南翼山油田淺層低壓油氣藏形成機(jī)理

房 媛，湯達(dá)禎，許 浩，王 凱，喻廷旭

(1.海相儲層演化與油氣富集機(jī)理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083;2.頁巖氣勘查與評價(jià)國土資源部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 中國地質(zhì)大學(xué)，北京 100083;3.中油青海油田分公司，甘肅 敦煌 736202)

引 言

隨著油氣勘探的深入，在越來越多的盆地中發(fā)現(xiàn)了異常低壓油氣藏，鄂爾多斯盆地上古生界氣藏、松遼盆地北部扶余油層和東南緣的十屋斷陷、百色盆地東部凹陷、三塘湖盆地侏羅系低壓油藏都發(fā)育不同程度的異常低壓油氣藏[1]。異常低壓油氣藏的成因、異常低壓與油氣成藏的關(guān)系及低壓油藏的分布規(guī)律等問題的研究逐漸受到石油地質(zhì)學(xué)家的重視，深入探討盆地低壓油藏的形成過程和形成機(jī)制，有助于揭示低壓油藏的分布規(guī)律，為低壓油藏的勘探開發(fā)提供科學(xué)依據(jù)，并且對油田安全、鉆井、完井等具有借鑒意義。

南翼山油氣藏是目前柴達(dá)木盆地西部北區(qū)發(fā)現(xiàn)的最大油氣藏，其深層下干柴溝組(E32)為凝析氣藏，淺層上油砂山組(N22)是正常密度的油藏，根據(jù)已有試油資料及鉆井、完井報(bào)告發(fā)現(xiàn)，南翼山淺層油藏具有自然產(chǎn)能低、鉆井液漏失頻發(fā)、地層壓力系數(shù)普遍偏低的特征，而深部凝析氣藏具有明顯高壓特征。前人對南翼山油田的地質(zhì)特征研究認(rèn)識較多[2-4]，但在其異常低壓形成機(jī)制方面研究較少。國內(nèi)學(xué)者圍繞異常低壓成因開展了大量研究，分析了不同地區(qū)、不同地質(zhì)條件下低壓形成的控制因素，認(rèn)為構(gòu)造抬升、耗水作用和油氣散失等是形成低壓的主要原因[5-7]。本文選取南翼山淺層上油砂山組(N22)油藏進(jìn)行詳細(xì)解剖，基于前人研究成果，研究以油氣成藏為核心的盆地演化過程中地質(zhì)因素對異常低壓演化的控制作用，明確低壓體系的形成演化機(jī)制及其與油氣成藏過程之間的耦合關(guān)系。

1 地質(zhì)概況

南翼山構(gòu)造是柴達(dá)木盆地西部坳陷茫崖凹陷南翼山背斜帶上的一個三級構(gòu)造，該構(gòu)造的西北為小梁山構(gòu)造，東北為尖頂山構(gòu)造，東南為大風(fēng)山構(gòu)造，西南為油泉子構(gòu)造(圖1)。地面構(gòu)造軸線呈北西—南東向，為一大而平緩的箱狀背斜，構(gòu)造長為39.3 km，寬為15.7 km，面積為620 km2，兩翼基本對稱。該區(qū)自上而下鉆遇獅子溝組(N23)、上油砂山組(N22)、下油砂山組(N21)、上干柴溝組(N1)、下干柴溝組上段(E32)、下干柴溝組下段(E31)、路樂河組(E1+2)7套地層。柴西地區(qū)自經(jīng)歷E1+2—N1的湖侵后，湖盆主要分布在柴西南區(qū)，N1晚期開始進(jìn)入湖退階段，湖盆沉積中心自西南向北東方向遷移。N21—N22時(shí)期柴西北區(qū)廣泛發(fā)育較深湖、淺湖和濱湖相，為碳酸鹽巖的普遍分布提供了沉積背景。該沉積時(shí)期，南翼山地區(qū)離物源區(qū)較遠(yuǎn)，但柴達(dá)木盆地的區(qū)域構(gòu)造活動性較強(qiáng)，氣侯變得更加干旱，陣發(fā)性或季節(jié)性洪水流時(shí)常注入湖盆，將細(xì)粒的泥質(zhì)和粉砂質(zhì)帶入南翼山地區(qū)，沉積物粒度普遍較小。

