2. 中国石油国际勘探开发有限公司
2. China National Oil and Gas Exploration and Development Corporation Ltd
中东地区作为全球主要产油区,具备优越的油气地质条件和巨大的油气资源基础[1-6]。古特提斯洋控制了志留系热页岩的发育,新特提斯洋影响了侏罗系Diyab组和白垩系多套优质烃源岩的沉积。古—中生界漫长地质历史时间持续、稳定、巨厚的海相沉积为油气提供了充足的储集体[7-8]。2008年中国石油与伊拉克签署了油田开发项目,拉开了中国石油企业参与中东油田勘探开发的序幕。目前,中国石油中东项目集中在两伊(伊拉克、伊朗)和两阿(阿联酋、阿曼)地区。截至2018年12月,两阿地区所在的鲁卜哈利盆地共发现油气田153个、油气藏432个,可采储量为254.7×108t油当量,占波斯湾盆地已探明地质储量的11.7%[9]。中国石油近几年在鲁卜哈利盆地获取多个大型油田项目,在产油田主力生产层系以白垩系为主。
白垩纪构造演化控制着陆架内盆地的发育,并对各成藏组合的储层形成、油气成藏都具重要影响。本文通过总结白垩纪鲁卜哈利盆地构造演化过程及沉积充填特征,系统梳理了生、储、盖各地质要素的时空配置关系,阐明白垩系不同成藏组合的构造沉积响应及成藏控制因素,进而为中东地区主力油藏开发和勘探新项目的获取提供地质依据。
1 白垩纪构造演化阶段鲁卜哈利盆地位于波斯湾地区南部的一个二级构造单元[10](图 1)。白垩纪波斯湾地区继承了侏罗纪被动大陆边缘的沉积环境,形成了隆洼相间的沉积格局,主要发育Ga’ara、Kazhdumi和Bab 3个陆架内盆地。中东两伊地区Rumaila、Majnoon及两阿地区Bu Hasa、Bab等大型整装油田均沿各陆架内盆地展布,地质上属同一陆架边缘的碳酸盐岩沉积环境,具有极为相似的油藏地质特征[11-13]。
前人研究成果表明,阿拉伯板块经历了前寒武纪基底拼合、早古生代克拉通内、晚古生代弧后拉张、早中生代被动大陆边缘和晚中生代至今的活动大陆边缘5个阶段,形成了11个构造地层巨层序[14-15]。从晚古生代中二叠世至新近纪长达240Ma的时间,阿拉伯板块长期处于赤道附近,沉积了大套海相碳酸盐岩。白垩纪,鲁卜哈利盆地构造环境发生了较大转变,经历了两个构造演化阶段:早—中白垩世稳定扩张阶段和晚白垩世洋壳仰冲阶段[16-17](图 2)。
中二叠世至早—中白垩世,土耳其地块、伊朗—阿富汗地块逐渐向北漂移并到达北部劳亚大陆的边缘,阿拉伯板块处于新特提斯洋被动大陆边缘。中生代鲁卜哈利盆地持续伸展并长期处于被动大陆边缘裂谷后的热沉降阶段。早—中白垩世,盆内发育两期大型陆架内碳酸盐缓坡,全球海平面的高位震荡进一步控制了沉积体系的变化和区域不整合的发育。到中白垩世晚期,随着北部被动大陆边缘发生挤压宣告长期稳定扩张阶段结束。
1.2 洋壳仰冲阶段晚白垩世,全球大陆开始新一轮的裂解,美洲板块从非洲板块裂解形成大西洋;更重要的是,印度—巴基斯坦板块从非洲板块脱离并持续向北漂移,在左旋走滑断层影响下,新特提斯洋洋壳内部遭受挤压。随着土仑期Semail蛇绿岩碰撞,阿曼盆地和鲁卜哈利盆地构造逐渐反转并在盆地东部率先发生地层抬升,中土仑阶和下坎潘阶之间形成了两个区域不整合面。挤压事件从中土仑期一直持续到白垩纪末期,是影响阿拉伯板块较为重要的一期造山运动(阿尔卑斯Ⅰ期)。晚白垩世早期,伴随着东北部蛇绿岩的仰冲,最终在鲁卜哈利盆地东北部边缘形成了深水前陆盆地和广泛海退沉积。
