油气形成之后,它们从哪里聚集,我们又从哪里采收呢?这引出一个概念:油气聚集单元。
为了方便了解油气藏在时间和空间上的分布,人们通常以油气生成、聚集和分布规律的理论作指导,将地壳上油气聚集单元按规模由小到大一次划分为油气藏、油气田、油气聚集带、含油气系统和含油气盆地。前面提到的油气藏是地壳内最基本的油气聚集单元。受单一构造或地层因素控制的圈闭内,一个至数个油气藏,可构成油气田。油气田常因共同的地质控制因素和共同的油气补给来源而成群出现,从而构成油气聚集带。一系列油气聚集带形成于一个更大范围之内,有其相似的油气生成、运移、聚集过程和共同统一的地质发展历史,从而可组成含油气盆地。
1 油气藏
油气藏是地壳上的油气聚集的基本单元。在受单一局部构造控制的同一面积内的油气藏,每个油气藏都应具有统一的压力系统和油水界面
2油气田
油气田是在同一构造面积内,受同一构造运动所控制的上下叠置的若干个不同油气藏的总和,若干个油气藏可组成一个油气田。如果在这个构造范围内只有油藏则称为油田;只有气藏则称为气田;如果既有油藏,又有气藏,则称为油气田。
3油气聚集带
油气田常受一定地质条件的控制而成群成带出现,构成具有一定储量规模的油气聚集带。也就是说,这些油气田都不是孤立单一存在的。油气聚集带是在同一个二级构造带或岩性—岩相变化带中,互有成因联系、油气聚集条件的一系列油气田的总和。油气聚集带和油气田有时很难区别,例如大庆油田也可以称为大庆长垣油气聚集带。从地质发展的观点分析,有利的油气聚集带应当是有长期继承性隆起背斜型油气聚集带,特别是离油源区近、储集岩相带发育,在构造形成较早的油气聚集带含油气较有利。沉积盆地边缘的大单斜带,是有利的储集岩发育区,有利于形成大单斜油气聚集带。
石油和天然气都是流体,在地下岩层中流动运移聚集时必须具有动力。研究表明,促使油气流动运移聚集的动力主要有:
(1)地静压力 是由上覆沉积物(岩)产生压实作用后,其重量所造成的负荷。地静压力大小随上覆地层的厚度和密度的增大而增大。在沉积盆地里,生油层往往在盆地中心区,其颗粒细、厚度大、地静压力大,地温也高;而在盆地边缘地带地层颗粒粗,孔隙发育,物性好,厚度薄,地静压力小,地温也较低,从而使盆地中心与边缘形成压力差,中心部位地层中的水和生成的油气则在此压差下向边缘地带运移聚集。
(2)水动力 当沉积物压实固结成岩石以后,地静压力由岩石颗粒骨架所承担。储集层中孔隙内的流体所承受的压力不是地静压力,而是储集层内流体本身的重量引起的压力。若储集层连通地表存在泄、供水区,进入储集层中的油气受水压的作用,方向视水的来源而异。这种地下水流动所产生的动力称动力压力,即为水动力。储集层供、泄水区之间高程差产生的水压越大则动水压力越大。水在储集层中的运动速度与水压梯度即沿着水流方向上单位距离的压力降成正比。动水压力使水携带着油气一起运移。
