源斷蓋時間匹配有效性的研究方法及其應用

付 廣, 梁木桂, 鄒 倩， 牟大偉, 李喬喬

(1.東北石油大學地球科學學院,黑龍江大慶 163318; 2.中國石油勘探開發(fā)研究院,北京 100083;3.中國石油新疆油田分公司新港公司，新疆克拉瑪依 834000; 4.大慶油田有限責任公司第一采油廠，黑龍江大慶 163001)

源巖、斷裂和蓋層作為含油氣盆地下生上儲式生儲蓋組合中油氣成藏3個必不可少的要素,其發(fā)育及分布特征在一定程度上控制著油氣的生成、運移和聚集。然而油氣能否大規(guī)模聚集成藏除了受到三者空間匹配有效性的影響外,還要受到三者時間匹配有效性的影響。源斷蓋時間匹配有效性越好,油氣越易于聚集成藏;反之則油氣不易于聚集成藏。由此可見準確地研究出源斷蓋時間匹配有效性,對于油氣的勘探至關(guān)重要。針對源巖排烴時期、斷裂輸導油氣時期和蓋層封閉能力形成時期,前人曾做了大量的研究和探討,主要為以下3個方面:①利用源巖生排烴史模擬計算得到的源巖排烴量相對大小隨地質(zhì)時期的變化關(guān)系,研究源巖排烴時期特征[1-4];②利用斷裂生長指數(shù)或活動速率的相對大小隨時間的變化關(guān)系,研究斷裂活動時期[5-7],結(jié)合源巖是否排烴,研究斷裂輸導油氣時期[7-9];③利用蓋層排替壓力隨時間的變化關(guān)系,當蓋層排替壓力到達1 MPa時,其所對應的地質(zhì)時期即為蓋層封閉能力形成時期[10-13]。上述研究成果對于正確認識油氣藏形成與演化格外重要。然而將源斷蓋綜合起來研究其時間匹配有效性目前尚未見文獻報導,只有源斷時間匹配有效性研究[7,14]和源蓋時間匹配有效性研究[15-17],二者反映的僅是油氣成藏某些側(cè)面,還不能全面地反映油氣成藏的整個過程。因此筆者在源斷蓋時間匹配有效性及其影響因素研究的基礎(chǔ)上,通過確定源斷配置輸導油氣時期與斷蓋配置封油氣能力形成時期,建立一套源斷蓋時間匹配有效性的研究方法,這對正確認識含油氣盆地下生上儲式生儲蓋組合油氣分布規(guī)律和指導油氣勘探均具重要意義。

1 源斷蓋時間匹配有效性及其影響因素

源斷蓋時間匹配有效性是指源斷配置輸導油氣時期與斷蓋配置封油氣能力形成時期之間的時間匹配關(guān)系。如果斷蓋配置封油氣能力形成時期早于或與源斷配置輸導油氣時期同期,那么斷蓋配置可以封閉住源斷配置輸導的大量油氣,有利于油氣聚集成藏,源斷蓋時間匹配有效性好(圖1(a));相反如果斷蓋配置封油氣能力形成時期晚于源斷配置輸導油氣時期,那么斷蓋配置所能封閉住油氣量的多少主要受到二者之間時間差相對大小的控制,其時間差相對越小,斷蓋配置所能封閉住的源斷配置輸導油氣量相對越多,源斷蓋時間匹配有效性相對越好;反之則相對越差(圖1(b))。

圖1 源斷蓋時間匹配有效性示意圖Fig.1 Sketch map of effectiveness of time matching of source-fault-caprock

源斷配置輸導油氣時期主要受到源巖排烴期與斷裂活動時期之間匹配關(guān)系的控制[18]。只有與源巖排烴期同期的斷裂活動時期,斷裂才能輸導源巖生成排出的油氣,此時期才是源斷配置輸導油氣時期,如圖2中的2、3斷裂活動時期,與源巖排烴期同期,可以輸導油氣;否則斷裂活動則不能輸導源巖生成排出的油氣,此時期也就不是源斷配置輸導油氣時期,如圖2中的1、4斷裂活動時期,源巖不排烴,不能輸導油氣。

圖2 源巖排烴期與斷裂活動時期匹配關(guān)系Fig.2 Matching relationship between source expulsion period and activities of fractures

