相-勢(shì)耦合控制鄂爾多斯盆地中生界石油聚集

屈紅軍,蒲仁海,陳 碩,高勝利,鄭艷榮

(1.西北大學(xué) 大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710069； 2.西北大學(xué) 地質(zhì)學(xué)系,陜西 西安 710069；3.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710065)

在20世紀(jì)80年代,中國(guó)石油地質(zhì)工作者認(rèn)識(shí)到油氣的生成、成藏和分布與烴源巖有直接或間接的聯(lián)系,即受烴源巖分布的控制,從而提出了源控論[1-4],認(rèn)為在勘探中首先要定凹選帶,逼近油源區(qū)勘探；隨著油氣勘探的發(fā)展,尤其是渤海灣斷陷盆地由于塊斷活動(dòng)強(qiáng)烈,巖性巖相變化大,在勘探實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)油氣藏以二級(jí)構(gòu)造帶為背景,縱向相互疊置,平面疊合連片,成群成帶展布,于是提出復(fù)式油氣聚集帶理論[4-5],即帶控論,認(rèn)為一個(gè)復(fù)式油氣聚集帶是由多個(gè)含油氣層系、多套油氣水系統(tǒng)、多種類型油氣藏組成的油氣藏群；帶控論強(qiáng)調(diào)以二級(jí)構(gòu)造帶背景為核心的勘探思路,即優(yōu)選有利的二級(jí)構(gòu)造帶；此后又有學(xué)者認(rèn)為區(qū)域蓋層對(duì)油氣富集起關(guān)鍵作用,提出了源-蓋共控論[6-7],認(rèn)為有效烴源巖和蓋層共同控制著油氣系統(tǒng)的有效性；隨著巖性油氣藏勘探高潮的發(fā)展,學(xué)者又提出了相控論[8-10],認(rèn)為在存在有效烴源巖、構(gòu)造背景和輸導(dǎo)體系等前提下,油氣的分布與富集受有利儲(chǔ)集相帶的控制,各種有利的沉積相和成巖相是決定有效儲(chǔ)集體形成和分布的基礎(chǔ)和關(guān)鍵；相控論強(qiáng)調(diào)“選凹定相”,認(rèn)為“凹”作為烴源巖發(fā)育區(qū)已基本明確,因而相控論把定“相”作為核心問(wèn)題,其主要目標(biāo)是確定儲(chǔ)集區(qū)帶；最近又有學(xué)者提出源熱共控論[11]；其主要認(rèn)識(shí)是源熱共控油氣形成,二者相互耦合作用控制了含油氣區(qū)內(nèi)油氣的生成與否、生烴規(guī)模、相態(tài)(石油或天然氣)類型與區(qū)域分布模式,源熱共控油氣區(qū)油田、氣田和油氣田在空間上的有序分布；筆者認(rèn)為源熱共控論適用于盆地勘探初期,以選“凹”作為目的階段,是源控論的深化。對(duì)于勘探程度比較高,以定“藏”為目的的勘探,上述理論認(rèn)識(shí)雖然具有重要指導(dǎo)意義,但依然不能滿足定“藏”的目標(biāo)勘探要求。

近年來(lái)鄂爾多斯盆地的石油勘探實(shí)踐表明,鄂爾多斯盆地具有“大面積含油、小區(qū)塊富集、巖性控藏”的油氣聚集規(guī)律和“油層多、變化大、油水分異大、物性差、壓力低、產(chǎn)量小及屬于彈性-溶解氣驅(qū)動(dòng)”的油藏特征,在“好凹好相”區(qū)帶,不一定富集油氣,也可能富集水,對(duì)此源熱共控論和相控論難以把握石油富集規(guī)律,因此石油的分布除受源熱共控、源-蓋共控及相控外,其具體富集的位置更受壓力勢(shì)以及流體勢(shì)控制[12-13],即“勢(shì)控”,由此筆者基于鄂爾多斯盆地中生界“相、源、儲(chǔ)、運(yùn)聚與油藏關(guān)系”的系統(tǒng)分析,來(lái)探討鄂爾多斯盆地中生界石油聚集規(guī)律,分析認(rèn)為相-勢(shì)耦合[14-15]更加符合鄂爾多斯盆地石油聚集規(guī)律,所謂“相”即“沉積成巖相”,沉積相決定了烴源巖及儲(chǔ)層的展布及發(fā)育特征,成巖相決定了優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布及儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間[16-20]；“勢(shì)”即“壓力勢(shì)”或“流體勢(shì)”,二者決定了油氣運(yùn)移方向及聚集圈閉位置[21-25]。由于鄂爾多斯盆地含油層系延長(zhǎng)組及延安組沉積期為大型的內(nèi)陸陸相坳陷盆地,內(nèi)部構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單,地層平緩,斷裂較不發(fā)育,含油層系以河流三角洲相低滲透砂巖儲(chǔ)層為主[26-29],其中主力含油層系延長(zhǎng)組巖性致密,為低孔特低滲儲(chǔ)層,在6大成藏條件中蓋層、保存、圈閉一般不存在問(wèn)題,在烴源巖確定的條件下,主要需要考慮的就是儲(chǔ)層和運(yùn)移聚集的問(wèn)題。沉積相決定了儲(chǔ)層的發(fā)育,“壓力勢(shì)”及“流體勢(shì)”決定了油氣運(yùn)移方向及聚集圈閉位置,因此相-勢(shì)耦合控制鄂爾多斯盆地中生界油氣聚集,體現(xiàn)為“源控區(qū)、相控帶、勢(shì)定位”的石油聚集規(guī)律,筆者具體分析探討如下。

