斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣特征的影響因素及其與油氣聚集的關(guān)系

曹蘭柱, 李熹微, 魚占文, 項(xiàng) 鑫, 王紫豪, 穆 燕, 張新樵

(1.中國(guó)石油華北油田公司 勘探開發(fā)研究院，河北 任丘 062552； 2.東北石油大學(xué) 地球科學(xué)學(xué)院，黑龍江 大慶 163318； 3.中國(guó)石油塔里木油田 油氣田產(chǎn)能建設(shè)事業(yè)部，新疆 庫(kù)爾勒 841000)

在發(fā)育多套砂泥巖互層的含油氣盆地內(nèi)，地層巖石的孔隙一般僅能作為側(cè)向運(yùn)移的通道，難以發(fā)生垂向運(yùn)移，只有斷裂發(fā)育的情況下才能進(jìn)行長(zhǎng)距離的垂向運(yùn)移。在區(qū)域蓋層發(fā)育的層位，油氣垂向運(yùn)移受阻，在蓋層之下向斷裂兩側(cè)砂體側(cè)向分流，形成斷砂配置油氣輸導(dǎo)體系，使油氣在斷裂附近的砂體中聚集成藏。由此看出，斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣特征的研究是發(fā)育多套砂泥巖互層的含油氣盆地油氣勘探的關(guān)鍵。對(duì)于斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣作用方面的研究，前人主要根據(jù)斷層和砂體在三維空間內(nèi)的產(chǎn)狀的組合關(guān)系來(lái)研究其輸導(dǎo)油氣的特征[1-4]；根據(jù)斷裂填充物排替壓力和與斷裂配置的兩側(cè)砂體排替壓力的相對(duì)大小，研究斷砂配置是否側(cè)向分流運(yùn)移[5-8]；根據(jù)斷裂產(chǎn)狀、與砂體接觸厚度和砂體中泥質(zhì)含量，研究斷砂配置側(cè)向分流輸導(dǎo)油氣所需的條件[9]；根據(jù)與斷裂配置地層砂地比值的相對(duì)大小，結(jié)合砂體的含油氣特征，研究斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣的層位[10-12]。這些研究成果對(duì)認(rèn)識(shí)多套砂泥巖互層含油氣盆地內(nèi)斷裂附近油氣分布具有重要的指導(dǎo)作用[4]。然而，上述這些研究主要對(duì)斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣條件及層位進(jìn)行研究，缺少對(duì)斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣數(shù)量的研究，更缺少對(duì)斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣特征的影響因素及其與油氣聚集關(guān)系的研究，致使其研究結(jié)果難以準(zhǔn)確地反映地下實(shí)際情況。因此，開展斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣特征的影響因素與油氣聚集關(guān)系研究，對(duì)于正確認(rèn)識(shí)砂泥巖互層的含油氣盆地?cái)嗔迅浇蜌夥植家?guī)律和指導(dǎo)油氣勘探均具重要意義[13]。

本文通過(guò)對(duì)砂泥巖互層含油氣盆地典型油氣藏解剖、油氣空間分布特征和斷砂三維空間配置類型等研究，選取了海拉爾盆地、渤海灣盆地中的3個(gè)典型地區(qū)，對(duì)砂泥巖互層含油氣盆地側(cè)向輸導(dǎo)油氣特征的影響因素進(jìn)行了系統(tǒng)的分析，以期對(duì)分析斷裂對(duì)油氣成藏的控制作用研究提供參考。