斷蓋配置類型不同,其封油氣能力形成時期也就不同[19]。如果斷蓋配置的斷接厚度(蓋層殘留厚度,其大小等于蓋層厚度減去斷裂斷距)達到其封油氣所需的最小斷接厚度[20],油氣不能穿過蓋層向上運移,此時期斷蓋配置封閉(圖3(a));反之此時斷蓋配置則不封閉(圖3(b))。對于封閉型斷蓋配置來說,因斷裂在其內(nèi)上下分段生長不連接,不是油氣運移的輸導通道[21],此時斷蓋配置主要是蓋層對油氣起封閉作用,其封油氣能力形成時期應為蓋層封閉能力形成時期。根據(jù)前人研究成果[22],認為泥巖蓋層滲透率小于10-5μm2時開始形成封閉能力,而泥巖蓋層滲透率小于10-5μm2所對應的排替壓力約為1 MPa,故選取泥巖蓋層排替壓力等于1 MPa所對應的時期作為其封閉能力形成時期(圖4)。而對于不封閉型斷蓋配置來說,因斷裂在其內(nèi)上下分段生長連接,是油氣運移的輸導通道,此時斷蓋配置主要是斷層巖對油氣起封閉作用,其封油氣能力形成時期應為斷層巖封閉能力形成時期,即是斷層巖排替壓力達到1 MPa對應的時期(圖4)。

圖3 斷蓋配置封閉類型示意圖Fig.3 Sketch map of closed type of fault-caprock configuration

圖4 不同類型斷蓋配置封油氣能力形成時期確定示意圖Fig.4 Sketch map of determining period of sealing ability formed of different type of fault-caprock configuration

2 源斷蓋時間匹配有效性的研究方法

要研究源斷蓋時間匹配有效性,就必須確定出源斷配置輸導油氣時期和斷蓋配置封油氣能力形成時期。

要確定源斷配置輸導油氣時期,就必須確定源巖排烴期和斷裂活動時期。源巖排烴期可以根據(jù)源巖生排烴模擬方法[4]計算得到的源巖在不同時期的排烴量,作源巖排烴量相對大小隨時間關(guān)系圖,便可以根據(jù)源巖是否排烴得到源巖排烴時期(圖2)。斷裂活動時期可利用斷裂生長指數(shù)或活動速率計算,按照文獻[23]中斷裂活動時期的確定方法,便可根據(jù)斷裂生長指數(shù)大于1或斷裂活動速率相對較大時期確定出斷裂活動時期(圖5)。

圖5 斷裂活動時期確定示意圖Fig.5 Sketch map of determining fault activity period

將上述已確定出的源巖排烴期與斷裂活動期疊合,便可得到與源巖排烴期同期的斷裂活動時期即為源斷配置輸導油氣時期(圖2)。

要研究斷蓋配置封油氣能力形成時期,就必須先確定斷蓋配置封閉類型。統(tǒng)計斷裂在蓋層內(nèi)的斷距和對應處蓋層厚度,計算斷蓋配置的斷接厚度,與研究區(qū)斷蓋配置封油氣所需的最小斷接厚度[24]比較,便可以確定出斷蓋配置封閉類型,當斷蓋配置斷接厚度達到其封油氣所需的最小斷接厚度,那么斷蓋配置為封閉型(圖3(a));反之則為不封閉型(圖3(b))。

對于封閉型斷蓋配置而言,可以根據(jù)實測蓋層排替壓力與其壓實成巖埋深和泥質(zhì)含量之間的關(guān)系[25]。在認為蓋層泥質(zhì)含量在不同地質(zhì)時期是不變的前提下,通過壓實成巖埋深變化恢復不同地質(zhì)時期蓋層古排替壓力,作蓋層排替壓力隨地質(zhì)時期的變化關(guān)系圖。當蓋層排替壓力到達1 MPa時,其所對應的地質(zhì)時期即為封閉型斷蓋配置封油氣能力形成時期(圖4)。

對于不封閉型斷蓋配置而言,可以假設(shè)斷裂為傾置于圍巖地層中的傾斜巖層,則可以按照蓋層封油氣能力形成時期的研究方法對斷層巖封油氣能力形成時期進行研究。由于斷層巖物質(zhì)來自被其錯斷斷層兩盤的圍巖地層,所以可以假設(shè)斷層巖的壓實成巖歷史與圍巖的壓實成巖歷史相近,且二者均是壓實成巖壓力和作用時間共同作用的結(jié)果,可用二者之間的乘積來表示。由此按照文獻[26]斷層巖壓實成巖埋深的確定方法:

(1)

式中,Zf為斷層巖壓實成巖埋深,m;Tf為斷層巖壓實成巖時間,Ma;Zs為與斷層巖具有相同埋深的圍巖壓實成巖埋深,m;Ts為與斷層巖具有相同埋深的圍巖壓實成巖時間,Ma;C為圍巖壓實成巖系數(shù)。

