油氣運移過程中的“高速剎車”稠化機理探討
——以渤海灣盆地東營凹陷南坡東段為例

杜振京

(中國石化 勝利油田分公司 油氣勘探管理中心，山東 東營 257000)

1 地質(zhì)概況

研究區(qū)位于渤海灣盆地東營凹陷南坡東段，整體呈NEE向展布，自NW向SE逐漸抬升，構(gòu)造上劃分為丁家屋子構(gòu)造帶、八面河構(gòu)造帶以及被這2個正向復(fù)式油氣聚集帶所夾持的構(gòu)造鞍部(圖1)。研究區(qū)主要發(fā)育NNE和EW向展布的2組斷裂，其中EW向展布斷裂延伸距離較短[1]。

研究區(qū)古近系發(fā)育孔店組(E1-2k)、沙河街組(E2-3s)和東營組(E3d)，其中沙河街組自下而上分為沙四段、沙三段、沙二段和沙一段；垂向上發(fā)育多套含油層系，主力含油層系為沙河街組和孔店組。

東營凹陷南坡東段的勘探工作始于20世紀60年代，經(jīng)過近50年的勘探，在八面河構(gòu)造帶發(fā)現(xiàn)了八面河油田，在丁家屋子構(gòu)造帶發(fā)現(xiàn)了王家崗油田；2010年又在2個構(gòu)造帶之間的構(gòu)造鞍部部署鉆探了王146井，在沙四段鉆遇油層10層共31 m；此后部署鉆探的王148、王150、王151、王152、王154等井相繼獲得成功，并發(fā)現(xiàn)了沙四段—孔店組深層稠油油藏，從而形成了斜坡帶整體連片含油的趨勢。

圖1 渤海灣盆地東營凹陷南坡東段原油地面黏度和油氣運移方向

對原油烴類化學(xué)組成的剖析表明[1]，王家崗油田沙河街組原油與鄰區(qū)八面河油田沙河街組原油特征相似，都具有較高含量的甾烷、伽馬蠟烷和脫羥基維生素E，C27、C28、C29ɑɑɑ規(guī)則甾烷呈“V”字型分布，Pr/Ph<1，甾烷異構(gòu)化程度不高等咸水湖相原油特征，表明2個地區(qū)沙河街組原油成因相同、油源相同，這是開展本項研究工作的前提。

2 不同構(gòu)造帶原油特征

通過對丁家屋子、八面河構(gòu)造帶及其之間鞍部的150個原油樣品的物性分析資料進行統(tǒng)計，發(fā)現(xiàn)沙四段原油黏度自牛莊生油洼陷沿運移方向逐漸增加，但不同構(gòu)造單元原油黏度的變化卻存在差異(表1)，表現(xiàn)出構(gòu)造鞍部(王146井區(qū))的原油黏度高于低部位的丁家屋子構(gòu)造帶和高部位八面河構(gòu)造帶的特點[2]。

2.1 牛莊洼陷

牛莊洼陷是東營凹陷的主要生烴洼陷之一，沙四上亞段烴源巖生成的油氣在鄰近的砂體或經(jīng)過短距離的運移在圈閉中聚集成藏，具有自生自儲的特點，油藏埋深在3 000～3 400 m之間。王60、王9、王58、王588等井沙四上亞段原油黏度均低于20 mPa·s，凝固點在30 ℃以下，屬于正常原油(表1)。

