準噶爾盆地北緣哈山構造帶油氣輸導系統與運聚規律

王圣柱，吳倩倩，程世偉，薛雁，陳平

中石化勝利油田分公司勘探開發研究院西部分院，山東東營 257000

準噶爾盆地北緣哈山構造帶油氣輸導系統與運聚規律

王圣柱，吳倩倩，程世偉，薛雁，陳平

中石化勝利油田分公司勘探開發研究院西部分院，山東東營 257000

哈山構造帶經歷多期構造運動的疊加改造，造成地層的重復、缺失或倒轉，地質結構復雜，油氣成藏規律認識不清，制約了研究區的高效勘探。以已發現的油氣藏和探井為研究對象，采用分單元解剖、地質與地化分析相結合的思路方法，運用有機地球化學手段追蹤油氣運移路徑，明確了不同構造單元的油氣輸導配置樣式，建立了4種油氣運聚模式。研究結果認為：瑪湖凹陷和哈山地區發育的風城組烴源巖在水體鹽度、氧化—還原性等沉積環境指標方面存在差異。原油(油砂)生物標志化合物、含氮化合物等多參數運移路徑示蹤表明，淺層斜坡帶與中深層推覆—沖斷帶的原油具有不同的油氣來源，兩者分屬于不同的油氣輸導系統：斜坡帶的原油來源于瑪湖凹陷的風城組烴源巖，其生成的油氣通過“斷—毯”高效輸導路徑運聚成藏，具有遠源供烴、橫向輸導的特點；推覆—沖斷帶的原油主要來源于哈山地區的風城組烴源巖，整體表現為烴源巖近源供烴、斷層垂向輸導的成藏特征，可進一步細分為3種運聚模式：推覆疊置區斷裂、溶蝕孔縫發育，為“斷—縫”復雜網絡輸導，沖斷疊加區為“斷層—砂體”階梯狀輸導，褶皺變形區為斷層優勢輸導—砂體輔助輸導。上述研究成果對哈山構造帶的油氣勘探具有重要的指導意義。

地質結構；輸導模式；地化示蹤；盆緣斜坡帶；推覆—沖斷帶；哈山地區

0 引言

哈拉阿拉特山(下文簡稱哈山)構造帶為晚古生代哈薩克斯坦—準噶爾板塊與西伯利亞板塊發生碰撞形成的增生型造山帶[1]，屬于準噶爾盆地西北緣山前帶的東段。勘探實踐證實，山前構造帶“內部”蘊涵著豐富的油氣，是尋找大中型油氣田的重要領域[2]。前期在哈山構造解釋模型的指導下，取得了良好的勘探效果，相繼發現了春暉和阿拉德油田[3-5]，初步形成了斜坡帶、推覆帶和沖斷帶多構造單元、多層系立體含油的勘探局面。但隨著勘探的不斷深入，鉆井揭示不同地質單元的油氣富集程度不同，如何尋找優質的油氣富集區帶，成為制約研究區高效勘探的重要瓶頸。哈山構造帶經歷多期構造運動的疊加改造，致使對不同單元的油氣運移特征及富集規律不清楚，亟需開展油氣優勢運移路徑識別及運聚模式研究，深入認識不同單元的油氣成藏規律。筆者以已發現的典型油氣藏與重點探井為研究對象，采用地質結構解剖與地球化學分析相結合的研究思路，在精細厘定油氣源的基礎上，重點開展油氣輸導要素配置樣式及優勢運移路徑研究，查明不同構造單元的成藏主控因素及油氣富集規律，建立相應的油氣運聚模式，以期為研究區的油氣勘探提供一定指導。

