论油气地表化探烯烃异常成因机制及其意义:以塔里木盆地库车坳陷米斯布拉克地区为例

林玉祥,朱传真,赵承锦,吴玉琛,宋喜林,米晓利,张 岗

(1.山东科技大学 地球科学与工程学院,山东 青岛 266590;2.中国石油 东方地球物理公司 综合物化探处,河北 涿州,072750)

0 引 言

库车坳陷是塔里木盆地北部的一个中、新生代坳陷,也是目前塔里木盆地油气勘探的主要区域[1–3]。库车坳陷包括北部单斜带、克拉苏-依奇克里克构造带、拜城-阳霞凹陷、秋里塔克构造带和南部斜坡带,面积 26350 km2,勘探主要目的层为新近系、古近系、白垩系及侏罗系。目前已在克拉苏-依奇克里克构造带和秋里塔克构造带先后发现了克拉2气藏、依南2气藏、大北1气藏、大宛齐油藏和迪那2气藏[4–5],油气资源丰富。米斯布拉克地区位于库车坳陷北部单斜带(图1)。本区1999～2001年部署过电磁阵列剖面(CEMP)、重磁及二维地震勘探。但由于本区地形复杂、地表岩性结构多变,地震资料品质较差,区带结构不清,构造不落实,地下油气分布情况不甚明了。为了进一步了解该区含油气特征,在该区进行了化探工作,取得了较好的效果。

在该地区地表化探热释烃和游离烃中发现了高强度烯烃异常,此现象在国内外地表油气化探中极为罕见。根据前人对烯烃物理化学性质的研究[6–7],烯烃中 C＝C由一个 σ键和一个 π键组成,由于 π键的不稳定性,烯烃化学性质活泼,易发生加氢反应而形成饱和碳链有机物。因此,经过较长的地质作用,在地表不易形成高强度的烯烃异常。本文从米斯布拉克地区烯烃异常的分布特征出发,结合油气地质条件,分析高丰度烯烃来源及其异常成因机制,指出地表高强度烯烃异常的形成是深部有机质热演化及油气输导体系的地表响应,并在此基础上总结了烯烃异常形成的地质模式及其控制要素,对研究烃类气体来源及预测油气勘探有利区具有重要的指导意义。

图1 库车坳陷米斯布拉克地区化探工区位置Fig.1 The map of the Meath Braque,Kuqa Depression showing the geochemical exploration working area

1 烯烃丰度特征及来源分析

1.1 化探工作概况及烯烃丰度特征

为了进一步了解库车坳陷北部油气资源分布,对米斯布拉克地区进行了化探工作,化探工区面积约620 km2(图1),按500 m × 500 m测网布设采样点,在米斯布拉克油苗区加密,按250 m × 250 m测网布设采样点,共采集地表土壤样品2642个,全部进行了热释烃分析。

热释烃分析方法为将野外采集的样品晾干,手工碎样,取过筛(0.176 mm孔径)后样品10.0 g于热释管内,真空抽气密封后,置于热释炉中,100～220 ℃加热,保持至少45 min后,注入氢氧化钠溶液去除CO2,最后用玻璃注射器抽取气体送入气相色谱仪对各烃类气体进行测定,可识别出甲烷等气态烃组成(图 2)。检测限为φ(i)≤0.05 × 10–9,测定范围φ(i)≥0.5 × 10–9。

图2 热释烃气相色谱图Fig.2 A chromatogram of thermal released hydrocarbons

从热释烃各烃类组分含量的统计结果来看(表1),与国内其他化探工区地球化学场相比,甲烷等烷烃指标丰度偏低,而烯烃含量却异常高。热释烃乙烯平均含量达 2.77×10–9,丙烯平均含量达5.11×10–9。另外,本区游离烃乙烯平均含量达8.59×10–9,丙烯平均含量达 2.75×10–9,与我国部分化探工区相比(表2),该区游离烃烯烃丰度明显高出了苏北潘庄、二连准鹏、青海木里、松辽南部的游离烃烯烃及四川新场和鄂尔多斯含量与游离烃指标相关的物理吸附烯烃丰度[8–12],说明该区油气中烯烃含量丰富。

