河套盆地臨河坳陷流體勢特征及油氣運聚單元劃分

杜曉宇，丁文龍，焦保程，周志成，薛明旺

( 1.中國地質(zhì)大學(xué)(北京)，北京 100083；2.非常規(guī)天然氣地質(zhì)評價與開發(fā)北京市重點實驗室，北京 100083；3.頁巖氣勘查與評價國土資源部重點實驗室，北京 100083)

0 引 言

流體勢是控制地下孔隙流體流動的基本動力，決定流體的流動方向，影響油氣最終的富集與成藏。地下孔隙中的流體總是自發(fā)的從流體高勢區(qū)向低勢區(qū)方向運移，因此，通過研究流體勢場的分布和演化特征，對明確沉積盆地內(nèi)油氣的運移、聚集過程和油氣藏的分布規(guī)律具有重要意義[1-4]。

河套盆地的油氣勘探工作始于20世紀70年代末期，受前期地震資料和鉆井資料的限制，前人只對油氣的運聚特征進行基礎(chǔ)的研究，并未從流體勢的角度開展過研究工作[5-10]。此次研究以Hubbert流體勢計算公式為模型，恢復(fù)了河套盆地臨河坳陷主要成藏期的流體勢，以期對該區(qū)的油氣勘探提供借鑒和指導(dǎo)。

1 地質(zhì)背景

河套盆地構(gòu)造位置上位于華北地臺西北部，北臨陰山山脈，南接鄂爾多斯盆地伊盟隆起。盆地東西長為600 km，南北寬約為30～90 km，面積約為40 000 km2。根據(jù)盆地的構(gòu)造特征，自西向東可劃分為為臨河坳陷、烏拉山隆起、烏前坳陷、包頭隆起及呼和坳陷5個一級構(gòu)造單元，其中，臨河坳陷、呼和坳陷是主要的沉積坳陷[5-10]。河套盆地整體輪廓呈現(xiàn)為弧形，是一個發(fā)育在前寒武系變質(zhì)巖基底上的走滑拉分盆地[11-12]。從剖面上看，北深南淺，呈不對稱箕狀。研究工區(qū)是位于盆地西側(cè)的臨河坳陷，東北方向長約為320 km，西北方向?qū)捈s為70 km，面積約為22 400 km2，如圖1所示(據(jù)付鎖堂，2018年改)[7]。

圖1 河套盆地區(qū)域位置

河套盆地地層自下而上發(fā)育下白堊統(tǒng)固陽組，上白堊統(tǒng)畢克齊組，古近系始新統(tǒng)烏拉特組、漸新統(tǒng)臨河組，新近系中新統(tǒng)五原組、上新統(tǒng)烏蘭圖克組和第四系河套群地層(圖2)。沉積巖厚度大多為3 000～6 000 m，最厚處可達14 000 m[6-8]。其中，下白堊統(tǒng)固陽組和漸新統(tǒng)臨河組是主力的烴源巖層和含油層系，發(fā)育自生自儲、上生下儲、下生上儲等多種生儲蓋油氣組合[10]。此次研究流體勢的目的層位為下白堊統(tǒng)固陽組烴源巖。

2 流體勢計算方法

2.1 流體勢模型

Hubbert認為流體勢是單位質(zhì)量流體相對于基準面具有的總機械能，由位能、動能和壓能三部分組成，是質(zhì)量勢，由于地層中流體流動十分緩慢，動能常常忽略不計；England則認為流體勢是單位體積流體相對于基準面具有的總機械能，表現(xiàn)為單位體積流體從基準點到研究點所做的功，是體積勢[13-19]；二者相比較，England流體勢多了一項毛細管壓力，當?shù)貙拥目紫督Y(jié)構(gòu)較大或孔隙中流體流速緩慢時，可以忽略毛細管壓力的影響。此次研究采用Hubbert公式計算源自下白堊統(tǒng)烴源巖的油氣在新近紀這一關(guān)鍵成藏期的流體勢，其表達式為：

(1)

式中：Φ為流體勢，J/kg；Z為古埋深，m；p為流體壓力，Pa；ρ為地下流體密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2。

由式(1)可知，計算古流體勢必須恢復(fù)成藏期的古埋深和古地層壓力。

圖2 河套盆地地層綜合柱狀圖

2.2 古埋深恢復(fù)

地層的古埋深與流體勢的計算緊密相關(guān)，在分析河套盆地的流體勢之前，有必要先了解研究區(qū)下白堊統(tǒng)烴源巖在成藏期的古埋深特征。河套盆地下白堊統(tǒng)烴源巖在新近紀大規(guī)模供油，從白堊紀到新近紀主要形成2套不整合面：燕山運動晚期，盆地整體擠壓抬升，剝蝕了上白堊統(tǒng)，因此，盆地大規(guī)模缺失上白堊統(tǒng)，形成了下白堊統(tǒng)頂面和始新統(tǒng)底面的不整合；喜山運動中期，古近紀末，盆地整體抬升剝蝕，古近系與新近系形成了區(qū)域性不整合，這個時期也是河套盆地的主要成藏期。2套不整合面中古近系剝蝕很少，基本可忽略不計，只需恢復(fù)下白堊統(tǒng)的剝蝕量即可。采用地層厚度對比法恢復(fù)了下白堊統(tǒng)的剝蝕量[20-21]，將下白堊統(tǒng)烴源巖的現(xiàn)今埋深加上剝蝕量，再減去新近系的現(xiàn)今埋深即可得到下白堊統(tǒng)烴源巖的古埋深。

