東營凹陷民豐洼陷北帶沙四段深層超壓封存箱與油氣成藏①

萬念明 王艷忠 操應(yīng)長 宋國奇

(1.中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所 廣州 510640;2.中國石化勝利油田分公司 山東東營 257001; 3.中國石油大學(xué)地球資源與信息學(xué)院 山東東營 257061)

東營凹陷中淺層油氣勘探已進(jìn)入中高成熟階段,深層(埋深大于3 500m)已成為“增儲上產(chǎn)”的重要勘探領(lǐng)域。近年來,東營凹陷北帶沙四段深層油氣勘探取得了重大突破,如豐深 1井4 316.6～4 343m日產(chǎn)油 81.7 t、日產(chǎn)氣 118 336m3,坨 764井 3 947.5～ 3 970m日產(chǎn)油 15.21 t、日產(chǎn)氣 1 043m3。盡管東營凹陷沙四段深層蘊(yùn)含著豐富的油氣資源,但是由于對油氣成藏規(guī)律認(rèn)識不清,導(dǎo)致深層勘探成功率較低,目前日產(chǎn)油大于 5 t的探井成功率僅為 10%左右。東營凹陷沙三段-沙四段廣泛發(fā)育區(qū)域性超壓[1],在穩(wěn)定分布的膏鹽巖和斷層的封隔作用下形成多個相對獨(dú)立的次級超壓封存箱?？碧綄?shí)踐表明超壓封存箱控制著油氣的生成、運(yùn)移和聚集[2～7]。因此,探討民豐洼陷北帶沙三段-沙四段深層超壓封存箱對油氣成藏的控制作用,對深層油氣勘探具有重要的理論和實(shí)踐意義。

1 地質(zhì)概況

圖1 東營凹陷民豐洼陷北帶區(qū)域地質(zhì)概況Fig.1 Regional geo logic schem atic diagram of M infeng Sag,DongyingDep ression

民豐洼陷北帶位于東營凹陷北帶東段,西與勝坨油田相鄰,東到青坨子凸起,南鄰民豐洼陷,北至陳家莊凸起(圖1)。民豐洼陷北帶是由陳南鏟式扇形邊界斷層所控制的陡斜坡構(gòu)造帶,陳南斷裂早期是北東和北西兩組斷裂形成的齒狀組合,在后期的構(gòu)造運(yùn)動及風(fēng)化剝蝕的共同作用下,演化成斷坡陡峭、山高谷深、溝梁相間的古地貌[8,9]。東營凹陷古近系深層發(fā)育沙三下亞段、沙四段和孔店組二段共三套主力烴源巖層系,沙四下亞段頂部和底部分別發(fā)育一套全區(qū)穩(wěn)定分布的鹽膏巖層系,由于欠壓實(shí)作用和生烴作用,在主力烴源巖層系中普遍發(fā)育超壓[10]。沙四段沉積時期,民豐洼陷北部陡坡帶受這種古構(gòu)造背景的控制,季節(jié)性洪水?dāng)y帶大量粗碎屑物質(zhì)沿古沖溝入湖,在邊界斷裂面上發(fā)育了多期近岸水下扇沉積。近岸水下扇砂礫巖緊鄰生油中心分布,并與湖相烴源巖呈指狀接觸,是良好的油氣聚集場所。

2 超壓封存箱特征

超壓封存箱是一個在三維空間被物理屏障 (大多是滲透性很低的封隔層和斷裂帶)包圍的相對獨(dú)立的地質(zhì)體。在大部分地質(zhì)時期,其內(nèi)部的物質(zhì)、能量與外界沒有明顯交換,箱殼處的物質(zhì)和能量的變化比較急劇;當(dāng)箱殼因某種原因被破壞 (如斷裂開啟等),便會發(fā)生物質(zhì)和能量的交換;在盆地演化過程中,這種過程往往是旋回式的、幕式的[11]。封隔層既可以是滲透性極差的致密膠結(jié)層,也可以是具高孔隙流體壓力泥巖層[12,13]。