由式(1)便可以確定出斷層巖的壓實成巖埋深。由斷裂斷距和被其錯斷地層巖層厚度和泥質(zhì)含量,按照文獻[26]中斷層巖泥質(zhì)含量的預測方法可獲得斷層巖的泥質(zhì)含量。將斷層巖壓實成巖埋深和泥質(zhì)含量代入實測圍巖排替壓力與其壓實成巖埋深和泥質(zhì)含量之間的經(jīng)驗關(guān)系式[26]中,便可以計算得到斷層巖的現(xiàn)今排替壓力。再在認為斷層巖泥質(zhì)含量在不同地質(zhì)時期是不變的前提下,便可以按照上述蓋層古排替壓力恢復方法,恢復不同地質(zhì)時期斷層巖古排替壓力,作斷層巖排替壓力隨地質(zhì)時期的變化關(guān)系圖,當斷層巖排替壓力到達1 MPa時,其所對應的地質(zhì)時期即為不封閉型斷蓋配置封油氣能力形成時期(圖4)。

3 實例應用

南堡凹陷處于渤海灣盆地黃驊坳陷北部,為一北斷南超的箕狀斷陷盆地。該凹陷主要發(fā)育6套地層,從下至上分別為孔店組、沙河街組、東營組、館陶組、明化鎮(zhèn)組及第四系。其中東二段是天然氣的主要儲層,沙三段和沙一段是主要源巖層,東二段頂部發(fā)育的泥巖是主要蓋層。由于下伏沙三段和沙一段源巖和上覆東二段儲層之間隔有多套泥巖,致使天然氣無法直接穿過泥巖蓋層向上運移,只有沿著油源斷裂,才能穿過泥巖蓋層運移至東二段儲層中。由文獻[27]可知,南堡凹陷東二段儲層的油源斷裂主要為中期走滑伸展—晚期張扭和早期伸展—中期走滑伸展—晚期張扭2類斷裂(連接了沙三段和沙一段源巖及東二段儲層,且在天然氣成藏期——明化鎮(zhèn)組沉積晚期[24]活動)。南堡凹陷東二段儲層天然氣成藏模式可用老爺廟構(gòu)造油氣成藏模式表示(圖6),其天然氣成藏主要受到源斷蓋的共同控制,其源斷蓋時間匹配有效性的好壞,將直接影響著其天然氣聚集程度。

圖6 南堡凹陷老爺廟構(gòu)造東二段儲層天然氣成藏模式Fig.6 Hydrocarbon accumulation model of reservoir in the 2nd member of Dongying Formation in Laoyemiao structure of Nanpu Depression

源巖生排烴史模擬結(jié)果顯示,南堡凹陷沙三段和沙一段源巖存在2個排氣高峰期,分別為館陶組沉積中期和明化鎮(zhèn)組沉積中期[18]。

斷裂生長指數(shù)統(tǒng)計顯示,南堡凹陷斷裂主要存在3個活動時期,分別為沙二、三段沉積時期、東一段沉積時期和明化鎮(zhèn)組—第四系沉積時期[18]。

由上述源巖排氣時期與斷裂活動時期疊合,可以得到南堡凹陷源斷配置輸導天然氣時期為東一段沉積時期和明化鎮(zhèn)組—第四系沉積時期;而沙二、三段沉積時期不是源斷配置輸導天然氣時期(圖7)。

鉆井及地震資料揭示,南堡凹陷東二段泥巖發(fā)育,泥巖厚度普遍大于100 m,最大可達到300 m以上,主要分布在其西部局部地區(qū)(圖8)。由于東二段泥巖受到油源斷裂破壞,斷蓋配置在凹陷西部和東部局部斷接厚度達到其封氣所需的最小斷接厚度[20],斷蓋配置為封閉型(圖9);而凹陷其余廣大地區(qū)斷蓋配置的斷接厚度小于其封氣所需的最小斷接厚度,斷蓋配置為不封閉型。由南堡凹陷實測泥質(zhì)巖排替壓力與其埋深和泥質(zhì)含量之間關(guān)系:

(2)

式中,pd為泥質(zhì)巖排替壓力,MPa;Z為泥質(zhì)巖埋深,m;R為泥質(zhì)巖泥質(zhì)含量。

圖7 南堡凹陷東二段儲層源斷蓋時間匹配關(guān)系Fig.7 Relation of time matching of source-fault-caprock of reservoir in the 2nd member of Dongying Formation in Nanpu Depression

在假定泥質(zhì)含量不變的條件下,通過恢復不同地質(zhì)時期東二段泥巖蓋層埋深,對其不同地質(zhì)時期古排替壓力進行了計算(圖7)。由圖7中可以看出,東二段泥巖蓋層排替壓力從東二段沉積末期開始一直增大,當泥巖蓋層排替壓力達到1 MPa時,其所對應的地質(zhì)時期為明化鎮(zhèn)組下段沉積早期。

