濟陽坳陷三合村洼陷稠油油藏的差異成藏過程

高長海 張新征 王興謀 李豫源 張云銀 張嘉豪 王 健

（ 1 中國石油大學（華東）地球科學與技術學院；2 海洋國家實驗室海洋礦產資源評價與探測技術功能實驗室；3中國石化勝利石油工程有限公司地質錄井公司；4 中國石化勝利油田分公司物探研究院 ）

稠油油藏歷來是渤海灣盆地濟陽坳陷重要的勘探目標[1-3]。截至2016年底，濟陽坳陷探明稠油儲量（28.8×108t）占其總探明石油儲量（51.2×108t）的56.3%，同時由于埋藏淺、潛力大、易動用（近5年稠油年均新建產能40×104t），是今后高效勘探開發(fā)的重要方向。因此，研究濟陽坳陷稠油油藏的成因機制、成藏機理、富集規(guī)律等問題，對于稠油的勘探與開發(fā)具有重要意義。三合村洼陷位于濟陽坳陷沾化凹陷南部斜坡帶，其勘探始于20世紀70年代，受傳統(tǒng)認識和觀念的影響，先后部署的墾2井、墾104井等10余口探井均未獲得工業(yè)油流。隨著對構造、沉積、儲層等地質認識的不斷深入，2012年部署的羅322井取得突破，于古近系沙河街組試油獲得5.77t/d的工業(yè)油流（稠油），2014年三合村洼陷上報控制和預測石油地質儲量4211×104t[4]，從而發(fā)現(xiàn)了勝利探區(qū)第81個油田——三合村油田。經過近幾年的勘探，三合村洼陷已成為典型的稠油發(fā)育區(qū)，自古近系至新近系均有分布，顯示出良好的勘探前景。

三合村洼陷獨特的形成機制及地質條件，預示著該區(qū)油氣藏的復雜性，加之勘探時間不長，目前對稠油油藏的成藏問題認識不清，尤其是古近系與新近系具有明顯不同的成藏特征，稠油的源藏關系、成因機制、成藏過程等仍存在爭議[5-7]，給成藏機理研究帶來困難。在前人研究的基礎上，通過分析原油生物標志化合物特征，探討稠油來源、成因等問題，同時結合埋藏史—熱史以及流體包裹體均一溫度測試，分析油氣成藏期次，恢復稠油油藏成藏過程，以期明確研究區(qū)稠油油藏的源藏關系、成因機制及其成藏過程，為后續(xù)油氣成藏機理研究及淺層油氣勘探提供依據。

1 地質概況

三合村洼陷位于渤海灣盆地濟陽坳陷沾化凹陷南部（圖1a），西北以墾西斷層與渤南洼陷相接，東北臨孤南洼陷，東臨富林洼陷，南以斜坡帶向陳家莊凸起過渡，是一個夾持在渤南洼陷和陳家莊凸起之間的一個北斷南超的箕狀洼陷，勘探面積約200km2（圖 1a、b）。

圖1 三合村洼陷地質特征

三合村洼陷的形成主要經歷了初始斷陷、強烈斷陷、斷坳轉換和坳陷4個演化階段：古近系孔店組—沙四段沉積時期，三合村地區(qū)進入初始斷陷階段，此時墾西斷層尚未開始活動，三合村地區(qū)仍屬于斜坡帶；沙三段沉積時期，三合村地區(qū)進入強烈斷陷階段，墾西斷層和義18斷層開始活動，形成墾西斷壘，同時伴隨墾西斷層的強烈活動，三合村洼陷初見雛形；沙二段至東營組沉積時期，三合村洼陷進入斷坳轉換階段，墾西斷層活動性減弱，三合村洼陷持續(xù)發(fā)育，東營組沉積末期受濟陽坳陷整體抬升地質背景的影響，形成古近系與新近系之間的區(qū)域不整合面；新近紀以來，三合村洼陷進入坳陷階段，構造活動逐漸趨于穩(wěn)定，主要是由差異壓實作用導致的中淺層斷層活動，三合村洼陷定型（圖1c、圖2）。鉆井揭示地層自下而上依次為古生界、中生界、古近系沙河街組和東營組、新近系館陶組和明化鎮(zhèn)組以及第四系平原組。目前，三合村洼陷共鉆探井30余口，先后發(fā)現(xiàn)了古近系沙三段稠油、東營組稀油以及新近系館陶組稠油和天然氣、明化鎮(zhèn)組天然氣等多套含油氣層系（圖1b、c），形成了以大范圍分布的稠油和淺層氣為基本特征的“下稠上稀”“下油上氣”的復式油氣聚集帶。

