鄂爾多斯盆地南部延長組長8油藏油氣充注期次

丁 超，郭 順，郭 蘭 ，郭小波 ，杜貴超 ，吳洪帥

（1.西安石油大學地球科學與工程學院，西安710065；2.陜西延長石油（集團）有限責任公司資源與勘探開發部，西安710075；3.延長油田股份有限公司，陜西延安716000）

0 引言

多旋回疊合盆地油氣成藏年代學研究不僅是油氣成藏地質學中重要的研究內容，而且是油氣成藏過程與機理研究的前沿和熱點問題［1-5］。傳統的油氣成藏年代學研究方法包括：圈閉時間形成法、烴源巖生排烴法、油氣藏飽和壓力法和油氣地球化學法等［6-10］，這些方法可定性分析油氣成藏的最早時間或最晚時間，但無法精細刻畫油氣成藏期次與充注時限。2000年以來，隨著成巖流體包裹體研究在油氣地質學領域的逐步應用，地質學家們開始應用流體包裹體均一溫度，結合儲層成巖演化過程和構造熱演化史，間接獲取油氣成藏期次與時間，從而推動了油氣成藏年代學研究由定性向定量化方向的轉變［11-14］。

鄂爾多斯盆地三疊系為中生界重要的產油層系，已有大量研究成果表明［15-19］：三疊系油藏為典型的構造-巖性油氣藏或巖性油氣藏，儲層致密、非均質性強，探明的含油層受沉積相和儲層物性控制，具有平面上大面積連片分布和縱向上復合疊置的特點，但是對于油氣成藏期次與時限的研究相對薄弱。近些年來，學者們對鄂爾多斯盆地三疊系油氣成藏方面的研究也存在一定程度的分歧，多數學者［20-22］認為盆地三疊系延長組油氣僅經歷了一期油氣充注，主要發生在早白堊世中期；也有部分學者［23-24］認為延長組的油氣充注開始于晚侏羅世，至早白堊世中期，油氣大規模充注成藏，為兩幕次連續充注；張鳳奇等［25］認為延長組油氣成藏主要發生于早白堊世，晚白堊世以來發生了油氣藏的調整和逸散。針對鄂爾多斯盆地三疊系延長組長8油層組的油氣成藏期次研究尚不夠系統化，為此，筆者選取長8油層組的鉆井巖心進行系統分析，包括薄片鑒定、熒光分析和流體包裹體均一溫度測試，結合其構造熱演化史研究，系統分析其油氣成藏期次與時限，綜合構建延長組油氣成藏年代學框架，以期為三疊系延長組的油氣成藏機理與成藏動力學研究提供基礎地質信息。

1 區域地質概況

鄂爾多斯盆地為中國內陸大型富含能源資源的沉積盆地，富含包括石油、天然氣、煤炭、鈾礦和鎵礦等多種能源礦產，是我國較早發現油氣的沉積盆地之一［15-16］。鄂爾多斯盆地處于我國東部與西部構造體系的過渡部位，受到反復拉張與擠壓作用的影響，發育多期構造不整合面，整體表現為多構造疊加、多期沉積-沉降、多演化階段和多旋回疊加的復合沉積盆地。盆地內部構造簡單、沉降穩定、斷裂較少，經過新生代以來的周緣斷陷活動，最終形成了四面環山的構造格局。盆地基底由太古界—元古界多套變質巖系組成，古生代為海相沉積環境，發育多套碳酸鹽巖沉積組合；中生代由于秦嶺洋的閉合，鄂爾多斯盆地演變為獨立的陸內沉積盆地，發育陸相碎屑巖沉積，其中三疊系延長組為中生界重要的含油層系。根據沉積旋回可將延長組自上而下劃分為長1—長10油層組，其中長8油層組為重要的油氣產層［圖1（a）］，主要發育三角洲前緣、前三角洲、淺湖、半深湖—深湖等沉積亞相。慶陽地區發育鎮原—慶陽三角洲沉積和寧—合水三角洲沉積體系，物源來自西南部地區；富縣地區發育富縣三角洲前緣沉積，物源來自東北部［圖1（b）］。

研究區長8儲層砂體相對較為發育，在縱向上發育多套透鏡狀單砂體，且橫向上具有一定的連通性，受控于沉積物源的影響，西南部長8油層組砂體主要發育在長81油層亞組，東部地區厚層砂體主要發育在長82油層亞組（圖2）。長8儲層孔隙度主要為6.0%～11.0%，滲透率值分布范圍較廣，主要為0.1～1.0 mD，物性分級屬低—特低孔、特低—超低滲型致密儲層。新生代以來，盆地主體遭受抬升剝蝕，第四紀沉積的黃土覆蓋其上，遭受風化、雨水淋濾后形成了現今溝壑縱橫的黃土地貌。

