李榮西,段立志,張少妮,陳寶,石 彬,閻改萍
(1.長安大學(xué)地球科學(xué)與資源學(xué)院,陜西西安710054;2.長安大學(xué)西部礦產(chǎn)資源與地質(zhì)工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710054;3.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司勘探開發(fā)研究院,陜西西安710060;4.中國石油天然氣集團(tuán)公司測井有限公司長慶事業(yè)部,陜西西安710021)
油氣成藏及其分布規(guī)律是指導(dǎo)油氣勘探實(shí)踐活動(dòng)的重要理論支撐,低滲透油氣資源在中國分布廣,儲(chǔ)量大,在油氣勘探和開發(fā)中占據(jù)十分重要的地位[1]。鄂爾多斯盆地是中國規(guī)模最大的低滲透油氣資源勘探與開發(fā)基地,經(jīng)過幾十年的艱苦努力,低滲透油氣勘探與開發(fā)取得了舉世矚目的成就,油氣產(chǎn)量創(chuàng)歷史新高[2-6]。鄂爾多斯盆地低滲透油氣勘探成功經(jīng)驗(yàn)證明,油氣成藏和分布規(guī)律研究是指導(dǎo)油氣勘探戰(zhàn)略部署的理論基礎(chǔ),也是低滲透油氣勘探成功的關(guān)鍵。近年來,低滲透油氣成藏機(jī)理、油氣聚集成藏控制因素以及如何通過油氣成藏研究來更加有效地指導(dǎo)油氣勘探實(shí)踐活動(dòng)等成為學(xué)者潛心研究的重要問題[6]。
油氣勘探的最終目標(biāo)是發(fā)現(xiàn)油氣藏,油氣成藏研究是油氣勘探的重點(diǎn)。通過油氣成藏地質(zhì)特征研究,總結(jié)油氣成藏機(jī)理和油氣分布規(guī)律,指導(dǎo)油氣勘探活動(dòng)是油氣成藏研究的核心任務(wù)。學(xué)術(shù)界曾經(jīng)提出過許多關(guān)于油氣成藏機(jī)理的理論,例如“背斜油氣成藏理論”、“海相油氣成藏理論”、“陸相油氣成藏理論”、“異常壓力圈閉”、“水動(dòng)力圈閉”、“油氣差異性聚集理論”、“煤成油理論”、“低熟油氣理論”、“深盆氣理論”、“油氣成藏系統(tǒng)理論”、“復(fù)式油氣聚集帶理論”、“油氣成藏源(源巖灶)控論”、“壓力封存箱”等。這些油氣成藏理論的提出和研究為油氣勘探活動(dòng)提供了有益的理論指導(dǎo),張厚福等對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)的總結(jié)和評(píng)述[7-8]。
鄂爾多斯盆地低滲透油氣資源豐富,經(jīng)過幾代人持之以恒不懈努力,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了一大批油氣田,形成了南油北氣、油氣并舉、協(xié)調(diào)勘探和開發(fā)的戰(zhàn)略格局,特別是進(jìn)入21世紀(jì)以來,一批新的油氣接替區(qū)相繼投入勘探和開發(fā),使鄂爾多斯盆地油氣勘探進(jìn)入鼎盛期[2-5]。回顧和總結(jié)鄂爾多斯盆地油氣勘探歷程和經(jīng)驗(yàn)表明,低滲透油氣勘探取得的突破和進(jìn)展無不與油氣成藏理論發(fā)展有關(guān)。
