渤海灣盆地濰北凹陷致密氣成藏過(guò)程分析

孫耀庭

(中國(guó)石化勝利油田分公司地質(zhì)科學(xué)研究院，山東東營(yíng) 257061)

致密氣是指有效滲透率小于等于0.1 mD、孔隙度小于等于10%的砂巖地層天然氣，在我國(guó)發(fā)育有大量低滲透致密含氣砂巖，其中蘊(yùn)藏著豐富的天然氣資源［1-2］。隨著勘探程度逐漸加深，低滲透致密砂巖中的油氣資源在我國(guó)油氣資源中的比例還將不斷擴(kuò)大，故對(duì)這類氣藏成藏機(jī)理研究具有十分重要的意義。

濰北凹陷是郯廬斷裂帶內(nèi)部的一個(gè)小型新生代走滑拉分盆地，勘探面積880 km2，平面上大體呈菱形(圖1);盆地主要形成于古近紀(jì)，孔店組沉積厚度大，其中孔二段是烴源巖層，有機(jī)質(zhì)類型以Ⅱ1-Ⅱ2型為主［3］，已進(jìn)入成熟—高成熟階段，生成煤型氣和裂解氣。根據(jù)最新資源評(píng)價(jià)結(jié)果，天然氣資源量為405×108m3?？锥我彩菫H北深層氣的主要成藏層段，在孔二中亞段沉積時(shí)期，各種類型的扇體廣泛發(fā)育，包括扇三角洲、沖積扇和濁積扇，構(gòu)成了本區(qū)的主要儲(chǔ)層［4］;孔二下亞段和上亞段為厚層暗色泥巖夾薄層砂巖沉積，形成了良好的生儲(chǔ)蓋組合。北部洼陷帶發(fā)育致密砂巖氣藏，表明北部洼陷帶氣藏存在較大勘探潛力，但是洼陷帶致密氣藏的成藏特征、形成時(shí)期及影響因素尚不明確，制約了勘探進(jìn)展［5］。本文擬通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)測(cè)定含氣飽和度影響因素，分析致密氣成藏期次，明確濰北凹陷深層致密氣藏成藏過(guò)程。

圖1 濰北凹陷區(qū)域位置Fig.1 Regional location of Weibei Sag

1 濰北凹陷致密氣藏特征

濰北凹陷致密氣藏所處的區(qū)域構(gòu)造部位位于北部洼陷帶，孔二段暗色泥巖、碳質(zhì)泥巖發(fā)育，沉積厚度大，沉積環(huán)境以淺湖—深湖環(huán)境下的沖積扇和扇三角洲沉積為主，部分為淺湖—濱湖—沼澤相沉積(圖2)。北部洼陷帶孔二段暗色泥巖的地球化學(xué)分析結(jié)果表明，有機(jī)碳和氯仿瀝青“A”含量均很高。如央5井泥巖樣的平均有機(jī)碳含量達(dá)5.59%，平均氯仿瀝青“A”含量達(dá)7 698×10-6，干酪根類型主要為Ⅲ型，部分為Ⅱ型，表明孔二段暗色泥巖為較好的生氣巖;碳質(zhì)泥巖的各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于暗色泥巖，干酪根類型為Ⅲ型，為優(yōu)質(zhì)氣源巖?？锥伟瞪鄮r的熱解地球化學(xué)分析表明，生油巖S2峰頂溫度均在447～492℃之間，埋深3 400 m達(dá)到460℃以上，且隨埋深增大而增大，在埋深4 200 m達(dá)到485℃，推測(cè)本區(qū)埋深大于3 500 m的烴源巖已進(jìn)入生成濕氣的階段。因此北部洼陷帶孔二段為很好的氣源巖，可以為致密氣成藏提供氣源。

圖2 濰北凹陷孔二段綜合柱狀圖Fig.2 Integrated histogram of 2nd member of Kongdian Formation in Weibei Sag

