油气倒灌成藏可能性分析

油气倒灌成藏可能性分析

油气运移是原油地质学的一项非常重要的组成部分。油气运输问题无法解决，油气也可以像纸上谈兵。但是油气运移机制的研究至今仍是石油地质学中难度最大的课题之一，也是石油地质学研究中最为薄弱的环节。而油气“倒灌”（即油气向下运移）又是在油气运移中颇具争议的问题之一。2009年，《岩性油气藏》期刊对油气“倒灌”展开学术讨论，这当然是好事。自潘钟祥于1982年在AAPG上发表“基岩油藏”（PetroleuminBasementRocks）一文以来，油气“新生古储”、“上生下储”、“油气倒灌”的论点逐渐被石油地质界接受，并认为是油气成藏的一种方式。但是仔细分析油气“倒灌”的一些实例，却发现有诸多疑窦。笔者以3个盆地4个油气藏（层）（四川盆地威远气田、鄂尔多斯盆地的西峰油田与靖边气田、松辽盆地扶杨油层）为例，讨论油气的运移问题。1天然气成因说四川威远气田是我国储层时代最老的气田。天然气主要储集于震旦系灯影组，灯影组以白云岩为主，有机碳平均含量为0.12%（图1）。关于威远气田气源的争论一直在进行着。王先彬最早提出，天然气源于地球深部，为无机成因。而主张有机成因的又分为3种不同观点：(1)来自震旦系灯影组白云岩；(2)来自寒武系九老洞组泥页岩；(3)来自灯影组与九老洞组。寒武系九老洞组泥页岩生成天然气则需向下“倒灌”而运移。下面分析一下“倒灌”的可能性。1.1气体组分的讨论据文献，威28井不同井段的天然气碳同位素组成见表1。表1的天然气碳同位素组成表明：灯影组储层的天然气与花岗岩裂隙的天然气可能是同源的。因此有人便认为：花岗岩中的天然气是由灯影组的天然气向下运移来的，即向下运移了406～831m。如果从寒武系九老洞组源岩开始，那么向下运移的距离可能要1000m，可为什么不是相反的情况呢？即灯影组的天然气是花岗岩向上运移的吗？据文献，威远细粒花岗岩（峨眉山花岗岩）中石英包裹体的气体组分见表2，石英包裹体中除了有CO2外，还有CH4,C2H6,C3H8,C4H4等，4个样品的总烃含量为0.715～1.575μg/g，显然这些烃类气体不是灯影组储层天然气“倒灌”的。如果灯影组下伏的峨眉山花岗岩是S型花岗岩的话，那么在花岗岩化过程中，沉积岩有机质可转化成烃；而如果是Ⅰ型花岗岩，那么这些烃可能有更深的来源。无独有偶，越南湄公河三角洲大陆架的白虎油田位于花岗岩及其风化壳上。花岗岩及上覆第三系地层中均有油藏，越南石油地质学家认为石油为第三系所生成，而俄罗斯学者则认为源自花岗岩。俄罗斯学者根据对花岗岩矿物包裹体气相组分的分析认为，束缚于花岗岩矿物包裹体的总烃量为10×1012m3（该花岗岩体积为2×105km3）。因此，它们足以提供第三系与花岗岩风化壳的原油。显然，如果我们有峨眉山花岗岩的体积数据，并有足够的花岗岩石英包裹体气体组分的数据，同样也可以计算出束缚于峨眉山花岗岩矿物包裹体中的总烃量。1.2对天然气成因的讨论威远气田灯影组天然气中氦含量很高，可达0.2%，有工业价值，3He/4He比值为（2.9～3.0）×10-8,R/Ra=0.021～0.022。据3He/4He比值及R/Ra比值，认为这些天然气为壳源、有机成因气。但是有机论者忽略了一个基本的事实，即灯影组下面有一个巨大的花岗岩，其地质年龄为740Ma，在漫长的地质历史中花岗岩中的U和Th衰变生成了大量的4He，正是这些4He使3He/4He比值大大降低，同时也使天然气中氦含量高达0.2%。灯影组天然气40Ar/36Ar比值也较高，为7232～9255,40Ar高含量显然与峨眉山花岗岩中高钾的含量有关，即这里的40Ar主要是由花岗岩中的钾长石40K衰变而来。