鄂爾多斯盆地中、新生代裂縫演化與油氣成藏

鄂爾多斯盆地中、新生代裂縫演化與油氣成藏

0盆地構(gòu)造與中、新生代構(gòu)造鄂爾多斯盆地是中國和新生代華北古生代克拉通淺水盆地的交匯處，根據(jù)中國和巴基斯坦的古代克拉通淺水盆地形成?，F(xiàn)在，它是一個構(gòu)造不足的盆地。盆內(nèi)蘊藏著豐富的石油、天然氣、煤和砂巖型可地浸鈾礦,是中國重要的多種能源礦產(chǎn)基地。由于盆地處于穩(wěn)定的克拉通內(nèi),對其研究主要集中在基底、沉積和演化等方面,對盆地構(gòu)造的研究則多集中在周緣及盆地內(nèi)不整合等[9~11]。隨著盆地油氣勘探不斷獲得新進(jìn)展,前人對盆地中、新生代構(gòu)造應(yīng)力場分布及其演化[12~14]、構(gòu)造流體及熱事件、儲層裂縫分布特征及其參數(shù)描述[18~20]等方面開展過大量的研究。筆者在綜合前人研究成果的基礎(chǔ)上,通過野外地質(zhì)觀察、巖心觀察和各種分析化驗資料,對盆地中生界油氣成藏與中、新生代構(gòu)造運動的關(guān)系進(jìn)行了進(jìn)一步研究。鄂爾多斯地塊在古生代和中生代早期的構(gòu)造性質(zhì)沒有發(fā)生根本的改變,其本身并未構(gòu)成獨立的沉積盆地,而是華北克拉通盆地的一部分。所謂鄂爾多斯盆地,是印支運動后,中國大陸進(jìn)入板內(nèi)構(gòu)造體制階段,其主體座落于鄂爾多斯地塊之上的中、新生代沉積盆地。鄂爾多斯盆地中、新生代地層經(jīng)歷了印支、燕山和喜山等三期大的構(gòu)造運動(表1)[3,12,13,17,21,22]。1特低滲透砂巖儲層裂縫特征在不同構(gòu)造應(yīng)力場作用下,延長組形成了縱橫交錯的裂縫體系,在巖心和野外地質(zhì)剖面中均可見到廣泛發(fā)育的裂縫系統(tǒng)。它們以高角度縫和垂直縫為主,有一組或多組平行的裂縫,還有的是不同方向的多組裂縫相互切割(圖1)。鄂爾多斯盆地作為我國主要的特低滲透砂巖儲層分布區(qū)域,裂縫的存在對盆地內(nèi)儲層的產(chǎn)能起關(guān)鍵作用,因此前人[18~20]對特低滲透砂巖儲層裂縫特征及成因等方面進(jìn)行了許多研究。曾聯(lián)波等通過對靖安、安塞和固城川地區(qū)的巖心裂縫古地磁定向及露頭區(qū)研究,認(rèn)為延長組分布有E—W向、NW向、S—N向和NE向4組區(qū)域性裂縫。張莉通過對延河剖面野外露頭裂縫的實測和延長川口油田、長慶安塞油田巖心裂縫方位古地磁定向,認(rèn)為盆地E—W向和S—N向裂縫廣泛存在且發(fā)育范圍廣泛,局部區(qū)域內(nèi)還存在NE向和NW向裂縫,但數(shù)量、發(fā)育程度和規(guī)模較小。本研究通過對巖心觀察、巖心裂縫方位古地磁定向和包裹體研究,結(jié)合前人研究成果,對構(gòu)造裂縫發(fā)育期次進(jìn)行分析。1.1實驗結(jié)果及分析巖心觀察裂縫的方法是研究不同期次裂縫特征的最直接、最真實的一種方法,通過對裂縫之間的限制、切割關(guān)系可以分析裂縫形成的期次。本研究在盆地內(nèi)選取了分布均勻且有代表性的19口取心較全的井進(jìn)行了巖心觀察,對407.63m的巖心進(jìn)行了裂縫的詳細(xì)描述和分析,其中裂縫累計長度60.37m。