北海盆地北部与南部油气成藏条件对比分析

杨艳秋， 杨金玉， 赵青芳

(1.国土资源部海洋油气与环境地质重点实验室，山东青岛 266071;2.青岛海洋地质研究所，山东青岛 266071)

北海油气勘探开发始于1960年代，1970年代是北海全面勘探和大发现阶段。截至2009年，北海盆地共发现1 731个油气田，油气探明控制储量为205.22亿t(杨金玉等，2011)。北北海盆地的总油气资源量为135.63亿t，占整个北海油气资源量的66.1%;南北海盆地的油气资源量为69.59亿t，占33.9%。而超过92.4%的石油分布在北北海盆地，南北海盆地石油储量很少，主要以天然气为主。由此可见，北海油气资源分布最大的特点是北油南气，而其油气分布的差异性主要是由其油气地质条件的差异性造成。因此本文主要通过对北海南、北2个盆地油气成藏条件差异性的对比分析，探讨了其差异性形成的原因。

1 地质背景

北海位于西北欧大不列颠岛、欧洲大陆和斯堪的纳维亚半岛之间，为大西洋东北部的边缘海，周围的国家包括:英国、挪威、丹麦、荷兰和德国等，海域面积约为5.75×105km2(陆克政等，2001;叶德燎等，2004)。北海盆地为一克拉通内裂谷盆地，北邻挪威海，西北以设得兰群岛为界，南至伦敦布拉班特隆起，东面以波罗的地盾为界。中北海隆起和林克-宾芬隆起将整个北海区域划分为南北海盆地和北北海盆地(图1)。南北海盆地主要包括英荷盆地、西北德国盆地;北北海盆地主要有维京地堑、中央地堑、莫里福斯盆地等。

图1 北海区域位置及现今构造格架图Fig.1 Location and current structural framework of North Sea basin

北海盆地为中生代大陆裂谷盆地，经历了复杂的地质演化过程，主要为古生代的大陆碰撞和板块增生;中生代的大陆裂谷;晚中生代到新生代大陆离散和大洋扩张等3个阶段。前中生代的大陆碰撞和板块增生基本上形成了北海海域及邻区现今的大地构造格局，而中新生代的构造演化则控制着北海海域及邻区盆地与油气分布。

北海盆地的基底大部分为加里东期(局部为前寒武系)结晶变质岩系。基底之上发育了泥盆纪以来各系地层(图2)，总厚度超过10 km(刘政等，2011)。地层岩性主要为海相和陆相碎屑岩，只有晚白垩世发育碳酸盐岩(白垩岩)，晚二叠世发育蒸发岩夹碳酸盐岩;其它地层化学沉积比较局限。南北海盆地主要分布上古生界及三叠系，残留分布侏罗系及以上地层;北北海盆地以中新生代裂谷沉积为主，常直接覆盖于泥盆系或基底之上，仅中北海区有较多二叠系和局部的石炭系分布。

图2 北海盆地地层综合柱状图Fig.2 Composite stratigraphic column of the North Sea Basin

2 油气成藏条件差异性对比

2.1 烃源岩

从烃源岩发育的层位看，北北海盆地和南北海盆地均发育侏罗系海相页岩的烃源岩，其差异在于北北海盆地的烃源岩为上侏罗统基末利黏土组和赫赛尔组页岩(Cooper et al.，1994)，而南北海盆地的烃源岩则为下侏罗统波斯度亚组页岩，同时还发育石炭系威斯特伐利亚阶煤系地层烃源岩。从其重要性来看，北北海盆地的主要烃源岩为上侏罗统基末利黏土组页岩，为区域性分布的烃源岩，除了构造高部位缺失外，在北北海盆地广泛分布;而南北海盆地的主要烃源岩为石炭系威斯特伐利亚阶煤系地层，这套煤系地层分布广泛，从英国东部延伸到德国西部，呈东西向展布，除南部和北部地区受后期抬升被剥蚀外，其它地区仅局部剥蚀。

不同层系烃源岩有机质类型不同。北北海盆地上侏罗统基末利黏土组的TOC(总有机碳)含量一般为6%，最高可达10%，有机质类型以Ⅱ型为主，主要产油;赫赛尔组的TOC含量平均为2%，以Ⅲ型干酪根为主(Gormley et al.，1994)。南北海盆地石炭系威斯特伐利亚阶烃源岩中煤的TOC含量大于60%(李国玉等，2005)，暗色页岩的TOC含量超过1%，有机质类型以Ⅲ型为主，主要产气;下侏罗统波斯度亚组TOC含量平均为8%，有机质类型以Ⅱ型为主。

从热演化程度看，北北海盆地的侏罗系基末利黏土组烃源岩在台地及地堑翼部区域普遍处于未熟至早熟阶段(图3)，地堑内部烃源岩则处于成熟和成熟晚期阶段，如维京地堑和中央地堑的大部分地区Ro普遍小于1%，达到成熟阶段，进入生油阶段;在烃源岩埋藏较深的地区Ro普遍超过1%，达到成熟晚期至过成熟阶段，进入生气阶段。赫赛尔组烃源岩在南部达生油高峰至生油晚期阶段，轴部地区Ro超过1.5%，而在维京地堑北部的最北缘该组源岩Ro达2%以上，进入过成熟阶段。

