不整合面下縫洞巖體油氣運(yùn)聚模型
——以塔里木盆地碳酸鹽巖油藏為例

郭秋麟，楊文靜，肖中堯，盧玉紅，謝紅兵,3，高日麗，黃少英

(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083； 2.中國(guó)石油塔里木油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 庫(kù)爾勒 841000； 3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249)

不整合面下縫洞巖體油氣運(yùn)聚模型
——以塔里木盆地碳酸鹽巖油藏為例

郭秋麟1，楊文靜2，肖中堯2，盧玉紅2，謝紅兵1,3，高日麗1，黃少英2

(1.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院，北京 100083； 2.中國(guó)石油塔里木油田分公司勘探開(kāi)發(fā)研究院，新疆 庫(kù)爾勒 841000； 3.中國(guó)石油大學(xué)(北京) 地球科學(xué)學(xué)院，北京 102249)

使用傳統(tǒng)的容積法難以準(zhǔn)確計(jì)算不整合面下碳酸鹽巖縫洞巖體內(nèi)油氣的資源量或儲(chǔ)量。該文從油氣成藏?cái)?shù)值模擬的角度，提出三維侵入逾滲模型(3D-IP)嘗試解決這一難題。模型核心思路是通過(guò)三維地質(zhì)建模，根據(jù)構(gòu)造、孔隙度和油氣源供給量模擬油氣的運(yùn)聚。模型有3個(gè)要點(diǎn)：(1)沿最小阻力方向追蹤油氣運(yùn)聚路徑；(2)遇到障礙時(shí)油氣沿初始路徑回注；(3)動(dòng)阻力平衡系統(tǒng)被破壞時(shí)油氣改變路徑，尋找最薄弱節(jié)點(diǎn)繼續(xù)運(yùn)移。模型可以彌補(bǔ)容積法的不足，并能在預(yù)測(cè)資源規(guī)模的同時(shí)，指出資源的分布位置。通過(guò)隨機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)和塔中S6區(qū)塊的實(shí)際應(yīng)用，證實(shí)了模型的有效性和優(yōu)越性。根據(jù)S6區(qū)塊模擬結(jié)果的分析，預(yù)測(cè)了該區(qū)縫洞型油氣藏的勘探方向。

油氣運(yùn)聚；侵入逾滲；縫洞型油氣藏；不整合面；碳酸鹽巖；盆地模擬；塔里木盆地

不整合對(duì)油氣運(yùn)聚成藏具有重要意義，而不整合面下的縫洞巖體既是油氣運(yùn)移的重要通道，也是油氣聚集的重要場(chǎng)所[1-3]。以近年塔里木盆地奧陶系碳酸鹽巖縫洞型油氣藏的勘探進(jìn)展為例，截至2010年底，盆地碳酸鹽巖油氣合計(jì)探明油當(dāng)量已近18×108t，油氣三級(jí)儲(chǔ)量更是遠(yuǎn)高于此。但是，由于儲(chǔ)層以縫洞型孔隙為主，物性非均質(zhì)性強(qiáng)，連通性相對(duì)較差，客觀上造成產(chǎn)量遞減也快。用傳統(tǒng)的容積法所計(jì)算的儲(chǔ)量(或資源量)往往難與油氣開(kāi)發(fā)相匹配，也很難體現(xiàn)油氣在空間的分布狀況，不能滿足中長(zhǎng)期勘探開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略的需求[4-5]。

基于成因機(jī)制的油氣運(yùn)聚模型可以彌補(bǔ)容積法的不足，近年來(lái)開(kāi)始得到重視。如呂修祥、石廣仁、趙健等分別采用物理模擬法、三維三相達(dá)西流法、二維侵入逾滲數(shù)值模擬法等方法模擬塔里木盆地的油氣運(yùn)聚史，預(yù)測(cè)油氣資源量及分布[6-9]。以上研究主要是針對(duì)砂巖儲(chǔ)集體，鑒于不整合面之下的碳酸鹽巖縫洞巖體中油氣運(yùn)聚的特殊性，本文提出了3D-IP(3D Invasion Percolation，三維侵入逾滲)模型模擬其油氣運(yùn)聚情況。