在巖心觀察中,對裂縫的層位、產(chǎn)狀及間距等參數(shù)進(jìn)行描述,將鈣質(zhì)充填厚度超過0.5mm的裂縫稱為強(qiáng)烈充填型裂縫,將無鈣質(zhì)充填的裂縫稱為未充填型裂縫,而將介于二者之間的裂縫稱為弱充填型裂縫。為了弄清裂縫方位以及裂縫形成期次,系統(tǒng)的采集了120塊裂縫樣品,樣品由西北大學(xué)國家重點實驗室制備并分析,共制備了120塊2cm3立方體樣品,在每塊樣品上均標(biāo)明了一條與裂縫平行的線并在一端標(biāo)上箭頭,進(jìn)行了剩磁和退磁的測量。其中剩磁測量使用捷克制造的JR—6旋轉(zhuǎn)巖石磁力儀,退磁使用美國制造的DSM—2熱退磁爐。樣品共進(jìn)行了常溫、50℃、75℃、100℃、125℃、150℃、175℃、200℃、250℃和300℃共10個溫度檔的退磁測量,每個溫度檔退磁后進(jìn)行了剩磁測量,對最后期低溫粘滯剩磁進(jìn)行了矢量分析,獲得巖心記錄到的現(xiàn)代地磁場磁化的粘滯剩磁VRM,由于VRM方向與現(xiàn)代地磁場方向一致,即與地理坐標(biāo)一致,因此參照巖心裂縫樣品所標(biāo)記的標(biāo)志線可以得到巖心裂縫的方向。本次實驗中共有106塊樣品取得了良好的實驗效果,另外14塊樣品由于在沉積成巖階段沒有獲得良好的沉積剩磁,因此無法得到有效的數(shù)據(jù)。對有效測試的裂縫方向進(jìn)行分析,得出研究區(qū)主要發(fā)育E—W向、NNE向和NE向三個方向的裂縫,局部區(qū)域還存在NNW向裂縫(圖2)。對實測的不同充填性質(zhì)裂縫的古地磁定向進(jìn)行分析,總結(jié)出各類型裂縫發(fā)育期次及特征。強(qiáng)烈充填型裂縫的鈣質(zhì)充填物厚度一般大于0.5mm,主要是一組張裂縫,裂縫面上殘留著油氣運移痕跡,古地磁測試方向以NNE向為主,并見少量NE、NNW、NEE向裂縫(圖3a)。喜山期鄂爾多斯盆地處于NW—SE向的拉張應(yīng)力作用下產(chǎn)生了NNE向的張裂縫和NNW向的剪裂縫,其中主要表現(xiàn)在NNE向的張裂縫發(fā)育,因此強(qiáng)烈充填型裂縫為喜山期的張裂縫。弱充填型裂縫的鈣質(zhì)充填物厚度一般小于0.5mm,既有張裂縫,又有剪切裂縫,裂縫面上具有油氣運移的痕跡,裂縫方向測試以近E—W向為主,其次為NNE、NE向,還見少量NW向(圖3b)。燕山期鄂爾多斯盆地在NW—SE向擠壓應(yīng)力體制下,盆地內(nèi)部產(chǎn)生了區(qū)域性的E—W向和S—N向剪裂縫。在這種區(qū)域擠壓應(yīng)力作用下產(chǎn)生的裂縫,可能表現(xiàn)為一組發(fā)育而另一組不發(fā)育,鄂爾多斯盆地范圍內(nèi)則表現(xiàn)為E—W向這一組剪裂縫發(fā)育,因此弱充填型裂縫為燕山期的剪裂縫。未充填型裂縫的裂縫面上未見充填物,主要為一組剪切性質(zhì)的裂縫,有些裂縫面上見油氣運移的痕跡,古地磁測試裂縫近S—N向展布,為燕山期的剪裂縫或喜山期的張裂縫(圖3c)。