1 斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣層段的影響因素與油氣聚集

由于斷裂在活動(dòng)時(shí)期發(fā)育有大量伴生和誘導(dǎo)裂縫，使其較四周圍巖地層具有相對(duì)較高的孔滲性。同時(shí)由于斷裂活動(dòng)開啟，地層孔隙流體壓力得到釋放而降低，使其與圍巖地層之間產(chǎn)生地層孔隙流體壓力差，圍巖地層中的油氣在此壓差下向斷裂伴生和誘導(dǎo)裂縫中運(yùn)移[14-18]，進(jìn)入到伴生和誘導(dǎo)裂縫中的油氣還會(huì)有一定的剩余地層孔隙流體壓力差，油氣在此剩余地層孔隙流體壓力差和浮力作用下沿伴生和誘導(dǎo)裂縫向上輸導(dǎo)運(yùn)移[19-20]。由于斷裂伴生裂縫和誘導(dǎo)裂縫的孔滲性明顯好于其兩側(cè)砂體的物性，通常情況下斷裂輸導(dǎo)油氣不會(huì)向兩側(cè)砂體中發(fā)生側(cè)向分流運(yùn)移，只有遇到區(qū)域性泥巖蓋層阻擋后，斷裂垂向輸導(dǎo)油氣作用停止或速度變慢，斷裂輸導(dǎo)油氣才會(huì)向兩側(cè)砂體中發(fā)生側(cè)向分流運(yùn)移[5,21-22]，即發(fā)生斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣作用。泥巖蓋層厚度與斷裂斷距之差為泥巖蓋層斷接厚度，每個(gè)地區(qū)均存在一個(gè)能夠封閉油氣垂向運(yùn)移的最小斷接厚度，若該值大于或等于最小斷接厚度，那么油氣僅在蓋層之下側(cè)向輸導(dǎo)油氣(圖1-A)；如果區(qū)域性泥巖蓋層斷接厚度小于其封油氣所需的最小斷接厚度，那么部分油氣可通過(guò)斷裂穿過(guò)蓋層向上輸導(dǎo)，油氣可在泥巖蓋層上下發(fā)生斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)(圖1-B)[4,23]。如位于海拉爾盆地烏爾遜凹陷北部的蘇仁諾爾地區(qū)，從下至上發(fā)育的地層有下白堊統(tǒng)的銅缽廟組、南屯組、大磨拐河組、伊敏組，上白堊統(tǒng)的青元崗組及新生界，目前已發(fā)現(xiàn)的油氣主要分布在南屯組和銅缽廟組，少量分布在大磨拐河組。油氣源對(duì)比結(jié)果表明，蘇仁諾爾地區(qū)大磨拐河組油氣主要來(lái)自下伏南屯組第一段(K1n1，簡(jiǎn)稱“南一段”)泥巖，南一段源巖生成的油氣主要是通過(guò)斷裂輸導(dǎo)至大磨拐河組的[24]。由鉆井資料可知，大磨拐河組第一段(K1d1，簡(jiǎn)稱“大一段”)底部發(fā)育一套最大厚度大于90 m的泥巖蓋層，主要分布在蘇仁諾爾中部地區(qū)，向四周厚度逐漸減小(圖2)。由圖2中可以看出，蘇仁諾爾地區(qū)大一段底部泥巖蓋層內(nèi)斷裂較發(fā)育，除中北部一條北東東向斷裂發(fā)育規(guī)模相對(duì)較大外，東南部還有一條北東向斷裂，規(guī)模也相對(duì)較大，其余斷裂規(guī)模均相對(duì)較小；斷裂走向以北北東向?yàn)橹?，少量為北西向和北東東向。通過(guò)統(tǒng)計(jì)已知井點(diǎn)處斷裂斷距和大一段底部泥巖厚度計(jì)算得到的斷接厚度，結(jié)合大一段底部泥巖蓋層上下油氣分布特征(圖3)，可得到大一段底部泥巖蓋層封堵油氣所需的最小斷接厚度約為70 m。再統(tǒng)計(jì)蘇仁諾爾地區(qū)大一段底部泥巖蓋層內(nèi)所有泥巖蓋層厚度分布，便可以得到泥巖蓋層封閉區(qū)和非封閉區(qū)(圖2)。由圖2可以看出，蘇仁諾爾地區(qū)大一段底部泥巖在中北部北東東向大斷裂處和東部及西部局部較大斷裂處是不封閉的，其余斷裂處大一段底部泥巖蓋層皆為封閉的。南一段源巖生成的油氣既可以在大一段底部泥巖蓋層之上層段內(nèi)發(fā)生斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣，也可以在大一段底部泥巖蓋層之下層段內(nèi)發(fā)生斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣(圖3)。這可能是蘇仁諾爾地區(qū)在大一段底部泥巖蓋層上下均找到油氣的根本原因。

