優(yōu)質(zhì)烴源巖在鄂爾多斯低滲透富油盆地形成中的關(guān)鍵作用

楊 華，張文正，劉顯陽，李善鵬，邵創(chuàng)國

（1.中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司 低滲透油氣田勘探開發(fā)國家工程實驗室，陜西 西安 710018；2.中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司，陜西 西安 710018；3.中國石油天然氣股份有限公司長慶油田分公司 勘探開發(fā)研究院，陜西 西安 710018）

0 引 言

鄂爾多斯盆地延長組素以低滲透砂巖儲層的大面積普遍含油而聞名于世。雖然油藏呈低滲、低壓和低豐度的“三低”特征，但是隨著低滲透石油地質(zhì)理論的不斷發(fā)展和勘探的不斷深入，以及以儲層改造為核心的開發(fā)技術(shù)不斷提高和完善，主力層系的油藏不斷被探明，新層系、新區(qū)帶的油藏不斷被發(fā)現(xiàn)，石油儲量和產(chǎn)量持續(xù)快速增長，該盆地已成為中國重要的油氣生產(chǎn)基地[1－12]。與此同時，盆地延長組湖相烴源巖研究也取得了重大進展，厘定了長7湖相優(yōu)質(zhì)烴源巖[13]，發(fā)現(xiàn)了一定范圍分布的長91湖相優(yōu)質(zhì)烴源層[14]，為進一步認識鄂爾多斯盆地中生界石油成藏聚集規(guī)律，深化低滲透石油地質(zhì)理論創(chuàng)造了有利條件。

油氣生成的有機成因論認為，烴源巖是形成油氣聚集的物質(zhì)基礎(chǔ)，并且在很大程度上控制著油氣的分布，即“源控論”[15]。隨后，學(xué)者進一步認識到不同凹陷之間在烴源巖質(zhì)量和油氣資源方面存在顯著差異，相繼提出了“富生烴凹陷”[16]、“富油氣凹陷”[17－18]的概念，描述和強調(diào)了陸相沉積盆地中烴源巖質(zhì)量好、規(guī)模大、熱演化適度、生烴量和聚集量均位居前列的一類含油氣凹陷及其重要地位，強化了評價和識別“富油氣凹陷”在油氣勘探中的重要性。趙文智等在深化認識“富油氣凹陷”的油氣分布特征、總結(jié)勘探經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，又提出了“滿凹含油”論[19]；他認為“滿凹含油”是指在“富油氣凹陷”內(nèi)，優(yōu)質(zhì)烴源巖提供了豐富的油氣資源，同時陸相沉積多水系與頻繁的湖盆振蕩導(dǎo)致湖水大面積收縮與擴張，使砂體與烴源巖不僅間互，而且大面積接觸，從而使得各類儲集體有最大的成藏機會，含油范圍超出二級構(gòu)造帶，并在包括斜坡區(qū)的凹陷深部都有油氣藏的形成與分布，呈現(xiàn)整個凹陷都有油氣藏的局面。“滿凹含油”強調(diào)了“富油氣凹陷”內(nèi)各個構(gòu)造部位均可能分布油氣藏的特點。上述研究均強調(diào)了優(yōu)質(zhì)烴源巖在石油聚集中的重要作用。在此基礎(chǔ)上，筆者立足于鄂爾多斯盆地中生界低滲透石油地質(zhì)特點，總結(jié)低滲透富油盆地的基本特征，并通過低滲透儲層的孔喉結(jié)構(gòu)、石油運聚成藏動力學(xué)特征、成藏模擬、長7優(yōu)質(zhì)烴源巖的強生排烴特征等試驗與研究，闡述優(yōu)質(zhì)烴源巖在低滲透乃至致密儲層石油大規(guī)模聚集（即低滲透富油盆地形成）中所起的關(guān)鍵作用。

1 低滲透富油盆地的主要特征

1.1 低滲透油藏分布范圍廣

經(jīng)過數(shù)十年的勘探，鄂爾多斯盆地晚三疊世湖盆范圍內(nèi)已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大量低滲透—超低滲透油藏（圖1），形成了湖盆東北部的陜北含油區(qū)、湖盆西北部的姬塬含油區(qū)、湖盆西南部的隴東含油區(qū)、湖盆中部的華慶含油區(qū)以及湖盆東南部含油區(qū)等五大含油區(qū)。其大致呈現(xiàn)出低滲透油藏遍布整個湖盆的總體面貌。