濰北凹陷致密氣藏的主要儲(chǔ)集層為孔二段砂巖和部分白云質(zhì)砂巖，占孔二段總厚度的15% ～34%。隨著埋藏深度的增大，孔隙度明顯減小，至埋深3 000 m以下，孔隙度基本在10%以下，而滲透率隨深度變化不明顯，大多小于0.2×10-3μm2?？滓欢紊喜看蠖文鄮r及孔二段暗色泥巖發(fā)育段，為致密氣藏的主要蓋層，其中孔二段暗色泥巖發(fā)育段為重要的蓋層。孔二段是沼澤化濱淺湖相—半深湖相沉積的暗色泥巖，夾油頁(yè)巖、碳質(zhì)泥巖、白云質(zhì)砂巖等，泥巖的單層厚度為5～10 m，最厚達(dá)15 m，是較好的蓋層。圈閉類型主要受構(gòu)造和儲(chǔ)層兩大因素控制。本區(qū)北部洼陷帶孔店組主要為巖性圈閉，是依靠?jī)?chǔ)層橫向的相變或者自身儲(chǔ)集性能的變化形成封堵條件。一般儲(chǔ)層發(fā)育不好，多相變或者儲(chǔ)層性質(zhì)變化大，對(duì)構(gòu)造要求比較低，并且多發(fā)育于前扇三角洲亞相、外扇亞相以及呈薄層狀、透鏡狀砂巖發(fā)育區(qū)，形成自生自儲(chǔ)自蓋組合，有利于致密氣藏的形成。

致密氣藏的天然氣相對(duì)密度介于0.563 9～0.743 7之間，平均為0.672 2;甲烷含量介于72.48% ～87.24%之間，平均為79.32%;天然氣干燥系數(shù)C1/C1+在0.762～0.928之間，平均為 0.820，表明為濕氣特征，并且隨著深度的增加，干燥系數(shù)呈增大的趨勢(shì)［6］。δ13C1在-33.35‰ ～ -39.98‰之間，為煤型氣與油型氣的混合氣，其中煤型氣的含量可能要大于油型氣，主要分布在大于3 300 m的孔二段地層，儲(chǔ)層具有自生自儲(chǔ)的特征。

2 致密氣充注實(shí)驗(yàn)

2.1 致密氣藏概念模型

致密氣藏的源巖與儲(chǔ)層之間一般表現(xiàn)為直接相鄰、大面積接觸或源、儲(chǔ)同層以及儲(chǔ)層四周被源巖包圍的特點(diǎn)。致密氣的運(yùn)聚成藏可分為2個(gè)過(guò)程:第一個(gè)過(guò)程為氣的充注過(guò)程，即氣從氣源巖進(jìn)入儲(chǔ)集層;第二個(gè)過(guò)程則為氣在儲(chǔ)集層中的運(yùn)移和聚散過(guò)程［7-10］。致密砂層中油氣上浮和運(yùn)移的主要阻力為界面阻力(如摩擦力、毛細(xì)管力和黏滯力等)，其中毛細(xì)管力起主要作用［11-13］;臨界孔隙直徑和孔喉半徑的大小取決于氣水之間的密度差、氣柱高度以及巖石孔隙結(jié)構(gòu)和砂層傾角等。與孔隙中連續(xù)的達(dá)西流不同，氣體在致密砂巖中的運(yùn)移是不連續(xù)的，或脈沖式的，據(jù)此建立孔隙尺度下的天然氣運(yùn)移模式(圖3)。對(duì)于上傾的致密砂層中的連通孔隙，在靠近氣源的部位，所有可動(dòng)水被驅(qū)替，此時(shí)浮力Fb=0，如果界面阻力Fi＞Fb，氣體不能向上運(yùn)移，整個(gè)孔隙將被氣體充滿，從而形成氣藏，若Fi＜Fb，氣體則向上傾方向逸散;在離氣源稍遠(yuǎn)的部位，可動(dòng)水環(huán)繞氣體，若Fi＞Fb，氣體被圈閉在孔隙中，若Fi＜Fb，則氣體繼續(xù)向上傾方向逸散;離氣源遠(yuǎn)的部位，儲(chǔ)層的孔隙半徑增大，F(xiàn)b＞Fi，在浮力作用下，氣體將向上傾方向散失。因此在剖面上從洼陷帶向著斜坡帶，致密氣藏可能出現(xiàn)含氣帶、氣水過(guò)渡帶和含水帶。