(3)构造运动力 构造运动力促使油气运移是间接的。它是由地壳运动造成的各种地质构造应力,地壳无论是挤压运动或升降运动都会在岩层内部表现出大小和方向各异的应力活动,主要有挤压应力,拉张应力和剪切应力等。构造运动力使地下岩层形成新的构造格局,打破原来的压力分布区的平衡,油气重新由压力高的地区向压力低的地区运移聚集。同时构造运动力使地下岩层产生裂缝、断层,为油气运移聚集打开了新的通道。板块构造学说对石油地质学的发展产生了巨大影响,板块构造学说是从大陆漂移假说开始,经海底扩张学说发展,于20世纪60年代形成较完善的理论体系,突出特点是将活动论的观念带入了地球科学研究之中。板块构造理论从全球大地构造演化的角度,系统论述了含油气构造的成因和构造运动力对油气生成、运移、聚集的关系,阐述了全球油气分布规律,有力地指导了油气勘探。
(4)浮力 当油气进入饱含水的储集层之后,因为石油和天然气的密度比水小而发生重力分异作用,即气轻上浮,水重下沉,油居中间,所以游离相的油气在水中存在浮力,浮力的大小与油气密度和体积有关。浮力的方向垂直向上,在水平地层中,油气垂直向上运移至储集层顶面即盖层的底面;在倾斜地层中,油气则沿地层指向上倾的方向运移聚集。
(5)毛细管力 流体在很细的管道(毛细管)或缝隙中自动升降的现象叫毛细管现象,在地层中任何方向的细小孔道和裂缝,都有毛细管现象存在。毛细管孔隙直径介于0.5-0.0002mm之间,裂缝宽度介于0.25-0.0001mm之间。如:若在盛有油、水两相的烧杯中插入一个毛细管,其中水对毛细管是湿润性的,而石油对毛细管是非湿润性的,湿润性是指流体附着固体的性质,是一种吸附作用。由于水对毛细管存在附着力即吸引力,可将水向上托起一定高度h,直到使水面上升的动力与水柱的重力达到平衡,在毛细管中存在两相或多相流体时,流体界面两侧会产生压力差,其值等于界面两侧非湿润相压力减去湿润相压力。方向由湿润相指向非湿润相,这种两相界面上的压力称为毛细管压力。其值可用公式表示:
Pc=2σcosθ/r
式中Pc—毛细管力,N/cm2;
σ—油水界面张力,N/cm2;
θ—接触角(界面与孔隙间夹角);
r—毛细管半径
毛细管压力的作用,在烃源岩与储集层的界面处表现为动力,由于烃源岩孔喉较小,储集层孔喉较大,两者之间存在毛细管压力差,其合力的方向指向孔喉较大的一侧即储集层方向,推动油气向储集层排出聚集。
(6)热力 在沉积盆地中,地下温度随烃源岩的埋藏深度增加而增加,导致流体热膨胀,促使热液流体的运动。不同地区,地温梯度不同,水的膨胀情况也不相同。由于流体的膨胀系数比岩石颗粒的膨胀系数大得多,盆地中心较深温度很高,盆地边缘埋藏浅温度较低,因此,孔隙中油气会由盆地中心向盆地边缘运移聚集。
(7)蒙脱石脱水作用 蒙脱石是一种膨胀性粘土,所含结构水较多,一般含有4个或4个以上的水分子层,这些水分子按体积计算可占整个矿物的50%,按重量计可占22%。这些结构水在压实作用和热力作用下会有部分甚至全部转化成为孔隙水,在蒙脱石脱水过程中,其矿物性质也随之改变,最终蒙脱石会转变为伊利石。这一过程与温压条件有关,蒙脱石矿物转化率增加较快的深度大约是3000m,温度约为93.3℃。这些新增的流体必然要排挤烃源岩孔隙中原有生成的石油和天然气流体,从而起到排烃促使油气运移聚集的作用。
