油氣運移表征參數(shù)優(yōu)選及運移方式判識

劉 華，景 琛，劉雅利，袁飛飛，盧 浩

(1.中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580； 2. 中國石化 華北油氣分公司 采氣一廠，鄭州 450006；3. 中國石化 勝利油田分公司 勘探開發(fā)研究院，山東 東營 257001)

勘探實踐表明，運移動力能否克服運移阻力是油氣發(fā)生運移、聚集的關鍵[1-4]。近20年來，超壓作為油氣運移的動力受到了學者們的密切關注[5-11]，提出了在構造活動較弱的超壓盆地中，超壓作用下的幕式運移和浮力作用下的漸進式運移是油氣運移的2種重要方式[12-16]，并從流體沸騰包裹體、溫度異常、流體性質(zhì)異常以及超壓裂縫開啟等方面不同程度地證實了超壓是油氣運移的重要動力條件[17-23]。但是，哪些油氣是在超壓驅(qū)動下發(fā)生的運移還未提出相關的區(qū)分證據(jù)，如何定量判別尚未明確，而這些恰是油氣運聚系數(shù)確定與資源量評價的關鍵因素。因此，本文以晚期構造活動較弱、超壓普遍發(fā)育、異常壓力和浮力為主要油氣運移動力的沾化凹陷渤南洼陷[24-28]為例，以沙三段主力烴源巖層系為研究對象，針對幕式運移和浮力作用的機理特點，建立了油氣運移動力和運移方式判識的量化指標，并探討了其有效性和適用條件，以期為油氣運移的機理解釋提供理論依據(jù)。

1 原理及思路

在富油氣盆地中，超壓作用下的幕式運移和浮力作用下的漸進式運移是油氣運移的2種主要方式[13,16]。其中，幕式運移過程中異常壓力或構造活動占據(jù)主導地位，油氣發(fā)生快速、高效的運聚，運移相同距離所需時間短，地質(zhì)色層效應較弱，油氣的殘留組分變化相對較小，并存在混態(tài)運移；漸進式運移過程中，運移動力以浮力為主，油氣易發(fā)生緩慢運移，經(jīng)過某地質(zhì)單元的時間相對較長，地質(zhì)色層效應明顯，油氣的殘留組分變化相對較大。因此，能夠反映油氣運移過程中流體性質(zhì)變化的物性參數(shù)和地化參數(shù)，如原油黏度、密度、輕/重正烷烴、含氮化合物、生物標志化合物等[29-33]會受運移方式的不同產(chǎn)生不同的變化幅度，這種變化幅度的差異性可以用來指示油氣的運移方式和動力。

基于上述思想和原則，筆者提出了“運移參數(shù)變化率(R)”的概念，即某套烴源巖所生成的油氣，其運移指標在單位距離內(nèi)的變化量。以圖1為例，在一條油氣運移的路徑上，A、B2點各自的某運移參數(shù)數(shù)值分別為A運移參數(shù)和B運移參數(shù)，而該范圍內(nèi)的油氣運移參數(shù)變化率(RAB)等于A運移參數(shù)和B運移參數(shù)的差值除以AB之間的距離LAB(圖1，公式1)。同樣的方法，沿著油氣運移路徑的不斷變遠，可以依次求出任意2點之間的運移參數(shù)變化率，例如，RBC、RCD和RDE等。

(1)

圖1 油氣運移參數(shù)變化率示意Fig.1 Diagram showing the change ratio of geochemical parameters

式中：RAB為油氣運移參數(shù)變化率；B運移參數(shù)為B點所測運移參數(shù)數(shù)值；A運移參數(shù)為A點所測運移參數(shù)數(shù)值；LAB為A、B兩點距離，m。

運移參數(shù)變化率能夠有效地反映油氣運移的動力和方式。以發(fā)育超壓的地區(qū)為例，油氣在剩余壓力作用下可以發(fā)生幕式運移，表現(xiàn)為油氣運移速度快，各類油氣運移參數(shù)變化相對緩慢，因此，變化率R值較??；隨著作為動力的剩余壓力不斷遞減，油氣運移速度逐漸降低，運移參數(shù)的變化幅度逐漸增大；在以浮力為主的地區(qū)，油氣的運移方式轉(zhuǎn)變?yōu)闈u進式，運移參數(shù)變化幅度大，變化率指標R值較大。

