下生上儲(chǔ)式與上生下儲(chǔ)式油源斷裂油氣輸導(dǎo)差異性

沙子萱，于 丹，付 廣

(1.東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318；2.中國(guó)石油大慶油田有限責(zé)任公司，黑龍江 大慶 163712)

0 引 言

輸導(dǎo)通道是不同生儲(chǔ)蓋組合下油氣成藏的必要條件，無(wú)論是下生上儲(chǔ)式還是上生下儲(chǔ)式，油氣運(yùn)移的輸導(dǎo)通道均主要是油源斷裂，由于二者成藏機(jī)制不同，造成其油源斷裂油氣輸導(dǎo)特征存在明顯的差異性，該差異性是認(rèn)識(shí)2類油氣分布規(guī)律甚至指導(dǎo)油氣勘探的關(guān)鍵[1-2]。關(guān)于下生上儲(chǔ)式的油源斷裂輸導(dǎo)油氣特征，學(xué)者做過(guò)大量研究，主要表現(xiàn)在3個(gè)方面：①利用地震資料拆分?jǐn)嗔褦啻游?，結(jié)合油氣成藏期，研究油源斷裂類型并與烴源巖排烴區(qū)配合，研究油源斷裂輸導(dǎo)油氣的平面分布范圍，認(rèn)為烴源巖排烴區(qū)內(nèi)的油源斷裂分布范圍，即為油源斷裂輸導(dǎo)油氣平面分布范圍[1-3]；②根據(jù)油源斷裂與區(qū)域性蓋層配置垂向是否封閉，研究油源斷裂輸導(dǎo)油氣縱向分布范圍，認(rèn)為封閉型區(qū)域性蓋層分布部位控制著油源斷裂油氣縱向分布范圍[4-6]；③通過(guò)油源斷裂與被其錯(cuò)斷砂體配置研究，研究油源斷裂輸導(dǎo)油氣向砂體側(cè)向分層運(yùn)移砂體層位，認(rèn)為能儲(chǔ)集油氣的砂體應(yīng)是油源斷裂側(cè)向分層運(yùn)移油氣的砂體[7-8]。目前對(duì)上生下儲(chǔ)式油源斷裂輸導(dǎo)油氣問(wèn)題的研究相對(duì)較薄弱，主要表現(xiàn)在2個(gè)方面：①根據(jù)烴源巖排烴區(qū)、超壓分布區(qū)和油源斷裂分布區(qū)疊合，研究其油源斷裂輸導(dǎo)油氣平面范圍[9-10]，認(rèn)為只有三者疊合的重復(fù)區(qū)，才是油源斷裂輸導(dǎo)油氣平面范圍；②根據(jù)烴源巖超壓相對(duì)大小和油源斷裂延伸長(zhǎng)度，研究油源斷裂輸導(dǎo)油氣的縱向范圍[9-10]，認(rèn)為油源斷裂輸導(dǎo)油氣存在最大深度，其值受到烴源巖古超壓值和油源斷裂延伸長(zhǎng)度的范圍控制，烴源巖古超壓越大，油源斷裂向下延伸長(zhǎng)度越大，油源斷裂輸導(dǎo)油氣最大深度越大，反之則越小。此外，也缺乏對(duì)油源斷裂輸導(dǎo)油氣向砂體側(cè)向分層運(yùn)移層位方面的研究，對(duì)油源斷裂向上和向下輸導(dǎo)油氣差異特征研究尚未見(jiàn)到報(bào)道，這無(wú)疑不利于上生下儲(chǔ)式組合樣式油氣分布規(guī)律的認(rèn)識(shí)和油氣勘探的深入。因此，考慮不同生儲(chǔ)蓋組合樣式，下生上儲(chǔ)式和上生下儲(chǔ)式油源斷裂及其輸導(dǎo)油氣特征及分布規(guī)律的對(duì)比研究，有利于指導(dǎo)針對(duì)不同類型油氣的目標(biāo)性勘探。