(8)有机质生烃作用 石油及天然气来源于有机质,分散的有机质经历了复杂的生物化学及化学变化,通过腐泥化及腐殖化过程形成了干酪根(kerogen)。干酪根生成后能够生成大量的油气及水分子,其体积大大超过了原有干酪根本身的体积。这些不断新生的流体进入烃源岩的孔隙中,必须不断排挤原来孔隙中已存在的流体,驱替原有流体向外排出,若此时流体不能及时排出时,就会导致烃源岩孔隙流体压力增大,出现异常压力排烃作用。说明烃源岩生烃过程也孕育了排烃和油气运移聚集的动力。
4 含油气系统
含油气系统(Petroleum System)代表了20世纪90年代石油地质学的最新进展。一般认为,含油气系统是一个相对独立的油气生成、运移、聚集的自然系统,该系统包括有效烃源岩及所有与其有关的油气聚集,还包括形成油气聚集所需要的所有地质作用和地质要素。
“系统”一词描述的是相互依赖的各种地质要素和作用,这些要素和作用组成了能形成油气聚集的功能单元。“地质要素”包括烃源岩、储集岩、盖层及上覆岩层。“地质作用”则包括圈闭的形成及烃类的生成、运移和聚集。这些地质要素和作用必须有适当的时空配置,才能使源岩中的有机质转化为油气,进而形成油气藏。含油气系统分布于已知所有这些基本要素和作用都出现的地区,也就是说,只要有含油气系统存在就必须有上述地质要素和作用过程。
含油气系统与含油气盆地、含油气区、油气聚集带等不同级别的油气聚集单元之间密切相关,而又彼此有所区别。含油气系统是介于含油气盆地(或含油气区)与油气聚集带(或成藏组合)之间的一个油气地质单元。在一个含油气盆地或含油气区内,可有若干个含油气系统重叠分布;在平面上,不同时代、不同类型的含油气系统则可展现在一个或若干个油气聚集带中。含油气系统的研究重点是烃源岩与油气藏之间的成因关系,即查明盆内或区内烃源岩有机质在何时以何方式转化为烃?油气在何时以何方式运移?何时何地聚集成藏?油气藏的类型及分布规律如何?从含油气系统研究所必须完成的主要图件来看,它又是一种石油地质综合研究方法。
5含油气区
油气聚集带往往具有同样的油气来源,所发生的油气生成和聚集过程处在同一个含油气区域内的称为含油气区。沉积盆地的洼陷区域不断沉降,伴随着长期的沉积作用,容易导致石油和天然气的生成与聚集。这种适于油气生成与聚集的洼陷在地壳上多分布在沉积坳陷中。在每一个沉积坳陷中,地质发展历史和沉积岩系发育特征都具有统一性,油气生成与聚集过程也有同样的规律性。因此,在石油地质工作中,将属于同一大地构造单位,有统一的地质发展历史和油气生成及聚集条件的沉积坳陷,称为含油气区。
6 含油气盆地
一个或若干个含油气区具有统一的发展历史,可以组成一个含油气盆地。沉积盆地是地壳上在某一地质历史时期内,曾经稳定下沉,并接受了巨厚沉积物的统一沉降区。在沉积盆地中,如果发现了具有工业意义的油气田,那么,这种沉积盆地就可视为含油气盆地。因此,凡是地壳上具有统一的地质发展历史,发育着较好的生、储、盖组合及圈闭条件,并已发现油气田的沉积盆地,都称为含油气盆地。根据盆地发育的地球动力学环境,含油气盆地可分为裂陷盆地、压陷盆地、拉分盆地和克拉通盆地4大类。构造对含油气盆地形成过程的控制作用越向深部越复杂,表现出岩性地层圈闭增多,非常规储层比例增大。陆相盆地的主要勘探目标集中在盆地岩性地层油气藏、低孔-低渗油气藏和深层油气藏。一个不争的事实是:油气赋存于沉积盆地中。正如一位地质学家所说的那样:“没有盆地就没有石油”。
一、拉张破裂的结局——裂谷盆地
