油氣倒灌成藏可能性分析

油氣倒灌成藏可能性分析

油氣運(yùn)移是原油地質(zhì)學(xué)的一項(xiàng)非常重要的組成部分。油氣運(yùn)輸問題無法解決，油氣也可以像紙上談兵。但是油氣運(yùn)移機(jī)制的研究至今仍是石油地質(zhì)學(xué)中難度最大的課題之一，也是石油地質(zhì)學(xué)研究中最為薄弱的環(huán)節(jié)。而油氣“倒灌”（即油氣向下運(yùn)移）又是在油氣運(yùn)移中頗具爭議的問題之一。2009年，《巖性油氣藏》期刊對油氣“倒灌”展開學(xué)術(shù)討論，這當(dāng)然是好事。自潘鐘祥于1982年在AAPG上發(fā)表“基巖油藏”（PetroleuminBasementRocks）一文以來，油氣“新生古儲”、“上生下儲”、“油氣倒灌”的論點(diǎn)逐漸被石油地質(zhì)界接受，并認(rèn)為是油氣成藏的一種方式。但是仔細(xì)分析油氣“倒灌”的一些實(shí)例，卻發(fā)現(xiàn)有諸多疑竇。筆者以3個(gè)盆地4個(gè)油氣藏（層）（四川盆地威遠(yuǎn)氣田、鄂爾多斯盆地的西峰油田與靖邊氣田、松遼盆地扶楊油層）為例，討論油氣的運(yùn)移問題。1天然氣成因說四川威遠(yuǎn)氣田是我國儲層時(shí)代最老的氣田。天然氣主要儲集于震旦系燈影組，燈影組以白云巖為主，有機(jī)碳平均含量為0.12%（圖1）。關(guān)于威遠(yuǎn)氣田氣源的爭論一直在進(jìn)行著。王先彬最早提出，天然氣源于地球深部，為無機(jī)成因。而主張有機(jī)成因的又分為3種不同觀點(diǎn)：(1)來自震旦系燈影組白云巖；(2)來自寒武系九老洞組泥頁巖；(3)來自燈影組與九老洞組。寒武系九老洞組泥頁巖生成天然氣則需向下“倒灌”而運(yùn)移。下面分析一下“倒灌”的可能性。1.1氣體組分的討論據(jù)文獻(xiàn)，威28井不同井段的天然氣碳同位素組成見表1。表1的天然氣碳同位素組成表明：燈影組儲層的天然氣與花崗巖裂隙的天然氣可能是同源的。因此有人便認(rèn)為：花崗巖中的天然氣是由燈影組的天然氣向下運(yùn)移來的，即向下運(yùn)移了406～831m。如果從寒武系九老洞組源巖開始，那么向下運(yùn)移的距離可能要1000m，可為什么不是相反的情況呢？即燈影組的天然氣是花崗巖向上運(yùn)移的嗎？據(jù)文獻(xiàn)，威遠(yuǎn)細(xì)粒花崗巖（峨眉山花崗巖）中石英包裹體的氣體組分見表2，石英包裹體中除了有CO2外，還有CH4,C2H6,C3H8,C4H4等，4個(gè)樣品的總烴含量為0.715～1.575μg/g，顯然這些烴類氣體不是燈影組儲層天然氣“倒灌”的。如果燈影組下伏的峨眉山花崗巖是S型花崗巖的話，那么在花崗巖化過程中，沉積巖有機(jī)質(zhì)可轉(zhuǎn)化成烴；而如果是Ⅰ型花崗巖，那么這些烴可能有更深的來源。無獨(dú)有偶，越南湄公河三角洲大陸架的白虎油田位于花崗巖及其風(fēng)化殼上?；◢弾r及上覆第三系地層中均有油藏，越南石油地質(zhì)學(xué)家認(rèn)為石油為第三系所生成，而俄羅斯學(xué)者則認(rèn)為源自花崗巖。俄羅斯學(xué)者根據(jù)對花崗巖礦物包裹體氣相組分的分析認(rèn)為，束縛于花崗巖礦物包裹體的總烴量為10×1012m3（該花崗巖體積為2×105km3）。因此，它們足以提供第三系與花崗巖風(fēng)化殼的原油。顯然，如果我們有峨眉山花崗巖的體積數(shù)據(jù)，并有足夠的花崗巖石英包裹體氣體組分的數(shù)據(jù)，同樣也可以計(jì)算出束縛于峨眉山花崗巖礦物包裹體中的總烴量。