源儲(chǔ)組合特征對(duì)花海凹陷致密油成藏的影響

高雄雄，羅 群，姚立邈，袁 青，王葡萄

(1.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2. 中國(guó)石油大學(xué)，北京 102249)

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源儲(chǔ)組合特征對(duì)花海凹陷致密油成藏的影響

高雄雄1，2，羅 群1，2，姚立邈1，2，袁 青1，2，王葡萄1，2

(1.油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102249；2. 中國(guó)石油大學(xué)，北京 102249)

為研究不同源儲(chǔ)組合對(duì)致密油成藏富集的影響，通過(guò)分析花海凹陷內(nèi)的源儲(chǔ)組合特征，并針對(duì)下源上儲(chǔ)型、上源下儲(chǔ)型、三明治型3種源儲(chǔ)組合類(lèi)型設(shè)計(jì)了3組物理模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同模型的充注效率與含油性差異，分析不同源儲(chǔ)組合的充注機(jī)制及其對(duì)致密油成藏富集的影響。結(jié)果表明，儲(chǔ)層含油性和充注效率與源儲(chǔ)組合類(lèi)型有較大相關(guān)性。源儲(chǔ)配置關(guān)系、源儲(chǔ)壓差及儲(chǔ)層非均質(zhì)性共同決定了致密油運(yùn)移和聚集的差異性，制約了含油飽和度的大小。從充注效率和含油性來(lái)看，三明治型好于上源下儲(chǔ)型和下源上儲(chǔ)型。深化源儲(chǔ)組合特征研究對(duì)于致密油勘探開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。

致密油；下白堊統(tǒng)；源儲(chǔ)組合；成藏；花海凹陷

0 引 言

致密油具有低孔、低滲和低含油飽和度的特點(diǎn)，其成藏特征和富集機(jī)理與常規(guī)油氣藏差異較大，尤其是致密油的源儲(chǔ)組合關(guān)系，不同的源儲(chǔ)組合具有不同的成藏富集機(jī)理，目前尚處于研究階段[1-7]。國(guó)內(nèi)一些學(xué)者將其概述為納米孔喉含油、壓差驅(qū)替、非達(dá)西滲流和連續(xù)型聚集[1-2，7-8]。研究區(qū)花海凹陷下白堊統(tǒng)存在多種源儲(chǔ)組合類(lèi)型，源儲(chǔ)特征及成藏富集規(guī)律不明，制約其致密油的勘探開(kāi)發(fā)進(jìn)程。通過(guò)研究該區(qū)發(fā)育的源儲(chǔ)特征，對(duì)不同源儲(chǔ)組合原油充注進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，對(duì)比不同模型的充注效率與含油性的差異，分析不同源儲(chǔ)組合的充注機(jī)制和對(duì)致密油成藏富集的影響，明確油氣聚集和源儲(chǔ)組合特征之間的關(guān)系，指導(dǎo)致密油的勘探開(kāi)發(fā)。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

花海凹陷是酒泉盆地的一個(gè)次級(jí)凹陷，位于河西走廊中段，在加里東、海西運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上經(jīng)歷了燕山、喜馬拉雅2期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)而形成的中、新生代斷拗疊置的沉積凹陷。盆地面積為906 km2，有效勘探面積約為500 km2，主要勘探目的層為下白堊統(tǒng)，細(xì)分為赤金堡組(K1c)、下溝組(K1g)和中溝組(K1z)。凹陷主要經(jīng)歷了前侏羅紀(jì)陸塊穩(wěn)定發(fā)展、早侏羅世斷陷形成、早白堊世斷陷發(fā)育、新近紀(jì)拗陷褶皺沖斷和第四紀(jì)持續(xù)拗陷沉降5個(gè)時(shí)期的構(gòu)造演化，形成如今凹陷“三坡兩帶”的構(gòu)造格局。中溝組上段在早白堊世末受燕山運(yùn)動(dòng)的影響，湖盆整體抬升，遭受剝蝕，部分地層缺失，與上覆的第三系地層廣泛發(fā)育角度不整合。下白堊統(tǒng)主要處于斷陷坳陷發(fā)育期，構(gòu)造相對(duì)穩(wěn)定，沉積相以三角洲前緣及湖相沉積為主，最大沉積厚度約為5 000 m。凹陷中南部是研究區(qū)烴源巖主要發(fā)育區(qū)，面積為360 km2，烴源巖最大厚度為800 m，區(qū)內(nèi)有效烴源巖儲(chǔ)層致密，致密砂巖層見(jiàn)油氣顯示或低產(chǎn)油流，具有形成致密油的良好地質(zhì)條件，勘探潛力較大。