1.2流體包裹體不同溫度特征流體包裹體技術(shù)也是近年來裂縫期次研究的一種新技術(shù),通過測定與裂縫充填物同時形成的原生包裹體溫度,可推斷裂縫形成的時期。鄂爾多斯盆地三疊系儲集層中的流體包裹體非常豐富,其中與油氣地質(zhì)研究有關(guān)的主要是沉積盆地充填埋藏過程中形成的流體包裹體,只有這類包裹體才含有成巖、成礦流體信息。因此,本次研究立足于成巖、成藏地質(zhì)實際分析,對鄂爾多斯盆地三疊系沉積盆地的流體包裹體特征與構(gòu)造裂縫形成間的關(guān)系進(jìn)行了探討。本研究在巖心采樣和包裹體薄片的制樣過程中,除考慮選取有代表性的裂縫中最主要的充填礦物外,還注重了與古地磁測試的相互結(jié)合,所采集的60塊包裹體樣品中,有48塊為古地磁測試所采樣品一分為二所得。通過對60塊包裹體樣品,共213個包裹體測溫得出,延長組主要發(fā)育四種類型的包裹體:石英裂隙和溶孔中的包裹體、石英膠結(jié)物和加大邊中的包裹體、鈣質(zhì)膠結(jié)物中的包裹體和鈉長石中的包裹體。包裹體的顏色主要為無色、灰褐色和淺黃色,均一溫度存在2個峰值,分別為80~100℃和120~130℃(圖4)。石英裂隙和溶孔中的包裹體大量的均一溫度為120~125℃,甚至有很多包裹體均一溫度超過150℃,包裹體成串珠狀或孤立狀產(chǎn)出,一般不發(fā)熒光。由于石英裂隙和溶孔中的包裹體是在成巖作用和生排烴之前,碎屑巖在蝕源區(qū)就已形成的繼承性包裹體,對構(gòu)造裂縫形成期次的劃分不具任何意義。因此從宿主礦物成巖作用的角度,綜合烴類包裹體的排烴及包裹體宿主礦物的形成序列(表2),對早期充注的鈉長石膠結(jié)物中的包裹體、最大埋深期石英加大邊中的包裹體以及晚期抬升剝蝕過程中形成的含鐵碳酸鹽包裹體進(jìn)行分析。鈉長石中的包裹體均一溫度平均94℃,形成于早成巖期或中成巖作用階段,包裹體均一溫度在三種烴類包裹體中最低,這與自生長石形成的必要條件是中等的地溫梯度相一致,也即此期裂縫形成時不存在較強(qiáng)的熱事件。該期裂縫中的包裹體含烴,發(fā)熒光,為晚侏羅世至早白堊世早期燕山構(gòu)造運動的產(chǎn)物。石英膠結(jié)物和加大邊中的包裹體,主要為烴類包裹體,形成于中成巖階段酸性介質(zhì)條件下,均一溫度平均104℃,呈串珠狀或孤立狀產(chǎn)出,既有鹽水包裹體,又有烴類包裹體,常常發(fā)熒光。表明在加大邊中包裹體形成時已有大規(guī)模的油氣運移。該期裂縫中的充填物捕獲了大量的油氣包裹體,且均一溫度較高,此期裂縫為早白堊世末燕山構(gòu)造運動第Ⅳ幕的產(chǎn)物。鈣質(zhì)膠結(jié)物中的包裹體為烴類包裹體,均一溫度91~117℃,平均98.1℃,包裹體發(fā)強(qiáng)熒光,形成于中成巖階段中—晚期。包裹體均一溫度比石英加大邊中的稍低,因此應(yīng)為構(gòu)造抬升降溫過程中形成的包裹體。由于溫度差異不大,所以判斷該期裂縫中的包裹體形成于抬升早期,為白堊紀(jì)末喜山運動的產(chǎn)物。1.3構(gòu)造裂縫方向及構(gòu)造環(huán)境明確裂縫形成的時代,對研究裂縫與油藏形成的關(guān)系具有重要的意義。