圖3 孔隙尺度下的致密氣運(yùn)移模式Fig.3 Migration patterns of tight gas under different porosity conditions

2.2 致密氣充注實(shí)驗(yàn)

當(dāng)天然氣進(jìn)入致密儲(chǔ)層后，氣水兩相流之間的界面力及由此產(chǎn)生的毛細(xì)管壓力構(gòu)成了天然氣運(yùn)移的最主要障礙，只有當(dāng)運(yùn)移動(dòng)力大于毛細(xì)管排驅(qū)壓力臨界值時(shí)，氣體才能夠通過(guò)毛細(xì)管喉道而在各孔隙間流動(dòng)［14-16］。在氣水排驅(qū)過(guò)程中，除了毛細(xì)管壓力以外，還需考慮靜水柱壓力。致密氣藏的形成過(guò)程就是在小孔隙喉道半徑條件下，天然氣在排烴壓力作用下對(duì)儲(chǔ)層孔隙中的可動(dòng)水產(chǎn)生驅(qū)替作用［17］。根據(jù)致密氣藏地質(zhì)特征建立了濰北凹陷致密氣充注的地質(zhì)模型，即孔二中亞段氣源巖生成的氣直接向相鄰的孔二中亞段砂層充注，并在其中聚集成藏。在地層溫壓條件下，充注時(shí)砂巖的孔隙度和滲透率、氣體充注方式、充注壓力、含氣飽和度難以確定，為了探討這些問(wèn)題，我們進(jìn)行了地層溫壓條件下孔二中亞段砂巖氣充注的模擬實(shí)驗(yàn)研究(圖4)。

實(shí)驗(yàn)研究的方法是改變不同的充注壓力(由低到高)，測(cè)定不同充注過(guò)程中的巖心中水飽和度的變化。其中實(shí)驗(yàn)最低充注壓力的確定是難點(diǎn)，其確定原則為:①盡量低，以接近氣驅(qū)水的最小驅(qū)動(dòng)壓力，提高模擬精度;②由于在低充注壓力下飽和度變化慢，穩(wěn)定時(shí)間長(zhǎng)，造成整個(gè)實(shí)驗(yàn)用時(shí)較長(zhǎng)，第一個(gè)充注壓力大小的確定，實(shí)驗(yàn)以其穩(wěn)定時(shí)間在30 h左右的大小為依據(jù)。每一個(gè)充注過(guò)程的穩(wěn)定以水飽和度不再改變?yōu)橐罁?jù)?？紤]到氣驅(qū)水時(shí)氣體對(duì)巖心中的飽和水有攜帶作用，且攜帶部分出口分離器是無(wú)法計(jì)量到的，采取實(shí)驗(yàn)前后稱重的方法對(duì)飽和度的變化進(jìn)行校正。

