認(rèn)識(shí)創(chuàng)新推動(dòng)渤海海域油氣勘探取得新突破*
——渤海海域近年主要勘探進(jìn)展回顧

薛永安

(中海石油(中國(guó))有限公司天津分公司 天津 300459)

渤海灣盆地是中生代以來(lái)疊覆在古生界克拉通基底之上的多旋回裂谷斷陷盆地[1]。渤海海域是渤海灣盆地現(xiàn)今的海域部分，面積約7.3×104km2。自2010年以來(lái)，渤海油田實(shí)現(xiàn)油氣年穩(wěn)產(chǎn)3 000×104t油當(dāng)量，成為中國(guó)海上最大的油田和我國(guó)北方重要的能源基地[2]。隨著勘探程度的不斷深入，渤海油田主力凹陷勘探程度越來(lái)越高，僅依賴成熟區(qū)的滾動(dòng)和評(píng)價(jià)已不能彌補(bǔ)較大的儲(chǔ)量缺口，迫切需要在新區(qū)新領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)實(shí)質(zhì)性的勘探突破。近年來(lái)，我國(guó)對(duì)天然氣需求強(qiáng)烈，但傳統(tǒng)認(rèn)為渤海灣盆地為油型盆地，能否找到規(guī)模性天然氣田意義重大?；仡櫜澈：Ｓ蚩碧窖芯咳〉玫某晒氨蛔印蹦Ｊ胶汀皽\盆成烴”新認(rèn)識(shí)的提出推動(dòng)了渤海潛山天然氣大發(fā)現(xiàn)和邊緣凹陷油氣勘探新熱潮，保障了渤海海域儲(chǔ)量發(fā)現(xiàn)穩(wěn)步增長(zhǎng)。

1 “被子”模式指導(dǎo)渤中凹陷天然氣勘探取得新突破

1.1 “被子”模式核心思想

天然氣具有分子小、重量輕、極易運(yùn)移和逸散的特點(diǎn)，因此保存條件對(duì)天然氣成藏至關(guān)重要[3-6]。研究表明蓋層質(zhì)量(巖性、厚度、平面分布、排替壓力等)控制了天然氣的富集程度[7-8]。通常蓋層巖性組成為鹽膏巖、泥巖等非滲透性巖層。世界上已發(fā)現(xiàn)大氣田泥巖和膏巖蓋層分別占53.5%和46.5%[8]。如塔里木盆地和田地區(qū)天然氣蓋層為數(shù)十萬(wàn)平方公里的膏巖[9]，松遼盆地天然氣藏主要分布于青山口組和嫩江組厚層泥巖蓋層之下[10]。粉砂質(zhì)泥巖、泥質(zhì)粉砂巖及生物灰?guī)r等僅可作為低壓天然氣藏的蓋層[11]。渤海灣盆地新生界存在沙三段、沙一段、東營(yíng)組及明化鎮(zhèn)組四套區(qū)域封蓋層[12]，其中沙一段為區(qū)域分布最廣泛的封蓋層，已探明天然氣儲(chǔ)量中沙一段及以下地層占80.4%[13-14]，發(fā)現(xiàn)了興隆臺(tái)、曙光-歡喜嶺、高升、錦州20-A及千米橋等大氣田。

渤海灣盆地主要為陸相沉積，巖性橫向變化快，且斷裂復(fù)雜，地層破壞程度高，因此對(duì)蓋層的要求更為嚴(yán)苛。筆者曾致力于渤海海域天然氣成藏特征與富集模式研究，并針對(duì)其特殊性于2007年創(chuàng)新提出渤海海域天然氣成藏“被子”模式(圖1)[3]，認(rèn)為廣泛分布的大套厚層超壓泥巖像“被子”一樣蓋在富生烴凹陷之上，控制天然氣在其下運(yùn)移匯聚成藏。而“被子”并非普通的泥巖蓋層，應(yīng)是具有一定厚度的高壓異常泥巖[12]，才能保證天然氣從生烴中心到構(gòu)造區(qū)優(yōu)質(zhì)的封蓋條件，對(duì)天然氣起到保護(hù)作用。

圖1 “被子”模式[3]