2.3 古地層壓力預(yù)測

關(guān)于恢復(fù)地層壓力的方法有很多種，主要有地震速度法、等效深度法、泥巖聲波時差法以及改進的Philippone法等[22-23]。此次研究采用劉震1993年提出的改進的Philippone公式來預(yù)測古地層壓力[22]，公式如下：

(2)

式中：pf為古地層壓力，MPa；Vm為巖石骨架顆粒速度，m/s；V為地層層速度，m/s；Vf為孔隙中的流體速度，m/s；pov為上覆地層壓力，MPa。

式(2)中Vm和Vf可由測井數(shù)據(jù)求取。

地層層速度可由下式求得：

(3)

式中：φ為地層孔隙度，%。

上覆地層壓力可由下式求得：

(4)

式中：pov為上覆地層壓力，MPa；h為深度，m；a為上覆地層密度，kg/m3。

由于地層巖性、孔隙流體的差異，不同地區(qū)的上覆地層密度不能僅僅用平均值來代替，建立研究區(qū)對應(yīng)的密度、深度函數(shù)關(guān)系，才能得到準確的上覆地層壓力[24]。結(jié)合河套盆地有效的密度測井數(shù)據(jù)，擬合得到密度和深度的關(guān)系(圖3)。

圖3 河套盆地地層密度與深度擬合關(guān)系

由圖3可得出密度與深度的具體關(guān)系式為：

a=-5.86×10-8h2+4.61×10-4h+1.757，R2=0.6002

(5)

將地層的密度和深度關(guān)系代入式(4)，先求出上覆地層壓力，然后將其他參數(shù)代入式(2)，即可求出古地層壓力。

3 流體勢對油氣運聚的影響

河套盆地大量生排烴期為新近紀，漸新統(tǒng)臨河組烴源巖未達到生烴門限，故將研究目的層位確定為下白堊統(tǒng)固陽組暗色泥巖。根據(jù)式(1)恢復(fù)了下白堊統(tǒng)烴源巖在新近紀這一關(guān)鍵成藏期的流體勢，以明確這個時期油氣的運聚特征。

圖4為河套盆地新近紀流體勢分布特征及運聚單元劃分。由圖4可知：在新近紀，臨河地區(qū)坳陷中心(西北方向)的流體勢最高，可以達到8.25×104J/kg，在斜坡位置(東南方向)流體勢相對較低，總體表現(xiàn)為由西北坳陷中心向東南斜坡帶逐漸降低的扇形分布規(guī)律；而吉蘭泰地區(qū)流體勢呈現(xiàn)出由中心向四周降低的規(guī)律，在吉蘭泰北部達到最低，為0.43×104J/kg。根據(jù)勢能原理，臨河坳陷中心為供流區(qū)，臨河斜坡帶為泄流區(qū)。

對于盆地整體而言，高勢區(qū)分布范圍較大，主體位于臨河坳陷的西北方向，與下白堊統(tǒng)烴源巖分布位置相吻合，高勢區(qū)正好處于生油中心，因此，在東南的斜坡位置只要存在封閉的圈閉，就可以形成油氣藏。與臨河地區(qū)的構(gòu)造特征相結(jié)合發(fā)現(xiàn)，在斜坡位置發(fā)育多個斷階構(gòu)造，成藏期油氣在流體勢能差的作用下，烴源巖層生成的油氣通過多級次斷裂和不整合面輸導(dǎo)，從高勢區(qū)的凹陷中心向低勢區(qū)的斜坡位置運移，可以在斜坡位置的斷階位置形成斷塊、斷鼻等多種類型的構(gòu)造油氣藏。

圖4 河套盆地新近紀流體勢特征及運聚單元劃分

4 運聚單元劃分

油氣運聚單元是盆地中具有相似油氣運移和聚集特征的獨立和完整的三維石油地質(zhì)單元[25]。按照勢能分隔槽理論，流體勢圖上的高勢面即為油氣運移的分割槽，以此為界劃分為吉蘭泰和臨河兩大運聚區(qū)，在此基礎(chǔ)上，又劃分出吉蘭泰地區(qū)Ⅰ、Ⅱ號共2個運聚單元和臨河地區(qū)Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ號4個運聚單元(圖4)。