南北海盆地石炭系威斯特伐利亚阶烃源岩有机质成熟度从西向东逐渐增高(图4)，Ro分布范围1.3% ～2.1%，达到高成熟阶段，主要以产气为主;而下侏罗统波斯度亚组烃源岩有机质热成熟度已进入生油门限，Ro分布范围0.5% ～0.9%，普遍达到生油早期至生油高峰期，在盆地边缘Ro小于0.5%，未达到成熟阶段。在盆地中心，有机质热成熟度Ro＞0.9%，达到成熟阶段。

图3 北北海盆地基末利阶黏土组顶部有机质镜质体反射率(Armour et al.，2004)Fig.3 Ro map of the top kimmeridge Clay unit in the north North Sea basin

2.2 储集条件

北海南、北两个盆地自古生界到新生界均发育多套储集层，就油气产出的层位看，存在较大的差异。

北北海盆地的区域性储层有中下侏罗统、上白垩统、古新统和始新统，其中最重要的储层为中下侏罗统砂岩，在地堑中的埋藏深度大于3 km，厚度超过1 000 m，储集性能良好，如中侏罗统布伦特群储层孔隙度为13% ～22%，平均孔隙度约18%，渗透率为0.06×10－3～10 000×10－3μm2;下侏罗统斯坦特福约尔得组砂岩孔隙度为11% ～16%，平均孔隙度为13.5%，平均渗透率为330 ×10－3μm2。

南北海盆地的储层有上二叠统、中侏罗统和下白垩统，其中最重要的储层为上二叠赤底统砂岩，单个砂体厚度大，如英荷盆地中莱曼砂岩组平均厚度为200多米，西北德国盆地平均厚度600～800 m，最厚可达1 800 m。以风成相砂岩储集物性最好(Gage，1980)，孔隙度为10% ～24%，渗透率为1×10－3～1 000 ×10－3μm2。

2.3 盖层条件

北北海盆地的大油田中，上侏罗统基末利黏土组和赫赛尔组页岩不仅为主要的烃源岩，同时也对下伏油气起到了封闭的作用，其分布广、厚度大，一般可达150～1 000 m，为主要的区域盖层，同时白垩系克罗默诺尔群和设德兰群泥岩、古新统和早始新统泥岩也对北北海盆地油气的保存起到了至关重要的作用。

南北海盆地大气田的区域盖层主要为二叠系镁灰岩统盐岩，其残留厚度变化很大，由盆地中心向盆地边缘减薄，厚层的盐岩对下伏赤底统砂岩内的天然气形成了有效封盖，从而构成南北海盆地最为有利的生储盖组合。

由此可见，北北海盆地的盖层主要为泥、页岩，而南北海盆地的盖层主要为盐岩。

2.4 油气藏类型

北海盆地油气藏类型主要有构造圈闭、地层圈闭和复合型圈闭三种类型，其中构造圈闭为盆地内最主要的油气藏类型，但其南北两个盆地又存在较大的差异性。

北北海盆地的构造圈闭主要可分为两个大类:侏罗纪裂陷同期形成的构造圈闭和侏罗纪裂陷后形成的构造圈闭。裂陷同期，在区域拉张环境下，形成了许多掀斜断块圈闭，如维京地堑内的北阿尔文油田就是以掀斜断块圈闭为主(Roberts et al.，1987)。北阿尔文油田的圈闭类型主要受裂谷作用控制，晚侏罗世-早白垩世的拉张作用产生了大量的倾斜断块，断裂为NNW和NE正断层并终止于下白垩系。该油田主要由两个相邻的掀斜断块组成，西部掀斜断块圈闭的东侧由断层封堵，西侧由地层封堵，盖层为上侏罗统亨伯群页岩和粉砂岩组成的不整合面;东部掀斜断块圈闭主要为地层封堵，盖层为上侏罗统亨伯群页岩和下侏罗统邓林群页岩(Harker et al.，2003)(图5a)。裂陷后期则由于盐活动、盆地反转、披覆构造或者差异压实作用形成了底辟背斜、底辟侧翼等一系列的圈闭，如中央地堑Valhall油田的圈闭就是由于盐运动引起的相关背斜圈闭与断裂背斜圈闭(Leonarl et al.，1987)(图5b)。该油田为典型的盐核穹隆，晚白垩世穹隆构造开始发育，在始新世 中新世构造挤压期形成，70%的原油储量集中于白垩系Tor组白垩岩地层中，主要为地层不整合封堵，盖层为古新统页岩(图5b)。

图4 南北海盆地烃源岩成熟度分布图(Doornenbal et al.，2010)Fig.4 Maturity of source rocks in the south North Sea basin

