渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷西部深層油氣倒灌的物理模擬實驗

郝雪峰，單亦先，勞海港

(1.中國石油化工股份有限公司勝利油田分公司地質(zhì)科學研究院，山東東營 257015;2.中國石油大學(華東)，山東 青島 266580)

隨著中國東部新生代斷陷盆地進入高勘探程度階段，擴大勘探領(lǐng)域、尋找剩余資源成為穩(wěn)定老油田穩(wěn)產(chǎn)的重點手段。以勝利油田為例，從復(fù)式油氣聚集帶理論到隱蔽油氣藏的提出、從構(gòu)造帶到“深洼擴邊”思路的轉(zhuǎn)變，每次理論創(chuàng)新必將帶動油氣勘探的重大突破?，F(xiàn)階段以“下生上儲”為主導的成藏模式成為油氣勘探突破的頸口，筆者重新思考“上生下儲”(即油氣倒灌)的非常規(guī)油氣成藏模式[1］。“上生下儲”成藏模式自提出以來，不同學者對其褒貶不一，并利用有利于自己的數(shù)據(jù)闡述其觀點[2－11］。由于該成藏模式在現(xiàn)有油氣勘探中比較少見，而且利用常規(guī)的成藏模式很難對其進行解釋，故將其歸于非常規(guī)油氣藏。筆者以渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷西部洼陷為例，利用地震、地化、鉆井、測井、測試資料等，開展油源對比、運移動力、輸導通道等研究，分析油氣倒灌的成藏理論;通過模擬實驗闡述油氣倒灌的現(xiàn)實可行性，從而完善洼陷深層油氣成藏規(guī)律，對拓展深層勘探領(lǐng)域具有重要意義。

車鎮(zhèn)凹陷位于渤海灣盆地濟陽坳陷的西北部，東西長、南北窄(圖1)，是一個在古生界海相地層基底上發(fā)展起來的中、新生代陸相斷陷—坳陷疊合盆地。古近系由下至上依次發(fā)育沙四段河流—濱淺湖沉積、沙三中—下亞段(Es3(中－下))深湖—半深湖沉積、沙三上亞段(Es3(上))濱淺湖—半深湖沉積、沙二段濱淺湖沉積和沙一段深湖—半深湖沉積[12］(圖2)。凹陷內(nèi)大部分斷層規(guī)模較小，發(fā)育的套爾河鼻狀構(gòu)造、車3鼻狀構(gòu)造、大王莊鼻狀構(gòu)造和大35鼻狀構(gòu)造將凹陷分隔成車西、大王北、郭局子3個洼陷[13］。各洼陷形成與構(gòu)造演化差別不大。其中車西洼陷以構(gòu)造—巖性、潛山油藏類型為主，目前發(fā)現(xiàn)的油氣主要分布于南部緩坡帶的曹家莊斷階及洼陷帶的Es4、Es2及潛山儲層中，其中Es4油層為該區(qū)的主力油藏。

1 深層油氣來源

為了準確分析車鎮(zhèn)凹陷西部洼陷中沙四上亞段(Es4(上))主力含油層系的油氣來源，確定含油層系與烴源巖之間的成因聯(lián)系，筆者分別采集了鉆遇Es3(中－下)亞段烴源巖的 C253 井、Es4段烴源巖的C25井以及多口鉆遇Es4(上)亞段儲集層的井中的油氣樣品，利用生物標志化合物中結(jié)構(gòu)獨特、性質(zhì)穩(wěn)定的蠟烷及甾烷進行對比。

圖1 渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷負向單元分布Fig.1 Depressive units of Chezhen Sag，Jiyang Depression，Bohai Bay Basin

圖2 渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷沉積發(fā)育特征Fig.2 Sedimentary characteristics of Chezhen Sag，Jiyang Depression，Bohai Bay Basin

通過對比發(fā)現(xiàn)，Es3(中－下)亞段泥巖重排甾烷、4－甲基甾烷含量豐富;Es4(上)亞段泥巖重排甾烷不發(fā)育，4－甲基甾烷含量較低;而Es4(上)亞段油砂樣品中不僅含有重排甾烷，并且4－甲基甾烷含量豐富(圖3)。Es3(中－下)亞段伽馬蠟烷指數(shù)多小于0.10，Es4段伽馬蠟烷指數(shù)為 0.11 ～0.20，C251、C254、C253等井 Es4(上)亞段油砂中伽馬蠟烷指數(shù)多小于0.10(圖4)。由此可見，該區(qū)Es4(上)亞段泥巖與Es4(上)亞段油砂雖屬于同一層系，原油地化特征明顯不同;Es3(中－下)亞段烴源巖與 Es4(上)亞段油砂具有較好的親緣關(guān)系。