4.1 吉蘭泰地區(qū)2個運聚單元

(1) Ⅰ號運聚單元。主要位于吉蘭泰地區(qū)西北部，該區(qū)處于吉蘭泰坳陷的中心位置，下白堊統(tǒng)固一段發(fā)育深湖—半深湖相沉積，是有利烴源巖發(fā)育區(qū)帶。白堊系砂巖儲層物性較好，具備較好的儲集能力。該運聚單元內(nèi)斷層發(fā)育，斷層走向近北東向，以斷裂和不整合型輸導(dǎo)體系為主，圈閉類型主要為斷鼻、斷塊和裂縫型圈閉。該區(qū)流體勢整體處于較低值范圍，位于油氣的有利運移方向，油氣成藏條件較好。

(2) Ⅱ號運聚單元。處于吉蘭泰地區(qū)東南部，該區(qū)緊鄰吉蘭泰凹陷。儲層受控于濱淺湖相—灘壩砂體，儲層物性較好，具備較好的儲集能力。該運聚單元內(nèi)斷層發(fā)育，斷層走向近北東向，以斷裂和不整合型輸導(dǎo)體系為主，圈閉類型主要為斷鼻、斷塊圈閉。但是該運聚單元偏離了油氣運移的主流線，不利于油氣運移，即便有少量油氣運移，大部分油氣也會在長距離的運移過程中逸散，不利于油氣聚集成藏。

4.2 臨河地區(qū)4個運聚單元

(1) Ⅲ號運聚單元。位于臨河地區(qū)西南部，油氣主要來源于臨河深凹區(qū)。該運聚單元內(nèi)斷層發(fā)育，斷層走向為北東向—北東東向，以斷裂和連通砂體型輸導(dǎo)體系為主，圈閉類型以斷塊和巖性圈閉為主。該區(qū)南部流體勢處于較低值范圍，位于油氣的有利運移方向，油氣成藏條件較好。

(2) Ⅳ號運聚單元。位于臨河地區(qū)中心位置，油氣主要來源于臨河深凹區(qū)。該區(qū)發(fā)育深湖—半深湖相烴源巖，是全區(qū)烴源巖厚度最大的位置，具備較好的生烴條件，同時構(gòu)成該區(qū)主要儲層的三角洲—淺湖相砂體是其最大的砂體。該運聚單元內(nèi)斷層發(fā)育，以斷裂、不整合和連通砂體型輸導(dǎo)體系為主，圈閉類型以斷鼻、斷塊和巖性油藏為主。該區(qū)南部流體勢處于較低值范圍，位于油氣的有利運移方向，是6個運聚單元中油氣成藏條件最好的單元。

(3) Ⅴ號運聚單元。位于臨河地區(qū)北部，該運聚單元內(nèi)構(gòu)造相對有利，漸新統(tǒng)儲層發(fā)育，物性好。臨二段發(fā)育半深湖相有效烴源巖，生烴潛力強。該運聚單元內(nèi)斷層發(fā)育，以斷裂和連通砂體型輸導(dǎo)體系為主，圈閉類型以斷鼻、斷塊和巖性油藏為主。該區(qū)東南部流體勢處于較低值范圍，位于油氣的有利運移方向，油氣成藏條件較好。

(4) Ⅵ號運聚單元。位于臨河地區(qū)東北部，該運聚單元特征同Ⅱ號運聚單元，該運聚單元偏離了油氣運移的主流線，不利于油氣運移，即便有少量油氣運移，大部分油氣也會在長距離的運移過程中逸散，不利于油氣聚集成藏。

綜上所述，吉蘭泰地區(qū)的Ⅰ號油氣運聚單元和臨河地區(qū)的Ⅲ、Ⅳ號和Ⅴ號運聚單元是較好的油氣運聚單元，并且其中的Ⅰ、Ⅳ號和Ⅴ號運聚單元經(jīng)鉆井證實已有油氣發(fā)現(xiàn)，位于Ⅰ號運聚單元的吉華2X井，日產(chǎn)油為10.26 m3/d，位于Ⅳ號運聚單元的松5井日產(chǎn)油為62.6 m3/d，位于Ⅴ號運聚單元臨深3井經(jīng)多次試油在下白堊統(tǒng)累計產(chǎn)油24.84 m3。

5 結(jié) 論

(1) 河套盆地是一個發(fā)育在前寒武系變質(zhì)巖基底上的走滑拉分盆地，主要生烴層系是下白堊統(tǒng)固陽組烴源巖，采用Hubbert流體勢模型，恢復(fù)了河套盆地臨河坳陷在新近紀這一關(guān)鍵成藏期的流體勢特征。

(2) 在新近紀，高勢區(qū)分布范圍較大，主體位于臨河坳陷的西北方向，臨河坳陷中心為供流區(qū)，臨河斜坡帶為泄流區(qū)，總體表現(xiàn)為由西北坳陷中心向東南斜坡帶逐漸降低的分布規(guī)律，可在斜坡帶的斷階位置形成斷塊、斷鼻等多種類型的構(gòu)造油氣藏。

(3) 根據(jù)河套盆地新近紀流體勢分布特征，將臨河坳陷吉蘭泰地區(qū)劃分為兩大油氣運聚區(qū)共6個油氣運聚單元，其中，Ⅰ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ號運聚單元是較好的油氣運聚單元，利于油氣的聚集。