1.3进行热液流体活动盆地发育3套白云岩（震旦系、奥陶系、三叠系—二叠系）及三叠系盐岩、卤水，这些均是地幔热液流体活动的证据。据四川黑水—北碚地壳测深剖面，盆地深部中地壳有低速层，vp=5.95km/s，这个低速层是油气的生成地带。威远气田东邻华蓥山断裂带，西靠龙泉山深大断裂带，南为威远基底断裂，内部断层发育，而震旦系正好处于深部断裂的交会地带。1.4天然气的开采改造威远气田天然气的来源问题，本来是十分清楚的事，地球化学数据也均十分明确，地幔液体活动十分活跃，中地壳有低速层，且有深大断裂沟通，但由于学者们对威远气田下伏峨眉山花岗岩的认识不同，导致了对气体来源的认识迥异。威远气田探明天然气地质储量408.61×108m3，可采储量147.82×108m3。至2001年底，历年累积采出天然气145.94×108m3，剩余可采储量1.88×108m3，是一个接近枯竭的大气田。据悉，威远气田威93井、威52井在新储层分别获5×104m3/d和6.7×104m3/d的新发现，使开发40多年的威远气田焕发青春，表明了天然气是可以再生的。根据上述分析，笔者认为，在震旦系与峨眉山花岗岩的不整合面附近（风化壳），可能有更大气田。2“油”、“中性古气”的特点鄂尔多斯盆地如今是满盆油气的“聚宝盆”。油气分布具有“北气南油”、“中油古气”（中生界油、古生界气）的特点；不仅如此，鄂尔多斯盆地还是一个油、气、煤、铀等多种矿产共存的盆地。由于一些油气田缺失烃源岩，因而也造成了油气“倒灌”成藏说法，现分别讨论。2.1高碳地层和煤系地层1992年，陕北奥陶系马家沟组白云岩及风化壳发现了地质储量为3411×108m3的靖边大气田。由于靖边气田奥陶系白云岩和灰岩的有机碳含量太低，干酪根类型差，一些学者（如戴金星、张文正、夏新宇等）便提出靖边气田的天然气主要源于上覆石炭—二叠系的煤系地层。另一些学者（黄第藩、陈安定等）认为靖边气田的天然气主要源于奥陶系灰岩。双方均有天然气碳同位素的数据等作为证据。2.2主要目的层的大型油气2001年，甘肃省陇东地区延长组油气勘探取得重大进展，发现了以长8油层组为主要目的层的大型油气田———西峰油田。随后在长9油层组也获工业油流。由于长8、长9缺失好的烃源岩，长7优质烃源岩生成的油气“倒灌”到长8、长9成藏的观点便随之形成。2.3天然气运移与成藏模式作为贺兰山—六盘山断陷盆地西侧断隆山的阿拉善古陆和六盘山西南古隆起，在印支运动自西向东纬向惯性的强烈推挤下，向东侧断陷盆地仰冲、推覆，形成一条长600km，近南北向的仰冲型冲叠造山带。而鄂尔多斯盆地周边的秦岭和贺兰山—六盘山等断陷盆地，在发生了印支冲叠造山运动之后，地壳大大增厚，从而把深部隆升的异常地幔压下去，促使其物质侧向运移至周边地区，引起鄂尔多斯盆地整体抬升剥蚀；直到早侏罗世晚期，才在剥蚀风化残丘上接受了富县组沉积。在上述的逆冲断层带的南段、北段都可发现中上元古界海源群或其它前寒武系变质岩推覆在不同时代的新地层之上，并发现玄武岩、辉绿岩、花岗斑岩、安山玄武岩及一些金属矿床，表明这些断层有的是切入了中地壳塑性层的厚皮构造。它们在自西向东仰冲过程中，其上盘上地壳势必抬升，从而在其下伏的中地壳塑性层顶部出现虚脱空间，引起该部位的围压急剧下降，产生强烈的吸入作用，导致地幔流体沿着前身断陷盆地时期形成的岩石圈地幔和下地壳张性断裂涌入中地壳塑性层。一方面富含CO2,CO,H2的地幔流体在中地壳发生费-托合成油气的反应，另一方面，它们通过上地壳逆冲断层和逆冲断层带下盘保存下来的上地壳正断层下段进入上地壳，形成无机、有机成因的油气田。这种粘度小、活动性强的地幔流体（携带着石油、天然气）进入上地壳后，沿着遍布整个鄂尔多斯盆地的三大不整合面向古中央隆起带，以及北东向构造裂缝活动，活动范围遍及盆地中、西部，并形成了满盆油气的分布格局。