引用本文
Wang Peng,Liu Sibing,Shen Zhongmin,et al.Hydrocarbon accumulation history and its difference of gas reservoirs in Upper Triassic Formation of Sichuan Basin[J].Natural Gas Geoscience,2016,27(1):50-59.[王鹏,刘四兵,沈忠民,等.四川盆地上三叠统气藏成藏年代及差异[J].天然气地球科学,2016,27(1):50-59.]
doi:10.11764/j.issn.1672-1926.2016.01.0050
四川盆地上三叠统气藏成藏年代及差异
关键词: 四川盆地 上三叠统 成藏年代 生烃史 包裹体均一温度 伊利石测年 ESR测年
中图分类号:TE122.3 文献标志码:A 文章编号:1672-1926(2016)01-0050-10
Hydrocarbon accumulation history and its difference of gas reservoirsin Upper Triassic Formation of Sichuan Basin
Key words: Sichuan Basin; Upper Triassic; Hydrocarbon accumulation history; Hydrocarbon generation history; Inclusion homogenization temperature; Authigenic illite dating; ESR dating;
引言
油气成藏年代是油气成藏过程分析及油气成藏机理研究的核心内容之一。尤其是在经历多期构造运动,具有多套烃源层、多个烃源区、多期油气生成、多次油气充注、多个油气系统,同时又遭受多期破坏的叠合盆地,各构造期都有可能发生油气运聚成藏[1-3]。现今油气藏中油气开始充注与结束充注的时间、经历了几期充注、哪期充注对油气藏贡献最大,这些问题都需要通过成藏年代研究来回答。同时准确认识叠合盆地油气成藏年代对剖析油气成藏机理、深化油气分布规律、提高油气勘探效率都有非常重要的意义。目前,油气成藏年代学已形成了包括烃源岩生烃史法、圈闭形成时期法、油气藏饱和压力法、流体包裹体法、油藏地球化学法、同位素测年法、储层沥青定年法、油气水界面追溯法等多种直接与间接、微观与宏观、定性与定量、正演与反演的油气藏定年的方法与技术[2-5],这为准确确定油气藏成藏年代奠定了基础。 四川盆地是一个典型的多期构造叠合盆地[6],油气资源丰富,同时油气成藏机理、油气分布等又十分复杂[6-8]。上三叠统作为四川盆地重要的天然气产层,其发现的天然气储量在四川盆地主要产层中仅次于下三叠统飞仙关组,同时在上三叠统中有四川盆地第二大气田(广安气田)[6]。因此,开展四川盆地上三叠统油气藏成藏年代研究具有重要意义。前人[5]对四川盆地上三叠统油气成藏年代已开展了一定的研究,主要集中在川西地区与川中地区,川南地区研究则相对薄弱,而四川盆地不同地区油气成藏年代差异分析则鲜有报道。分析与对比四川盆地不同地区上三叠统油气成藏年代及其差异,对全面认识四川盆地油气成藏机理和油气藏分布具有重要的意义。因此,本文拟利用烃源岩生烃史法、圈闭形成时期法、包裹体均一温度法、自生伊利石测年法及ESR测年法,对四川盆地不同地区上三叠统气藏成藏年代进行综合分析,确定不同地区上三叠统气藏的成藏年代,在此基础上对四川盆地上三叠统气藏成藏年代的地区差异进行分析及对比。
1 地质背景
