渤中西洼新近系館陶組斷裂控藏作用定量評價

于喜通, 楊海風(fēng), 揣媛媛, 王志萍, 王改衛(wèi), 曹海洋, 陳安清, 侯明才

(1.中海石油(中國)有限公司 天津分公司, 天津300459;2.成都理工大學(xué) 沉積地質(zhì)研究院, 成都 610059)

斷裂與油氣生成、圈閉形成、油氣運移及保存等息息相關(guān)。中國70%以上的油氣藏都受到斷裂的控制[1],斷裂對油氣成藏的控制作用一直是勘探研究的熱點問題[2-9]。渤海灣盆地是在華北板塊前新生界基底上發(fā)育的新生代裂谷盆地,其中渤海海域的斷裂控藏作用極為顯著,是大中型油氣田形成最有利的區(qū)帶,如沿郯廬斷裂帶發(fā)現(xiàn)的探明油氣儲量占渤?？偺矫饔蜌鈨α康?0%[10]。近年來,在“匯聚脊”理論指導(dǎo)下,渤海海域新近系淺層屢獲重要油氣發(fā)現(xiàn),先后發(fā)現(xiàn)了曹妃甸6-4、蓬萊15-2、蓬萊7-6、曹妃甸12-6、墾利6-1等一批大中型油氣田[11-12]。渤中8-D油田位于渤中西洼的洼中隆起帶上,具有基底古隆起背景,處于富生烴洼陷內(nèi),油氣成藏條件非常優(yōu)越。但由于該區(qū)經(jīng)歷了多期的構(gòu)造運動改造,新近系館陶組斷裂系統(tǒng)極為復(fù)雜,油氣差異成藏特征明顯,對斷裂控藏作用的認(rèn)識仍然不清。前人針對渤海新近系斷裂控藏作用開展了卓有成效的研究。如楊海風(fēng)等[13]認(rèn)為油源斷裂活動性、區(qū)域蓋層厚度及儲層形成的輸導(dǎo)脊共同控制了新近系油氣運移能力,進(jìn)一步指出明化鎮(zhèn)組構(gòu)造-巖性圈閉油氣成藏規(guī)模仍受“斷-砂”接觸程度的控制。王德英等[14]指出斷裂是新近系油氣成藏的關(guān)鍵要素,并綜合考慮匯聚脊、圈閉對斷裂垂向運移能力的影響,建立了新近系“脊-斷-圈”三元控藏模式。李龍等[15]通過斷接厚度和斷裂輸導(dǎo)能力指數(shù)來定量表征斷裂垂向輸導(dǎo)能力,明確了不同構(gòu)造帶新近系油氣富集層位和油氣成藏模式。但這些研究主要側(cè)重于對新近系油氣成藏模式及斷裂垂向輸導(dǎo)能力的評價,缺少對新近系特別是館陶組油氣充注后斷裂側(cè)向封閉能力研究。因此,本文以渤中8-D油田為例,在斷裂系統(tǒng)分析基礎(chǔ)上,從油源斷裂類型、蓋層斷接厚度以及斷裂側(cè)向封閉能力等方面綜合分析斷裂對館陶組油氣成藏的控制作用,并利用模糊數(shù)學(xué)方法進(jìn)行定量研究,最終明確館陶組油氣成藏風(fēng)險界限,指出下一步最有利的勘探目標(biāo)。

1 地質(zhì)概況

渤中西洼位于渤海海域最大的富生烴凹陷——渤中凹陷的西北部,其北、東、西部分別與石臼坨凸起西段、427凸起及沙壘田凸起東段斷裂接觸,南部與渤中凹陷主洼相連(圖1)。渤中8-D油田位于渤中西洼的洼中隆起帶上,整體呈北東-南西走向展布,面積大約120 km2。鉆井揭示該區(qū)地層發(fā)育較完整,自下而上為前古近系基底,古近系沙河街組、東營組,新近系館陶組、明化鎮(zhèn)組以及第四系。渤中8-D油田油氣主要分布于新近系明化鎮(zhèn)組和館陶組,其中館陶組探明儲量占總探明儲量60%以上。館陶組屬辮狀河沉積,巖性以厚層、中厚層辮狀河河道含礫細(xì)砂巖、細(xì)砂巖和薄層河漫灘泥巖為主,具有“泥薄、砂厚”的特征(圖1)。