長期以來,學(xué)者對(duì)鄂爾多斯盆地油氣藏特征進(jìn)行了大量分析研究??v觀這些研究成果可以看出,鄂爾多斯盆地油氣藏具有兩大突出特征,一是典型的陸相油氣藏,二是超低—低滲透油氣藏。早在1941年,中國著名石油地質(zhì)學(xué)家潘鐘祥教授首次提出了“陸相生油論”,明確指出石油不僅來自海相地層,也能夠來自淡水沉積物(即陸相沉積),陸相地層也可以形成有開采價(jià)值的油藏[9]。但是,鄂爾多斯盆地真正意義上的油氣勘探和研究工作開始于20世紀(jì)70年代,長慶油田和原地質(zhì)礦產(chǎn)部第三普查大隊(duì)等勘探單位長期以來堅(jiān)持不懈地開展油氣地質(zhì)研究和勘探工作,初期以少量探井資料結(jié)合盆地邊緣野外露頭地質(zhì)資料,重點(diǎn)研究有關(guān)盆地構(gòu)造演化、地層、沉積相和烴源巖與生烴等石油天然氣基礎(chǔ)地質(zhì)問題[10]。20世紀(jì)80年代以前,油氣勘探主要以背斜構(gòu)造理論為指導(dǎo),進(jìn)行以構(gòu)造圈閉為主要目標(biāo)的油氣勘探工作。鄂爾多斯盆地西緣和中南部地區(qū)由于斷裂和褶皺構(gòu)造發(fā)育,地層埋藏淺,野外地層露頭清晰,是當(dāng)時(shí)油氣勘探的重點(diǎn);到了1980年代早期之前,在陜甘寧邊區(qū)的隴東、延安和馬家灘等地區(qū)的勘探獲得了成功[10]。20世紀(jì)80年代中期,隨著油氣勘探進(jìn)程加快,油氣勘探理論也出現(xiàn)了百家爭鳴的局面,代表性的有“巖性油氣成藏”、“復(fù)式油氣聚集帶理論”、“煤成油理論”、“油氣成藏源控論”等[7]。同時(shí),低滲透巖性油氣藏被視為鄂爾多斯盆地的重要勘探目標(biāo),油氣勘探思路從尋找構(gòu)造圈閉向巖性圈閉轉(zhuǎn)變,針對(duì)三疊系延長組低滲透巖性油藏的勘探研究工作也有序進(jìn)行著,其中有關(guān)濁沸石溶蝕和次生孔隙發(fā)育機(jī)理等理論研究為鄂爾多斯盆地安塞、志丹、靖安、華池等油田的成功勘探提供了非常重要的理論支撐[11-12]。進(jìn)入21世紀(jì)以來,低滲透油氣藏油氣運(yùn)移和聚集機(jī)理的研究為姬塬和西峰等新區(qū)塊低滲透油氣勘探工作提供了理論指導(dǎo)[13-14]。
伴隨著低滲透油氣藏勘查的巨大成果,天然氣勘探也取得了輝煌成績,其中20世紀(jì)90年代初期,陜參1井獲得了日產(chǎn)28.34×104m3的工業(yè)氣流,標(biāo)志著鄂爾多斯盆地從石油勘探向油氣并舉、協(xié)同勘探的轉(zhuǎn)變,并由此正式拉開了大規(guī)模天然氣勘探的歷史序幕[6]。目前,以鄂爾多斯盆地北部為主戰(zhàn)場的巖性天然氣藏勘探取得了重大突破,陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了米脂、靖邊、烏審旗、榆林和蘇里格等大型天然氣田,其中上古生界低滲透性大型砂巖巖性氣層自下而上包括本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組,多層系天然氣復(fù)合聯(lián)片勘探已經(jīng)成為鄂爾多斯盆地天然氣探勘的主要方向[2-6]。
低滲透油氣藏具有低孔、低滲、低飽和低產(chǎn)等特征。實(shí)際上,低滲透性油氣層是一個(gè)相對(duì)概念;根據(jù)中國多年油氣田勘探開發(fā)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和理論研究,按照油藏分類標(biāo)準(zhǔn),提出將儲(chǔ)集巖空氣滲透率小于50×10-3μm2的油氣層稱為低滲透性油氣層,另外,根據(jù)油層滲透率可以將低滲透性油氣層進(jìn)一步細(xì)分為三類:空氣滲透率為(10.1~50.0)×10-3μm2的油氣層為一般低滲透性油氣層;空氣滲透率為(1.1~10.0)×10-3μm2的油氣層為特低滲透性油氣層;空氣滲透率小于1.0×10-3μm2的油氣層為超低滲透性油氣層[15]。生產(chǎn)實(shí)踐證明,低滲透性油藏油井產(chǎn)量一般可以達(dá)到工業(yè)油流標(biāo)準(zhǔn),只是當(dāng)油井產(chǎn)量低下時(shí),需要采取壓裂措施提高單井產(chǎn)量才能取得較好的開發(fā)效果和良好的經(jīng)濟(jì)效益。而特低滲透性油氣層含油飽和度低,一般達(dá)不到工業(yè)油流標(biāo)準(zhǔn),需要采取大型壓裂等油層改造措施,才能獲得一定產(chǎn)能[15-16]。