2 研究區(qū)源儲(chǔ)組合特征

2.1 烴源巖特征

研究區(qū)烴源巖主要分布在凹陷中南部。下溝組和中溝組廣泛發(fā)育深湖—半深湖相泥質(zhì)烴源巖，是凹陷的主要烴源巖層。烴源巖的發(fā)育和分布受沉積相的控制，從巖性井柱上可以看出，深湖—半深湖相處發(fā)育大段連續(xù)優(yōu)質(zhì)烴源巖，而在河流—三角洲相，水體較淺且動(dòng)蕩，砂泥巖頻繁交替，泥巖單層厚度小，層數(shù)較多?；ê０枷菽康膶覶OC總體較高，取樣分析表明，大部分樣品TOC大于2.00%，氯仿瀝青“A”為0.04%～0.79%，平均為0.21%；其中，下溝組有機(jī)質(zhì)豐度總體較高，TOC主體分布為2.00%～4.00%，最大可達(dá)到7.26%，平均為2.90%，氯仿瀝青“A”平均為0.17%，隨著埋深的增加而減小；中溝組有機(jī)質(zhì)豐度最高，TOC最大可達(dá)12.00%，氯仿瀝青“A”平均為0.22%(表1)。研究區(qū)下溝組和中溝組有機(jī)質(zhì)類(lèi)型以Ⅱ1型為主，同時(shí)發(fā)育I型和Ⅱ2型，均有利于生油。實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，花海凹陷的84個(gè)不同深度、不同位置樣品的Ro與深度之間總體上具有良好的線性關(guān)系，擬合度較高。Ro多為0.5%～1.5%，總體處于生油窗內(nèi)。主力烴源巖的Tmax為430～460 ℃，處于大量生油階段。生烴潛量隨深度增加而減小，中溝組生烴潛量最大，S1+S2主體為6.0～44.7 mg/g，平均為20.8 mg/g，最高達(dá)到80.0 mg/g；下溝組生烴潛量較大，主體為2.0～20.0 mg/g，平均為8.8 mg/g。

表1 花海凹陷烴源巖有機(jī)質(zhì)豐度

從表1烴源巖的各項(xiàng)參數(shù)可以看出，花海凹陷具有良好的烴源巖條件。TOC與Ro數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明，花海地區(qū)有機(jī)質(zhì)豐度高的樣品(占樣品總數(shù)的75%以上)進(jìn)入生油門(mén)限，烴源巖成熟度較高，具有良好的勘探前景。

2.2 儲(chǔ)層特征

花海凹陷北部、東北部沉積相主要以洪積扇—河流三角洲相為主，發(fā)育河口壩、三角洲水下分流河道和前緣席狀砂等沉積，儲(chǔ)層物性較好。而在凹陷中南部主要發(fā)育三角洲前緣和湖相沉積。研究區(qū)下白堊統(tǒng)中、下溝組主要的儲(chǔ)集巖類(lèi)型為巖屑長(zhǎng)石砂巖和巖屑質(zhì)長(zhǎng)石砂巖，其組分特征以長(zhǎng)石類(lèi)為主，砂巖粒度普遍較細(xì)，主要粒徑為0.01～0.02 mm?？紫吨心z結(jié)物占1%～7%，平均為4%，主要由黏土礦物和碳酸鹽巖礦物組成。雜基含量約占總體積的7%～15%。沉積物后期經(jīng)歷壓實(shí)、壓溶、膠結(jié)交代、黏土礦物轉(zhuǎn)化和重結(jié)晶等多種成巖作用的改造，儲(chǔ)層變得致密，孔隙度主要分布為2%～10%，基質(zhì)滲透率為0.001×10-3～1.000×10-3μm2。儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)以中喉細(xì)孔和細(xì)喉細(xì)孔為主，非均質(zhì)性強(qiáng)，發(fā)育多種孔隙類(lèi)型，以微納米孔為主。巖心觀察及薄片鑒定可以看出，區(qū)內(nèi)主要發(fā)育原生粒間孔、基質(zhì)微孔、粒間粒內(nèi)溶孔和晶間孔。同時(shí)，存在各種微裂縫，如層間縫、構(gòu)造縫和顆粒微裂縫等?？紫妒芰６群统蓭r作用的影響，孔喉半徑小，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，膠結(jié)類(lèi)型以鈣質(zhì)膠結(jié)和泥質(zhì)膠結(jié)為主。壓實(shí)、壓溶作用強(qiáng)烈，儲(chǔ)層孔滲性隨著深度的增加逐漸降低，屬于低孔、特低滲儲(chǔ)層[1-2]。

