一個(gè)儲(chǔ)量可再生的石油地質(zhì)模型?

崔永強(qiáng) 馬廣宇 楊豐瑞

大慶油田有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院，黑龍江大慶，163712

石油地質(zhì)教科書給出的傳統(tǒng)石油地質(zhì)模型是：幾十個(gè)百萬年之前石油生成，經(jīng)過初次運(yùn)移、二次運(yùn)移進(jìn)入現(xiàn)今油氣藏，油藏形成后可能發(fā)生油氣漏失減少，儲(chǔ)量只減不增。本文認(rèn)為，現(xiàn)今油氣藏儲(chǔ)量存在兩個(gè)方向的變化趨勢，一方面發(fā)生不可避免的油氣逸散損失，另一方面深部油源將進(jìn)行源源不斷的補(bǔ)充，而且儲(chǔ)量補(bǔ)充規(guī)模遠(yuǎn)大于儲(chǔ)量損失規(guī)模。

大慶油田開發(fā)初期，就發(fā)現(xiàn)油層下部的油水過渡帶的底界不是水平的。長垣西側(cè)其海拔為-1250m，而東側(cè)卻為-1220m，相差30m，尚處于水動(dòng)力學(xué)的非平衡狀態(tài)。有學(xué)者認(rèn)為，這是該部位不斷有油氣沿基底斷裂向上補(bǔ)充、運(yùn)移的結(jié)果【1】。如果石油僅僅來自沉積層，油藏形成于幾十個(gè)百萬年以前，這種現(xiàn)象是不應(yīng)該存在的。因?yàn)樗_爾圖、葡萄花、高臺(tái)子油層埋藏較淺、孔滲條件優(yōu)越，且高角度斷裂非常發(fā)育，油氣藏經(jīng)過幾十個(gè)百萬年的調(diào)整，長垣兩側(cè)應(yīng)達(dá)到水動(dòng)力平衡狀態(tài)，兩側(cè)具統(tǒng)一的油水界面。唯有長垣西側(cè)發(fā)生了較強(qiáng)的油氣補(bǔ)充才可能維持兩側(cè)高達(dá)30m的油水界面差。

下面闡述油氣補(bǔ)充的動(dòng)力來源、物質(zhì)來源、地質(zhì)背景及工業(yè)意義。

1 天然地震實(shí)現(xiàn)油氣藏能量供給

遼河油田距海城及唐山分別為 50km和360km左右。1975年2月4日海城7.3級和1976年7月28日唐山7.8級地震前，油田的油井生產(chǎn)動(dòng)態(tài)(產(chǎn)量、壓力等參數(shù))曾出現(xiàn)較明顯的異?！?】。以興5井為例，該井于深1675m處鉆遇斷點(diǎn)，斷距95m，是一口以氣為主的自噴井，產(chǎn)少量油和水。1974年10月9日前平均日產(chǎn)液2m3左右。海城地震前三個(gè)多月，1974年10月9日18時(shí)，聽到出油聲音異常，日產(chǎn)液量猛增到 40t。其中水量為17 18 m3，油壓由8.92MPa(88 atm)下降為8.41MPa(83atm)，套壓由 10.84MPa(107atm)升到12.46MPa(123atm)，井底流動(dòng)壓力也相應(yīng)增高，由10月8日的11.83MPa(116.8atm)上升到10月11日的 13.88MPa(137atm)。以后產(chǎn)液量緩慢下降，震前為33.7t，震后產(chǎn)液量仍保持在35t左右。三個(gè)月后，于1975年5月24日突然停噴，變化異常長達(dá)7個(gè)半月。關(guān)井半月，開井后產(chǎn)液量又恢復(fù)到1974年10月9日以前的水平。

興5井資料表明，大地震可以造成油層能量的大規(guī)模補(bǔ)充。類似實(shí)例還有，如1969年3月埃及蘇伊士灣出口處6.1級地震前14個(gè)月開始，距震中約100km的油井噴油量發(fā)生劇烈變化；1970年5月前蘇聯(lián)達(dá)吉斯坦6.7級地震前3天，距震中40 50 km的23號井出油量增大了6 7倍；1977年新疆庫車5.5級地震前，某深380 m的廢油井于震前突然又自噴，噴出流體的含油率為18.4%，震后停噴，且地震頻度與自噴量有很好的對應(yīng)關(guān)系【3】。