圖4 濰北凹陷致密氣充注實(shí)驗(yàn)流程Fig.4 Flow chart of tight gas charging in Weibei Sag

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果啟示

實(shí)驗(yàn)結(jié)果(表1)表明，巖心滲透率和孔隙度均與最終含氣飽和度呈良好的對(duì)數(shù)相關(guān)和線性相關(guān)，相關(guān)系數(shù)分別為0.904和0.746，可以應(yīng)用該相關(guān)關(guān)系探討致密氣充注時(shí)儲(chǔ)層的物性情況。由于美國(guó)使用的滲透率為地層原始滲透率，而國(guó)內(nèi)使用的滲透率皆為實(shí)驗(yàn)室常規(guī)條件下測(cè)定的滲透率，兩者在數(shù)值上具有較大的差別，戴金星、袁政文等研究了這種差別，指出中國(guó)的致密砂巖儲(chǔ)氣層實(shí)驗(yàn)室條件下的滲透率應(yīng)為小于 1.0×10-3μm2［18-19］。當(dāng)滲透率為 1.0×10-3μm2時(shí)，儲(chǔ)層的含氣飽和度為30.43%，而孔隙度為13.79%?？紤]到孔隙度與含氣飽和度的相關(guān)性不如滲透率，因此采用滲透率來(lái)反映含氣飽和度。對(duì)于濰北凹陷低孔、低滲儲(chǔ)層，氣體注入這種儲(chǔ)層所需要的注入壓力即驅(qū)替壓力很高，而且含氣飽和度并不大，滲透率為0.208×10-3μm2，當(dāng)驅(qū)替壓力達(dá)到9.85 MPa時(shí)，最終含氣飽和度僅為8.4%。但當(dāng)物性較好時(shí)，驅(qū)替壓力明顯降低，含氣飽和度明顯增大，滲透率為1.22×10-3μm2，當(dāng)驅(qū)替壓力達(dá)到1.82 MPa時(shí)，最終含氣飽和度可達(dá)33.8%(表1)。目前濰北凹陷致密氣藏的含氣飽和度在25% ～50%之間，要使儲(chǔ)層的含氣飽和度達(dá)到50%，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)所得的最終含氣飽和度與滲透率的關(guān)系，儲(chǔ)層的滲透率要達(dá)到8.78×10-3μm2左右，而現(xiàn)今淮北凹陷儲(chǔ)層的滲透率絕大多數(shù)小于0.5×10-3μm2，而且天然氣充注儲(chǔ)層的驅(qū)替壓力很難達(dá)到9 MPa，因此濰北凹陷致密氣藏形成于儲(chǔ)層物性相對(duì)較好的地質(zhì)歷史時(shí)期，致密氣充注時(shí)的物性要好于現(xiàn)今的物性條件，充注時(shí)間較早。

致密氣的最小充注壓力隨著儲(chǔ)層滲透率和含氣飽和度的增大而逐漸降低。當(dāng)滲透率為1.0×10-3μm2時(shí)，最小充注壓力為0.25 MPa。目前濰北凹陷致密氣藏儲(chǔ)層的滲透率絕大多數(shù)小于0.5×10-3μm2，即最小充注壓力必須大于0.52 MPa。由于目前濰北凹陷致密氣藏基本上為常壓或負(fù)壓異常，氣源巖和儲(chǔ)集層之間的壓差很難達(dá)到0.52 MPa，因此推測(cè)濰北凹陷致密氣充注時(shí)的地層壓力可能為異常高壓，并且物性要好于現(xiàn)今的物性條件。

表1 含氣飽和度與孔隙度、滲透率和最小充注壓力關(guān)系Table 1 Relationships among gas saturation，porosity，permeability and minimum charging pressure

2.5 古壓力恢復(fù)及其演化特征

前人研究認(rèn)為，流體包裹體均一溫度、形成溫度、鹽度和形成壓力等4個(gè)參數(shù)之間存在著一定的函數(shù)關(guān)系。其中的均一溫度和鹽度可以測(cè)得，通過(guò)一定的方法確定出包裹體的形成溫度就可以得到其形成壓力。從對(duì)濰北凹陷包裹體捕獲壓力的計(jì)算結(jié)果(表2)可以看出，油氣充注(包裹體被捕獲)時(shí)壓力總體高于正常靜水壓力，古壓力系數(shù)在1.12～1.21之間，地層經(jīng)過(guò)油氣充注后表現(xiàn)為超壓狀態(tài)。但是現(xiàn)今地層壓力系數(shù)總體表現(xiàn)為低壓或常壓，這表明在地層沉積埋藏過(guò)程中，濰北地區(qū)經(jīng)受了大面積的抬升剝蝕，導(dǎo)致巖石骨架反彈，引起巖石孔隙體積的擴(kuò)容，從而導(dǎo)致流體壓力的降低。

根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果及地層剝蝕量計(jì)算結(jié)果，推測(cè)濰北凹陷致密氣藏形成于儲(chǔ)層物性相對(duì)較好的地質(zhì)歷史時(shí)期，此時(shí)濰北凹陷由于受到巖漿劇烈活動(dòng)的影響，古地溫梯度較高，在4.2℃/hm左右，儲(chǔ)層埋深在2 700～3 500 m即形成氣藏充注，此時(shí)儲(chǔ)層滲透率為 1.0×10-3μm2左右，孔隙度一般在10%～12%，天然氣的最小充注壓力大于0.25 MPa，地層壓力具有異常高壓的特點(diǎn)。