通過對不同地質(zhì)歷史時期應(yīng)力場分析,結(jié)合裂縫性質(zhì)、裂縫方位以及裂縫充填物中包裹體特征等,綜合推斷出裂縫形成的地質(zhì)時代。理論上不同方向的應(yīng)力場會產(chǎn)生不同方向、不同性質(zhì)的裂縫。在印支期S—N壓性環(huán)境下,最可能產(chǎn)生一組S—N向張裂縫及NW—SE、NE—SW向兩組剪切裂縫;在燕山期S—N、NW—SE為主的擠壓環(huán)境下,最易產(chǎn)生一組NNW—SSE向張裂縫及兩組S—N、E—W向剪切裂縫;在喜山期NNW—SSE的拉張環(huán)境下,可能產(chǎn)生NNE的張裂縫和NNW—SSE、SWW—NEE向剪切裂縫。用實測不同充填性質(zhì)的裂縫方向與不同應(yīng)力場下的理論裂縫方向相對應(yīng),結(jié)果表明,強(qiáng)烈充填的NNE向張裂縫形成于喜山期NNW—SSE拉張環(huán)境下;近E—W向展布的弱充填裂縫應(yīng)為燕山期NW—SE擠壓環(huán)境下形成的剪切裂縫;弱充填的NE向剪裂縫應(yīng)為印支期S—N向擠壓環(huán)境下形成的剪裂縫,或基底斷裂形成的誘導(dǎo)張裂縫。此外弱充填裂縫還有一組NNE向裂縫,可能為喜山期形成的一組張裂縫;未充填的S—N向裂縫(或稱NNE和NNW),可能以喜山期和燕山期形成的剪切裂縫為主(圖3)。2油氣成藏影響油氣是賦存于沉積地層中的流體礦產(chǎn),油氣所賦存的地層所經(jīng)歷的每一期構(gòu)造運動,都對油氣的生成、運移、聚集和成藏具有重要的影響。鄂爾多斯盆地是我國著名的大型中生代含油氣盆地,上三疊統(tǒng)延長組和侏羅系延安組為盆地主要含油層系,該含油層系經(jīng)歷了印支、燕山和喜山三期大的構(gòu)造運動,各期構(gòu)造運動對油氣的運移和聚集起控制作用。2.1構(gòu)造活動對沉積演化的控制作用印支運動在盆地的主要表現(xiàn)時代為晚三疊世到早侏羅世。印支期開始形成的秦嶺造山帶是由揚子和華北兩個強(qiáng)烈變形的古大陸邊緣及古秦嶺洋中的地塊拼合而成的復(fù)雜結(jié)構(gòu),主縫合帶位于商丹斷裂附近,拼接會聚后由于兩大塊體長期處于擠壓狀態(tài),并具有周期性強(qiáng)化過程。因此,印支期鄂爾多斯盆地處于擠壓的應(yīng)力環(huán)境下,為一壓性盆地,最大主應(yīng)力方向為S—N向。早印支運動主要發(fā)生于延長組,控制了延長組的沉積和演化。由于延長組發(fā)育了盆地主要的一套烴源巖以及含油目的層系,前人對印支期構(gòu)造運動對延長組沉積演化的影響作了大量的研究,主要表現(xiàn)在:一是延長組沉積前的構(gòu)造活動對盆地格架、基底地形、邊界性質(zhì)進(jìn)行控制,進(jìn)而影響沉積物的搬運沉積方式、沉積環(huán)境體系類型及古地理特征;二是延長組沉積和演化過程中的同生構(gòu)造活動通過改變沉積盆地的邊界性質(zhì)、沉積物沉降速度影響延長組發(fā)育厚度、盆地內(nèi)不同區(qū)帶之間的沉積環(huán)境條件及層序上的相序變化規(guī)律。根據(jù)鄂爾多斯盆地腹部和周緣地區(qū)的沉積演化規(guī)律分析,長8沉積末期在盆地西緣、西南緣存在一次顯著的構(gòu)造事件,為印支運動第Ⅰ幕的重要表現(xiàn)形式。