【论文】李勇,等:断层封闭性演化地球化学评价方法及其控藏作用——以准噶尔盆地西北缘红车断裂带为例

0　引言

断层作为油气运聚成藏的“双刃剑”，开启与封闭对油气运聚起到至关重要的控制作用 ^[1-3] 。一方面，断层适当开启可以作为油气运移的良好输导体系，但开启过大也会对油气造成破坏；另一方面，断层的封闭对油气成藏具有良好的遮挡作用，可形成断层圈闭油气藏。因此，断层封闭性评价对油气成藏研究具有重要的指导意义 ^[4-6] 。学者们采用泥岩涂抹法、油水界面差法、断面压力法、声波时差法和地震速度谱识别法等静态方法可以有效评价断层封闭性 ^[7-11] ，但与油气成藏结合不够紧密。继而结合断层上、下盘的原油生物标志化合物、成熟度、含氮化合物等地球化学指标的研究 ^[12-17] ，提出了断层封闭性地球化学评价方法，对油田勘探与开发更具有实际意义。然而，不同地质时期断层活动有所差异，封闭性演化的阶段不同，对油气成藏所起的作用也不相同，断层封闭性演化和油气动态成藏有机结合的研究却较少。

准噶尔盆地西北缘红车断裂带紧邻沙湾凹陷，深层与浅层断层均发育，是油气运移的有利指向区 ^[18-19] 。研究区重质油、中质油、轻质油和干气均有所发现，凝析油气藏少，且与轻质油相伴生的天然气主要为晚期过成熟阶的干气，明显不符合生烃演化油气形成序列。此外，研究区断层上、下盘和南北段油气性质差异较大，断层上盘主要以重质油为主，断层下盘主要以高—过成熟油气为主，断裂带北段浅层白垩系纯气层较少，断裂带南段浅层白垩系主要以纯气层为主。关于断层封闭性对不同区带油气成藏的控制作用，前人主要是采用静态方法评价该区块的断层封闭性 ^[20-22] ，但对勘探开发指导作用有限。基于此，笔者利用烃源岩生物标志化合物、生烃热模拟产物特征、原油色谱色质、碳同位素、轻烃等地球化学实验分析技术，根据断层上、下盘油气地球化学性质的差异，结合烃源岩生烃演化史，开展了红车断裂带不同地质时期对油、气封闭性能差异的研究，建立了断层封闭性动态演化的地球化学评价方法，分析了断层封闭性演化对油气成藏的控制作用，以期为红车断裂带油气勘探提供技术支撑。

1　区域地质背景

准噶尔盆地位于中国西北部，是中国第二大沉积盆地 ^[23] ，勘探面积约为 13 × 10 ⁴ km ² 。红车断裂带位于准噶尔盆地西北缘，北邻克—百断阶带，东北紧邻中拐凸起，东与沙湾凹陷接壤，南边为四棵树凹陷，西靠车排子凸起 ^[24-25] 。整个断裂带近南北走向，平面形态呈反“ S ”形，断裂带长度约为 70 km ，宽度介于 10 ～ 20 km ，勘探面积约为 1 965 km ² ，是准噶尔盆地西北缘油气的富集区 ^[26] 。红车断裂带构造活动强烈，断层发育，平面上以挤压作用形成的逆断层为主要断层（红车断裂带），与其相伴生的次级小断层也较为发育，在平面上呈平行式、斜交式、交切式、燕列式、马尾状等多种形态分布 ^[27-28] 。根据断层的发育特征，可以将红车断裂带划分为北段、中段和南段 3 个区带 ^[29-33] 。红车断裂带北段位于红山嘴油田一带，主要发育红山嘴油田东侧断层、红 15 井断层、红 112 井西断层、红 43 井北断层等断层；红车断裂带中段位于中南部，断裂带较窄，具有斜向扭动的特点，断裂体系主要包括车 50 井断层和车 51 井断层等；红车断裂带南段除了逆冲断层发育外，还发育一系列平行走滑断层，断裂体系主要包括车 75 井断层、车 77 井东断层等（图 1 ）。

2　油气分布特征

红车断裂带具有“面广层多”的油气分布特征，平面上油气分布广泛，断裂带的断层上、下盘以及斜坡区均有油气分布，纵向上石炭系、二叠系、三叠系、侏罗系和白垩系多套层系含油气。从已有的生产测试资料来看，研究区气井 27 口，油井 262 口，重质油井 14 口，整体上红车断裂带天然气、中质油和重质油共存，但主要以中质油为主，中质油常与天然气相伴生，重质油主要分布在石炭系和侏罗系，天然气主要分布在浅层白垩系。

