烏爾遜凹陷蘇仁諾爾CO2氣藏主控因素分析

齊 寧, 薛海濤, 盧雙舫, 楊金秀, 盧明月, 夏 縈, 曹懌昕, MUHAMMAD Saqib, RAYON Abrams

(1. 中國石油大學(xué)(華東) 深層油氣重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，山東 青島 266580； 2. 中國石油大學(xué)(華東) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 青島 266580 )

0 引言

利用CO2捕獲和封存(CCS)技術(shù)、二氧化碳?xì)怛?qū)強(qiáng)化采油(CO2—EOR)技術(shù)，維持儲(chǔ)層壓力并提高油氣產(chǎn)量，是使CO2氣體更具有經(jīng)濟(jì)性和利用率的方法[1-2]。CO2氣源分為工業(yè)廢氣和天然CO2氣藏。天然CO2氣藏存在于陸相和海相盆地，如中國的松遼盆地、越南的Cuu long盆地和墨西哥北部的雀布拉什地區(qū)[3-5]。海拉爾盆地烏爾遜凹陷地區(qū)不僅石油和天然氣儲(chǔ)量巨大，而且在蘇仁諾爾走滑斷裂帶西部發(fā)育CO2天然氣。海拉爾盆地的CO2氣體被認(rèn)為是來自上地幔巖漿脫氣的幔源—巖漿成因無機(jī)氣體，有關(guān)CO2氣藏其他地質(zhì)特征(相關(guān)構(gòu)造、儲(chǔ)層巖石學(xué)和物理性質(zhì))的研究較少。

相對(duì)于二維地質(zhì)建模，三維地質(zhì)建模更具有精確性、實(shí)用性和可視性，能夠?qū)⒌刭|(zhì)構(gòu)造展布(深大斷裂帶、斷層分布)及地質(zhì)屬性(巖性、物性)分布特征清晰展現(xiàn)出來，在常規(guī)油氣研究中得到廣泛應(yīng)用。如利用三維地質(zhì)模型對(duì)大慶油田進(jìn)行二次開發(fā)指導(dǎo)[6]；THANH H V等利用地質(zhì)建模對(duì)越南近海灣油田東部進(jìn)行CO2儲(chǔ)存評(píng)估[7]； ABDELMAKSOUD A等利用地質(zhì)建模對(duì)埃及西北沙漠地區(qū)的Gharadig油氣田進(jìn)行巖相和物性分析模擬[8]。目前利用地質(zhì)建模對(duì)烏北凹陷地質(zhì)構(gòu)造及CO2氣藏主控因素的分析較少。付廣等認(rèn)為，斷層和裂縫可能在儲(chǔ)層氣體的地下運(yùn)移中起重要作用[9]。中國珠江口盆地西部富CO2氣藏主要分布于朱三南斷層，渤海灣盆地地幔衍生的CO2氣藏大多位于地下斷層構(gòu)造活動(dòng)區(qū)附近[10-11]，黃驊凹陷的CO2氣藏大多位于大中王斷層和贛西斷層附近[12]。松遼盆地深層的CO2氣藏聚集于與深部巖漿室相連的大邊界斷層，并與中央基底斷層控制的陡坡帶和中央斷層帶直接相關(guān)[13]。筆者利用井點(diǎn)數(shù)據(jù)、井間數(shù)據(jù)及地震資料，基于序貫高斯模擬方法[14-15]，對(duì)烏爾遜凹陷蘇仁諾爾氣田的CO2氣藏進(jìn)行儲(chǔ)層構(gòu)造斷層及巖性、物性建模，結(jié)合CO2氣藏分布進(jìn)行主控因素分析，為研究區(qū)下一步CO2氣藏有利區(qū)預(yù)測(cè)提供參考。

1 區(qū)域地質(zhì)概況

海拉爾盆地位于內(nèi)蒙古自治區(qū)，處于北緯40°00′～49°40′、東經(jīng)115°30′～120°00′，呈NE向展布[16]，為“下斷上凹”二元結(jié)構(gòu)。盆地發(fā)育斷陷(銅缽廟組—南屯組)、斷—坳轉(zhuǎn)化(大磨拐河組—伊敏組)和凹陷(青元崗組)3套構(gòu)造層[17]。研究區(qū)烏爾遜凹陷位于海拉爾盆地“三坳二隆”(扎賚諾爾坳陷、嵯崗隆起、貝爾湖坳陷、巴彥山隆起和呼和湖坳陷5個(gè)一級(jí)構(gòu)造單元)中的貝爾湖坳陷。烏爾遜凹陷作為海拉爾盆地的二級(jí)構(gòu)造單元(見圖1)，也是海拉爾盆地最具勘探潛力的地區(qū)，其陸相沉積特征、巖漿作用和幕式裂谷作用對(duì)CO2氣藏形成具有重要影響[18]。

