冀中坳陷石炭冀中坳陷石炭二疊系烴源巖埋藏-生烴史控制因素

冀中坳陷石炭冀中坳陷石炭二疊系烴源巖埋藏-生烴史控制因素

沉積體-關(guān)中系是渤海盆地重要的產(chǎn)氣泉巖，殘余層主要位于中南海山頂?shù)臇|北部。經(jīng)過約40a的持續(xù)勘探,至今區(qū)內(nèi)鉆至石炭—二疊系的探井已達(dá)47口。除了在古近系—新近系發(fā)現(xiàn)源自沙河街組的原油伴生氣和淺層生物氣以外,古近系不同層位也發(fā)現(xiàn)了天然氣。其中,石炭—二疊紀(jì)煤系烴源巖的煤成氣資源數(shù)量較多,目前已發(fā)現(xiàn)油氣儲量150.64×108m3,資源量估算為536.60×108m3。但近幾年,煤層氣等非常規(guī)天然氣的勘探工作進展緩慢,主要原因是本區(qū)后期頻繁受到構(gòu)造活動的影響,成藏條件復(fù)雜,油氣生成和成藏規(guī)律不清楚;因此,充分研究石炭—二疊系的構(gòu)造演化史,及其對烴源巖埋藏和生烴的控制作用,將給本區(qū)油氣勘探提供地質(zhì)參考。1構(gòu)造應(yīng)力場控制下的構(gòu)造差異冀中坳陷位于渤海灣盆地西部,受華北古亞洲構(gòu)造域向環(huán)太平洋構(gòu)造域轉(zhuǎn)換之后的右行扭張構(gòu)造應(yīng)力場的控制,在上元古代至古生代華北地臺內(nèi)發(fā)育起來的中—新生代斷坳盆地。其北部殘余石炭—二疊系主要分布在武清凹陷文安斜坡、廊固凹陷河西務(wù)地區(qū)和大城凸起,總面積約7000km2。1.1西部中、中部穩(wěn)定帶印支-燕山和喜山期構(gòu)造運動造成本區(qū)石炭—二疊系呈現(xiàn)先東傾、后西傾的“翹翹板式”變化,在平面上表現(xiàn)出“東西分帶,南北分區(qū)”的構(gòu)造特征。東西分帶表現(xiàn)為東西兩側(cè)發(fā)育不同時期的剝蝕帶;西部邊緣剝蝕帶為印支-燕山期構(gòu)造運動的產(chǎn)物,主要分布于文安斜坡和楊村斜坡的內(nèi)帶;東部邊緣剝蝕帶為喜山期構(gòu)造運動的產(chǎn)物,位于大城凸起;中部穩(wěn)定帶處于上述2個剝蝕帶之間,石炭—二疊系地層保存較完整。南北分區(qū)表現(xiàn)為南部的“壘塹式”復(fù)雜斷塊區(qū)和北部的單斜狀簡單斜坡。1.1.1礦巖的分布特征石炭—二疊系殘留厚度100~1200m,最大殘留厚度區(qū)域位于斜坡、向斜坡深洼和大城凸起處。自北向南發(fā)育2個高值區(qū)域,分別位于武清凹陷和大成凸起南部。煤層殘余厚度的分布基本和石炭—二疊系殘留厚度區(qū)域相吻合,厚度超過30m的區(qū)域面積約為880km2,煤層厚度為20~40m的面積占總面積的一半。從構(gòu)造分布看,大于20m的煤層多分布在斜坡處,面積達(dá)5200km2,占研究區(qū)總面積的63.75%。泥巖的厚度展布特征與煤層近似,整體呈現(xiàn)出中間厚兩邊薄的態(tài)勢,厚度遠(yuǎn)大于煤層,大于500m的區(qū)域面積為2486km2,占研究區(qū)總面積的27.27%,多分布在武清凹陷楊村斜坡和大城凸起;厚度大于300m的區(qū)域面積為5900km2,占整個研究區(qū)總面積的65.40%。1.1.2上覆奧陶系構(gòu)造的地質(zhì)特征從北至南有3條貫穿石炭—二疊系東西的地震剖面。北區(qū)YC91-119地震剖面顯示(見圖1),石炭—二疊系整體呈單一斜坡狀,下伏奧陶系,上覆中生界。石炭—二疊系和中生界地層表現(xiàn)為中間厚、兩邊薄,石炭—二疊系厚約600m,中生界厚約1000m。受冀中北部“蹺蹺板式”構(gòu)造演化特征的影響,石炭—二疊系地層向兩側(cè)分別尖滅在西部大孟莊斷層和東部大城凸起東側(cè)。其埋藏深度差別較大,從西向東逐漸變淺,西部大孟洼槽處埋深超過5500m,東部大城凸起埋深為1050~3050m。整體斷層較為發(fā)育,且多為反轉(zhuǎn)斷層,均斷穿目的層。中部YC92-899-8地震剖面顯示(見圖2),在楊村斜坡處目的層的厚度最大,可達(dá)700m,河西務(wù)及大孟莊地區(qū)的平均厚度約為300m,在河西務(wù)構(gòu)造西部逐漸尖滅。從整體埋深看,北部較淺,最大埋深位于洼槽處(4500m)。