从不同层系上来看，油气平面分布也具有一定的差异。石炭系油气主要分布在断层上盘，平面上主要分布在北段和中段，以中质油和重质油为主；二叠系油气主要分布在断层下盘，平面上分布在中段和北段，以轻质油和天然气为主；三叠系油气主要分布在北段，以中质油为主；侏罗系油气分布范围较广，红车断裂带北段、中段、南段均有分布，中质油、重质油和天然气分散分布；白垩系油气主要分布在北段、中段和南段，北段中质油为主，中段和南段以天然气为主。根据不同层系油气分布特征，以三叠系为界，可以将其划分为红车断裂带深层（ C 、 P 、 T ）和红车断裂带浅层（ J 、 K ）。深层以重质油和中质油为主，主要分布在红车断裂带中段和北段；浅层油气并存，天然气主要分布在红车断裂带中段南部和南段，中质油主要分布在北段（图 2 ） 。

3　断层封闭性演化地球化学评价方法

3.1　烃源特征和生烃演化史

红车断裂带紧邻沙湾凹陷，沙湾凹陷主要发育石炭系、下二叠统佳木河组、下二叠统风城组和中二叠统下乌尔禾组 4 套烃源岩。石炭系和佳木河组烃源岩为腐殖型，以产气为主；风城组腐泥型烃源岩和下乌尔禾组混合型烃源岩主要以产油为主。根据烃源岩生物标志化合物和生烃热模拟分析结果 ^[19] ，建立了研究区不同层系烃源岩产物特征判识标准（表 1 、图 3 ），为油气源精细对比研究奠定了基础。

注：TIC，即Total Ion Chromatography，表示总离子流色谱图。

石炭系烃源岩正构烷烃主要为后峰型分布，部分表现为双峰型分布， 姥植比（ Pr/Ph ） 值介于 0.82 ～ 2.36 ，三环萜烷 C ₂₀ — C ₂₁ — C ₂₃ 呈现出上升型、弱山峰型分布特征， γ - 蜡烷含量低—中等，几乎不含 β - 胡萝卜烷，生成的天然气乙烷碳同位素值（ δ ¹³ C ₂ ）介于－ 26 ‰ ～－ 24 ‰ 。佳木河组烃源岩正构烷烃以后峰型分布为主， Pr/Ph 值介于 0.89 ～ 2.46 ，三环萜烷 C ₂₀ — C ₂₁ — C ₂₃ 呈现出下降型、弱山峰型的分布特征， γ - 蜡烷含量低—中等， β - 胡萝卜烷含量微—低，生成的天然气 δ ¹³ C ₂ 值重于－ 24 ‰ 。风城组烃源岩正构烷烃分布均匀， Pr/Ph 值介于 0.46 ～ 0.97 ，小于 1.00 ，三环萜烷 C ₂₀ — C ₂₁ — C ₂₃ 呈现出上升型分布特征， γ - 蜡烷含量和 β - 胡萝卜烷含量中—高，生成的天然气 δ ¹³ C ₂ 值轻于－ 29 ‰ 。下乌尔禾组烃源岩正构烷烃以后峰型和双峰型分布为主， Pr/Ph 值介于 0.76 ～ 1.84 ，三环萜烷 C ₂₀ — C ₂₁ — C ₂₃ 主要以山峰型分布为主，部分样品为下降型， γ - 蜡烷含量低，不含 β - 胡萝卜烷，生成的天然气 δ ¹³ C ₂ 值介于－ 29 ‰ ～－ 27 ‰ 。

