单元的研究表明，即使石炭—二叠系在三叠纪或侏罗纪有油气生成过程，但其后的抬升剥蚀作用破坏了可能的油气藏[21]。

图1 渤海湾盆地冀中坳陷C—P煤层厚度分布及研究区位置Fig.1 Thickness distribution of C-P coal seam and research area location in Jizhong Depression, Bohai Bay Basin而古近纪的二次生烃速度快、数量大，各种圈闭大量发育，除了源于沙河街组的油气大量聚集之外，源于石炭—二叠系的油气也处于成藏期。

新近纪以来，断陷活动逐渐停止，已成藏的油气得到保存[22]。

也就是说，新生代以来，哪里的石炭—二叠系烃源岩处于油气生成阶段，哪里就是潜在的油气聚集区，因为能够聚集油气的圈闭是大量存在的，问题是什么地方是石炭—二叠系的二次生烃区。

当然，油气聚集还受圈闭、运移和保存等因素控制。

2 成藏条件通过典型油气藏解剖，包括油气源对比、油气运移通道分析、成藏期次和圈闭特征分析等，笔者在研究区总结出3种源于石炭—二叠系的油气成藏模式，并且对有利地区进行了预测。

2.1 石炭—二叠系自生自储模式苏桥—文安斜坡上的文23断块在二叠系上石盒子组下段发现厚约120 m的灰色砂岩、含砾砂岩油气层，其中探明天然气地质储量21.72×108 m3。

2.1.1 油气藏特征及油气源对比文23断块由2个小断块组成(文23-2和文23-6断块，图2)，油水界面相差20 m，地层压力相差0.9 MPa。

断块高点位于文23-6井处，埋藏深度2 640 m。

文23块天然气甲烷含量均在80%左右，重烃含量超过10%，属于湿气；甲烷碳同位素组成明显高于沙河街组天然气，且与煤岩吸附气相似(图3)。

而且产气井均有轻质油产出，平均原油密度0.752 g/cm3、粘度0.66 MPa·s、凝固点低于-28 ℃。

原油具有高饱和烃(大于60%)、低沥青质的特点。

上石盒子组下部是主力储层，其中泥岩与下伏砂岩间的排替压力差超过2MPa的为高效储盖组合，约占56%。

而上石盒子组上部70%的砂泥岩间排替压力差小于1 MPa，基本不含油气。

图2 渤海湾盆地冀中坳陷文23块近东西向油气藏剖面Fig.2 Near east-westward reservoir section of Wen23 fault-block in Jizhong Depression, Bohai Bay Basin图3 渤海湾盆地冀中坳陷天然气与岩石吸附气碳同位素对比Fig.3 Carbon isotope comparison of natural gas and absorbed gas in rocks, Jizhong Depression, Bohai Bay Basin2.1.2 断层输导和封闭性分析断层的输导和封闭性是断块油气藏形成的关键因素，笔者分析了断层侧向及垂向封闭性。

对图2所示的3条断层进行参数计算，发现断层泥比率(SGR)、生长指数、断裂带泥质含量(Rm，见式1)和断层紧闭程度等是表征断层封闭性的有效参数[23-24]。

(1)式中：L为垂直断距,m；hi和hj分别为断层上盘和下盘第i,j层泥岩厚度,m；n1,n2分别为断层两盘被错断的泥岩层数；H为断移地层厚度,m。

断面紧闭程度可用断面所受正压力来衡量。

当断面所受正压力 (P，见式2)大于泥岩的变形强度时，泥岩变形导致断层裂缝愈合，由此造成断层封闭，否则开启[25-26]。

断层的正压力受构造运动影响，有的构造运动期间断裂开启，当构造运动停止后，断裂重新封闭。

因此，可以确定出断裂封闭性形成以后所发生的封闭性演化史[27]。

P=H(ρr-ρw)×0.009 87cos θ(2)式中：P为断面所受正压力,MPa；H为断面埋深,m；ρr,ρw分别为上覆地层的平均密度和地层水密度,g/cm3；θ为断面倾角,(°)。