1 油氣運(yùn)聚成藏模式及輸導(dǎo)油氣通道

不同組合樣式的油氣運(yùn)移條件不同，其成藏模式也明顯不同。下生上儲(chǔ)式油氣運(yùn)聚成藏模式是下伏烴源巖生成的油氣在剩余地層孔隙流體壓力差和浮力的作用下，油氣經(jīng)油源斷裂向上覆地層中運(yùn)移，因受上覆區(qū)域性蓋層遮擋，油氣向斷裂兩側(cè)砂體中發(fā)生側(cè)向分層運(yùn)移，并在油源斷裂附近聚集成藏，如圖1(a)所示。上生下儲(chǔ)式油氣運(yùn)聚成藏模式是烴源巖生成的油氣在超壓作用下，油源斷裂向下伏地層輸導(dǎo)油氣過(guò)程中，因受到地層孔隙流體壓力差以及斷裂輸導(dǎo)油氣運(yùn)移遇到的阻力和油氣本身浮力的共同阻擋[11-13]，油源斷裂向下輸導(dǎo)油氣向其兩側(cè)砂體中發(fā)生側(cè)向分層運(yùn)移，并在油源斷裂附近聚集成藏，如圖1(b)所示?？傊?，無(wú)論是下生上儲(chǔ)式還是上生下儲(chǔ)式，油氣運(yùn)聚成藏的輸導(dǎo)通道均主要是油源斷裂。

圖1 下生上儲(chǔ)式和上生下儲(chǔ)式油氣運(yùn)聚成藏模式Fig.1 The hydrocarbon migration and accumulation models of lower-source and upper-reservoir model and upper-source and lower-reservoir model

2 輸導(dǎo)油氣特征的差異性

不同組合樣式油源斷裂輸導(dǎo)油氣特征的差異性主要表現(xiàn)在油氣平面分布、輸導(dǎo)油氣終止處及最大距離、側(cè)向分層運(yùn)移層位3個(gè)方面，通過(guò)油源斷裂輸導(dǎo)油氣的實(shí)例加以分析。

2.1 輸導(dǎo)油氣平面分布的差異性

由于不同組合樣式油源斷裂輸導(dǎo)油氣方向不同，造成油氣平面分布范圍存在差異性。下生上儲(chǔ)式油源斷裂應(yīng)是溝通下伏烴源巖和上覆目的層，且在油氣成藏時(shí)期活動(dòng)的斷裂；而上生下儲(chǔ)式油源斷裂目的層在烴源巖層之下，所以除了像下生上儲(chǔ)式油源斷裂一樣，要滿足上述條件且在油氣成藏期活動(dòng)外，還必須要求上覆烴源巖為斷裂向下輸導(dǎo)油氣提供動(dòng)力——超壓，超壓應(yīng)大到一定值，可使斷裂向下伏目的層中輸導(dǎo)油氣。否則，即使烴源巖排烴，斷裂也不能向下伏地層中輸導(dǎo)油氣。由此不難看出，對(duì)同一烴源巖而言，下生上儲(chǔ)式油源斷裂運(yùn)移較上生下儲(chǔ)式油源斷裂發(fā)育，主要表現(xiàn)在平面分布范圍上，對(duì)于同一烴源巖的下生上儲(chǔ)式油源斷裂分布范圍應(yīng)明顯大于上生下儲(chǔ)式油源斷裂的分布范圍，前者為烴源巖排烴分布區(qū)的油源斷裂分布區(qū)，后者則為烴源巖超壓大于斷裂向下輸導(dǎo)油氣所需的最小超壓值范圍區(qū)。油源斷裂分布區(qū)，即下生上儲(chǔ)式油源斷裂輸導(dǎo)油氣平面分布范圍，大于上生下儲(chǔ)式斷裂輸導(dǎo)油氣平面分布范圍的區(qū)域。如松遼盆地北部中央坳陷區(qū)三肇凹陷，是松遼盆地下部含油氣系統(tǒng)和中部含油氣系統(tǒng)油氣勘探的重點(diǎn)地區(qū)，其內(nèi)發(fā)育的地層是白堊系，青山口組一段發(fā)育的暗色泥巖，不僅是中部含油氣組合薩、葡、高油層(分別位于嫩江組二、三段—一段、姚家組一段和青山口組二、三段)油氣的烴源巖，也是下部含油氣組合扶楊油層(分別位于泉頭組四段和三段)油氣的烴源巖，青山口組一段烴源巖與薩、葡、高油層之間屬于下生上儲(chǔ)式組合樣式，而與扶楊油層之間為上生下儲(chǔ)式組合樣式。以此作為實(shí)例，比較上生下儲(chǔ)式和下生下儲(chǔ)式油源斷裂輸導(dǎo)油氣平面分布的差異性，以便為油氣勘探提供參考依據(jù)。