圖1 烏爾遜凹陷蘇仁諾爾研究區(qū)構(gòu)造位置Fig.1 Structural location map of Surennuoer study area in Wuerxun Sag

根據(jù)露頭資料及深井鉆探結(jié)果，烏爾遜凹陷(烏北洼槽、烏南洼槽)以內(nèi)陸湖相碎屑巖為主，海拉爾盆地基底沉積時(shí)期為前古生界和古生界，主要沉積地層為大磨拐河組(K1d)、南屯組(K1n)、銅缽廟組(K1t)(見圖2)[19-20]。大磨拐河組發(fā)育區(qū)域性分布的泥巖；南屯組是烏爾遜凹陷主力儲(chǔ)層，為文中建模的主要目的層，厚度為450～800 m，包括南一段(N1-1、N1-2和N1-3小層)、南二段(N2-1和N2-2小層)[21-26]。CO2氣藏主要發(fā)育于南屯組的N1-1、N1-2和N2-2小層。南屯組沉積時(shí)期，烏爾遜凹陷為小型斷陷湖盆；經(jīng)過強(qiáng)烈拉張作用后，地殼發(fā)生沉降作用，湖泊水體整體變深，水域范圍變大，形成以泥巖為主的湖相沉積[27-28]。南一段物源來自烏爾遜凹陷北東部和西北部，以扇三角洲相沉積為主，為“深盆深水”特征；南二段繼承南一段的沉積，其扇體分布范圍相對(duì)縮小，為“廣盆淺水”特征[29]。

2 CO2氣藏成藏條件

采用Petrel軟件對(duì)研究區(qū)進(jìn)行三維地質(zhì)建模，包括構(gòu)造建模、巖性建模和物性建模。豐富且準(zhǔn)確的構(gòu)造資料是建立反映實(shí)際儲(chǔ)層的構(gòu)造模型的首要條件。構(gòu)造建模直接資料包括井軌跡數(shù)據(jù)、地層分層數(shù)據(jù)及研究區(qū)30口井的井上數(shù)據(jù)；間接資料包括地震數(shù)據(jù)解釋資料及各層面頂面構(gòu)造圖。其中，地震數(shù)據(jù)解釋資料反映研究區(qū)總體構(gòu)造趨勢(shì)，井上數(shù)據(jù)反映局部構(gòu)造信息，二者結(jié)合既體現(xiàn)總體構(gòu)造趨勢(shì)中的局部構(gòu)

圖2 蘇仁諾爾研究區(qū)南屯組綜合柱狀圖Fig.2 The stratigraphic column of Nantun Formation in Surennuoer study area

造變化，又確保局部構(gòu)造變化中的總體構(gòu)造趨勢(shì)。因此，在地層分層數(shù)據(jù)的約束下，利用地震數(shù)據(jù)解釋資料控制形成的構(gòu)造面屬于精確的構(gòu)造模型。建模過程中，首先對(duì)建模目的層的海拔高程進(jìn)行井間插值，然后根據(jù)插值參數(shù)將網(wǎng)格中離散點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行平面化處理，從而實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)建模。模型網(wǎng)格方向：X為東西向，Y為南北向，Z為海拔高度；區(qū)塊面積為26.3 km2，研究區(qū)井?dāng)?shù)為30口，建模層位包括南一段的N1-1、N1-2、N1-3小層和南二段的N2-1、N2-2小層；每小層分為20小層進(jìn)行模擬，網(wǎng)格數(shù)為226×342×100，總數(shù)為7.729 2×106個(gè)，節(jié)點(diǎn)為100×116×201，總數(shù)為2.331 6×106個(gè)。平面上，網(wǎng)格尺寸為30 m×30 m，兩口井之間不少于3個(gè)網(wǎng)格。