圖2 三合村洼陷構造演化剖面（剖面位置見圖1b）

2 稠油油藏油源對比及成因機制

2.1 油藏特征

三合村洼陷稠油油藏分布于古近系沙河街組和新近系館陶組，前者均為地層超覆型油藏，后者以斷鼻、斷塊型油藏為主，發(fā)育少量地層超覆型油藏。古近系稠油具有高密度（1.0192～1.1248g/cm3）、高黏度（2594～95280mPa·s）、高含硫量（6.79%～11.03%）和低含蠟量（0.77%～10.61%）的特點，屬特稠油范疇；而新近系稠油具有較高密度（0.9428～1.008g/cm3）、較高黏度（151～9488mPa·s）、較高含硫量（1.56%～3.34%）和高含蠟量（2.87%～25.24%）的特點，屬稠油范疇。古近系稠油族組成飽和烴含量為6.81%～13.87%，芳香烴含量為31.39%～42.55%，非烴+瀝青質含量為47.84%～56.30%；而新近系稠油族組成飽和烴含量為22.46%～50.48%，芳香烴含量為22.41%～33.90%，非烴+瀝青質含量為27.71%～42.93%。

2.2 油源對比

三合村洼陷自身并不具備生油條件[4]，其稠油油藏的油源只可能來自周邊的渤南洼陷、孤南洼陷或富林洼陷，但目前對該問題尚存在油源和成因兩方面的爭議[7-10]，前者有烴源巖及其成熟度之爭，后者有原生與次生之爭。三合村洼陷周邊具備生油能力的烴源巖包括渤南洼陷沙三段和沙四段、孤南洼陷沙一段和沙三段以及富林洼陷沙三段和沙四段。

圖3 渤南洼陷烴源巖與三合村洼陷原油地球化學特征對比圖

研究表明，富林洼陷沙三段和沙四段烴源巖生成的原油成熟度均較低，且原油的運移局限于洼陷內部[11-12]；孤南洼陷沙一段烴源巖C2920S/（20S+20R）值小于0.30，而三合村洼陷稠油C2920S/（20S+20R）值大于0.35；孤南洼陷沙三段烴源巖碳同位素組成特征與三合村洼陷稠油差異明顯，前者飽和烴δ13C值為-26.2‰～-21.2‰，芳香烴δ13C值為-25.1‰～-20.8‰，后者新近系稠油飽和烴δ13C值為-28.6‰～-28.1‰，芳香烴δ13C值為-27.5‰～-26.7‰，古近系稠油飽和烴δ13C值為-29.5‰～-29.2‰，芳香烴δ13C值為-28.3‰～-27.4‰。由此可見，三合村洼陷油源可能來自于渤南洼陷烴源巖。如圖3所示，三合村洼陷古近系稠油伽馬蠟烷含量普遍大于0.55、C35升藿烷指數大于2.50、Ts/Tm小于0.10，與渤南洼陷沙四段烴源巖特征相似；而新近系稠油伽馬蠟烷含量一般小于0.20、C35升藿烷指數小于1.50、Ts/Tm大于0.30，與渤南洼陷沙三段和沙四段烴源巖特征相似，且更靠近沙三段烴源巖特征。因此，三合村洼陷古近系稠油來自于渤南洼陷沙四段烴源巖，而新近系稠油來自于渤南洼陷沙四段與沙三段烴源巖，且以沙三段烴源巖供給為主。