大慶地區(qū)1907 1980年，有記載的3.0級以上天然地震共發(fā)生了26次，平均2.81年發(fā)生1次，1981 1995年3.0級以上的天然地震共發(fā)生了9次，平均1.67年發(fā)生1次【4】。近期有2003年4月16日至7月31日吉林松原震群活動(dòng)，2005年7月25日大慶市林甸縣花園鄉(xiāng)5.1級地震等。這些天然地震不可避免地為油氣藏補(bǔ)充了能量，能量的補(bǔ)充形式即流體和壓力的強(qiáng)烈供給。流體供給表現(xiàn)為油氣產(chǎn)量上升，壓力供給表現(xiàn)為異常高壓。

世界上180多個(gè)具有超壓特征的盆地，其中160多個(gè)為富油氣盆地。超壓與油氣的富集、分布有著密切關(guān)系。以往文獻(xiàn)對異常高壓油氣藏形成機(jī)理歸為：①不均衡壓實(shí)作用；②水熱增壓作用；③成巖作用；④烴類生成作用；⑤構(gòu)造抬升；⑥構(gòu)造擠壓。本文作者結(jié)合各異常高壓油氣藏形成實(shí)例，剖析了異常高壓油氣藏與深部溝通的斷層和儲(chǔ)層蓋層的匹配關(guān)系，提出形成異常高壓的主要原因是深部高壓流體供給的結(jié)論【5】。

2 地幔流體是堿性地層水的來源

堿性地層水是傳統(tǒng)石油地質(zhì)學(xué)尚未注意的研究領(lǐng)域。松遼盆地地層水、淺層地下水、湖泊水的初步研究表明，其pH值均顯堿性。分析松遼盆地及周邊地區(qū)地層水 pH值分析數(shù)據(jù) 2014個(gè)，堿性地層水?dāng)?shù)據(jù)1951個(gè)，占樣品數(shù)96.8%。中性的樣品數(shù)12個(gè)，酸性的樣品數(shù)41個(gè)。淺層地下水是工業(yè)用水和飲用水的來源，其pH值在7.3 8.9之間??據(jù)大慶油田水文地質(zhì)專題報(bào)告集（大慶水文地質(zhì)隊(duì),1986年10月）整理。地表湖泊 pH值在7.2 9.8之間【6】。土壤鹽堿化現(xiàn)象普遍，pH值在7.7 8.9之間【7】。

松遼盆地儲(chǔ)層研究表明，從埋深500m的砂巖儲(chǔ)層到埋深 4500m火山巖儲(chǔ)層普遍發(fā)育堿交代作用，其中鈉質(zhì)交代類型有鈉鐵閃石化、鈉長石化、方沸石化、碳鈉鋁石化和青盤巖化等。這些鈉交代作用的共同特點(diǎn)是，都有鈉離子的帶入，并形成了大量的富鈉蝕變礦物。鉀質(zhì)交代作用根據(jù)形成新的含鉀礦物種類有水白云母化（水云母化、伊利石化）作用、鐵黑云母化作用、鐵白云母化作用。松遼盆地白堊系砂巖中，斜長石碎屑和鉀長石相對含量隨著埋深的變化呈有規(guī)律的變化，到3000m時(shí)，斜長石碎屑基本完成鈉長石化過程【8】。鈉長石化由上至下逐漸增強(qiáng)的變化表明，鈉來自深部向上逐漸消耗。

由此可以設(shè)想整個(gè)松遼盆地從地表到深部儲(chǔ)層的流體均為堿性流體。據(jù)計(jì)算，1km3的花崗巖如全部堿交代為鈉長石巖，則大體需要 1.56×108tNa的帶入【9】。我們知道，地層水有三個(gè)主要來源：原始沉積孔隙水和地表滲入水；沉積有機(jī)質(zhì)生烴伴生的酸性水；盆地深部上涌的堿性水。而堿性地層水的三個(gè)來源是：堿層、海水、深部流體。那么，松遼盆地是陸相沉積盆地，與海水無關(guān)；松遼盆地不發(fā)育膏鹽巖層，所以不存在堿的地層來源；松遼盆地堿性地層水只有來自深部上涌的堿性水。儲(chǔ)層中如此巨量的堿正是來源于堿性地幔流體。