利用斷裂在東二段泥巖蓋層內(nèi)壓實成巖埋深、壓實成巖時間和其內(nèi)斷裂停止活動時間,由式(1)計算得到南堡凹陷東二段泥巖蓋層內(nèi)斷層巖壓實成巖埋深。由斷裂在東二段泥巖蓋層內(nèi)的斷距和被其錯斷巖層厚度及泥質(zhì)含量,計算得到斷層巖泥質(zhì)含量。由南堡凹陷泥質(zhì)巖實測排替壓力與其埋深和泥質(zhì)含量之間關(guān)系式(式(2))計算斷裂在東二段泥巖蓋層內(nèi)斷層巖現(xiàn)今排替壓力,再在認為斷層巖泥質(zhì)含量在不同地質(zhì)時期是不變的前提下,恢復斷裂在東二段泥巖蓋層內(nèi)斷層巖壓實成巖埋深,計算斷層巖在不同地質(zhì)時期的古排替壓力(圖7)。由圖7中可以看出,斷裂在東二段泥巖蓋層內(nèi)斷層巖排替壓力從館陶組沉積中期開始一直增大,當斷層巖排替壓力達到1 MPa時,其所對應地質(zhì)時期為明化鎮(zhèn)組上段沉積早期。

圖8 南堡凹陷東二段泥巖蓋層厚度分布Fig.8 Distribution of caprock thickness in the 2nd member of Dongying Formation in Nanpu Depression

圖9 南堡凹陷東二段儲層不同類型斷蓋配置分布Fig.9 Distribution of different types fault-caprock configuration of reservoir in the 2nd member of Dongying Formation in Nanpu Depression

將上述南堡凹陷源斷配置輸導油氣時期與斷蓋配置封閉能力形成時期疊合可知,封閉型和不封閉型斷蓋配置封氣能力形成時期分別為明化鎮(zhèn)組下段沉積早期和明化鎮(zhèn)組上段沉積早期,均晚于源斷配置在東一段沉積時期的輸導天然氣時期,不利于天然氣聚集成藏,源斷蓋時間匹配有效性差(圖7);而封閉型斷蓋配置封氣能力形成時期為明化鎮(zhèn)組下段沉積早期,早于源斷配置在明化鎮(zhèn)組—第四系沉積時期輸導天然氣時期,有利于天然氣聚集成藏,源斷蓋時間匹配有效性相對較好;不封閉型斷蓋配置封氣能力形成時期為明化鎮(zhèn)組上段沉積早期,與源斷配置明化鎮(zhèn)組—第四系沉積時期輸導天然氣時期同期,較有利于天然氣聚集成藏,源斷蓋時間匹配有效性相對較好。

4 結(jié) 論

(1)源斷蓋時間匹配有效性是指源斷配置輸導油氣時期與斷蓋配置封油氣能力形成時期之間的匹配關(guān)系。斷蓋配置封油氣能力形成時期早于或與源斷配置輸導油氣時期同期,有利于油氣聚集成藏,源斷蓋時間匹配有效性越好;相反斷蓋配置封油氣能力形成時期晚于源斷配置輸導油氣時期,二者之間時間差相對越小,越有利于油氣聚集成藏,源斷蓋時間匹配有效性相對越好;反之則相對越差。

(2)源斷配置輸導油氣時期為與源巖排烴期同期的斷裂活動時期,封閉型斷蓋配置封油氣能力形成時期為蓋層排替壓力等于1 MPa時所對應的地質(zhì)時期;不封閉型斷蓋配置封油氣能力形成時期為斷層巖排替壓力等于1 MPa時所對應的地質(zhì)時期。

(3)通過確定源斷配置輸導油氣時期和斷蓋配置封油氣能力形成時期,將二者疊合建立了一套源斷蓋時間匹配有效性的研究方法,實際應用結(jié)果表明,該方法用于研究源斷蓋時間匹配有效性是可行。

(4)南堡凹陷東二段儲層的封閉型和不封閉型斷蓋配置封氣能力形成時期分別為明化鎮(zhèn)組下段沉積早期和明化鎮(zhèn)組上段沉積早期,均晚于源斷配置在東一段沉積時期的輸導天然氣時期,不利于天然氣聚集成藏,源斷蓋時間匹配有效性差;而封閉型斷蓋配置封氣能力形成時期為明化鎮(zhèn)組下段沉積早期,早于源斷配置在明化鎮(zhèn)組—第四系沉積時期的輸導天然氣時期,有利于天然氣聚集成藏,源斷蓋時間匹配有效性相對較好;不封閉型斷蓋配置封氣能力形成時期為明化鎮(zhèn)組上段沉積早期,與源斷配置在明化鎮(zhèn)組—第四系沉積時期的輸導天然氣時期同期,較有利于天然氣聚集成藏,源斷蓋時間匹配有效性相對較好。