鄂爾多斯盆地目前發(fā)現(xiàn)和開發(fā)的低滲透性油藏地質(zhì)和分布特征,可以簡要概括為以下3點(diǎn)。
鄂爾多斯盆地位于中國東西部兩種不同大地構(gòu)造動(dòng)力學(xué)機(jī)制和兩種不同地殼構(gòu)造演化背景結(jié)合部位,處于西北和華北兩大地理地貌和地質(zhì)構(gòu)造單元過渡區(qū),其地質(zhì)構(gòu)造演化既繼承了華北地塊古生代碳酸鹽巖臺(tái)地穩(wěn)定構(gòu)造演化特征,又疊加了西部中生代盆山活動(dòng)構(gòu)造演化的地域特色[17-21]。鄂爾多斯盆地復(fù)雜的構(gòu)造地質(zhì)演化背景決定了其油氣形成與演化的多階段性、多樣性和復(fù)雜性,特別是中生代晚期到新生代以來的西部活動(dòng)構(gòu)造地質(zhì)作用加大了盆地油氣成藏條件和保存條件的復(fù)雜性[22-24]。
近年來鉆探實(shí)踐表明,傳統(tǒng)的構(gòu)造、沉積和古地貌等控制油氣成藏的理論和相應(yīng)的地質(zhì)研究和勘探方法雖然具有盆地范圍內(nèi)的廣泛適應(yīng)性,但是并不能完全確切地反映和揭示不同地區(qū)、不同層系的油氣富集成藏規(guī)律,也很難有效指導(dǎo)勘探工作。對(duì)于低滲透碎屑巖油氣藏,由于儲(chǔ)層砂體薄、散、雜,加之巖石沉積非均質(zhì)性和成巖非均質(zhì)性影響,油氣聚集和分布規(guī)律更加復(fù)雜。因此,在目前油氣勘探形勢下,需要充分應(yīng)用新的油氣成藏理論和研究手段,有針對(duì)性地開展鄂爾多斯盆地不同地區(qū)、不同層系的低滲透油氣藏成藏特征研究,在不同性質(zhì)構(gòu)造作用疊加改造和以河流三角洲沉積為主導(dǎo)的大背景之下,分地區(qū)、分層系剖析油氣成藏的主控因素,總結(jié)低滲透油氣藏成藏和分布規(guī)律,為今后大規(guī)模開展低滲透油氣勘探提供新的技術(shù)支撐和寶貴資料。
鄂爾多斯盆地低滲透巖性油氣藏儲(chǔ)量占總油氣儲(chǔ)量的60%以上[15],儲(chǔ)層巖石類型以細(xì)砂巖為主,碎屑顆粒中石英和巖屑含量相對(duì)較高,膠結(jié)物以黏土礦物和碳酸鹽巖礦物為主。該盆地儲(chǔ)層物性差,孔隙度和滲透率低。儲(chǔ)層物性數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表明,鄂爾多斯盆地孔隙度大于20%的油層占所有油層數(shù)的14%,孔隙度為10%~20%的占37%,孔隙度小于10%的占50%。鄂爾多斯盆地目前發(fā)現(xiàn)的油氣藏主要分布在滲透率為(1~50)×10-3μm-3的儲(chǔ)層砂體中,儲(chǔ)層滲透率小于10×10-3μm-3的油層占所有油層數(shù)的60%以上[15,25]。儲(chǔ)層孔隙以粒間孔為主,原生孔隙和次生孔隙都發(fā)育,其中溶蝕孔隙發(fā)育是優(yōu)質(zhì)油層的標(biāo)志性特征。儲(chǔ)層非均質(zhì)性特征明顯,表明其主要與儲(chǔ)層沉積旋回和成巖作用有關(guān)[12]。一般儲(chǔ)層裂縫比較發(fā)育,而且主要為構(gòu)造裂縫,裂縫產(chǎn)狀以高角度裂縫為主,裂縫寬度小,一般只有十幾個(gè)微米,延伸長度較大。實(shí)驗(yàn)測試表明,該盆地低滲透油氣藏原始含水飽和度高,一般為30%~50%。儲(chǔ)層敏感性強(qiáng),原油質(zhì)量高、密度小、黏度小、含膠質(zhì)和瀝青少、含蠟量高[15,25]。