表1 库车坳陷米斯布拉克地区化探热释烃和游离烃指标丰度特征Table 1 Characteristics of geochemical exploration indices for thermal released hydrocarbons and free hydrocarbons in the Meath Braque,Kuqa Depression

表2 我国部分化探工区烯烃丰度特征对比Table 2 Comparison of olefin abundance in some geological prospecting areas in China

1.2 烯烃来源分析

烯烃主要存在两种来源: 一是来自浅层或地表的生物化学作用;二是来源于有机质在高过成熟阶段的热裂解作用[13]。从该区的烃源岩演化特征来看,三叠系和侏罗系烃源岩都已达高过成熟演化阶段。库车坳陷的天然气样品中大部分甲烷含量较高,研究区南部克拉 2气藏甲烷含量高,达 94.36%～98.63%,C2+气态烃含量 0～0.85%,属高-过成熟天然气[14]。一般 C1/(C2+C3)在 0～50之间为深部成因气,该比值大于1000则完全反映地表生物成因特征[15]。米斯布拉克地区热释烃和游离烃指标该比值分别为8.21和18.31,表明近地表检测的热释烃和游离烃与地下热演化成因的油气有关,基本没有浅层或地表生物化学作用的影响。热释烃组分中烯烃含量(36.21%)与湖南南岭魏家热液成因且成矿过程中含有机质参与的钨矿上方土壤烃类指标中烯烃含量(35.73%)相当[16],说明在该区烯烃指标在一定程度上反映了地下有机质热裂解特征,与国内其他学者研究成果相符[14,17–19]。且在邻近研究区南部的克拉202井和克拉 1井白垩系产层天然气中检测到有明显含量的C2～C4烯烃(图3),克拉202井在埋深4000多m处由微生物作用生成烯烃的可能性不大,可以推断,这些烯烃主要是由有机质高温裂解生成[14],而后通过运移至地表形成了烯烃的高强度异常。

图3 库车坳陷克拉1井和克拉202井天然气色谱图Fig.3 Gas chromatograms of the natural gases from Kela-1 well and Kela-202 well in the Kuqa Depression

2 烯烃异常分布特征及其主控因素

2.1 烯烃异常分布特征

热释烃烯烃含量在满族塔木-卡列马-黑英山乡-博孜一线最高,可达11×10–9以上;沙拉依塔木-米2井区-米斯布拉克-黑英 1井区一线含量中等,多在5×10–9～10×10–9之间,卡路康下-巴什 2 井区含量最低,多小于 5×10–9。热释烃烯烃趋势剩余异常下限为 1.49×10–9,全区共有 764个异常点,异常率为28.9%(图 4)。异常多分布在东部、北部和中南部地区,西部零星分布高强度异常,东部和北部异常强度较大,中南部地区异常强度较小。工区西部异常主要分布黑英1井区、米斯布拉克、卡路康下和米2井区,其中黑英 1井区、米斯布拉克异常强度大,异常衬度高,但异常面积较小;卡路康下和米2井区地区异常强度较小,衬度较低,面积中等;工区东部异常主要分布在博孜以东和黑英山地区,异常强度大,衬度高,面积较大;工区北部异常主要分布在沙拉依塔木、卡列马和满族塔木地区,异常强度大,衬度高,面积较大。异常总体上呈环状展布。

2.2 烯烃异常分布控制因素

从地球化学场特征来看,热释烃烯烃为非均匀场。米斯布拉克地区烯烃异常分布主要受地表覆盖条件和地下地质条件的影响。地表覆盖条件是影响地表化探异常的形成和应用效果的重要因素。在米斯布拉克地区,地表覆盖条件主要包括地形地貌、土壤粒度和颜色等。该区主要存在农田、山地、戈壁、河谷和沼泽等5种不同的地貌景观。在不同的地貌景观区烯烃含量是不同的,沼泽区热释烃烯烃含量最高,达39.95×10–9,并按沼泽、农田、河谷、戈壁、山地的顺序其含量依次降低。且该区土壤样品中98%为砂土和亚砂土,统计结果表明砂土中热释烃烯烃含量略大于亚砂土,粒径对热释烃含量的影响不明显。