圖1 研究區(qū)地理位置

2 壓力分布特征

南翼山淺層35口井共42個實(shí)測地層壓力數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)表明，異常低壓(壓力系數(shù)小于0.90)占52.38%，常壓(壓力系數(shù)為 0.90～1.10)占38.09%，異常高壓(壓力系數(shù)大于 1.10)占9.53%，南翼山淺層地層壓力基本分布在1.27～33.97 MPa之間，平均為13.38 MPa。地層壓力系數(shù)基本分布在0.71～1.28之間，平均為0.92(圖2)。南翼山淺層地層壓力隨深度的增加逐漸增大，呈現(xiàn)出明顯的淺部異常低壓、中部常壓和深部異常高壓的特征。在埋深小于1 200 m左右的地層，其壓力與埋深的線性相關(guān)性較好，當(dāng)埋深大于1 200 m后線性相關(guān)性較差，即在相同深度段地層壓力較為分散。總的來說，南翼山中淺層油氣藏地層壓力以低壓為主，伴隨部分常壓和少量高壓。南翼山淺層儲層物性非均質(zhì)強(qiáng)，儲層連通性差。將淺層油藏分割為不同的次級壓力系統(tǒng)，呈現(xiàn)出異常低壓、常壓和異常高壓共存的特征，此外油氣充注強(qiáng)度差異對南翼山淺層油藏的壓力具有重要影響，從壓力分布可以看出，對于不同類型的產(chǎn)層，壓力數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出油層—油水層—水層逐漸降低的趨勢，即油氣充注越強(qiáng)地層壓力越高。

圖2 南翼山淺層油藏地層壓力與深度關(guān)系

3 淺層低壓油氣藏形成機(jī)理

3.1 壓力封存箱封閉機(jī)制

壓力封存箱能夠以獨(dú)立的流體系統(tǒng)存在，得益于其良好的封閉性。南翼山中淺層地層水平均總礦化度為264 g/L，受表層大氣淡水影響較小，具有良好的封閉性。鈉氯系數(shù)是表征地下水變質(zhì)程度的水文地球化學(xué)重要參數(shù)之一，地層水封閉越好、越濃縮，變質(zhì)越深，其鈉氯系數(shù)比值越小，越利于油氣保存，南翼山淺層地層水氯鈉系數(shù)為0.499～0.661，平均值為0.562，是變質(zhì)的沉積水或高度變質(zhì)的滲透水[8]，表明該區(qū)發(fā)生了濃縮變質(zhì)作用，地層具有較好的封閉性。南翼山淺層油藏原油密度集中分布在0.82 g/cm3左右，原油黏度集中分布在6.4 mPa·s左右。從原油密度和黏度來看，屬于輕質(zhì)、低黏度原油，說明南翼山淺層原油幾乎未遭受到細(xì)菌的分解、氧化及地層水沖刷作用，封閉條件較好。

柴達(dá)木盆地西部北區(qū)從下干柴溝組上段到上油砂山組長期處于湖泊相，沉積了巨厚的含蒸發(fā)巖類泥巖層，該區(qū)古近系—新近系咸化湖盆在剖面上大致可以分成2個咸化旋回，路樂河組—上干柴溝組為第1個咸化旋回，下油砂山組—獅子溝組為第2個咸化旋回，每個旋回都沉積了厚層泥巖、鈣質(zhì)泥巖夾鹽巖及石膏層。上干柴溝組和下干柴溝組上段的成熟烴源巖具有毛細(xì)管和異常壓力雙重封閉機(jī)制，有效地阻止了油氣逸散和流體運(yùn)移，對淺部的異常低壓—常壓油藏和深部的異常高壓氣藏的封閉起重要作用。因此上油砂山組上部致密的夾膏鹽層鈣質(zhì)泥巖和泥灰?guī)r成為南翼山中淺層封存箱優(yōu)質(zhì)的頂板，上干柴溝組下部和下干柴溝組上部為南翼山中淺層封存箱良好的底板，上油砂山組次級湖泊咸化旋回沉積的夾膏巖鹽泥巖層將淺層封存箱分為垂向疊置的上部異常低壓和下部常壓—弱異常高壓兩部分。

南翼山淺層封存箱的側(cè)向封隔以壓性、壓扭性的高角度逆沖斷層為主，黏土涂抹是導(dǎo)致斷層側(cè)向封閉的主要因素[9]。黏土涂抹指在斷裂形成過程中，塑性的泥巖被拖曳進(jìn)斷裂帶敷在斷面上形成黏土隔膜。南翼山中淺層泥巖、泥灰?guī)r和泥質(zhì)粉砂巖等頻繁交替，泥質(zhì)含量高，因此斷裂帶填充物泥質(zhì)含量高。在高泥質(zhì)含量和壓性應(yīng)力條件下，強(qiáng)拖曳效應(yīng)以及黏土涂抹，致使該區(qū)壓性逆沖斷層和壓扭性平移斷層形成側(cè)向封閉。南翼山咸化湖水環(huán)境沉積的藻灰?guī)r、顆?；?guī)r和粉砂巖厚度薄、面積小、相變快，鈣質(zhì)泥巖在壓實(shí)排液過程中釋放的Si、Ca、Fe和Mg等離子致使儲層成巖作用強(qiáng)烈，物性普遍較差，儲層內(nèi)和儲層間連通性較差，儲層物性漸變帶和相變帶使南翼山中淺層側(cè)向封閉性較好(圖3)。