2.1 構(gòu)造條件

構(gòu)造建模反映研究區(qū)儲(chǔ)層地下的真實(shí)構(gòu)造形態(tài)及斷層整體發(fā)育，巖性建模和物性建模需要構(gòu)造建模生成的三維網(wǎng)格骨架[30]。構(gòu)造模型分為斷層模型及層面模型。斷層模型需要根據(jù)地震數(shù)據(jù)對(duì)斷層進(jìn)行解釋。研究區(qū)以正斷層為主，共發(fā)育8條主要斷層，模型所用斷層切斷整個(gè)南屯組，大部分?jǐn)鄬幼呦驗(yàn)闁|西向，較常見“入”字形組合形式，具有東西分帶、南北分塊的特點(diǎn)。研究區(qū)地勢(shì)起伏較大，平面構(gòu)造展布較差，具備深大斷裂帶及次生斷層帶，斷層模型見圖3(b)。蘇仁諾爾走滑斷裂帶以東西向貫穿整個(gè)研究區(qū)，斷層橫向延伸17.5 km，垂直延伸2.1 km，目的層的斷層位移約為500 m。蘇3斷裂帶以南北向斷開研究區(qū)南部，橫向延伸10.6 km，垂直延伸1.1 km，目的層的斷層位移約為250 m。較大的斷層位移(大于200 m)使斷裂帶中的各類巖性承受強(qiáng)烈的摩擦，形成斷層泥和良好的密封能力[15]。這些斷層位移的差異影響儲(chǔ)層深度，其中上盤壁的儲(chǔ)層相對(duì)較深，下盤壁的儲(chǔ)層相對(duì)較淺，主要斷層與目的層形成有利的構(gòu)造圈閉而聚集CO2氣藏。

圖3 烏爾遜凹陷三維地質(zhì)模型Fig.3 3D model in Wuerxun Sag

建立南屯組5個(gè)小層的構(gòu)造模型(見圖3(c))，遵循正確井分層和地震解釋層位構(gòu)造趨勢(shì)，反復(fù)調(diào)整每個(gè)小層之間的接觸關(guān)系，確保模型的準(zhǔn)確性。研究區(qū)層面模型見圖3(a)，包括南次凹環(huán)洼槽帶、緩坡洼槽帶、蘇2區(qū)斷背斜隆起帶、南部緩坡帶和陡坡隆起帶，其中南部緩坡帶和南次凹環(huán)洼槽帶多為小型斷層，不作斷層建模。

2.2 巖性條件

巖性模型中的砂泥巖分布決定儲(chǔ)集體儲(chǔ)層特征，利用序貫高斯模擬方法，結(jié)合沉積相對(duì)研究區(qū)巖性分布進(jìn)行模擬。在建立巖性模型過程中，由于各小層的儲(chǔ)層特征不同，分別建立5個(gè)小層的巖性模型，實(shí)施“相控”約束，使巖性模型接近儲(chǔ)層地質(zhì)真實(shí)參數(shù)分布[31-34]；利用序貫高斯模擬方法對(duì)研究區(qū)井間砂泥巖分布進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果與連井剖面砂泥巖井上數(shù)據(jù)擬合程度達(dá)到85.7%(見圖4(c))，擬合程度較高，具備客觀準(zhǔn)確性。

由南屯組巖性模型(見圖4(a-b))可見，南一段砂體占比為71.57%，南二段砂體占比為36.83%，南一段砂巖發(fā)育程度總體好于南二段的，與連井剖面砂泥巖井上數(shù)據(jù)(見圖4(c))一致。南屯組儲(chǔ)層砂泥巖垂向分布特征為南二段泥巖分布較多，砂巖分布較南一段的少；砂泥巖平面分布特征為靠近蘇仁諾爾走滑斷裂帶及蘇3斷裂帶的砂巖分布狀態(tài)較好，可作為CO2氣藏有利儲(chǔ)集空間。

圖4 研究區(qū)巖性模型及連井剖面Fig.4 Lithology model and wells profile in the study area

2.3 物性條件

根據(jù)研究區(qū)孔隙度和滲透率數(shù)據(jù)，利用序貫高斯模擬方法，對(duì)烏爾遜凹陷南屯組儲(chǔ)層進(jìn)行物性建模(見圖5)。由圖5可見，研究區(qū)孔隙度總體較低，南屯組各小層孔隙度分布不均，孔隙度特征為靠近深大斷裂帶的孔隙度略高(見圖5(a-b))?？紫抖扰c滲透率間具有比較顯著的對(duì)應(yīng)關(guān)系(見圖5(c-d))，一般孔隙度較高的區(qū)域滲透率普遍呈高值，孔隙度較低的區(qū)域滲透率普遍呈低值。研究區(qū)CO2氣藏主要位于南一段，上部的N1-1與N1-2小層作為主要生氣層，有效孔隙度在7.0%～14.6%之間；其中N1-1小層孔隙度為3.0%～18.0%，N1-2小層孔隙度為5.0%～15.7%。南一段整體孔隙度較差，孔隙度一般在5.7%～22.8%之間，主要分布區(qū)間為8.0%～14.0%；滲透率范圍為(0.01～704.00)×10-3μm2，主要分布區(qū)間為(0.10～10.00)×10-3μm2，屬于低孔隙度型儲(chǔ)層。南二段的孔隙度在1.2%～27.4%之間，主要分布區(qū)間為10.0%～25.0%；滲透率范圍為(0.01～206.89)×10-3μm2，主要分布區(qū)間為(0.01～58.00)×10-3μm2。南二段的孔隙度比南一段的高，滲透率偏低。烏爾遜凹陷孔隙度和滲透率呈低值，南屯組整體屬于低孔低滲非均質(zhì)較嚴(yán)重儲(chǔ)層。