圖1 渤中8-D油田構(gòu)造位置Fig.1 Structural location of BZ8-D oilfield

渤中8-D油田具有洼中隆背景,整體上呈北東-南西向展布,夾持于北次洼和渤中8次洼之間,油源充足(圖2)。油源對比結(jié)果表明,研究區(qū)原油色譜-質(zhì)譜圖表現(xiàn)為C27規(guī)則甾烷占明顯優(yōu)勢、中-高豐度的4-甲基甾烷,與以水生生物輸入有機(jī)質(zhì)為主的沙河街組第三段(簡稱“沙三段”)烴源巖較為相似,而較高的伽馬蠟烷和17α(H)-30降藿烷則與水體咸度高的沙一、沙二段烴源巖相近。因此,渤中8-D油田主要為沙三段和沙一、沙二段烴源巖混源貢獻(xiàn)[16]。館陶組整體表現(xiàn)為斷裂分割形成的復(fù)雜斷塊型圈閉群,斷裂非常發(fā)育,均為正斷層,以NEE走向為主,少量近E-W向,一般延伸長度2～6 km,斷距0～90 m,平均斷裂密度0.32條/km2。

圖2 渤中8-D油田油氣運移模式Fig.2 The hydrocarbon migration model for BZ8-D oilfield

2 斷裂系統(tǒng)劃分

前人對渤海灣盆地新生代構(gòu)造演化研究結(jié)果表明,基于T8(古近系底界)、T5(沙二段底界)、T2(館陶組底界)等3個構(gòu)造層序界面,將新生代盆地自下而上劃分為3個構(gòu)造層,分別為由沙四段和沙三段組成的斷陷構(gòu)造層,沙一、沙二段和東營組組成的斷拗構(gòu)造層以及館陶組、明化鎮(zhèn)組和第四系組成的拗陷構(gòu)造層,相應(yīng)地可以將新生代盆地構(gòu)造演化分為早期的斷陷期、中期的斷拗期和晚期的拗陷期[1]。依據(jù)斷裂與構(gòu)造層的關(guān)系,可以劃分出6套斷裂系統(tǒng):斷陷期斷裂(Ⅰ型)、斷拗期斷裂(Ⅱ型)、拗陷期斷裂(Ⅲ型)、斷陷期形成斷拗期活動斷裂(Ⅳ型)、斷拗期形成拗陷期活動斷裂(Ⅴ型)以及斷陷期形成斷拗期和拗陷期持續(xù)活動斷裂(Ⅵ型)(圖3)。

圖3 渤中8-D油田斷裂系統(tǒng)及斷裂類型劃分Fig.3 Fault systems and fault classification in BZ8-D oilfield

館陶組斷裂系統(tǒng)由Ⅲ型、Ⅴ型、Ⅵ型斷裂構(gòu)成。前人研究表明,渤海海域新近系油氣成藏關(guān)鍵期為明化鎮(zhèn)組沉積晚期(5.1 Ma B.P.以來),主要來源于沙河街組烴源巖[10,12]。Ⅵ型斷裂于斷陷期形成,并在斷拗期和拗陷期持續(xù)活動,為長期活動斷裂,在油氣成藏關(guān)鍵期有效溝通了沙河街組優(yōu)質(zhì)烴源巖,是最重要的油源斷裂;而Ⅲ型、Ⅴ型斷裂在成藏期的活動對油氣起到了再分配的作用。

3 斷裂控藏作用分析

斷裂對新近系油氣成藏具有重要的控制作用[13-16]。斷裂不但是油氣垂向運移的重要通道,決定油氣聚集部位,而且對油氣垂向分布具有明顯的控制作用,還可以對油氣形成側(cè)向封堵,形成油氣聚集。