2 油源對比及運移路徑判識

油源對比是排除油氣來源差異造成判識誤差的重要前提，尤其是在多套烴源巖、多個生烴中心的復雜疊合盆地中更為關鍵。根據(jù)渤南洼陷沙三段和沙四段2套烴源巖的地化特征差異[34]，選取類異戊二烯烷烴、正構烷烴和生物標志物參數(shù)等指標進行油源對比，可將渤南洼陷的原油分為沙三型、沙四型和混源型3種類型[24]。

沙三型原油的地化特征與沙三段烴源巖相似，高姥植比和低伽馬蠟烷/C30藿烷值(圖2)，該類原油主要分布于洼陷中心及洼陷附近沙三中下亞段儲層中。沙四型原油主要分布在洼陷中心的沙四段地層中，零星分布在緩坡帶的沙一段與沙二段地層中。與沙三型原油相比，其平均伽馬蠟烷/C30藿烷值和成熟度參數(shù)明顯偏高，而Pr/Ph值、4-甲基甾烷和三環(huán)萜烷含量都偏低(圖2)?；煸葱驮褪巧橙蜕乘男驮偷幕煸?，主要分布于沙二、沙三中上及沙四段地層中，與以上2種類型原油相比，該類原油各項參數(shù)指標介于前2種類型之間。

油源對比表明，渤南洼陷單一來源的油氣藏較多，混源型原油比例較低，且3種成因類型的原油在空間分布上規(guī)律性強(圖3)。其中，沙三烴源巖提供的油氣多儲集在沙三段地層中，側向運移趨勢明顯，而且鉆井資料和原油樣品豐富，是本次研究的主要對象。

渤南洼陷沙三段油藏油源單一，油氣運移路徑較為簡單，可以利用原油物性菱形圖與沙三段地層流體性質(zhì)分析油氣的運移方向。原油在地下運移的過程中隨油氣運移距離的增加，地層原油物性會發(fā)生變化：原油的黏度和密度隨之增加；飽和壓力及氣油比則隨之降低。以飽和壓力與氣油比為橫軸的兩端、黏度與密度作為縱軸的兩端，繪制原油物性菱形圖(圖4)。總體上自洼陷中心至洼陷南部緩坡帶，原油物性菱形圖由扁菱形向方菱形和長菱形轉(zhuǎn)化，表明油氣自洼陷中心向洼陷南部運移。

圖2 渤海灣盆地渤南洼陷渤深5井烴源巖及油氣地化特征對比Fig.2 Geochemical characteristics of source rocks and crude oil and gas from well Bs 5, Bonan Subsag, Bohai Bay Basin

圖3 渤海灣盆地渤南洼陷各套烴源巖生成油氣的分布Fig.3 Distribution of petroleum sourced from various source rocks in Bonan Subsag, Bohai Bay Basin

圖4 渤海灣盆地渤南洼陷沙三段原油物性菱形圖的剖面變化趨勢Fig.4 Vertical variation trend of diamond graph for Es3 crude oil in Bonan Subsag, Bohai Bay Basin

3 運移表征參數(shù)優(yōu)選及變化率計算

通過油源對比、運移路徑判識，優(yōu)選出同一油源、同一運移路徑上的油氣藏，進而進行運移表征參數(shù)優(yōu)選和變化率計算。選擇油氣運移表征參數(shù)時，優(yōu)選能夠反映油氣運移過程中流體性質(zhì)變化的物性參數(shù)和地化參數(shù)，同時，所選的參數(shù)盡可能受油氣運移距離的影響明顯，受其他因素的影響相對較小。

3.1 原油物性參數(shù)的選取

根據(jù)運移效應明顯、其他因素影響小的原則，對研究區(qū)的流體性質(zhì)參數(shù)進行了優(yōu)選。根據(jù)研究區(qū)的原油物性資料，沿著油氣運移路徑，原油密度和黏度變化程度逐漸增大，洼陷中心義123井的原油密度介于0.845～0.855 g/cm3，黏度介于7.17～10.3 mPa·s；而洼陷邊緣羅35井的原油密度介于0.921～1.013 g/cm3，黏度介于20～194 mPa·s(圖5)。因此，原油密度和黏度能夠較好地指示油氣運移，可以作為渤南洼陷有效的運移參數(shù)，用于計算運移參數(shù)變化率。

圖5 渤海灣盆地渤南洼陷原油密度和黏度關系Fig.5 Relationship between density and viscosity of crude oil in Bonan Subsag, Bohai Bay Basin