中國東部地幔巖捕擄體研究表明，地幔巖中含有大量的堿【10】。我們最近將取自松遼盆地周邊的地幔橄欖巖進(jìn)行研磨后清水浸泡2h，清水的pH值由浸泡前的5.8上升至9.9，說明地幔巖中確實(shí)含有大量的堿，并且極易溶解。

3 地幔流體是深部油氣的來源

地幔流體本質(zhì)上即烴堿流體，簡稱HACONS，其中H代表氫，A代表堿，主要是鉀、鈉，C代表碳，O代表氧，N代表氮，S代表硫。在地幔條件下，烴和堿密不可分【9】。我們用3種方法進(jìn)行了地幔橄欖巖捕擄體的溶解烴試驗(yàn)，證實(shí)地幔巖橄欖巖中烴類的存在。用二氯甲烷提取橄欖巖的可溶烴類主要包括C14～C17之間的系列正構(gòu)烷烴；用正己烷提取的可溶烴種類更加豐富，其質(zhì)量色譜圖上清晰顯示了C15～C24之間的系列正構(gòu)烷烴和其它一些支鏈烷烴；用吹掃捕集法提取的可溶烴，其質(zhì)量色譜圖上顯示了C13～C21之間的系列正構(gòu)烷烴。

據(jù)估算，整個(gè)上地幔巖石圈含有 43.5×1016t的氣體【11】。實(shí)驗(yàn)證明，上地幔氣體主要成分是H2、CH4、CO【12】。這些氣體由上地幔上升到地表的過程中，在中地殼溫壓條件下發(fā)生費(fèi)-托合成形成油氣。CO加H2合成烴的工業(yè)化費(fèi)-托合成反應(yīng)(Fischer-Tropsch Synthesis) 是將煤或天然氣轉(zhuǎn)化為發(fā)動(dòng)機(jī)燃料的重要途徑之一，該反應(yīng)體系是復(fù)雜強(qiáng)放熱反應(yīng)體系。根據(jù)催化劑的不同，可以生成烷烴、烯烴、醇、醛、酸等多種有機(jī)化合物。據(jù)文獻(xiàn)【13】介紹，由金剛石包體所含地幔揮發(fā)組分計(jì)算出地幔中可分泌出烴的數(shù)量是 1015t【14】。在地球排氣過程中，這些烴類在合適的捕獲條件下，將有部分補(bǔ)充現(xiàn)今油氣藏，其余的和堿性流體一道排放到地表逸失。

松遼盆地天然氣中有來自地球深部的組分，如 H2、He、CO、N2等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，H2含量大于10%的鉆井16口，芳深4井在3170～3134m井段試氣H2含量高達(dá)39.549%；He含量大于0.2%的鉆井有11口，葡深1井在4012～4019井段試氣He含量高達(dá)0.412% ；CO含量大于10%的鉆井有14口，達(dá)深1井在3093～3102m井段試氣CO含量高達(dá)38.724%；N2含量大于95%的鉆井有12口，升深6井在3465～3493m井段試氣N2含量高達(dá)99.51%。

松遼盆地工業(yè)性 CO2氣藏來源于地幔是石油界的共識(shí)，吉林探區(qū)和大慶探區(qū)已提交CO2儲(chǔ)量3000×108m3。松遼盆地徐家圍子斷陷深層烴類氣已提交儲(chǔ)量2000×108m3，其中主要生產(chǎn)井的天然氣甲烷同系物碳同位素值呈反序排列（ δ13C1＞δ13C2＞δ13C3＞δ13C4）， 根 據(jù) 戴 金 星 等（2008）提出的天然氣成因地球化學(xué)指標(biāo)【15】，甲烷同系物碳同位素值呈反序排列的天然氣為地幔來源。

4 上地幔和軟流層隆起是地幔流體上升的前提

松遼盆地上地幔強(qiáng)烈隆起，為地幔流體上升準(zhǔn)備了良好的地質(zhì)條件。松遼盆地沉降最深的古龍凹陷埋深為 10.05km，但其上地幔軟流層隆起幅度卻比東西兩側(cè)山區(qū)分別高出53km和31km。松遼盆地沉降中心的巖石圈和地殼厚度，分別為57km和29km，而盆地東側(cè)張廣才嶺的巖石圈和地殼厚度，分別為110km和38km，西側(cè)大興安嶺的巖石圈和地殼厚度，分別為88km和40km【16】。遵照重力均衡原理，上地幔軟流層隆起是盆地沉降、中地殼側(cè)遷導(dǎo)致重力虧空的必然結(jié)果。軟流層大幅度隆起導(dǎo)致上覆巖石圈地幔和下地殼在隆起高部位產(chǎn)生張性斷裂，使得蘊(yùn)藏在上地幔軟流層中的氣體大規(guī)模向上運(yùn)移，進(jìn)入地殼和沉積盆地。