1 地質概況

哈山構造帶位于準噶爾盆地北緣，整體呈北東東向展布，南部緊鄰烏夏斷裂帶、瑪湖凹陷，北部以達爾布特斷裂為界與和什托洛蓋盆地相接，東西兩側分別為石西凹陷和扎伊爾山構造帶，有利勘探面積逾1 000 km2。自晚古生代以來，準西北緣地區經歷多期盆地性質的轉換。石炭紀末準噶爾洋盆閉合，準西北緣全面結束了大洋演化階段[6]，早二疊世進入碰撞造山后的伸展裂陷盆地演化階段，佳木河組沉積期火山活動強烈，火山巖普遍發育，風城組沉積期處于裂陷湖盆鼎盛期和萎縮期，火山活動明顯減弱，發育火山巖、云質巖和碎屑巖混合沉積。早二疊世末期區域應力場由拉張變為擠壓，受構造擠壓作用影響由先期的裂陷盆地演變為晚二疊世的類前陸盆地；二疊紀末期的晚海西期構造運動造成石炭系和下二疊統的強烈推覆沖斷，哈山構造初具雛形。三疊紀—白堊紀進入陸內拗陷盆地演化階段[7]，晚三疊世印支期構造運動使得先期的大型推覆斷層、沖斷斷層復活，并產生新的次級斷裂，哈山再次強烈隆升，經歷該期構造運動哈山基本定型；侏羅紀及以后的構造活動強度明顯減弱，侏羅系、白堊系超覆于三疊系或推覆體老地層之上，受燕山期構造運動的影響，整體表現為“底超頂削”的特征[3,8]。新生代以來南北向的區域擠壓應力造成準噶爾盆地南緣的伊林黑比爾根山和博格達山的強烈隆升，進入再生前陸盆地演化階段，沉積了巨厚的新生代地層，準噶爾盆地北緣哈山地區發生構造隆升掀斜，達爾布特斷裂左行走滑使先期構造進一步復雜化。

哈山構造帶為大型的逆沖推覆構造[9-10]，具有 “垂向分層，平面分帶、分段”的構造特點。根據地層歸屬、卷入地層變形特征及構造樣式差異，剖面上劃分為兩套構造層：下構造層主要充填上古生界石炭系、二疊系地層，以發育推覆構造和沖斷構造為特征；上構造層指三疊系及其上覆地層，構造變形相對較弱，超覆于哈山推覆體之上，表現為“底超頂削”的寬緩斜坡。受不同時期區域構造應力作用和充填地層差異控制，構造變形強度及構造樣式平面上具有分帶性特點，自北向南分為3個構造條帶：北部為走滑改造帶，受新生代近南北向擠壓應力與哈山構造帶小角度斜交派生剪切應力的影響，達爾布特斷裂發生左行走滑形成花狀構造樣式；中部為受多期構造擠壓作用形成的推覆—沖斷疊置(疊加)帶；南部為傳導擠壓應力在瑪湖凹陷北斜坡形成的斷彎褶皺和斷展褶皺變形區，即逆沖褶皺帶。受區域擠壓應力作用方式、大小及充填地層屬性等因素控制，不同構造部位發生差異運動形成風城和紅旗壩橫向調節帶，將推覆—沖斷帶分割為烏爾禾推覆疊置區、夏子街沖斷疊加區和紅旗壩斷褶區等多個構造變形區(圖1)。

2 油氣輸導系統劃分

2.1 火山巖“硬殼層”

哈山構造帶表現為“早動早衰型”演化特點，晚海西期哈山即開始推覆造山，并形成哈山雛形，至印支運動末期，哈山基本定型[4-5,11]，哈山推覆體長期處于隆起狀態，其頂部的石炭系火山巖長期經歷風化淋濾作用。K+，Na+，Ca2+，Mg2+等離子易于析出遷移，Al、Fe、Ti等元素難于遷移，隨風化程度的增加K2O、Na2O、CaO和MgO等礦物質含量呈減少趨勢，Al2O3、Fe2O3、SiO2等氧化物含量則相對增加[12]。因此，可以根據不同元素具有明顯的遷移差異性，采用巖石風化指數對風化殼結構進行識別[13]。根據哈淺1、哈淺6等多口探井的巖芯(巖屑)樣品巖石礦物元素相對含量的對比分析認為，推覆體頂部的火山巖長期遭受風化淋濾作用的影響，不整合發育5層結構，自上而下劃分為黏土層、水解層、溶蝕帶、崩解帶和原巖。風化淋濾對不整合面附近巖石的儲集物性具有明顯的控制作用：黏土層儲集物性最差；溶蝕帶和崩解帶的儲集物性最好，孔隙度平均值為8.59%，滲透率平均值為14.12×10-3μm2；水解帶分布穩定，厚度一般為15～20 m，雖然其發育一定的孔隙(孔隙度一般為0.88%～2.58%)，但由于處于近地表淋濾環境，其孔隙、裂縫多被方解石等礦物充填膠結，致使溶蝕孔洞及裂縫連通性較差(滲透率一般<0.1×10-3μm2)，形成物性致密的火山巖“硬殼層”。正是由于該“硬殼層”的存在，使得多口探井在推覆體頂部均未見油氣顯示。

