濱里海盆地南緣鹽構造相關油氣成藏特征及其物理模擬

楊 泰，湯良杰，余一欣，鄭俊章，王 震，孔令洪，王燕錕

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 2.中國石油大學 盆地與油藏研究中心，北京 102249；3.中國石化 東北油氣分公司，長春 130062； 4.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

濱里海盆地南緣鹽構造相關油氣成藏特征及其物理模擬

楊 泰1,2,3，湯良杰1,2，余一欣1,2，鄭俊章4，王 震4，孔令洪4，王燕錕4

(1.油氣資源與探測國家重點實驗室，北京 102249； 2.中國石油大學 盆地與油藏研究中心，北京 102249；3.中國石化 東北油氣分公司，長春 130062； 4.中國石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083)

基于地震剖面的解釋和油氣成藏模擬實驗，探討了濱里海盆地南緣鹽相關構造和油氣藏的特點。濱里海盆地南緣鹽構造以高幅度的鹽底辟和鹽墻為主，并以鹽焊接、鹽滾或?qū)訝铥}層相連，分別與鹽上和鹽下構造層相對應，發(fā)育2種油氣成藏模式，即鹽焊接構造相關油氣成藏模式和鹽下非均質(zhì)性儲層油氣成藏模式。二維油氣成藏物理模擬實驗表明，鹽焊接構造是鹽上層系油氣成藏的關鍵，而斷層的發(fā)育和層間非均質(zhì)性控制了鹽下層系中油氣的分布。模擬實驗結果深化了對鹽相關構造中石油聚集成藏的理論認識，對含鹽盆地的油氣勘探也有一定指導作用。

鹽構造；油氣成藏模式；成藏模擬實驗；濱里海盆地

濱里海盆地為大型疊合盆地，是世界上油氣資源最豐富的大型沉積盆地之一。盆地充填了巨厚的沉積物，古生界為海相沉積建造，中生界為海陸交互相沉積建造，新生界為陸相沉積建造；盆地邊緣沉積物厚度為3～4 km，中心部位可達10～13 km[1-2]。盆地中已發(fā)現(xiàn)的油氣田有200多個，近600個油氣藏，絕大多數(shù)分布在盆地周緣，而這僅僅是該盆地油氣資源量中的一小部分，其預測遠景可采儲量為130×108t[1]，因此，其勘探潛力巨大。

濱里海盆地屬于典型的含鹽盆地，孔谷階含鹽層系在全盆皆有分布，鹽構造與油氣圈閉有著極為密切的關系，受鹽構造形態(tài)的影響，盆地中發(fā)育豐富的圈閉類型。前人對濱里海盆地的構造背景、工區(qū)內(nèi)鹽構造變形樣式及相關圈閉等問題都進行過研究[3-9]，但該地區(qū)的油氣勘探難度較大，限制了對鹽構造相關圈閉中油氣運聚規(guī)律的深入了解。本文依據(jù)盆地南緣地震資料解釋成果，結合地質(zhì)特征，建立濱里海盆地南緣地質(zhì)模型，并據(jù)此設計了2組物理模擬實驗模型，通過模擬實驗，驗證油氣運聚成藏動態(tài)過程，從而進一步認識濱里海盆地南緣的油氣成藏特征。

1 地質(zhì)背景

濱里海盆地位于哈薩克斯坦西部，另有一小部分(約15%)位于俄羅斯境內(nèi)，盆地輪廓近似呈東西向延伸的橢圓形，面積約50×104km2。全盆可分為北部及西北部斷階帶、中央坳陷帶、阿斯特拉罕—阿克糾賓斯克隆起帶和東南坳陷帶4個次級構造單元。盆內(nèi)沉積地層最大的特點是下二疊統(tǒng)孔谷階(P1kg)含鹽地層特別發(fā)育，因此整個盆地的沉積層序可明顯地劃分為3部分：鹽下層系(下古生界—下二疊統(tǒng))、含鹽層系(下二疊統(tǒng)上部孔谷階)和鹽上層系(上二疊統(tǒng)—第四系)。

研究區(qū)位于盆地南部的里海海域，構造上屬于阿斯特拉罕—阿克糾賓斯克隆起帶(圖1)，該隆起帶上發(fā)育了大量二級隆起和凹陷，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了多個大油氣田，其中包括阿斯特拉罕凝析氣田、田吉茲油田和卡薩甘油田。

