Petroleum Accumulation System and Effective Hydrocarbon Migration Pathway in the Kuqa Fold-Thrust Belts, Tarim Basin
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摘要: 库车褶皱冲断带天然气成藏体系由侏罗系煤系烃源岩、侧断坡断层输导体系和侧断坡相关背斜构造圈闭构成.相对于走滑断层而言, 侧断坡断层是有效的天然气运移优势通道.研究表明, 侏罗系煤系生成的天然气通过侧断坡断层向上运移到白垩系巴什基奇克组侧断坡相关背斜的砂岩储集层聚集成藏, 异常压力的幕式泄压可能是油气运移的主要方式.克拉2、迪那2、迪那1和吐孜1等气田的发现是库车褶皱冲断带天然气成藏体系的有效体现.侧断坡相关背斜是库车褶皱冲断带天然气勘探的新领域.Abstract: Petroleum accumulation system in the Kuqa fold-thrust belts consists of Jurassic coal source rocks, fault migration system and lateral ramp-related anticline traps. The lateral ramp fault is taken as an effective pathway of hydrocarbon migration in the strike-slip fault. The results indicate that hydrocarbon generated from the Jurassic coal migrates through lateral ramp fault upwards into the Cretaceous Bashenjiqike sandstone traps in the lateral ramp-related anticlines. Hydrocarbon migration may be associated with episodic expulsion of overpressure. The discovery of the Kela-2, Dina-2, Dina-1 and Tuzi-1 gas fields supports above hypoth- esis. Hence, the lateral ramp-related anticline may be a new potential realm for hydrocarbon exploration in the Kuqa fold-thrust belts, Tarim basin.
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油气输导体系是连接油气源与圈闭的纽带, 也是建立油气成藏体系(金之钧等, 2003)的关键环节之一.在有些情况下, 单纯依据流体势场或区域构造背景来判断油气的运移方向往往存在偏差, 暗示还存在其他因素影响油气的运移过程.据物理模拟实验, 油气在运移过程中总是沿着最小阻力路径运移, 一旦通道形成, 在流速不变的情况下, 绝大多数油气将通过该通道即油气运移优势通道向前运移(曾溅辉和王洪玉, 1999).受油气运移动力(浮力、流体压力、毛细管力)和介质条件(孔隙度、渗透率、孔渗性分布特征)影响, 油气运移通道主要由断层、输导层、裂隙及不整合充当(谢泰俊等, 1997; Hindle, 1997; 金之钧等, 2003).在研究成藏体系时, 不仅要关注输导体系, 更要重视追踪和确定油气运移的优势通道及其有效性.
塔里木盆地库车褶皱冲断带探明天然气地质储量达4 151× 108 m3, 奠定了我国“西气东输”工程主力气源区的地位.研究表明, 侧断坡相关背斜是库车褶皱冲断带天然气成藏最有效的构造圈闭之一(图 1)(杨明慧, 2002), 克拉、迪那和吐孜等构造的天然气成藏均与侧断坡的发育有关.本文目的是分析库车褶皱冲断带的天然气成藏体系并讨论其运移优势通道问题.
图 1 库车褶皱冲断带位移转换构造实线为走滑断层; 点划线为侧断坡; F1.喀拉玉尔衮走滑断层; F2. 康村走滑断层; F3.吐格尔明走滑断层; F4.大宛齐侧断坡(?); F5. 西秋2侧断坡; F6.克拉2侧断坡; F7.迪那2侧断坡; F8.吐孜1、迪那1侧断坡; δ.油苗出露点; Ⅰ.山前冲断带; Ⅱ.克拉苏-依奇克里克冲断带; Ⅲ.拜城凹陷; Ⅳ.秋里塔格冲断带Fig. 1. Displacement transfer structures of the Kuqa fold-thrust belts1. 地质背景
库车褶皱冲断带位于塔里木盆地与天山造山带之间, 其构造演化具有陆内前陆盆地性质(金之钧等, 2002; 杨明慧等, 2002).自震旦纪开始至早二叠世, 塔里木板块与天山接壤部位发生多次伸展活动(贾承造, 1997; 卢华复等, 2000).晚二叠世为陆缘前陆盆地形成的早期阶段, 接受南天山造山带供给的磨拉石建造.三叠纪为陆缘前陆盆地发育的中、晚期阶段, 随着造山作用的持续, 晚三叠世以来发育的楔状体不断向前陆方向推进, 形成一套冲积-扇三角洲沉积, 至侏罗纪初期结束陆缘前陆盆地的演化.侏罗纪—古近纪为库车地区弱伸展演化阶段.始新世末, 印度板块与欧亚板块碰撞的远距离效应使得南天山的古生代造山带重新活动, 研究区进入陆内前陆褶皱冲断带演化阶段.
值得注意的是, 塔里木盆地在南北向挤压应力作用下, 发育近北西、近北东向2个共轭扭压构造带(杨春林, 1999).与之类似, 利用一些伴生构造, 可以判别库车褶皱冲断带的秋里塔格、克拉苏-依奇克里克等北东东走向的构造带, 表现出左行扭压特征(杨明慧等, 2002).