圖1 準噶爾盆地北緣哈山構造帶構造單元劃分圖Fig.1 Division of tectonic units of Hala'alat structural belt in the northern margin of Junggar Basin

2.2 風化黏土層

風化黏土層位于不整合面之上，以發育淺灰色、灰白色、雜色黏土巖為特征。哈山推覆體經歷印支期長期的剝蝕夷平演化過程，之后侏羅系八道灣組超覆沉積于準平原化推覆體之上，形成了侏羅系底部的區域性不整合。研究中首先根據巖芯、露頭巖石樣品的礦物組成及元素相對含量進行不整合結構層的識別劃分，其次，精細標定明確不整合各結構層的常規測井曲線和地震地球物理響應特征，在此基礎上，進行不整合風化黏土層的分布預測。研究認為，該期不整合面之上風化黏土層普遍發育，厚度一般為3～8 m。隨著黏土層埋深的不斷增加，壓實作用逐漸增強，儲集性能迅速變差(孔隙度一般<5%，滲透率<1×10-3μm2)，使其成為良好的遮擋層，可有效阻止油氣的垂向運移或散失[14]。

2.3 灰(泥)質底礫巖層

侏羅系八道灣組沉積初期，研究區物源供給充足，廣泛發育沖積扇沉積[15]。鉆井巖性統計，在侏羅系底部不整合風化黏土層之上發育了厚度一般為1.3～4.5 m底礫巖，且分布較為穩定。由于沉積期處于較干旱蒸發環境，表現為灰(泥)質膠結，底礫巖層的儲集物性遠小于其上覆砂巖層的儲集物性[3]，構成了研究區的另一套致密分隔層。

研究認為，侏羅系底部的不整合和推覆體火山巖頂部的不整合結構層發育，其中的黏土層、灰(泥)質底礫巖層和火山巖“硬殼層”巖性致密，阻止了斜坡帶和推覆—沖斷帶之間的油氣“交換”，將哈山構造帶分隔為深淺兩套油氣輸導系統。

3 油氣運移路徑識別

3.1 油源分析

近期勘探證實，哈山構造帶呈現多構造單元、多層系立體含油，稀油—稠油、低熟油—成熟油—高熟油共存的特點。哈山構造變形形成演化平衡剖面復原分析，風城組沉積期表現為廣盆式沉積特征，后期強烈的構造改造使得推覆體下部及推覆疊片內部不同程度的“殘留”發育風城組烴源巖[4]。風城組烴源巖發育于以低等水生生物供給為主的半咸水—咸水、還原性沉積環境，具有植烷優勢、高β-胡蘿卜烷含量、低Ts/Tm比值、高伽馬蠟烷含量、C20-C21-C22三環二萜烷呈上升型分布，ααα-20RC27

3.2 油氣運移路徑識別

原油是由不同分子結構的有機化合物組成的復雜混合物，由于不同構型化合物分子的極性及吸附能力的差異，使得油氣在運移過程中隨著運移距離的增加，其物理性質和化學成分發生規律性變化。因此，可以利用原油運移過程中的地質色層效應原理進行運移路徑的示蹤。有機地球化學色譜—質譜測試技術可以實現原油中分子化合物的鑒定，從而為從源到藏之間的運移路徑識別提供了可能。原油中不同構型的生物標志化合物和含氮化合物參數比值或相對含量的變化是油氣運移路徑示蹤的有效指標[18-19]。