圖1 鄂爾多斯盆地南部延長組長8地層巖性柱狀圖（a）與沉積相（b）Fig.1 Stratigraphic column（a）and sedimentary facies（b）of Chang 8 reservoir of Yanchang Formation in southern Ordos Basin

圖2 鄂爾多斯盆地南部ZH219井—FX47井延長組長8油層組砂體剖面Fig.2 Sand body section of Chang 8 reservoir from well ZH219 to well FX47 in southern Ordos Basin

2 成巖作用與成巖序列

一直以來，儲集層中油氣充注史及其與成巖演化的響應關系都是油氣勘探中的重要研究內容，理清這些充注期次與成巖礦物的相互作用對識別油氣藏的類型和預測油氣藏的分布具有重要指導作用［26］。鄂爾多斯盆地南部延長組儲層經歷的主要成巖作用包括壓實作用、膠結作用和溶蝕作用（含溶蝕交代作用）等3類。通過對巖石薄片的顯微鏡觀察和掃描電鏡分析，從微觀和超微觀角度分析了巖石的成巖演化，為油氣充注過程研究提供了詳實證據。

2.1 壓實作用

壓實作用始于沉積物沉積后，貫穿于成巖作用的各個階段，研究區延長組在構造沉降作用下，隨著水體不斷變深，沉積速率加快，埋深隨之增加，溫度和壓力不斷增大，松散沉積物逐漸固結，孔隙水不斷被排除，顆粒間接觸逐漸緊密，塑性顆粒被壓彎變形，同時顆粒間發生各種物理化學變化，孔隙度和滲透率均變差。顯微鏡觀察結果顯示，研究區延長組長8油層組砂巖的機械壓實作用主要表現為碎屑顆粒之間呈線接觸、鑲嵌式接觸，云母等塑性礦物被壓彎變形，甚至部分鑲嵌式接觸的顆粒存在壓溶現象［圖 3（a）］。

圖3 鄂爾多斯盆地南部長8油層組成巖作用與油氣包裹體特征Fig.3 Microphotos showing diagenesis and hydrocarbon fluid inclusion of Chang 8 reservoir in southern Ordos Basin

2.2 膠結作用

膠結作用多發生于埋藏期和表生期。研究區延長組長8油層組砂巖中可見到3種類型的膠結物：①自生黏土礦物，如綠泥石沿著碎屑顆粒邊緣呈葉片狀分布，形成綠泥石包膜［圖3（b）］。②碳酸鹽膠結物，陰極發光下呈黃綠色，充填于顆粒之間或長石溶蝕孔隙中［圖3（c）］，同時可見黑色瀝青和烴類包裹體沿方解石裂縫分布［圖3（d）］，表明碳酸鹽膠結晚于長石溶蝕，油氣充注晚于碳酸鹽膠結。③硅質膠結物，多以石英次生加大邊形式出現，可見自生石英加大邊多與綠泥石包膜共生［圖3（e）］，部分石英加大邊的溶蝕孔被方解石膠結物充填，表明硅質膠結物的形成晚于綠泥石包膜的形成，但早于碳酸鹽膠結物的形成。自生石英加大邊內部發育串珠狀烴類包裹體［圖 3（f）—（h）］，表明油氣充注同時或略早于硅質膠結物的形成。

2.3 溶蝕作用

溶蝕作用幾乎發生于成巖作用各個階段，包括同生與準同生期溶蝕作用、埋藏溶蝕作用以及表生溶蝕作用。陳啟林等［27］從溶蝕作用發生的成巖階段、溶蝕流體的類型、溶蝕作用強弱的主控因素和溶蝕作用對儲集層的改造效果等4個方面系統地闡述了溶蝕作用對儲集層的改造。研究區延長組長8油層組砂巖可見2期溶蝕作用，相對早期的溶蝕作用表現為石英和長石等碎屑顆粒邊緣或內部發生溶蝕而產生孔隙［圖 3（a），（b）］，相對晚期的溶蝕作用造成了方解石膠結物溶蝕孔和微裂縫擴溶孔［圖 3（e），（j）］。長 8 儲集層中溶蝕孔隙的生成與烴類大量充注有關，多為有機酸溶蝕而成，晚期溶蝕孔的形成可能疊加了大氣水的淋濾作用。

