hg东营凹陷深源热流体在油气形成中的作用

西北大学学报(自然科学网络版)2004年1月，第2卷，第1期ScienceJournalofNorthwestUniversityOnlineJan.2004，Vol.2，No.1收稿日期：2003-09-11基金项目：中国石油天然气总公司基金资助项目(EX-99-09)审稿人：任战利，男，西北大学地质学系教授东营凹陷深源热流体在油气形成中的作用万丛礼1，2,李元昊1,李继红3,赵密福4（1.长庆油田公司勘探开发研究院，陕西西安720021；2.中国科学院兰州地质研究所，甘肃兰州730000；3.西北大学地质学系，陕西西安710069;4.胜利油田公司东辛采油厂，山东东营257062）摘要：通过有机碳、镜煤反射率和热解等分析，发现东营凹陷局部地区的烃源岩丰度和成熟度出现异常。研究表明：这些地区发生了强烈的深源流体活动，深源流体是地下深部物质和热的重要载体，流体的热作用加速了烃源岩的成熟；流体中的H2对烃源岩起到加氢作用，扩大了其生烃量；流体产生的高压大大提高了烃源岩的排烃率。认为深源流体显著提高了其活动区的油气丰度。关键词：东营凹陷；深源流体；油气生成；排烃作用中图分类号：TE112.1文献标识码：A文章编号：1000-274X(2004)0046-06沉积盆地中的流体，按成因可分为沉积流体和深源流体两大类。前者来源于地球表层、赋存于沉积物孔隙中的流体（包括地层水、油和气等），并且分布广泛，几乎无处不在。后者指来自于中地壳以下及地幔的流体（包括岩浆冷凝流体和地热流体）。其中，岩浆冷凝流体是岩浆在冷却过程中析出的流体，而地热流体是地下深部流体沿深大断裂直接上涌的结果，分布很局限。深源流体与沉积流体的物理和化学性质都有很大差别，前者具有高温、高压和化学性质活泼之特点，成分以水为主，且含有大量的挥发组分和金属成矿元素。深源流体大大改变了其活动区域的温度场、压力场和化学场，而这三场正是烃源岩生烃演化、油气运移的能量来源。所以，深源流体活动区的烃源岩生烃演化和油气成因必然具有特殊性。东营凹陷是渤海湾盆地内的一个重要的富油凹陷，火成岩和深源流体较为发育。早第三纪时由于深大断裂活动加强，在沙三段主力生油层中形成了一些辉长岩体，主要有林南断层南缘的辉长岩群、石村断层北缘的纯104井区辉长岩、博17井区辉长岩及高青断裂东部的通35井区辉长岩等（见图1），为岩浆冷凝辉长岩01020km博17纯104滨18通35通35金25通85博9里1林5高81高41高青凸起鲁西隆起林南断裂高青断裂石村断裂利津洼陷博兴洼陷牛庄洼陷图1东营凹陷沙三段辉长岩平面分布Fig.1DistributionofgabbrosinDongyingdepression2流体的形成和活动奠定了基础。另外，通过气体地球化学、包裹体、古地温梯度、成岩矿物和重金属元素等分析，证实凹陷北部边缘郝1井一带（无火成岩）也发生过深源流体活动[1]。本文通过深源流体对烃源岩生烃、排烃作用研究，以探讨东营凹陷深源流体活动区的油气成因机理。1深源流体对烃源岩生烃的热作用深源流体是物质和热量的重要载体，当流体从岩浆中分离出来或从深源上涌时，也带来大量的热。不同类型岩浆的结晶温度不同，一般安山岩900~1000℃，辉长岩900~1150℃，闪长岩770~850℃，花岗闪长岩700~800℃，花岗岩700℃左右，玄武岩1000~1250℃[2]。即基性程度越高，火成岩的结晶温度越高，当然它们分溢出的流体初始温度也越高。东营凹陷下第三系侵入岩绝大多数是基性辉长岩，所以它们分溢出的流体温度相对较高，主要在900~1150℃之间。由于这些流体的温度远远高于围岩温度，所以其热量不断传递给围岩，并对围岩的成岩和生烃起到重要影响。现以纯西地区为例。纯西地区沙三段主力烃源岩（暗色泥岩）中发育一面积达28km2，厚度4~39m（平均为17.4m）的辉长岩体。