该区地下地质条件对烯烃异常形成的影响因素主要包括烃源岩分布及演化、油气藏类型和上覆盖层条件。其中上覆盖层条件对地表烯烃异常特征起着决定性的控制作用,尤其是输导断裂系统和遮挡层的各种配置关系影响最大。该区三叠系烃源岩和侏罗系烃源岩在全区均有分布,在库车期受喜马拉雅运动的影响,地层快速沉降,烃源岩皆已达到热裂解生干气的高-过成熟演化阶段,油气源充足。且该区发育有新近系吉迪克组膏泥岩区域性盖层,地下油气保存条件较好,烯烃异常的分布主要受连接烃源至地表的断裂与裂缝等运移通道的控制。在工区西南部黑英1井区-米斯布拉克-卡路康下一线,地层受后期构造挤压作用,地层抬升,烃源岩埋藏较浅(在黑英1井区出露地表),直接造成了烃类的快速逸散,在地表热释烃烯烃表现为高背景值。工区东部和北部异常主要分布在博孜以东-黑英山乡一线和沙拉依塔木-卡列马-满族塔木地区,异常强度较大,衬度高。该区域断裂发育密集,断面倾角较大,封闭性较差,热释烃烯烃异常的分布主要受断裂运移通道的控制(图5)。在断层上方,烯烃呈现明显的高值,总体上烯烃异常高值区与断层位置匹配性好,体现出烯烃沿断裂运移的特征。

图4 库车坳陷米斯布拉克地区热释烃烯烃趋势剩余异常异常Fig.4 The map showing olefin trend remaining anomaly of thermal released hydrocarbons in the Meath Braque,Kuqa Depression

3 烯烃异常成因分析

3.1 烃源岩及其演化特征

原始有机质经过成岩作用形成干酪根以后,在门限深度以下可形成天然气。其生气机理主要包括生物化学作用、热降解作用、热裂解作用和无机化学反应[20]。相比之下,有机质热裂解作用是该区高强度烯烃的主要来源。不同类型的干酪根生气能力不同,Ⅰ型和Ⅱ型干酪根以生油为主,也可以生成一部分天然气;而Ⅲ型干酪根则以生气为主,生油量有限[21]。

库车坳陷三叠系和侏罗系烃源岩沉积中心都处在北部单斜带,根据该区黑英 1井钻井结果,米斯布拉克地区烃源岩主要包括三叠系俄霍布拉克组(T1e)、克拉玛依组(T2+3k)和黄山街组(T3h)的浅湖相-深湖相暗色泥岩以及中、下侏罗统阳霞组(J1y)、克孜勒努尔组(J2z)和恰克马克组(J2q)的湖沼相煤岩、碳质泥岩[14,22]。三叠系烃源岩除黄山街组以Ⅲ型干酪根为主外,其他以Ⅱ2型和Ⅱ1型为主,三叠系烃源岩TOC值大多在0.80%左右,主要生油期为白垩纪-古近纪,此时其成熟度为1.0%～2.2%,12 Ma开始大量生气,生气强度达1000×106m3/km2;侏罗系烃源岩总体以Ⅲ型为主,有机碳含量在 1.00%～3.88%之间,其成熟期稍晚,中新统吉迪克组沉积期(23 Ma)到上新统库车组沉积期(5 Ma)为其大量生烃阶段,Ro值在 0.8%～1.2%范围内[17–18]。库车组沉积期(5 Ma)后三叠系烃源岩与侏罗系烃源岩均达到生气高峰期,成熟度分别达 1.8%～3.0%和 1.5%～2.6%,此时Ro值大于2.0%的过成熟区范围增大,有机质以热裂解生干气为主,生气强度在3000×106m3/km2以上[18,23],加之有机质类型偏差,生气母质 H/C原子比较小,为烯烃的生成创造了条件。