这三大不整合面是：(1)侏系与三叠系之间的不整合面，形成了中生代的油田群，这是源自六盘山盆地中地壳形成的石油；(2)石炭系（本溪组）与奥陶系（马家沟组）之间的不整合面，由此形成了中部古生代的气田群，这是源自银川盆地的中地壳形成的天然气；(3)寒武系（馒头组）与中元古界（蓟县系）之间的不整合面，近期勘探表明，在寒武系白云岩发现有天然气，值得重视。根据上述分析，在这些不整合面附近，应该有大型天然气气田。鄂尔多斯盆地油气运移、成藏模式见图2。鄂尔多斯盆地为一稳定的克拉通盆地，但其周缘发育逆冲褶皱带、深大断裂、燕山期岩浆岩体及各种热液金属矿化，这些现象表明了在中生代晚期，鄂尔多斯盆地中、西部深部热液活动十分发育。特别是：(1)盆地西缘的深大断裂（有壳断裂，也有岩石圈断裂），使沉积盖层与中下地壳沟通，为深部流体垂向运移提供了通道；(2)遍布整个盆地的T/J,O/C不整合（假整合）以及大量构造裂缝为热液流体与油、气的横向运移提供了条件；(3)中生代晚期盆地西侧强大的构造挤压、推覆作用为深部油气的横向运移提供了不可缺少的动力。银川盆地中地壳低速、高导层所生成的天然气通过上述输导系统沿O/C的不整合面到达鄂尔多斯盆地中部，形成奥陶系及石炭系、二叠系大气田；鄂尔多斯盆地天然气聚集区带分布，自西向东依次为：银川盆地—西缘气聚集带—天环气聚集带—苏里格聚集带—中部聚集带—东部聚集带，天然气运移便是自西向东进行。六盘山盆地中地壳低速、高导层所生成的石油则是沿T/J不整合面在盆地的西部、南部形成三叠系、侏罗系大油田。盆地白云岩、膏盐、卤水、金属矿物等的发现，其原因可能均来自西缘的地幔流体。诚然，笔者提出鄂尔多斯盆地（稳定的克拉通盆地）丰富的石油、天然气资源来自西缘的银川盆地、六盘山盆地的中地壳低速、高导层的看法是有一些风险，但是，这种思路至少有2点是有启迪性的：(1)我们分析研究盆地油气资源不能局限在小于6km的盆地沉积层，要深入到盆地基底乃至中、下地壳来分析盆地油气前景；(2)我们不能满足于“就盆地论盆地”，这种“只见树木，不见森林”的认识严重限制了油气勘探的思路。事实上，上述思路成功解释了鄂尔多斯盆地“北气南油”的分布格局，解释了中部古生界气田的石炭系—二叠系与奥陶系气源之争，澄清了天然气“倒灌”的说法，解释了中生界油田油源的困惑，同时解释了鄂尔多斯盆地奥陶系堆积了大量膏盐的客观存在。鄂尔多斯盆地古生界、中生界地层垂向断层不发育，这也是油气可以在横向上长距离运移，并造成了今天“满盆油气”的分布格局。事实上，盆地油气向东运移早就引起石油地质学家的关注。黄第藩等在谈到鄂尔多斯盆地的油气田时说：“笔者对鄂尔多斯盆地油气作过许多地球化学分析和研究，没有发现幔源特征。从无机生油论者的观点来看，不知是借助于一种什么力量，把绝大部分油气田都从盆地周缘的断裂带推向了盆地中部的广大台块区，也许是“上帝之手”吧。”笔者并没有因黄第藩等学者的这种说法而中断对油气成因的研究，相反，在长期研究的基础上，提出了鄂尔多斯盆地油气成藏的新模式。3扶余、杨大城油层成藏模式松辽盆地（大庆油田、吉林油田）白垩系青山口组一段泥页岩是烃源岩，在青一段之上有高台子油层、葡萄花油层、萨尔图油层、黑帝庙油层；青一段之下有扶余油层、杨大城子油层。前者是大庆油田的主力产层，后者则是吉林油田储量分布最多的层位。由于扶余、杨大城子油层以下的泉头组、登娄库组缺失烃源岩，通常认为扶余、杨大城子油层为青山口组一段生成的油气向下“倒灌”而成藏；又由于青山口组一段泥岩超压大，而平面上正是青山口组一段的超压分布控制了扶余油层的分布（图3）。对于扶余、杨大城子油层倒灌成藏的模式几乎没有人提出过疑问[2,32,33,34,35,36,37,38]。