1.2對天然氣成因的討論威遠(yuǎn)氣田燈影組天然氣中氦含量很高，可達(dá)0.2%，有工業(yè)價(jià)值，3He/4He比值為（2.9～3.0）×10-8,R/Ra=0.021～0.022。據(jù)3He/4He比值及R/Ra比值，認(rèn)為這些天然氣為殼源、有機(jī)成因氣。但是有機(jī)論者忽略了一個(gè)基本的事實(shí)，即燈影組下面有一個(gè)巨大的花崗巖，其地質(zhì)年齡為740Ma，在漫長的地質(zhì)歷史中花崗巖中的U和Th衰變生成了大量的4He，正是這些4He使3He/4He比值大大降低，同時(shí)也使天然氣中氦含量高達(dá)0.2%。燈影組天然氣40Ar/36Ar比值也較高，為7232～9255,40Ar高含量顯然與峨眉山花崗巖中高鉀的含量有關(guān)，即這里的40Ar主要是由花崗巖中的鉀長石40K衰變而來。1.3進(jìn)行熱液流體活動(dòng)盆地發(fā)育3套白云巖（震旦系、奧陶系、三疊系—二疊系）及三疊系鹽巖、鹵水，這些均是地幔熱液流體活動(dòng)的證據(jù)。據(jù)四川黑水—北碚地殼測深剖面，盆地深部中地殼有低速層，vp=5.95km/s，這個(gè)低速層是油氣的生成地帶。威遠(yuǎn)氣田東鄰華鎣山斷裂帶，西靠龍泉山深大斷裂帶，南為威遠(yuǎn)基底斷裂，內(nèi)部斷層發(fā)育，而震旦系正好處于深部斷裂的交會地帶。1.4天然氣的開采改造威遠(yuǎn)氣田天然氣的來源問題，本來是十分清楚的事，地球化學(xué)數(shù)據(jù)也均十分明確，地幔液體活動(dòng)十分活躍，中地殼有低速層，且有深大斷裂溝通，但由于學(xué)者們對威遠(yuǎn)氣田下伏峨眉山花崗巖的認(rèn)識不同，導(dǎo)致了對氣體來源的認(rèn)識迥異。威遠(yuǎn)氣田探明天然氣地質(zhì)儲量408.61×108m3，可采儲量147.82×108m3。至2001年底，歷年累積采出天然氣145.94×108m3，剩余可采儲量1.88×108m3，是一個(gè)接近枯竭的大氣田。據(jù)悉，威遠(yuǎn)氣田威93井、威52井在新儲層分別獲5×104m3/d和6.7×104m3/d的新發(fā)現(xiàn)，使開發(fā)40多年的威遠(yuǎn)氣田煥發(fā)青春，表明了天然氣是可以再生的。根據(jù)上述分析，筆者認(rèn)為，在震旦系與峨眉山花崗巖的不整合面附近（風(fēng)化殼），可能有更大氣田。2“油”、“中性古氣”的特點(diǎn)鄂爾多斯盆地如今是滿盆油氣的“聚寶盆”。油氣分布具有“北氣南油”、“中油古氣”（中生界油、古生界氣）的特點(diǎn)；不僅如此，鄂爾多斯盆地還是一個(gè)油、氣、煤、鈾等多種礦產(chǎn)共存的盆地。由于一些油氣田缺失烴源巖，因而也造成了油氣“倒灌”成藏說法，現(xiàn)分別討論。2.1高碳地層和煤系地層1992年，陜北奧陶系馬家溝組白云巖及風(fēng)化殼發(fā)現(xiàn)了地質(zhì)儲量為3411×108m3的靖邊大氣田。由于靖邊氣田奧陶系白云巖和灰?guī)r的有機(jī)碳含量太低，干酪根類型差，一些學(xué)者（如戴金星、張文正、夏新宇等）便提出靖邊氣田的天然氣主要源于上覆石炭—二疊系的煤系地層。另一些學(xué)者（黃第藩、陳安定等）認(rèn)為靖邊氣田的天然氣主要源于奧陶系灰?guī)r。雙方均有天然氣碳同位素的數(shù)據(jù)等作為證據(jù)。2.2主要目的層的大型油氣2001年，甘肅省隴東地區(qū)延長組油氣勘探取得重大進(jìn)展，發(fā)現(xiàn)了以長8油層組為主要目的層的大型油氣田———西峰油田。隨后在長9油層組也獲工業(yè)油流。