1.2 環(huán)渤中凹陷大氣田形成條件

勘探實(shí)踐表明，渤海油田較大型氣田的形成均與分布廣泛的厚層高壓異常泥巖有關(guān)。渤中凹陷是渤海灣盆地的沉積沉降中心，東營(yíng)組和沙河街組近千米厚半深湖—深湖相泥巖易形成較好的“被子”蓋層，天然氣保存條件優(yōu)越。同時(shí)良好的儲(chǔ)層條件也是天然氣富集成藏的必要條件[7]。

1.2.1巨厚“被子”為大氣田形成提供了良好的保存條件

蓋層是油氣成藏不可或缺的條件，對(duì)天然氣成藏至關(guān)重要[7-13,15-16]。研究表明，我國(guó)大中型氣田儲(chǔ)量豐度與蓋層厚度具有較好的正相關(guān)性[17]，蓋層厚度越大，平面分布越廣，連續(xù)性越好，則封閉天然氣能力越強(qiáng)，對(duì)斷層破壞的抵抗能力也越強(qiáng)。反之，則不利于天然氣的聚集和保存。我國(guó)西部塔里木盆地大氣田克拉2氣田蓋層為膏巖層，厚度可達(dá)400～500 m， 封蓋了全盆60%的天然氣地質(zhì)儲(chǔ)量[17]。在渤海灣盆地，東營(yíng)組和沙河街組厚層泥巖既可以作為烴源巖，也可以成為下部古近系儲(chǔ)集層和深埋潛山的重要蓋層[18]。渤中凹陷東營(yíng)組和沙河街組發(fā)育三角洲和湖相交互沉積，除了在湖盆邊緣發(fā)育規(guī)模性的三角洲沉積體系外，靠近凹陷的內(nèi)部均為質(zhì)地較純的半深湖—深湖相泥巖。東二下至沙河街組泥巖厚度最大可達(dá)3 000 m,平均厚度1 000 m(圖2)，且分布面積廣、橫向穩(wěn)定性較好，為下伏天然氣的保存提供了有利條件。

圖2 渤中凹陷泥巖“被子”厚度分布

超壓同樣對(duì)天然氣保存具有重要意義[12,19]。當(dāng)儲(chǔ)集層具有異常壓力時(shí)，其上覆蓋層多為壓力封閉層。蓋層內(nèi)超壓的存在可以增強(qiáng)蓋層物性封閉，異常壓力越大，封閉性能越好。渤海海域目前最大的天然氣田——錦州20-A氣田蓋層內(nèi)壓力系數(shù)高達(dá)1.7，且異常高壓泥巖帶延伸較遠(yuǎn)。 BZ19-A-1井沙三段油氣藏中實(shí)測(cè)地層壓力系數(shù)為1.334 5，證實(shí)渤中凹陷沙河街組存在異常壓力系統(tǒng)。而從渤中19-A構(gòu)造3口井的泥巖蓋層聲波時(shí)差隨埋深變化情況來(lái)看，在2 600～3 100 m和3 500～3 900 m兩個(gè)深度段正常壓實(shí)趨勢(shì)線均出現(xiàn)明顯的偏離(圖3)，表明東營(yíng)組和沙河街組泥巖蓋層具有超壓現(xiàn)象。而這一分布廣、厚度大的超壓泥巖“被子”為渤中凹陷西南環(huán)天然氣成藏起到重要的保護(hù)作用。