1.2 含油層組多、縱向疊置連片

隨著低滲透儲層成藏地質(zhì)理論的深化和勘探的深入，近年來在長6、長8、長4＋5等主力油層組勘探成果不斷擴大，同時陸續(xù)在長1、長2、長3、長7、長9、長10等油層組發(fā)現(xiàn)了油藏，從而使得油藏的縱向分布范圍擴大到延長組的各油層組，并在湖盆的一些地區(qū)發(fā)現(xiàn)了多油層組油藏疊合區(qū)。與此同時，在侏羅系延安組也不斷發(fā)現(xiàn)小型油藏。

圖1 鄂爾多斯盆地中生界油藏分布Fig.1 Map Showing Distribution of Mesozoic Oil Reservoirs in Ordos Basin

1.3 近源（源內(nèi)）致密儲層普遍含油

近年來，在湖盆中部華慶地區(qū)長6油層組的勘探獲得重大突破，查明了大面積分布的特低滲透—超低滲透油藏；另外，還發(fā)現(xiàn)湖盆中南部的寧縣—正寧地區(qū)長6油層組超低滲透砂巖儲層也具有普遍含油的特征。不僅如此，在優(yōu)質(zhì)烴源巖發(fā)育的長7油層組致密砂巖含油極為普遍，并發(fā)現(xiàn)了一批油藏區(qū)和相對富油區(qū)。例如，在湖盆中南部的寧縣地區(qū)，長7油層組中上段粉砂級深水砂巖發(fā)育，部分地區(qū)砂巖累計厚度可達數(shù)十米。對5口井563塊巖芯樣品的巖石物性和巖石熱解分析資料的統(tǒng)計（圖2）顯示，砂巖的孔隙度為7%～12%，滲透率為（0.03～0.3）×10－3μm2。雖然砂巖的儲集物性差，但含油十分普遍，且含油性較好—好。其中，高含油（熱解烴大于10×10－3）樣品有218塊，占總樣品數(shù)的38.7%，而較高—高含油（熱解烴大于8×10－3）樣品有312塊，占總樣品數(shù)的55.4%。需要強調(diào)的是，即使是滲透率在0.01×10－3μm2左右、孔隙度在4%左右的致密砂巖也往往具有較好的含油性（圖2）。

2 低滲透富油盆地形成的地質(zhì)條件

2.1 廣泛分布的深水砂巖

湖盆中部凹陷區(qū)儲集砂體的廣泛發(fā)育為低滲透富油盆地的形成提供了基本地質(zhì)條件。大量鉆孔揭示，在湖盆中部地區(qū)，鄰近長7優(yōu)質(zhì)烴源層的長8—長6油層組發(fā)育儲集砂體。其中，長8油層組發(fā)育三角洲沉積砂體，長6、長7油層組發(fā)育深水砂體，特別是湖盆中部華慶地區(qū)長6油層組發(fā)育大套深水砂巖[20]，最大厚度可達數(shù)十米（圖3）。有關(guān)研究認為，大套深水砂巖是由三角洲前緣相帶廣泛發(fā)育的砂質(zhì)碎屑流沉積而成[21]。由于砂質(zhì)碎屑流沉積沒有固定提供補給的濁流水道，所以砂體具有縱向延伸不遠、橫向疊置連片的特點。

研究表明，湖盆中部地區(qū)長7油層組上、中段及下段（局部）也發(fā)育濁積砂體，其中以長7油層組上段最為發(fā)育[22]。長7、長6油層組深水砂巖的廣泛發(fā)育以及與長8、長4＋5等油層組儲集砂體的縱向疊合，形成了“滿盆砂”，從而為低滲透富油盆地的形成提供了有利的儲集條件。

圖2 寧縣—正寧地區(qū)長7油層組砂巖熱解烴與物性的關(guān)系Fig.2 Relationships Between Pyrolysis Hydrocarbon and Physical Properties of Sandstone in Chang－7 Oil－bearing Formation in Ningxian－Zhengning Area

2.2 優(yōu)越的油源條件

研究表明，在晚三疊世湖盆最大湖泛期沉積的長7油層組，大范圍發(fā)育了一套已達到生油高峰演化階段的有機質(zhì)豐度高、類型佳的優(yōu)質(zhì)烴源層[1]。采用熱模擬產(chǎn)烴率法，計算的總生烴量約為1040×108t、總排烴量達749×108t。需要強調(diào)的是，雖然長7優(yōu)質(zhì)烴源層的總生烴量不算很大，但是由于其排烴效率很高[23－24]，所以排烴規(guī)模相當可觀。長7優(yōu)質(zhì)烴源層的大范圍分布和大規(guī)模排烴為低滲透油氣的大規(guī)模聚集（即低滲透富油盆地形成）提供了豐富的油源。