1 鄂爾多斯盆地中生界烴源巖、沉積相帶、運(yùn)聚與油藏關(guān)系

鄂爾多斯盆地位于華北克拉通中西部,其南北分別為祁連-秦嶺褶皺構(gòu)造帶和天山-興蒙褶皺構(gòu)造帶,東部瀕臨太平洋構(gòu)造域,西部為賀蘭-六盤(pán)山南北向構(gòu)造帶(圖1)。中、晚三疊世受秦嶺碰撞造山的影響,在華北克拉通中西部形成了一個(gè)晚三疊世延長(zhǎng)期(T3y)大型湖盆[30],當(dāng)時(shí)的沉積邊界東跨晉、豫、冀、皖,南越今秦嶺北緣,北界和西界遠(yuǎn)逾今中生界殘留邊界,以深湖相為代表的沉積中心大致平行于秦嶺造山帶展布[31-32],該期地層延長(zhǎng)組是一套以河湖相沉積為主的陸源碎屑巖系,下部以河流相沉積為主,中部為一套河流-三角洲及湖泊相為主的砂泥互層沉積,上部為河流相砂泥巖沉積。根據(jù)勘探開(kāi)發(fā)需要石油系統(tǒng)將延長(zhǎng)組從上向下分為10個(gè)油層組,分別稱為長(zhǎng)1段—長(zhǎng)10段。

1.1 源控“區(qū)”

鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組具有優(yōu)越的生油巖條件,中生界延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段深湖-半深湖相暗色泥巖是盆地的主力生油巖系[33],具有厚度大、分布廣、有機(jī)質(zhì)類型好、成熟度高等特點(diǎn)[34-35],主要分布于盆地南部約10×104km2的范圍內(nèi)[36-40],主體呈NNE展布[41]。延長(zhǎng)組油氣勘探發(fā)現(xiàn),油田的分布范圍與烴源巖分布關(guān)系密切,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)的油藏主體分布在長(zhǎng)7段有效烴源巖的分布范圍之內(nèi)或鄰近區(qū)域,油區(qū)分布具有明顯的源控特征(圖2)。因此鄂爾多斯盆地中生界生油巖的生烴范圍和生烴強(qiáng)度控制了油藏分布的區(qū)域,即源控“油區(qū)”。

圖1 鄂爾多斯盆地及鄰區(qū)構(gòu)造簡(jiǎn)圖(據(jù)文獻(xiàn)[31-32]修改)Fig.1 Generalized structural diagram of the Ordos Basin and its adjacent regions(modified from references[31-32])

圖2 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組烴源巖與油區(qū)分布(據(jù)文獻(xiàn)[21,36,42-46]編繪)Fig.2 The distribution of source rocks and oil play in the Yanchang Formation,Ordos Basin (compiled according to references[21,36,42-46])

1.2 相控“帶”

鄂爾多斯盆地中生界盆地明顯表現(xiàn)出沉積相控制儲(chǔ)集體的宏觀展布,成巖相控制了優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布及儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間；儲(chǔ)集體展布及成巖相控制油藏分布的區(qū)帶,即相控“區(qū)帶”。