研究區(qū)生儲蓋組合完備，主要勘探目的層分為鹽上和鹽下2部分：鹽下層系的上泥盆統(tǒng)—石炭系碳酸鹽巖儲層，鹽上層系中生界的碎屑巖儲層。南部鹽下層系中烴源巖發(fā)育，主要為上泥盆統(tǒng)、中—下石炭統(tǒng)、下二疊統(tǒng)的泥巖和碳酸鹽巖[10]。盆地的地熱梯度數(shù)據(jù)表明大部分生油巖仍處于生油氣階段[11]。鹽上層系中的上二疊統(tǒng)、三疊系和侏羅系也有烴源巖發(fā)育，但研究表明，盆地南緣的油氣主要來源于鹽下層系[12-13]。

2 鹽構造變形特征及相關成藏特征

2.1 鹽構造變形特征

研究區(qū)內(nèi)孔谷階含鹽層系變形強烈，鹽構造以高幅度的鹽底辟和鹽墻為主，之間以鹽焊接構造、鹽滾構造或?qū)訝铥}層相連(圖2)。通過地震剖面分析，共解釋出鹽底辟構造12個，隆起幅度最高可達5 000 m，最低為700 m，平面展布面積最大約116 km2，最小約12 km2。

圖1 濱里海盆地南緣研究區(qū)地理位置示意

圖2 濱里海盆地南緣研究區(qū)鹽構造樣式 ①鹽焊接；②鹽底辟；③鹽枕；④鹽滾；⑤龜背構造 剖面位置見圖1。

鹽底辟是鹽體刺穿特征明顯、成熟度較高、與上覆層呈明顯不整合接觸的一類鹽構造樣式，在研究區(qū)尤為發(fā)育。從地震剖面解釋成果來看，鹽底辟上、下地層中斷層發(fā)育，且底辟隆起幅度高，部分鹽底辟已刺穿三疊系，并進入侏羅系。由于鹽巖的定向流動，在底辟周緣的鹽邊凹陷中沉積了厚度較大的上二疊統(tǒng)。鹽巖的強烈變形對周緣地層的沉積過程有重要影響，在兩底辟之間常形成寬緩的龜背構造。

鹽枕隆起幅度低，與上覆地層呈整合接觸，屬于協(xié)調(diào)變形。鹽滾構造為過渡型鹽構造，隆起幅度較低，兩翼產(chǎn)狀明顯不一致，一翼以正斷層與上覆層接觸。兩種鹽構造樣式僅在局部地區(qū)有所發(fā)育。

鹽焊接是指由于鹽層塑性流動抽空而造成原來被鹽層分隔的上、下地層相互疊置在一起[14]。研究區(qū)內(nèi)兩鹽底辟構造之間常發(fā)育有鹽焊接構造(圖2)，是鹽上油氣成藏的關鍵控制因素。

由地震剖面可以發(fā)現(xiàn)，該區(qū)沉積上最大的特點是沉積了巨厚的下二疊統(tǒng)孔谷階鹽巖層，以該鹽巖層為界，可以將濱里海盆地劃分為上、下2個構造層。其中鹽上構造層受鹽構造運動影響強烈，在底辟頂部發(fā)育正斷層，周緣地層褶皺變形明顯，根據(jù)其變形的差異性，可將其分為“J”型褶皺地層、楔形褶皺地層和未褶皺地層等3類[7]。鹽下構造層為一東北傾斜坡，斷裂形成于孔谷階含鹽層系沉積之前，上泥盆統(tǒng)至中石炭統(tǒng)地層厚度變化較大，南部厚(2 000～3 000 m)，北部薄(1 200～1 900 m)。

2.2 鹽構造相關成藏模式

采用Excel軟件收集數(shù)據(jù)，SAS9.1.3軟件進行數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析。計量資料采用均數(shù)±標準差（x±s），計數(shù)資料采用χ2檢驗表示。由于男女生理功能的差異，對不同性別學生的形態(tài)指標、功能指標、運動素質(zhì)指標、健康指標不做統(tǒng)計學分析。

以孔谷階含鹽層系為界，將盆地的油氣成藏組合分為2類：即鹽上層系和鹽下層系油氣成藏組合。鹽上層系儲層以上二疊統(tǒng)—三疊系以及侏羅系—新近系2大套陸源碎屑沉積為主，由于受到孔谷階含鹽層系構造變形的影響，鹽上圈閉主要發(fā)育與鹽底辟相關的背斜型、斷層遮擋型、鹽體刺穿遮擋和龜背斜型圈閉(圖3)。由于盆地南緣的油氣主要來源于鹽下層系，鹽焊接構造就成為了溝通鹽上儲層和鹽下烴源巖的重要橋梁。文中將此類型油氣成藏統(tǒng)稱為鹽焊接構造相關油氣成藏模式。