不同構造單元的原油運移參數系統對比研究，發現多個參數指標在斜坡帶與推覆—沖斷帶分界面附近存在“突變”現象，表明深淺圈閉中賦存的油氣具有不同的輸導路徑。規則甾烷參數(20R-αββ/20R-αααC29)的分餾效應可以很好的指示油氣的運移距離，相對而言，斜坡帶原油的分餾作用更加明顯，其運移距離遠大于推覆—沖斷帶原油的運移距離(圖3)。從原油中含氮化合物的相對含量分析，斜坡帶哈淺5、哈淺3、哈淺6等井八道灣組原油的1，8/1，5二甲基咔唑、1，8/2，7二甲基咔唑和1，8/(2，4+2，7)二甲基咔唑等比值自南向北呈增大的趨勢，表明油氣的橫向運移特征；推覆—沖斷帶原油的上述比值由哈深斜1井風城組至哈淺6井風城組、石炭系呈自下而上增大的趨勢，表明油氣的垂向運移特征(圖4)。原油運移地球化學參數示蹤分析，在另一方面也證實了斜坡帶和推覆—沖斷帶屬于不同的油氣輸導系統：斜坡帶原油為瑪湖凹陷的風城組烴源巖生成的油氣遠源、橫向運聚的結果，推覆—沖斷帶原油為哈山地區的風城組烴源巖生成油氣近源、垂向運聚的產物。

圖2 哈山地區不同構造單元油氣源地化參數散點圖Fig.2 Scatter plot of crude oil and source rocks parameters of different structural units in Hashan area

圖3 哈山地區不同構造單元油氣運移分餾效應散點圖Fig.3 Scatter plot of hydrocarbon migration fractionation effect of different structural units in Hashan area

4 油氣運聚模式

4.1 斜坡帶“斷—毯”輸導模式

哈山構造帶淺層斜坡帶自身不發育烴源巖，表現為圈源分離、瑪湖凹陷烴源巖供烴、遠源運聚成藏的特點。經歷印支期的剝蝕夷平作用，整體表現為寬緩的斜坡構造背景，發育了侏羅系八道灣組和西山窯組兩套穩定分布的厚層砂體，且其具有較好的儲集物性及連通性，成為斜坡帶油氣大規模橫向運移的高效輸導毯和倉儲層。在哈山推覆造山的同時，瑪湖凹陷內發育了烏27井斷層、夏紅北斷層等一系列推覆沖斷斷層，其深部溝通了瑪湖凹陷的風城組烴源巖，淺部與八道灣組和西山窯組的“毯砂”對接，成為油氣垂向運移的油源網，后期的中生界層內調節斷層溝通了上述“毯砂”及其之上的孤立砂體，成為油氣運移的調整網。斷層、砂體配置構成了研究區的“斷—毯”輸導格架(圖5)。瑪湖凹陷烴源巖生成的油氣通過油源斷層或次級油源斷層垂向運移進入斜坡帶的“毯砂”橫向運移，調節斷層對“輸導毯”內的油氣進行再分配，在與調節斷層溝通的毯上孤立砂體中聚集成藏。油氣運移路徑示蹤分析，在研究區西部沿烏35、烏34、烏2、哈淺8、哈淺6井一線，八道灣組原油樣品的三環二萜烷/17α-藿烷、20R-αββ/20R-αααC29和1，8/1，3二甲基咔唑等多個參數發生規律性變化；在研究區東部沿風18、重8、哈淺20、哈淺21井一線，西山窯組原油樣品的上述參數也呈規律性變化，指示上述兩個構造條帶為斜坡帶原油的優勢運移路徑，因此，在其構造高部相應地發現了春暉油田和阿拉德油田。瑪湖凹陷內的油源斷層與“毯砂”對置關系控制了斜坡帶油氣的分布層位，調節斷層斷穿層位及啟閉性控制了油氣的毯上或毯內成藏，“毯砂”儲集物性控制了油氣富集。