2 沉积充填响应长期以来阿拉伯板块与非洲板块连在一起,作为一个巨大的刚性地体,其内部的构造运动相对平稳,除板块边缘外,板块内部未曾发生强烈的造山运动和火山活动,使得被动大陆边缘沉积的生储盖组合得以保存,这是阿拉伯板块内沉积盆地成为世界上油气资源最丰富的沉积盆地的重要前提。白垩纪鲁卜哈利盆地发育一个异常宽广的浅海陆架并充填了较为均一的海相碳酸盐岩,该套碳酸盐岩陆架横向范围大于1000km,沉积厚度约为2000m,是鲁卜哈利盆地在产油田的主力产层。与国际上通用的两分不同,阿拉伯板块白垩系层内存在两个区域不整合面,通常采用上白垩统、中白垩统、下白垩统三分进行描述[18]。其中,中、下白垩统成藏组合属稳定台地沉积体系,具自生自储成藏特征;上白垩统成藏组合属前陆沉积体系,具下生上储成藏特征。
2.1 主要成藏组合鲁卜哈利盆地下白垩统Thamama群由老至新可划分为Habshan组、Lekhwair组、Kharaib组和Shuaiba组[19](图 3)。Habshan组发育潮下环境泥灰岩;Lekhwair组沉积于潟湖环境,岩性以粒泥灰岩为主,含泥粒灰岩和粒屑灰岩;Kharaib组由互层状粒泥灰岩和泥粒灰岩组成;Shuaiba组以生屑灰岩沉积为主,其上部地层向鲁卜哈利盆地北部相变为Bab段泥灰岩和页岩。下白垩统油气主要来自Bab段泥灰岩,同时鲁卜哈利盆地东部侏罗系Diyab组泥灰岩也有一定贡献,整体具自生自储的特点。Bab段泥灰岩发育在Thamama群上部,有机质类型为Ⅰ型和Ⅱ1型干酪根,TOC(有机碳含量)为1%~6%,平均为3.6%,最高达12%,Ro为0.45%~1.2%,处于生油阶段[20]。主要储层Shuaiba组由大套泥粒灰岩和台缘介壳灰岩组成,孔隙度为10%~30%,平均孔隙度为25%;渗透率为0.1~1000mD,平均渗透率为25mD,为高孔、中渗储层;储层储集空间以粒间孔、铸模孔为主。中白垩统底部Nahr Umr组页岩是稳定展布的区域性盖层,平均厚度为130m;同时,Thamama群内部还发育多套致密泥灰岩作为层间盖层。下白垩统成藏组合是鲁卜哈利盆地最主要的勘探开发层系,已探明地质储量达171×108t,占鲁卜哈利盆地已发现地质储量的67.4%。
中白垩统Shilaif(Khatiyah)组烃源岩由暗色、沥青质泥灰岩组成。Shilaif组烃源岩平均厚度为120m,其下段TOC最高为4.5%,平均为3%;为Ⅰ型和Ⅱ型腐泥型干酪根,属优质烃源岩。鲁卜哈利盆地东部Shilaif组烃源岩Ro高于0.9%,但西部和南部烃源岩处于未成熟期和生油初期。中白垩统碳酸盐岩储层包括Mauddud组、Mishrif组、Natih组石灰岩,并以台地边缘相Mishrif组生物介壳灰岩为主[21];该套储层孔隙度为20%~30%,渗透率为15~50mD。该成藏组合盖层为Ruwaydha组致密石灰岩或Laffan组页岩,但受晚白垩世构造反转影响,盆地东部Mishrif组储层直接与上白垩统Fiqa组页岩接触。中白垩统成藏组合已有发现以构造油藏为主,探明地质储量达8.3×108t,占全盆地已发现地质储量的3.3%。
上白垩统成藏组合烃源岩为下伏Shilaif组泥灰岩,阿曼造山运动导致中白垩统剥蚀,造就了Shilaif组烃源岩与上白垩统储层之间的源储配置关系。主要储层Simsima组发育局部白云岩化的粒泥灰岩、泥粒灰岩和生屑灰岩,Halul组沉积了一套相对局限环境的粒泥灰岩或泥灰质黏土。古近系底部Umm Er Radhuma组页岩作为Simsima组的区域性盖层,厚度约为60m。上白垩统已发现油田规模不大,主要分布在鲁卜哈利盆地东部并以背斜油藏或断块型油藏为主,已探明储量约为0.6×108t。