3.2 地化參數(shù)的選取

原油在地下運移過程中，含氮化合物會發(fā)生分餾效應，因此，含氮化物可以作為油氣運移量化判識的指標。在渤南洼陷沙三段油氣含氮化合物分析的基礎上，以義78—義61井—義75井—義63井構造剖面為例，沿著油氣運移方向，1,8/2,7-二甲基咔唑逐漸增大，1,8/2,4-二甲基咔唑和苯并[a]咔唑/([a]+[c])逐漸增大(圖6)，反映出這些指標在揭示油氣運移方向和路徑的研究中具有較為明顯的識別意義。

3.3 運移參數(shù)變化率的計算

綜合分析，選取原油密度和黏度、生物標志化合物指標C29甾烷20S/(20S+20R)和含氮化合物指標1,8/2,7二甲基咔唑作為有效運移參數(shù)進行變化率分析。首先根據(jù)油源對應結果，以沙三段烴源巖生成的油氣為分析對象，以圖7所示剖面為例，計算了各井點沙三段儲層內(nèi)油氣的各項運移參數(shù)的變化率(表1)。結果表明，沿運移方向原油密度、黏度、C29甾烷20S/(20S+20R)及1,8/2,7二甲基咔唑的變化率均呈現(xiàn)明顯增加的趨勢(表1)。

分析表明，位于渤南洼陷沙三段生烴中心的原油運移參數(shù)變化率最低，原油密度變化率為0.01，原油黏度變化率為0.32，C29甾烷20S/(20S+20R)變化率為0.26，1,8/2,7二甲基咔唑變化率為0.27。進入義78-義61井區(qū)，原油密度變化率增加到0.05，原油黏度變化率變?yōu)?.1，C29甾烷20S/(20S+20R)變化率增加到0.4，而1,8/2,7二甲基咔唑變化率達到0.89。洼陷邊緣羅35—義75井區(qū)附近，運移參數(shù)變化率持續(xù)增高，原油密度變化率為0.69，原油黏度變化率為22，C29甾烷20S/(20S+20R)變化率為0.46，1,8/2,7二甲基咔唑變化率為1.08。沿運移方向原油密度、黏度、C29甾烷20S/(20S+20R)及1,8/2,7二甲基咔唑的變化率均呈現(xiàn)明顯增加的趨勢(圖7)。

圖6 渤海灣盆地渤南洼陷羅35-義117剖面含氮化合物指示油氣運移Fig.6 Migration indicated by nitrogen-containing compounds along L35-Y117 profile in Bonan Subsag, Bohai Bay Basin

圖7 渤海灣盆地渤南洼陷沙三段油氣運移與超壓對應關系Fig.7 Relationship between petroleum distribution and overpressure in Es3 along migration pathway in Bonan Subsag, Bohai Bay Basin

運移參數(shù)義80-義123義80-義37義37-義78義78-義61義61-義75義75-羅35原油密度變化率0.010.010.030.050.310.69原油黏度變化率0.320.304.109.1013.6022.00C29甾烷20S/(20S+20R)變化率0.260.400.461,8/2,7二甲基咔唑變化率0.270.891.08

4 油氣運移方式的定量判識

根據(jù)同一油源、同一運移路徑上油氣藏運移參數(shù)的變化率計算結果可以看出，隨著油氣運移距離的增加，各項運移參數(shù)變化率的數(shù)值逐漸變大，與生烴中心為超壓、邊部為常壓的壓力分布特征相一致。但是如何確定超壓作用的量化邊界需要結合壓力特征進行分析。

4.1 油氣運移動力構成的判別

根據(jù)渤南洼陷沙三段地層的壓力分布特征及其油氣藏分布的對應關系，義123井分布于超壓發(fā)育區(qū)，3 369.57 m儲層所對應的物性恢復的毛細管阻力為25.54 MPa左右，但該區(qū)砂體厚度和連續(xù)性較低，即使油氣連片程度很高的情況下，產(chǎn)生的浮力最高僅為4.62 MPa，遠遠小于運移阻力；而該區(qū)的壓力系數(shù)高達1.6，異常壓力可以為油氣運移產(chǎn)生強大的驅(qū)動力。此外，巖心觀察和薄片分析表明，渤南洼陷義78—義117井區(qū)大量發(fā)育超壓裂縫(圖7)，驗證了洼陷中心超壓作用下幕式運移的存在。綜合分析表明，義123井區(qū)的油氣運移是以異常壓力為主導聚集成藏的，浮力作用在運移動力中所占的比例較低。而位于邊部的羅35井，壓實作用較低，巖石孔隙度較大，2 545.5 m處的毛細管阻力僅為2.97 MPa，而該處砂體連片程度高，厚度相對較大，最大油柱高度產(chǎn)生的浮力可達3.49 MPa，完全可以單獨克服阻力發(fā)生運移。此外，由于該區(qū)為常壓環(huán)境，超壓不作為油氣運移的動力構成，因此，油氣是以浮力為主進行的運移成藏。