以蘇仁諾爾走滑斷裂帶上下盤附近的S2和S8井為例(見圖6)，位于北側(cè)下盤的S2井南一段的孔隙度主要為6.0%～8.0%，南二段的孔隙度主要為6.0%～14.0%，呈低值；位于南側(cè)構(gòu)造低部位的S8井南一段的孔隙度主要為5.0～8.0%，南二段的孔隙度主要為6.0%～12.0%，也呈低值。研究區(qū)整體孔隙度屬于低值范圍，且蘇仁諾爾走滑斷裂帶附近的孔隙度與研究區(qū)其他位置的孔隙度相比無明顯變化。

圖5 研究區(qū)物性模型Fig.5 Physical property model of study area

圖6 蘇仁諾爾走滑斷裂帶S2—S8井孔隙度分布Fig.6 Porosity of wells S2-S8 in Surennuoer Strike-Slip Fault Zone

3 CO2氣藏主控因素

3.1 巖漿活動(dòng)

CO2氣體的來源既可以是有機(jī)的，也可以是無機(jī)的，含油氣盆地CO2的成因包括未脫氣地幔巖漿脫氣作用、地殼巖石熔融脫氣作用、海相碳酸鹽巖熱分解作用、碳酸鹽膠結(jié)物熱分解作用和有機(jī)成因的CO2。戴金星等[35-36]認(rèn)為，有機(jī)CO2氣體的特征為CO2體積分?jǐn)?shù)<15%或δ13CO2<-10.0‰，無機(jī)CO2氣體的特征為CO2體積分?jǐn)?shù)>60%或δ13CO2>-8.0‰。此外，無機(jī)CO2氣體可分為δ13CO2>-3.5‰的巖石化學(xué)成因的CO2、δ13CO2在-8.0‰～-2.0‰之間的火山—幔源成因的CO2。研究區(qū)CO2氣體樣品的地球化學(xué)分析表明，大部分CO2體積分?jǐn)?shù)>90%，只有一個(gè)樣品的CO2體積分?jǐn)?shù)為76%，δ13CO2在-11.4‰～-8.2‰之間，主要分布在-10.0‰左右，表明CO2氣體屬于火山—幔源成因的CO2。研究區(qū)CO2氣體樣品的3He/4He為(1.68～2.08)×10-6，R/Ra為1.20～1.49。研究區(qū)CO2氣體為無機(jī)氣體，來源于深部地殼或地幔巖漿侵入體的脫氣作用，與文獻(xiàn)[37-38]研究結(jié)果一致。

3.2 巖性及物性

根據(jù)測(cè)井、探井?dāng)?shù)據(jù)及巖心資料，烏爾遜凹陷南一段發(fā)育各類砂巖，砂泥巖呈不等厚互層，其中砂礫巖分選、磨圓中等，膠結(jié)較致密；南二段砂巖夾黑色泥巖，砂巖含量較低。南屯組儲(chǔ)集空間類型以粒間孔、粒內(nèi)孔為主，發(fā)育少量裂隙，顆粒分選、磨圓中等—差。南屯組儲(chǔ)層物性為低孔低滲型特征。烏爾遜凹陷儲(chǔ)層物性及非均質(zhì)性垂向和平面分布不均，儲(chǔ)層的孔隙度與滲透率隨埋深增加而減小，在埋深為1.4～2.3 km處最大；南屯組和銅缽廟組儲(chǔ)層符合孔隙度、滲透率隨埋深增加而減小的特征[37](見圖7)。

由于存在深大斷裂帶，CO2氣體更容易聚集于巖性和物性相對(duì)較好的儲(chǔ)層。由圖4及圖7可知，南一段砂巖含量普遍好于南二段的，且南二段厚層泥巖可作為蓋層封閉CO2氣藏。