由于長8、長9缺失好的烴源巖，長7優(yōu)質(zhì)烴源巖生成的油氣“倒灌”到長8、長9成藏的觀點(diǎn)便隨之形成。2.3天然氣運(yùn)移與成藏模式作為賀蘭山—六盤山斷陷盆地西側(cè)斷隆山的阿拉善古陸和六盤山西南古隆起，在印支運(yùn)動(dòng)自西向東緯向慣性的強(qiáng)烈推擠下，向東側(cè)斷陷盆地仰沖、推覆，形成一條長600km，近南北向的仰沖型沖疊造山帶。而鄂爾多斯盆地周邊的秦嶺和賀蘭山—六盤山等斷陷盆地，在發(fā)生了印支沖疊造山運(yùn)動(dòng)之后，地殼大大增厚，從而把深部隆升的異常地幔壓下去，促使其物質(zhì)側(cè)向運(yùn)移至周邊地區(qū)，引起鄂爾多斯盆地整體抬升剝蝕；直到早侏羅世晚期，才在剝蝕風(fēng)化殘丘上接受了富縣組沉積。在上述的逆沖斷層帶的南段、北段都可發(fā)現(xiàn)中上元古界海源群或其它前寒武系變質(zhì)巖推覆在不同時(shí)代的新地層之上，并發(fā)現(xiàn)玄武巖、輝綠巖、花崗斑巖、安山玄武巖及一些金屬礦床，表明這些斷層有的是切入了中地殼塑性層的厚皮構(gòu)造。它們在自西向東仰沖過程中，其上盤上地殼勢必抬升，從而在其下伏的中地殼塑性層頂部出現(xiàn)虛脫空間，引起該部位的圍壓急劇下降，產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸入作用，導(dǎo)致地幔流體沿著前身斷陷盆地時(shí)期形成的巖石圈地幔和下地殼張性斷裂涌入中地殼塑性層。一方面富含CO2,CO,H2的地幔流體在中地殼發(fā)生費(fèi)-托合成油氣的反應(yīng)，另一方面，它們通過上地殼逆沖斷層和逆沖斷層帶下盤保存下來的上地殼正斷層下段進(jìn)入上地殼，形成無機(jī)、有機(jī)成因的油氣田。這種粘度小、活動(dòng)性強(qiáng)的地幔流體（攜帶著石油、天然氣）進(jìn)入上地殼后，沿著遍布整個(gè)鄂爾多斯盆地的三大不整合面向古中央隆起帶，以及北東向構(gòu)造裂縫活動(dòng)，活動(dòng)范圍遍及盆地中、西部，并形成了滿盆油氣的分布格局。這三大不整合面是：(1)侏系與三疊系之間的不整合面，形成了中生代的油田群，這是源自六盤山盆地中地殼形成的石油；(2)石炭系（本溪組）與奧陶系（馬家溝組）之間的不整合面，由此形成了中部古生代的氣田群，這是源自銀川盆地的中地殼形成的天然氣；(3)寒武系（饅頭組）與中元古界（薊縣系）之間的不整合面，近期勘探表明，在寒武系白云巖發(fā)現(xiàn)有天然氣，值得重視。根據(jù)上述分析，在這些不整合面附近，應(yīng)該有大型天然氣氣田。鄂爾多斯盆地油氣運(yùn)移、成藏模式見圖2。鄂爾多斯盆地為一穩(wěn)定的克拉通盆地，但其周緣發(fā)育逆沖褶皺帶、深大斷裂、燕山期巖漿巖體及各種熱液金屬礦化，這些現(xiàn)象表明了在中生代晚期，鄂爾多斯盆地中、西部深部熱液活動(dòng)十分發(fā)育。特別是：(1)盆地西緣的深大斷裂（有殼斷裂，也有巖石圈斷裂），使沉積蓋層與中下地殼溝通，為深部流體垂向運(yùn)移提供了通道；(2)遍布整個(gè)盆地的T/J,O/C不整合（假整合）以及大量構(gòu)造裂縫為熱液流體與油、氣的橫向運(yùn)移提供了條件；(3)中生代晚期盆地西側(cè)強(qiáng)大的構(gòu)造擠壓、推覆作用為深部油氣的橫向運(yùn)移提供了不可缺少的動(dòng)力。銀川盆地中地殼低速、高導(dǎo)層所生成的天然氣通過上述輸導(dǎo)系統(tǒng)沿O/C的不整合面到達(dá)鄂爾多斯盆地中部，形成奧陶系及石炭系、二疊系大氣田；鄂爾多斯盆地天然氣聚集區(qū)帶分布，自西向東依次為：銀川盆地—西緣氣聚集帶—天環(huán)氣聚集帶—蘇里格聚集帶—中部聚集帶—東部聚集帶，天然氣運(yùn)移便是自西向東進(jìn)行。