4.2 推覆—沖斷帶“多斷”聯合輸導模式

哈山推覆—沖斷帶逆沖斷層和沖斷斷層發育，包裹體均一溫度存在75℃～90℃、115℃～125℃和145℃～155℃ 三個溫度區間，表明斷層多期幕式活動，斷裂帶附近巖芯、薄片可見裂縫被原油或瀝青充填，表明幕式活動斷層及伴生裂縫是油氣運移的重要通道。推覆—沖斷帶不同部位的構造樣式、斷層與砂體等輸導要素的時空配置控制了油氣運聚差異，呈“上下分層、東西分段”的特點。

圖4 哈山地區不同構造單元油氣運移分餾剖面圖Fig.4 Section of hydrocarbon migration fractionation of different structural units in Hashan area

圖5 哈山地區盆緣斜坡帶“斷—毯”輸導模式圖Fig.5 Model of "fault-carpet" transportation of basin margin slope zone in Hashan area

晚海西期和印支期強烈的構造擠壓使得哈山大規模推覆造山，在推覆斷層前端形成烏爾禾斷層傳播褶皺，因而在西部的推覆疊置區和瑪湖凹陷之間形成一大型向斜構造。哈深斜1井三疊系—夏子街組主要砂層段定量顆粒熒光分析，顆粒熒光強度(QGF Intensity)平均值為0.43，顆粒萃取液熒光強度(QGF-E)平均值為12.3，而哈淺1、哈淺22等井的油層熒光強度大于2.0，萃取液熒光強度大于100，表明哈深斜1井的上二疊統和三疊系砂層段無油氣運移的痕跡[20]，因此，瑪湖凹陷烴源巖生成的油氣沿砂體橫向運移進入推覆體成藏的可能性較小。但推覆疊置區以發育火山巖脆性地層為特征，大型推覆斷層及其伴生裂縫非常發育，在近地表風化淋濾和后期有機酸溶蝕改造作用下溶蝕孔洞縫發育，構成了油氣運移的“斷—縫”網狀輸導系統(圖6)。F3、F6等大型推覆斷裂為油氣運移提供了高速通道，風化殼淋濾型和爆發相內幕型火山巖有利儲層為油氣聚集提供了場所，油源斷層與優質儲層兩者時空配置控制了油氣富集成藏。

研究區中東部主要發育二疊系、三疊系碎屑巖地層，以高角度疊瓦沖斷構造樣式及其伴生的斷層相關褶皺為特征。在中部的沖斷疊加區為多期沖斷疊置形成的多級構造臺階，沖斷斷層溝通了沖斷疊片內和沖斷帶下部的烴源巖與二疊系、三疊系砂體，構成了“斷層—砂體”階梯輸導格架(圖7)。烴源巖生烴演化與沖斷斷層的繼承性活動控制了油氣的幕式成藏，如夏69井二疊系風城組稠油、稀油和三疊系克拉瑪依組稀油、天然氣為風城組烴源巖生成油氣沿“斷層—砂體”輸導通道幕式運聚的產物。烴源巖、沖斷斷層與砂體形成良好時空配置的圈閉是該區帶勘探的有利目標。

圖6 哈山推覆疊置區“斷—縫”網狀輸導模式圖Fig.6 Model of "fault micro-fracture" net-shaped transportation in the nappe superimposed region in Hashan area

圖7 哈山沖斷褶皺疊加區“斷層—砂體”階梯輸導模式圖Fig.7 Model of "fault-sand" ladder transportation in the thrust superimposed region in Hashan area

東部褶皺變形區受印支期構造運動擠壓作用的影響，地層發生強烈的褶皺變形，呈“溝梁”相間的構造格局。構造變形一方面造成了地層的剝蝕，先期油藏的調整或破壞，如新2井風城組油砂中抽提物C29甾烷20S/(20S+20R)比值為0.32，C29甾烷ββ/(ββ+αα)比值為0.20，甲基菲指數MPI換算成熟度Ro為0.78%，表明原油成熟度較低，表明其為早期油藏破壞的產物；另一方面使得油氣沿砂體橫向運移的距離很大程度上受到限制，即晚侏羅世—早白堊世二次生烴期，烴源巖生成的油氣沿油源斷層垂向運移至淺部砂體后的橫向運移距離往往局限在單一褶皺內(圖7)，油氣表現為沿斷層垂向、側向優勢輸導，砂體輔助輸導特點，這也是油氣沿夏紅南和夏紅北斷裂帶富集的重要原因。烴源巖生烴演化、構造褶皺變形與油源斷層優勢輸導、砂體輔助輸導時空配置控制了褶皺變形區的油氣運聚成藏。