1 碳酸鹽巖縫洞巖體及三維模型

由于碳酸鹽巖油氣在當(dāng)前資源結(jié)構(gòu)中的重要性和勘探開(kāi)發(fā)上有別于碎屑巖油氣的特殊性，針對(duì)碳酸鹽巖縫洞巖體和油氣儲(chǔ)層特征、油氣成藏主控因素等方面已開(kāi)展了較多的研究[10-16]，也提出了一些地質(zhì)建模方法[17-20]。論文提出的3D-IP模型，是在三維地質(zhì)建模的基礎(chǔ)上進(jìn)行油氣運(yùn)聚模擬，三維地質(zhì)體可由孔洞、裂縫分布預(yù)測(cè)模型建立，也可以直接來(lái)自于三維地震反演成果。本節(jié)介紹由孔隙度分布特征隨機(jī)抽樣構(gòu)建三維地質(zhì)體的方法。

1.1不整合面下碳酸鹽巖縫洞巖體孔隙特點(diǎn)

以塔里木盆地寒武系和奧陶系碳酸鹽巖為例，縱向上，巖溶帶主要分布在中下奧陶統(tǒng)頂面不整合面以下300 m厚度范圍內(nèi)，有效儲(chǔ)集體集中發(fā)育在一間房組和鷹山組頂以下180 m厚度范圍內(nèi)，橫向呈準(zhǔn)層狀連續(xù)分布等。從不整合面向下，分別發(fā)育上、中、下3種不同特征的巖溶帶。上帶：位于不整合面下0～60 m深度范圍內(nèi)，為表生、滲流和潛流巖溶帶中任意一個(gè)帶疊加的產(chǎn)物。巖溶帶風(fēng)化殘積角礫巖與溶溝、大中型溶洞、溶縫、溶蝕漏斗等為其特征，平均孔隙度可達(dá)8%～10%；中帶：位于不整合面下60～150 m深度范圍內(nèi)，為滲流與潛流巖溶帶疊加的產(chǎn)物。主要是近垂直和高角度溶蝕縫及進(jìn)一步發(fā)育而成的串球狀溶蝕擴(kuò)大洞，潛流巖溶為水平溶蝕形成的洞穴，平均孔隙度小于上帶，約為6%～8%；下帶：位于不整合面下150～300 m深度范圍內(nèi)，主要為潛流巖溶帶產(chǎn)物。其特征為受基準(zhǔn)面(海平面)控制，形成一定規(guī)模的近水平溶縫、溶洞、地下暗河，平均孔隙度可達(dá)4%～6%。

1.2三維地質(zhì)體孔隙分布隨機(jī)模型

1.2.1 建立5種孔隙度分布

基于不整合面下發(fā)育的3種不同特征的巖溶帶及以上刻畫(huà)的孔隙度分布模式，建立了5種孔隙度分布(表1)。5種分布中，上帶平均孔隙度分別為：8.1%,8.4%,8.1%,8.0%,7.9%；中帶平均孔隙度分別為：6.8%,6.5%,6.4%,6.6%,6.9%；下帶平均孔隙度分別為：5.6%,5.7%,5.9%,5.8%,5.7%。

1.2.2 三維地質(zhì)體孔隙分布隨機(jī)建模

以塔北斜坡為參照建立一個(gè)示例性的三維地質(zhì)體，設(shè)坡長(zhǎng)10 km，寬度6 km，平均厚度300 m。平面網(wǎng)格為正方形，邊長(zhǎng)為100 m(6 000格)，縱向網(wǎng)格邊長(zhǎng)為15 m(20格)，三維體共有120 000格。采用隨機(jī)抽樣的方法，從表中隨機(jī)抽取一種分布(占5個(gè)平面網(wǎng)格)，并將該分布放入三維體中。同樣的方法重復(fù)1 200次，這樣就完成了三維地質(zhì)體孔隙分布的隨機(jī)建模(圖1)。

2 3D-IP模型

2.1模型要點(diǎn)

三維侵入逾滲模型的核心思路是：在三維地質(zhì)體中尋找油氣運(yùn)移最有利的通道，并根據(jù)油氣源供給量計(jì)算油氣聚集量。該模型有3個(gè)要點(diǎn)，即：(1)沿著最小阻力方向追蹤。在運(yùn)移過(guò)程中遇到多方向選擇時(shí)，該方法與達(dá)西流不同，只選擇最小阻力方向，即只有一個(gè)方向——最佳方向。(2)遇到障礙回注。當(dāng)運(yùn)移動(dòng)力小于阻力時(shí)，油氣不能繼續(xù)向前運(yùn)移，此時(shí)如果有后續(xù)的油氣不斷供給，臨時(shí)聚集的油氣柱高度就會(huì)加長(zhǎng)，油體就會(huì)變大，相應(yīng)地浮力也會(huì)增加。隨著浮力的增大，油氣將繼續(xù)運(yùn)移。(3)改變路徑、尋找最薄弱環(huán)節(jié)繼續(xù)運(yùn)移。隨著浮力的不斷增加，新的油氣體突破運(yùn)移阻力的機(jī)會(huì)也在增大，一旦浮力超過(guò)路徑中最小阻力時(shí)就會(huì)突破該點(diǎn)，并由此為新起點(diǎn)，向著阻力最小的方向繼續(xù)運(yùn)移。