图5 库车坳陷米斯布拉克地区热释烃烯烃异常剖面图(剖面位置见图1)Fig.5 Cross section of the working area showing the olefin anomaly in the Meath Braque,Kuqa Depression(cross section position is shown in Fig.1)

3.2 沉积埋藏史特征

库车坳陷的发育受南天山造山作用和复活造山施加的垂向负荷作用控制,发生了多阶段沉降。中、新生代演化时期,库车坳陷除了在晚白垩世整体抬升外,其他时期都表现为整体沉降[24]。三叠纪由于塔里木板块和伊犁-中天山板块的相互碰撞,发生陆内俯冲、造山带构造负荷,造成了沉降速率的加快。侏罗纪沉降速率整体较缓慢。至侏罗纪末由于拉萨地体的拼贴作用,早白垩世沉降速率又加快,晚白垩世整体抬升,导致库车坳陷缺失上白垩统地层。古近纪开始,库车前陆盆地又发生缓慢沉降,沉降速率在沉降中心大宛齐-东秋 5井-阳霞凹陷一带较大,向北和向南沉降速率变小。新近纪由于印度板块与欧亚板块碰撞造成的远距离挤压效应,沉降速率逐渐加快,并在库车期沉降速率达到最大。这种地层沉降规律使得库车坳陷地层温度的升高具有“先缓后快”的特点[23](图 6),在库车期库车坳陷经历了快速沉降、深埋,地层温度快速升高,使得三叠系和侏罗系烃源岩快速进入生干气阶段,为烃源岩有机质裂解生成烯烃提供了温度条件。

3.3 异常压力演化特征

烯烃生成后在一定的输导动力作用下迅速排出烃源岩运移至地表,才会形成高强度烯烃异常。库车坳陷地层从侏罗系到新近系普遍发育异常高压,且超压中心多集中在北部地区。相比之下,同样不受地表生化作用影响的二连盆地准棚地区(表 2)压力体系以较低的高压为主,整体上油气垂向运移动力不强[25],从而造成了两地烯烃丰度的差异,同时也说明了异常高压对烯烃强异常形成的重要性。

库车坳陷异常高压的形成主要受控于欠压实、下部高压流体的充注和构造挤压等作用[26–27]。在中新统吉迪克组沉积以来侏罗系过剩压力始终大于上覆地层的过剩压力(图6),使得侏罗系烃源岩生成的烃类可以持续向上覆地层中充注。

侏罗系底部上新世末开始存在由于天然气生成而导致的超压,超压中心位于克拉苏构造带南部和依奇克里克周围,压力系数约为 1.5～1.6,米斯布拉克地区压力系数在 1.4左右,现今超压分布没有明显的变化,压力系数增大到1.8左右。

由于白垩系底部砂岩较发育,超压不易形成。古近纪至新近纪末,白垩系底部基本为常压;现今,由于构造挤压出现超压,超压集中在克拉苏-依奇克里克构造带,超压中心位于吐北2、克拉2和东秋5附近,压力系数在2.0以上,米斯布拉克地区白垩系压力系数略小于侏罗系压力系数。

图6 库车坳陷北部三叠系-下白垩统剩余压力和地温演化史Fig.6 The evolution history of excess pressure and formation temperature for Triassic-lower Cretaceous in the northern Kuqa Depression

古近系底部在古近纪末由于不均衡压实出现超压,超压分布在拜城凹陷周围,超压中心在大宛齐附近,新近纪末由于构造挤压作用超压分布发生明显变化,出现两个超压中心,吐北 1井超压中心压力系数达1.7,东秋5井超压中心压力系数达1.8;现今超压中心分布在克拉苏-依奇克里克构造带,克拉2井、东秋里塔格东部压力系数高达2.0,吐北2井附近压力系数为1.8。

新近系底部,在新近纪末期出现明显超压,超压中心为库车坳陷中南部提尔根地区,在南部英买7井、北部克拉 2井及其西南和克孜 1井周围压力系数达1.8以上,现今随着地层抬升剥蚀,超压基本消失。