Griggs(1894)将具陡而长、两壁平行的沉降谷称为裂谷,是最常见的大型岩石圈拉张破裂而形成的纵长形断陷或拗陷。
裂谷盆地是极其重要的含油气盆地,国内外在该类盆地的油气勘探都取得了重大进展,探明了丰富的油气资源。我国石油地质工作者经过40年的勘探,相继在松辽及渤海湾盆地发现了大庆、胜利、辽河等一系列大油气田,使东部地区拥有全国探明石油地质储量的80%,发现探明储量大于1×108t的油气田28个,年产石油超过1×108t,成为在陆相裂谷盆地找到石油最多的国家,而且积累了世界上最丰富的陆相石油地质资料,为系统总结中国东部油气聚集规律和陆相石油地质理论创造了条件。
(一)盆地的形成机制和构造演化特征
裂谷的形成是拉张作用的结果,但是张性构造可以在重力滑动、拉张、挤压、扭动、上拱、差异负荷和压实等条件下形成。
裂谷系形态多种多样,有断槽状、锯齿状、雁列状、三叉式等。迪肯森(W.R.Dickinson,1976)将裂谷环境盆地划分为内克拉通盆地、边缘拗拉槽、原始大洋裂谷、冒地斜沉积棱柱体、陆堤、新生洋盆、弧间盆地和扭张性盆地。
根据裂谷盆地构造演化阶段,可分为裂谷前期、裂谷断陷期和裂谷拗陷期三个阶段,处于不同演化阶段的裂谷盆地其石油地质特征有较大的差异。
中国东部中、新生代裂谷盆地的形成演化大体可划分为以下几个主要发展阶段。
(1)初始张裂阶段
由于太平洋板块俯冲,上地幔物质热膨胀作用造成局部异常,断裂活动导致盆地初始断裂,并伴有强烈岩浆活动。
(2)断陷发育阶段
太平洋板块俯冲强烈,上地幔物质热膨胀作用加剧,断块、断陷差异沉陷十分强烈。
(3)拗陷发育阶段
太平洋板块俯冲减弱,俯冲带向东迁移,上地幔物质由热膨胀转为冷却收缩,地壳整体下沉,由断陷转为拗陷发育阶段。
二、年长的克拉通盆地
克拉通指地壳上长期稳定的构造单元,即地壳中长期不受造山运动影响,只受造陆运动发生变形的相对稳定部分。
克拉通盆地包括形成在克拉通周边环境的和克拉通内部的盆地。发育在克拉通边缘的盆地常被划分为前陆或前渊盆地。裂谷或拗拉槽可以发育在陆壳之上,属于克拉通内部盆地的一类。依据地壳性质、相对于板块活动的构造位置、盆地的形态和发育历史,可将克拉通内盆地划分为简单内克拉通盆地和位于早期形成的裂谷或其他类型盆地之上的复杂克拉通盆地。
克拉通盆地的沉积可达几亿年之久。克拉通盆地长期相对稳定的地质背景,可形成多套生油岩、储集层和多种类型的圈闭。活化的或交替活动的断裂有利于油气的运移,引起油气的重新分布。沿古构造带往往构成了克拉通盆地内的油气富集中心。
(一)沉积特征及生储盖组合
在世界主要克拉通含油气盆地中,从寒武纪到白垩纪都有烃源岩分布,岩性主要为泥岩、页岩和碳酸盐岩等,烃源岩厚度变化较大,一般为20-1000m。不同盆地有机质丰度差别很大,如塔里木盆地有机质丰度较低,依利诺斯盆地、威利斯顿盆地有机质含量较高,有机质类型较好,大多为Ⅰ、Ⅱ型。在同一盆地不同的演化阶段,有机质的分布特征可能存在差别,如西西伯利亚盆地下侏罗统为腐殖型(Ⅱ2~Ⅲ)有机质,上侏罗统主要为腐泥型有机质,侏罗系有机质含量由下而上逐渐增高。白垩系阿普第阶有机质为腐殖型,塞诺曼阶为腐泥型,尼欧克姆阶为腐泥一腐殖型。