2.4 成巖演化序列

通過巖心觀察與薄片分析，可以發現研究區延長組長8油層組砂巖中發育2期微裂縫，早期微裂縫沿石英顆粒內部發育，烴類包裹體呈線型分布于這些裂縫中。晚期微裂縫切割了早期微裂縫，甚至部分切穿了石英顆粒及其加大邊，沿微裂縫內部發育烴類包裹體或瀝青物質。

綜上所述，通過對研究區延長組長8油層組砂巖的成巖作用精細研究，可建立其成巖演化序列（圖4）：機械壓實作用→早期綠泥石包膜→早期微裂縫→相對早期溶蝕作用→烴類充注Ⅰ→石英次生加大→方解石、長石溶蝕→烴類充注Ⅱ→晚期構造形成微裂縫→相對晚期溶蝕作用→烴類充注Ⅲ［圖 3（k），（l）］。

圖4 鄂爾多斯盆地南部長8油層組成巖序列Fig.4 Diagenetic sequences of Chang 8 reservoir in southern Ordos Basin

3 油氣充注期次與定年

油氣成藏期是指油氣生成、運移、聚集成藏的整個時間過程，可以包括一個或多個油氣充注幕次。本次研究選取了鄂爾多斯盆地南部12口探井的延長組長8油層組的巖心樣品進行油氣成藏年代學研究，在成巖演化序列研究的基礎上，利用熒光顯微鏡分析不同產狀的烴類包裹體的分布特征、相態、豐度及熒光性，同時利用冷熱臺對不同產狀的流體包裹體進行均一溫度和冰點溫度測試，并計算出相應包裹體的含鹽量，從而系統分析研究區長8儲層的油氣充注期次。

3.1 流體包裹體特征

通過研究區長8儲層成巖演化序列研究，可識別出3類烴類包裹體：①第1類烴類包裹體主要呈串珠狀發育于石英礦物早期裂縫中或石英礦物顆粒內部的溶蝕區［圖5（a）］，后又被石英加大邊包裹，包裹體形態較小，形狀多為球形或橢圓體，直徑多為5.0～10.0 μm，氣液比≤5.0%，單偏光顯微鏡下顯示褐色［圖5（a）］，熒光顯微鏡下呈綠色或黃綠色［圖 5（b）］，烴類包裹體豐度（GOI）多為 3.0%～5.0%。②第2類烴類包裹體主要分布在石英加大邊的外部［圖5（c）］或溶蝕礦物顆粒內部充填的方解石膠結物中［圖3（d）］，包裹體形態較小，氣液比≤5.0%，發藍綠色熒光［圖 5（d）］，GOI多為 4.0%～6.0%，同時可見殘余黑色瀝青［圖3（k）］。③第3類烴類包裹體主要分布在切穿石英及其加大邊的晚期裂縫中或晚期方解石膠結物中［圖 3（j），圖 5（e）］，包裹體直徑多≤7.0 μm，氣液比≤5.0%，發藍白色熒光［圖 5（f）］，GOI多為 3.0%～6.0%，少數井可見黑色瀝青［圖 3（l）］。

圖5 鄂爾多斯盆地南部長8油層組包裹體產狀與熒光特征Fig.5 Microphotos showing characteristics of fluid inclusion occurrence and fluorescence of Chang 8 reservoir in southern Ordos Basin

3.2 流體包裹體均一溫度

流體包裹體均一溫度測試在西安石油大學的“陜西省油氣成藏地質學重點實驗室”完成，儀器設備為THMS600型冷熱臺，選擇與烴類包裹體共生的鹽水包裹體進行均一溫度和冰點溫度的測試，流體包裹體均一溫度分布范圍較廣（表1），主要分布為85.0～165.0℃。利用Bodnar方程和冰點溫度數據計算包裹體含鹽量，再進一步根據包裹體期次分別統計不同產狀包裹體的均一溫度和含鹽量。研究結果顯示：第1期鹽水包裹體均一溫度分布在61.1～121.7℃，峰值接近85.0℃，含鹽質量分數分布在3.2%～14.5%；第2期包裹體均一溫度分布在106.2～155.7℃，峰值接近120.0℃，含鹽質量分數分布在5.5%～16.3%；第3期包裹體均一溫度分布在92.2～130.5℃，峰值接近105.0℃，含鹽質量分數分布在4.1%～15.9%（圖6，表1）。

圖6 鄂爾多斯盆地南部長8油層組包裹體含鹽量與均一溫度交會圖Fig.6 Crossplot of salinity and homogenization temperature of Chang 8 reservoir in southern Ordos Basin