2.2 沉积充填特征早白垩世早期,鲁卜哈利盆地处于碳酸盐缓坡环境,沉积充填的Habshan组、Lekhwair组、Kharaib组在区域上连续分布,范围广,厚度变化小,巴雷姆晚期充填的Kharaib组具反旋回韵律特征,沉积一套灰白色粒屑灰岩,其顶部沉积物颗粒明显变大且发育粒内溶孔、粒间孔,储集条件较为优越(图 4中①和②采样点)。阿普特早期沉积的Shuaiba组Hawar段为中缓坡相粒泥灰岩及灰黑色泥灰岩,该沉积层展布稳定且作为下伏Kharaib组粒屑灰岩的区域性盖层(图 4中③采样点)。
早白垩世晚期,受断层活动和地层挠曲的影响,阿联酋西侧与东侧形成北西—南东向Shuaiba组台缘带,即Bab陆架内盆地边缘[22]。阿普特阶Shuaiba组涵盖了开阔台地、台地边缘、台缘斜坡及盆地相等多种相带单元,经历了海侵、高位、海退低位等多个体系域的演化。伴随着生物建造的发育,沉积环境逐渐由碳酸盐缓坡演化为弱镶边型台地[23]。Shuaiba组中段以粒屑灰岩和粒泥灰岩沉积为主(图 4中④采样点),稳步上升的水体为藻类、珊瑚、厚壳蛤类造礁生物提供了有效的可容纳空间,沉积了大套藻粘结岩和生屑灰岩的岩相组合(图 4中⑤和⑥采样点)。阿普特后期,研究区海平面迅速下降处于相对低位,沉积作用主要发生在靠近Bab盆地的区域。远离Bab盆地的区域Shuaiba组遭受短暂(1.5Ma)暴露后,阿尔布期海平面上升并沉积了一套稳定展布的Nahr Umr组页岩[24-25]。受高频海平面影响,Bab盆地内Shuaiba组岩性过渡为粒泥灰岩或灰黑色泥灰岩,并沉积了一套灰黑色富有机质泥灰岩。往Bab盆地中心,该套沉积厚度逐渐增大并作为鲁卜哈利盆地下白垩统成藏组合的最重要烃源岩(图 4中⑦采样点)。受陆架内盆地控制的高品质烃源岩、沿台缘呈带状展布的多期次优质储层为油气聚集提供了优越的源储配置条件,进而孕育了Bab、Bu Hasa等大型整装油田。
中白垩世鲁卜哈利盆地基本延续了早白垩世的构造沉积格局,但随着阿曼山相关断层的活动,导致台缘带向北西—南东向发生迁移而形成近南北向台缘带,即Shilaif陆架内盆地[26]。Shilaif陆架内盆地两侧台缘区域均有油藏发现,已发现油田主力油层为Mishrif组/Natih组,储层段具反旋回韵律特征,整体旋回性与阿普特阶Shuaiba组具有较高的可类比性。但值得注意的是,受晚白垩世阿曼造山运动影响,Shilaif陆架内盆地东侧台缘带发生明显构造抬升,造山带前缘的中白垩统遭受强烈剥蚀,形成了一次广泛的角度不整合面,进而导致中白垩统的陆架内盆地具有明显的非对称特点,这一点与早白垩世Bab盆地有较大差异(图 5a)。Mishrif组沉积充填具明显相控特征,相对低能的滩间水道常充填生屑泥晶灰岩或白垩质灰岩,生屑颗粒较细且常具泥晶包壳,尽管孔隙度不低,但渗透率较差,整体表现为中孔、低渗储层(图 5b);典型生物礁及高能滩相发育厚壳蛤灰岩或生物碎屑灰岩,颗粒粗且铸模孔发育,为高孔、高渗储层。赛诺曼末期,Mishrif组整体暴露接受淡水淋滤,进一步优化了Mishrif组顶部储层物性(图 5c)。土仑期,随着全球海平面下降,Tuwayil组陆源碎屑开始自西南部向Shilaif盆地涌入,并在远离物源端充填的三角洲前缘或前三角洲沉积(图 5d)。伴随又一次大型海侵事件,砂体上部覆盖了Ruwaydha组泥灰岩。