表1 渤海灣盆地東營凹陷南坡東段及周緣沙四段原油物性特征統(tǒng)計

2.2 丁家屋子構(gòu)造帶

丁家屋子構(gòu)造帶位于牛莊洼陷的東側(cè)，來自牛莊洼陷的油氣經(jīng)過短距離的運移即在該構(gòu)造帶富集成藏[1-4]。根據(jù)原油性質(zhì)的差別，以王4斷層和官125斷層為界，將丁家屋子構(gòu)造帶劃分為3個部分(圖1)。北部王4斷層以北地區(qū)緊鄰牛莊洼陷，油氣運移距離最短，地面原油黏度相對較低，王5、王6等井的原油地面黏度在80 mPa·s以下，屬于正常原油；向南至王4—官125斷層之間的地區(qū)，隨著埋深的變淺(2 000～2 500 m)，地面原油黏度明顯升高，平均為523 mPa·s，最高可達2 600 mPa·s；至官125斷層以南，沙四段油藏埋深在1 500～2 000 m，地面原油黏度迅速增高，平均達到5 546 mPa·s，最高達16 736 mPa·s，已演變?yōu)橹刭|(zhì)超稠油(表1)。

2.3 構(gòu)造鞍部

目前發(fā)現(xiàn)了南、北2個油氣富集區(qū)。南部的王146地區(qū)沙四段油氣藏埋深為1 500～1 800 m；6口井原油物性資料表明，原油具有高密度、高黏度等特征。原油密度為0.966 0～0.985 7 g/cm3，平均為0.976 1 g/cm3；50 ℃下脫氣原油黏度為13 497～22 276 mPa·s，平均為17 962 mPa·s，為超稠油特征(表1)。

北部王143區(qū)塊與丁家屋子構(gòu)造帶北部地區(qū)相似，沙四段油藏埋深2 700～2 800 m，地面原油黏度相對較低；王112、王119、王143等3口井的原油黏度均在100 mPa·s以下，7個樣品的原油平均黏度為271 mPa·s，基本屬于常規(guī)原油(表1)。

2.4 八面河構(gòu)造帶

該構(gòu)造帶沙四段原油密度表現(xiàn)出一定的差異性[5-7]，北部面10、面4、面7井的原油黏度低于2 000 mPa·s；向南至面120井原油黏度達到3 523.9 mPa·s，15個樣品的平均黏度為1 169 mPa·s?？傮w而言，八面河構(gòu)造帶上的原油均屬于常規(guī)稠油的范圍(表1)。

3 問題的提出與地質(zhì)成因推斷

通常情況下，原油自生烴區(qū)向聚集區(qū)長距離運移聚集的過程中，由于自身的分異和水洗、生物降解等作用，表現(xiàn)出距油源越遠、原油越稠的現(xiàn)象[6-10]。

前人研究表明，丁家屋子構(gòu)造帶、八面河構(gòu)造帶沙四段油藏的原油主要來自牛莊洼陷的沙四上亞段烴源巖，少量來自沙三段烴源巖[11-12]。牛莊洼陷沙四上—沙三段烴源巖生成的油氣，在向研究區(qū)運移聚集的過程中，依次在丁家屋子構(gòu)造帶、構(gòu)造鞍部和八面河構(gòu)造帶聚集成藏，但不同構(gòu)造帶的原油性質(zhì)沒有表現(xiàn)出依次變稠的特點，而是表現(xiàn)出中間區(qū)帶油稠、向高低兩側(cè)區(qū)帶變稀的特征。

對于不同構(gòu)造帶稠油的成因，前人做了大量的研究工作[1,5,13]，但將南坡東段不同構(gòu)造單元作為一個整體，這種超越常規(guī)的原油物性特征是如何形成的？徐偉等[2]提出了不同運移路徑降解作用不同的觀點。筆者在分析前人成果的基礎(chǔ)上，根據(jù)對不同構(gòu)造帶原油地化參數(shù)和成藏地質(zhì)條件的研究，認為油氣自丁家屋子構(gòu)造帶到八面河構(gòu)造帶運移的過程中，可能存在“高速剎車”效應(yīng)，進而提出了原油運移過程中可能存在“高速剎車”稠化機理的新認識。