2.2計(jì)算公式

三維侵入逾滲模型中，涉及以下幾個(gè)計(jì)算公式：

(1)驅(qū)動(dòng)力。驅(qū)動(dòng)力以浮力為主，浮力與回注后新增的浮力的計(jì)算公式：

(1)

式(1)中：pf為油氣柱高度為h時(shí)，油氣柱在地層水中的浮力；ρw，ρo分別為地層水和油氣的比重；g為重力加速度；h為油氣柱高度；Δf為回注后新增的浮力；Δh為回注后新增的油氣柱高度。

表1 塔里木盆地中下奧陶統(tǒng)頂面不整合面下碳酸鹽巖縫洞巖體5種假設(shè)孔隙分布模式

圖1 塔里木盆地碳酸鹽巖縫洞巖體假想三維地質(zhì)模型孔隙度按隨機(jī)分布給出。

(2)阻力。阻力以毛細(xì)管力為主，計(jì)算公式：

(2)

式(2)中：pc為喉道半徑為r時(shí)的毛細(xì)管力；r為喉道半徑；σ為界面張力；θ為潤(rùn)濕角。

(3)運(yùn)移過(guò)程散失量與聚集量。運(yùn)移過(guò)程散失量與聚集量的計(jì)算公式：

(3)

式(3)中：Qm為油氣聚集量；Qe為進(jìn)入三維地質(zhì)體的油氣量；Qr為運(yùn)移過(guò)程中油氣散失量；n為油氣運(yùn)移通過(guò)的三維網(wǎng)格數(shù)；vi為第i個(gè)三維網(wǎng)格儲(chǔ)層體積；φi為第i個(gè)三維網(wǎng)格儲(chǔ)層孔隙度；so為殘余油氣飽和度；ρo為油氣的比重。

2.3模型試驗(yàn)

以圖1三維地質(zhì)隨機(jī)孔隙度分布為地質(zhì)模型，為方便敘述，模型以石油為研究對(duì)象，石油注入點(diǎn)為三維體的斜坡底部，即最右側(cè)的底部網(wǎng)格。在油源較充足的條件下，模型追蹤的油氣運(yùn)移路徑如圖2所示，聚集量見(jiàn)圖3。從圖2、圖3中可以發(fā)現(xiàn)，油的分布符合縫洞型油氣藏分布的特點(diǎn)——呈零散狀、層狀分布，既受構(gòu)造控制也受巖性控制，油氣運(yùn)移局限在主通道上。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1基本地質(zhì)特征

實(shí)例位于塔里木盆地塔中地區(qū)，三維地質(zhì)體為塔中S6區(qū)塊，目的層為良里塔格組良1段和良2段。S6區(qū)塊大小為30.9 km×16.8 km，面積約524 km2，從不整合面向下縱向厚度約140 m。平面模擬網(wǎng)格長(zhǎng)度為150 m×150 m，縱向網(wǎng)格長(zhǎng)度為14 m，三維網(wǎng)格數(shù)230 720個(gè)(206×112×10)。根據(jù)三維地震反演成果，繪制出10個(gè)小層的孔隙度分布(圖4)。從圖4可見(jiàn)，從上到下孔隙度由大變小，塔中1號(hào)斷裂帶的下降盤孔隙度反而比上升盤大。

圖2 塔里木盆地碳酸鹽巖縫洞巖體假想三維地質(zhì)模型中追蹤的油氣運(yùn)移路徑

圖3 塔里木盆地碳酸鹽巖縫洞巖體假想三維地質(zhì)模型中各小層油氣聚集量模擬結(jié)果

圖4 塔里木盆地塔中地區(qū)S6區(qū)塊10個(gè)小層的孔隙度分布

3.2兩種模擬結(jié)果對(duì)比

根據(jù)盆地模擬結(jié)果分析[21]，油源來(lái)自東北方向的滿加爾凹陷。研究區(qū)三維地質(zhì)體有兩種可能的供油氣方式：第一，沿著不整合面進(jìn)入；第二，沿著塔中1號(hào)斷裂帶進(jìn)入。圖5a,b中紅色線分別為第1種和第2種供油氣方式的模擬路徑。圖6a,b分別為第1種和第2種供油氣方式的模擬結(jié)果——聚集量?？梢?jiàn)，兩種模擬結(jié)果的共同點(diǎn)是：在斷裂帶的上升盤，油氣聚集位置基本相同，主要受構(gòu)造控制；不同點(diǎn)是：在斷裂帶的下降盤，前者聚集了巖性油氣藏，后者沒(méi)有油氣藏分布。