鹽下層系儲層以中—下石炭統(tǒng)(杜內(nèi)階—巴什基爾階)和上泥盆統(tǒng)(法門階)淺海碳酸鹽巖臺地及生物礁、灘相灰?guī)r為主，油氣成藏主要受構造控制，圈閉類型主要以生物礁建造和背斜圈閉為主(圖3)?？坠入A含鹽層系為鹽下油氣成藏提供了優(yōu)質(zhì)的蓋層條件，資料表明，鹽下層系儲層有明顯的非均質(zhì)性[15]，表現(xiàn)為反韻律特征：(1)上部的良好儲層，包括中石炭統(tǒng)巴什基爾階和下石炭統(tǒng)頂部的霍爾普霍夫階；(2)中間的較好儲層，包括下石炭統(tǒng)的維憲階和杜內(nèi)階；(3)底部的差儲層，為上泥盆統(tǒng)法門階。文中將此類型油氣成藏統(tǒng)稱為鹽下非均質(zhì)儲層油氣成藏模式。

3 鹽焊接構造相關油氣成藏模擬

3.1 實驗模型

依據(jù)相關油氣成藏模式，在考慮了該地區(qū)剖面特征、斷裂與儲蓋層配置關系和斷裂滲透性的基礎上，設計出了鹽焊接構造相關油氣成藏模擬實驗模型(實驗1，圖4)。實驗用硅膠模擬孔谷階膏鹽層，以硅膠層為界，模型整體分為上、下兩部分砂體，分別代表了鹽上層系儲層和鹽下層系儲層。考慮到“唯一變量”原則，鹽上、鹽下儲層砂體選擇同一粒徑的玻璃微珠(表1)。斷層F1和F2為溝通鹽下油源的輸導性斷層。

圖3 濱里海盆地南緣油氣成藏模式

圖4 鹽焊接構造相關油氣成藏模擬實驗模型

3.2 實驗條件

實驗采用中國石油勘探開發(fā)研究院自主設計的二維實驗裝置，由油氣運移物理模擬系統(tǒng)和ISCO三泵系列流體注入系統(tǒng)組成。模型本體為50 cm×25 cm×10 cm，其正面為鋼化玻璃板，可直接觀察到實驗過程中油的運移與聚集狀況?？紤]到碳酸鹽巖和碎屑巖儲集層中流體在滲流規(guī)律上并無本質(zhì)區(qū)別[16]，實驗材料選用玻璃微珠?？坠入A含鹽層系使用硅膠模擬，鹽上地層中的局部蓋層設計為黏土層，其滲透率可視為0。實驗用油為中性煤油，用微量油紅將煤油染成紅色，以便觀察。實驗步驟如下：(1)將不同粒徑的玻璃微珠和黏土飽和水后，分層填入實驗裝置中，并使玻璃微珠充分壓實；(2)使用ISCO三泵系列注油泵，以0.2 mL/min的速率，向模型中充注染色煤油，白天注油，晚上靜置，注入量和注入壓力可通過ISCO泵計量；(3)對實驗過程中煤油在模型中的運移和聚集過程進行觀察和照相，同時記錄注入量和注入壓力。

表1 鹽焊接構造相關油氣成藏模擬實驗參數(shù)

3.3 實驗過程與實驗結果

實驗中同時從模型中斷層F1和F2的下方開始注油，由于斷層的滲透率最高，煤油首先沿斷層垂向運移。充注至40 mL時，兩條斷層均充滿煤油，但F1斷層受到硅膠(孔谷階含鹽層系)遮擋，油無法繼續(xù)向上運移；而斷層F2靠近鹽焊接點，當斷層飽和煤油后，油通過鹽焊接點繼續(xù)向鹽上砂體中運移(圖5a)。此時，斷層F1中煤油充入緩慢。當充注煤油至144 mL時，在浮力的作用下，煤油首先在鹽上地層的上部聚集起來，并逐漸充滿上半部分砂體，形成鹽體刺穿遮擋及龜背斜構造油藏(圖5b)。實驗共注入煤油172 mL，直至實驗結束，鹽上砂體的下半部分始終未見煤油聚集(圖5c)。

成藏物理模擬實驗進一步證明了孔谷階含鹽層系是鹽下油氣成藏的優(yōu)質(zhì)蓋層。巨厚的含鹽層系是非常致密的，層狀、丘狀的鹽層是極好的蓋層，阻止了油氣的向上運移，在厚層鹽巖之下長期穩(wěn)定發(fā)育的構造圈閉及生物礁相圈閉是油氣聚集的理想場所。