圖1 斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣層段示意圖Fig.1 Schematic diagram of lateral transport of oil and gas formation in fault sand configuration

2 斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣層位 的影響因素及其與油氣聚集

斷裂輸導(dǎo)油氣受到區(qū)域性蓋層阻擋后，不管是在區(qū)域性蓋層之下層段內(nèi)發(fā)生斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣，還是在區(qū)域性蓋層上下層段內(nèi)發(fā)生斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣，其輸導(dǎo)層位均主要受到地層砂地比值相對(duì)大小的影響。由于高砂地比地層被斷裂錯(cuò)斷后，落入斷裂帶中的巖層其砂巖含量也

圖2 蘇仁諾爾地區(qū)大一段底部泥巖蓋層封閉區(qū)與油氣分布關(guān)系及蓋層厚度分布圖Fig.2 Diagram showing the relationship between the sealed area of the K1d1 bottom mudstone cap and the distribution of oil and gas as well as the thickness distribution of the mudstone cap

圖3 蘇仁諾爾地區(qū)大一段底部泥巖蓋層封堵油氣所需最小斷接厚度厘定圖Fig.3 Diagram showing the minimum fracture thickness required to seal oil and gas in the K1d1 bottom mudstone cap in Surennuoer area

高，導(dǎo)致高孔滲斷裂帶側(cè)向封閉性差，油氣易側(cè)向輸導(dǎo)(圖4-A)。相反，對(duì)于被斷裂錯(cuò)斷后斷裂填充物泥質(zhì)成分相對(duì)較多的低砂地比地層，由于孔滲性相對(duì)較差，斷裂側(cè)向封閉性相對(duì)較好，不利于油氣側(cè)向輸導(dǎo)(圖4-B)。

以渤海灣盆地南堡凹陷西南部的南堡2 號(hào)構(gòu)造為例，這是一個(gè)被斷裂破壞的背斜構(gòu)造，從下至上發(fā)育的地層主要有古近系孔店組、沙河街組、東營(yíng)組和新近系的館陶組、明化鎮(zhèn)組以及第四系，目前已發(fā)現(xiàn)的油氣主要分布在東營(yíng)組和館陶組。油氣源對(duì)比結(jié)果表明，其油氣主要來(lái)自于下伏沙三段或沙一段源巖，屬于下生上儲(chǔ)式生儲(chǔ)蓋組合[4]。如圖5所示，斷裂輸導(dǎo)沙三段或沙一段源巖生成的油氣向上運(yùn)移的過(guò)程中，由于受到東二段泥巖和館三段火山巖區(qū)域性蓋層的阻擋，該斷砂配置易向東營(yíng)組、館陶組和明化鎮(zhèn)組砂體中發(fā)生側(cè)向輸導(dǎo)油氣[25]。由圖6可以看出，南堡2號(hào)構(gòu)造館陶組和東一段地層砂地比值相對(duì)較高，均大于20%，有利于斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣，目前油氣鉆探為油氣層。而明化鎮(zhèn)組和東三段、東二段地層

圖4 斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣層位示意圖Fig.4 Sketch showing lateral oil and gas transport layer in sand-fault configuration

砂地比值相對(duì)較低，均小于20%，不利于斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣，目前油氣鉆探結(jié)果為水層或干層(圖5)。

3 斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣數(shù)量的 影響因素及其與油氣聚集

斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣進(jìn)入到高砂地比地層中的砂體后，其油氣數(shù)量多少主要受到斷裂和砂體輸導(dǎo)油氣優(yōu)勢(shì)路徑耦合關(guān)系的控制，二者耦合關(guān)系越好，越有利于斷砂配置向高砂地比地層砂體中側(cè)向輸導(dǎo)油氣，油氣數(shù)量相對(duì)越多；反之則相對(duì)越少。

