三肇凹陷青一段超壓源巖生成油氣向下“倒灌”運移控制因素分析

張艷會

（大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井一公司，黑龍江大慶163411）

三肇凹陷青一段超壓源巖生成油氣向下“倒灌”運移控制因素分析

張艷會*

（大慶鉆探工程公司地質(zhì)錄井一公司，黑龍江大慶163411）

三肇凹陷青一段源巖超壓流體在嫩江組沉積末期、明水組沉積末期和古近系沉積末期曾發(fā)生3期超壓流體釋放，均是由構(gòu)造運動導(dǎo)致斷裂活動開啟引起的。結(jié)合青一段源巖的生排烴期，得到只有明水組沉積末期和古近系沉積末期的超壓流體釋放可以發(fā)生青一段源巖生成的油氣通過活動開啟斷裂向扶楊油層的“倒灌”運移。斷裂活動期古超壓達到5MPa且進入排烴門限的青一段源巖區(qū)生成的油氣可以向扶楊油層“倒灌”運移。

三肇凹陷；青一段；超壓；源巖；倒灌；運移；控制因素

三肇凹陷位于松遼盆地北部中央坳陷區(qū)內(nèi)，西部緊鄰大慶長垣，東部緊鄰朝陽溝階地，北部與綏化凹陷、綏棱背斜帶和安達向斜南部相鄰，是一個長期繼承性發(fā)育的凹陷。位于泉頭組三、四段的扶余和楊大城子油層是該凹陷中部含油氣組合的主要產(chǎn)油氣層，目前已發(fā)現(xiàn)了宋芳屯、榆樹林、肇州、升平、朝陽溝等油田，充分展示了該凹陷扶楊油層的含油氣遠景。通過前人的研究結(jié)果已經(jīng)證實，該凹陷扶楊油層原油主要來自上覆的青一段源巖，油氣成藏是源巖生成油氣在超壓的作用下沿油源斷裂向下“倒灌”運移后再側(cè)向短距離運移的結(jié)果［1-2］。而從實際的勘探開發(fā)工作也已證實扶楊油層油分布深度距上覆青一段源巖底部最大距離可達300m以上。但目前對于超壓源巖的“倒灌”排烴機理研究及超壓源巖“倒灌”運移控制因素的分析還不明確。因此，開展三肇凹陷青一段源巖生成油在超壓背景下向下“倒灌”運移控制因素的分析對該區(qū)扶楊油層油氣勘探具有重要指導(dǎo)意義。

1　超壓源巖破裂油氣“倒灌”運移方式探討

根據(jù)地下流體的流動方式，可以將地下流體流動分為穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流體流動2類。穩(wěn)態(tài)流體流動是指在地形差異、巖石作用和構(gòu)造擠壓等動力的驅(qū)動下，地下流體通過孔隙、裂隙等空間的連續(xù)滲流過程。瞬態(tài)流體流動是指由于地層的突然破裂或斷層、先存裂隙的突然開啟引起的地下流體突然快速流動并在短時間內(nèi)終止的流動過程［3］。

超壓破裂主要有兩種方式：一方面，當(dāng)其自身壓力值超過泥巖破裂極限（靜水壓力的1.4～2.4倍時［4］）時，泥巖發(fā)生破裂超壓釋放，超壓降低。當(dāng)自身壓力降低至靜水壓力的1.2～1.3倍［4］時，超壓釋放作用停止。之后隨著埋深的增加，超壓仍會在各種因素的作用下繼續(xù)增大，再次發(fā)生破裂釋放，再次停止，從而完成了泥巖自身破裂超壓演化過程。另一方面，泥巖中的超壓雖未達到破裂極限，但當(dāng)斷穿其內(nèi)的斷裂活動開啟時，其內(nèi)的高壓流體沿著斷裂向外運移，使其內(nèi)部超壓釋放降低，當(dāng)壓力降至靜水壓力的1.2～1.3倍時，超壓釋放作用停止。當(dāng)斷裂停止活動后，在水熱增壓和流體增加承壓的作用下泥巖中的超壓又開始逐漸增大。當(dāng)下一期斷裂活動開啟時，泥巖中的超壓再次釋放降低，當(dāng)壓力再次降至靜水壓力的1.2～1.3倍時，釋放作用再次停止。如此下去，直至超壓完全釋放為止。但不論哪種超壓破裂的機制，只要超壓足夠大就可以保證源巖生成的油氣以涌流的方式向下“倒灌”運移。