文23-6东断层和文23-2东断层活动周期相同，断层生长指数表明它们在Es2+3时期活动最强，分别达到1.26和1.15；Es1时期相对减弱；而到Ed时期断层活动又渐强烈，生长指数分别为1.25和1.15；Ng+Nm时期断层停止活动。

紧闭程度随着埋深加大而逐渐增大(图4)。

文23东断层在明化镇组沉积前断面所受正压力就接近20 MPa，开始起到一定的封闭作用，现今断裂带内泥质含量为53%，断面紧闭程度达26 MPa，成为良好的封堵断层。

文23-2南断层与文23东断层具有相似的封闭演化史，在明化镇组沉积前紧闭程度已超过20 MPa，现今断裂带内泥质含量为41%，紧闭程度为24.7 MPa，也具有良好的封闭作用。

文23块油气藏上倾边界断层在第三纪经历了强—弱—强—弱的演化，现今断裂带泥质含量高，断面紧闭程度大，对油气进行封闭，而恰好此时的封闭与煤系二次生烃在时间上一致，利于煤成油气的聚集[28]。

2.1.3 成藏时间和期次根据研究区实际情况，采用烃源岩生烃期结合流体包裹体、构造背景来综合判断天然气充注的时间和期次。

上石盒子组砂岩石英颗粒中油水包裹体分布广泛(图5)，所测均一温度为102.9～113.4 ℃。

该区现今地温梯度为3.0 ℃/hm，储层温度130 ℃左右，结合储层埋藏史，至1.85 Ma时温度超过105 ℃，因此认为该油气藏成藏期主要在明化镇末期。

文23块的石炭—二叠系烃源岩古近纪开始二次生烃，新近纪成熟度大幅度增加，Ro达到1.0%左右[28]。

图4 渤海湾盆地冀中坳陷断裂垂向封闭性演化史Fig.4 Schematic diagrams of evolution of fault vertical sealing ability in Jizhong Depression, Bohai Bay Basin图5 渤海湾盆地冀中坳陷砂岩石英微颗粒中流体包裹体及其均一温度Fig.5 Fluid inclusions and uniform temperatures in quartz micro-particles in sandstones, Jizhong Depression, Bohai Bay Basin图6 渤海湾盆地冀中坳陷石炭—二叠系自生自储型油气成藏模式Fig.6 Self-generation and self-storage hydrocarbon accumulation model in Carboniferous-Permian, Jizhong Depression, Bohai Bay Basin总之，古近纪以来煤系源岩开始二次生烃，其油气排出后，遇到排替压力差大于1 MPa的砂体，沿着其上倾方向运移，或沿着断层垂向运移，进入断块圈闭。

随着上覆沉积厚度的增大，当断裂带泥质含量超过40%、断面正压力大于20 MPa时，断层开始对油气起封堵作用，形成自生自储型油气藏(图6)。

2.2 潜山型油气藏成藏模式下古生界碳酸盐岩潜山是研究区煤成油气另一种聚集场所，已发现7个奥陶系峰峰组及马家沟组潜山油气藏。

以苏桥潜山为例，说明其成藏过程。

2.2.1 油气藏特征及油气源对比这类潜山位于文安斜坡两大断裂体系之间，构成地垒和地堑的棋盘格状构造。

其中一组呈北东—北北东向的断层将下古生界切成潜山带，另一组北西向断层将潜山带切割成一系列潜山头。

潜山周围石炭—二叠系烃源岩均处于二次生烃阶段，既为这些潜山提供油气，又作为盖层形成潜山圈闭(图7)。

图7 渤海湾盆地冀中坳陷苏桥潜山煤成油气成藏模式Fig.7 Coal-derived hydrocarbon accumulation model in Suqiao buried hills, Jizhong Depression of the Bohai Bay Basin潜山产出的天然气甲烷含量为80%～90%，甲烷碳同位素分布在-35.6‰～-38.5‰之间，乙烷碳同位素较重，大于-18‰。