四川盆地是中国最大的含气盆地,同时也是中国目前探明天然气储量最多、发现气田数最多、产气层位最多、累计产气量与年产气量最多的盆地[6,7](图1)。上三叠统作为四川盆地主要产层之一,其计算天然气资源量达3 250×108m3[9],充分显示出上三叠统良好的勘探前景。上三叠统经历了海相至陆相的沉积过程,自下而上分别为须一段海相沉积、须二段海陆过渡相沉积、须三段至须六段陆相煤系沉积。其中须一段、须三段、须五段以暗色泥岩与煤为主,是重要的烃源岩;须二段、须四段、须六段以砂岩为主,是上三叠统气藏的主要储集层与产层。同时在川西地区须二段与须四段中也有较为优质的烃源岩发育,它们对上三叠统气藏也有重要贡献[7-10]。上三叠统砂岩与泥岩的相互叠置关系,使得上三叠统油气能有效聚集与成藏,在上三叠统中形成了很多自生自储气藏,造就了上三叠统丰富的油气资源。上三叠统已发现气田(藏)39个,但是受烃源岩、储层、盖层等基本成藏要素造成的气源、储集空间、保存条件等差异的影响,四川盆地上三叠统气田(藏)区域分布差异明显,主要分布在川西地区与川中地区,其次为川南地区,川东地区气田(藏)数量相对较少,而且气藏规模也较小[7]。因此本文主要对川西、川中及川南等3个地区上三叠统气藏的成藏年代进行分析及差异对比。
图1 四川盆地油气聚集区划分及上三叠统气田分布(据文献[7]修改)
Fig.1 The distribution of hydrocarbon accumulation zone and gasfields of the Upper Triassic in Sichuan Basin(modified from reference[7])
2 成藏年代分析
2.1 烃源岩生烃史
油气藏的形成是油气生成、运移、聚集的结果,因此油气藏形成时间必然晚于烃源岩生烃时间。由于油气二次运移的速率远高于烃源岩生排烃速率,因此盆地内油气成藏时间主要取决于烃源岩生烃时间[4]。所以,根据烃源岩生烃史,就能确定油气开始成藏、大量成藏及结束成藏的最早时间。 四川盆地上三叠统煤系烃源岩是四川盆地上三叠统天然气的主要来源[7-10],是中国煤系烃源岩4类主要成烃模式的代表之一[11]。这类烃源岩成烃规律表现为:RO值大于0.5%时,烃源岩进入生烃门限,生成少量湿气;RO值大于0.7%时,烃源岩生气量增加;RO值大于1%时,烃源岩进入早期大量生气阶段;RO值大于1.3%后(1.3%~3.0%),烃源岩进入高成熟与过成熟阶段,天然气生成量最大。即RO值小于1%时,为煤系烃源岩早期生气阶段,烃源岩生气量相对较小,而RO值大于1%,为煤系烃源岩大量生气阶段。 结合煤系烃源岩生烃模式与四川盆地上三叠统煤系烃源岩有机质热演化史可知:川西地区(图2)上三叠统烃源岩最早在须四段沉积早期进入生烃门限,在中侏罗世早期进入天然气大量生成阶段,中侏罗世晚期与晚侏罗世晚期分别进入湿气与干气生成阶段;川中地区(图3)上三叠统烃源岩在晚侏罗世早期进入生烃门限,在早白垩世中期进入天然气大量生成阶段,晚白垩世晚期进入高成熟阶段;川南地区(图4)上三叠统烃源岩在晚侏罗世中期进入生烃门限,在晚白垩世中期进入天然气大量生成阶段。 受晚白垩世末期喜马拉雅运动的强烈抬升作用影响,四川盆地上三叠统部分上覆地层被剥蚀、地层温度降低。根据干酪根成烃理论,地层温度的降低将使烃源岩有机质进一步裂解成烃作用受到阻碍。此外,当上覆地层负荷减少及地层温度降低,会导致孔隙体积膨胀及孔隙流体的冷凝收缩,烃源岩丧失压实排烃与微裂缝排烃机能[12]。所以,进入喜马拉雅期后上三叠统烃源岩不再具备生排烃能力,故四川盆地上三叠统烃源岩生烃作用主要发生在喜马拉雅运动之前。结合四川盆地上三叠统烃源岩生烃史(图2—4),可以得到四川盆地生烃作用主要发生在晚三叠世末期至晚白垩世末期,川西地区明显早于川中地区与川南地区。
2.2 圈闭形成时期
圈闭是油气聚集与保存的场所,充注了油气的圈闭其形成时间不可能晚于油气成藏时间。因此,根据圈闭形成时期,可以确定油气可能成藏的最早时间。 任何一个圈闭都必须具备储集层、盖层、一定的遮挡条件这3个基本要素。四川盆地上三叠统特殊的砂泥岩互层叠置关系,使得上三叠统储层具有优越的盖层与遮挡条件,从而容易形成圈闭。在川西地区,作为须二段储集层直接盖层的须三段泥岩,厚度大(主体大于100m,平均厚度达343.66m),较早具备对须二段储层的封盖(最早为须三段沉积末期)。使得川西地区须下盆(须一段至须三段)在须 三段沉积末期在绵竹、安县、丰谷、中江及大邑等地
图2 川西地区烃源岩生烃史(川合100井)
Fig.2 The hydrocarbon-generating history of source rocks in west Sichuan Basin(well Chuanhe 100)
图3 川中地区上三叠统烃源岩生烃史(营S井,据文献[12]修改)