從Es3(中－下)烴源巖與具有親緣關(guān)系的含油層位埋深分析，Es3烴源巖底界埋深約在1 400～3 500 m之間，底界最大埋深約為4 700 m。目前，研究區(qū)鉆穿 Es3(中－下)烴源巖、進入深部儲集層的 Cg209、Cg25、Cg206 等 3 口 勘 探 井 分 別 在4 895.6～4 897.5，5 007 ～5 008，4 729.5 ～4 795.0 m 見到油氣顯示，且隨著深度的增加，油氣顯示厚度依次減小。在三維地震中，上述3口勘探井均未與有效烴源巖直接對接，與有效烴源巖底界深度相差200～300 m，為典型的上生下儲、油氣“倒灌”的油氣藏。

2 油氣倒灌動力

圖3 渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷西部甾烷油源對比Fig.3 Contrast of sterane between oil and source in western Chezhen Sag，Jiyang Depression，Bohai Bay Basin

圖4 渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷西部蠟烷油源對比Fig.4 Contrast of cerane between oil and source in western Chezhen Sag，Jiyang Depression，Bohai Bay Basin

圖5 渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷C254井地層壓力系數(shù)Fig.5 Formation pressure coefficienty of well C254 in chezhen Sag，Jiyang Depression，Bohai Bay Basin

與常規(guī)油氣成藏不同，處于烴源巖下方的油氣運聚并非遵循達西滲流條件，故流體運移不是以浮力為動力、向相對低勢區(qū)運移，而是在超壓作用下向源下儲層中運聚成藏，烴源巖與儲集層存在壓力差是其成藏的內(nèi)在控制因素[14－18］。以車鎮(zhèn)凹陷車西洼陷為例，利用測井資料求取異常高壓的空間分布位置(圖5)，研究異常高壓在空間的分布特征?？v向上地層壓力隨深度增加而逐漸增大，從2 600 m處地層開始出現(xiàn)超壓，3 600 m處地層壓力增加至最大，往下則出現(xiàn)降低的趨勢。Es3(下)地層壓力系數(shù)在1.0～1.4之間，在斜坡帶開始出現(xiàn)異常壓力，圍繞生烴中心呈環(huán)帶狀分布，洼陷帶異常壓力最大，洼陷邊緣和構(gòu)造高部位地層剩余壓力逐漸減小，壓力趨于常壓(圖6)。

圖6 渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷西部Es3(1)亞段地層壓力系數(shù)分布Fig.6 Formation pressure coefficient distribution of lst subsection of 3rd member of Shahejie Formation in western Chezhen Sag，Jiyang Depression，Bohai Bay Basin

3 油氣倒灌運移通道

油氣在二次運移中的主要通道有連通孔隙、裂縫、斷層和不整合面[17］。從地震剖面來看，車西洼陷深部地震上同相軸連續(xù)，地層平行接觸。Es3烴源巖底界與Es4頂部第一套砂體之間被一套厚度30～60 m的泥巖所隔，因此裂縫與斷裂是油氣倒灌的運移通道。

控制箕狀深洼陷的邊界斷裂不僅控制著烴源巖、儲集層的發(fā)育，也是油氣運移的重要通道。向洼陷內(nèi)部，僅僅發(fā)育四級以下的小斷裂及微裂縫(圖7a，b)。巖心及鏡下觀察可以看到不同規(guī)模、方向各異的微裂縫，C254井3 675.4 m發(fā)育5條泥巖裂縫，最長可達10 cm、寬0.3 cm(圖7c)，裂縫中局部充填脈體。在巖心上也偶見有斷面擦痕。裂縫與低級別斷裂在空間上形成一個三維運移網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)成洼陷帶油氣倒灌的復(fù)雜輸導體系。

圖7 渤海灣盆地濟陽坳陷車鎮(zhèn)凹陷西部油氣倒灌運移通道Fig.7 Main pathways of hydrocarbon downward migration(factures，micro cracks)in western Chezhen Sag，Jiyang Depression，Bohai Bay Basin

4 油氣倒灌物理模擬

4.1 實驗?zāi)Ｐ团c方法

實驗?zāi)Ｐ偷臉?gòu)造變形在構(gòu)造變形與油氣充注一體化裝置上完成，油氣充注的實驗?zāi)Ｐ驮O(shè)計為56 cm×37 cm×25 cm，觀察窗口設(shè)計成40 cm×25 cm的透明玻璃。實驗材料采用粒徑均勻的天然石英為砂巖層，泥巖選自黃河三角洲天然黏土，其孔隙度和滲透率近似為零。在構(gòu)造變形過程后，對砂巖層進行注水，使其飽含水。烴類選與其相似的航空油，并加入分子較小的藍色染色劑，以便更好地觀察油的運移路徑。