2.3 源儲(chǔ)組合劃分

通過(guò)對(duì)花海凹陷烴源巖和儲(chǔ)層特征分析，優(yōu)選地質(zhì)參數(shù)，并參考趙政璋[8]致密油評(píng)價(jià)要素及參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，建立花海凹陷致密油發(fā)育的優(yōu)質(zhì)源巖和優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層劃分標(biāo)準(zhǔn)。認(rèn)為研究區(qū)暗色泥巖累計(jì)厚度大于10 m，而夾層厚度小于10 m，泥地比大于60%，且有機(jī)碳含量大于2%，有機(jī)質(zhì)成熟度在生油門(mén)限之內(nèi)(Ro為0.7%～1.3%)，則認(rèn)為是優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育區(qū)。優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層則是指砂巖累計(jì)厚度大于10 m，而夾層厚度小于10 m，泥地比小于60%，孔滲性較高。結(jié)合建立的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)花海凹陷主要探井進(jìn)行了源儲(chǔ)單元識(shí)別。利用過(guò)典型井的連井剖面對(duì)比，將優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層和優(yōu)質(zhì)源巖在空間上進(jìn)行匹配，確定凹陷內(nèi)存在的源儲(chǔ)組合類(lèi)型。統(tǒng)計(jì)該區(qū)主要的油氣顯示井和3口低產(chǎn)油流井與源儲(chǔ)組合之間的關(guān)系，最終確定優(yōu)質(zhì)源儲(chǔ)組合。研究表明：花海凹陷主要存在3種源儲(chǔ)組合關(guān)系，分別是上源下儲(chǔ)型、下源上儲(chǔ)型及三明治型，而油氣顯示良好的井段源儲(chǔ)組合主要以三明治型為主，少量為上源下儲(chǔ)型和下源上儲(chǔ)型。由于致密油具有原地成藏和短距離運(yùn)移的成藏特征[1-2]，而三明治型組合與源巖緊密接觸且多向供油，因而可能是致密油成藏的最優(yōu)源儲(chǔ)組合。

3 不同源儲(chǔ)組合對(duì)致密油成藏的影響

3.1 不同源儲(chǔ)組合成藏模擬實(shí)驗(yàn)

為了研究不同源儲(chǔ)組合對(duì)致密油成藏富集的影響，根據(jù)研究區(qū)發(fā)育的源儲(chǔ)組合關(guān)系，針對(duì)下源上儲(chǔ)型、上源下儲(chǔ)型、三明治型3種源儲(chǔ)組合類(lèi)型設(shè)計(jì)了3組物理模型進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，對(duì)比不同模型的充注效率與含油性的差異，進(jìn)而分析不同源儲(chǔ)組合的充注機(jī)制和對(duì)致密油成藏富集的影響。

3.1.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ图安襟E

實(shí)驗(yàn)采用中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院二維可視化油驅(qū)水物理模擬實(shí)驗(yàn)裝置，主要由4部分組成，即砂體模型主體、流體注入系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。砂體模型是模擬實(shí)驗(yàn)裝置的核心；實(shí)驗(yàn)所用砂體由不同目大小的玻璃珠代替，具有良好的親水性；實(shí)驗(yàn)用油為中性煤油，為了便于觀察煤油在砂體中的滲流過(guò)程，用微量天然色素將煤油染成紅色。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中將不同粒度的玻璃珠分層裝入模型并飽含水，密封后用高壓電動(dòng)泵向裝置后蓋活塞內(nèi)注入蒸餾水，將模型中的氣體驅(qū)出并壓實(shí)，之后繼續(xù)注水至模型內(nèi)壓力穩(wěn)定在0.8 MPa。用煤油泵以15 mL/min向模型內(nèi)注入煤油，觀察煤油在模型內(nèi)的運(yùn)移聚集過(guò)程，并記錄不同注入時(shí)間對(duì)應(yīng)的注入量、流出量和注口壓力(表2)，整體注油時(shí)間約為120 min。