克拉通盆地中分布有丰富的储集层,在与裂谷形成有关的克拉通盆地与无裂谷的克拉通盆地之间,储集层的分布特征有所差别。一般在下方无裂陷的克拉通盆地,沉降速率较慢,沉积与沉降保持同步;在盆地发育期间,较快的沉降速率形成饥饿型内克拉通盆地,其四周为碳酸盐滩和三角洲边缘,快速沉降导致储集层沿盆地周缘分布,并在盆地边缘形成典型的三角洲和海岸砂岩以及与生物礁有关的碳酸盐滩和台地。在下伏有裂谷分布的克拉通盆地,裂谷作用形成地堑和倾斜的地块,它们均分布有储集层;克拉通盆地的快速沉降期常为封盖层岩石的沉积期,在纵向上储集层与盖层有多种匹配形式,在侧向上,储集层可相变为非渗透性岩层,形成侧向储盖组合。
(二)油气聚集和分布特征
在世界各大洲都分布有克拉通盆地。克拉通盆地内分布着十分丰富的油气资源,目前已在许多大型的克拉通盆地发现了大油气田,如西西伯利亚盆地、依利诺斯盆地、密执安盆地、威利斯顿盆地、巴黎盆地等。Carmalt和St.John(1986)研究了世界上不同类型含油气盆地大型油气田的分布情况指出,克拉通盆地大油田数和大油田油当量位居各类盆地的第二。在所有大型油气田中,发育在克拉通盆地中的石油占总量的11%以上,所含的天然气占总量的48%以上,即占总油当量的1/4。
三、油气资源最丰富的前陆盆地
前陆盆地是位于褶皱山系前缘与毗邻克拉通之间的沉积盆地。它包括从山前拗陷到克拉通边缘斜坡的过渡区。前渊盆地、山前拗陷、山前拗陷一地台边缘拗陷、山前拗陷地台斜坡等概念都属于前陆盆地范畴。
前陆盆地形成于挤压构造环境,与A型俯冲和B型俯冲作用有关。一般前陆盆地的演化都要经历由伸展环境向聚敛环境过渡的过程,也可以叠加在克拉通边缘盆地、裂陷槽或大陆内裂谷—拗陷之上。盆地的沉积空间主要由冲断负荷诱发的挠曲作用形成。有人把大陆内挤压挠曲作用形成的盆地也归为前陆盆地,称类前陆盆地。
典型前陆盆地结构不对称,靠近造山带一侧较陡,在其演化过程中遭受变形作用较强;盆地近克拉通一侧较宽缓,与地台层序逐渐合并。由造山带向克拉通方向,前陆盆地可划分为三部分:(1)褶皱—冲断带;(2)深凹(拗)带;(3)稳定前陆斜坡和前缘隆起。褶皱—冲断带有褶皱推覆体、叠瓦推覆体等类型,下部常见双重构造;前缘隆起部位常发生挠曲应力产生的张性或张扭性断裂;盆内构造样式以台阶状逆断层及相关褶皱为特征,冲断方向从造山带指向克拉通。被动大陆边缘层序中的正断层在前陆盆地阶段可能反转。
前陆盆地一般存在一套或几套由细变粗的反旋回沉积。若后期变形作用强烈,可显示地层旋回的不完整性。前陆盆地的早、中、晚期层序间常为不整合面,前缘隆起、冲断带上的不整合较为发育。前陆盆地的沉积物来源一般是单向的,在发育早期,冲断体位于海平面之下,物源主要来自克拉通方向;当冲断体向前陆推进出露海平面之上,来自冲断体的削蚀组分占主要位置。
由于冲断—褶皱带重荷是变动的,古老的前陆盆地本身也可被卷入逆冲变形之中并且抬升,在变形带的前方又形成新的前陆盆地。因此,沉降中心、沉积中心和边缘尖灭线不断迁移是前陆盆地的基本特征。
(一)前陆盆地的石油地质条件