鄂爾多斯盆地三疊系低滲透性油藏主要分布在圍繞三疊系延長組以長7期深湖為中心的多個(gè)三角洲砂體,包括延安、安塞、定邊、靖邊、環(huán)縣、慶陽、正寧和直羅等三角洲。延長組自下而上,從長10到長2均發(fā)現(xiàn)工業(yè)油層,其中長8—長2為主要含油層。低滲透油氣藏勘探實(shí)踐表明,在沉積砂體控制的油氣宏觀聚集成藏背景之下,河道主砂帶上發(fā)育的低幅構(gòu)造高點(diǎn)或相對(duì)高孔高滲帶一般為油氣聚集場所,即在巖性圈閉基礎(chǔ)上疊置的低幅構(gòu)造是較好的圈閉[13]。
目前,鄂爾多斯盆地天然氣探勘集中于盆地北部地區(qū),該區(qū)受伊盟古隆起和由陸表海向陸相沉積演化的地質(zhì)背景雙重控制。天然氣主要賦存在自北而南展布的晚古生代大型河流三角洲砂體,從東向西依次為神木—米脂、東勝—榆林、烏審旗、杭錦旗—蘇里格和鄂托克旗等砂帶,主砂帶呈細(xì)長條狀上下疊置,氣層自下而上有本溪組、太原組、山西組、下石盒子組、上石盒子組和石千峰組。不同時(shí)期河道擺動(dòng)較大,多層系天然氣復(fù)合聯(lián)片勘探已經(jīng)成為鄂爾多斯盆地天然氣探勘的主要方向之一[4-6]。
目前有關(guān)鄂爾多斯盆地低滲透油氣藏形成機(jī)理及其控制因素的研究成果較多,可以將這些成果歸結(jié)為沉積學(xué)控制成藏理論和運(yùn)移動(dòng)力學(xué)控制成藏理論兩種觀點(diǎn)。
深積學(xué)控制成藏理論主要從儲(chǔ)層沉積地質(zhì)特征出發(fā),認(rèn)為低滲透油氣層的含油(氣)性受控于沉積體系、沉積相和儲(chǔ)層砂體的非均質(zhì)性,因?yàn)榭碧桨l(fā)現(xiàn)油氣層分布與沉積相控制的沉積砂體展布有關(guān),其中三角洲前緣分流河道砂體為最主要的油氣儲(chǔ)層,也是最重要的油氣聚集成藏場所。區(qū)域沉積演化分析認(rèn)為,延長組層系序列表現(xiàn)出一個(gè)完整的從湖進(jìn)到湖退的沉積旋回,并自下而上劃分出低位體系域、湖進(jìn)體系域和高位體系域,由此從層序地層學(xué)觀點(diǎn)出發(fā)對(duì)延長組油氣層分布進(jìn)行預(yù)測。經(jīng)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn),20世紀(jì)90年代中期以來,有關(guān)鄂爾多斯盆地延長組層序地層方面的文獻(xiàn)超過百篇,其中不乏十幾篇博士學(xué)位論文,大多涉及區(qū)域性、局部地區(qū)性的層序和高分辨層序劃分與對(duì)比等。但是,勘探成果證明,延長組油層一般均為規(guī)模不大的透鏡狀砂巖,砂體寬度一般僅有幾百米到1 000m左右,長度也不過幾千米,而且砂體厚度和展布多變,并不像海相地層那樣具有一定的規(guī)模和相對(duì)穩(wěn)定性。雖然可以用層序地層學(xué)觀點(diǎn)探討地層旋回性及其區(qū)域構(gòu)造成因,但是探討其對(duì)油藏成藏的控制作用沒有實(shí)際意義。
沉積相對(duì)延長組油藏的控制主要體現(xiàn)為古地理位置、古氣候變化和物源供給等因素引起河流-三角洲沉積環(huán)境中入湖水流狀態(tài)和強(qiáng)度發(fā)生變化,致使不同沉積微相中砂體粒級(jí)、分選、孔隙結(jié)構(gòu)等都存在明顯差異,造成縱向上層間和平面上不同砂體間具有不同的孔滲特征,最終形成沉積體系中不同砂體含油性的差異[26-27]。砂體的非均質(zhì)性也是造成其含油性差異的主要原因之一。對(duì)于同一成因類型的砂體,由層內(nèi)不同微層間砂巖碎屑粒度大小、顆粒排列、片狀碎屑和膠結(jié)物含量等差異引起的微觀滲透率各向異性,造成含油層系層內(nèi)非均質(zhì)性和含油性的差異。延長組勘探成果表明,一般的水下分流河道砂體具有明顯的正韻律沉積旋回特征,旋回下部滯留沉積處顆粒粗,但分選差,雜基含量較高,后期成巖作用也強(qiáng),其含油性一般較差,而旋回上部細(xì)砂巖層段分選好,雜基含量低,具顆粒支撐結(jié)構(gòu),原生孔隙保存好,孔隙度和含油飽和度都較高。頂部粉砂質(zhì)泥巖和泥質(zhì)粉砂巖段層理和紋理發(fā)育,起到直接蓋層的作用[28]。