圖3 渤中19-A構(gòu)造泥巖蓋層聲波時(shí)差特征

1.2.2優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集體發(fā)育是大氣田形成的重要條件

國(guó)內(nèi)外勘探實(shí)踐證實(shí)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集體是大氣田形成的重要條件。渤海海域最大的凝析氣田錦州20-A發(fā)育沙河街組砂礫巖、陸屑白云巖及元古界混合花崗巖，孔隙度最高達(dá)31.7%。近年來(lái)，渤海油田加強(qiáng)了深層儲(chǔ)層攻關(guān)，采用方位角、曲率等多地震屬性融合、陣列聲波測(cè)井多孔介質(zhì)流體識(shí)別等技術(shù)持續(xù)攻關(guān)，解決了過(guò)去由于埋深大，地震資料難以有效識(shí)別潛山儲(chǔ)層的難題，經(jīng)科學(xué)探索井鉆探證實(shí)渤中凹陷西南環(huán)潛山帶發(fā)育古生界碳酸鹽巖和太古界變質(zhì)巖兩種巖石類型。受控于與不整合有關(guān)的巖溶作用，渤中21-22古生界潛山為孔洞-裂縫型和溶蝕孔隙型雙介質(zhì)儲(chǔ)集空間(圖4a)，孔隙度在1.9%～10.5%之間[17]。渤中19-A太古界潛山巖性以碎裂二長(zhǎng)片麻巖為主，發(fā)育裂縫型儲(chǔ)集體(圖4b)。巖心物性實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)顯示，渤中19-A構(gòu)造孔隙度在1.2%～12.8%之間，平均為4.7%。常規(guī)測(cè)井曲線具有低自然電位、低GR，高中子密度、高聲波時(shí)差的特征。成像測(cè)井及壁心、巖心薄片顯示裂隙發(fā)育，其主要的有效儲(chǔ)集空間為裂縫，而沿裂縫產(chǎn)生的溶蝕孔隙也可作為儲(chǔ)集空間，與郯廬斷裂及其分支走滑斷裂多期構(gòu)造活動(dòng)、強(qiáng)烈逆沖、擠壓，及后期剝蝕的改造作用有關(guān)。

圖4 渤中凹陷潛山內(nèi)幕儲(chǔ)層巖石薄片

1.3 渤中凹陷西南環(huán)天然氣勘探重大突破

在“被子”成藏模式創(chuàng)新認(rèn)識(shí)指導(dǎo)下，渤中凹陷西南環(huán)在古近系孔店組砂礫巖體和太古界變質(zhì)巖潛山勘探取得重大突破。其中，渤中21-B、渤中22-A[17]、渤中19-A天然氣儲(chǔ)量均超百億立方米級(jí)別，尤其是渤中19-A構(gòu)造具有更大天然氣規(guī)模，其勘探突破具有里程碑的意義。同時(shí)，環(huán)渤中凹陷還發(fā)現(xiàn)了渤中8-A、渤中3-A等一批大型有利天然氣勘探目標(biāo)，展現(xiàn)了中國(guó)東部老油區(qū)千億立方米氣區(qū)的勘探局面，將為環(huán)渤海經(jīng)濟(jì)區(qū)清潔能源提供有力支持，社會(huì)效益良好。

2 “淺盆成烴”新認(rèn)識(shí)助推邊緣凹陷勘探取得新進(jìn)展

2.1 “淺盆成烴”新認(rèn)識(shí)

傳統(tǒng)認(rèn)為，邊緣凹陷面積小、埋深淺，且緊鄰盆地邊緣，通常發(fā)育大量粗碎屑近源堆積，難以形成規(guī)模型優(yōu)質(zhì)烴源巖，因此對(duì)湖盆生烴機(jī)制與潛力研究較為薄弱，極大限制了新領(lǐng)域勘探的拓展。這類邊緣淺盆分布面積在渤海海域占比達(dá)38%，油氣資源量?jī)H占2%。近些年，通過(guò)深入研究，創(chuàng)新提出“湖盆咸化-地殼減薄-走滑改造”三因素聯(lián)控的“淺盆成烴”新認(rèn)識(shí)，大大推動(dòng)了渤海邊緣凹陷勘探獲重要突破。

2.1.1“咸化湖盆”孕育了優(yōu)良的烴源物質(zhì)基礎(chǔ)

研究表明，中國(guó)中、新生代陸相盆地(如渤海灣盆地、柴達(dá)木盆地等)除煤系沉積外，優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育均與咸化湖盆有關(guān)，即使是傳統(tǒng)上大型淡水湖泊成因的烴源巖也均被證實(shí)為湖盆咸化缺氧的產(chǎn)物[19-20]。而有機(jī)質(zhì)豐度高的烴源巖均不同程度地與碳酸鹽、硫酸鹽或氯化物等蒸發(fā)巖伴生，形成重要的烴源灶[21]。咸化湖盆中烴源巖往往具備更優(yōu)的生烴能力，因此可以通過(guò)研究咸化盆地的沉積作用預(yù)測(cè)優(yōu)質(zhì)烴源巖的發(fā)育。