由烴源巖排烴門限確定方法[14-15]可以得到三肇凹陷青一段烴源巖排烴分布區(qū)，根據(jù)文獻(xiàn)[15]得出，除凹陷東南邊部地區(qū)外，整個(gè)三肇凹陷青一段烴源巖皆為排烴區(qū)。由三維地震資料拆分得到三肇凹陷青一段烴源巖內(nèi)斷裂類型，將連接青一段烴源巖和上覆薩、葡、高油層，且在油氣成藏期(明水組沉積末期)活動(dòng)的斷裂，作為松遼盆地中部含油氣系統(tǒng)(下生上儲(chǔ)式)的油源斷裂(圖2)，此類油源斷裂全凹陷分布，主要呈南北向展布，少量呈北西向和北東向展布，凹陷中心油源斷裂相對(duì)發(fā)育，東西兩側(cè)油源斷裂相對(duì)較少。

圖2 三肇凹陷青一段烴源巖生成油氣向上覆薩、葡、高油層運(yùn)移油源斷裂分布Fig.2 The distribution of oil source faults in the upward transport of oil and gas generated from source rocks in Member 1 of Qingshankou Formation,Sanzhao Sag to Saertu,Putaohua and Gaotaizi reservoirs

由文獻(xiàn)[16]可知，整個(gè)三肇凹陷青一段烴源巖皆存在超壓，古超壓的高值區(qū)主要分布凹陷中部地區(qū)，向四周古超壓值逐漸減小，最大值可達(dá)到12 MPa以上，在凹陷南部局部地區(qū)減至5 MPa以下。三肇凹陷油源斷裂輸導(dǎo)青山口組一段烴源巖生成油氣可向下運(yùn)移的超壓在整個(gè)凹陷大面積分布[17]。將連接青山口組一段烴源巖和下伏扶楊油層，且在油氣成藏期(明水組沉積末期)活動(dòng)的斷裂，作為向下運(yùn)移的油源斷裂，將超壓分布區(qū)與可能油源斷裂分布區(qū)疊合，便可知松遼盆地下部含油氣組合(上生下儲(chǔ)式)油源斷裂分布區(qū)[15]。油氣向下運(yùn)移的油源斷裂分布區(qū)略小于向上運(yùn)移的油源斷裂分布區(qū)，主要表現(xiàn)在東南邊部局部地區(qū)。

2.2 輸導(dǎo)油氣終止處及最大距離的差異性

由于不同組合樣式下油源斷裂輸導(dǎo)油氣動(dòng)力及阻力不同，輸導(dǎo)油氣終止處及最大距離存在明顯的差異性。下生上儲(chǔ)式油源斷裂向上輸導(dǎo)油氣動(dòng)力是剩余地層孔隙流體壓力差和浮力，動(dòng)力相對(duì)較強(qiáng)，被錯(cuò)斷的厚度相對(duì)較小的泥巖蓋層形成的阻力，難以阻止油源斷裂向上輸導(dǎo)油氣，只有遇到區(qū)域性蓋層時(shí)，由于其厚度相對(duì)較大，造成油源斷裂在區(qū)域性蓋層內(nèi)分段生長(zhǎng)且不連接，形成垂向封閉，阻止了油源斷裂向上輸導(dǎo)油氣，故封閉型區(qū)域性蓋層應(yīng)為油源斷裂向上輸導(dǎo)油氣的終止處，其底面距烴源巖頂面之間的斷距應(yīng)為油源斷裂向上輸導(dǎo)油氣的最大距離。如海拉爾盆地貝爾凹陷的東北地區(qū)，是其油氣富集的主要地區(qū)之一。該地區(qū)由下至上發(fā)育的地層主要為白堊系，少量為新生界，下白堊統(tǒng)地層主要為南屯組、大磨拐河組和伊敏組，上白堊統(tǒng)僅為青元崗組[18]。烴源巖為南屯組一段，儲(chǔ)層主要為南屯組和大磨拐河組，屬于下生上儲(chǔ)式組合樣式。以此作為實(shí)例，闡述下生上儲(chǔ)式油源斷裂輸導(dǎo)油氣終止處和最大距離特征。油氣鉆探揭示，東北地區(qū)頂部大磨拐河組蓋層發(fā)育、厚度大，雖被油源斷裂破壞，但斷接厚度大，至今蓋層之上尚未見(jiàn)到油氣顯示(圖3)。表明垂向封閉的大磨拐河組蓋層應(yīng)為油源斷裂輸導(dǎo)油氣終止處，大磨拐河組泥巖蓋層底面距下伏南一段烴源巖頂面間的距離，應(yīng)為油源斷裂輸導(dǎo)油氣的最大距離。

圖3 貝爾凹陷東北地區(qū)大磨拐河組區(qū)域性蓋層斷接厚度與上下油氣分布關(guān)系Fig.3 The relationship between regional caprock fault thickness and upper and lower hydrocarbon distribution of Damoguaihe Formation,Northeast Beier Sag