3.1 油源斷裂控制油氣富集部位

基于對渤中8-D油田斷裂系統(tǒng)劃分結(jié)果可知,館陶組斷裂系統(tǒng)由Ⅲ型、Ⅴ型、Ⅵ型斷裂構(gòu)成。其中,Ⅵ型斷裂為長期活動斷裂,直接溝通沙河街組有效烴源巖并在油氣成藏關(guān)鍵期活動,是油氣垂向運移最重要的通道,稱為a型油源斷裂;而Ⅲ型、Ⅴ型斷裂雖未溝通烴源巖,但部分?jǐn)嗔雅cⅥ型斷裂搭接,能夠?qū)型油源斷裂運移上來的油氣進(jìn)行再分配,稱為b型油源斷裂。

沙河街組烴源巖大量排烴時期(明化鎮(zhèn)組沉積晚期),油氣可沿上述兩種主要路徑運移至館陶組儲層中聚集成藏:①油氣沿a型油源斷裂向上運移至館陶組,并向斷裂兩盤物性較好的儲層中側(cè)向分流,在就近的有利圈閉中聚集成藏;②油氣沿a型油源斷裂運移上來后,由與之搭接的b型油源斷裂進(jìn)行再分配,最終在b型油源斷裂附近圈閉中聚集成藏。因此,油源斷裂兩側(cè)圈閉是油氣富集的有利場所?，F(xiàn)有勘探表明,館陶組油氣井都是圍繞a型和b型油源斷裂在其兩側(cè)分布(圖1)。其中,夾持于a型和b型油源斷裂的斷塊圈閉內(nèi)油氣最為富集,如BZ8-D-7井所在的斷塊圈閉,兩條控圈斷裂分別為a型油源斷裂和b型油源斷裂,該井館陶組鉆遇油層厚度達(dá)到74.5 m;BZ8-D-8井所在圈閉控圈斷裂為兩條b型油源斷裂,油氣也相對富集,油層厚度25.9 m;而僅有1條b型油源斷裂控圈的情況下油氣則相對不富集,如BZ8-D-5井館陶組油層厚度僅7.2 m;同樣,現(xiàn)有館陶組失利井也主要分布于1條b型油源斷裂控制的斷塊中,如 BZ8-D-9/BZ8-D-11井館陶組均未鉆遇油氣層(圖1)。

3.2 明化鎮(zhèn)組蓋層斷接厚度控制油氣分布層位

蓋層具有垂向封閉油氣的作用,而斷裂活動會對蓋層的垂向封閉能力造成一定程度的破壞,甚至使蓋層的垂向封閉能力失效,從而影響油氣運移距離和分布層位[17-19]。斷裂對蓋層垂向封閉能力的破壞作用通常用蓋層斷接厚度定量表征,斷接厚度為蓋層厚度與相匹配斷裂的最大斷距之差

δc=δ-d

(1)

式中:δc為斷接厚度;δ為泥巖蓋層厚度;d為斷裂最大斷距。

渤中8-D油田新近系主要區(qū)域性泥巖蓋層為明下段下部湖相泥巖,探井鉆遇的該套泥巖厚度均大于與其匹配斷裂的最大斷距,斷接厚度大于0,表明蓋層仍連續(xù)分布。統(tǒng)計分析結(jié)果顯示(表1),明下段泥巖蓋層斷接厚度控制新近系油氣的縱向分布層位:BZ8-D-3井和BZ8-D-8井明下段蓋層有效斷接厚度較大,分別為86 m和98 m,斷裂對蓋層封閉能力破壞較小,油氣穿越明下段下部蓋層向上部地層運移難度大,油氣主要聚集在蓋層之下的館陶組,僅有少量油氣突破蓋層在明下段聚集;BZ8-D-2和BZ8-D-4井區(qū)斷接厚度49～68 m,斷裂對蓋層封閉能力破壞變大,明下段和館陶組均有油氣富集;其余井區(qū)斷接厚度均小于40 m,斷裂對蓋層封閉能力破壞大,有利于油氣沿斷裂穿越蓋層繼續(xù)向更淺層位運移,鉆井揭示油氣主要聚集于明下段(表1)。

表1 蓋層斷接厚度與油氣聚集層位關(guān)系Table 1 Relationship between faulted caprock thickness and hydrocarbon accumulation horizon