3.3 斷層及走滑斷裂帶的耦合作用

地震資料具有橫向分辨率高、信息豐富的特點(diǎn)[29]。為建立蘇仁諾爾走滑斷裂帶和蘇3斷裂帶地質(zhì)模型，制作S2—S8井地震剖面(見圖8(a))，以分析斷層和CO2氣藏分布之間的剖面位置關(guān)系?？拷鼣嗔褞Оl(fā)育的CO2氣體較多；與S8井相比，S2井的CO2氣體充填層更厚(見圖8(b))。位于研究區(qū)主要斷層兩側(cè)的地層傾斜并翹曲，可形成有利的構(gòu)造圈閉，以儲(chǔ)存CO2氣體(見圖8(c))。蘇仁諾爾走滑斷裂帶大斷面上盤S2井的氣藏比下盤S8井的更發(fā)育，因?yàn)镃O2氣體易聚集于構(gòu)造高處，兩井中間發(fā)育蘇仁諾爾深大斷裂，來自火山—幔源的CO2氣體可以作為氣源運(yùn)移至淺處圈閉中成藏。

由于S8井位于蘇仁諾爾走滑斷裂帶斷層的下盤壁，氣源供給不足，沿蘇仁諾爾走滑斷裂帶斷層輸送的CO2氣體很難向深處橫向運(yùn)移。穿過S2和S8井的巖性、物性模型橫斷面能夠證明模型中顯示的CO2氣體分布與地質(zhì)特征之間的關(guān)系(見圖7)，CO2氣體多分布于蘇仁諾爾走滑斷裂帶的構(gòu)造高點(diǎn)位置，當(dāng)兩口井同時(shí)位于較淺層位時(shí)，S2井的CO2氣體分布比S8井的厚得多。

圖8 蘇仁諾爾研究區(qū)S2—S8井震對(duì)比及CO2氣藏分布范圍Fig.8 Seismic comparison diagram of well S2-S8 in Surennuoer study area and distribution range of CO2 gas reservoir

通常，CO2氣體主要被捕獲于結(jié)構(gòu)儲(chǔ)層，斷層具有側(cè)向封閉的作用，并從深處向上輸送CO2氣體。斷層和裂縫在地下儲(chǔ)層運(yùn)移CO2氣體時(shí)具有重要作用[15]，如渤海灣盆地的CO2氣藏多位于地下斷層構(gòu)造活動(dòng)區(qū)附近[10-11]；松遼盆地深層的CO2氣藏聚集于大邊界斷層和中央基底斷層帶[13]。研究區(qū)CO2氣藏主要受控于深大斷裂帶，與渤海灣盆地和松遼盆地的控制因素相似。除構(gòu)造的重要作用外，斷裂帶中的儲(chǔ)層還具有較高的砂巖含量和相對(duì)更有利的巖石物理性質(zhì)。根據(jù)南屯組整體呈低孔低滲儲(chǔ)層的特征，烏爾遜凹陷蘇仁諾爾研究區(qū)CO2氣體的賦存主要受構(gòu)造控制，即受深大斷裂和較淺的構(gòu)造圈閉控制，斷層在向上輸送CO2氣體和形成構(gòu)造圈閉中起主要控制作用。儲(chǔ)層巖性及物性對(duì)CO2氣藏的聚集和分布起次要控制作用。

4 結(jié)論

(1)根據(jù)烏爾遜凹陷蘇仁諾爾研究區(qū)儲(chǔ)層與測(cè)井響應(yīng)特征、井點(diǎn)數(shù)據(jù)、地震解釋數(shù)據(jù)等，建立儲(chǔ)層三維地質(zhì)模型。研究區(qū)儲(chǔ)層為低孔低滲型，CO2氣藏主要分布于南一段砂巖儲(chǔ)層，少量分布于南二段砂巖儲(chǔ)層；砂泥巖分布特征表現(xiàn)為靠近深大斷裂帶的砂巖較發(fā)育，南一段砂巖含量好于南二段的。南二段與南一段之間存在一套數(shù)十米厚的泥巖蓋層，封堵南一段CO2氣藏。

(2)研究區(qū)CO2氣藏的生成主要受控于深大斷裂帶，且CO2氣藏主要位于深大斷裂帶構(gòu)造高點(diǎn)位置。斷層作為運(yùn)輸通道，在向上輸送CO2氣體和形成CO2氣藏圈閉中起主要作用；儲(chǔ)層巖性和物性在控制CO2氣藏的聚集和分布中起次要作用。