東營凹陷沙三上亞段底部到沙三中亞段頂部存在80～200m厚全區(qū)穩(wěn)定分布的暗色泥巖夾鈣質(zhì)泥巖及薄層砂巖地層,暗色泥巖壓力系數(shù)一般為 1.1～ 1.2(圖2)。鈣質(zhì)泥巖在壓實(shí)排液過程中可形成致密的“殼”,這些“殼”與暗色泥巖可成為超壓封存箱良好的物性封隔層[14]。沙四下亞段頂部和底部分別發(fā)育一套全區(qū)穩(wěn)定分布的鹽膏巖層,其巖性在深洼區(qū)和中央隆起帶主要為鹽巖或膏巖夾暗色超壓泥巖、向盆地邊緣逐漸變?yōu)槟噘|(zhì)膏巖或膏質(zhì)泥巖與泥巖互層(圖2)。鹽膏巖是非常致密的巖層,具有較強(qiáng)的塑性,可與超壓泥巖共同成為超壓封存箱良好的封隔層。

由于沙三下亞段底部到沙三中亞段頂部鈣質(zhì)泥巖與暗色泥巖過渡帶以及邊界控盆斷層的封隔作用,東營凹陷沙三段、沙四段超壓體系可以看成一個巨型封存箱[13]。同時,由于沙四下亞段頂部和底部鹽膏巖層的封隔作用,沙三段、沙四段巨型封存箱又被分割成兩個次一級封存箱,即沙三段-沙四上亞段封存箱和沙四下亞段封存箱(圖2)。東營凹陷沙三段、沙四段烴源巖具有沉積速度快、連續(xù)沉積厚、有機(jī)質(zhì)含量高、高地溫梯度、高熱流的特征,在壓實(shí)不均衡和生烴作用的雙向增壓作用下,廣泛發(fā)育超壓[13]。封存箱體內(nèi)部地層壓力在凹陷中央為中強(qiáng)超壓 (壓力系數(shù)多為 1.3～1.8,最高可達(dá) 1.8以上),向盆地邊緣逐漸遞減為弱超壓和常壓,這種壓力遞減現(xiàn)象可能是由于邊界斷層周期性泄壓所致。

3 超壓封存箱與油氣成藏的關(guān)系

3.1 超壓封存箱內(nèi)成藏條件

3.1.1 烴源巖條件

圖2 東營凹陷沙三段、沙四段超壓封存箱特征Fig.2 Characteristicsof overp resure compartm entof E s3 and E s4 in Dongying Dep ression

勘探實(shí)踐及研究表明民豐洼陷北帶沙四上亞段和沙四下亞段均發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖。沙四下亞段頂部鹽膏巖之間及鹽膏巖層之下發(fā)育大規(guī)模暗色泥巖,厚度一般為 200m左右,豐深 2井錄井統(tǒng)計暗色泥巖厚度368m、含膏(鹽)泥巖 220m、石膏(鹽)質(zhì)泥巖188 m。目前已經(jīng)證實(shí)沙四下亞段具有較強(qiáng)的生烴能力,有機(jī)質(zhì)類型為偏腐殖至腐殖型,如豐深 1井發(fā)育單層厚度 2～20m、累積厚度大于 100m的暗色泥巖,有機(jī)碳為 1.9%～3.2%,為偏腐殖型和腐殖型,氯仿“A”為 0.3%～0.9%,C29S/(S+R)為 0.46,Ro為0.9%,為優(yōu)質(zhì)成熟烴源巖。沙四上亞段烴源巖主要分布于該亞段的上部,巖性以灰色、深灰色、灰褐色、灰質(zhì)泥巖、鈣質(zhì)油頁巖、泥灰?guī)r為主,夾有少量碳酸鹽巖和粉砂巖,呈韻律層分布。有機(jī)質(zhì)主要來源為低等水生生物,有機(jī)質(zhì)類型主要為腐泥組分,含量一般大于 95%,絕大多數(shù)為典型的Ⅰ型富油干酪根,具有很高的生烴潛力。

3.1.2 圈閉條件

綜合利用分布函數(shù)曲線法、測試法、試油法、束縛水飽和度法、最小有效孔喉半徑法等方法,求取了民豐洼陷北帶近岸水下扇砂礫巖有效儲層物性下限①操應(yīng)長,袁靜,王艷忠,等。濟(jì)陽坳陷第三系深部有效儲層評價研究。中國石油大學(xué)(華東),2008,在此基礎(chǔ)上,通過對民豐洼陷北帶沙四段深層近岸水下扇不同亞相砂礫巖體沉積特征、成巖作用特征及物性特征的深入研究,詳細(xì)論述研究區(qū)沙四段深層圈閉發(fā)育特征。