4 結(jié)論

1)塔里木盆地中下奧陶統(tǒng)不整合面頂面向下，分別發(fā)育上、中、下3種不同特征的巖溶帶。上帶平均孔隙度可達(dá)8%～10%；中帶平均孔隙度小于上帶，約為6%～8%；下帶平均孔隙度可達(dá)3%～6%。碳酸鹽巖體的基質(zhì)孔隙較小，一般小于3%。

2)三維侵入逾滲模型有3個(gè)要點(diǎn)：第一，沿著最小阻力方向追蹤；第二，遇到障礙回注；第三，改變路徑、尋找最薄弱環(huán)節(jié)繼續(xù)運(yùn)移。該模型經(jīng)過(guò)隨機(jī)模擬數(shù)據(jù)測(cè)試和塔中實(shí)際數(shù)據(jù)驗(yàn)證，說(shuō)明適合于不整合面下縫洞巖體油氣運(yùn)聚模擬。

3)塔中地區(qū)不整合面下縫洞巖體油氣運(yùn)聚主要受構(gòu)造和物性變化控制，不管是油氣通過(guò)斷面還是不整合面運(yùn)移，在目的層構(gòu)造高部位是主要的油氣聚集區(qū)；在順層斜坡處，只有部分孔隙度變化較大的位置聚集了巖性油氣藏。因此，優(yōu)先的鉆探目標(biāo)是有油氣供給的構(gòu)造圈閉，其次是不整合面物性變化帶，即巖性圈閉。

圖5 塔里木盆地塔中地區(qū)S6區(qū)塊兩種供油氣方式下的油氣運(yùn)移路徑模擬結(jié)果

圖6 塔里木盆地塔中地區(qū)S6區(qū)塊兩種供油氣方式下的油氣聚集量模擬結(jié)果

[1] 潘忠祥.不整合對(duì)于油氣運(yùn)移聚集的重要性[J].石油學(xué)報(bào),1983,4(4):1-10．

[2] 羅小龍,湯良杰,謝大慶,等.塔里木盆地雅克拉斷凸中生界底界不整合及其油氣勘探意義[J].石油與天然氣地質(zhì),2012,33(1)：30-36.

[3] 李坤,沈忠民,肖宗林.卡塔克古隆起油氣運(yùn)移輸導(dǎo)體系演化特征[J].斷塊油氣田,2011,18(3)：317-320.

[4] 李珂,李允,劉明.縫洞型碳酸鹽巖油藏儲(chǔ)量計(jì)算方法研究[J].石油鉆采工藝,2007,29(2):103-104，107.

[5] 劉衛(wèi)華,黃健全,胡雪濤,等.碳酸鹽巖氣藏儲(chǔ)量計(jì)算新方法[J].天然氣地球科學(xué),2005,16(5):599-601．

[6] 呂修祥.塔里木盆地不整合面石油運(yùn)移散失量的實(shí)驗(yàn)研究[J].石油大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2000,24(4):112-114．

[7] 魯新便.巖溶縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)集層的非均質(zhì)性研究[J].新疆石油地質(zhì),2003,24(4):360-362．

[8] 石廣仁,馬進(jìn)山,常軍華.三維三相達(dá)西流法及其在庫(kù)車坳陷的應(yīng)用[J].石油與天然氣地質(zhì),2010,31(4):403-409．

[9] 趙健,羅曉容,張寶收,等.塔中地區(qū)志留系柯坪塔格組砂巖輸導(dǎo)層量化表征及有效性評(píng)價(jià)[J].石油學(xué)報(bào),2011,32(6):949-958．

[10] 裴宗平,韓寶平,韓彥麗,等.任北奧陶系巖溶發(fā)育規(guī)律及對(duì)油田開(kāi)發(fā)的影響[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,29(4):368-372．