2　油氣向下“倒灌”運移的期次研究

2.1超壓源巖體自身演化破裂油氣“倒灌”排烴期次的確定

超壓的形成與地層的不均衡壓實、構(gòu)造擠壓、烴類生成、蒙脫石脫水、水熱增壓等作用有關(guān)。目前普遍利用聲波時差測井資料采用等效深度法建立超壓計算的理論模型［式（1）］［5］。依據(jù)此模型，基于泥巖中孔隙流體壓力達到靜水壓力的1.8倍時，即發(fā)生超壓釋放；達到靜水壓力的1.3倍時，超壓釋放作用停止。便可以得到泥巖超壓第1期破裂埋深為：

式中：ρr——沉積巖平均密度，g/cm3，計算時取2.31g/cm3；

ρw——地層水密度，g/cm3，計算時取1.0g/cm3；

c——泥巖正常壓實趨勢線斜率；

Δt1——第一演化階段超壓泥巖聲波時差值，μs/m；

Δt0——外推的地表處泥巖聲波時差值，μs/m；

Zm1——泥巖超壓第一演化階段釋放時的深度，m。

根據(jù)三肇凹陷186口探井青一段源巖聲波時差資料，對三肇凹陷青一段源巖超壓形成深度進行計算可以得到，三肇凹陷青一段源巖超壓形成深度最小為713m，大部分形成深度為1000～1200m之間，則由式（1）可以計算出三肇凹陷青一段超壓源巖自身破裂的埋藏深度Zm1，結(jié)合實際探井現(xiàn)今青一段底界埋深Z1，可以判斷青一段源巖超壓是否發(fā)生破裂。如果Z1＞Zm1說明青一段源巖超壓至少發(fā)生過一期自身演化破裂，反之則說明青一段源巖超壓還未達到超壓自身破裂的埋藏深度。通過計算可知（圖1），三肇凹陷青一段源巖底界埋深均小于其超壓自身演化破裂的深度值，說明三肇凹陷青一段超壓源巖自身演化并沒有發(fā)生破裂作用。

圖1　三肇凹陷青一段源巖底界現(xiàn)今埋深與其自身超壓演化破裂深度關(guān)系圖

2.2源巖大量排烴期后的構(gòu)造運動導(dǎo)致超壓源巖破裂油氣“倒灌”排烴期次的確定

由上可知，三肇凹陷青一段源巖超壓至今尚未達到泥巖破裂極限，由此可以推測其內(nèi)超壓的釋放應(yīng)主要是由于構(gòu)造活動引起的。

松遼盆地進入嫩江組沉積末期由于日本海的擴張和太平洋板塊向歐亞大陸俯沖，北亞區(qū)剪切—擠壓作用形成，整體上松遼盆地的反轉(zhuǎn)構(gòu)造至少可以分為3期：晚白堊世嫩江組沉積末期、明水組沉積末期和古近系依安組沉積末期，松遼盆地受到擠壓應(yīng)力的作用導(dǎo)致部分T2斷裂曾復(fù)活開啟或產(chǎn)生新的斷裂（裂縫），成為油氣“倒灌”運移的輸導(dǎo)通道［2］。青一段源巖內(nèi)的超壓便可以通過這些T2斷裂（裂縫）開啟而發(fā)生釋放。

選取徐18井為例（圖2），利用上述斷裂活動超壓釋放演化特征，對青一段源巖超壓的演化過程進行了研究，可以得到徐18井青一段源巖超壓最早開始形成約在嫩三段沉積時期，之后隨著埋深增加，到嫩江組沉積末期可達到5.4MPa，此時由于構(gòu)造運動斷裂開啟，使其內(nèi)超壓發(fā)生第一期釋放，之后斷裂活動停止，超壓釋放作用停止。隨著埋深增加，超壓再次增大，在明水組沉積末期超壓又可達到7.7MPa左右，此時由于構(gòu)造運動斷裂再次活動開啟，超壓發(fā)生第二期釋放。隨后斷裂活動再次停止，超壓釋放作用停止。隨埋深繼續(xù)增加，超壓第三次增大，在古近系沉積末期超壓又可達到5.5MPa，由于構(gòu)造運動斷裂再次活動開啟，超壓發(fā)生第三期釋放。當(dāng)斷裂活動再次停止后，超壓釋放作用停止。隨著埋深增加，超壓再次增大，至今超壓值可達到6.9MPa，故三肇凹陷青一段源巖超壓釋放共有3期：即嫩江組沉積末期、明水組沉積末期和古近系沉積末期。