3 長7優(yōu)質(zhì)烴源巖的關(guān)鍵作用

3.1 致密砂巖大面積成藏的關(guān)鍵要素

湖盆中部長7、長6油層組廣泛分布的致密砂巖的普遍成藏是形成“滿凹含油”的關(guān)鍵。恒速壓汞法測試結(jié)果（表1）顯示，鄂爾多斯盆地延長組超低滲透砂巖儲層（滲透率小于1×10－3μm2）的平均喉道半徑、主流喉道半徑和中值半徑均小，平均孔喉比較高。細微的喉道使得毛細管阻力顯著增大，因此石油在較大的壓差驅(qū)動下才能充注進入儲層。

從滲流力學(xué)角度而言，低滲透儲層滲流在低速流動階段屬于非達西滲流[25－26]，主要特征為：在驅(qū)替壓力梯度低于某一界限時，流體不能克服流動的阻力，不發(fā)生流動，也就是說存在啟動壓力梯度；在驅(qū)替壓力梯度大于啟動壓力梯度后，壓力梯度與流量之間的關(guān)系不是線性關(guān)系，而是復(fù)雜的非線性關(guān)系；當驅(qū)替壓力梯度繼續(xù)增大到某一數(shù)值后，驅(qū)替壓力梯度與流速之間的關(guān)系才呈線性關(guān)系。滲流非線性程度可以用啟動壓力梯度表征：啟動壓力梯度越大，滲流非線性越強，儲層滲流能力則越低。中國石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院滲流流體力學(xué)研究所運用恒壓法和恒流量法對延長組10個特低滲透巖芯樣品進行了單相流體一維流動時的啟動壓力梯度測試。試驗結(jié)果（圖4）表明，低滲透儲層的啟動壓力梯度與滲透率有密切關(guān)系。儲層滲透率越低，啟動壓力梯度越大；儲層滲透率越高，啟動壓力梯度越小，兩者呈冪指數(shù)關(guān)系。以上結(jié)果說明，低滲透—特低滲透儲層中的流體流動表現(xiàn)為“被動”的動力學(xué)屬性，石油運聚成藏需要較大的動力。

圖3 華慶油田西砂帶長63砂體剖面Fig.3 Profile of Chang－63Sandstone in the Western Sandstone Belt of Huaqing Oilfield

表1 恒速壓汞法測試的低滲透巖芯相關(guān)孔隙結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Parameters for Porous Structure Related to Low－permeability Rock Core Tested by Rate－controlled Mercury Method

圖4 特低滲透儲層啟動壓力梯度與滲透率的關(guān)系Fig.4 Relationship Between Startup Pressure Gradient and Permeability of Extremely Low－permeability Reservoir

在地層平緩的背景下，特低滲透砂巖細小的孔喉還使得儲層中的油－水重力分異十分困難，流體運移呈現(xiàn)活塞式驅(qū)替的特征。運用巖芯流動試驗裝置對滲透率分別為0.17×10－3、0.748×10－3、2.544×10－3、2.812×10－3μm2的4個巖芯進行模擬油充注成藏試驗，結(jié)果顯示，當注入倍數(shù)為1時，巖芯的含油飽和度分別達到51.3%、58.7%、68.2%和53.5%。并且，隨著石油的持續(xù)充注以及驅(qū)動壓力（p）的增高，巖芯（滲透率為0.17×10－3μm2）含油飽和度逐級增高（圖5）。試驗結(jié)果表明，由于特低滲透砂巖中的孔隙半徑較小以及連通孔隙的喉道細微，原油在低滲透—超低滲透儲層中以活塞式推進的方式驅(qū)替運移。因此，低滲透—特低滲透砂巖儲層的石油成藏具有由近及遠擴張式運移成藏、運移過程與聚集成藏過程相一致、輸導(dǎo)層與儲集層一體化、石油成藏效率高等顯著特征。

圖5 砂巖巖芯石油驅(qū)替成藏的模擬試驗結(jié)果Fig.5 Simulation Experimental Results for Oil Expulsion，Substitution and Reservoir Formation in Sandstone Core