2. 库车褶皱冲断带天然气成藏体系
油气成藏体系由烃源岩、输导体系和圈闭等3个基本元素构成(金之钧等, 2003), 库车褶皱冲断带的天然气成藏体系是由侏罗系煤系烃源岩、侧断坡断层输导体系和侧断坡相关背斜圈闭构成的.
2.1 烃源岩-侏罗系煤系
库车褶皱冲断带中、下侏罗统湖沼相煤、暗色泥岩和碳质泥岩是一套主要烃源岩.据露头资料, 暗色泥岩一般厚300~500 m, 最厚1 035.6 m, 有机碳含量平均为2.53%, 生烃潜力平均为3.92 kg/t, 沥青“A”平均为0.108%, 总烃平均为739× 10-6.煤层一般厚20~30 m, 在阳霞煤矿、克孜勒努尔煤矿分别厚48 m和68 m.干酪根多为Ⅲ型, 也有少数为Ⅱ、Ⅰ型; 有机碳含量平均为44.66%, 沥青“A”平均为0.748 6%, 总烃平均为1 302× 10-6, 生烃潜力平均为107.99 kg/t(赵林和秦胜飞, 1999).
侏罗系煤系的烃源岩热演化程度较高, 总体上已达成熟-过成熟阶段.地面样品Ro为0.64%~1.08%;据Easy Ro计算, 阳霞凹陷为1.19%, 拜城凹陷达2.09%, 进入过成熟阶段.总体来看, 中部成熟度高, 向北、南方向成熟度降低, 两侧仅处于低成熟阶段.据有机质类型、热演化程度分析, 库车褶皱冲断带富气, 生气强度一般大于30× 108 m3/km2, 最高达120× 108 m3/km2(拜城凹陷), 且中西部大于东部.一般认为大、中型气藏存在的前提是生气强度大于20× 108 m3/km2, 因此库车褶皱冲断带具有发育大、中型天然气藏的物质基础.
2.2 输导体系-侧断坡断层
库车褶皱冲断带断层对油气藏的形成起着控制作用.断层沟通了深部油气源和浅部储集层, 是油气运移优势通道(图 2).只要有断层沟通烃源层和储层的圈闭, 就有可能形成油气藏.如吐孜玛扎逆冲断层控制大宛齐背斜的发育, 断面北倾、断距达千米以上, 煤系烃源岩生成的油沿该断层向上运移, 进入新近系的砂岩输导层, 然后侧向运移到大宛齐构造圈闭, 浅层聚集.
2.3 圈闭-侧断坡相关背斜
侧断坡的发育主要受岩石组合性质控制, 与多个滑脱层位的存在有关.库车褶皱冲断带发育2套受力后容易发生塑性变形的岩石组合, 如库姆格列木群膏盐岩和侏罗系煤系.断层在通过这些非强干层时一般顺层发育, 形成断坪; 而在通过两者之间的不易发生塑性变形的强干层(如砂岩、砾岩)时, 往往产生破裂形成断坡.分析表明, 目前已经发现的克拉2、迪那2、迪那1和吐孜1构造均表现出断层上盘相对向南位移并伴生向西逆冲现象.这表明仅仅是侧断坡并不能形成有效的背斜构造圈闭, 而走向冲断差异应力与区域左旋扭压应力的合力是库车褶皱冲断带侧断坡相关背斜圈闭形成的力学机制(图 3).
图 3 库车褶皱冲断带侧断坡相关背斜形成力学机制Fig. 3. Mechanism of lateral ramp-related anticline, Kuqa fold-thrust belts3. 有效油气运移优势通道讨论
3.1 优势通道的有效性
统计表明, 断裂发育程度越高, 盆地的油气丰度越高, 说明断裂作用对烃源岩排烃起促进作用.从烃源岩排烃机理上, 断裂可以作为油气运移通道.克拉苏构造带形成于康村期(16.9 Ma), 库车期(5.3 Ma)-西域期(2.5 Ma)是其强烈活动时期, 恰好与中生界烃源岩在上新世早期的生烃高峰相匹配.克拉苏构造带的三叠系、侏罗系烃源岩在白垩纪末开始生烃, 渐新世末进入高峰, 上新世早期生烃结束. 显然, 生烃期与断裂活动时间相匹配.
库车褶皱冲断带是塔里木盆地油气苗分布数量最多的地区, 油气苗主要通过断层运移至地表, 在断层尤其是通达地表的大型走滑断层发育区, 天然气保存条件比较差; 反之较好.因此, 作为油气运移优势通道的走滑断层, 易于泄漏油气, 对于库车褶皱冲断带天然气成藏而言不具有有效性.
侧断坡断层是库车褶皱冲断带天然气成藏的有效优势运移通道.侧断坡断层沟通了侏罗系煤系的拆离滑脱层和库姆格列木群或吉迪克组的膏盐岩拆离滑脱层, 恰好使得侏罗系煤成天然气向上运移到白垩系巴什基奇克组砂岩储集层又被膏盐岩封闭, 不能向上进一步逸散(图 4).克拉2、迪那2、迪那1和吐孜1等天然气成藏的优势通道均与侧断坡断层的发育有关.
