松辽盆地西斜坡小太平山地区油砂富集规律与成藏控制因素研究

2020-10-21刘轶松梁雪健康海平刘天恒杨孝杰

吉林地质 2020年3期

徐飞，刘轶松，梁雪健，康海平，刘天恒，杨孝杰

中化地质矿山总局吉林地质勘查院，吉林长春 130022

0 引言

油砂又称沥青砂，是砂、沥青、矿物质、黏土和水组成的混合物。松辽盆地西斜坡含有丰富的油砂资源，从2007年至2020年，我院先后与吉林省调查地球物理研究所、吉林大学油气研究所和中国地质调查局油气资源调查中心等合作，在松辽盆地西部斜坡区域内，完成了“吉林省镇赉县大岗机械林场和西北沟一带油砂矿的普查、详查”、“松辽盆地西部斜坡区油砂矿基础地质调查和成藏研究”和“松辽盆地西斜坡油砂矿地质调查”等项目，详细调查了小太平山地区内油砂形成地质条件等因素、分布特征、主控因素和富集规律。小太平山区位于吉林省西北部，行政区划隶属于吉林省白城市镇赉县管辖。地理位置为东经123°05′～123°38′，北纬45°35′～45°48′。

1 地质背景

松辽盆地是一个发育在古生代褶皱基底之上自白垩纪以来形成的大型中新生代沉积盆地。根据中浅层构造地质特征，考虑深层构造和基底性质，将松辽盆地划分成6个一级构造单元，即西部斜坡区、北部倾没区、中央坳陷区、东北隆起区、西南隆起区和东南隆起区。松辽盆地具有“双层”结构，下为断陷层，上为坳陷层，断陷层发育时间早，坳陷层发育比较完全。

松辽盆地基底为前古生代、古生代变质岩、火成岩系；沉积盖层从侏罗纪至新生代均有发育，总厚度达11 000 m以上，沉积盖层以白垩系为主，厚7 000 m以上，为主要的生油层、储油层。

2 油砂富集规律

油砂钻探结果显示，松辽盆地西斜坡从浅至深共发现两个含油砂层位，其中嫩江组含油砂层以油砂层数少(1～2层)，单层厚度薄，含油率高为特征，岩性主要为细砂岩，上部直接被灰黑色泥岩所覆盖；姚家组含油砂层以油砂层数多(2～8层)，总厚度大，单层厚度变化大(0.2～2.24 m),含油率变化大(3%～11.17%)为特征，含油砂层岩性主要为粉砂岩、细砂岩。

2.1 平面分布

前人认为松辽盆地的油砂主要分布于盆地西斜坡的盆缘白城—富拉尔地区，仅在图牧吉地区发现[1]，通过以往资料收集和老井调查，在西斜坡镇赉大岗—西北沟复查区百余钻井揭露了油砂赋存状况。2015年课题组在研究区内进行基础调查，同样揭露了深部油砂的存在，2016年在研究区西北部及中部实施钻探深部验证，也揭露油砂存在。因此，松辽盆地西斜坡的油砂在平面上分布范围较广，从西北部向东南方由图牧吉—镇赉大岗—西北沟—小太平山均已显示油砂富存(图1)。

2.2 垂向分布

松辽盆地垂向上已发现的油气藏层段有：泉一段、泉二段、泉三、泉四段、青一段、青二、青三段、姚家组及嫩江组各段、明水组。这些含油气层分属下、中、上、浅含油气层组成。

图1 松辽盆地西斜坡油砂顶面等深图(据文献[1]，修改)Fig.1 Contour map of the top surface of oil sands on the west slope of Songliao Basin(according to literature[1]，modified)

通过深部钻探揭露，在研究区内嫩江组一段、姚家组二、三段为含油砂层，在研究区西北部镇赉大岗—西北沟复查区内上百口钻井，揭露含油砂层位为姚家组二段、三段。因此推断姚家组二段、三段是松辽盆地西斜坡油砂主要赋存层位[2]。

松辽盆地西斜坡为向东南倾斜的简单斜坡。从图牧吉油砂基岩露头可知，岩层产状，总体走向为25°～205°，倾向南东，倾角为2°。从图牧吉油砂露头到大岗—西北沟油砂埋深147.5 m，再到研究区内见油砂层埋深达370～530 m，油砂层位由北北西向南东东方向赋存深度逐渐加深。