所謂的“高速剎車”效應(yīng)是“蝴蝶效應(yīng)”在高速公路上的具體表現(xiàn)形式。即如果駕駛?cè)巳我庾儞Q車道或踩下剎車，都有可能導(dǎo)致后方車輛行駛緩慢、追撞乃至交通堵塞。筆者也曾注意到，當高速公路上的某個地方發(fā)生“剎車效應(yīng)”時，該路段上的車輛就會行駛緩慢甚至發(fā)生交通堵塞；而后方的車輛源源不斷地向前正常行駛，直至蝸行擁堵；而勉強通過發(fā)生擁堵路段的車輛，能夠快速恢復(fù)正常行駛的大部分都是小型車輛。

那么，油氣在從源巖到圈閉的運移過程中，由于地質(zhì)條件的變化，在運移路徑上也可以發(fā)生“高速剎車”效應(yīng)。利用“高速剎車”效應(yīng)可以很好地解釋研究區(qū)油藏原油性質(zhì)的差異性。

如果把從牛莊洼陷到八面河構(gòu)造帶的油氣運移路徑比作一條高速公路，油氣從牛莊洼陷出發(fā)，在丁家屋子構(gòu)造帶發(fā)生第一次輕微的“剎車效應(yīng)”(聚集成藏)，原油黏度有所提高，大車(長鏈分子)、小車(短鏈分子)繼續(xù)前行；到達鞍部的王146地區(qū)，由于地質(zhì)因素的改變，再次發(fā)生“剎車效應(yīng)”，形成油氣藏(大車行駛緩慢、甚至堵車)，由于圈閉封堵條件的改變，油氣發(fā)生滲漏，短鏈分子(小車)穿過斷層(擁堵區(qū))繼續(xù)前行，到達八面河構(gòu)造帶(高速路的終點)，并發(fā)生短鏈烴的聚集成藏。

目前，伊朗正在同西班牙合作，開展一個五年的溫室培育項目，這是一個非常受農(nóng)戶歡迎的項目，該項目的內(nèi)容是在溫室環(huán)境中培育一些適合在溫室環(huán)境下進行跟蹤的作物。伊朗希望這個聯(lián)合的項目，能夠有利于作物的生長，也希望能夠幫伊朗實現(xiàn)肥料行業(yè)以及灌溉系統(tǒng)的突破。一定環(huán)境之下，了解最低施肥量顯得尤為重要。目前伊朗迫切地需要提升土壤中的有機質(zhì)的含量，保持土壤中的有益的微生物，重中之重是保持土壤中的水分。

利用這種“高速剎車”效應(yīng)，可以很好地解釋構(gòu)造鞍部的原油黏度比高部位八面河構(gòu)造帶高的現(xiàn)象；也可以解釋構(gòu)造鞍部王146區(qū)塊富集成藏的地質(zhì)原因。

4 “高速剎車效應(yīng)”存在的地質(zhì)條件

“高速剎車”效應(yīng)可以解釋不同區(qū)帶原油性質(zhì)的成因，但研究區(qū)是否存在發(fā)生“剎車效應(yīng)”的地質(zhì)條件和“剎車效應(yīng)”發(fā)生后的地球化學(xué)證據(jù)呢？

地質(zhì)條件的改變?nèi)巛攲?dǎo)砂體厚度變薄、地層傾角變緩、地層壓力變小等都可以引起油氣運移過程中的“剎車效應(yīng)”。

砂體由厚變薄相當于高速路由寬變窄，油氣運移通道就會變窄；地層由陡變緩相當于高速路由平緩變?yōu)樯掀?，也會引起以浮力為主要運移動力的油氣分子運移速度變緩，導(dǎo)致油氣運移過程中“剎車”效應(yīng)的發(fā)生。