該事件對鄂爾多斯盆地中生代內(nèi)陸湖盆的演化產(chǎn)生了重要的影響。由于華北板塊的向南俯沖使盆地拗陷幅度急劇增大,半深湖—深湖沉積覆蓋范圍迅速達(dá)到10×104km2以上,沉積了盆地中生界中最為重要的一套烴源巖,為中、新生代油藏的形成提供了豐富的資源基礎(chǔ)。印支運動第Ⅰ幕表現(xiàn)形式之后,湖盆基底開始抬升回返,周緣碎屑物大量進(jìn)積式充填,湖區(qū)逐漸縮小,到達(dá)延長組長1沉積期時,印支構(gòu)造活動趨于減弱停息,三疊紀(jì)湖盆進(jìn)入了萎縮消亡期。根據(jù)鄂爾多斯盆地腹部及周緣地區(qū)延長組剝蝕情況可知,在早侏羅世早期,盆地發(fā)生一次明顯的構(gòu)造抬升事件,此為印支運動第Ⅱ幕的重要表現(xiàn)形式。印支運動第Ⅱ幕的最大主壓應(yīng)力仍為S—N向,此次構(gòu)造事件在延長組地層中已有裂縫記錄,產(chǎn)生了弱充填性質(zhì)的NE向剪裂縫。此期裂縫并未見到烴類包裹體,說明此時并未有油氣的生成及運移。2.2中、晚侏羅世盆地?zé)崾录谋憩F(xiàn)燕山運動發(fā)育于中侏羅世到早白堊世晚期,有四幕構(gòu)造表現(xiàn)形式,其中最為重要的是晚侏羅世與早白堊世之間的燕山運動第Ⅲ幕,此幕運動發(fā)生時,延長組地層處于最大埋深期,并在盆地內(nèi)發(fā)育了全區(qū)性的構(gòu)造熱事件作用,延長組的烴源巖此時已達(dá)到生排烴高峰期。因此控制油氣分布的最重要的構(gòu)造運動及油氣運移高峰期的指向構(gòu)造大多定型于燕山期,燕山期鄂爾多斯盆地及鄰區(qū)古構(gòu)造格局對油氣勘探具有重要的指向意義。早侏羅世鄂爾多斯盆地與晉西北就開始了有限統(tǒng)一的沉積歷史,即開始了印支構(gòu)造運動后的第一次沉降,此為燕山構(gòu)造第Ⅰ幕的表現(xiàn)形式。富縣組和鄰區(qū)的永定莊組均為三疊世末的剝蝕高地和分隔的大小不等的洼地或凹陷沉積。中侏羅世主要為一套河流—湖泊三角洲沉積體系沉積的含煤系地層,三角洲平原分流河道沉積構(gòu)成了侏羅系油田的主要儲層。此時期盆地中穩(wěn)定的延安組煤層和各段繼承性沉積變化趨勢說明該時期湖盆基底相對穩(wěn)定,此時期的擠壓應(yīng)力主要來自于西北部,其次為南西—北東向和南北向的擠壓應(yīng)力。晚侏羅世盆地整體處于隆升剝蝕環(huán)境,此時期是盆地西部逆沖推覆的主要形成期,此為燕山運動第Ⅱ幕的表現(xiàn)形式,盆地西南的東祈連褶皺逆沖帶向阿拉善和鄂爾多斯盆地西南緣呈弧形楔入。強(qiáng)烈的逆沖作用致使中、下侏羅統(tǒng)卷入變形或被推覆體覆蓋,逆沖作用呈遇到東邊盆地內(nèi)部阻力現(xiàn)象,但總體上仍向東擴(kuò)展遷移,形成反“S”型近南北向延伸的鐵克蘇廟、橫山堡褶皺逆沖帶。它與北祁連造山帶真正的造山作用和基本格局的形成幾乎同步,隨后鄂爾多斯盆地及晉西地區(qū)大部分抬升。早白堊世時期,鄂爾多斯盆地延長組處于最大埋深期,延長組長7烴源巖埋深主要在2700~3000m之間。此時期盆地存在一次地溫急劇升高的熱事件,古地溫梯度可達(dá)3.3~4.5℃/100m,大地?zé)崃髦?5~105mW/m2(現(xiàn)今熱流值為60.54mW/m2)。