與松遼盆地類似，國內(nèi)外一些特大型油氣盆地地殼結(jié)構(gòu)都具有強(qiáng)烈的上地幔隆起特征【17】。像俄羅斯的濱里海盆地和西西伯利亞盆地，墨西哥灣盆地，英國的北海盆地，波斯灣盆地，其可采儲(chǔ)量都在n×109t以上。這類特大型油氣區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)突出特點(diǎn)是：基底坳陷深，達(dá) 10～20km；莫霍面強(qiáng)烈上隆，隆起幅度達(dá)8～l0km或更大；結(jié)晶地殼厚度急劇減薄，在盆地中央僅厚 10～20km；莫霍面的界面速度在盆地中央地區(qū)偏低，向盆地邊緣方向增高。這些地區(qū)軟流層的頂面上隆，埋深僅50～100km，比周圍地區(qū)要淺100km以上，熱流值也顯著偏高，達(dá)60～70m W / m2或更高，中、新生代火山、巖漿活動(dòng)強(qiáng)烈。

而大型貧油氣盆地的地殼結(jié)構(gòu)特征是：巨厚的沉積蓋層下面不存在強(qiáng)烈的莫霍而隆起，甚至莫霍而上存在凹陷。這類地區(qū)的熱流值偏低，軟流層也相對較深，中、新生代巖漿活動(dòng)微弱。如國內(nèi)外都存在一些雖既大又深而油氣儲(chǔ)量卻很少的內(nèi)陸基底坳陷，像烏茲別克和俄羅斯境內(nèi)的費(fèi)爾干納盆地和米努辛斯克盆地等，我國塔里木東部地區(qū)的英吉蘇凹陷(為滿加爾坳陷的一部分)，華北地區(qū)的臨清坳陷等；還有一些沉積很厚的海相盆地鉆探成果也很少，如法國西海岸的某些陸架盆地，美國東部陸棚和阿拉斯加灣等。其原因是這些大型盆地區(qū)的地殼結(jié)構(gòu)特征與富油氣盆地區(qū)完全不同。這些地質(zhì)事實(shí)證明上地幔和軟流層強(qiáng)烈隆起與油氣富集的必然聯(lián)系，強(qiáng)烈的上地幔隆起是地幔流體大規(guī)模進(jìn)入含油氣盆地的前提。

盆地緩慢沉降是松遼盆地及其周邊新生代最重要的地質(zhì)事件。第四紀(jì)沉積和松遼分水嶺的形成顯示了松遼盆地以緩慢下沉為主的差異性升降運(yùn)動(dòng)。松遼盆地江橋-白城地區(qū)第四紀(jì)沉積厚度255m，克山-林甸地區(qū)厚度525m，古龍—長嶺地區(qū)厚度 254m，綏化—農(nóng)安地區(qū)厚度 338m 。長嶺弧形隆褶帶在新第三紀(jì)—第四紀(jì)早更新世底面顯示一個(gè)隆起帶構(gòu)造特征，至高點(diǎn)在平原中部的永久村，高程260m，高出周圍50 60m，構(gòu)成松遼分水嶺【18】。

盆-山系形成和演化研究表明，盆地的沉降導(dǎo)致盆地中地殼的側(cè)遷，周邊山系抬升是中地殼側(cè)遷的結(jié)果【19】。盆地沉降將導(dǎo)致上地幔軟流層的進(jìn)一步隆起，地幔物質(zhì)大規(guī)模上涌進(jìn)入沉積盆地。這是現(xiàn)代松遼盆地油氣藏補(bǔ)充的原動(dòng)力。天然地震和盆地周邊火山活動(dòng)是盆地沉降、中地殼側(cè)遷、地幔物質(zhì)上涌的必然反映。