前陆盆地是世界上油气资源最丰富的一种盆地类型,不管是储量还是产量,这类盆地都很高。世界上已在21个前陆盆地中发现石油可采储量大于7000×104t的大油气田,国外许多著名的含油气盆地,如西加拿大盆地、波斯湾盆地、落基山盆地、东委内瑞拉盆地、阿拉、斯加北斜坡盆地、阿巴拉契亚盆地等都是前陆盆地。我国川西北、酒西、库车、塔西南等拗陷也都具有前陆盆地的特征。
典型前陆盆地具有两类烃源岩系,即被动大陆边缘沉积型和前陆拗陷型烃源岩系。岩石类型主要为海相碳酸盐岩、页岩和陆相泥页岩。例如落基山前陆盆地,区内的烃源岩系既有下伏广泛分布的台地相石灰岩和页岩,又有弧后前陆期的白垩系湖相地层。又如美国的阿科马前陆盆地,发育有寒武系至密西西比系三套地台层序的海相页岩和碳酸盐岩烃源岩,又发育宾夕法尼亚系前渊的陆相含煤碎屑岩烃源岩系。无论是大陆边缘型烃源岩还是前陆拗陷型烃源岩,其成熟的生油气中心总是靠近深拗带一侧,受造山期间的挤压以及地层负荷的作用,深拗陷部位的油气沿断层、不整合面或渗透储集层向上或向克拉通一侧进行运移。
典型前陆盆地的储集岩体总体上也可分为两大体系,即下部以台地相碳酸盐岩为主体的储集体系和上部以陆相碎屑岩为主体的储集体系。例如,乌拉尔前陆盆地带从泥盆纪到三叠纪共发育五套储集层,其沉积环境经历了由海相到陆相的变迁过程,既有大陆边缘沉积,又有造山过程的复理石—磨拉石沉积。
背斜构造圈闭、断层圈闭和地层圈闭是前陆盆地内最为普遍也是最为重要的圈闭。背斜构造圈闭主要为一些逆冲断层相关褶皱,分布在靠近盆地逆掩冲断带一侧。断层圈闭既有裂陷阶段形成的由正断层构成的断块圈闭,亦有后期受造山运动影响在逆掩冲断作用下形成的由冲断层构成的断层圈闭以及早期正断层反转形成的断块或在前缘隆起轴部张扭性断裂形成的圈闭等。与逆冲断层有关的断层圈闭主要发育在受冲断作用比较强烈的山前地带;与正断层活动有关的断层圈闭,一是发育于早期的裂谷盆地内,二是发育在晚期靠近地台一侧。前陆盆地的地层圈闭主要发育在靠近地台一侧,多期构造升降会形成多个不整合面。另外前陆盆地地层总是向克托通方向逐渐超覆,因此,不整合是前陆盆地常见的和重要的一类圈闭。
总体上看,前陆盆地的油气田分布主要是受圈闭展布特点的控制在靠近冲断带一侧或冲断带内,主要是背斜和断层圈闭油气藏,例如落基山山前冲断带的Pineview油田(该油田是冲断带内首次发现的油田,1975年发现。它的发现引起逆掩断层勘探热)、阿尔伯达盆地科迪勒拉山前冲断带内的特纳古油气田、阿巴拉契亚山前的普涅夫油田和格维兹别茨油田等都是与滑脱冲断构造及断层相关的褶皱圈闭,我国川西北前陆盆地受龙门山冲断—褶皱带构造控制,形成了河湾场、中坝、孝泉等一系列断裂褶皱为圈闭主体的油气田,酒西前陆盆地的老君庙构造带也是一个受冲断层控制的断层褶皱带,在其中发现了老君帕宾纳油田、阿科马盆地的麦克阿勒斯特—金塔—卡斯特维尔聚气带等;在前缘斜坡带也存在因基底冲断作用形成的基底卷入型厚皮构造圈闭,例如落基山盆地Hakolo31-6油田为一倒转背斜油田。在平面上,前陆盆地内的油气围绕生油气中心呈条带状分布于平行造山带的构造
由于造山带活动以及冲断带不断挤压,盆地内油气藏会受构造运动而不断调整、改造和再分布,因此,前陆盆地都是油气藏遭破坏比较严重的一类盆地,例如西加拿大盆地、东委内瑞拉盆地都是世界上名列前茅的重质油和沥青砂盆地。(石油知识编辑部)