采用 BasinMod 盆地模拟软件，开展了凹陷中心生烃热演化史数值模拟 ^[19] 。从模拟结果可以看出（图 4 ）， 4 套烃源岩生烃热演化具有一定的差异。①石炭系腐殖型烃源岩，早二叠世开始逐渐进入生烃门限（镜质体反射率 R _o ＝ 0.5% ）；中—晚二叠世开始进入大量生烃时期（ R _o ＝ 0.7% ）；中三叠世进入高成熟阶段早期（ R _o ＝ 1.0% ），石炭系烃源岩进入大量生气阶段；晚三叠世—早侏罗世进入高成熟阶段晚期（ R _o ＝ 1.3% ），石炭系烃源岩达到生气高峰；晚白垩世之后，石炭系烃源岩进入过成熟时期（ R _o ＞ 2.0% ），主要以生干气为主。②佳木河组腐殖型烃源岩，中二叠世进入生烃门限；早—中三叠世进入大量生烃时期，由于佳木河组烃源岩主要以腐殖型干酪根为主，此阶段生油量规模较少；晚三叠世进入高成熟阶段早期，产气量逐渐增加；早—中侏罗世，进入高成熟阶段晚期，生气量达到高峰；古近系之后，佳木河组烃源岩进入高—过成熟阶段，以生干气为主。③风城组腐泥型烃源岩，晚二叠世进入生烃门限；中—晚三叠世进入成熟阶段，处于大量生烃时期，主要以生油为主；早侏罗世达到生油高峰期；中侏罗世进入高成熟阶段，生油量逐渐减少，生气量逐渐增加；目前风城组烃源岩达到高成熟阶段晚期，但并未达到过成熟生干气阶段。④下乌尔禾组混合型烃源岩，中三叠世进入生烃门限；早侏罗世进入生烃成熟阶段，该阶段既生油也生气；早白垩世，下乌尔禾组烃源岩进入生烃高峰期；目前下乌尔禾组烃源岩主要处于高成熟阶段早期。

3.2　断层上、下盘油气来 源

表2　红车断裂带断层上、下盘原油特征数据表

红车断裂带断层下盘油藏主要分布在二叠系和三叠系储集层中，下盘原油未遭受生物降解，正构烷烃分布完整，原油密度低于 0.880 0 g/cm ³ ，以轻质油为主。以断层下盘的车排 10 井、车 38 井、车 45 井、沙门 1 井为例，原油普遍具有中 β - 胡萝卜烷、中—低 γ - 蜡烷的生物标志化合物特征，属于下乌尔禾组和风城组烃源岩的混合（图 6 ）。 δ ¹³ C _原油 值偏轻，成熟度略高于上盘原油。 C ₂₉ ααα 20S/ （ 20R ＋ 20S ）值介于 0.48 ～ 0.51 ，平均值为 0.50 ， C ₂₉ αββ / （ ααα ＋ αββ ）值介于 0.58 ～ 0.62 ，平均值为 0.61 ，处于成熟—高成熟阶段。红车断裂带断层下盘原油主要来源于下乌尔禾组烃源岩成熟阶段和风城组烃源岩高成熟阶段的混合，以下乌尔禾组烃源岩来源为主。在风城组烃源岩高成熟早期、下乌尔禾组烃源岩成熟时期，即中—晚侏罗世时期，红车断裂带断层对油处于侧向封闭状态，导致下乌尔禾组成熟阶段原油和风城组高成熟阶段原油在下盘混合聚集成藏。

3.3　不同区带断层封闭性演化史

断层在不同时期对油和气的封闭性存在差异。研究区普遍存在原油伴生气干燥系数偏干的现象，如拐 5 井风城组、车探 1 井石炭系、拐 147 井夏子街组、拐 16 井下乌尔禾组等油气藏， δ ¹³ C _原油 轻于－ 29 ‰ ，密度偏低，轻烃中庚烷值和异庚烷值成熟度参数表现为脂肪族高成熟原油，主要来源于风城组或下乌尔禾组烃源岩高成熟阶段（图 7 ）。风城组和下乌尔禾组烃源岩处于高成熟阶段，产物为典型凝析油气藏，油气并存。原油伴生的天然气为干气，天然气甲烷碳同位素（ δ ¹³ C ₁ ）偏重， δ ¹³ C ₂ 也偏重，表明天然气来源于石炭系或佳木河组晚期过成熟阶段。天然气与原油的演化阶段不匹配，表明断层在不同时期对油和气的封闭性存在差异。风城组或下乌尔禾组烃源岩高成熟阶段，断层对油封闭、对气不封闭，天然气散失，只捕获了高成熟阶段凝析油，而石炭系和佳木河组过成熟生干气阶段，断层对油气均封闭，干气大规模侵入，形成了轻质油伴生的天然气为干气的特殊现象。为了进一步分析红车断裂带断层封闭性演化阶段，分别选取北段拐 5 井和南段车探 1 井进行详细分析。