模擬實驗的過程和結果同樣也表明鹽焊接構造和斷層的發(fā)育為油氣向鹽上運移提供了有利的通道。在盆地南緣，鹽焊接構造是溝通鹽下烴源巖和鹽上儲層的重要橋梁，因此在鹽上層系中，距離鹽焊接距離較近的龜背斜圈閉、鹽體刺穿遮擋圈閉均是有利的勘探目標。

4 鹽下非均質(zhì)性儲層油氣成藏模擬

4.1 實驗模型

盆地南緣鹽下圈閉有2個遮蓋條件：局部蓋層為下二疊統(tǒng)阿斯丁克階泥巖，區(qū)域蓋層為孔谷階含鹽層系。鹽下層系斷層發(fā)育，斷層面是油氣的主要運移通道，通過典型鹽下油藏特征的歸納和概括，并結合上述地層特征，構建了鹽下非均質(zhì)性儲層油氣運聚模擬實驗模型(實驗2，圖6)。實驗模型中，砂層L1、L2和L3分別代表了鹽下的良好儲層、較好儲層和差儲層，斷層F是油氣運移的主要通道。

圖5 鹽焊接構造相關油氣成藏模擬實驗過程

4.2 實驗條件

實驗裝置、所用材料及油氣充注方式、充注速率同實驗1。

根據(jù)盆地南緣斷層輸導性能的強弱設計了2組不同實驗參數(shù)(表2)的模擬實驗：(1)輸導能力強的斷層與反韻律儲層的組合(實驗2-1)；(2)輸導能力較弱的斷層與反韻律儲層的組合(實驗2-2)。

4.3 實驗過程與實驗結果

儲層的縱向非均質(zhì)性影響了儲層中油水的分布和含油飽和度的大小，而斷層的存在控制了油的運移路徑和各層的充注次序。在實驗2-1中，斷層F的滲透率為41 600×10-3μm2，其輸導能力明顯高于鹽下各砂層。煤油在充注過程中，首先沿著高滲透的斷層運移，并很快飽和斷層(圖7a)，而后煤油開始充注模型頂部物性最好的砂層L1。當注油至183 mL，砂層L1被煤油充滿以后才開始充注砂層L2(圖7b,c)。而在實驗2-2中，斷層F的滲透率為2 266.3×10-3μm2(與砂層L2相同)，煤油在向上運移的過程中，首先向砂層L2中充注(圖7d)。隨著煤油的注入，在浮力的作用下，煤油沿斷層運移至其頂部，此時模型頂部的砂層L1中才開始有煤油注入，而砂層L2中煤油充注速率明顯降低(圖7e,f)。

圖6 鹽下非均質(zhì)儲層油氣成藏模擬實驗模型

表2 鹽下非均質(zhì)油藏模擬實驗參數(shù)

Table 2 Parameters for experimental model of reservoir related to inhomogeneity in presalt formations

項目實驗2-1粒度/mm滲透率/10-3μm2實驗2-2粒度/mm滲透率/10-3μm2斷層F0.7～0.8416000.15～0.22266.3隔層黏土0黏土0砂層L10.4～0.45133660.4～0.4513366砂層L20.15～0.22266.30.15～0.22266.3砂層L30.1～0.1511560.1～0.151156含鹽層系硅膠0硅膠0

實驗2中，砂層L3中始終沒有煤油注入，推測原因有二：(1)受實驗設備承壓所限，模型不能注入過量煤油；(2)層間的滲透率差異較大，導致低滲透率的砂層L3被“屏蔽”[17]。

圖7 鹽下非均質(zhì)儲層油氣成藏模擬實驗過程

本次實驗直觀地展現(xiàn)了盆地南緣鹽下油氣的聚集特征。通過實驗2-1和實驗2-2對比可知，斷層對鹽下油氣的運移起到了通道和控制作用。當斷層輸導能力較強時，油主要沿斷層做垂向運移，不易發(fā)生側向分流現(xiàn)象，并首先充注蓋層之下的儲層，如巴什基爾階—霍爾普霍夫階。當斷層輸導能力較弱時，油沿斷層垂向運移的過程中較容易出現(xiàn)側向分流現(xiàn)象，從而首先充注埋藏較深的、物性較好的儲層，如維憲階—土爾內(nèi)昔階，縱向上比斷層滲透性更好的砂層都將有油氣充注。