圖3 南翼山淺層封存箱封閉機(jī)制模式

3.2 低壓成因分析

南翼山淺層油氣藏具有良好的封閉性，對于封閉性油藏，潛水面高低、輕烴散失等對其低壓形成影響微弱。結(jié)合南翼山構(gòu)造和成藏特征，筆者認(rèn)為構(gòu)造抬升造成的孔隙反彈和溫度降低是南翼山淺層低壓油藏形成的主要原因。柴達(dá)木盆地構(gòu)造運(yùn)動十分頻繁，尤其是上新世末的喜山運(yùn)動晚期，使柴西的茫崖坳陷徹底結(jié)束了坳陷的發(fā)展時(shí)期而進(jìn)入了褶皺上升回返階段，現(xiàn)今的英雄嶺褶皺帶為一個第四紀(jì)經(jīng)構(gòu)造反轉(zhuǎn)形成的盆內(nèi)山[10]。強(qiáng)烈的構(gòu)造運(yùn)動導(dǎo)致南翼山等構(gòu)造隆起遭受剝蝕，運(yùn)用地層對比法等對南翼山地層剝蝕量進(jìn)行恢復(fù)，其核部剝蝕量在1 000 m左右，南翼山淺層最大埋深時(shí)溫度達(dá)80～90℃(圖4)，現(xiàn)今南翼山淺層地層溫度平均值為30～40℃，故其溫度降低量在50℃左右。

構(gòu)造抬升過程中孔隙體積和溫度發(fā)生變化，從而影響孔隙流體壓力，許浩基于流體狀態(tài)方程等，通過公式(1)定量化分析了構(gòu)造抬升對儲層壓力的影響[11]:

式中:右邊第一部分表示上覆地層載荷的改變導(dǎo)致孔隙壓力的變化，第二部分表示地層在沉降或剝蝕過程中，由于溫度改變而導(dǎo)致孔隙壓力的變化。針對南翼山油田實(shí)際情況，取巖石泊松比v為0.25，根據(jù)17塊巖心覆壓孔隙實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，巖石孔隙體積壓縮系數(shù) βr取21×10-4MPa-1，流體壓縮系數(shù) βf為5 ×10-4MPa-1，巖石密度 ρr為2.4 ×103kg/m3，剝蝕厚度Δh為1 000 m，液體膨脹系數(shù)αf為4×10-4℃-1，抬升前后溫度變化量 為80℃。

利用公式(1)計(jì)算南翼山由于構(gòu)造抬升孔隙反彈和溫度降低所引起的地層孔隙流體壓力的變化量分別為10.50 MPa和7.68 MPa左右。根據(jù)現(xiàn)今淺層油藏試油壓力及其深度，結(jié)合構(gòu)造抬升所造成的壓力降低量和古埋深，即可恢復(fù)構(gòu)造抬升前油藏古壓力系數(shù)。

經(jīng)計(jì)算，南翼山淺層油藏抬升前古壓力系數(shù)為1.2左右，表明南翼山淺層低壓油藏是由構(gòu)造抬升前的高壓油藏轉(zhuǎn)化而來。