由于被斷裂錯(cuò)斷的地層巖石脆塑性不同，斷層面凹凸不平[14,26]。斷層凸面脊處因其構(gòu)造位置較高(圖7-A中FR1和FR2)，為油氣運(yùn)移的低勢(shì)區(qū)；而凹面脊處因其構(gòu)造位置相對(duì)凸面脊處低(圖7-A中FD1和FD2)，為油氣運(yùn)移的高勢(shì)區(qū)[17]。油氣沿?cái)嗔严蛏线\(yùn)移過(guò)程中，會(huì)在流體勢(shì)的作用下向凸面脊處匯聚，因此，斷層凸面脊是輸導(dǎo)油氣的優(yōu)勢(shì)部位(圖7-A)[14]。同理，由于砂體沉積后受到區(qū)域構(gòu)造活動(dòng)作用的影響，在構(gòu)造凸面脊部位的砂體相對(duì)于凹陷脊要高(圖7-B中SR1、SR2、SR3和SR4)，為油氣運(yùn)移的低勢(shì)區(qū)[19,27]，構(gòu)造凹面脊處的砂體(圖7-B中SD1、SD2和SD3)為油氣運(yùn)移的高勢(shì)區(qū)，油氣在運(yùn)移過(guò)程中，向構(gòu)造凸面脊處砂體匯聚，構(gòu)造凸面脊處形成砂體輸導(dǎo)油氣的優(yōu)勢(shì)路徑(圖7-B)。由圖7-C可以看出，當(dāng)斷裂凸面脊(FR1)優(yōu)勢(shì)運(yùn)移路徑與構(gòu)造凸面脊優(yōu)勢(shì)運(yùn)移路徑(SR2)相匹配時(shí)為最有利的斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣通道；當(dāng)斷層凸面脊優(yōu)勢(shì)運(yùn)移路徑(FR1)與構(gòu)造凹面脊(SR2)相匹配時(shí)為較有利的斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣通道，油氣通過(guò)斷層凸面脊到達(dá)構(gòu)造凹面脊處向構(gòu)造凸面脊運(yùn)移；當(dāng)構(gòu)造凸面脊(SR3)或構(gòu)造凹面脊(SD1)與斷層凹面脊(FD2和FD1)相匹配時(shí)，由于沒(méi)有充足的油氣來(lái)源，不利于斷砂配置輸導(dǎo)油氣和油氣聚集。

圖5 南堡2號(hào)構(gòu)造油氣藏剖面圖Fig.5 Cross section of Nanpu No.2 structural oil and gas reservoir

圖6 南堡2號(hào)構(gòu)造地層砂地比與油氣之間關(guān)系圖Fig.6 The relation between sandstone to layer ratio and oil & gas in Nanpu No. 2 structure

例如海拉爾盆地烏爾遜凹陷蘇德爾特地區(qū)，位于貝爾凹陷中部，構(gòu)造上包括蘇德爾特潛山構(gòu)造帶和貝西洼槽部分地區(qū)、霍多莫爾背斜帶和敖瑙海洼槽少部分地區(qū)。該地區(qū)從下至上發(fā)育的地層有上侏羅統(tǒng)的基巖布達(dá)特群、下白堊統(tǒng)銅缽廟組、南屯組、大磨拐河組、伊敏組和上白堊統(tǒng)青元崗組及新生界[24]。

圖7 斷裂和砂體輸導(dǎo)油氣優(yōu)勢(shì)路徑耦合關(guān)系示意圖Fig.7 Schematic diagram showing the coupling relation of dominant path of oil and gas transport between fault and sand body

圖8 蘇德爾特地區(qū)南一段斷裂和砂體輸導(dǎo)油氣 優(yōu)勢(shì)路徑耦合與油氣分布關(guān)系圖Fig.8 Coupling of dominant oil-gas path and oil-gas distribution of faults and sand bodies in the southern section of Suderte area