3.3 斷裂側(cè)向封閉能力控制油柱高度

斷裂側(cè)向封閉能力是指斷裂阻止油氣向側(cè)向逸散的能力,其大小主要取決于斷層巖的滲透能力[20-21]。目前國內(nèi)外通常采用斷層巖/泥比率(RSG)定量評價斷裂的側(cè)向封閉油氣的能力,并建立了斷層巖/泥比率與其所能封閉的最大油柱高度之間的關(guān)系式[22-23],即

(2)

式中:h為斷裂側(cè)向封閉的最大油柱高度(m);RSG為某一構(gòu)造圈閉內(nèi)最小斷層巖/泥比率;D是與構(gòu)造圈閉地質(zhì)條件相關(guān)的參數(shù),無量綱;C為與埋深相關(guān)的參數(shù),當(dāng)埋深<3 km時取0.5,當(dāng)埋深為3～3.5 km時取0.25,當(dāng)埋深>3.5 km時取0;ρw為構(gòu)造圈閉中地層水的密度(g/cm3);ρo為構(gòu)造圈閉中原油的密度(g/cm3);g為重力加速度(m/s2)。

由(2)式可知,斷層巖/泥比率越大,所能封閉油柱高度越大,故斷裂側(cè)向封閉能力越強(qiáng)。其中,參數(shù)D值可通過已鉆遇油水界面的斷裂圈閉進(jìn)行標(biāo)定,具體方法如下:選取BZ8-D-5井館陶組斷裂圈閉作為標(biāo)定對象,該圈閉為依附于間接油源斷裂f6形成的斷鼻型圈閉。館陶組Ⅱ油組發(fā)育1套油層,構(gòu)造幅度30 m,圈閉最高點埋深2 100 m,圈閉溢出點埋深2 130 m,鉆遇油水界面(OWC),埋深為2 125.8 m(圖4)。館陶組埋深1 950～2 350 m,小于3 000 m,C取0.5。采用隨機(jī)試值的方法給D賦值,利用(2)式計算f6斷裂所能封閉的油柱高度,并轉(zhuǎn)化為油水界面,當(dāng)預(yù)測油水界面最接近-2 125.8 m時的D值即為標(biāo)定的D值。如表2所示,當(dāng)D=10.7時與實際油水界面最為吻合,從而建立渤中8-D油田館陶組斷裂側(cè)向封閉能力定量評價關(guān)系式

(3)

表2 不同D值條件下f6斷裂封閉決定的油水界面位置Table 2 Oil-water contact defined by f6 fault sealing under different D values

應(yīng)用(3)式所建立的斷裂側(cè)向封閉性定量評價關(guān)系式對渤中8-D油田已鉆探的11個斷裂圈閉的側(cè)向封閉能力進(jìn)行評價,結(jié)果表明,3、 1、 8井區(qū)等3個圈閉的側(cè)向封閉能力較強(qiáng),預(yù)測油柱高度36.6～52.7 m,7、 2、 4、 5井區(qū)等4個圈閉次之,預(yù)測平均油柱高度25.3～31.8 m,而10、 6、 11、 9井區(qū)等4個圈閉側(cè)向封閉能力較弱,預(yù)測油柱高度小于20 m。統(tǒng)計不同斷裂圈閉內(nèi)預(yù)測油柱高度與已鉆遇清晰油水界面的實際油柱高度之間關(guān)系可以看出,二者呈明顯的正相關(guān)關(guān)系(圖5),表明應(yīng)用(3)式評價斷裂側(cè)向封閉能力從而預(yù)測斷裂圈閉油柱高度是比較可靠的。

圖4 渤中8-D油田5井區(qū)館陶組Ⅱ油組頂面構(gòu)造形態(tài)圖Fig.4 Structural attitude of Guantao Formation Ⅱ oil group in Well 5 area of BZ8-D oilfield

圖5 預(yù)測油柱高度與實鉆油柱高度關(guān)系Fig.5 Relationship between predicted oil column height and drilled oil column height