圖2　徐18井青一段源巖超壓演化規(guī)律

超壓作用下，烴源巖能否發(fā)生向下“倒灌”運移，除了受超壓釋放作用的影響外，還要受到期油氣本身的作用的制約，有機質(zhì)演化只有達到了生排烴門限時，才能生成大量油氣向外排出，換句話說，只有大量生排烴期后，超壓在流體釋放才可能保證油氣向下“倒灌”的運移。因此通過超壓釋放時期（Ti）與烴源巖排烴期（t0）的比較來確定油氣向下“倒灌”的運移時期，即Ti≥t0（i=1、2…）表示從i時期之后的超壓釋放期可能成為油氣的向下“倒灌”運移時期。

由圖3可以看出，三肇凹陷嫩江組沉積時期進入生烴期，到明水組沉積末期開始大量排烴。由此與上述確定出的3期釋放時期比較可知，三肇凹陷青一段超壓只有在明水組沉積末期及古近系沉積末期青一段源巖有大量的油氣生成排出，在超壓的作用下可以向下“倒灌”運移，雖然在嫩江組沉積末期青一段源巖超壓流體釋放，但該時期超壓流體釋放早于青一段源巖的大量排烴期，無大量油氣在超壓釋放過程中向外排出，故在嫩江組沉積末期不是青山口組源巖生成油氣向下“倒灌”運移的主要時期，綜上所述，三肇凹陷青一段超壓源巖生成油氣向下“倒灌”運移的時期為明水組沉積末期和古近系沉積末期。

3　青一段源巖生成油氣發(fā)生向下“倒灌”運移的控制因素分析

通過前人研究可知三肇坳陷青一段源巖的排烴門限為-1700m左右。目前三肇凹陷扶楊油層已發(fā)現(xiàn)的油田大部分分布在排烴門限范圍內(nèi)，而位于排烴門限范圍之外的油藏，均位于構(gòu)造高部位或是深入到源巖區(qū)內(nèi)的鼻狀構(gòu)造上，其油氣成藏為青一段排烴門限范圍內(nèi)超壓源巖生成油氣“倒灌”運移進入扶楊油層后再側(cè)向運移聚集的結(jié)果［6］。

構(gòu)造運動導(dǎo)致斷裂活動開啟或產(chǎn)生新的斷裂（裂縫），成為油氣“倒灌”運移的輸導(dǎo)通道。但油能否向下發(fā)生“倒灌”運移，還應(yīng)取決于油向下“倒灌”運移動力和阻力的相對大小。運移的動力主要是異常流體超壓，而由上述分析可知，油向下“倒灌”運移是在斷裂帶內(nèi)瞬態(tài)涌流的一種流體流動方式［7］，那么油向下“倒灌”運移的阻力只是油所受到的浮力和斷裂帶內(nèi)的摩擦阻力，那么油能夠向下發(fā)生“倒灌”運移，超壓值必須克服浮力和斷裂帶內(nèi)的摩擦力的大小即滿足式（2），否則即使超壓流體釋放，但未克服浮力及斷裂帶內(nèi)摩擦力的束縛，油也不會向下發(fā)生“倒灌”。由文獻［5］可知，源巖內(nèi)孔隙流體壓力為靜水壓力的1.3倍時（此時，超壓值大小為靜水壓力的0.3倍），超壓釋放過程停止，油向下“倒灌”運移的過程亦即停止，此時超壓值為ΔP2滿足式（3），那么ΔP2即為超壓源巖發(fā)生“倒灌”運移的最小理論值。