4.2 油氣運移動力界限的量化判識

在對同一油源、同一運移路徑上油氣運移動力判識的基礎上，分別對超壓驅(qū)動區(qū)、浮力驅(qū)動區(qū)以及混合驅(qū)動區(qū)各類油氣運移參數(shù)變化率的特征進行分析，確定了渤南洼陷沙三段原油的運移參數(shù)變化率對不同運移動力構成的界限數(shù)值(表2)。當研究區(qū)的原油密度變化率大于0.31、黏度變化率大于13.6、C29甾烷20S/(20S+20R)運移參數(shù)變化率大于0.42以及1,8/2,7二甲基咔唑變化率大于0.95時，油氣為浮力作用下的運移結果，運移方式為漸進式的緩慢運移；而當研究區(qū)原油密度變化率小于0.03、黏度變化率小于4.1、C29甾烷20S/(20S+20R)運移參數(shù)變化率小于0.35以及1,8/2,7二甲基咔唑變化率小于0.6對應的區(qū)域，油氣為超壓驅(qū)動下的運移結果，幕式快速運移是其主要的運移方式。此外，運移參數(shù)變化率介于上述兩者之間時，油氣為浮力和超壓共同作用的結果，為混合動力機制下的運移產(chǎn)物。

表2 渤海灣盆地渤南洼陷不同運移動力和運移方式所對應的運移參數(shù)變化率范圍Table 2 Change ratios of migration parameters for different migration dynamics and patterns in Bonan Subsag, Bohai Bay Basin

5 應注意的幾個問題

本文提出的“油氣運移參數(shù)變化率”主要基于超壓作用下油氣的運移速率快、油氣性質(zhì)變化小這一原理，可用來定量判識油氣運移的動力和運移方式。通過優(yōu)選單一或系列運移參數(shù)，計算同一來源油氣的運移參數(shù)變化率，建立剩余壓力與浮力作用邊界所對應的運移參數(shù)變化率界定標準，判識不同地區(qū)油氣運移的動力組成和方式。在應用該方法時，應注意以下幾個問題：

(1)油氣運移過程復雜，運移通道、油氣來源等差異都會對運移參數(shù)的變化速率產(chǎn)生影響，導致判識的錯誤。因此，為了盡可能消除外界影響，應用該方法需要以油源對比和運移路徑分析為基礎，排除油氣來源和路徑差異的影響，并結合研究區(qū)特點，選取同期次的油氣進行分析，確定動力邊界的標準。

(2)優(yōu)選油氣運移表征參數(shù)時，遵循“運移效應明顯、其他因素影響小”的原則，針對不同來源油氣，盡可能選擇適合研究區(qū)的典型指標，多選擇表征參數(shù)進行綜合分析。由于油氣運移地化參數(shù)存在地區(qū)差異，因此，在選擇可用參數(shù)時，需要對參數(shù)進行篩查，切不可完全照搬其他地區(qū)的指標來用。

(3)由于地區(qū)差異、油氣來源不同以及運移路徑間的差異影響，判識的量化標準需根據(jù)研究對象具體分析而定，各運移參數(shù)的動力邊界劃分標準不宜統(tǒng)一，標準存在地區(qū)和參數(shù)類型的差異。

6 結論

(1)運移參數(shù)變化率即某套烴源巖所生成的油氣，其運移指標在單位距離內(nèi)的變化量。運移參數(shù)變化率能夠有效地反映油氣運移的動力和方式。

(2)以油源對比、運移路徑判識以及壓力分布特征分析為基礎，通過優(yōu)選各類運移表征參數(shù)，計算“運移參數(shù)變化率”，可以有效地判識油氣過程中所具有的運移動力構成、運移方式及其作用邊界。

(3)運移參數(shù)變化率僅適用于同源、同路徑、同期次油氣運移方式的定量判識。受構造背景、油氣性質(zhì)和運移路徑差異的影響，在實際應用的過程中，運移參數(shù)變化率的判定界限存在差異，量化標準具有地區(qū)特定性。

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