實驗同樣證明，由于層間的非均質(zhì)性，會使得滲透率較高的巴什基爾階—霍爾普霍夫階成為好油層，而滲透率相對較低的維憲階—法門階為差油層，法門階極可能為水層。實驗結果可以由田吉茲油田油—水相區(qū)分布特征[18]加以佐證。

5 結論

(1)濱里海盆地南緣孔谷階含鹽層系變形強烈，鹽構造以高幅度的鹽底辟和鹽墻為主，之間以鹽焊接構造、鹽滾構造或?qū)訝铥}層相連。以鹽巖層為界，可以將濱里海盆地南緣劃分為上、下2個構造層。上構造層地層褶皺變形強烈，在鹽底辟頂部發(fā)育正斷層；下構造層為一東北傾斜坡，斷裂形成于孔谷階含鹽層系沉積之前。

(2)按照成藏位置、鹽構造及地層非均質(zhì)性之間的關系，提出了2種新的鹽構造成藏模式：鹽焊接構造相關油氣成藏模式和鹽下非均質(zhì)性儲層油氣成藏模式。前者以鹽焊接構造作為溝通鹽下烴源巖和鹽上儲層的橋梁，后者以孔谷階膏鹽層作為其優(yōu)質(zhì)蓋層。

(3)實驗證實，鹽焊接構造是鹽上層系油氣成藏的關鍵，油氣通過鹽焊接部位垂向運移至鹽上層系中，在鹽底辟側翼的上傾地層內(nèi)可以形成油氣藏。斷層對鹽下油氣的運移起到了通道和控制作用。當斷層輸導能力較強時，油沿斷層向上運移的過程中不會發(fā)生側向分流現(xiàn)象。當斷層輸導能力較弱時，油沿斷層向上運移的過程中比較容易發(fā)生側向分流，縱向上比斷層滲透性更好的砂層都將有油氣充注。斷層和儲層非均質(zhì)性綜合控制，使得直接位于孔谷階含鹽層系之下的巴什基爾階—霍爾普霍夫階中的油氣最為富集。

(4)研究結果豐富和發(fā)展了濱里海盆地鹽構造特征和鹽相關構造中油氣成藏理論的研究成果，為含鹽盆地油氣有利聚集區(qū)帶的勘探優(yōu)選提供了理論基礎。

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(編輯 徐文明)

Characteristics of reservoirs related to salt structure and its experimental simulation in the southern margin of Precaspian Basin

Yang Tai1,2,3, Tang Liangjie1,2, Yu Yixin1,2, Zheng Junzhang4, Wang Zhen4, Kong Linghong4, Wang Yankun4

(1.StateKeyLaboratoryofPetroleumResourceandProspecting,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249; 2.Basin&ReservoirResearchCenter,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China; 3.SINOPECNortheastOilandGasCompany,Changchun,Jilin130062,China; 4.PetroChinaResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,Beijing100083,China)

Based on the interpretation of seismic profiles and hydrocarbon accumulation simulation, the characteristics of salt-related structures and reservoirs in the southern margin of Precaspian Basin are analyzed. Salt diapirs and salt walls are the main structure types in the study area, with welds, rolls or bedded layers of salt playing a connecting role between them. There are two hydrocarbon accumulation mode types, one associated with salt welds in the postsalt formations and the one with heterogeneous reservoirs in the presalt formations, divided by the salt layer. The 2D experimental modeling of oil migration and accumulation indicates that salt welding is the key of oil accumulation in the postsalt formations, while faults and interlayer heterogeneity control the distribution of oil in the presalt formations. The result is significant for understanding the oil migration and accumulation in salt-related structures and guiding oil exploration and development of salt-bearing basins.

salt structures; hydrocarbon accumulation mode; accumulation simulation experiment; Precaspian Basin

1001-6112(2015)02-0246-06

10.11781/sysydz201502246

2013-12-27；

2015-02-05。

楊泰(1986—)，男，碩士，構造地質(zhì)學專業(yè)；E-mail: young-tiger@163.com。

湯良杰(1957—)，男，博士，教授，博士生導師，從事含油氣盆地構造分析。E-mail: tanglj@cup.edu.cn。

國家科技重大專項(2011ZX05029-002, 2011ZX05002-003-001, 2011ZX05002-006-007HZ,2011ZX05031-001-008HZ)、國家自然科學基金項目(41172125, 40972090)和國家重點基礎研究發(fā)展計劃(973)項目(2012CB214804, 2005CB422107)資助。

TE122.3

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