Fig.3 The hydrocarbon-generating history of source rocks in middle Sichuan Basin(well Ying S,modified from reference[12])
图4 川南地区上三叠统烃源岩生烃史(包62井,据文献[13]修改)
Fig.4 The hydrocarbon-generating history of source rocks in south Sichuan Basin(well Bao 62, modified from reference[13])
2.3 包裹体均一温度
沉积岩自生矿物形成过程中,矿物生长时可能捕获储层中的流体(油、气、水)而形成流体包裹体,其保留着原始成矿流体的成分、性质,反映地是成矿时的物理化学条件[1-3-18]。而流体包裹体均一温度则记录的是自生矿物形成时的温度,利用包裹体均一温度,结合地区热演化史,就能确定包裹体形成的时间。包裹体形成时间即代表其宿主自生矿物的形成时间,若其中含有烃类包裹体,其形成时间也即油气注入时间[18,19]。所以,通过对与烃类包裹体共生的同期盐水包裹体均一温度的测定,就能确定油气充注时间。 对川西地区上三叠统储层自生矿物中包裹体均一温度进行测试,共获得与烃类包裹体共生的同期盐水包裹体均一温度数据77件。从包裹体均一温度分布特征来看[图5(a)]:包裹体均一温度分布在70~210℃之间,分布范围广,说明油气充注时间长、且连续充注,包裹体均一温度主要分布在110~190℃之间。上三叠统地层温度为70~210℃的地质时期为晚三叠世的须五段沉积期至晚白垩世末期[20],与研究区上三叠统烃源岩生烃期(须四段沉积期至晚白垩世末期)较为一致;上三叠统地层温度为110~190℃的地质时期为中侏罗世早期至晚白垩世中期,该时期正是研究区上三叠统烃源岩大量生烃期。所以,从包裹 体均一温度分布特征,及包裹体均一温度与生烃史的
图5 四川盆地上三叠统储层包裹体均一温度直方图(川中部地区分数据引自文献[21]、川南数据引自文献[21,22])
Fig.5 The distribution of the homogenization temperatures of inclusions of Upper Triassic reservoir of Sichuan Basin
2.4 自生伊利石测年
油气充注会破坏储层中自生伊利石形成所需的流动的富K流体环境,从而使得伊利石的形成过程停止[1-4-28],因此可以根据自生伊利石的年龄来判断储层中油气藏形成的时期。通常,油气藏形成时间基本同步或略滞后于伊利石同位素年龄。 根据川西地区9口井上三叠统储层自生伊利石测年结果(图6),该区伊利石形成时间在150~80Ma之间,主要形成于150~115Ma,部分形成于 110~80Ma。这说明该区油气在150~115Ma(晚侏罗世早期至早白垩世中期)大量充注,在110~80Ma(早白垩世晚期至晚白垩世中期)也有一定的油气充注。烃源岩生烃史与包裹体均一温度均反映
图6 四川盆地上三叠统储层自生伊利石K—Ar年龄分布(川中地区数据引自文献[21,29])
Fig.6 The distribution of K-Ar age of authigenic illite of Upper Triassic reservoir of Sichuan Basin
2.5 ESR测年
ESR是电子自旋共振的英文缩写,亦称电子顺磁共振。其以矿物形成后所吸收的天然核辐射总剂量与周围物质(或围岩)中由铀、钍、钾含量计算的年辐射剂量的比值作为样品年龄[32]。通常是通过对充填构造裂缝和相关溶蚀孔洞中的次生矿物ESR结晶年龄的测定,来确定断裂的活动时间与期次[33]。断裂作为油气运移的重要通道,其活动期如果有大量的油气运聚,那么该时期也是重要的油气成藏期。所以根据ESR测年结果,结合烃源岩生烃史或包裹体组分特征,就能定量地确定油气成藏的时间。 川西地区上三叠统仅有4件样品的ESR分析结果显示[33],该区方解石与石英的ESR年龄为63~41.8Ma,对应喜马拉雅运动早期(图7)。包裹体组分特征分析表明[33],石英与方解石中以无机包裹体为主,含少量有机包裹体,说明该断裂活动期有少量的油气运移运聚。