2.3 成因機制

三合村洼陷古近系與新近系稠油油質及生物標志化合物特征的明顯不同可能反映了兩者成因上的差異。根據原油飽和烴、甾萜類化合物特征，結合原油物性及烴源巖演化特征等，將三合村洼陷稠油油藏的原油類型劃分為兩類（表1）。

表1 三合村洼陷原油類型劃分

第1類原油以新近系稠油為代表（圖4a、b）：正構烷烴基本消失，類異戊二烯烴也消失殆盡，Ts/Tm比值大，伽馬蠟烷含量低，孕甾烷含量低，重排甾烷較發(fā)育，規(guī)則甾烷呈“L”形分布，升藿烷無翹尾現(xiàn)象。這些生物標志化合物特征表明，新近系稠油油藏的形成是典型生物降解作用的結果[13]，且達到中等—嚴重降解程度。同時也證實該類原油來自于渤南洼陷沙三段和沙四段成熟原油的混源。

第2類原油以古近系稠油為代表（圖4c、d）：正構烷烴保存較完整，Ts/Tm比值小，伽馬蠟烷含量高，孕甾烷含量高，重排甾烷不太發(fā)育，規(guī)則甾烷呈“V”形分布，升藿烷具明顯翹尾現(xiàn)象。古近系與新近系稠油的原油族組分與生物標志化合物特征存在明顯差異，古近系原油飽和烴含量遠低于新近系，但正構烷烴保存相對較完整（缺失C1～C8），表明生物降解作用并非是古近系稠油的主要成因機制。渤南洼陷沙四段烴源巖屬于咸水、強還原環(huán)境[14]，前人研究認為造成古近系原油成熟度明顯低于新近系原油成熟度的機制包括藻類可溶有機質早期生烴、富硫大分子早期熱降解生烴及碳酸鹽巖對有機質低溫熱催化早期生烴等[15-16]。因此，古近系稠油油藏的形成是低熟成因、硫酸鹽還原及輕度生物降解等作用的綜合結果。

圖4 三合村洼陷原油生物標志化合物特征

3 油氣成藏期次

利用流體包裹體均一溫度法，結合埋藏史—熱史[17-19]，對渤南洼陷油氣成藏期次進行了研究。自古近紀以來，渤南洼陷處于較緩和的沉降過程，但存在兩個相對較快的沉降時期：一是東營組沉積末期（距今約30—25Ma），此時沙四段烴源巖進入低成熟演化階段，開始生排烴，之后由于東營運動抬升作用導致生排烴中斷，因此生烴量有限；一是館上段—明化鎮(zhèn)組沉積時期（距今約10Ma以來），此時沙四段和沙三段烴源巖均進入成熟演化階段，開始大量生排烴，一直持續(xù)至今（圖5）。對三合村洼陷古近系和新近系已發(fā)現(xiàn)油層的儲層流體包裹體分析表明，古近系沙三段儲層發(fā)育重質油烴類包裹體，主要呈弱黃色或黃褐色熒光，與烴類包裹體相伴生的鹽水包裹體均一溫度介于70～130℃之間，存在90～110℃兩個主峰，距今約25Ma，對應于東營組沉積末期；新近系館陶組儲層發(fā)育的烴類包裹體主要呈黃色或黃綠色熒光，與烴類包裹體相伴生的鹽水包裹體均一溫度介于90～150℃之間，存在120～130℃一個主峰，距今約3Ma，對應于館上段—明化鎮(zhèn)組沉積時期（圖5）。因此，三合村洼陷主要存在兩期油氣充注，即古近系東營組沉積末期和新近系館上段—明化鎮(zhèn)組沉積時期，其中古近紀經歷了第1期充注，對應于渤南洼陷沙四段烴源巖，而新近紀經歷了第2期充注，對應于渤南洼陷沙四段和沙三段烴源巖，且以后者為主。

圖5 渤南洼陷渤深5井埋藏史和熱史

4 油氣成藏過程

油氣成藏過程取決于烴源巖熱演化史、構造演化史等多種地質要素之間的相互配置[20-22]。綜合構造演化史、油源對比、油氣成藏期次、油氣輸導體系等研究成果，恢復了三合村洼陷古近系和新近系稠油油藏的差異成藏過程。