5 幔源油氣保障石油工業(yè)可持續(xù)發(fā)展

油氣田存在補(bǔ)充的問題不但引起學(xué)者們的注意【20】，也得到了企業(yè)的高度重視【21】，王玉普院士曾撰文強(qiáng)調(diào)，“縱觀世界主要油田開發(fā)史，至今還沒有一個(gè)特大型油田完全枯竭；前蘇聯(lián)的巴庫油田，一直被石油業(yè)視為油盡城衰的前車之鑒，但最近在里海地區(qū)又獲得了重大發(fā)現(xiàn)，重新煥發(fā)了青春，這可能是萌生‘創(chuàng)建百年油田’的最簡單的理由之一”。事實(shí)上，里海本身就是一個(gè)巨大的排氣區(qū)。海底斷裂縱橫，有利向上排氣。中里海每年排氣 n×106n×107m3。排氣膨脹吸熱使海水降溫，形成水合甲烷 (Голубовидр.， 2002)【22】。

В.И.索贊斯基指出，很多油氣田可以長期采油而不枯竭，是因?yàn)橛蜌馓锱c深處有斷裂、裂隙作為通道，不斷有油氣上涌補(bǔ)充油氣田。例如烏克蘭最大油田之一的戈聶金采夫油田自1959年開采以來采出石油量為計(jì)算可采儲(chǔ)量的3倍，按采收率計(jì)算達(dá)到80%。巨大的列梁柯夫油田開采出的石油量是計(jì)算儲(chǔ)量的1.5倍。已經(jīng)廢棄的普羅列達(dá)爾氣田在經(jīng)過15 20a后又完全恢復(fù)了原狀，地層壓力還是如1966年發(fā)現(xiàn)時(shí)那樣。這種現(xiàn)象說明所有油氣田都有自動(dòng)恢復(fù)和自動(dòng)發(fā)展的系統(tǒng)。因此所有世界上的油氣藏實(shí)際上是取之不盡的，也就是說所有的油氣田在經(jīng)營中抽出了油氣，隨之而來的是又有新的油氣補(bǔ)充到油氣田中來【23，24】。

6 結(jié)論和建議

基于以上理由，本文建議開展石油地質(zhì)模型深入研究，進(jìn)一步證明深部流體對油氣藏補(bǔ)充的重要性。深部油氣補(bǔ)充與否，是中國油氣工業(yè)可續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵，是勘探部署和開發(fā)部署與調(diào)整的重要根據(jù)，其實(shí)踐價(jià)值和理論意義不容低估。目前可以設(shè)置的研究內(nèi)容包括：

（1）已開發(fā)油氣田異常高壓高產(chǎn)井的分布規(guī)律研究，找出其地質(zhì)內(nèi)涵，指導(dǎo)我們進(jìn)行經(jīng)濟(jì)有效的井網(wǎng)部署。

（2）含油氣盆地水動(dòng)力學(xué)研究，將堿性深部流體、堿性儲(chǔ)層流體、堿性地表流體進(jìn)行整體研究，計(jì)算深部流體的補(bǔ)充速率。

（3）含油氣盆地砂巖、火山巖、碳酸巖儲(chǔ)層堿交代作用及其次生孔隙形成機(jī)制研究，為尋找深部儲(chǔ)集空間、開展深部勘探提供理論依據(jù)。

（4）含油氣盆地深部構(gòu)造形成和演化研究，將地幔隆起、中地殼流變與含油氣盆地形成和演化相聯(lián)系，運(yùn)用構(gòu)造地質(zhì)模型指導(dǎo)油氣勘探。

（5）含油氣盆地新生代構(gòu)造運(yùn)動(dòng)研究，揭示地震、火山活動(dòng)、地球排氣與地幔流體活動(dòng)的共同控制因素，為開展斷隆山勘探、非盆地勘探（如大興安嶺勘探）提供理論準(zhǔn)備。

建議國家有關(guān)部門將上述研究工作納入“石油工業(yè)可持續(xù)發(fā)展”的重大攻關(guān)課題。如果以大慶油田為依托，以松遼盆地為目標(biāo)，上述內(nèi)容可概括為《松遼盆地深部流體及其對石油地質(zhì)條件影響研究》。相信能夠在較短時(shí)間內(nèi)取得突破性研究成果，為油氣勘探和開發(fā)生產(chǎn)帶來重大的經(jīng)濟(jì)效益。

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