喜马拉雅期后该区烃源岩生烃作用停止,所以断裂活动期的少量油气运聚,应该是部分油气的调整。 川中地区上三叠统12件样品的ESR测试结果显示,自生矿物ESR年龄有明显不同的2个分布区间:95~70Ma、40~5Ma,分别对应晚白垩世、渐新世至中新世(图7)。研究区早期的ESR年龄为95~70Ma,即晚白垩世,烃源岩生烃史、包裹体均一温度、自生伊利石测年都显示该时期是上三叠统油气大量成藏阶段,这说明该区晚白垩世的断裂活动可能对该时期油气成藏有重要作用。40~5Ma期间也有一定的断裂活动,这阶段的断裂可能也是起到一个对早期油气调整的作用。
图7 川中地区上三叠统自生矿物ESR年龄分布(数据引自[24,34])
Fig.7 The distribution of ESR age of authigenic minerals of Upper Triassic reservoir in middle Sichuan Basin
3 成藏年代差异及对比
从烃源岩生烃史、圈闭形成时期、包裹体均一温度定年及自生伊利石测年、自生矿物ESR测年等分析方法对四川盆地上三叠统气藏成藏年代分析结果来看,不同的分析结果各有优缺。如烃源岩生烃史、包裹体均一温度及圈闭形成时期能定性地确定油气可能发生成藏及大量成藏的年代范围,而伊利石测年与ESR测年虽能定量油气成藏年代,但是它们往往是对部分成藏过程的记录。因此,要准确认识四川盆地不同地区上三叠统气藏成藏年代及差异,需对不同手段分析结果综合分析。 综合川西地区不同成藏年代分析方法的结果(图8),得到川西地区主要有3期成藏:第1期为晚三叠世的须五段沉积期至早侏罗世末期,为烃源岩早期生烃阶段生成油气成藏;第2期为中侏罗世早期至晚白垩世末期,为烃源岩大量生烃阶段生成油气成藏;第3期为喜马拉雅期的构造运动对部分早期油气藏的调整及再成藏。由于第2期对应烃源岩大量生气阶段,包裹体均一温度、自生伊利石测年数据也证实了该阶段为油气的大量成藏阶段,所以该阶段是研究区最重要的成藏期。
图8 川西地区上三叠统气藏成藏年代
Fig.8 Hydrocarbon accumulation history of Upper Triassic gas reservoir in west Sichuan Basin
图9 川中地区上三叠统气藏成藏年代
Fig.9 Hydrocarbon accumulation history of Upper Triassic gas reservoir in middle Sichuan Basin
图10 川南地区上三叠统气藏成藏年代
Fig.10 Hydrocarbon accumulation history of Upper Triassic gas reservoir in south Sichuan Basin
4 结论
(1)四川盆地不同地区上三叠统烃源岩生烃史明显不同,川西地区开始生烃与大量生烃时间最早,其次为川中地区,川南地区相对最晚。 (2)四川盆地上三叠统圈闭形成时间较早,在烃源岩开始生烃前已有部分圈闭形成,对油气聚集成藏有利。 (3)四川盆地上三叠统伊利石测年结果仅记录了晚期成藏过程,其主要原因是上三叠统伊利石形成于晚期(深埋深)高岭石化过程。这揭示出在利用伊利石测年确定油气成藏年代时需要确定伊利石成因,否则其测试结果难以准确反映油气成藏过程。 (4)四川盆地上三叠统成藏过程主要发生在侏罗纪与白垩纪,可分为3期成藏,前2期分别为烃源岩早期生烃与大量生烃成藏,第3期为喜马拉雅期构造运动对部分油气藏的调整,烃源岩大量生烃成藏阶段是最重要的成藏阶段。 (5)四川盆地不同地区上三叠统成藏年代差异明显:各地区烃源岩开始生烃成藏、大量生烃成藏年代差异显著,川西地区分别为晚三叠世的须五段沉积期至早侏罗世末期、中侏罗世早期至晚白垩世末期,川中地区分别为晚侏罗世早期至早白垩世早期、早白垩世中期至晚白垩世末期,川南地区分别为晚侏罗世中期至晚白垩世中期、晚白垩世中期至晚白垩世末期烃。总体来说,川西地区成藏最早、其次为川中地区,川南地区相对最晚。
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