4.1 砂體厚度由厚變薄

砂體厚度的變化，相當于高速公路車道數(shù)量的變化。由研究區(qū)沙四上亞段純下3砂組油層等厚圖(圖2)來看，該砂體以王146—王斜98井區(qū)砂體最厚(大于12 m)，向低部位的丁家屋子和高部位的八面河構(gòu)造帶砂體明顯變薄(小于5 m)。由此可以想象，油氣從王146—王斜98井區(qū)向高部位的八面河構(gòu)造帶運移的過程中，由于砂體向高部位的快速減薄，勢必造成油氣運移速度的大幅度降低，導(dǎo)致油氣在運移過程中出現(xiàn)“高速剎車”效應(yīng)；其他砂組也存在變薄的現(xiàn)象。

4.2 地層傾角由陡變緩

從南坡東段近垂直于3個構(gòu)造帶的油藏剖面來看(圖3)，王146井區(qū)所處的構(gòu)造鞍部構(gòu)造等值線較丁家屋子構(gòu)造帶和八面河構(gòu)造帶都要稀疏，說明從丁家屋子構(gòu)造帶到構(gòu)造鞍部的地層傾角明顯變小。這種地層傾角的變小，可以導(dǎo)致以浮力為主要運移動力的油氣分子的運移阻力加大，運移速度變慢，也可以出現(xiàn)油氣運移過程中發(fā)生“高速剎車”效應(yīng)。

4.3 異常壓力由強變?nèi)?/h3>

圖2 渤海灣盆地東營凹陷南坡東段沙四上亞段純下3砂組含油砂體厚度

圖3 渤海灣盆地東營凹陷南坡東段近EW向油藏剖面剖面位置見圖1A-A′。

5 “剎車效應(yīng)”存在的地化證據(jù)

當油氣運移過程中以層析作用為主時，隨著運移距離的增加，烷烴含量和∑C21-/∑C22+值隨之增大，而主峰碳數(shù)和烷烴δ13C值則減小。為了尋找“高速剎車效應(yīng)”存在的地化證據(jù)，筆者統(tǒng)計了不同構(gòu)造區(qū)帶原油烷烴色譜圖中的主峰碳和∑C21-/∑C22+等地化參數(shù)(表2)，分別表示“最集中的車型”和“大、小車輛的集中程度”。

5.1 主峰碳數(shù)的差異

主峰碳數(shù)即一組色譜峰中的質(zhì)量分數(shù)最大的正構(gòu)烷烴碳數(shù)。此值可表示巖樣中有機質(zhì)或油樣中烴類的輕重、成熟度和演化程度。主峰碳數(shù)值小(小型車)的烴類較輕、成熟度和演化程度高；反之則表示長鏈烴(大型車)為主。

根據(jù)主峰碳數(shù)統(tǒng)計來看，牛莊洼陷沙四段油藏埋深超過3000m，原油主峰碳為C18，可能與成藏后的熱演化有關(guān)(筆者統(tǒng)計了濟陽坳陷多口井的熱蒸發(fā)烴色譜資料，發(fā)現(xiàn)在同一口井中，隨著埋藏深度的加大，主峰碳發(fā)生明顯的遷移，如高斜98井3 379.00～3 381.00 m井段原油主峰碳為C25，而3 564.90～3 528.00 m、3 859.5～3 865.5 m井段原油主峰碳已前移至C18；不同地區(qū)主峰碳發(fā)生前移的深度不同)。丁家屋子和王146地區(qū)沙四段(埋深在2 500～1 500 m)原油主峰碳為C24；而八面河地區(qū)沙四段(埋深在1 000～1 500 m)原油主峰碳為C17，顯然這不是成藏后熱演化的結(jié)果，而是運移過程中的分異作用導(dǎo)致短鏈烴相對富集造成的。

表2 渤海灣盆地東營凹陷南坡東段及周緣原油典型地化特征

從牛莊洼陷到八面河構(gòu)造帶，遵循了“高速剎車”效應(yīng)，即在丁家屋子構(gòu)造帶和王146地區(qū)，大車(長鏈烴)行駛緩慢，發(fā)生堵車(成藏)現(xiàn)象，形成高碳數(shù)烴類的聚集；而堵車現(xiàn)象發(fā)生后，小車(短鏈烴)克服阻力繼續(xù)前行，到達八面河構(gòu)造帶后聚集成藏，形成低碳數(shù)烴類的富集。