通过研究区及镇赉大岗—西北沟区钻井资料整理分析，包括老井复查工作收集到的6口钻井、2015年3口钻井及2016年5口地质调查井资料。根据测试结果，以含油率大于3%的数据进行统计，形成油砂埋藏深度直方图(图2)。从图中可以看出复查区油砂埋藏普遍较浅，在地下250 m以内，而研究区油砂埋藏均较深，最深达地下530 m。

图2 研究区和大岗—西北沟油砂埋藏深度直方图Fig.2 Histogram of oil sand buried depth in research area and Dagang-Xibeigou area

编制了油砂埋深等深线图(图3)。从图中可以初步判断油砂层北西西向南东东方向逐渐加深，西北角ZK5500油砂埋深在147.5 m，向南东依次加深，东南侧油砂出露最深为533.38 m。镇赉大岗—西北沟油砂埋藏深度主要集中在250 m以内，而研究区内油砂埋藏主要集中在350～550 m。

图3 研究区和大岗—西北沟油砂埋藏等深线图Fig.3 Burial contour map of oil sand in research area and Dagang-Xibeigou area

2.3 厚度变化

通过研究区及镇赉大岗—西北沟内14口钻井资料整理分析，包括老井复查工作收集到的6口钻井、2015年3口钻井及2016年5口地质调查井资料。对钻孔见矿厚度采用剔除泥质夹层、致密层和不够标准的差油砂层，确定了各井油砂层的累计厚度(表1)。

表1 研究区及大岗—西北沟钻井见矿厚度统计表

根据测试结果，以含油率大于3%的数据进行统计。目前已有钻孔资料显示，镇赉大岗—西北沟复查区油砂厚度集中在5～8.7 m范围内(图4)，且油砂厚度分布较均匀，而研究区油砂厚度变化较大，分布不均匀，最厚为12.40 m，最薄为0.2 m。

图4 研究区和大岗—西北沟油砂累计厚度直方图Fig.4 The cumulative thickness histograms of oil sand in the study area and Dagang-Xibeigou area

利用统计数据形成油砂埋深等厚线图(图5)。从图中可知，研究区内和镇赉大岗—西北沟内均有厚层油砂分布。总体上复查区厚度大于研究区内油砂层厚度，厚度从0.2～12.2 m均有分布，油砂厚度最大点为研究区南部ZK1503井。

图5 小太平山及大岗—西北沟区油砂埋藏等厚线图Fig.5 Isopach map of oil sand burial in Xiaotaipingshan and Dagang-Xibeigou area

3 成藏主控因素

油砂矿的形成过程是各种成藏要素在有效的匹配条件下，油从分散到集中的转化过程。能否有丰富的油砂聚集，形成储量丰富的油砂藏且被保存下来，主要取决于生油层、储集层、盖层、运移、圈闭和保存等成藏要素的优劣。松辽盆地油藏的形成、分布与富集是多方面因素综合作用的结果。

3.1 有机质来源

西斜坡有两个潜在的油源区：一是西斜坡本身，可能的源岩层为嫩江组和青山口组；二是齐家—古龙凹陷侧向运移至西斜坡。

油砂地球化学特征显示松辽盆地西斜坡原油为成熟—高成熟度原油。张维琴等认为西部斜坡烃源岩处于未成熟阶段，只能生成少量的未成熟—低成熟油。由此可见西斜坡成熟原油并非生于原地。对西斜坡储层中原油样品由东向西进行系统取样和分析，利用原油中的咔唑类含氮化合物研究得出西斜坡的原油经过长距离的运移，运移距离可能达到100 km以上。大量资料显示松辽盆地西斜坡油源来自齐家—古龙凹陷[3]。