5 結論

(1) 地質結構解剖和有機地球化學分析，淺層斜坡帶和中深層推覆—沖斷帶之間存在黏土層、灰(泥)質底礫巖層和火山巖“硬殼層”，兩者具有不同的油氣來源及輸導要素配置樣式，分屬不同的油氣輸導系統。

(2) 構造樣式及輸導要素時空配置控制了斜坡帶、推覆疊置區、沖斷疊加區和褶皺變形區不同構造單元的輸導差異性，具有縱向分層、橫向分帶的特點，建立了4種油氣運聚模式。

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Hydrocarbon Transmission System and Accumulation in Hala’alat Mountain Structural Belt in the Northern Margin of Junggar Basin

WANG ShengZhu,WU QianQian,CHENG ShiWei,XUE Yan,CHEN Ping

West Branch, Research Institute of Petroleum Exploration and Development, Shengli Oilfield, SINOPEC, Dongying, Shandong 257000, China

The Hala’alat Mountain structural belt is controlled by the multi-period structural superposition during the long geohistory, which caused stratum repetition, absence or reversion, the geological structure is complicated, and the rule of hydrocarbon accumulation is not clear, which restricts the efficient hydrocarbon exploration. Through typical reservoirs and wells dissecting, the geological structure of anatomy and the combination of organic geochemical analysis, based on the geological chromatographic effect principle of molecular compounds in crude oil in the process of migration, the study is performed in the characteristics of hydrocarbon transport in different tectonic units. The style of hydrocarbon migration in different tectonic units is cleared, and four models of hydrocarbon migration and accumulation are established. The geochemical fingerprint parameter characteristics of source rocks are contrasted and analyzed in detail, the sedimentary water salinity, oxidative indicators are different in Mahu Depression and the Hala’alat Mountain structural belt of the source rocks of Fengcheng Formation. Hydrocarbon migration is studied through geochemical tracing based on biomarker compounds and nitrogen compounds of crude oil (oil sand). The results showed that the shallow slop zone and the middle-deep nappe-thrust zone had different source rocks, and belonged to different hydrocarbon transporting systems. Through the “fault-carpet” highly efficient transportation framework for hydrocarbon accumulation, the reservoir-formation characteristics of the slop zone which was mainly derived from the Fengcheng Formation source rocks in Mahu Depression generally showed distal lateral transportation and carpet-edge enrichment. The reservoir-formation characteristics of the nappe-thrust zone which was mainly derived from the Fengcheng Formation source rock in Hashan area generally showed proximal vertical and “multi-fault” transportation. Furthermore, the style of “multi-fault” model can be further subdivided into three types, which are fault micro-fracture net-shaped model in the western nappe superimposed region, the fault-sand ladder model in the middle thrust superimposed region, the fault dominant and sand body assisted model in the eastern faulted fold region. The results have important guidance for the exploration of hydrocarbon in Hala’alat Mountain structural belt.

geological structure; transport pattern; geochemical tracing; basin margin slope zone; nappe-thrust zone; Hashan area

1000-0550(2017)02-0405-08

10.14027/j.cnki.cjxb.2017.02.017

2015-08-05； 收修改稿日期： 2016-05-01

國家科技重大專項專題(2016ZX05002-002)；中石化科技重大攻關項目(P13020)[Foundation: National Science and Technology Major Project, No.2016ZX05002-002; SINOPEC Science and Technology Major Project, No. P13020]

王圣柱，男，1979年出生，博士，高級工程師，石油地質，E-mail: pillar1979@163.com

TE122.1

A