根據(jù)沉積特征和水動力條件等,近岸水下扇可分為扇根、扇中和扇緣三個亞相。近岸水下扇不同亞相沉積、成巖的差異性,控制了不同亞相砂礫巖物性特征的差異性,進(jìn)而控制了不同亞相砂礫巖的輸導(dǎo)或封堵能力的差異性。

扇根亞相主要為雜基支撐礫巖相、沉積厚度大、分選差,多期扇體扇根亞相之間缺乏正常湖相泥巖;在埋藏過程中成巖作用主要以壓實(shí)作用為主,且在埋深大于 3 500m的深層表現(xiàn)為強(qiáng)壓實(shí)成巖相,原生孔隙已降低到不可壓縮的狀態(tài),同時次生孔隙不發(fā)育,孔隙度分布包絡(luò)線在孔隙度下限線內(nèi)側(cè)(圖3),基本不發(fā)育有效儲層,可作為油氣側(cè)向遮擋層。

扇中亞相為塊狀含礫砂巖相、疊覆沖刷砂巖相、典型濁積巖相等,砂礫巖雜基含量較低、顆粒支撐、分選中等偏差、厚度中等,多期扇體扇中亞相之間發(fā)育正常湖相泥巖(特別是生油巖)。隨著埋藏深度的增大,壓實(shí)作用和膠結(jié)作用等成巖作用逐漸增強(qiáng),扇中亞相砂礫巖原生孔隙逐漸降低,但是,多期扇中砂礫巖體之間的烴源巖由于欠壓實(shí)和熱演化生烴作用而普遍發(fā)育超壓,同時與之鄰近分布的扇中砂礫巖孔隙流體壓力多為常壓,在二者壓差的驅(qū)動下,烴源巖中有機(jī)質(zhì)熱演化成熟過程中產(chǎn)生的大量有機(jī)酸能夠有效地進(jìn)入扇中砂礫巖中,形成大量次生孔隙 (圖4-A)。超壓傳遞作用可導(dǎo)致扇中砂礫巖中形成超壓,抑制壓實(shí)作用和膠結(jié)作用的進(jìn)一步進(jìn)行,使砂礫巖中儲集空間得以良好地保存[15,16]。此外,當(dāng)扇中砂礫巖中的超壓超過巖石的抗張強(qiáng)度時,超壓砂礫巖中便形成一系列的超壓微裂縫,該裂縫規(guī)則性和方向性較差,可將顆粒破碎成網(wǎng)絡(luò)狀和炸裂狀,如豐 8井4 321.4m瀝青充填的孔隙四周發(fā)育的網(wǎng)絡(luò)狀裂縫(圖4-B)為原油裂解成氣使孔隙內(nèi)部壓力增加、巖石破裂而形成的超壓微裂縫。有機(jī)酸溶解作用以及超壓對儲層的保護(hù)和改善作用,致使深層扇中亞相砂礫巖中次生孔隙和超壓裂縫發(fā)育,孔隙度包絡(luò)線一般均在孔隙度下限線外側(cè) (圖3),有效儲層發(fā)育,可作為良好的油氣儲集層。

扇緣亞相主要為典型濁積巖相,砂巖粒度細(xì),孔隙和超壓微裂縫發(fā)育,有效儲層發(fā)育 (圖3),但扇緣砂體厚度較薄,對儲層的貢獻(xiàn)不大,可作為良好的油氣輸導(dǎo)層。

綜上所述,民豐洼陷北帶沙四段深層扇中亞相依靠扇根亞相砂礫巖的側(cè)向封堵以及多期扇中亞相之間湖相泥巖的封蓋,能夠形成良好的巖性圈閉。

3.1.3 油氣運(yùn)移條件

民豐洼陷北帶沙四段深層近岸水下扇砂礫巖體緊鄰生油中心分布,與有效烴源巖呈指狀交互接觸。由前述可知封存箱內(nèi)部深洼區(qū)地層壓力為中強(qiáng)超壓,向盆地邊緣逐漸遞減為弱超壓和常壓,即從深洼陷至盆緣跨越了中強(qiáng)超壓、弱超壓和常壓三個壓力系統(tǒng),這種壓力的變化成為油氣運(yùn)移的主要驅(qū)動力,能量條件決定了油氣以側(cè)向運(yùn)移方式為主[8]。