鑒于特低滲透儲層喉道細小、毛細管阻力大、流體運移呈活塞式驅(qū)替的特點，足夠的驅(qū)動壓力、大規(guī)模的富烴優(yōu)質(zhì)流體以及裂縫輸導(dǎo)體系（輸送流體、傳遞壓力）的發(fā)育應(yīng)是特低滲透砂巖大面積成藏的關(guān)鍵要素，也是鄂爾多斯盆地低滲透富油儲層形成的關(guān)鍵要素。

3.2 長7優(yōu)質(zhì)烴源巖的關(guān)鍵作用

低滲透—特低滲透儲層的活塞式驅(qū)替成藏機理，使得生、儲、蓋、圈、運、保六大成藏要素中的烴源巖生排烴成為最關(guān)鍵的要素。長7優(yōu)質(zhì)烴源巖是中生界主力烴源巖，在低滲透—特低滲透儲層石油運聚成藏和低滲透富油儲層形成中所起的關(guān)鍵作用體現(xiàn)在以下幾個方面。

首先，由于長7優(yōu)質(zhì)烴源巖的生烴強度大，其累積生烴量遠大于殘留烴量（圖6）。這說明大量的烴類已經(jīng)被排出，同時當生烴量達到一定數(shù)量后，即可產(chǎn)生顯著的增壓作用[23]。這種作用不僅能夠促使大量烴類排出，而且排出的流體擁有很高的勢能。在烴源巖排出的高勢能流體注入砂巖儲層的瞬間，當致密砂巖的導(dǎo)流速度小于排烴流體注入速度時，壓力梯度就會在致密砂巖中形成，從而促成低滲透儲層中石油的二次運移?！吧鸁N增壓→排出高能流體→二次運移”過程的反復(fù)進行，使得低滲透儲層石油大規(guī)模成藏聚集。由此可見，長7優(yōu)質(zhì)烴源巖既是主力烴源巖，又是低滲透儲層石油運聚的關(guān)鍵動力源。

圖6 長7優(yōu)質(zhì)烴源巖累計生烴量與殘留烴量的比較Fig.6 Comparison Between Accumulated and Residual Hydrocarbon Amounts in Chang－7 High－quality Source Rocks

其次，高驅(qū)動壓力不僅促使二次運移的持續(xù)進行，而且有助于儲層含油飽和度的提高和石油富集（圖2、5）。因此，長7優(yōu)質(zhì)烴源巖排出的高能流體有利于特低滲透儲層的石油富集。盆地中部地區(qū)長7致密砂巖高含油的客觀實際證實了這一點。

再者，長7優(yōu)質(zhì)烴源巖的單層厚度不大，層理縫發(fā)育，具有富紋層有機質(zhì)、富莓狀黃鐵礦、富薄層和紋層凝灰質(zhì)[27]、低黏土礦物（表2）的巖石組構(gòu)特征，加之高的生烴強度（平均約55kg·t－1），使得長7優(yōu)質(zhì)烴源巖在生油高峰階段能夠提供大量的富烴流體，形成連續(xù)油相運移，從而極大地促進低滲透儲層大面積成藏富集。

表2 長7優(yōu)質(zhì)烴源巖全巖X－衍射測試結(jié)果Tab.2 Whole Rock X－ray Diffraction Test Results for High－quality Source Rock of Chang－7Formation

4 結(jié) 語

（1）鄂爾多斯盆地具有石油資源量大、低滲透油藏分布范圍廣、含油層組多、縱向疊置連片的特征。而近源致密砂巖儲層普遍成藏、豐富的致密油（頁巖油）資源則是鄂爾多斯盆地低滲透富油儲層的最大特點。

（2）晚三疊世湖盆中部地區(qū)長6、長7油層組廣泛分布的深水砂巖以及與其他油層組砂體的縱向疊合形成的“滿盆砂”為低滲透富油儲層的形成提供了基本條件。

（3）低滲透—致密砂巖儲層喉道細小，毛細管阻力較大，油－水重力分異困難，石油運聚需要足夠的動力和富烴流體。大范圍發(fā)育的長7優(yōu)質(zhì)烴源層不僅起著主力烴源巖的作用，而且由于其高有機質(zhì)豐度形成的高生排烴強度，使得其能夠提供低滲透—致密砂巖儲層石油大規(guī)模運聚成藏所需的強大動力和大規(guī)模的富烴流體。因此，長7優(yōu)質(zhì)烴源層既是石油聚集的主要物質(zhì)源，又是關(guān)鍵的動力源，在鄂爾多斯盆地中生界低滲透富油儲層的形成中起著關(guān)鍵作用。

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