4 斷裂控藏作用定量評價

4.1 定量評價方法與計算

4.1.1定量評價指標(biāo)的選擇

斷裂在渤中西洼渤中8-D油田館陶組油氣成藏中的控制作用主要表現(xiàn)為油源斷裂控制油氣富集部位、明化鎮(zhèn)組蓋層斷接厚度控制油氣分布層位以及斷裂側(cè)向封閉能力控制油柱高度等3個方面?；谏鲜稣J(rèn)識,分別選取油源斷裂類型、明化鎮(zhèn)組蓋層斷接厚度、預(yù)測油柱高度作為館陶組斷裂控藏作用的定量評價指標(biāo)。

4.1.2 定量評價指標(biāo)權(quán)重確定

模糊數(shù)學(xué)中的灰色關(guān)聯(lián)分析法是定量評價中比較常用的一種確定權(quán)重的方法[24-27]。具體分析方法及步驟如下:

a.選定關(guān)聯(lián)分析的母序列和子序列

為分析被評判事物與其影響因素之間的關(guān)系,首先需要用按一定順序排列的數(shù)量指標(biāo)來定量反映被評判事物的性質(zhì),這些數(shù)量指標(biāo)稱為關(guān)聯(lián)分析的母序列,表達(dá)式為

(4)

子序列是與母序列相對應(yīng)的比較序列,由自變量構(gòu)成,即按照各子因素對被評判事物性質(zhì)的影響程度進(jìn)行的有序排列

(5)

母序列和子序列共同構(gòu)成評價對象的原始數(shù)據(jù)矩陣

(6)

式中:t代表指標(biāo)數(shù)量;m代表數(shù)據(jù)序列量。

在應(yīng)用灰色關(guān)聯(lián)分析法對斷裂控藏作用進(jìn)行評價時,把能夠反映館陶組油氣富集程度的油層厚度作為評價的目標(biāo)函數(shù),而油源斷裂類型、明化鎮(zhèn)組蓋層斷接厚度、預(yù)測油柱高度是影響油層厚度的因素。因此,我們將油層厚度作為關(guān)聯(lián)分析的母因素,將油源斷裂類型、明化鎮(zhèn)組蓋層斷接厚度、預(yù)測油柱高度作為子因素,構(gòu)成館陶組斷裂控藏作用的原始矩陣(表3)。

表3 研究區(qū)評價指標(biāo)參數(shù)Table 3 Evaluation index values of the study area

b.原始數(shù)據(jù)變換

為排除各因素之間物理意義不同、絕對值差異大等問題對評價結(jié)果的影響,我們需要對各個因素的原始數(shù)據(jù)消除量綱,并轉(zhuǎn)換為可比較的數(shù)據(jù)列。針對定性因素,如油源斷裂類型,采用該因素對油層厚度的影響程度以0～1進(jìn)行均一分配[28];針對定量因素,利用(7)式對表3原始數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值歸一化處理(表4)。

(7)

c.關(guān)聯(lián)系數(shù)與關(guān)聯(lián)度計算

灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)為

表4 標(biāo)準(zhǔn)化評價指標(biāo)參數(shù)Table 4 Standardized evaluation index values

(8)

式中:Δt(i,0)為同一觀測點各個子因素與母因素間的絕對差值;Δmax與Δmin分別為各子因素與母因素之間的絕對差值中的最大值和最小值;σ為分辨率系數(shù),其作用是盡可能減少由于最大絕對差值太大而失真造成的影響,從而能夠提高關(guān)聯(lián)系數(shù)之間的差異性,σ∈(0,1),通常取0.5。

通過(8)式計算,渤中8-D油田館陶組斷裂控藏作用評價參數(shù)的關(guān)聯(lián)系數(shù)如表5所示。

表5 單項參數(shù)灰色關(guān)聯(lián)系數(shù)Table 5 The grey correlation coefficient of single parameter

可由(9)式計算出各子因素與母因素之間的關(guān)聯(lián)度數(shù)值

(9)