3.2 超壓封存箱與油氣成藏

東營凹陷沙三段、沙四段被分割成兩個相對獨(dú)立的超壓封存箱,并且每個超壓封存箱內(nèi)均發(fā)育了穩(wěn)定的優(yōu)質(zhì)烴源巖,在沙三段、沙四段形成了兩個相對獨(dú)立的含油氣系統(tǒng),即沙三段-沙四上亞段含油氣系統(tǒng)和沙四下亞段含油氣系統(tǒng)。東營凹陷古近系烴源巖一般在 2 200m左右開始進(jìn)入有機(jī)質(zhì)成熟期,因此,民豐洼陷沙四段深層烴源巖均已進(jìn)入了成熟期,均具備了向各自含油氣系統(tǒng)內(nèi)砂礫巖體提供油氣源的能力。通過油源對比分析證實(shí),沙三段-沙四上亞段含油氣系統(tǒng)的油氣主要來自沙四上亞段和沙三段烴源巖,而沙四下亞段含油氣系統(tǒng)的油氣主要來自沙四下亞段烴源巖,如豐深 1井原油與沙四段鹽下暗色泥巖均具有植烷優(yōu)勢、中等含量的γ-蠟烷的地球化學(xué)特征,反映還原的半咸水環(huán)境特征,這也是兩個相對獨(dú)立含油氣系統(tǒng)客觀存在的有利證據(jù)。

圖3 民豐洼陷北帶沙四段近岸水下扇砂礫巖孔隙度-深度-孔隙度下限關(guān)系圖Fig.3 Relation of po rosityw ith dep th and po rosity cutoff of nearsho re subaqueous fan of E s4 in the no rth zone ofM infeng Sag

圖4 民豐洼陷北帶沙四段扇中砂礫巖儲集空間特征Fig.4 Reservoir space characteristicsofm idd le fan sandy conglom erate of E s4 in the north zone ofM infeng Sag

圖5 民豐洼陷北帶沙四段深層油氣成藏模式Fig.5 Hydrocarbon accum ulationmodelof the deep layerof E s4 in the north zone ofM infeng Sag

根據(jù)民豐洼陷北帶沙四段深層超壓封存箱、含油氣系統(tǒng)以及油氣成藏條件特征,可將民豐洼陷北帶沙四段深層油氣成藏模式概括如下(圖5):①近岸水下扇扇根具有側(cè)向封堵油氣能力,扇中具有良好儲集條件,扇緣分布于生油巖之中,且超壓微裂縫發(fā)育,為油氣運(yùn)移提供了運(yùn)移、輸導(dǎo)條件,形成了“扇緣輸導(dǎo)、扇中富集、扇根封堵”的巖性油氣藏成藏模式;②油氣來自同期發(fā)育的、與近岸水下扇側(cè)向接觸的烴源巖,表現(xiàn)為“自生自儲”型油氣成藏特征。

4 結(jié)論

(1)沙三上亞段底部與沙三中亞段頂部鈣質(zhì)泥巖與暗色泥巖過渡帶、沙四下亞段頂部和底部鹽膏巖層的封隔作用,導(dǎo)致東營凹陷沙三段、沙四段形成兩個超壓封存箱,即沙三段-沙四上亞段超壓封存箱和沙四下亞段超壓封存箱,由于每個封存箱內(nèi)均發(fā)育優(yōu)質(zhì)烴源巖,進(jìn)而形成兩個相對獨(dú)立的含油氣系統(tǒng),即沙三段-沙四上亞段含油氣系統(tǒng)和沙四下亞段含油氣系統(tǒng)。

(2)民豐洼陷北帶沙四段深層具有“扇根封堵、扇中富集、扇緣輸導(dǎo)”的油氣成藏特征,主要形成“自生自儲”型巖性油氣藏。

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