延長(zhǎng)組淺層長(zhǎng)2段含油區(qū)帶主要分布于盆地邊緣河流相河道微相砂體；延長(zhǎng)組中部(長(zhǎng)4+5段、長(zhǎng)6段)及下部(長(zhǎng)8段—長(zhǎng)10段)含油區(qū)帶基本分布于受湖岸線控制的三角洲前緣亞相水下分流河道微相砂體[47-48],尤其分布于水下分流河道砂體疊合連片處[21](圖3)；長(zhǎng)7段儲(chǔ)層含油區(qū)帶主要分布于受深湖線控制的濁積水道砂體[49]。

鄂爾多斯盆地含油區(qū)帶的分布受控于盆地周緣的11大河流-三角洲體系,5個(gè)東北沉積體系(自東向西)為:富縣三角洲、延安三角洲、安塞三角洲、靖邊-吳起三角洲和安邊三角洲；2個(gè)西北沉積體系(自東向西)為:鹽池-定邊三角洲和甜水堡三角洲；2個(gè)西南沉積體系(由北向南)為:環(huán)縣三角洲和鎮(zhèn)原-慶陽(yáng)三角洲；2個(gè)南部沉積體系(由西向東)為:正寧三角洲和銅川三角洲。目前延長(zhǎng)組已發(fā)現(xiàn)的含油區(qū)主要分布于東北、西北和西南3個(gè)沉積體系的9個(gè)河流-三角洲體系,尤以在東北體系的安塞三角洲及西南體系的慶陽(yáng)三角洲已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了超大型的安塞油田及西峰油田。盆地南部正寧三角洲體系最近開(kāi)始有油氣發(fā)現(xiàn),是下一步油氣勘探潛力區(qū)；盆地南部銅川三角洲延長(zhǎng)組已經(jīng)出露地表或埋深太淺,沒(méi)勘探價(jià)值(圖3)。

1.3 勢(shì)定“位”

流體運(yùn)動(dòng)總是遵循從高異常壓力區(qū)向低異常壓力區(qū)流動(dòng)的規(guī)律,因此壓力勢(shì)及流體勢(shì)控制了油藏的聚集位置。

圖3 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組沉積體系與含油區(qū)帶分布(據(jù)文獻(xiàn)[21,36,42-46]編繪)Fig.3 The distribution of sedimentary systems and play fairways in the Yanchang Formation,Ordos Basin (compiled according to references[21,36,42-46])

鄂爾多斯盆地對(duì)于受浮力控制的延安組油藏及長(zhǎng)2段油藏,隆起背景對(duì)鄂爾多斯盆地三疊系油藏形成和分布的具有重要控制作用[50],流體勢(shì)決定了油氣運(yùn)移向鼻狀隆起方向。

對(duì)于不受浮力控制的延長(zhǎng)組下組合油藏,過(guò)剩壓力控制著石油的運(yùn)聚。對(duì)鄂爾多斯盆地吳起-定邊地區(qū)延長(zhǎng)組長(zhǎng)7段與長(zhǎng)8段異常壓力分布規(guī)律進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)長(zhǎng)7段與長(zhǎng)8段都具有異常超壓現(xiàn)象；長(zhǎng)7段較高的異常壓力成為油氣向下運(yùn)移的主要?jiǎng)恿?長(zhǎng)8段異常壓力低壓區(qū)或相對(duì)低壓區(qū)是油氣運(yùn)移的指向,二者之間的異常壓力差驅(qū)動(dòng)長(zhǎng)7段烴源巖產(chǎn)生的油氣沿著微裂縫從高勢(shì)區(qū)向低勢(shì)區(qū)運(yùn)移,因此“源儲(chǔ)壓力差控位”[21](圖4,圖5)。

由于過(guò)剩壓力造成的流體勢(shì)差或過(guò)剩壓力差,也存在油氣在局部具有向構(gòu)造低部位運(yùn)聚的趨勢(shì)(圖6)。

基于鄂爾多斯盆地中生界“相、源、儲(chǔ)、運(yùn)聚與油藏關(guān)系”的系統(tǒng)分析,可以認(rèn)為相-勢(shì)耦合控制了鄂爾多斯盆地中生界石油聚集:相即“沉積成巖相”,沉積相決定了烴源巖及儲(chǔ)層的展布及發(fā)育特征,成巖相決定了優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布及儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間,勢(shì)即“壓力勢(shì)”或“流體勢(shì)”,“壓力勢(shì)”或“流體勢(shì)”決定了油氣運(yùn)移方向和路徑,相-勢(shì)耦合決定了油氣聚集圈閉位置。