式中：ΔP——超壓值，MPa；

f——摩擦阻力，MPa；

h——排烴門限深度，取1700m；

L——油氣向下“倒灌”運移距離，m；

g——重力加速度，取9.8N/kg；

ρo、ρw——油、水密度，分別為0.86g/cm3、1.0g/cm3。

通過計算可知，在三肇凹陷青一段源巖生成的油向下發(fā)生“倒灌”運移的所需的最小超壓值應(yīng)大于5MPa。

通過古超壓恢復(fù)的研究方法［8］，對三肇凹陷青一段源巖在明水組末期和古近系末期的超壓值進行了計算，可知三肇凹陷明水組沉積末期青一段源巖古超壓最大可達到11MPa以上，主要分布在肇州油田范圍內(nèi)，大部分分布在7～10MPa的范圍內(nèi)。在古近系沉積末期古超壓由于經(jīng)歷了明水組沉積末期超壓源巖的破裂釋放，超壓值較明水組沉積末期古超壓值有所減小，最大可到達6MPa以上，主要分布在榆樹林油田北部及三肇凹陷東南部肇州油田的東部地區(qū)。其余大部分地區(qū)也達到5MPa以上。而目前該凹陷已發(fā)現(xiàn)的升平油田，宋芳屯、肇州油田、永樂油田及榆樹林油田在源巖進入排烴門限的分布范圍內(nèi)的區(qū)域，明水組沉積末期及古近系沉積末期古超壓值均大于5MPa，這些區(qū)域內(nèi)青一段源巖生成的油均可向下發(fā)生“倒灌”運移，可以為扶楊油層提供充足的油源。

4　結(jié)論

（1）超壓流體的釋放期次控制著油氣“倒灌”運移的期次，三肇凹陷青一段源巖超壓在嫩江組沉積末期、明水組沉積末期和古近系沉積末期曾發(fā)生3期超壓流體釋放，這3期釋放均是由于構(gòu)造運動導(dǎo)致斷裂的活動開啟而發(fā)生的超壓流體釋放。但只有明水組沉積末期和古近系沉積末期是青一段源巖生成油向扶楊油層“倒灌”運移的時期。

（2）進入排烴門限的成熟源巖，才可發(fā)生油氣的“倒灌”運移，三肇凹陷在明水組沉積末期及古近系沉積末期進入排烴門限范圍內(nèi)的青一段源巖才可發(fā)生油氣“倒灌”運移。

（3）三肇凹陷在明水組沉積末期及古近系沉積末期古超壓大于5MPa的區(qū)域油氣才能發(fā)生“倒灌”運移。

［1］付廣，王有功.三肇凹陷青山口組源巖生成油向下“倒灌”運移層位及其研究意義［J］.沉積學(xué)報，2008，26（2）：355-360.

［2］王雅春，王勝男.源巖、超壓和斷裂空間匹配對三肇凹陷扶楊油層油成藏的控制作用［J］.吉林大學(xué)學(xué)報：地球科學(xué)版，2009，39（4）：656-661.

［3］羅曉容.斷裂開啟與地層中溫壓瞬態(tài)變化的數(shù)學(xué)模擬［J］.石油與天然氣地質(zhì)，1999，20（1）：1-6.

［4］張義綱.天然氣生成聚集與保存［M］.南京：海河大學(xué)出版社，1991：138-152

［5］付廣，王興濤，方純昌.利用聲波時差資料研究欠壓實濃度蓋層抑制濃度封閉作用形成時期及其研究意義［J］.石油地球物理勘探，2001，36（3）：279-284.

［6］付廣，王有功.源外鼻狀構(gòu)造區(qū)油運移輸導(dǎo)通道及對成藏的作用——以松遼盆地尚家油田為例［J］.地質(zhì)論評，2008，54 （5）：646-652.

［7］趙倫山，岑況，葉容.熱液流體泵吸上侵管流動力學(xué)模擬及其預(yù)測意義［J］.地學(xué)前緣，2000，7（1）：205-215.

［8］付廣，蘇玉平.泥巖蓋層抑制濃度封閉形成與演化及其研究意義［J］.沉積學(xué)報，2006，24（1）：141-147.

TE35

A

1004-5716（2016）09-0031-04

2016-04-27

2016-04-28

大型氣田成藏機制及分布規(guī)律（2008ZX05007-03）和黑龍江省研究生創(chuàng)新基金（YJSCX2009-077HLJ）資助。

張艷會（1978-），男（漢族），黑龍江雙城人，工程師，現(xiàn)從事石油地質(zhì)研究工作。