异常高压的发育为烯烃快速运移到地表提供了动力条件,虽然现今地层压力有所降低,烯烃从烃源岩层向地表的运移速率有所减小,但温度的升高使烃源岩有机质裂解速率加快,烯烃的生成速率加大,烯烃量的增多弥补了运移速度变慢的不足,烯烃仍可运移至地表形成高强度烯烃异常。

3.4 断裂输导空间发育特征

作为油气垂向运移的主要通道,断裂体系对油气的输导具有双重性: 既可以作为油气的输导通道,也可以对油气起封堵作用,这主要取决于断层的封闭性。库车坳陷主要发育大量 NEE向的逆掩断裂,对于逆断层来说通常会形成断层面压力封闭及泥岩涂抹封闭而对油气失去输导空间作用,但许多学者认为断裂形成和活动时期是逆掩断层主要开启时期,逆掩断层活动过程中形成的断面裂缝是油气垂向运移和超压释放的主要通道。所以米斯布拉克地区断层的输导性能取决于断裂活动时期和烃源岩排烃期匹配关系的好坏[28–29]。

米斯布拉克地区构造活动强烈,主要发育了三排逆冲断裂带。工区逆掩断层具有多期活动性特点,但主要活动期为库车末期-西域期,此时气源岩处于生排气高峰期,断层的发育为烃类从烃源岩层的及时排出提供了良好的通道。从烯烃异常剖面图中可以看出(图5),整体上烯烃异常高值区与断裂发育位置匹配性好,断裂为烯烃的迅速排出提供了优良的输导通道体系;在南部地区烃源岩埋深比北部地区大,烃源岩裂解速率快、生成的烯烃量多,但由于北部地区断裂活动强烈,而南部地区近地表断裂稀少,烯烃异常主要分布在北部地区,这体现出断裂及其裂缝输导空间对地表烯烃强异常形成具有重要的控制作用。

综上所述,库车坳陷米斯布拉克地区烃源岩演化程度、地层沉降特征、输导动力及输导空间发育特征等因素都对烯烃异常的形成起到一定的控制作用。库车期及其以后,库车坳陷快速沉降、埋藏,地层温度迅速升高,使得三叠系和侏罗系源岩快速进入高温裂解生干气阶段,生成大量烯烃,生成的烯烃在异常压力的作用下,通过断裂的输导快速运移至地表,从而形成了该区高强度烯烃异常。

4 烯烃成因模式

前述分析认为有机质热裂解作用是本区烯烃形成的主要成因。通常情况下饱和碳链有机物在裂解过程中有一分子烷烃生成就会有一分子烯烃生成,但烯烃具有不稳定性,通常与周围的氢原子反应生成饱和烃。在这一演化过程中,随温度升高,干酪根的环化作用和芳构化作用提供了氢的来源[30]。烯烃等不饱和烃的存在说明烃源岩有机质分解过程中,加氢反应进行的不够完全或氢来源匮乏,可以将干酪根中的有机分子分为 3类: 链烷结构分子、环烷结构分子和芳环结构分子,烯烃的来源也可相应地分为3类(图7)。

不同类型的干酪根,演化过程中氢的来源多少也不相同,Ⅰ型干酪根在结构上以含脂肪族直链结构为主,多环芳香结构及含氧官能团很少,原始结构环化和芳构化程度低,裂解过程中氢来源较丰富;Ⅱ型干酪根在结构上属高度饱和的多环碳骨架,富含中等长度直链结构和环状结构,也含多环芳香结构及杂原子官能团,原始结构环化和芳构化程度中等,裂解过程中氢的来源中等;Ⅲ型干酪根在结构上以含多环芳香结构及含氧官能团为主,脂肪链状结构很少,且多连接在多环网格结构上,原始结构环化和芳构化程度较高,稳定性高,裂解过程中氢的来源较匮乏。

干酪根成熟度的不同也会对氢来源产生影响,根据前人对干酪根芳碳率的研究[31–33],干酪根在成熟过程中,脂构部分不断分解而生成油气,芳构部分缩合脱氢,而绝大部分的芳构碳仍残留在不溶有机质中。因此干酪根的芳碳率及芳构部分缩合程度会随着演化加深而增高,氢的来源会随之减少。所以干酪根成熟度越高,氢的来源就越少。