表2 模型實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)

3.1.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過(guò)對(duì)3組源儲(chǔ)組合模型實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析表明：設(shè)定注油速率相同(即源巖生烴速率和生烴量相同)，排除浮力影響，充注動(dòng)力主要為源儲(chǔ)壓差，而阻力主要為毛細(xì)管力。從原油充注時(shí)間和儲(chǔ)層含油飽和度變化速率上看，三明治型由于雙向供烴，含油飽和度隨時(shí)間變化最快，充注效率最高，上源下儲(chǔ)型次之，下源上儲(chǔ)最低，最終含油飽和度So三明治型>So上源下儲(chǔ)型>So下源上儲(chǔ)型，而So上源下儲(chǔ)型>So下源上儲(chǔ)型主要與下源上儲(chǔ)型上覆地層缺少封蓋層和油氣散逸有關(guān)(圖1)。在設(shè)定3種模型注油速率相同的情況下，不同模型注口的充注壓力也不同。從注口壓力變化范圍來(lái)看，下源上儲(chǔ)型注口壓力變化較小，壓力上升也相對(duì)緩慢，說(shuō)明其源巖排烴進(jìn)入儲(chǔ)層所需的突破壓力較小，油由源巖進(jìn)入儲(chǔ)層相對(duì)容易；上源下儲(chǔ)型壓力變化則相對(duì)較大，表明原油由源巖進(jìn)入儲(chǔ)層所受阻力大，原油進(jìn)入儲(chǔ)層較難。雖然三明治型源儲(chǔ)界面面積大，但考慮其源儲(chǔ)配置關(guān)系，上層源巖排烴進(jìn)入儲(chǔ)層較為困難，壓力變化介于二者之間。從注口壓力與儲(chǔ)層含油飽和度關(guān)系看，隨著注口壓力變化，三明治型儲(chǔ)層的含油飽和度上升明顯，證明在源儲(chǔ)壓差驅(qū)動(dòng)下，三明治型的充注效率最高；下源上儲(chǔ)型雖然最終含油飽和度低，但在源儲(chǔ)壓差不斷提高的條件下，其儲(chǔ)層含油飽和度上升速率也較快；而上源下儲(chǔ)型需要的壓差最大，其含油飽和度隨壓差變化的速率最低，證明其即使在較大壓差下，其充注效率也不高(圖2)。綜合以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，在含油性和充注效率方面，三明治型要好于其他2種源儲(chǔ)組合。

3.2 不同類(lèi)型源儲(chǔ)組合致密油成藏富集機(jī)理

雖然實(shí)驗(yàn)所用砂體和原油不是研究區(qū)真實(shí)砂體和原油，玻璃珠和真實(shí)地層砂體在油氣充注、運(yùn)移和聚集成藏方面都有較大區(qū)別，但實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象和實(shí)驗(yàn)結(jié)果仍然較好地證明了儲(chǔ)層含油性和充注效率與源儲(chǔ)組合類(lèi)型有較大相關(guān)性。在排烴量一定的情況下，3種源儲(chǔ)組合類(lèi)型在源儲(chǔ)界面上的源儲(chǔ)壓差差異較大，而這種源儲(chǔ)壓差的大小對(duì)油氣充注的效率影響極大。另外充注效率高，其含油性并不一定就好，充注之后能否在儲(chǔ)層中聚集也是十分關(guān)鍵的。下源上儲(chǔ)型由于儲(chǔ)層置于烴源巖上方，其物性要好于烴源巖，在保存條件不好的情況下，油氣從源巖進(jìn)入儲(chǔ)層后容易逸散，不易成藏；而三明治型由于2層源巖夾1層儲(chǔ)層，源儲(chǔ)界面面積大，使得中間的儲(chǔ)層容易使油氣聚集成藏，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)還是實(shí)際地質(zhì)條件下，其含油性均為最好?？傮w來(lái)說(shuō)，三明治型好于上源下儲(chǔ)型和下源上儲(chǔ)型。這與試油資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果相吻合，可以預(yù)知凹陷內(nèi)大范圍發(fā)育三明治型源儲(chǔ)組合的層段和區(qū)帶是今后研究區(qū)致密油勘探的有利目標(biāo)區(qū)。