圖4 南翼山壓力演化與埋藏史和生烴史關(guān)系

3.3 油氣成藏與低壓演化

下干柴溝組上段沉積時(shí)期，南翼山在40.5～42.8 Ma地質(zhì)時(shí)期內(nèi)，沉積物快速堆積了近1 200 m的巨厚泥質(zhì)巖層，形成了相對封閉的壓力封存體系，不僅是早期異常高壓產(chǎn)生的必要條件，也為后期積累、加劇的增壓作用奠定了基礎(chǔ)，此時(shí)南翼山進(jìn)入欠壓實(shí)增壓期。下干柴溝組上段和上干柴溝組烴源巖在喜山運(yùn)動晚期前，地層持續(xù)埋藏到較大的深度，有機(jī)質(zhì)達(dá)到成熟、高成熟階段，此時(shí)溝通深淺的斷層通道尚未形成，生成的油氣主要以自生自儲形式儲集在烴源巖內(nèi)及其附近，隨著生烴量和埋深增加，生成的油氣受運(yùn)移條件限制不能有效的釋放壓力，壓力系統(tǒng)逐漸由常壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦邏海摃r(shí)期處于深部沉降生烴增壓階段。喜山運(yùn)動晚期(獅子溝組末)由于構(gòu)造活動產(chǎn)生了溝通深淺層的烴源斷層，斷裂帶的擴(kuò)容作用以及剝蝕區(qū)的回彈卸壓作用，在斷裂帶及剝蝕區(qū)形成卸壓油氣運(yùn)移區(qū)，深部原生油氣藏遭受破壞的同時(shí)，在深部異常高壓的作用下向上部快速充注，然后在淺部成藏。由于油氣通過斷層充注強(qiáng)度的差異，造成地層壓力的分異，與斷層連接性好的儲層油氣充注強(qiáng)，形成較高壓油藏。斷層作為油氣運(yùn)移通道具有快速、幕式成藏特征，斷層活動期后，封閉性逐漸增強(qiáng)，其后的新構(gòu)造運(yùn)動抬升剝蝕作用，使得南翼山淺層油藏進(jìn)入構(gòu)造抬升降壓期。一方面由于孔隙反彈和溫度降低作用使得淺層油藏壓力降低，另一方面由于烴源巖埋藏變淺而生烴作用基本停滯，后期供烴嚴(yán)重不足，難以為孔隙流體增壓提供有利條件，持續(xù)的抬升剝蝕演化至今形成南翼山淺層低壓油藏(圖5)。

圖5 南翼山淺層油藏成藏與壓力演化

4 結(jié)論

(1)南翼山油田淺層油藏以低壓為主，伴隨部分常壓和少量高壓。儲層非均質(zhì)強(qiáng)、連通性差和油氣充注強(qiáng)度差異將淺層油藏分割成不同的次級壓力系統(tǒng)，從而造成南翼山淺層油藏異常低壓、常壓和異常高壓共存的特征。

(2)南翼山淺層地層水和原油特征共同反映出淺層油藏具有良好的封閉性條件。湖盆咸化沉積的、塑性較高的含膏質(zhì)泥巖為南翼山淺層油藏垂向封閉性提供良好條件，儲層物性漸變帶和斷層泥質(zhì)涂抹為側(cè)向封閉提供重要保障。

(3)利用定量分析方法計(jì)算出南翼山孔隙反彈和溫度降低所引起的孔隙流體壓力的降低量分別為10.50MPa和7.68MPa。南翼山淺層油藏是喜山晚期深部油藏向淺部充注形成，經(jīng)深部欠壓實(shí)增壓階段、沉降生烴增壓階段和構(gòu)造抬升降壓階段轉(zhuǎn)化為至今的低壓油藏。

[1]許浩，張君峰，湯達(dá)禎，等.低壓油氣藏形成機(jī)制研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].地球科學(xué)進(jìn)展，2009，24(5):506-511.

[2]吳興錄.柴達(dá)木盆地南翼山構(gòu)造裂縫儲層特征[J].特種油氣藏，2004，10(6):16-19.

[3]崔俊，陳登錢，姚熙海，等.南翼山油田淺層顆?；?guī)r孔隙類型及成巖作用分析[J].特種油氣藏，2008，15(4):58-62.

[4]劉偉，林承焰，王國明，等.柴西北地區(qū)南翼山油田低滲透儲層特征與成因分析[J].石油學(xué)報(bào)，2009，30(3):417-421.

[5]江濤，陳剛，丁超，等.鄂爾多斯盆地神木—米脂地區(qū)上古生界天然氣藏壓力分布特征[J].特種油氣藏，2010，17(3):48-51.

[6]夏新宇，宋巖.沉降及抬升過程中溫度對流體壓力的影響[J].石油勘探與開發(fā)，2001，28(3):8-11.

[7]高崗，剛文哲，范泓澈，等.含油氣盆地異常低壓成因研究現(xiàn)狀[J].天然氣地球科學(xué)，2008，19(3):311-315.

[8]沈照理.水文地球化學(xué)基礎(chǔ)[M].北京:地質(zhì)出版社，1986:85-88.

[9]楊智，何生，王錦喜，等.斷層泥比率(SGR)及其在斷層側(cè)向封閉性評價(jià)中的應(yīng)用[J].天然氣地球科學(xué)，2005，16(3):347-351.

[10]鐘建華，郭澤清，楊樹鋒，等.柴達(dá)木盆地茫崖坳陷古近系-新近系Ro分布特征及地質(zhì)意義[J].地質(zhì)學(xué)報(bào)，2004，78(3):407-415.

[11]張君峰，許浩.中西部地區(qū)典型低壓油氣藏形成機(jī)制[M].地質(zhì)出版社，2009:15-18.