六盤山盆地中地殼低速、高導(dǎo)層所生成的石油則是沿T/J不整合面在盆地的西部、南部形成三疊系、侏羅系大油田。盆地白云巖、膏鹽、鹵水、金屬礦物等的發(fā)現(xiàn)，其原因可能均來自西緣的地幔流體。誠然，筆者提出鄂爾多斯盆地（穩(wěn)定的克拉通盆地）豐富的石油、天然氣資源來自西緣的銀川盆地、六盤山盆地的中地殼低速、高導(dǎo)層的看法是有一些風(fēng)險(xiǎn)，但是，這種思路至少有2點(diǎn)是有啟迪性的：(1)我們分析研究盆地油氣資源不能局限在小于6km的盆地沉積層，要深入到盆地基底乃至中、下地殼來分析盆地油氣前景；(2)我們不能滿足于“就盆地論盆地”，這種“只見樹木，不見森林”的認(rèn)識嚴(yán)重限制了油氣勘探的思路。事實(shí)上，上述思路成功解釋了鄂爾多斯盆地“北氣南油”的分布格局，解釋了中部古生界氣田的石炭系—二疊系與奧陶系氣源之爭，澄清了天然氣“倒灌”的說法，解釋了中生界油田油源的困惑，同時(shí)解釋了鄂爾多斯盆地奧陶系堆積了大量膏鹽的客觀存在。鄂爾多斯盆地古生界、中生界地層垂向斷層不發(fā)育，這也是油氣可以在橫向上長距離運(yùn)移，并造成了今天“滿盆油氣”的分布格局。事實(shí)上，盆地油氣向東運(yùn)移早就引起石油地質(zhì)學(xué)家的關(guān)注。黃第藩等在談到鄂爾多斯盆地的油氣田時(shí)說：“筆者對鄂爾多斯盆地油氣作過許多地球化學(xué)分析和研究，沒有發(fā)現(xiàn)幔源特征。從無機(jī)生油論者的觀點(diǎn)來看，不知是借助于一種什么力量，把絕大部分油氣田都從盆地周緣的斷裂帶推向了盆地中部的廣大臺塊區(qū)，也許是“上帝之手”吧。”筆者并沒有因黃第藩等學(xué)者的這種說法而中斷對油氣成因的研究，相反，在長期研究的基礎(chǔ)上，提出了鄂爾多斯盆地油氣成藏的新模式。3扶余、楊大城油層成藏模式松遼盆地（大慶油田、吉林油田）白堊系青山口組一段泥頁巖是烴源巖，在青一段之上有高臺子油層、葡萄花油層、薩爾圖油層、黑帝廟油層；青一段之下有扶余油層、楊大城子油層。前者是大慶油田的主力產(chǎn)層，后者則是吉林油田儲量分布最多的層位。由于扶余、楊大城子油層以下的泉頭組、登婁庫組缺失烴源巖，通常認(rèn)為扶余、楊大城子油層為青山口組一段生成的油氣向下“倒灌”而成藏；又由于青山口組一段泥巖超壓大，而平面上正是青山口組一段的超壓分布控制了扶余油層的分布（圖3）。對于扶余、楊大城子油層倒灌成藏的模式幾乎沒有人提出過疑問[2,32,33,34,35,36,37,38]。以下討論一下扶余、楊大城子原油能否從深部向上運(yùn)移而來。3.1油田水的地球化學(xué)經(jīng)研究，松遼盆地?zé)崃鞲?，存在熱流底辟網(wǎng)絡(luò)；盆地中、新生代火山巖廣泛發(fā)育；富Na,K流體的交代作用發(fā)育（如鈉長石化、伊利石化等）；白云石的Mg2+交代作用；榍石的鈉鐵閃石化；油田水多為CaCl2,MgCl2型。上述特征均表明松遼盆地地幔流體活動(dòng)十分發(fā)育。3.2核蕉來源元素大慶原油有異常高含量的金屬錸，還有17種生物體中未檢測到的金屬微量元素，錸是公認(rèn)的核幔來源元素。大慶原油的V/Ni比有一相對恒定的值，為0.19，這與遼河原油的V/Ni比值的相對恒定（0.02～0.04）很相似，張景廉等論證了原油V/Ni恒定比值與無機(jī)生成的關(guān)系。3.3無機(jī)成因氣松遼盆地徐家圍子坳陷營城組火山巖發(fā)現(xiàn)了地質(zhì)儲量為1018×108m3的徐深氣田。