這次熱事件的發(fā)生時限大約為124~153Ma,對應(yīng)于晚侏羅世到早白堊世之間,為盆地延長組所經(jīng)歷的最為重要的一次熱事件,由于此次熱事件以及延長組埋深較大的作用,延長組烴源巖已達(dá)到生排烴高峰期。早白堊世末期,燕山運動再次強(qiáng)烈活動,這次活動使早期褶皺進(jìn)一步加強(qiáng)而定型,部分?jǐn)鄬舆€切割了白堊系并使其變形,此為燕山運動第Ⅳ幕的表現(xiàn)形式。此時期盆地仍然處于以擠壓為主的環(huán)境下,最大主壓應(yīng)力為NW—SE向,由此產(chǎn)生了NNE向和E—W向燕山期剪裂縫。其中E—W向裂縫較NNE向裂縫發(fā)育,并見鈣質(zhì)充填,裂縫充填物中可見捕獲的大量烴類包裹體,說明此時期生產(chǎn)的油氣沿裂縫向上大量運移,從而形成了延長組上部長3、長2構(gòu)造—巖性復(fù)合油藏組合和延安組構(gòu)造油藏組合。2.3喜山期盆地力學(xué)性質(zhì)的變化印度板塊與歐亞板塊的碰撞引發(fā)的喜馬拉雅構(gòu)造運動,在地質(zhì)演化史上是一次有著重大意義的地質(zhì)事件,它不僅影響著中國中西部盆地、山川的發(fā)生和發(fā)展,而且還影響著古老斷裂的重新活動。喜山運動主要發(fā)育于新生代,新生代地表構(gòu)造的形成和活動都與喜馬拉雅構(gòu)造活動有著密切的關(guān)系。油氣運移與聚集處于永恒的動、靜平衡過程中,是一種舊平衡條件被打破,新的平衡系統(tǒng)隨之建立的完整過程。老盆地中的油氣大都有多次聚散成藏的歷史。一般說來,油氣在成藏過程中的最終定格都與最新一期的構(gòu)造活動有關(guān)。喜山期盆地的力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化,由印支、燕山期的擠壓環(huán)境改變?yōu)橄采狡诘睦瓘埈h(huán)境,最大主應(yīng)力方向為NNE—SSW向。受來自西南方向青藏高原隆升的側(cè)向水平擠壓作用,鄂爾多斯盆地內(nèi)部的喜山運動主要表現(xiàn)為差異升降,伴隨有走滑及掀斜運動,由此派生的裂隙、節(jié)理廣泛發(fā)育。在盆地鉆井巖心裂縫方位的測試中可見到大量的NNE向的強(qiáng)烈充填和弱充填的喜山期張裂縫(圖3),并可見到NNE向未充填的燕山期剪裂縫。裂隙在盆地內(nèi)有明顯的不均一性,差異性較強(qiáng),最為明顯的是盆地南北構(gòu)造活動強(qiáng)烈及地貌上的差異。微裂隙分布的差異性和不均一性是造成盆地致密油氣儲層特低滲透中有相對高滲的主要原因。沿基底主干斷裂帶分布的油氣藏即是這一構(gòu)造作用的直接結(jié)果。喜馬拉雅構(gòu)造運動使鄂爾多斯盆地大幅度的抬升,使油氣進(jìn)行大規(guī)模的運移、成藏和成藏后的調(diào)整。隨著喜山期構(gòu)造幕式活動的加劇,盆地不斷的抬升遭受剝蝕,由此造成的降溫、釋壓、巖石孔縫的擴(kuò)容及巖石的差異回彈,使烴類物質(zhì)向砂巖儲層中大面積分散式充注。這種大面積、分散的、沒有有效聚集和圈閉的滿盆含油