4.1 早期深層原生型稠油油藏

古近系東營組沉積末期，墾西斷層處于相對靜止狀態(tài)，由于斷距小，并未斷開古近系底部不整合輸導層，即現(xiàn)今的三合村洼陷仍屬于沾化凹陷南斜坡，此時渤南洼陷沙四段膏泥質烴源巖開始進入低成熟演化階段，生成的低熟原油沿著古近系與前古近系之間的不整合輸導層側向近距離運移至三合村洼陷[22]，并在古近系沙三段地層超覆圈閉中聚集成藏，形成低熟原生型稠油油藏（圖6a）。

4.2 晚期淺層次生型稠油油藏

新近紀館上段—明化鎮(zhèn)組沉積時期，隨著墾西斷層、義18斷層活動加強，墾西斷壘的出現(xiàn)使得三合村洼陷逐漸成型，此時渤南洼陷沙三段和沙四段烴源巖均進入成熟演化階段，以沙三段烴源巖為主生成的成熟原油在壓力和浮力的驅動下，首先沿著古近系砂體側向運移至墾西斷壘，再沿著墾西斷層等垂向運移至新近系館陶組，之后在浮力驅動下，沿著館陶組骨架砂體自北向南側向運移，輔以斷裂的垂向調整，在館陶組構造—巖性圈閉或地層超覆圈閉中聚集成藏，后期油藏遭受了強烈的生物降解作用而發(fā)生稠化，形成次生型稠油油藏（圖6b）。

圖6 三合村洼陷油氣成藏過程（剖面位置見圖1b）

原油遭受生物降解作用時，會伴隨有原油降解氣的生成[23]，且降解氣量隨著原油降解程度的增加而增加[24-25]。三合村洼陷新近系館上段和明化鎮(zhèn)組發(fā)現(xiàn)了大量天然氣藏，研究認為這些淺層氣藏來自于其下方或側下方的稠油油藏[21]（圖7），并呈現(xiàn)“耦合分布”特征（圖1b、圖6b）。因此，基于稠油油藏與淺層氣藏的成因關系和分布關系，提出了兩者聯(lián)合勘探思路，即由已知稠油油藏順源尋找淺層氣藏，或由已知淺層氣藏逆源尋找稠油油藏，該勘探思路應該也適用于濟陽坳陷其他類似地區(qū)，有望實現(xiàn)新的勘探突破。

圖7 三合村洼陷天然氣輕烴組成（a）及指紋（b）特征對比圖

5 結論

三合村洼陷古近系與新近系稠油油藏具有不同的源藏關系和成因機制：古近系稠油來源于渤南洼陷沙四段烴源巖，為低熟成因、硫酸鹽還原及輕微生物降解等因素綜合作用的結果；新近系稠油來源于渤南洼陷沙三段與沙四段烴源巖，為強烈生物降解作用的結果。

三合村洼陷先后經歷了兩期油氣充注：古近紀東營組沉積末期，渤南洼陷沙四段烴源巖生成的低熟油通過“不整合+骨架砂體”運移至古近系地層超覆圈閉中聚集成藏，形成早期深層原生型稠油油藏；新近紀館上段—明化鎮(zhèn)組沉積時期，渤南洼陷沙三段和沙四段烴源巖生成的成熟油通過“斷層+骨架砂體”運移至新近系構造—巖性圈閉或地層超覆圈閉中聚集成藏，后遭生物降解作用而發(fā)生稠化，形成晚期淺層次生型稠油油藏，為淺層氣藏的形成奠定了基礎。

基于淺層氣藏與稠油油藏的成因關系及分布關系，提出了由已知稠油油藏順源尋找關聯(lián)未知淺層氣藏或由已知淺層氣藏逆源尋找關聯(lián)未知稠油油藏的聯(lián)合勘探思路，可為濟陽坳陷或其他類似工區(qū)的淺層油氣勘探提供理論指導。