伽馬蠟烷/C30藿烷是公認(rèn)烴源巖沉積環(huán)境中鹽度判別的指標(biāo)，另外藿烷系列中C35藿烷含量相對(duì)增加也是判別咸化湖盆可溶有機(jī)質(zhì)有效的識(shí)別標(biāo)志[19]。從渤海海域東部淺盆周圍鉆井的油源特征來(lái)看(圖5)，伽馬蠟烷含量均較高，部分樣品出現(xiàn)明顯的C35升藿烷翹尾特征，反映相對(duì)咸化甚至鹽湖相的烴源巖特征。廟西北洼、黃河口東洼和萊州灣南洼孕甾烷和升孕甾烷豐度高可能與生烴母質(zhì)在成巖早期微生物作用和有機(jī)質(zhì)熱降解作用有關(guān)[22],而廟西南洼和萊州灣東北洼原油甲藻甾烷含量高表明生烴母質(zhì)生源以藻類、細(xì)菌等低等水生生物為主[23]，這類富含脂類化合物的藻類被稱為油藻，在較低的成熟演化階段可以直接轉(zhuǎn)化為烴類。同時(shí)咸化的水體環(huán)境中氧含量很低，有利于早期轉(zhuǎn)化形成的液態(tài)烴的保存。萊州灣南洼和黃河口東洼原油含硫量高，最高可達(dá)4.69%，這種高硫原油的形成可能與烴源巖母質(zhì)為鹽湖沉積環(huán)境有關(guān)[23-24]。另外，硫酸鹽、碳酸鹽巖等蒸發(fā)巖物質(zhì)對(duì)有機(jī)質(zhì)生烴演化也具有催化作用，使得烴源巖“早熟”生成低熟油。從Ts/Tm比值基本小于1和C29甾烷異構(gòu)化參數(shù)均證明邊緣淺盆的原油成熟度普遍較低，原油具有明顯咸化和低熟特征，指示湖盆咸化對(duì)烴源巖具有顯著的促進(jìn)作用。

圖5 渤海海域邊緣凹陷油源特征

2.1.2“地殼減薄”提供了強(qiáng)勁的內(nèi)在動(dòng)力

渤海灣盆地的形成與板塊運(yùn)動(dòng)、地幔物質(zhì)上涌密切相關(guān)。在早白堊世晚期和古近紀(jì)中晚期，出現(xiàn)兩期地幔熱流高峰，地幔內(nèi)物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致巖石圈局部隆起，巖石圈因受力向兩側(cè)伸展，巖石圈減薄，產(chǎn)生裂陷與坳陷。渤海灣盆地巖石圈從北西向南東逐漸減薄，特別是渤海海域東部地區(qū)巖石圈由于強(qiáng)斷裂作用控制顯著拉張減薄，地殼厚度一般為25～27 km。

此外，渤海海域東部處于郯廬斷裂板塊拼接地帶，走滑作用加劇地殼不穩(wěn)定性。印支期華北與華南大陸塊體的碰撞形成的大量斷裂帶自中生代以來(lái)經(jīng)歷了走滑、伸展、擠壓等構(gòu)造變形和巖漿活動(dòng)，成為穿透地殼進(jìn)入上地幔的深大斷裂，地殼深部的巖漿在地球內(nèi)部應(yīng)力驅(qū)動(dòng)下沿著深大斷裂帶上侵，導(dǎo)致火山、巖鹽、熱流等殼幔交互作用顯著增強(qiáng)，例如萊州灣東北洼館陶組、東營(yíng)組及沙一、二段廣泛沉積火山溢流相，在廟西南洼、黃河口東洼、萊州灣南洼局部可見巖鹽活動(dòng)。斷裂構(gòu)造及巖石圈厚度變化對(duì)大地?zé)崃骺臻g展布特征的控制作用最終導(dǎo)致渤海海域系列淺盆具有明顯的高地溫梯度，平均地溫梯度39.5 ℃/km，凹陷區(qū)為36.9 ℃/km，遠(yuǎn)高于渤海海域平均的地溫梯度28.2 ℃/km(圖6)。