南北海盆地的构造圈闭类型较为单一，主要为早白垩世末期到始新世时期发生的构造反转所形成的一系列相关背斜圈闭和断块圈闭(Hillier，1990)，如英荷盆地的巴奎气田。该气田在早白垩世末期到始新世时期发生了构造反转，挤压运动产生了一些新的断层，同时使先前存在的断层再次活动，形成了许多断裂背斜构造圈闭，该圈闭主要为地层封堵，盖层为二叠系镁灰岩统致密的碳酸盐岩和蒸发岩(Farmer et al.，1991)(图 5c)。

3 形成油气成藏差异性的主要因素

3.1 构造演化的差异性是控制烃源岩发育的基础条件

北海南、北两个盆地构造演化差异性较大。北北海盆地主要以中新生代裂谷沉积为主，常直接覆盖于泥盆系或基底之上，仅在莫里福斯盆地内发育少量的早石炭纪地层，因此北北海盆地在石炭纪时期并不存在有勘探意义的盆地;而南北海盆地受华力西造山运动的影响，到石炭纪晚期，北海中部和南部地区均转变为华力西前陆盆地，同时在盆地内堆积了较厚的近海煤系地层，形成了以上石炭统为主要烃源岩的生储盖组合。

北北海盆地在三叠 侏罗纪时期强烈拉张断陷并差异沉降，主要发育以断陷为主的盆地，从白垩纪开始转入全盆地大面积的坳陷热沉降期，形成了以上侏罗统为主要烃源岩的多套生储盖组合;而南北海盆地在侏罗纪时期主要为热沉降期，但其构造活动较频繁，分别在中侏罗纪早期、晚侏罗纪早期和晚侏罗纪末到白垩纪初期发生区域抬升和剥蚀，仅在局部地区残留了该套地层，厚度较薄。因此，从侏罗纪时期的构造演化看，北北海盆地受构造活动影响小，更有利于烃源岩有机质的沉积和保存，其烃源岩优于南北海盆地的烃源岩。

3.2 沉积埋藏史是造成烃源岩成熟度及演化历史的关键因素

北北海盆地的埋藏特征是早期缓慢埋藏，三叠纪后快速深埋藏;而南北海盆地早期快速深埋藏，三叠纪后缓慢埋深，并发生几期抬升和剥蚀(图6)。

沉积埋藏演化历史的差异导致了烃源岩成熟演化上的差异(图7)，北北海盆地上侏罗统进入生油、生气高峰期的时期明显晚于南北海盆地烃源岩生油、生气高峰期。而生油、生气高峰期的差异性，对油气藏的后期保存有明显的影响，越晚生成的油气聚集成藏越易于保存(赵桂萍，2011)。这应该是北北海盆地发现油气储量规模大于南北海盆地的一个主要原因。

3.3 二叠系镁灰岩统盐岩对油气成藏起到至关重要的作用

北海盆地的盐岩区发育了其相当一部分的大型油气田，盐岩对北海盆地油气成藏起到至关重要的作用，但盐岩对北海南、北两个盆地的油气成藏作用又存在一定的差异性。

北北海盆地盐岩的构造活动致使上覆沉积岩形成易碎区，促使断层或断裂系统发育，此外，盐底辟构造周围往往发育放射状张性正断层，可以成为油气垂直运移的通道，如安德鲁油田;晚白垩世后期北海盆地新生界沉积厚度加大、沉积速率增高，深部产生的异常高压使盐岩向上穹隆，形成了一系列与盐岩相关的构造圈闭，如Vahall油田。

南北海盆地的盐岩主要为区域性盖层，其厚度约450 m。厚层的盐岩对下伏赤底统砂岩内的天然气形成了有效封盖，避免了天然气的逸散。同时，由于盐岩表现出的可塑性，当发生挤压或拉张断裂作用时，盐岩发生塑性流动形成盐相关构造，有效的减弱断层对盖层的破坏。因此南北海盆地大型气藏的保存均得益于优质的区域性盖层——上二叠镁灰统盐岩。

图5 北海盆地主要圈闭类型示意图Fig.5 Major types of traps in the North Sea basin

4 结论

(1)北北海盆地在三叠-侏罗纪时期强烈拉张断陷并差异沉降，主要发育以断陷为主的盆地，沉积了中下侏罗统的砂岩和上侏罗统基末利黏土组页岩，从白垩纪开始转入全盆地大面积的坳陷热沉降期，形成了以上侏罗统为主要烃源岩的多套生储盖组合。

图6 北海南、北盆地沉积埋藏史对比图arison of sedimentary-burial history in the north and south North Sea basin

图7 北海南、北盆地主要烃源岩生烃演化对比图Fig.7 Comparison of hydrocarbon-generation evolution of the main source rocks in the north and south North Sea basin

(2)南北海盆地受华力西造山运动的影响，到石炭纪晚期，北海中部和南部地区均转变为华力西前陆盆地，同时在盆地内堆积了较厚的近海煤系地层，形成了以上石炭统为主要烃源岩的生储盖组合。

(3)控制这种差异性的主要因素是北海南、北盆地构造演化历史、沉积埋藏史和盐岩对油气成藏作用的不同。

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