5.2 ∑C21-/∑C22+的差異性

∑C21-/∑C22+即一組色譜峰中，C21以前烴的質(zhì)量分數(shù)總和與C22以后烴的質(zhì)量分數(shù)總和之比。該參數(shù)若大于1，說明短鏈烴(C21以前)占優(yōu)勢；若小于1，說明長鏈烴(C22以后)占優(yōu)勢。相當于高速路上車輛大、小的集中程度。

根據(jù)3個構(gòu)造帶∑C21-/∑C22+的統(tǒng)計數(shù)據(jù)(表2)，丁家屋子構(gòu)造帶、王146地區(qū)等沙四段原油的∑C21-/∑C22+比值均小于1，說明長鏈烴(C22+)占優(yōu)勢，相當于高速路上這一路段的大車比小車要多；而在八面河構(gòu)造帶，該值明顯大于1，說明短鏈烴(C21-)占優(yōu)勢，相當于高速路上這一路段的小車比大車要多。

這組數(shù)據(jù)也表明了油氣運移至王146地區(qū)以后，發(fā)生了“高速剎車”效應(yīng)，導(dǎo)致短鏈烴脫離王146地區(qū)繼續(xù)向構(gòu)造高部位運移，并在八面河構(gòu)造帶富集成藏。

5.3 降解作用的差異

原油降解作用的強弱表現(xiàn)在2個方面：一是經(jīng)歷強烈生物降解作用的原油族組成與化學(xué)成分會發(fā)生變化；二是遭受強烈生物降解作用的稠油油藏，上方均發(fā)育淺層氣藏，如濟陽坳陷草橋、孤島、林樊家、三合村等，亮點氣藏與稠油油藏相互依存[17-19]。前人研究表明，王146地區(qū)以及八面河油田的原油都經(jīng)歷了生物降解作用[2,13]，但以上2個地區(qū)目前均未鉆遇稠油油藏上方的淺層天然氣藏。綜合分析認為，油氣沿著丁家屋子構(gòu)造帶向高部位運移的過程中，隨著埋深變淺和斷裂活動，油氣發(fā)生了降解，在運移至王146區(qū)塊之前已經(jīng)稠化[13]，而不是成藏后的降解或者是成藏后降解作用較弱。

圖4 渤海灣盆地東營凹陷南坡東段王148井原油

王146井區(qū)的原油化學(xué)組分特征也充分證實了這一觀點。生物降解作用對正構(gòu)烷烴、異構(gòu)烷烴乃至芳烴等組分有不同程度的影響，如遭受降解的原油往往具有較高碳數(shù)的正烷烴，在色質(zhì)分析總離子流圖上往往發(fā)生基線漂移，另具有較高的25-降藿烷。以該井區(qū)王148井為例，該井稠油總流子圖顯示的正烷烴分布特征較為正常(圖4)，且m/z191色質(zhì)圖未發(fā)現(xiàn)25-降藿烷，未經(jīng)生物降解。

6 結(jié)論

(1)油氣運移過程中“剎車效應(yīng)”，導(dǎo)致了東營凹陷南坡東段構(gòu)造鞍部王146地區(qū)沙四段的原油地面黏度較低部位的丁家屋子構(gòu)造帶和高部位的八面河構(gòu)造帶的原油黏度要高。

(2)砂體厚度、地層傾角和地層異常壓力的規(guī)律特征為“高速剎車”現(xiàn)象的產(chǎn)生提供了地質(zhì)條件。

(3)3個構(gòu)造帶原油的主峰碳數(shù)和∑C21-/∑C22+的差異性表明了“高速剎車”聚集模式的合理性。