南部過文23井剖面顯示,該區(qū)目的層整體呈一單斜狀(見圖3),中生界沒有完全覆蓋目的層。目的層最大埋深為4000m,至凸起處埋深減少至1000m。石炭—二疊系最大殘存厚度為1000m。綜上所述,冀中坳陷北部石炭—二疊系下伏奧陶系,上覆地層在不同的地區(qū)發(fā)生了變化:廊固凹陷河西務(wù)地區(qū)和文安斜坡西部上覆新近系—古近系;武清凹陷和文安斜坡東部上覆中生界。目的層在剖面上表現(xiàn)為被一系列反轉(zhuǎn)斷層切割,但整體上看,構(gòu)造較為簡單,為單一斜坡。殘余地層表現(xiàn)為中間厚、兩邊薄,向東、西方向尖滅。中間埋深達(dá)6500m,整體上東淺西深、南淺北深。1.2結(jié)構(gòu)的性能冀中坳陷東北部石炭—二疊紀(jì)煤系經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造演化歷史(見圖4),結(jié)合前人的研究成果,經(jīng)過進一步研究,筆者將其劃分為4個階段。1.2.1目的層第1次被直接直接固定中生代以前的構(gòu)造運動以地臺型穩(wěn)定的整體升降為主。石炭—二疊紀(jì)沉積期,地層在空間上的沉積厚度稍有差別。到三疊紀(jì)時期,目的層第1次被埋藏并不斷加深,埋深為1200~1500m。中生代中晚期,受到了印支-燕山構(gòu)造運動的第1次大范圍構(gòu)造擾動,包括上覆三疊系和下伏古生界在內(nèi)的地層,均遭受不同程度的剝蝕,將該區(qū)構(gòu)造進行改造,形成了寬緩褶皺,石炭—二疊系主要殘留于向斜區(qū)內(nèi),剝蝕作用呈明顯的西強東弱特點,最大殘留厚度超過1000m。1.2.2影響燕草地的立地條件石炭—二疊系地層在侏羅—白堊紀(jì)末期,受到了面積廣、強度大的燕山運動的影響。地層整體分布呈西高東低的東傾態(tài)勢,西部抬升出露地表,由西向東廣泛遭受剝蝕。1.2.3石炭—古近紀(jì)初古近紀(jì)初,喜馬拉雅運動在該區(qū)表現(xiàn)為張扭應(yīng)力,研究區(qū)發(fā)生了箕狀斷陷活動,使得石炭—二疊系地層呈現(xiàn)區(qū)域性西傾,形成了研究區(qū)西側(cè)霸縣凹陷和武清凹陷的東部斜坡帶,古近系逐漸超覆于斜坡之上。東營組沉積末期發(fā)生了一期強烈的構(gòu)造運動,古近系構(gòu)造全面形成并定型,研究區(qū)逐步抬升遭受剝蝕,至新近系館陶組沉積前結(jié)束。1.2.4區(qū)域構(gòu)造格局新近紀(jì)和第四紀(jì),斷陷消失、整體坳陷。明化鎮(zhèn)組沉積之后,冀中坳陷東北部與渤海灣地區(qū)共同組成統(tǒng)一的大型坳陷盆地,形成現(xiàn)今的構(gòu)造格局。武清凹陷在明化鎮(zhèn)組沉積末期受郯廬斷裂帶中、南段影響,具有右行擠壓剪切特征,故發(fā)生反轉(zhuǎn)現(xiàn)象。2石炭—烴源巖埋藏-生烴控制作用有機質(zhì)成熟作用直接控制著烴源巖的生烴演化,前期成熟度水平顯著地影響二次生烴的幅度和水平,有機質(zhì)成熟演化與古地?zé)釛l件密切相關(guān)。冀中坳陷石炭—二疊系地層自埋藏以來,在沉積-構(gòu)造的控制作用下,經(jīng)歷了不同的地溫演化階段,烴源巖經(jīng)受了復(fù)雜的受熱過程。文中基于構(gòu)造演化史、沉積史、剝蝕史研究,結(jié)合磷灰石裂變徑跡分析、礦物包裹體分析、有機質(zhì)鏡質(zhì)組反演及前人研究成果[14,15,16,17,18,19,20,21,22],分別論述了石炭—二疊系殘留分區(qū)、大城凸起、廊固凹陷河西務(wù)構(gòu)造帶、武清凹陷、楊村-文安斜坡烴源巖埋藏-生烴對構(gòu)造的響應(yīng)特征。2.1巖石學(xué)和古近紀(jì)對比印支期,石炭—二疊系經(jīng)歷初次埋藏,華北地臺內(nèi)構(gòu)造活動微弱,以整體升降為主。大城凸起石炭—二疊系烴源巖最大埋深約為2500m,三疊紀(jì)剛剛進入生油門限,但隨后的構(gòu)造抬升運動,使三疊系被剝蝕殆盡,導(dǎo)致生烴作用停止。