红车断裂带北段拐 5 井风城组轻质油密度介于 0.81 ～ 0.82 g/cm ³ ，其伴生气为典型干气，干燥系数 0.96 。拐 5 井风城组 δ ¹³ C _原油 为－ 30.20 ‰ ， β - 胡萝卜烷含量中等，三环萜烷中 C ₂₀ — C ₂₁ — C ₂₃ 呈上升型分布，与风城组和下乌尔禾组烃源岩地化特征相似。原油轻烃异庚烷值为 31.2 ，庚烷值为 2.9 ，处于高成熟阶段，表明其主要来源于风城组高成熟烃源岩。按照生烃演化模式，风城组烃源岩高成熟阶段应该为凝析油气藏，而拐 5 井却为轻质油藏，同时伴生气为典型干气。根据全烃色谱图分析结果，拐 5 井风城组油藏轻烃具有明显的散失（图 8-a ），与典型轻质油全烃气相色谱图差异较大（图 8-b ），说明其天然气具有一定的程度的散失，散失量约为 60% 。拐 5 井伴生的干气 δ ¹³ C ₁ 值为－ 33.14 ‰ ， δ ¹³ C ₂ 值为－ 26.79 ‰ ，表明其干气主要来源于腐殖型石炭系烃源岩过成熟阶段的干气。

综上分析结果表明，中—晚侏罗世沉积时期，沙湾凹陷风城组烃源岩处于高成熟阶段早期，下乌尔禾组烃源岩处于成熟阶段，石炭系和佳木河组烃源岩处于高成熟阶段晚期，此时红车断裂带北段中部断层对油封闭对气不封闭，风城组高成熟油和下乌尔禾组成熟原油在断裂带断层下盘聚集成藏，但天然气散失（图 8-c ）。晚白垩世沉积时期，红车断裂带北段中部断层封闭性进一步变好，对油和气均处于封闭，此时石炭系和佳木河组处于过成熟生干气阶段，干气大规模侵入拐 5 井风城组油藏，导致其轻质油相伴生的天然气为腐殖型高成熟—过成熟的干气（图 8-d ）。

对于红车断裂带南段，构造活动强于北段中部，断层封闭性较差，断层封闭性演化阶段和北段中部也具有一定的差异。以红车断裂带南段车探 1 井为例，该井石炭系埋深介于 3 783 ～ 3 905 m ，日产油 31.85 t ，日产气 21.71 × 10 ⁴ m ³ ，原油密度 0.749 5 g/cm ³ ，为凝析油气藏。 δ ¹³ C _原油 值为－ 29.91 ‰ ， β - 胡萝卜烷含量低，三环萜烷中 C ₂₀ — C ₂₁ — C ₂₃ 呈山峰形分布（图 9-a ）。原油生物标志化合物与下乌尔禾组烃源岩相似， δ ¹³ C _原油 值却轻于下乌尔禾组烃源岩，表明其来源于下乌尔禾组烃源岩和风城组烃源岩的混合。原油轻烃庚烷值为 33.3 ，异庚烷值为 4.10 ，为高成熟阶段原油。原油全烃色谱图中，轻烃散失严重，表明其天然气遭受严重散失，散失量约为 70% （图 9-b ）。其伴生的天然气 δ ¹³ C ₁ 值为－ 35.09 ‰ ， δ ¹³ C ₂ 值为－ 28.14 ‰ ，但其干燥系数偏高，干燥系数 0.95 ，为干气，表明遭受了石炭系和佳木河组过成熟阶段的干气侵入。

晚三叠世，风城组烃源岩处于成熟阶段大量生油时期，此时红车断裂带南段构造活动强，断层开启且连接地表，无油气聚集成藏。随着构造活动减弱，断层封闭性逐渐变好，早白垩世时期，风城组烃源岩处于高成熟阶段晚期，下乌尔禾组烃源岩处于高成熟阶段早期，红车断裂带南段断层侧向不封闭，垂向对油封闭，下乌尔禾组和风城组高成熟凝析油气在上盘圈闭成藏，但断层对气不封闭，天然气散失（图 9-c ）。晚白垩世，石炭系烃源岩处于过成熟阶段，红车断裂带南段遭受大规模干气侵入，导致车探 1 井天然气干燥系数偏高（图 9-d ）。