至于西斜坡油源来自齐家—古龙凹陷的哪个层位没得到统一认识。目前有三种认识：其一认为原油来自齐家—古龙凹陷的青山口组，其二认为原油来自齐家—古龙凹陷嫩江组，其三认为原油来自齐家—古龙凹陷嫩江组和青山口组。2009年孙国昕发现，姥鲛烷、植烷的相对丰度可以区分嫩江组一段和青山口组烃源岩[4]。通过对齐家—古龙凹陷数据库大量相关资料统计分析，他认为西斜坡大部分油源来自于青山口组，只有在西斜坡中部个别井段显示油源来自嫩一段。本文更倾向于第一种看法，油气主要为青山口组烃源岩产生。侯启军通过对烃源岩有机碳含量、氯仿沥青“A”、总烃、生烃潜量等对比，认为齐家—古龙凹陷青一段烃源岩综合评价为最好的烃源岩，同时也是松辽盆地最好的烃源岩[5]。青一段烃源岩相关参数有机碳含量平均值达到2.13%，一般分布于1.0%～3.0%之间，氯仿沥青“A”平均值达到0.43%，主0.4%和0.9%之间。总烃平均值达到4 149×10-6。生烃潜量平均值达到18.49 mg/g。

西斜坡区位于齐家—古龙凹陷生油中心的西部，油气通过向西侧向运移可以进入西斜坡储集层中，良好的烃源岩条件为松辽盆地西斜坡区油砂的成藏提供了良好的油源条件。

3.2 储层特征

通过对镇赉大岗—西北沟复查区及研究区岩心精细观察(图6)，及综合收集前人研究分析，松辽盆地西斜坡下白垩统主要识别出半深湖亚相和三角洲前缘亚相，进一步划分7种沉积微相类型(表2)。

图6 小太平山区钻孔沉积相柱状图Fig.6 Sedimentary facies histogram of boreholes in Xiaotaipingshan area

表2 小太平山区沉积相

半深湖亚相主要以静水泥微相和浊流微相，静水泥微相为大段的灰色—灰黑色泥岩，中间夹有叶肢介化石；浊流微相为泥岩中间夹的少量薄层的砂岩。三角洲前缘亚相识别出水下分流微相、河口坝微相、远砂坝微相、席状砂微相和分流间湾微相。

水下分流河道微相为以灰色粗—中砂岩为主；河口坝微相为大段以灰色—灰绿色的中—细砂岩为主，呈厚层状，粒度均一，多成松散状；远砂坝微相为河口坝的远端沉积，特征相似，仅在规模上比河口坝要小，岩石粒度要细，以灰色—灰绿色的细砂—粉砂岩和泥岩组成，少量的中砂岩，多成互层状产出；席状砂微相为薄层的粉砂岩以及粉砂岩与泥岩互层，沉积物较远砂坝较细，以灰色—灰绿色粉砂岩为主，少量的细砂岩和泥质粉砂岩，成薄层状产出；分流间湾微相沉积物为该沉积序列最细部分，以灰色—灰绿色—杂色泥岩为主，夹少量的泥质粉砂岩和粉砂质泥岩，厚度大小不一，同时出现砂泥互层与砂泥混杂现象。

三角洲相前缘亚相的河口坝微相、远砂坝微相是油砂储集的优势微相。西斜坡大范围三角洲相前缘亚相为西斜坡油砂的成藏提供了良好的储集空间。

3.3 盖层条件

盖层对油气藏形成和保存起至关重要的作用，盖层的空间分布控制着油气运移和成藏范围，呈现出相当规模的油气藏一定有良好的盖层。

研究区嫩江组一段主要为半深湖的灰黑色、黑色泥岩层，含少量泥质粉砂岩，粉砂质泥岩，垂向上泥岩厚度分布最大，作为区域性盖层，在研究区保存完整，作为油砂层的区域盖层，使油砂中原油得以封闭并保存。

3.4 油气运移特征

松辽盆地西斜坡的原油主要来源于齐家—古龙凹陷，原油侧向西运移，并且从齐家—古龙凹陷到西部斜坡区原油降解程度逐渐加剧。通过资料收集整理，目前西斜坡原油运移输导通道主要有三种基本类型：有一定孔渗条件的砂体; 二是具有渗透能力的断裂或裂隙体系; 三是可作为流体运移通道的不整合面。