上生下儲(chǔ)式油源斷裂輸導(dǎo)油氣動(dòng)力是烴源巖超壓，其阻力是地層孔隙流體壓力差、油源斷裂輸導(dǎo)油氣遇到的阻力和油氣本身浮力，相對(duì)較大，且隨著油源斷裂向下輸導(dǎo)油氣距離增大阻力也在增大，當(dāng)烴源巖超壓與阻力相等時(shí)，油源斷裂輸導(dǎo)油氣作用終止，此處應(yīng)為油源斷裂向下輸導(dǎo)油氣終止處，此處距烴源巖底面之間距離應(yīng)為油源斷裂向下輸導(dǎo)油氣最大距離。

文中以松遼盆地三肇凹陷作為實(shí)例，闡述上生下儲(chǔ)式油源斷裂輸導(dǎo)油氣終止處和最大距離特征。三肇凹陷青山口組一段烴源巖生成油氣在超壓作用下向下運(yùn)移時(shí)，其輸導(dǎo)油氣最大終止處主要受青山口組一段古超壓控制，由青山口組一段烴源巖古超壓值和向下輸導(dǎo)生成油氣運(yùn)移所需的最小古超壓值，代入斷裂向下輸導(dǎo)油氣最大深度的計(jì)算公式(式1)中[15-17]，可以得到向下輸導(dǎo)油氣的最大深度，此深度處即為輸導(dǎo)油氣終止處，如圖4所示，其距上覆青山口組一段烴源巖底界的距離，應(yīng)為油源斷裂向下輸導(dǎo)油氣最大距離。因此，三肇凹陷油源斷裂向下輸導(dǎo)青山口組一段烴源巖生成油氣進(jìn)入扶楊油層中的最大距離為500 m以上，主要分布在凹陷北部、中部地區(qū)，由此向四周逐漸減小，在其東南局部地區(qū)減小至零。

圖4 三肇凹陷油源斷裂輸導(dǎo)油氣向下扶楊油層運(yùn)移最大深度Fig.4 The maximum migration depth of hydrocarbon transport from oil source fault in Sanzhao Sag down to Fuyang Formation

(1)

式中：Hmax為斷裂向下輸導(dǎo)油氣的最大距離，m；Δpc為烴源巖古超壓值，MPa；Δpcmin為斷裂向下輸導(dǎo)油氣所需的最小烴源巖古超壓值，MPa；ρw為地層水密度，g/cm3；ρo為原油密度，g/cm3。

2.3 側(cè)向分層運(yùn)移油氣砂體層位的差異性

下生上儲(chǔ)式和上生下儲(chǔ)式油源斷裂輸導(dǎo)油氣向砂體側(cè)向分層運(yùn)移的油氣機(jī)制是相同的，均為油源斷裂輸導(dǎo)油氣所遇阻力小于砂體輸導(dǎo)油氣所遇阻力，但造成的原因不同，使得二者油源斷裂側(cè)向分層運(yùn)移油氣砂體層位存在明顯的差異性。

下生上儲(chǔ)式油源斷裂向上輸導(dǎo)油氣因遇到封閉型區(qū)域性蓋層阻擋，使油源斷裂向上輸導(dǎo)油氣遇到的阻力大于砂體輸導(dǎo)油氣遇到的阻力，造成油氣向砂體中發(fā)生側(cè)向分層運(yùn)移，油氣主要是選擇所遇阻力相對(duì)較小的砂體發(fā)生側(cè)向分層運(yùn)移，通常是高砂地比地層的砂體，因?yàn)楦呱暗乇鹊貙颖挥驮磾嗔彦e(cuò)斷后，落入到斷裂帶填充物中的砂質(zhì)成分相對(duì)較多，孔滲性相對(duì)較好，側(cè)向封閉性相對(duì)較差，油源斷裂輸導(dǎo)油氣易向其側(cè)向分層運(yùn)移，高砂地比地層應(yīng)是油源斷裂向砂體側(cè)向分層運(yùn)移油氣層位；而低砂地比地層被油源斷裂錯(cuò)斷后，落入斷裂填充物的砂質(zhì)成分相對(duì)較低，孔滲性較對(duì)較差，側(cè)向封閉性相對(duì)較好，油源斷裂輸導(dǎo)油氣不易向其側(cè)向分層運(yùn)移，不是油源斷裂向砂體側(cè)向分層運(yùn)移層位。