式中:r為關(guān)聯(lián)度數(shù)值,i代表子因素,0代表母因素;n為評價參數(shù)的個數(shù)。

灰色關(guān)聯(lián)度數(shù)值反映了油源斷裂類型、明化鎮(zhèn)組蓋層斷接厚度、預(yù)測油柱高度等子因素與母因素油層厚度之間的關(guān)聯(lián)程度,其數(shù)值越大代表該因素對油層厚度影響越大。經(jīng)計算,渤中8-D油田館陶組各子因素與母因素的關(guān)聯(lián)度r=(0.506, 0.702, 0.623),表明它們對油層厚度的影響程度由大到小順序為:明化鎮(zhèn)組蓋層斷接厚度>預(yù)測油柱高度>油源斷裂類型。

d.權(quán)重系數(shù)計算

通過(10)式對關(guān)聯(lián)度數(shù)值進(jìn)行歸一化計算后就可以得到各因素的權(quán)重系數(shù)。

(10)

式中:a為某一指標(biāo)的權(quán)重系數(shù);r為關(guān)聯(lián)度數(shù)值;n為評價指標(biāo)個數(shù)(這里n=3)。

據(jù)此得出油源斷裂類型、明化鎮(zhèn)組蓋層斷接厚度、預(yù)測油柱高度3個指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)分別為0.276、 0.383和0.341。

4.1.3 斷裂控藏作用綜合評價值計算

將標(biāo)準(zhǔn)化后的各指標(biāo)評價參數(shù)值(表4)與其對應(yīng)的權(quán)重系數(shù)相乘并累加,即可得到渤中8-D油田館陶組斷裂控藏作用的綜合評價值(表6)。

(11)

式中:Q為斷裂控藏作用的綜合評價值;a為某一指標(biāo)的權(quán)重系數(shù);x為標(biāo)準(zhǔn)化后的指標(biāo)參數(shù)值;n為評價指標(biāo)的個數(shù)(這里n=3)。

表6 渤中8-D油田館陶組斷裂控藏因素及評價值Table 6 Score of various control of faults on hydrocarbon accumulation in Guantao Formation in BZ8-D oilfield

4.2 應(yīng)用效果分析及有利圈閉預(yù)測

從斷裂控藏角度講,Q值越大,說明館陶組目標(biāo)斷裂圈閉越有利于油氣聚集成藏,油氣越富集。通過驗證渤中8-D油田所計算的Q值與油氣探明儲量豐度的關(guān)系表明,Q值越大,館陶組油氣越富集。當(dāng)Q≥0.8時,油氣富集,探明儲量豐度>300×104t/km2;當(dāng)0.5

圖6 綜合評價指標(biāo)Q值與館陶組探明儲量豐度的關(guān)系Fig.6 Relationship between Q value and proved reserves abundance of Guantao Formation

可見,上述建立的方法對館陶組已鉆圈閉的評價是準(zhǔn)確可行的,可以將其用來對研究區(qū)館陶組未鉆圈閉油氣富集程度進(jìn)行預(yù)測,優(yōu)選有利勘探目標(biāo)。基于該Q值定量評價方法,對圖1所標(biāo)示渤中8-D油田館陶組的3個未鉆圈閉進(jìn)行的斷裂控藏評價結(jié)果顯示:①號、②號、③號圈閉的Q值分別為0.68、0.73和0.21,從斷裂控藏角度看,①號和②號圈閉油氣成藏條件較好,可以作為下一步優(yōu)先鉆探的目標(biāo),而③號圈閉油氣豐度低的可能性較大,需謹(jǐn)慎鉆探。

5 結(jié) 論

a.渤海海域的館陶組斷裂控藏作用主要表現(xiàn)為油源斷裂控制油氣富集部位、明化鎮(zhèn)組蓋層斷接厚度控制油氣分布層位、斷裂側(cè)向封閉能力控制斷裂圈閉油柱高度。

b.綜合評價指標(biāo)Q值能夠很好地定量表征館陶組斷裂圈閉油氣富集程度,與實鉆結(jié)果吻合度高,Q值大于0.5可以作為油氣富集的界限。

c.定量評價預(yù)測表明①號和②號2個館陶組未鉆斷裂圈閉油氣富集程度較高,可作為下一步優(yōu)先部署的勘探目標(biāo)。