2 相-勢(shì)耦合控制鄂爾多斯盆地中生界石油聚集的差異性

相-勢(shì)耦合控制鄂爾多斯盆地中生界平面上及垂向上成藏的差異性,體現(xiàn)為:盆地東部淺層“補(bǔ)償成藏”、盆地西部“垂向串珠式成藏”、延長(zhǎng)組深層“異常壓力控藏”、侏羅系古地貌及隆起構(gòu)造背景控藏。

圖4 鄂爾多斯盆地西部中區(qū)延長(zhǎng)組深層已發(fā)現(xiàn)油藏與長(zhǎng)7段-長(zhǎng)8段過(guò)剩壓力差關(guān)系Fig.4 Relationship of oil reservoirs discovered and excessive differential pressure of Chang 7 and Chang 8 in deep Yanchang Formation in the center of the western Ordos Basin

2.1 盆地東部淺層呈現(xiàn)出“補(bǔ)償成藏”規(guī)律

鄂爾多斯盆地中生界盆地生烴中心位于盆地西部及南部,盆地東部生烴強(qiáng)度相對(duì)盆地西部小,因而盆地東部含油層系在具體位置層位相對(duì)單一；長(zhǎng)7段生成的油氣首先運(yùn)移至長(zhǎng)6段,然后通過(guò)側(cè)向不規(guī)則連接于垂向疊置的砂體,呈“爬樓梯式”運(yùn)移至更淺的長(zhǎng)4+5段、長(zhǎng)2段甚至侏羅系延安組底部砂巖中聚集(圖7、圖8)[51]；油藏的層位分布與烴源巖的垂直距離及水平距離成正比,層位越高,油藏距離烴源巖水平距離越遠(yuǎn)；含油層位向東北方向從長(zhǎng)6段-長(zhǎng)4+5段-長(zhǎng)2段向上抬高,呈現(xiàn)出“補(bǔ)償成藏”的規(guī)律[52],從而形成鄂爾多斯盆地準(zhǔn)連續(xù)型低滲透-致密砂巖大油田成藏樣式[53]。

2.2 盆地西部“垂向串珠式成藏”

由于盆地西部生烴強(qiáng)度大,石油往往沿裂縫等發(fā)生二次運(yùn)移,因此盆地西部含油層系多,在具體井位上含油層系呈“串珠式”垂向鉆遇,有如“坐電梯式”,非前述的“爬樓梯式”,由此筆者提出盆地西部“垂向串珠式成藏”(圖8)。

2.3 延長(zhǎng)組深層“過(guò)剩壓力控藏”

鄂爾多斯盆地長(zhǎng)6段—長(zhǎng)10段之間相鄰的兩地層普遍存在較高的過(guò)剩壓力差,尤以長(zhǎng)7段與下部長(zhǎng)8段最為明顯,長(zhǎng)9段頂與其下部長(zhǎng)9段及長(zhǎng)10段也具有；過(guò)剩壓力差是石油向下運(yùn)移的主要?jiǎng)恿?油氣由高壓區(qū)向低壓區(qū)運(yùn)移,平面上高壓背景下的低壓漏斗區(qū)是油氣聚集的主要場(chǎng)所；垂向上高壓差區(qū)為油氣聚集的主要場(chǎng)所；鄰近高壓的低壓漏斗區(qū)是延長(zhǎng)組中下部油氣聚集有利區(qū)(圖8)。

圖5 定邊地區(qū)延長(zhǎng)組定1188井—定4986井過(guò)剩壓力剖面(剖面位置見(jiàn)圖4)Fig.5 Excessive pressure profile of Well Ding1188-Well Ding4986 in the Yanchang Formation in Dingbian area (see Fig.4 for the profile location)

圖6 志丹油區(qū)近東西向剖面長(zhǎng)8段早白堊世晚期流體運(yùn)聚趨勢(shì)與油井產(chǎn)量對(duì)比Fig.6 Correlation of fluid migration and accumulation trend in the late period of Early Cretaceous with well production for Chang 8 on the nearly EW-trending section in Zhidan oil-bearing region

圖7 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組含油砂體與油氣運(yùn)移關(guān)系示意圖(據(jù)文獻(xiàn)[54]修改)Fig.7 Sketch map showing relationships between the oil-bearing sand bodies and hydrocarbon migration in the Yanchang Formation (modified from reference[54])