實驗數據表明，第1期和第2期包裹體均一溫度存在相互疊置的關系，且含鹽量變化不大，熒光特征顯示了油氣由低熟到成熟的演化過程，總體表現為2期連續充注特征。第3期包裹體主要發育在切穿石英及其加大邊的晚期微裂縫中，均一溫度峰值介于第1期包裹體和第2期包裹體均一溫度峰值之間，表明第3期包裹體記錄了盆地經歷最大構造沉降后抬升剝蝕所引起油氣調整逸散時的均一溫度，為晚期油氣充注成藏事件。因此，綜合分析包裹體數據和構造-埋藏演化歷史可以得出，鄂爾多斯盆地南部長8油藏主要經歷了3期油氣充注過程。

表1 鄂爾多斯盆地南部長8油層組流體包裹體均一溫度測試數據Table 1 Testing data of homogenization temperature of fluid inclusions of Chang 8 reservoir in southern Ordos Basin

3.3 磷灰石裂變徑跡定年

鄂爾多斯盆地晚白堊世以來經歷了多旋回抬升改造，最大剝蝕厚度可達2 000 m以上。近年來，磷灰石裂變徑跡（AFT）技術已成為造山帶隆升歷史、盆地構造熱演化史研究的重要手段［28］，有效降低了剝蝕厚度恢復誤差。本次研究選取了鄂爾多斯盆地南部N65井延長組長8儲層砂巖樣品，通過重礦物分析遴選出磷灰石顆粒，在中國科學院高能物理所進行了磷灰石裂變徑跡分析（表2）。測試數據顯示，磷灰石的中值年齡與池年齡大致相當，且明顯小于地層年齡，P（χ2）檢驗概率為13.5%，平均FT長度為12.0±2.1 mm，表明該砂巖樣品經歷了完全退火，之后被抬升冷卻，23.0±6.0 Ma代表了抬升冷卻年齡。基于Laslett退火模型［29］運用AFT Solve軟件模擬了研究區長8儲層熱演化史，擬合選用限制任意搜索項（CRS），擬合曲線數選取10 000，Dpar賦值為1.5 mm，設定地表溫度和樣品所在地層的年齡為模擬的初始溫度和時間，根據獲得的裂變徑跡長度和年齡，結合樣品所處的地質背景，確定熱史模擬過程中關鍵地質事件的溫度和時間條件。該方法的優勢在于挖掘了先前沒考慮到的數據信息，延伸了裂變徑跡分析在地質熱信息分析中的實踐性，增加了模型的可信度。實驗結果顯示，模擬徑跡長度為12.1±2.1 mm，實測徑跡長度為12.0±2.1 mm，徑跡長度總體擬合率（K-S Test）為67.0%，模擬年齡為30.5±2.0 Ma，實測年齡為30.7±2.4 Ma，徑跡年齡總體擬合率（Age GOF）為94.0%，表明了熱演化史模擬效果質量較高，可信度較高。

表2 鄂爾多斯盆地南部N65井長8油層組砂巖磷灰石裂變徑跡測試數據Table 2 AFT data of Chang 8 reservoir sandstone samples from well N65 in southern Ordos Basin

鄂爾多斯盆地南部長8油藏夾持于長7張家灘頁巖與長9李家畔頁巖之間。已有研究成果表明［30-31］，長7張家灘頁巖為長8油藏的有效烴源巖，具有“上生下儲”的油氣成藏模式。張家灘頁巖厚度為25～50 m，TOC質量分數主要為6%～14%，氯仿瀝青“A”平均值為0.5%，母質類型屬于腐泥型，鏡質體反射率為1.0%～1.1%，表明烴源巖經歷過生油氣高峰階段。因此，張家灘頁巖具有厚度大，成熟度高，生油能力強等特征，主要生烴期為早白堊世。利用N65井延長組長8油層組的磷灰石裂變徑跡的熱史模擬結果，獲取了延長組構造熱演化的最佳路徑（t-T曲線），在此基礎上，把不同期次包裹體均一溫度合理投影到熱史路徑上，獲取相應的油氣充注時間（圖7）。結果表明：研究區長8油藏經歷了第1期早侏羅世—晚侏羅世（192.5～152.0 Ma）的低溫成藏階段，油氣充注的峰值年齡為182.0 Ma；第2期晚侏羅世—早白堊世（152.0～126.0 Ma）的主成藏階段，峰值年齡為150.0 Ma，捕獲烴類包裹體豐度相對較高，為高溫油氣成藏階段；第3期古近紀（60.0～36.5 Ma）的調整逸散以及次生油氣藏的形成階段。