上白垩统表现为Laffan—Halul、Fiqa—Simsima两个完整的三级层序。水进旋回沉积了Fiqa组和Laffan组深水页岩,水退旋回以Halul组和Simsima组生屑灰岩、粒泥灰岩充填为主。晚白垩世鲁卜哈利盆地以碳酸盐缓坡沉积占主导,沿阿曼造山带至Lekhwair隆起带方向,Simsima组发育局部的珊瑚及厚壳蛤等生物建造。晚白垩世阿曼山附近出露一套广泛展布的蛇绿岩套,伴随着洋壳仰冲,Simsima组碳酸盐岩挤压推覆至蛇绿岩套之上。阿曼山隆升导致了阿曼山前中—上白垩统挠曲下沉、遭受剥蚀。例如,在Lekhwair隆起和Sharjah地区,由于地层大幅隆升导致区域中白垩统陆架碳酸盐岩遭受剥蚀;与阿曼山附近地层强烈的构造变形相比,盆地西部下伏的中生代陆架碳酸盐岩则变形较弱。
现有地质观点认为,由于缺乏有效的成熟烃源岩,鲁卜哈利盆地上白垩统鲜有大规模油田发现。Halul组目前仅在阿布扎比海域Al Khair构造和Mandous构造获技术性发现;Simsima组目前仅在阿布扎比Shah油田及靠近阿曼山前的构造圈闭中有商业性发现(图 6)。晚白垩世阿曼造山带及前陆盆地的演化对上白垩统油气成藏事件影响深远,Simsima组下伏的Fiqa组和Laffan组页岩需遭受剥蚀并缺失,Shilaif组生成的烃类才能通过不整合面或断层运移至上覆圈闭中聚集成藏。
鲁卜哈利盆地中—新生代的构造演化及沉积充填是由新特提斯海开合引起的。从早白垩世特提斯洋扩张鼎盛期到晚白垩世阿曼造山带的隆起,特殊的构造演化阶段、多套成藏组合及全球海平面高频层序影响下的多旋回储—盖组合,使得鲁卜哈利盆地白垩系成为世界上油气最为富集的层系[27]。
3.1 成藏主控因素20世纪50年代末,壳牌石油公司、BP石油公司、道达尔石油公司等西方石油公司在鲁卜哈利盆地陆续发现了多个大型整装油田,这些发现均属构造油藏且仍是目前两阿地区的主力油田;20世纪90年代,盆地范围内零星有小规模构造—岩性油藏发现。2000年以后,随着中国、韩国石油公司的介入,在盆地东、西两侧的地层—岩性圈闭及低幅度构造中获得白垩系油藏新的突破。通过总结鲁卜哈利盆地白垩系勘探开发情况,认为白垩系油藏展布主要受优质烃源灶、相对古地貌高及油气优势运移通道3个因素控制。
高效优质烃源灶是碳酸盐岩油藏形成的物质基础。高效优质烃源灶指大面积分布的高生烃强度区,是烃源岩厚度、有机质丰度、有机质类型及有机质成熟度的综合体现。阿联酋陆上区域的Bab油田、Bu Hasa油田、Shuaiba组油藏、Kharaib组油藏,阿联酋东部的Fateh油田、Umm Al Dalkh油田、Mishrif组油藏(图 7)和西部的Hair Dalman构造、Nahaidiin地区Mishrif组油气发现[28],以及阿联酋Shah油田均具近源成藏的特征。以中—上白垩统成藏组合为例,古新世末期Shilaif组烃源岩进入生油窗(Ro为0.52%~0.65%);始新世至今,有机质热演化程度进一步提高,东部台缘区接近生油高峰(Ro为0.72%~0.78%),但西部台地区尚处于早期成熟阶段(Ro为0.6%~0.68%)。因此,中—上白垩统现有油田主要聚集在鲁卜哈利盆地东侧。
古地貌高部位控制台缘高能相带的形成。白垩纪,阿拉伯板块多处于赤道附近,该时期海洋生物繁盛,造礁生物层层加积形成礁体。碳酸盐台地内部古地貌不易发生剧烈变化,局部古地貌高有利于颗粒滩生长。伴随鲁卜哈利盆地断层的活动及地层挠曲,沉积环境由碳酸盐缓坡演变为厚壳蛤广泛发育的弱镶边型台地,在地形的相对高部位发育了以Shuaiba组、Mishrif组和Simsima组为代表的3期碳酸盐岩生物建造地层。继承性发育的高能礁滩相碳酸盐岩因长期处于古地貌高部位且持续性地受到高能水体影响,最终沉积了一套高孔渗石灰岩储层。