圖8 鄂爾多斯盆地中生界成藏模式Fig.8 Accumulation model in the Mesozoic Ordos Basin

2.4 侏羅系古地貌及隆起構(gòu)造背景控藏

雖然侏羅系延安組儲(chǔ)層的物性在盆地含油層系中屬于最好,但由于距離油源巖較遠(yuǎn),油氣在儲(chǔ)層中的充滿程度不是很高,其油氣藏存在明顯的油水分異界面,儲(chǔ)層的物性不是首要考慮因素,良好圈閉是首要考慮因素。延安組底部一、二級(jí)古河谷砂體往往不具備良好隔擋及圈閉條件,僅作為油氣的運(yùn)移通道,三、四級(jí)及以上的支流河道砂體往往具有良好隔擋及圈閉條件(圖8)。因此,由差異壓實(shí)作用引起的鼻狀隆起上發(fā)育的三、四級(jí)及以上的支流河道砂體是侏羅系油氣的勘探指向[48]。

3 相-勢(shì)耦合的理論與實(shí)踐意義

相-勢(shì)耦合的理論意義在于:從“源控論”的“定源”到“源熱共控論”的“定凹”,到“復(fù)式油氣聚集帶”的“定帶”,到“相控論”的“定相”,再到“相-勢(shì)耦合”的“定位”,反映了油氣勘探長(zhǎng)期實(shí)踐的認(rèn)識(shí)過(guò)程。“源控論”和“源熱共控論”強(qiáng)調(diào)以盆地為背景,以尋找有利生烴凹陷為核心；“帶控論”強(qiáng)調(diào)以沉積相等有利相帶為背景,以構(gòu)造帶為核心,其“定帶”實(shí)際上主要為“構(gòu)造區(qū)帶”；“相控論”強(qiáng)調(diào)以構(gòu)造為背景,以相為核心,突出強(qiáng)調(diào)“定相”,將確定沉積相、成巖相等主導(dǎo)的儲(chǔ)集相作為研究與勘探的重點(diǎn)和核心,其“定相”實(shí)際上主要為“巖相區(qū)帶”；“相-勢(shì)耦合” 以“相”為核心,以“勢(shì)”為方向,強(qiáng)調(diào)流體運(yùn)移方向,即“流體勢(shì)”,突出“定位”或“定藏”,揭示了較高勘探階段油氣富集規(guī)律。

“相-勢(shì)耦合”的實(shí)踐意義在于:① 在勘探理念上,從“源控論”的“定源”到“源熱共控論”的“定凹”,到“復(fù)式油氣聚集帶”的“定帶”,到“相控論”的“定相”,再到“相-勢(shì)耦合”的“定位”,是從源區(qū)勘探—構(gòu)造勘探—儲(chǔ)集體勘探,再到具體油藏位置確定,強(qiáng)調(diào)目標(biāo)的靶定,該理論認(rèn)識(shí)是油氣勘探三級(jí)層次的第三層次；② 在勘探技術(shù)及勘探方法上,以高分辨率三維地震和儲(chǔ)集層預(yù)測(cè)為關(guān)鍵技術(shù),以過(guò)剩壓力及古構(gòu)造恢復(fù)研究確定的“流體勢(shì)”或“壓力勢(shì)”為指導(dǎo),在尋找有利“儲(chǔ)集相”的基礎(chǔ)上,突出輸導(dǎo)體系及流體運(yùn)移方向的確定,強(qiáng)調(diào)在運(yùn)移路徑上的有利相帶部署探井,將極大地提高勘探成功率。

4 結(jié)論

1) 相-勢(shì)耦合控制鄂爾多斯盆地中生界石油聚集,具體為沉積相決定了烴源巖及儲(chǔ)層的展布及發(fā)育特征,成巖相決定了優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的分布及儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間,“壓力勢(shì)”或“流體勢(shì)”決定了油氣運(yùn)移方向和路徑,二者耦合決定了油氣聚集圈閉位置,體現(xiàn)為“源控區(qū)、相控帶、勢(shì)定位”的石油聚集規(guī)律。

2) 相-勢(shì)耦合控制鄂爾多斯盆地中生界平面上及垂向上成藏的差異性,體現(xiàn)為:盆地東部淺層“補(bǔ)償成藏”、盆地西部“垂向串珠式成藏”、延長(zhǎng)組深層“異常壓力控藏”。這一認(rèn)識(shí)同樣適用于勘探程度較高的、以“定藏”或“定位”為目的其它大型拗陷含油氣盆地的目標(biāo)勘探。