以下讨论一下扶余、杨大城子原油能否从深部向上运移而来。3.1油田水的地球化学经研究，松辽盆地热流高，存在热流底辟网络；盆地中、新生代火山岩广泛发育；富Na,K流体的交代作用发育（如钠长石化、伊利石化等）；白云石的Mg2+交代作用；榍石的钠铁闪石化；油田水多为CaCl2,MgCl2型。上述特征均表明松辽盆地地幔流体活动十分发育。3.2核蕉来源元素大庆原油有异常高含量的金属铼，还有17种生物体中未检测到的金属微量元素，铼是公认的核幔来源元素。大庆原油的V/Ni比有一相对恒定的值，为0.19，这与辽河原油的V/Ni比值的相对恒定（0.02～0.04）很相似，张景廉等论证了原油V/Ni恒定比值与无机生成的关系。3.3无机成因气松辽盆地徐家围子坳陷营城组火山岩发现了地质储量为1018×108m3的徐深气田。一些学者根据天然气碳同位素组成及3He/4He比值等地球化学指标，论证了这些天然气为无机成因气。大庆原油中H2S及其它组分近年来呈增加趋势，使天然气中CO2含量也有大幅增加，表明了油气是可以再生的，这从一个侧面论证了油气的无机成因。3.4地壳内层结构满洲里—绥芬河地学断面揭示了松辽盆地深部中地壳有一低速、高导层，中地壳以上的断层大多在这里收敛。因此，由中地壳生成的油气可通过断层上升到沉积地层或火成岩中而形成油气藏。3.5讨论松辽盆地的深部地质构造环境利于无机油气的生成与成藏，根据上述事实，扶余、杨大城子原油极有可能为深部生成而不是“倒灌”生成。4讨论4.1“顶生式”生储盖组合所代表的是油气藏最近，李传亮根据固体力学和流体力学的有关理论，研究了岩石在压缩阶段的体积变化关系后明确指出，岩石在压缩阶段（即传统论的“欠压实阶段”）不能排水，也不能排烃，并深刻指出，石油科学中有诸多未经证实的假设，“欠压实”就是其中之一。压实作用对油气运移的影响，在过去显然被夸大了。源岩是否因生烃而憋压，从来没有被证实过（而这恰是“倒灌”论者的主要依据），因为源岩的孔隙压力无法实测。油气是在浮力的作用下向上运移的，浮力总是牵着油滴向上运移。浮力在油气运移过程中起了至关重要的作用。空气中的露珠永远向下落，水或湖泥中的气泡永远向上升。相反的情况从来没有发生过；若发生了，物理学定律就可能改写。事实上，油滴向下运移的可能性几乎是不存在的。因此，油气“倒灌”现象是不存在的，它缺少基本的动力驱动；“顶生式”生储盖组合实际上是不存在的，迄今为止没有人真正看到过“顶生式”油气藏。有机地球化学家常根据油源对比来确定石油、天然气的来源。如根据地球化学指标（同位素组成、生物标记化合物等），储层的油气与上方的烃源岩有某些相似之处，就确定这些油气的来源。但是为什么不可能是另外一种情况呢？即油气向上运移过程中与烃源岩的相互作用呢？如我们在鄂尔多斯盆地看到的长7油页岩，松辽盆地看到的青山口组一段的油页岩。4.2油页岩的有机地球化学有一个现象值得大家思考：鄂尔多斯盆地的长7油页岩不仅为长6、长3、长2提供油源（向上运移），还为长8、长9和长10提供油源（向下运移）；石炭系—二叠系的煤系地层不仅为苏里格气田、大牛地气田、乌审旗气田、子洲气田、榆林气田等提供气源（这5个气田的地质储量为11529×108m3），也为靖边气田（地质储量为3431×108m3）提供了气源，也就是说，石炭系—二叠系这套煤系地层至少生成了14960×108m3的煤成气。而在松辽盆地，青山口组一段油页岩不仅为高台子油层、葡萄花油层、萨尔图油层、黑帝庙油层提供了油源（向上运移），也为扶余油层、杨大城子油层提供了油源（向下运移），据最近统计，扶余、杨大城子油层的地质储量已达20×108t。也就是说，长7油页岩和青一段油页岩在地质历史时期生成了