4　断层封闭性演化对油气成藏的控制作用

综上分析结果表明，利用油气地球化学特征，结合烃源岩生烃演化史，可以有效判识断层封闭性演化阶段，由此建立了断层开启、弱封闭、中封闭、强封闭 4 个演化阶段（图 10 ）。断层开启连通地表阶段，油气散失；断层弱封闭阶段，侧向对油气不封闭，断层上盘天然气散失油藏遭受生物降解；断层中封闭阶段，侧向对油封闭对气不封闭，天然气散失，油藏在下盘聚集成藏；断层强封闭阶段，对油气均封闭，捕获晚期油气。

注：1. T _a 、 T _b 、 T _c  分别表示开始压实封闭时间、对油封闭对气不封闭时间、对油气均封闭时间；2. ①、②、③、④分别表示断层开启阶段、弱封闭阶段、中封闭阶段、强封闭阶段。

断层封闭性演化控制了红车断裂带断层上、下盘和不同区带油气藏性质。断层侧向封闭性演化控制了上、下盘油气来源和性质，研究区断层封闭性的演化控制了区带上油气类型的差异。中—晚三叠世，断层侧向不封闭，断裂带断层上盘主要以遭受生物降解的重质油为主，原油主要来源于风城组成熟阶段烃源岩。中—晚侏罗世时期，断层侧向封闭，下盘主要为保存条件较好的正常原油，原油主要来源于下乌尔禾组成熟阶段和风城组高成熟阶段的混合。

红车断裂带北段，晚三叠世—早侏罗世，风城组烃源岩处于成熟大量生油阶段，断裂带北段断层处于弱封闭，风城组成熟阶段原油运移至断层上盘石炭系成藏，且遭受生物降解，形成重质油；晚侏罗世—早白垩世，风城组烃源岩处于高成熟生凝析油气阶段，下乌尔禾组烃源岩处于成熟大量生油阶段，此时红车断裂带北段断层侧向对油封闭、垂向对气不封闭，天然气散失，原油在断层下盘聚集成藏，且原油全烃气相色谱轻烃散失；晚白垩世之后，红车断裂带北段断层对油气均封闭，石炭系烃源岩处于过成熟生干气阶段，石炭系干气大规模侵入，导致原油伴生的天然气干燥系数偏高，形成了重质油、中质油、轻质油、干气并存的油气分布复杂现象。

前人研究结果表明，红车断裂带南、北段构造活动强度有所差异 ^[34] ，南段构造活动强于北段（图 11 、 12 ），南、北段断层封闭性演化存在差异。晚三叠世之前，红车断裂带南段构造活动强烈，断层开启且连通地表，油气散失；早侏罗世—中白垩世，断裂带南段断层处于弱封闭，风城组生成的原油在断层上盘遭受严重生物降解；中白垩世—晚白垩世，风城组烃源岩处于高成熟生凝析气阶段，下乌尔禾组烃源岩处于高成熟生凝析油阶段，高成熟油气与早期成熟生物降解原油混合，此时断裂带南段断层对油封闭、对气不封闭，天然气散失；古近纪之后，红车断裂带南段断层对油气均封闭，石炭系过成熟干气大规模侵入，导致原油相伴生的天然气干燥系数偏高。

5　结论

1 ）建立了准噶尔盆地沙湾凹陷石炭系、佳木河组、风城组和下乌尔禾组 4 套烃源岩产物判识标准，应用三环萜烷 C ₂₀ — C ₂₁ — C ₂₃ 、 γ - 蜡烷、 β - 胡萝卜烷和碳同位素指标参数，可以有效区分 4 套烃源岩，恢复生烃演化史，为油气源精细对比研究奠定了基础。

2 ）红车断裂带断层侧向封闭性控制了断层上、下盘油气性质差异。晚三叠世—早侏罗世，断层侧向不封闭，风城组成熟阶段生成的原油运移至断裂带断层上盘石炭系，遭受生物降解形成高密度重质油。晚侏罗世—早白垩世，断层侧向对油封闭、对气不封闭，天然气散失，下乌尔禾组成熟阶段和风城组高成熟阶段原油运移至下盘聚集成藏。

3 ）不同地质时期断层对不同流体的封闭性差异演化形成了红车断裂带油藏伴生气普遍为干气的特殊现象。红车断裂带断层封闭性演化可划分为开启、弱封闭、中封闭、强封闭 4 个演化阶段，分别控制了油气散失、上盘油藏遭受生物降解、下盘油藏聚集天然气散失、晚期干气捕获 4 个成藏过程。该成果对多源多期油气勘探开发具有重要的指导意义。