分析发现，辉长岩下伏泥岩具有深部成熟度低，而浅部成熟度高的反常现象，且CY14和CY23两样品之间仅相差16.5m，但它们的Ro竟相差7.77倍，Tmax相差63℃(见表1，图2)。这表明辉长岩及其热流体对烃源岩生烃起到了强大的促进作用，且主要是热流体作用的结果。尽管岩浆冷凝流体只有岩浆的5%~10%（质量比）[2]，但由于其密度低、粘度小、化学性质活泼，能够轻易进入到烃源岩内部，因此对其生烃起作用。然而，由于辉长体易于固结，对烃源岩的作用只有借助于其分溢的流体加以实现。表1纯102井辉长岩下伏泥质烃源岩地化特征Tab.1GeochemicalcharacteristicsofthesourcerocksundergabbroinwellChun102样品编号距辉长岩/m深度/m岩性有机碳/%氯仿沥青“A”/%热解Ro/%Tmax/℃S1/%S2/%CY140.12388.0堇青石角岩0.17很少，检不到5020.020.014.74CY1610.22398.1堇青石角岩0.15很少，检不到检不出0.000.00CY1915.82403.7泥质板岩0.220.00924640.020.01CY2316.62404.5正常泥岩6.270.57854391.0532.780.61深源流体还可通过深大断裂直接上涌而成。如凹陷北部的郝科1井一带并无火成岩，但3900m处烃源岩成熟度却发生突变，Ro由0.7%猛增至1.6%，而在5200m处又回落到区域变化线上。另外，包裹体温度和实测井温表明，3800~4800m井段有高异常，而且镍、钴等元素丰度也非常高，反映该段地层曾发生过强烈的深源热流体活动[1]。温度是烃源岩生烃演化或油气形成的决定性因素，温度与反应速度呈指数关系，温度每升高10度，反应速度就增加2~4倍[3]。据岩石化学法计算，纯西地区岩浆冷凝流体的初始温度高达1210℃（即辉长岩的结晶温度），而埋藏史分析表明辉长岩侵入前该地层的温度只有100℃左右。这说明深源流体大大提高了流经区域烃源岩的温度，从而导致烃源岩早熟、高熟或过熟。3辉长岩中心相辉长岩边缘相辉长岩边缘相堇青石角岩堇青石角岩板岩板岩正常泥岩正常泥岩正常泥岩油层辉长岩堇青石角岩板岩油层自然电位/mV岩性柱电阻率/Ωm深度/mRo/%Tmax/℃TOC/%可溶烃mg.g-1热解烃mg.g-1“A”/%有机质丰度辉长岩及围岩相带划分001.20.62.5530060003.5700.350.7035变余泥岩变余泥岩变余泥岩25-+02004图2纯102井辉长岩及周围烃源岩综合柱状图Fig.2GeologicalcolumnintheChun-102wellwherearegabbro2深源流体的成藏作用及其对烃源岩的加氢作用近一二十年以来，通过探测和观察证实，地球深部存在丰富的无机天然气。如唐山大地震、宁河6.9级地震和塔吉克斯坦6.7级地震都观察到大量CO2，CH4，H2等气体的排放以及地震时出现的地光。另外，北纬21。东太平洋隆脊热液喷口喷出的气体中含有丰富的CO，CO2，CH4，C2H6，H2，H2S，N2，He等气体，而东非裂谷带上的基伍湖在水深300m含1.51mg/g的CO2、0.4mg/g的CH4及高丰度的H2S，N2[4]。当构造活动或地震发生时，深部流体往往沿深大断裂上涌，遇到合适的圈闭时可形成无机气藏，如松辽盆地的万金塔CO2气藏，肇州西和昌德的烷烃气藏[5]，渤海湾盆地的平方王、平南和花沟CO2气藏，以及世界上其他油气藏等均与深源流体有关[6]。许多大型油气田往往发育于裂谷带，其原因是这些裂谷、断陷就是地球上规模最大的地球内部流体排放带[4]。除直接形成无机气藏外，深源流体还与烃源岩发生相互作用，形成无机与有机混合的油气藏。流体中的无机H2，CH4就会在沉积物颗粒边缘同自由价相互作用，生成一系列甲基化合物，进而形成烃类组分。研究发现，现代沉积物内游离基(游离氢、甲烷基和双基CH2C2H4等)相互作用的速度多半取决于来自流体中H2，CH4的数量及沉积层的厚度和性质[7,8]。