圖7 鄂爾多斯盆地南部長8油層組流體包裹體均一溫度與構造-埋藏熱演化史Fig.7 Thermal history projected with homogenization temperature of fluid inclusions of Chang 8 reservoir in southern Ordos Basin

依據研究區延長組長8油層組的包裹體測試數據，結合其構造-埋藏熱演化史，揭示了油氣成藏事件與構造演化的匹配關系，為盆地三疊系延長組油氣成藏提供了更精確時間域的約束（圖7）。綜合分析結果表明，晚三疊世—早侏羅世，鄂爾多斯盆地經歷了華北殘余克拉通內撓曲擠壓坳陷向大鄂爾多斯盆地內陸弱伸展坳陷的轉變，研究區長8油層組經歷了快速沉降緩慢增溫過程（沉積增溫速率1.3℃/Ma，沉積速率為57.0 m/Ma，地溫梯度2.3 ℃/100 m［32］），長 8 地層溫度接近 85.0 ℃，油氣開始進入長8儲層。早侏羅世—晚侏羅世（192.5～152.0 Ma）發生了早期油氣充注事件，主要充注峰值年代為182.0 Ma。白堊世早期，盆地內陸弱伸展坳陷轉變為內陸沖斷山前坳陷，沉降沉積增溫開始加快（沉積增溫速率1.5℃/Ma，沉積速率為37.5 m/Ma，地溫梯度 4.0 ℃/100 m［32］），至白堊世中期（約120.0 Ma），盆地延長組埋藏增溫，最高可達165.0 ℃，最大埋藏深度 3 875.0 m，與任戰利等［33］認識一致（Tmax＞150.0℃，鏡質體反射率 Ro＞1.0%），烴源巖開始大量生排烴，此時為延長組長8油層組的主成藏期。綜合構造-埋藏熱演化史投點分析，油氣主要聚集充注時限為晚侏羅世—早白堊世（152.0～126.0 Ma），充注峰值年代為 150.0 Ma，以上2次幕式充注為一連續性油氣充注成藏過程。晚白堊世以來，鄂爾多斯盆地經歷了多旋回構造抬升改造過程，包括研究區在內的盆地主體抬升，周緣發生斷陷，導致盆地古生界的天然氣和中生界的石油發生調整逸散以及二次成藏。鄂爾多斯盆地伊盟隆起斜坡帶上可見中、下侏羅統延安組煤系地層的燒變巖和漂白砂巖、中侏羅統綠色蝕變砂巖，這些都是新生代油氣調整逸散的證據［34-38］。其中，研究區長8油藏發生調整和二次成藏的時間為古近紀（60.0～36.5 Ma）。

4 結論

（1）通過對鄂爾多斯盆地南部上三疊統延長組長8油藏的成巖序列及其與油氣包裹體關系的研究，識別出3期油氣充注事件：第1期發生在機械壓實作用之后，與綠泥石包膜形成同期或稍滯后，烴類包裹體主要分布在早期微裂縫或溶蝕孔縫中，發褐色或淺黃綠色熒光，GOI主要分布在3.0%～5.0%；第2期發生在石英次生加大之后或同期，烴類包裹體主要位于石英加大邊外側和方解石膠結物中，發淺黃色或藍綠色熒光，GOI主要分布在4.0%～6.0%；第3期烴類包裹體主要分布在切穿石英及其加大邊的晚期裂縫或晚期方解石膠結物中，發褐黃色或黃綠色熒光，GOI分布在3.0%～6.0%。第1期鹽水包裹體均一溫度為61.1～121.7℃，含鹽質量分數為3.2%～14.5%；第2期鹽水包裹體均一溫度為106.2～155.7℃，含鹽質量分數為5.5%～16.3%；第 3期鹽水包裹體均一溫度為 92.2～130.5℃，含鹽質量分數為4.1%～15.9%。

（2）結合延長組長8油藏的熱演化史模型，建立了鄂爾多斯盆地南部長8油層組成藏年代學序列：第1期油氣成藏發生在早侏羅世—晚侏羅世（192.5～152.0 Ma），沉積增溫速率 1.3℃/Ma，沉積速率為57.0 m/Ma；第2期成藏發生在晚侏羅世—早白堊世（152.0～126.0 Ma），沉積速率為37.5 m/Ma，第1期與第2期成藏表現為油氣連續充注成藏過程。第3期油氣成藏發生在古近紀（60.0～36.5 Ma），為油氣調整逸散和二次成藏過程。