圖6 渤海海域地溫梯度等值線圖

2.1.3“走滑改造”創(chuàng)造了有利的外部條件

渤海油田在郯廬斷裂帶油氣勘探取得了豐碩成果[25-26],研究表明走滑作用在渤海灣盆地形成、演化及油氣成藏等多方面具有重要意義。首先，走滑作用可以溝通深部熱流體，為油氣藏的形成帶來(lái)物質(zhì)來(lái)源和運(yùn)移動(dòng)力，促進(jìn)烴類聚集成藏，如蓬萊19-3油田中均發(fā)現(xiàn)幔源成因的CO2[26]。其次，走滑帶來(lái)的超臨界流體活動(dòng)提供了充足的養(yǎng)分，引起水體營(yíng)養(yǎng)元素的富集，而水體的富營(yíng)養(yǎng)化會(huì)形成藻類大量繁殖，為優(yōu)質(zhì)烴源巖的形成奠定物質(zhì)基礎(chǔ)。PL25-3S-1d井的東營(yíng)組和沙河街組烴源巖正構(gòu)烷烴均為前峰分布，母質(zhì)來(lái)源主要為藻類等低等水生生物。而墾利6-4構(gòu)造長(zhǎng)石顆粒表面不同程度絹云母化，認(rèn)為可能與深部熱流體活動(dòng)帶來(lái)的蝕變作用有關(guān)。再者，走滑改造帶來(lái)黏土礦物、含碳酸鹽巖礦物、幔源氫氣等可以作為催化劑促進(jìn)烴源巖早生烴，并帶來(lái)生烴量的提升[19]。

圖7 渤海海域排烴門限

大量測(cè)試數(shù)據(jù)類比分析表明(圖7)，廟西北洼、廟西南洼、黃河口東洼、萊州灣東北洼、萊州灣南洼排烴門限分別為2 700、2 300、2 200、2 700和2 200 m，平均排烴門限約為2500m，而主力凹陷渤中凹陷、黃河口凹陷等深盆排烴門限通常在3 600 m附近。邊緣淺盆的排烴門限較其相鄰深盆降低達(dá)1 100 m，為相鄰構(gòu)造油氣成藏提供了良好的物質(zhì)基礎(chǔ)。

2.2 渤海海域東部邊緣凹陷勘探新進(jìn)展

自2009年以來(lái)，在渤海海域東部主體埋深僅3 000～3 500 m的邊緣凹陷持續(xù)發(fā)現(xiàn)了蓬萊15-A、墾利10-A等一大批億噸級(jí)、五千萬(wàn)噸級(jí)油當(dāng)量以上的大中型油氣田，上報(bào)國(guó)家探明石油地質(zhì)儲(chǔ)量2.37×108t油當(dāng)量，極大地推動(dòng)了渤海邊緣凹陷勘探實(shí)踐。渤海海域在“十二五”之前盆緣凹陷資源量?jī)H2.7×108t，占比2%;重新資評(píng)后可達(dá)17.4×108t，占比增至11%，漲幅達(dá)5倍。有效提升了盆緣凹陷的勘探潛力，大大拓展了渤海油田勘探領(lǐng)域。

3 結(jié)論

1) 創(chuàng)新提出了渤海海域天然氣 “被子”成藏模式，其中優(yōu)越的烴源條件是形成大氣田的物質(zhì)基礎(chǔ)，厚層泥巖“被子”為大氣田提供了良好的保存條件，優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)集體發(fā)育是大氣田形成的重要條件。該認(rèn)識(shí)指導(dǎo)了環(huán)渤中西南環(huán)天然氣勘探重大發(fā)現(xiàn)，為油氣田穩(wěn)產(chǎn)增產(chǎn)提供了重要的儲(chǔ)量基礎(chǔ)。

2) 創(chuàng)新提出了渤海海域邊緣凹陷“湖盆咸化-地殼減薄-走滑改造”三因素聯(lián)控的“淺盆成烴”新認(rèn)識(shí)，其中“咸化湖盆”孕育了優(yōu)良的烴源物質(zhì)基礎(chǔ)，“地殼減薄”提供了強(qiáng)勁的內(nèi)在動(dòng)力，“走滑改造”創(chuàng)造了有利的外部條件。該認(rèn)識(shí)指導(dǎo)了蓬萊15-2、渤中36-1、墾利16-1等優(yōu)質(zhì)大中型油氣田的發(fā)現(xiàn)，展示出邊緣凹陷較好的油氣勘探潛力。

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