西部斜坡在盆地发展过程中长期处于区域性单斜状态，自盆地西部向边缘拗陷区倾斜，构造平缓，断层不发育，仅见少量小规模断层，根据钻井资料(研究区内钻孔ZK1503)西北方向推测出一条北东向逆断层，倾向南东，断距20～30 m，该断层对油砂的分布和保存具有控制作用，断层东侧上升盘油砂埋深在360～400 m之间，断层西侧下降盘，由于嫩江组泥岩下降局部阻断的油气的继续向西运移，导致断层西侧(研究区内钻孔ZK1502)没有钻遇油砂，区域性小断层起到的阻隔和圈闭油砂的作用。但在平缓的单斜坡上发育一些低幅度的构造，如鼻状构造，面积较小的背斜圈闭等也起圈闭油砂的作用(研究区内钻孔吉镇地1井、吉镇地2井)。

通过的工作圈定口我们初步认为不整合面和断裂在中央凹陷附近及地层深部具有重要的输导作用，随着油气向西进入西斜坡缓坡带，油气向西向上运移，断裂减少，储层物性好的砂体及局部断层发育的地区成为油气输导的主要通道(图7)。

此外古气候古地理环境也会对成藏有一定影响作用(黄清华[6]等，1999)。

古气候环境：结合对岩性颜色、对孢粉和植物化石研究资料显示(图8)，松辽盆地青山口组孢粉地植被以常绿阔叶林为主，草本植物居次，反映了此时气候已演变成热带气候。

图7 松辽盆地西斜坡油砂运移模式Fig.7 Migration mode of oil sand on the west slope of Songliao Basin

图8 松辽盆地白垩纪植物成分、古气温和干湿度图(据黄清华等，1999)Fig.8 Cretaceous plant composition, palaeo-temperature and humidity map in Songliao Basin (according to HUANG Qing-hua，1999)

姚家组以常绿叶林为主，反映一种热带类型气候的延续，姚二三段孢粉植被中针叶林含量逐渐增加，而常绿叶林逐渐减少，岩性中红色泥岩发育，反映了古气候已由湿润气候变成半湿润亚热带气候。嫩江组孢粉植被以针叶林为主，反映气温较姚家组时期有所升高，到嫩五段气候逐渐变得干旱，为半湿半干气候。四方台组孢粉植被以草本植物为主，沉积主要为一套红色碎屑岩沉积，此时气候已变成干燥。明水组孢粉植被以针叶林为主，显示出气温又下降，温度有所增加，此时气候由半干旱转为半湿润气候。

古地理环境：西斜坡油砂矿的形成与松辽盆地的发展演化密切相关，中生代伊始，太平洋板块以北西方向持续向欧亚大陆板块进行俯冲作用，经历了中—晚侏罗世强烈构造-热事件之后，在晚侏罗世末期松辽盆地开始了伸展裂陷，构造体制由左旋压扭逐渐向伸展转变，使大陆板块处于强烈的拉伸状态，在其内部形成一系列的裂谷带，松辽盆地是当时一个典型的、规模较大的裂谷带。这种拉伸作用没能使基底地层被拉断，没有出现新的海洋，但形成了规模巨大的内陆淡水湖泊。板块碰撞的弹性反弹作用使湖底频繁升降，湖水时深时浅，白垩纪时松辽盆地经历多次升降过程。不同时期的沉积环境形成一套特殊的岩石组合。

松辽盆地在晚白垩世青山口期湖面宽广，水量充足而且水深，气候温暖潮湿，介形虫、叶肢介等生物大量繁殖。盆地相对平静期接受泥质岩石沉积，随着盆地沉降接受大量的生物遗体与粉砂质碎屑混合物沉积，其后遇盆地平静期接受泥质碎屑沉积，形成烃源岩层。晚白垩世姚家期处于陆相三角洲前缘相沉积环境，形成了三角洲砂体。明水期—古近纪时期,烃源岩开始成熟并大量生烃, 烃类沿沉积盆地边缘或构造破裂面向和不整合面浅处运移, 进人浅部姚家期砂体中。运移过程中到达地层浅处时, 由于浅层地下水或地面大气水将溶解的氧和微生物带入，使原油发生明显的生物降解、水洗、游离氧的氧化和轻质组分的蒸发, 迅速向重油演化, 在姚家期砂体中形成含油砂体。该含油砂体随着湖盆的不断沉降沉积物不断加厚，含油砂屑的压力、温度不断加大，使之逐渐固解成岩形成油砂。