有机质与烃类相比主要是贫氢，即烃源岩的生烃演化是一个加氢过程，外来氢的加入可以显著促进含氧基团化合物向烃类的转化，如脂肪酸在还原条件下通过加氢作用生成烃类。CH3(CH2)nCOOH+3H2→CH3-(CH2)n-1-CH3+2H2O根据上式，1tH2通过加氢反应可以生成2.67tCH4（或5tC2H6，7.3tC3H8或更多的其他烃类），即随着碳4原子数的增大，生成烃的数量也急剧升高。包裹体分析发现，东营凹陷高青、纯西等地区玄武岩中含有丰富的无机烃类和氢气（见表2）。其中：CH4含量在不同的相态中差别较大，液相中含量虽然相对较低，却稳定（0~15.2%），而气相中变化较大，最高达28.2%；H2仅存在于气相中，含量为0~28%。当这些深源流体上涌进入沉积层以后，与烃源岩发生加氢反应，从而促进其生烃演化，并提高区域上油气的丰度。如：纯西辉长岩周围发育大卢湖、博兴、纯梁和小营等多个油田；郝科1井一带也发育著名的胜陀油田，这些油田与深源流体对烃源岩加氢生烃作用不无关系。表2东营凹陷及邻区玄武岩和辉长岩流体包裹体成分Tab.2InclusioncompositionsofbasaltsandgabbrosintheDongyingdepressionanditsadjacentregion*除纯西地区外，其他样品均引自文献[9]3深源流体对烃源岩排烃作用3.1深源流体对烃源岩排烃的影响深源流体对烃源岩排烃具有重要的影响，其作用主要表现在两个方面，一是高压导致烃源岩大量裂隙的形成，为排烃提供了通道；二是高压为排烃直接提供动力。一般，烃源岩中残余的有机质比较高，一是由于烃源岩成熟度低，其中的大部分有机质不能成烃，另外已生成的烃往往由于排烃动力小和粘土矿物吸附等而不能排出，影响了生烃量和排烃率。纯西辉长岩周围烃源岩除成熟度异常高之外，残余有机质含量非常低，并且距辉长岩越近烃源岩有机质丰度越低，辉长岩下伏15.8m内烃源岩中的可溶烃（S1）、热解烃（S2）、氯仿沥青“A”和有机碳少得几乎检测不出来，在距辉长岩16.6m处(CY23)有机质丰度发生突变，可溶烃（S1）、热解烃（S2）、氯仿沥青“A”和有机碳分别达1.05%，32.78%，0.578%和6.27%，而该点的成熟度也基本恢复正常(Ro0.61%，Tmax439℃)。例如，虽然CY19和CY23两样品相距仅有0.8m，但氯仿沥青“A”相差62.88倍，有机碳相差27.5倍。再者，通过岩心和镜下鉴定发现CY14，CY16，CY19地区样号井号层位寄主矿物气相/%液相/%CO2N2H2SCH4COSO2H2OH2H2OCO2H2SCH4SO2高青S2高气2K辉石34.414.628.222.872.213.714.1S4-1高气41-1K辉石39.444.111.15.456.716.515.211.6S4-2高气41-1K辉石54.310.932.02881.911.26.9高56高56K橄榄石58.219.313.88.7424369高41高41Ek橄榄石57.514.713.614.2662286阳信S17阳25Es3辉石72.712.79.74.928.443.16.711.99.9阳25阳25Es3辉石64.56.420.98.24832911阳25-B阳25Es3辉石56.826107.245261289S15-1阳20Es3辉石66.314.96.97.24.855.233.111.7S15-2阳20Es3辉石47.911.72911.48020S15-3阳20Es3辉石60.69.45.519.64.935.550.314.2阳20阳20Es4橄榄石60.813.86.019.442499阳16阳16Es3辉石68.710.814.46.1553411纯西纯103纯103Es3辉石67.512.420.13653115三样品的热变质程度依次减弱，并在CY23处恢复正常(见表1，图2)，说明热流体在提高烃源岩成熟度的同时还大大促进了排烃作用。3.2流体