一些學(xué)者根據(jù)天然氣碳同位素組成及3He/4He比值等地球化學(xué)指標(biāo)，論證了這些天然氣為無機(jī)成因氣。大慶原油中H2S及其它組分近年來呈增加趨勢，使天然氣中CO2含量也有大幅增加，表明了油氣是可以再生的，這從一個(gè)側(cè)面論證了油氣的無機(jī)成因。3.4地殼內(nèi)層結(jié)構(gòu)滿洲里—綏芬河地學(xué)斷面揭示了松遼盆地深部中地殼有一低速、高導(dǎo)層，中地殼以上的斷層大多在這里收斂。因此，由中地殼生成的油氣可通過斷層上升到沉積地層或火成巖中而形成油氣藏。3.5討論松遼盆地的深部地質(zhì)構(gòu)造環(huán)境利于無機(jī)油氣的生成與成藏，根據(jù)上述事實(shí)，扶余、楊大城子原油極有可能為深部生成而不是“倒灌”生成。4討論4.1“頂生式”生儲蓋組合所代表的是油氣藏最近，李傳亮根據(jù)固體力學(xué)和流體力學(xué)的有關(guān)理論，研究了巖石在壓縮階段的體積變化關(guān)系后明確指出，巖石在壓縮階段（即傳統(tǒng)論的“欠壓實(shí)階段”）不能排水，也不能排烴，并深刻指出，石油科學(xué)中有諸多未經(jīng)證實(shí)的假設(shè)，“欠壓實(shí)”就是其中之一。壓實(shí)作用對油氣運(yùn)移的影響，在過去顯然被夸大了。源巖是否因生烴而憋壓，從來沒有被證實(shí)過（而這恰是“倒灌”論者的主要依據(jù)），因?yàn)樵磶r的孔隙壓力無法實(shí)測。油氣是在浮力的作用下向上運(yùn)移的，浮力總是牽著油滴向上運(yùn)移。浮力在油氣運(yùn)移過程中起了至關(guān)重要的作用?？諝庵械穆吨橛肋h(yuǎn)向下落，水或湖泥中的氣泡永遠(yuǎn)向上升。相反的情況從來沒有發(fā)生過；若發(fā)生了，物理學(xué)定律就可能改寫。事實(shí)上，油滴向下運(yùn)移的可能性幾乎是不存在的。因此，油氣“倒灌”現(xiàn)象是不存在的，它缺少基本的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)；“頂生式”生儲蓋組合實(shí)際上是不存在的，迄今為止沒有人真正看到過“頂生式”油氣藏。有機(jī)地球化學(xué)家常根據(jù)油源對比來確定石油、天然氣的來源。如根據(jù)地球化學(xué)指標(biāo)（同位素組成、生物標(biāo)記化合物等），儲層的油氣與上方的烴源巖有某些相似之處，就確定這些油氣的來源。但是為什么不可能是另外一種情況呢？即油氣向上運(yùn)移過程中與烴源巖的相互作用呢？如我們在鄂爾多斯盆地看到的長7油頁巖，松遼盆地看到的青山口組一段的油頁巖。4.2油頁巖的有機(jī)地球化學(xué)有一個(gè)現(xiàn)象值得大家思考：鄂爾多斯盆地的長7油頁巖不僅為長6、長3、長2提供油源（向上運(yùn)移），還為長8、長9和長10提供油源（向下運(yùn)移）；石炭系—二疊系的煤系地層不僅為蘇里格氣田、大牛地氣田、烏審旗氣田、子洲氣田、榆林氣田等提供氣源（這5個(gè)氣田的地質(zhì)儲量為11529×108m3），也為靖邊氣田（地質(zhì)儲量為3431×108m3）提供了氣源，也就是說，石炭系—二疊系這套煤系地層至少生成了14960×108m3的煤成氣。而在松遼盆地，青山口組一段油頁巖不僅為高臺子油層、葡萄花油層、薩爾圖油層、黑帝廟油層提供了油源（向上運(yùn)移），也為扶余油層、楊大城子油層提供了油源（向下運(yùn)移），據(jù)最近統(tǒng)計(jì)，扶余、楊大城子油層的地質(zhì)儲量已達(dá)20×108t。也就是說，長7油頁巖和青一段油頁巖在地質(zhì)歷史時(shí)期生成了