[11] 張抗.中國(guó)碳酸鹽巖巖溶縫洞儲(chǔ)集體類型和塔河油田性質(zhì)[J].西北油氣勘查與開(kāi)發(fā),2002(2):1-8．

[12] 漆立新,云露.塔河油田奧陶系碳酸鹽巖巖溶發(fā)育特征與主控因素[J].石油與天然氣地質(zhì),2010,31(1):1-12．

[13] 彭守濤,何治亮,丁勇,等.塔河油田托甫臺(tái)地區(qū)奧陶系一間房組碳酸鹽巖儲(chǔ)層特征及主控因素[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2010,32(2):108-114．[14] 蘇江玉,俞仁連.對(duì)塔河油田油氣成藏地質(zhì)研究若干問(wèn)題的思考[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2011,33( 2):105-112．

[15] 楊俊,姜振學(xué),向才富,等.塔里木盆地塔中83-塔中16井區(qū)碳酸鹽巖油氣特征及其成因機(jī)理[J].石油與天然氣地質(zhì),2012,33(1)：101-110.

[16] 王禹川,王怒濤,袁曉滿,等.碳酸鹽巖縫洞型油藏產(chǎn)能評(píng)價(jià)方法探討[J].斷塊油氣田,2011,18(5)：637-640.

[17] 楊輝廷,江同文,彥其彬,等.縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)層三維地質(zhì)建模方法初探[J].大慶石油地質(zhì)與開(kāi)發(fā),2004,23(4):11-16．

[18] 趙敏,康志宏,劉潔.縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)集層建模與應(yīng)用[J].新疆石油地質(zhì),2008,39(3):318-320．

[19] 張淑品,陳福利,金勇.塔河油田奧陶系縫洞型碳酸鹽巖儲(chǔ)集層三維地質(zhì)建模[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),2007,34(2):175-180．

[20] 魯新便,趙敏,胡向陽(yáng),等.碳酸鹽巖縫洞型油藏三維建模方法技術(shù)研究:以塔河奧陶系縫洞型油藏為例[J].石油實(shí)驗(yàn)地質(zhì),2012,34(2):193-198.

[21] 張慶春,石廣仁,米石云,等.油氣系統(tǒng)動(dòng)態(tài)數(shù)值模擬研究(二):塔里木盆地滿加爾油氣系統(tǒng)模擬分析[J].石油勘探與開(kāi)發(fā),2001,28(5):33-36.

(編輯徐文明)

Hydrocarbonmigrationandaccumulationmodeloffractured-vuggyreservoirunderunconformitysurface:A case study of carbonate reservoir in Tarim Basin

Guo Qiulin1, Yang Wenjing2, Xiao Zhongyao2, Lu Yuhong2, Xie Hongbing1,3, Gao Rili1, Huang Shaoying2

(1.ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,PetroChina,Beijing100083,China; 2.ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,TarimOilfieldCompany,PetroChina,Korla,Xinjiang841000,China; 3.CollegeofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

It is difficult to accurately evaluate petroleum resources or reserves in the fractured-vuggy carbonate rocks under unconformity surface using traditional volumetric method. This paper proposes a three-dimensional invasion percolation model (3D-IP) to simulate hydrocarbon migration and accumulation in fractured-vuggy carbonate rocks, based on three-dimensional geologic modeling, structure, porosity and the quantity of supplied hydrocarbon data. The model has 3 main points: (1) Trace migration paths along the direction with least resistance; (2) When an obstacle is encountered, oil and gas flow back; (3) When the balance between driving force and resistance is broken, oil and gas continue to migrate by finding the weakest points and paths. The model can make up for the inadequacy of the volumetric method. It can predict not only the amount of petroleum resources, but also their locations. By stochastic model experiment and practical application of Block S6 in Tazhong area of the Tarim Basin, this paper confirms the validity and superiority of the proposed model, and points out potential targets in Block S6, thus giving exploration direction of fractured-vuggy reservoir in the slope area.

hydrocarbon migration and accumulation; invasion percolation; fractured-vuggy reservoir; unconformity surface; carbonate rock; basin modeling; Tarim Basin

1001-6112(2013)05-0495-05

10.11781/sysydz201305495

TE122.1+2

A

2012-08-20；

2013-07-14。

郭秋麟(1963—)，男，博士，教授級(jí)高工，從事油氣資源評(píng)價(jià)、盆地評(píng)價(jià)與數(shù)值模擬等研究。E-mail: qlguo@petrochina.com.cn。

國(guó)家重大科技專項(xiàng)“巖性地層區(qū)帶、圈閉評(píng)價(jià)與儲(chǔ)層預(yù)測(cè)技術(shù)研究”( 2011ZX05001)和中國(guó)石油科技攻關(guān)項(xiàng)目“盆地模擬技術(shù)研究”(2008A-0602)資助。