侏羅—白堊紀(jì)沉積期,目的層的最大埋深也沒有達(dá)到初次埋深,但是在燕山中—晚期,由于受太平洋板塊向亞歐板塊的俯沖,中國東部處于活動大陸邊緣構(gòu)造環(huán)境,導(dǎo)致廣泛的巖漿侵入,古地溫場明顯異常,地溫梯度達(dá)4.5~5.0℃/100m,烴源巖受熱溫度進一步升高,有機質(zhì)演化程度差異較大,Ro最大達(dá)1.30%,中心地區(qū)較大,其他地區(qū)相對較小。古近紀(jì)為沉積間斷期,新近紀(jì)才重新接受沉積。石炭—二疊系現(xiàn)今埋深最深超過3000m。大城凸起內(nèi)大2、大3、大5、大參1井分析表明,位于凸起中心烴源巖較厚區(qū)的大5井(井深2800~3000m),煤系泥巖TOC多為2%~6%,瀝青“A”質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.1%,生烴潛量為0.4~2.7mg/g,Ro為0.55%~0.84%,Tmax為435~444℃,屬于低成熟—成熟階段,為中等—較好烴源巖,其他為中等—較差烴源巖。初步判斷大城凸起中間地帶為下一步勘探的有利地區(qū)。2.2集中烴討論ma3河西務(wù)構(gòu)造帶位于研究區(qū)西部邊緣處,受構(gòu)造-沉積影響,目的層抬升和埋深的變化幅度較大。從三疊紀(jì)末期埋深接近3000m開始有生烴顯示,至今存在3次生烴史,特別是約7Ma前的第3次生烴,產(chǎn)氣率急劇增大。研究區(qū)務(wù)古2井分析表明(見圖5),目的層埋深超過5000m,現(xiàn)今地溫梯度為3.2℃/100m,Ro為0.70%~1.40%,局部地區(qū)超過1.40%?？傮w上看,該區(qū)印支期微成熟,燕山期不生烴,古近紀(jì)生烴后成藏受東營運動影響,新近紀(jì)以來處于成熟演化階段,二次生烴明顯,是主要的生烴成藏期。2.3煤巖的有機碳、氯仿瀝青“a”和“b”研究區(qū)石炭—二疊系烴源巖大致經(jīng)歷了印支期、燕山期、喜山期等演化。有機質(zhì)成熟度在印支期末進入生油門限(Ro>0.50%),燕山期局部達(dá)到生烴高峰(0.60%<Ro<1.10%),到喜馬拉雅晚期普遍達(dá)到生烴高峰(0.80%<Ro<1.60%)。有機質(zhì)成熟度呈階段性遞增,導(dǎo)致有機質(zhì)發(fā)生多次生烴演化,即發(fā)生二次生烴作用。文安-蘇橋地區(qū)石炭紀(jì)含煤地層為一套好的氣源巖,煤巖的有機碳平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65.12%,暗色泥巖為3.85%,炭質(zhì)泥巖為12.20%;煤巖的生烴潛力平均為171.96mg/g,暗色泥巖為5.36mg/g,炭質(zhì)泥巖為17.66mg/g;煤巖氯仿瀝青“A”平均為1.8101%,暗色泥巖為0.0358%,炭質(zhì)泥巖為0.2415%;煤巖的總生烴量平均為6201mg/kg,暗色泥巖為119mg/kg,炭質(zhì)泥巖為712mg/kg。在沒有火成巖侵入影響的層段,Ro為0.78%~1.10%,為成熟生油氣階段及大量生烴和排烴階段;受火成巖侵入影響的層段Ro為1.50%~2.20%,達(dá)到過成熟干氣階段。武清凹陷楊村斜坡蘇50井樣品分析結(jié)果為:石炭系暗色泥巖有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為2.15%,生烴潛力為2.08mg/g;煤巖有機碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為58.96%,生烴潛力為142.58mg/g,氯仿瀝青“A”高達(dá)3.50%,屬于中等—好烴源巖。朱炎銘等對武清凹陷石炭—二疊系烴源巖的二次生烴進行了詳細(xì)研究,認(rèn)為武清凹陷喜馬拉雅期二次生烴總量約149.47×108t,是一個最具潛質(zhì)的石炭—二疊系油氣勘探區(qū)。3次生烴留區(qū)—結(jié)論1)印支-燕山和喜山期構(gòu)造運動使冀中凹陷東北部石炭—二疊系呈先東傾、后西傾的“翹翹板式”變化,平面上表現(xiàn)為“東西分帶,南北分區(qū)”的構(gòu)造特征?，F(xiàn)今石炭—二疊系殘留厚度表現(xiàn)為中間厚、兩邊薄的特點,最大殘留區(qū)位于文安斜坡、向斜坡深洼和大城凸起南部。埋深整體上東淺西深、南淺北深,最大超過6000m。2)大城凸起在燕山中—晚期受太平洋板塊向亞歐