從實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象來(lái)看，致密油的充注過(guò)程和常規(guī)油氣具有較大區(qū)別。致密油成藏呈現(xiàn)出非達(dá)西滲流特征，表現(xiàn)為面狀充注、隨壓差變化、階段性跳躍式推進(jìn)、多尺度微孔縫輸導(dǎo)、非均勻大面積彌漫式短距離運(yùn)聚、有序連續(xù)的差異性富集和供烴與散失的動(dòng)態(tài)平衡成藏運(yùn)聚。源儲(chǔ)壓差與儲(chǔ)層非均質(zhì)性共同決定致密油運(yùn)移和聚集的差異性，制約含油飽和度的大小。

圖1 3種模型含油飽和度與充注時(shí)間交會(huì)圖

圖2 3種模型含油飽和度與注口壓力交會(huì)圖

4 結(jié) 論

(1) 花海凹陷源巖分布受沉積相控制，主要分布在研究區(qū)中南部湖相發(fā)育區(qū)。下白堊統(tǒng)的中溝、下溝組，其暗色泥巖厚度大，有機(jī)質(zhì)豐度高，類(lèi)型好，成熟度適中。儲(chǔ)層致密，且與烴源巖緊鄰共生，大范圍分布，儲(chǔ)層孔喉結(jié)構(gòu)以中喉細(xì)孔和細(xì)喉細(xì)孔為主，非均質(zhì)性強(qiáng)，發(fā)育多種孔隙類(lèi)型，以微納米孔為主，屬于特低孔、特低滲儲(chǔ)層，具有致密油形成的良好條件。

(2) 研究區(qū)主要發(fā)育3種類(lèi)型的源儲(chǔ)組合，分別是上源下儲(chǔ)型、下源上儲(chǔ)型及三明治型。而三明治型與源巖緊密接觸且多向供油，可能是致密油成藏的最優(yōu)源儲(chǔ)組合。

(3) 儲(chǔ)層含油性和充注效率與源儲(chǔ)組合類(lèi)型有較大相關(guān)性。源儲(chǔ)配置關(guān)系、源儲(chǔ)壓差及儲(chǔ)層非均質(zhì)性共同決定致密油運(yùn)移和聚集的差異性，制約含油飽和度的大小。從充注效率和含油性來(lái)看，三明治型明顯好于上源下儲(chǔ)型和下源上儲(chǔ)型。源儲(chǔ)組合特征對(duì)致密油聚集成藏具有較大影響，凹陷內(nèi)大范圍發(fā)育三明治型源儲(chǔ)組合的層段和區(qū)帶可能是今后研究區(qū)致密油勘探的有利目標(biāo)區(qū)。

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編輯 黃華彪

20151106；改回日期：20160110

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“云質(zhì)巖致密油儲(chǔ)層微米—納米孔喉網(wǎng)絡(luò)體系及其流體耦合流動(dòng)機(jī)理與流動(dòng)下限”(41372145)；中國(guó)石油天然氣股份有限公司重大科技專(zhuān)項(xiàng)“酒泉盆地青西、花海地區(qū)致密油研究及目標(biāo)優(yōu)選”(2012E-3303)

高雄雄(1987-)，男， 2010年畢業(yè)于中國(guó)石油大學(xué)(華東)勘查技術(shù)與工程專(zhuān)業(yè)，現(xiàn)為中國(guó)石油大學(xué)(北京)地質(zhì)資源與地質(zhì)工程專(zhuān)業(yè)在讀碩士研究生，主要從事油氣成藏與分布規(guī)律研究工作。

10.3969/j.issn.1006-6535.2016.02.013

TE123.2

A

1006-6535(2016)02-0055-04