图 4 库车褶皱冲断带天然气成藏的运移优势通道Fb.浮力; Ff.顺断层运移分力; Ft.进入圈闭的运移分力Fig. 4. Main migration pathways of hydrocarbon accumulation in Kuqa fold-thrust belts3.2 幕式油气运移
库车褶皱冲断带的天然气沿侧断坡断层的运移可能与所谓的幕式成藏有关.超压的积累和构造应力作用(Gudmundsson, 2001)使得断裂开启, 因此断裂是超压流体排放的优势通道.先前已闭合的侧断坡断层在超压流体作用下, 幕式突破释放压力, 围岩流体向断层运移并沿断层面向低压区快速输导.
库车褶皱冲断带频发的地震活动可为油气的幕式运移提供动力学背景.自有记载以来, 库车地区就是地震活动强烈的地区.1900年至今已发生了1次7级地震、7次6级以上地震和多次中等强度地震(蒋靖祥等, 2002).库车褶皱冲断带上部为河湖相的较松散沉积物, 最大厚度逾万m, 易于产生蠕变, 该层位地震稀少.下部为前古生代基底, 岩石强度较大, 地震多集中在这一层位.在断层位移时, 两盘相对运动产生的能量可能会部分被松散沉积物吸收, 或被具有流变性质的物质(如石油、天然气)吸收, 或被传递分散开.换句话说, 地震孕育过程中早期释放的能量不易以小地震的形式出现.另外, 由于在中地壳存在低速、高导层(胥颐等, 2000), 对能量具有一定的吸收和扩散作用, 使得断层的运动更具稳滑性, 减少了粘滑.因此, 在区域应力场的性质有利于与应力场方向近垂直的断层逆冲活动中, 地震能量常常能够快速积累, 并以剧烈地震的形式释放.强震过程往往反映了断层较大规模的位移.
研究表明, 克拉2气藏具有2期成藏(张鼐等, 2000)和成藏期晚的特点.(1)三叠系湖相源岩在古近纪生烃, 但缺乏与之匹配的圈闭构造, 难以聚集成藏; (2)侏罗系煤系在中新世末达生烃高峰, 上新世—第四纪达干气阶段, 大量的天然气得以进入克拉2侧断坡相关背斜圈闭聚集成藏.
异常压力体内的压力梯度变化是天然气幕式运移的前提.克拉苏构造带的储层压力为67.74~75.94 MPa, 古近系压力梯度为2.22~2.26 MPa/ 100 m; 巴什基奇克组第一、二岩性段为2.02~2.09 MPa/100 m, 巴什基奇克组第三岩性段为1.94~1.96 MPa/100 m(徐士林等, 2002).在新近纪构造应力作用之前, 三叠系和侏罗系下部的烃源岩已经成熟生烃, 在侏罗系和上白垩统厚层泥岩的封闭下, 开始增压并形成异常压力.在新近纪-第四纪构造应力作用下, 中生界内部发育大量的逆冲断层, 破坏了封盖层的完整性, 使之演变为近常压系统(压力系数1.0~1.2);然而, 逆冲断层仅仅破坏了白垩系封盖层, 又大多消失在古近系库姆格列木群或吉迪克组膏盐岩底部.其结果是, 这些断层活动打破了下部异常压力系统的平衡, 油气顺断层向上幕式运移, 又被上覆的膏盐岩封盖, 形成新的异常压力系统, 压力系数一般为1.4~2.0, 最大达2.2(不排除构造应力压缩空间导致的压力升高).
油气幕式充注的平均速率目前仍难以衡量, 但对于克拉2气藏这样的成藏期晚的大型油气藏而言, 利用幕式成藏机理可能比渗流聚集模式更容易解释天然气的快速成藏过程.
4. 结论
(1) 库车褶皱冲断带的天然气成藏体系由中生界煤系烃源岩、侧断坡断层输导体系和侧断坡相关背斜圈闭构成.克拉2、迪那2、迪那1和吐孜1等气田的发现是这种成藏体系的最有效体现.(2)侧断坡断层是库车褶皱冲断带有效的天然气运移优势通道.(3)库车褶皱冲断带存在的深浅层超压现象暗示天然气聚集可能与幕式成藏有关.
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图 1 库车褶皱冲断带位移转换构造
实线为走滑断层; 点划线为侧断坡; F1.喀拉玉尔衮走滑断层; F2. 康村走滑断层; F3.吐格尔明走滑断层; F4.大宛齐侧断坡(?); F5. 西秋2侧断坡; F6.克拉2侧断坡; F7.迪那2侧断坡; F8.吐孜1、迪那1侧断坡; δ.油苗出露点; Ⅰ.山前冲断带; Ⅱ.克拉苏-依奇克里克冲断带; Ⅲ.拜城凹陷; Ⅳ.秋里塔格冲断带
Fig. 1. Displacement transfer structures of the Kuqa fold-thrust belts
图 3 库车褶皱冲断带侧断坡相关背斜形成力学机制
Fig. 3. Mechanism of lateral ramp-related anticline, Kuqa fold-thrust belts
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