表2 濰北凹陷流體包裹體恢復(fù)古壓力數(shù)據(jù)Table 2 Ancient pressure data restored by fluid inclusions in Weibei Sag

3 致密氣成藏期次

流體包裹體的均一溫度可以反映流體充注儲(chǔ)層的期次。根據(jù)流體包裹體均一溫度測(cè)定的結(jié)果，濰北凹陷的油氣流體明顯存在2期充注，第一期流體包裹體的均一溫度主要在90～100℃，發(fā)生在沙河街組沉積早期(52～50.5 Ma)，充注時(shí)間比較短暫、充注量也較小;第二期均一溫度主要在120～160℃之間，而且第二期的包裹體占絕大多數(shù)，主要發(fā)生在沙河街構(gòu)造運(yùn)動(dòng)開(kāi)始之前(43.5～36 Ma)，由于此時(shí)孔二段已開(kāi)始大量生烴或達(dá)到了生烴高峰，該期油氣充注持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)本區(qū)油氣成藏的貢獻(xiàn)最大(圖5)。

4 構(gòu)造運(yùn)動(dòng)對(duì)致密氣藏的影響

渤海灣盆地古近紀(jì)末普遍經(jīng)歷了一次區(qū)域性擠壓，使得該區(qū)結(jié)束了廣泛的斷陷盆地發(fā)育，發(fā)生了普遍的盆地抬升，伸展活動(dòng)中止，隨后的新近紀(jì)以發(fā)育拗陷式盆地為特征。這次擠壓事件使得濰北凹陷遭受大量剝蝕，造成全區(qū)東營(yíng)組—沙三段缺失，沙四段也呈北厚南薄的趨勢(shì)，部分地區(qū)也缺失沙四段。如前面模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，濰北凹陷致密砂巖氣藏形成時(shí)存在異常高壓，而現(xiàn)今地層壓力系數(shù)的范圍在0.68～1.07之間，表現(xiàn)為低壓和正常壓力，所以濰北凹陷致密氣藏經(jīng)歷了一個(gè)由高壓到低壓的發(fā)展過(guò)程，沙河街組沉積末期遍及整個(gè)地區(qū)的構(gòu)造抬升運(yùn)動(dòng)造成上覆地層的巨大剝蝕，使得原來(lái)的異常高壓狀況下的地層被抬升至淺處使之卸壓。盡管后期又沉積了新近系的地層，孔店組地層被埋藏至較深處，但孔店組地層仍然保存了構(gòu)造運(yùn)動(dòng)后的壓力狀態(tài)。沙河街構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成的地層抬升剝蝕，使得地層壓力很快下降到靜水壓力一直至今，濰北凹陷深層致密氣藏的成藏特征表現(xiàn)為早期超壓充注、后期泄壓改造。

圖5 濰北凹陷昌67井沉積埋藏史、熱歷史和油氣充注期次Fig.5 Burial history，thermal history and hydrocarbon charging period of well Chang67 in Weibei Sag

5 濰北凹陷致密氣成藏過(guò)程

根據(jù)上述討論可以勾劃出濰北凹陷致密氣的成藏過(guò)程，將其分為3個(gè)階段(圖6):

圖6 濰北凹陷盆地演化與致密氣成藏過(guò)程Fig.6 Basin evolution and tight gas accumulation process of Weibei Sag

第一個(gè)階段為致密氣藏的形成階段。由于天然氣的不斷生成，天然氣的運(yùn)移動(dòng)力大于氣藏內(nèi)部的運(yùn)移阻力，氣水界面逐漸向上推進(jìn)。若天然氣運(yùn)移動(dòng)力等于最大運(yùn)移阻力，氣水界面推進(jìn)作用達(dá)到平衡;若運(yùn)移動(dòng)力突破最大運(yùn)移阻力，多余的天然氣將越過(guò)氣水界面而繼續(xù)向上運(yùn)移。該階段儲(chǔ)層相對(duì)致密，為異常高壓，表現(xiàn)為不連續(xù)氣相。