如渤海灣盆地冀中坳陷饒陽(yáng)凹陷留楚地區(qū)，是饒陽(yáng)凹陷油氣勘探的重點(diǎn)地區(qū)，地層系統(tǒng)主要包括古近系的孔店組、沙河街組和東營(yíng)組，新近系的館陶組和明化鎮(zhèn)組[19]，烴源巖主要為沙河街組一段，儲(chǔ)層主要為東營(yíng)組二、三段，生儲(chǔ)蓋組合為下生上儲(chǔ)式組合樣式，以此作為實(shí)例，闡述下生上儲(chǔ)式油源斷裂側(cè)向分層運(yùn)移油氣砂體層位特征。留楚地區(qū)油氣在沿油源斷裂向上運(yùn)移時(shí)，由于受到東營(yíng)組一、二段區(qū)域性蓋層阻擋，油氣便向斷裂附近砂體中側(cè)向分層運(yùn)移。東營(yíng)組二、三段地層砂地比值相對(duì)較高，大于油氣側(cè)向分層運(yùn)移所需的最小地層砂地比值，油源斷裂輸導(dǎo)油氣向其發(fā)生側(cè)向分層運(yùn)移和聚集。目前油氣鉆探數(shù)據(jù)顯示，東營(yíng)組二、三段高砂地比地層均獲得了工業(yè)油氣流，油氣性較好(圖5)，充分說(shuō)明了高砂地比地層砂體是油源斷裂向上輸導(dǎo)油氣側(cè)向分層運(yùn)移層位。

圖5 留楚地區(qū)不同構(gòu)造油氣垂向分布Fig.5 The vertical hydrocarbon distribution in different structures in Liuchu Area

由于上生下儲(chǔ)式油源斷裂向下輸導(dǎo)油氣遇到的阻力大，且隨著向下輸導(dǎo)油氣距離增加，其所遇到阻力也在增大，因此，只要遇到砂體，不管其是否為高砂地比地層的砂體，因砂體輸導(dǎo)油氣運(yùn)移所遇到的阻力小于經(jīng)油源斷裂向下輸導(dǎo)油氣所遇到的阻力，油氣向下更易側(cè)向分層不再向下運(yùn)移。由此不難看出，在油源斷裂向下輸導(dǎo)油氣終止處之上所有砂體均是其側(cè)向運(yùn)移油氣層位。

以松遼盆地三肇凹陷扶楊油層作為實(shí)例，闡述上生下儲(chǔ)式油源斷裂側(cè)向分層運(yùn)移油氣層位特征。根據(jù)烴源巖層之下各油層組的工業(yè)油氣流井?dāng)?shù)量來(lái)反映油源斷裂輸導(dǎo)油氣的分布層位及特征。統(tǒng)計(jì)松遼盆地三肇凹陷青一段烴源巖之下的扶Ⅰ、扶Ⅱ、扶Ⅲ和楊Ⅰ油層組(自上而下)中工業(yè)油氣流井?dāng)?shù)可知，各油層組的砂體中油氣均有分布，且自上至下油氣分布數(shù)量逐漸減小，表明上生下儲(chǔ)式油源斷裂向下輸導(dǎo)油氣終止處之上所有砂體均是油源斷裂向下輸導(dǎo)油氣層位。

3 結(jié) 論

(1)輸導(dǎo)油氣平面分布范圍存在差異性，下生上儲(chǔ)式油源斷裂在烴源巖排烴區(qū)內(nèi)方可向上輸導(dǎo)油氣；而上生下儲(chǔ)式油源斷裂只能與烴源巖超壓值大于斷裂向下輸導(dǎo)油氣所需的最小超壓值的區(qū)域內(nèi)，方可向下輸導(dǎo)油氣。

(2)輸導(dǎo)油氣終止處和最大距離存在差異性，下生上儲(chǔ)式油源斷裂向上輸導(dǎo)油氣終止處為封閉型區(qū)域性蓋層處，封閉型區(qū)域性蓋層底面距烴源巖頂面之間距離為油源斷裂向上輸導(dǎo)油氣最大距離；而上生下儲(chǔ)式油源斷裂向下輸導(dǎo)油氣終止處為其輸導(dǎo)動(dòng)力和阻力相等處，該處距烴源巖底面之間的距離為油源斷裂向下輸導(dǎo)油氣的最大距離。

(3)側(cè)向分層運(yùn)移油氣砂體層位存差異性，下生上儲(chǔ)式油源斷裂向上輸導(dǎo)油氣側(cè)向分層運(yùn)移的層位，是封閉型區(qū)域性蓋層之下的高砂地比地層；而上生下儲(chǔ)式油源斷裂向下輸導(dǎo)油氣側(cè)向分層砂體層位，是其輸導(dǎo)油氣終止處之上的所有砂體。