断层和区域不整合面控制油气的运聚。断层作为油气垂向运移的通道,直接沟通下伏烃源岩;同时,古近纪—新近纪扎格罗斯造山运动促使断裂系统为油气的二次运移提供了良好的运移通道。但鲁卜哈利盆地西侧构造相对简单,主要发育与沉积负荷相关的塌陷断层和走滑断层,断层断距整体偏小且断层活跃期早于主排烃期。考虑到下白垩统、中白垩统、上白垩统顶部均发育区域性不整合面,且地层内部还发育多期层间不整合面,需重视不整合面在油气优势运移通道中的作用。例如在中白垩统顶部Tuwayil组砂岩常见指示流体运移的黄铁矿,也可进一步佐证不整合面作为油气侧向运移的主要通道。
3.2 未来勘探方向鲁卜哈利盆地白垩系成藏组合分布广泛,但埋藏浅、勘探程度相对较高。未来的油气勘探开发工作将逐步向非构造圈闭精准预测、低品位油藏或非常规资源的经济动用这3个大的方向发展。
低幅度构造和岩性目标均属于非构造圈闭精细刻画的范畴。近10年来,随着勘探程度的提高和大部分主力油层进入开发中后期,阿联酋国家石油公司和阿曼国家石油公司加强了非构造圈闭的研究和勘探力度。台地边缘碳酸盐岩建隆具有优越的储层物性条件,礁前相和礁后相沉积的泥灰岩往往能对储层形成侧向和垂向封挡,陆架内盆地周缘地区具备发育独立性油气聚集单元的地质条件。目前,在鲁卜哈利盆地东南部阿曼境内下白垩统Shuaiba组发现多个沿台缘带展布的台内浅滩相石灰岩条带。尽管这些浅滩相储层单层厚度仅为3~10m,但其在地震反射轴上常具有“复波”特征且在空间上相互叠置并成带展布,目前已取得了较好的勘探开发成效[29]。此外,受阿曼造山运动影响,鲁卜哈利盆地东部地层强烈抬升,中—上白垩统大部分遭受剥蚀而与上覆地层形成角度不整合,促使了地层—岩性圈闭的发育。
中东地区白垩系碳酸盐岩以孔隙型储层为主,中—高孔低渗生物碎屑灰岩在白垩系3套成藏组合中均广泛发育。这类储层具小孔喉、低渗透的特点,尽管整体含油饱和度高、储量规模大,但测试产能较低,储量有效动用难度大。储层精细刻画和甜点预测是高孔低渗储层及油藏的重点与难点。目前,常规的研究思路是综合储层的岩石学、沉积充填特征及岩石物理和地球物理属性进行储层分类与识别。与常规层段的高孔低渗油藏类似,烃源岩内幕发育的甜点段及其对应的非常规资源也是中东地区近几年研究的热点领域。中白垩统Shilaif组和Natih组烃源岩处于生油高峰,目标层甜点段平均孔隙度为8%,平均渗透率约为0.1mD,处于致密油的范畴;尽管其资源规模大,但经济门槛相对高,目前仅处于研究和先导性试验阶段[30-31]。
4 结论鲁卜哈利盆地作为波斯湾地区较为富饶的含油气单元,20世纪60年代勘探高峰期西方公司在该盆地发现了大量构造圈闭。经过半个世纪的勘探开发,尽管勘探对象日趋复杂,但生储盖条件配置优越的白垩系仍是未来勘探及研究工作的重点。其未来主要勘探方向和领域有:陆架内盆地台缘带附近的下白垩统Shuaiba组,中白垩统Mishrif组/Natih组岩性圈闭,阿曼山前上白垩统Simsima地层—岩性圈闭。同时,白垩系广泛分布的高孔低渗碳酸盐岩油藏和盆地沉积中心中白垩统Shilaif组/Natih组烃源岩低渗透油资源也有巨大的挖潜空间。
近几年来,中国石油在阿布扎比中油区块采用地质—地震综合识别、多属性融合定性评价及含油气检测定量评估等技术,有效应对了岩性圈闭相变快、难以识别的挑战,助推了阿联酋西部首个地层—岩性油藏的勘探突破。
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