第二個(gè)階段為致密氣藏的逸散階段。沙河街構(gòu)造運(yùn)動(dòng)使整個(gè)濰北凹陷整體抬升，沙河街組地層遭受剝蝕，生烴作用停止，同時(shí)致密氣藏泄壓發(fā)生逸散。此時(shí)致密氣的聚集范圍逐漸減小，儲(chǔ)層相對(duì)致密，為異常低壓，表現(xiàn)為連續(xù)氣相。

第三個(gè)階段為致密氣藏的保存階段。隨著構(gòu)造沉降，新近系沉積，孔店組的埋藏深度進(jìn)一步加大，成巖作用加強(qiáng)，儲(chǔ)層變得更致密，致密氣的逸散明顯減少，致密氣藏處于保存階段，致密氣藏為異常低壓，在裂縫發(fā)育部位和甜點(diǎn)表現(xiàn)為連續(xù)氣相，而在致密儲(chǔ)層部位則為不連續(xù)氣相。此時(shí)致密氣的運(yùn)移動(dòng)力為浮力，阻力主要為毛細(xì)管力。當(dāng)儲(chǔ)層物性不均勻時(shí)，天然氣將表現(xiàn)出卡斷、旁流以及竄流等行為特征，導(dǎo)致氣柱的不連續(xù)性分布。所以當(dāng)?shù)貙訔l件表現(xiàn)為物性分層時(shí)，致密氣藏內(nèi)部的氣柱表現(xiàn)為分段性存在，所產(chǎn)生的浮力也將表現(xiàn)為分段性作用特征，致密儲(chǔ)層中就可以產(chǎn)生很高的穩(wěn)定氣柱高度。

濰北凹陷以始新統(tǒng)孔店組沉積為主，其中北部洼陷帶為沉積中心，沉積總厚度可達(dá)8 000 m以上，北部洼陷帶靠近昌北大斷層，應(yīng)力不易集中，故斷層和褶皺不發(fā)育，北部洼陷帶尤其是其西北部，斷裂不發(fā)育，表現(xiàn)為穩(wěn)定的持續(xù)沉降。濰北凹陷的烴源巖主要為孔二段，在北部洼陷帶大于2 000 m，在孔二段烴源巖中，分布著大量的以Ⅲ型干酪根為主的暗色泥巖、碳質(zhì)泥巖、碳質(zhì)頁(yè)巖和煤系地層，并且在北部洼陷帶分布厚度最大，烴源巖Ro＞0.7%，已成熟可大量生氣。北部洼陷帶孔二段廣泛沉積了深湖—半深湖—淺湖相暗色泥巖、碳質(zhì)泥巖和薄煤層，它們既可以作為蓋層，同時(shí)也是本區(qū)的主力烴源巖。此帶的各種砂礫巖體直接插入這些湖相烴源巖中，易形成自生自儲(chǔ)自蓋型致密氣藏，更有利于致密氣藏的保存。綜合上述各個(gè)方面的條件，可以預(yù)測(cè)濰北凹陷北部洼陷帶為致密氣成藏的有利區(qū)(圖7)，勘探部署應(yīng)圍繞烴源巖發(fā)育帶內(nèi)的有利沉積相帶(近岸水下扇扇中和扇三角洲前緣)展開(kāi)。

圖7 濰北凹陷致密氣藏分布有利區(qū)Fig.7 Favorable zones for tight gas reservoirs in Weibei Sag

6 結(jié)論

濰北凹陷北部洼陷帶具有形成致密氣藏的良好地質(zhì)條件，深層致密氣藏經(jīng)歷了2期充注，均發(fā)生在沙河街構(gòu)造運(yùn)動(dòng)之前，以第二次充注為主。成藏經(jīng)歷了一個(gè)由高壓到低壓的發(fā)展過(guò)程，沙河街構(gòu)造運(yùn)動(dòng)造成瀉壓，使致密氣藏遭受了不同程度的破壞，處于保存和改造階段。但由于新近系的沉積使儲(chǔ)層進(jìn)一步致密化，從而有利于孔店組致密氣的保存，因此濰北凹陷深層孔店組致密氣仍有一定的勘探前景。

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(編輯 韓 彧)