对高过成熟度的Ⅱ型干酪根和Ⅲ型干酪根来说,氢的来源更为匮乏,有机质裂解初期会有氢的参与生成饱和烃,但随着反应的进行氢来源越来越少,有机质就会在缺少氢的环境下裂解生成烯烃等不饱和烃。所以有机质裂解多以下列方式进行(以链烷结构分子裂解为例):

通过以上分析,米斯布拉克地区烃源岩以Ⅱ型和Ⅲ型干酪根为主,结构上富含短直链结构和环状结构分子,且演化程度都已达高过成熟阶段,因此认为该区烯烃主要来源于烷烃分子的裂解和环烷分子的解环过程。

5 高强度烯烃异常的地球化学意义

由于烯烃的化学活泼性,它会慢慢和其他含氢物质发生反应而形成稳定碳链结构有机物,所以生成的烯烃必须在较大的输导动力作用下通过优良的输导通道,快速排出烃源岩和运移至地表,才会在地表形成高强度烯烃异常。同时,高强度烯烃异常的存在也说明该区烃源岩现今仍处于热裂解生烃作用阶段,烯烃正在生成并快速向地表运移。

图7 烯烃来源反应示例图Fig.7 Schematic diagram of olefin formation reactions

综合考虑烃源岩有机质裂解生成烯烃的温度条件及烯烃从烃源向地表运移的输导动力和输导空间条件,地表高强度烯烃异常的形成须满足3个条件:(1) 有机质热裂解生成烯烃需要高温的存在,因此在区域沉积演化过程中烃源岩埋深需要达到一定深度并进入高过成熟演化阶段;(2) 烯烃向地表运移需要良好的运移通道,因此在区域构造演化过程中,需要较为发育的、沟通烃源与地表介质的断裂及裂缝系统,只有这些较大的输导空间才可成为油气快速运移的优势通道,使生成的烯烃及时运移至地表介质;(3) 烯烃从烃源岩快速运移至地表需要足够的垂向运移动力,因此在区域沉积、构造演化过程中也需有异常高压形成的条件,且异常高压存在的时间与烃源岩排烃期匹配较好,从而为烯烃快速排出烃源岩、运移至地表提供输导动力。

6 结 论

(1) 米斯布拉克地区热释烃乙烯平均含量达2.77×10–9,丙烯平均含量达 5.11×10–9。烯烃丰度明显高于国内其他地区。热释烃烯烃异常主要分布在研究区东部、北部和中南部,东部和北部为高背景值上的强异常,中南部为低背景值上的弱异常,异常总体上呈半环状,异常区域与地下断裂位置匹配性好,体现出烯烃沿断裂运移的总体特征。

(2) 烯烃来源分析表明,该区烯烃异常在一定程度上反映了地下有机质热裂解作用。该区烃源岩演化程度、地层沉降特征、输导动力及输导空间发育特征等因素都对烯烃异常的形成起到一定的控制作用。库车期及其以后,库车坳陷经历了快速沉降、埋藏,地层温度快速升高,使得三叠系和侏罗系烃源岩快速进入高温裂解生干气阶段,生成大量烯烃,生成的烯烃在异常压力的作用下,通过断裂的输导快速运移至地表,从而形成了该区高强度烯烃异常。

(3) 烯烃是干酪根达到高过成熟演化阶段在氢来源匮乏的环境下裂解形成的,来源方式可分为三类: 烷烃分子的裂解、环烷分子的解环和芳环结构分子的裂解。对高过成熟度的Ⅱ型干酪根和Ⅲ型干酪根来说,有机质裂解初期会有氢的参与生成饱和烃,但随着反应的进行氢来源减少,有机质就会在缺少氢的环境下裂解生成烯烃等不饱和烃。

(4) 地表高强度烯烃异常的形成指示了地下烃源岩处于高温、高压环境以及沟通地下烃源与地表的良好输导空间的存在。因此地表高强度烯烃异常可以有效地指示地下油气分布情况。

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