目前該區(qū)已發(fā)現(xiàn)的油氣除了分布在基巖布達(dá)特群外，主要分布在南一段和南二段，少量分布在大磨拐河組。南一段油氣主要來(lái)自其下部發(fā)育的暗色泥巖，由于多套泥巖存在于南一段儲(chǔ)層與下伏源巖之間，只有通過(guò)斷裂的溝通，該源巖生成的油氣才能運(yùn)移至南一段儲(chǔ)層中。由圖8可以看出，蘇德爾特地區(qū)南一段主要發(fā)育3條輸導(dǎo)斷裂(連接南一段源巖和儲(chǔ)層，且在油氣生成時(shí)期——伊敏組沉積末期活動(dòng)的斷裂)：F1輸導(dǎo)斷裂分布在該區(qū)北部地區(qū)，延伸長(zhǎng)度相對(duì)較遠(yuǎn)；F2輸導(dǎo)斷裂分布在該區(qū)西北部，延伸長(zhǎng)度中等；F3輸導(dǎo)斷裂分布在該區(qū)東北部，延伸長(zhǎng)度最小。由三維地震資料追蹤3條輸導(dǎo)斷裂的斷面空間分布，可以得知其發(fā)育7個(gè)凸面脊，其中F1號(hào)輸導(dǎo)斷裂發(fā)育4個(gè)凸面脊，F(xiàn)2輸導(dǎo)斷裂發(fā)育1個(gè)凸面脊，F(xiàn)3斷裂發(fā)育2個(gè)凸面脊(圖8)。從鉆井和地震資料揭示的南一段儲(chǔ)層砂體分布(圖8)可以看出，蘇德爾特地區(qū)南一段儲(chǔ)層砂體除了在中部及南部局部地區(qū)不連通外，其余廣大地區(qū)南一段儲(chǔ)層砂體是連通的，有利于側(cè)向輸導(dǎo)油氣。蘇德爾特地區(qū)只有F3輸導(dǎo)斷裂的東北部?jī)蓚?cè)砂體不連通，其西南部和F1、F2輸導(dǎo)斷裂兩側(cè)均為連通分布的砂體，有利于南一段斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣。由蘇德爾特地區(qū)南一段頂面埋深，按照付廣等[28]油氣勢(shì)能計(jì)算方法，計(jì)算其油氣勢(shì)能值，由其油氣勢(shì)能等值線的法線方向便可以得到砂體側(cè)向輸導(dǎo)油氣優(yōu)勢(shì)路徑，蘇德爾特地區(qū)南一段共發(fā)育7條砂體輸導(dǎo)油氣優(yōu)勢(shì)路徑，主要分布在F1輸導(dǎo)斷裂南側(cè)(圖8)。由圖8可以看出，a、b、c共3處斷裂和砂體輸導(dǎo)油氣優(yōu)勢(shì)路徑耦合關(guān)系好，有利于斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣，進(jìn)入到南一段砂體中的油氣數(shù)量相對(duì)較多，有利于油氣聚集與分布，目前此處找到的油藏分布面積相對(duì)較大；3條斷裂輸導(dǎo)油氣優(yōu)勢(shì)路徑與砂體輸導(dǎo)油氣優(yōu)勢(shì)路徑耦合關(guān)系不好，不利于斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣，進(jìn)入到南一段砂體中的油氣數(shù)量相對(duì)較少，不利于油氣聚集與分布，目前找到的油氣分布相對(duì)較少(圖8)。

4 結(jié) 論

a.斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣層段主要受到區(qū)域性蓋層是否封閉的控制。區(qū)域性蓋層封閉，斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣發(fā)生在區(qū)域性蓋層之下層段內(nèi)，油氣在區(qū)域性蓋層之下層段內(nèi)聚集分布；反之油氣在區(qū)域性蓋層上下層段內(nèi)分布。

b.斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣層位主要受到地層砂地比值相對(duì)大小的影響，主要發(fā)生在高砂地比地層中。地層砂地比值大于20%，有利于斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣；砂地比值小于20%，則不利于斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣。

c.斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣數(shù)量主要受到斷裂和砂體輸導(dǎo)油氣優(yōu)勢(shì)路徑耦合關(guān)系的控制，二者耦合關(guān)系越好，斷砂配置側(cè)向輸導(dǎo)油氣數(shù)量相對(duì)越多，越有利于油氣聚集分布；反之則不利于油氣聚集分布。