實驗?zāi)M油氣在二次運移過程中以斷裂(或微裂縫)為倒灌通道的過程。在以斷裂為運移通道的油氣充注物理模擬中，泥巖采用了較為脆性的鈉土，每層泥巖厚度為1 cm。每層石英砂巖粒度與物性相同(粒度為0.3～0.4 mm，孔隙度為24%，滲透率為2 950×10－3μm2)。地層傾角為15°～20°。在對模型進行壓實的基礎(chǔ)上進行構(gòu)造變形，然后進行油的充注。用增壓泵對模型進行烴類充注，模擬烴源巖生烴時的異常壓力。

4.2 實驗過程

圖8 油氣倒灌模擬過程Fig.8 Experiment process of petroleum downward migration

根據(jù)泥巖涂抹的情況，將斷裂下盤②號、③號、④號、⑤號砂體上傾方向出口打開(圖8)。實驗過程中采用0.16 mL/min的充注速率注入油，恒定泵壓為模型充注油。充注的油首先沿著斷裂上盤①號砂層進口進入模型，沿砂巖層向上運移，并迅速進入斷裂帶內(nèi)。當充注95 min、注入油量為15.2 mL時(圖8a)，油沿著斷裂分別進入斷裂下盤②號、③號、④號、⑤號砂體，并且由上到下油注入量依次遞減，在出口處排水的水量也具有相似的規(guī)律。當充注155 min、注入油量為24.8 mL 時(圖8b)，首先在斷裂下盤②號砂層出口處見到部分油排出，然后見到3號砂層有少量油排出，④號、⑤號砂層油繼續(xù)向上運移，并伴隨少量的水排出。同時，油沿著斷裂向下運移，在斷裂上盤⑥號砂巖頂部見到少量的油。當充注265 min、注入油量為42.2 mL時(圖8c)，斷裂下盤的②號、③號砂層含油飽和度增大;同時在④號、⑤號砂層出口處也有少量油排出。同時油沿著斷裂向上盤倒灌，在與斷裂下盤②號砂層對置的砂體中首先見到油倒灌，而與斷裂下盤③號砂層對置的砂體不僅倒灌時間較晚，而且倒灌的油量也比較少;油沿著斷裂下行至⑥號砂層中的油量有所增加，注入油的顏色相對加深。當充注530 min、注入油量為84.8 mL時(圖8d)，不僅在斷層下盤的②號、③號、④號及⑤號砂層的出口有油排出，同時砂層的含油飽和度增大，并且倒灌進入斷層上盤砂層的含油量也有增加的趨勢。隨著充注油量的不斷增加，油穿過斷裂形成的泥巖涂抹層，向斷層上部運移。

4.3 實驗結(jié)果討論

通過以斷裂為運移通道的物理實驗，有2種情況值得討論:(1)以斷裂為主要構(gòu)造變形的地質(zhì)結(jié)構(gòu)中，油運移的主要通道往往優(yōu)先選擇斷裂，油首先沿著斷裂向上運移，而不選擇進入斷層兩側(cè)的砂巖層內(nèi)，其認識與前人的實驗結(jié)果相似[16－17］;其中，浮力、壓力差是油運移的直接動力。(2)油不僅在向上運移過程中倒灌進入順向斷層圈閉中聚集，而且還沿著斷裂向下運移，倒灌進入下部砂巖層中，異常壓力與油、水分子置換可能是油“倒灌”的形成機制。實驗證實，當斷層同時切穿上下儲層時，油在烴源巖上部聚集量遠遠大于其在下部的聚集量。由此可以推斷，當斷裂僅僅切穿烴源巖下部地層時，油在下部儲層中的聚集量會大大增加。

5 結(jié)論

1)Es3(中－下)亞段烴源巖與 Es4(上)亞段油砂具有較好的親緣關(guān)系，且Es4(上)亞段發(fā)現(xiàn)的油藏埋深大于Es3烴源巖底界埋藏深度;Es3(下)地層壓力系數(shù)在1.0～1.4之間，向上和向下壓力系數(shù)均逐漸減小，是油氣倒灌的動力;裂縫與斷裂是切穿Es3烴源巖底界與Es4頂部之間泥巖隔層、連接烴源巖與儲集層的運移通道。

2)在車西洼陷勘探中，緊鄰切穿上部儲層的斷裂周圍部署井位時，應(yīng)以“下生上儲”的成藏模式找油。而在低級序斷裂發(fā)育的深洼陷中，則以“上生下儲”的成藏模式尋找勘探目標。

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