除了沉積相和砂體非均質(zhì)性對(duì)油氣成藏控制外,砂巖成巖作用對(duì)儲(chǔ)層物性和含油性影響也非常明顯??碧奖砻?,局部構(gòu)造發(fā)育區(qū)塊儲(chǔ)層砂體的次生孔隙或者裂隙也相對(duì)較發(fā)育,多屬于高孔高滲區(qū)塊,也就是高孔隙高滲區(qū)與局部構(gòu)造和主砂體常常疊置。如果綜合考慮沉積作用和成巖作用在低滲透性砂巖油藏形成中的控制作用,可以將沉積作用控制的低滲透性砂巖油藏稱為原生低滲透性砂巖油藏,其特點(diǎn)是沉積物細(xì),成巖作用弱,原生孔隙和次生孔隙均不發(fā)育,低滲透性的原因是物性“先天不足”[29]。將成巖作用控制的低滲透性砂巖油藏稱為次生低滲透性砂巖油藏,其特點(diǎn)是成巖作用強(qiáng),膠結(jié)作用和自生礦物發(fā)育,降低了儲(chǔ)層孔隙度和滲透率,儲(chǔ)層致密,原生孔隙殘留少,但是溶蝕作用使碳酸鹽巖、濁沸石、鈉長石和斜長石等礦物溶蝕,次生孔隙非常發(fā)育,儲(chǔ)層孔隙度和滲透性得到改善,從而形成有效儲(chǔ)層[29]。定量分析表明,壓實(shí)成巖作用和膠結(jié)成巖作用導(dǎo)致延長組儲(chǔ)層原始孔隙度損失超過50%以上[30]。除此之外,晚期構(gòu)造裂隙作用改善了低滲透性砂巖的滲透性,儲(chǔ)層中出現(xiàn)的大量裂隙是油氣運(yùn)移的主要通道和富集的主要空間,特別是發(fā)育的許多肉眼不能觀測但在顯微鏡下可以觀測到的顯微裂隙,使儲(chǔ)層滲透性得到改善,從而形成低滲透性儲(chǔ)層。
研究表明,延長組長2+3油氣藏屬于典型的原生低滲透性砂巖油藏,殘余粒間孔隙是儲(chǔ)層主要孔隙類型。長4+5到長8屬于次生低滲透性砂巖油藏,溶蝕孔隙發(fā)育情況是低滲透性砂巖儲(chǔ)層評(píng)價(jià)的重要標(biāo)志。
運(yùn)移動(dòng)力學(xué)控制成藏理論主要是從油氣運(yùn)移與聚集歷史過程出發(fā),討論油氣運(yùn)移方式、驅(qū)動(dòng)力、通道、時(shí)間、期次和物理化學(xué)條件等。油氣運(yùn)移包括初次運(yùn)移和二次運(yùn)移兩個(gè)階段,目前對(duì)油氣二次運(yùn)移成藏過程研究較多,而油氣初次運(yùn)移研究是油氣成藏研究的弱點(diǎn),也是難點(diǎn)[30-32]。
3.2.1 油氣初次運(yùn)移
泥巖異常壓實(shí)所導(dǎo)致的異常過剩壓力是油氣初次運(yùn)移的主要?jiǎng)恿?。鄂爾多斯盆地三疊系含油層廣泛分布有促使油氣發(fā)生初次運(yùn)移的異常過剩壓力,由異常過剩壓力所控制的油氣初次運(yùn)移在相當(dāng)大程度上影響了油氣二次運(yùn)移及富集成藏過程。陳荷立曾對(duì)鄂爾多斯盆地一些探井泥巖壓實(shí)曲線分析研究表明,延長組發(fā)育有廣泛的泥巖欠壓實(shí)現(xiàn)象,主力生油層系(長7油層組)的欠壓實(shí)現(xiàn)象尤其明顯,認(rèn)為生油層系中較高的異常過剩壓力成為油氣初次運(yùn)移的主要?jiǎng)恿Γ?3]。
油氣初次運(yùn)移的條件之一是烴源巖中有機(jī)質(zhì)成熟的深度與異常高壓出現(xiàn)的深度要匹配,這樣才能形成既能生、又能排的有效烴源巖[29]。也就是說,產(chǎn)生異常壓實(shí)的最小埋深就是油氣具備初次運(yùn)移動(dòng)力的最小深度。通過對(duì)鄂爾多斯盆地中部大量油藏形成過程研究表明,鄂爾多斯盆地中部地區(qū)產(chǎn)生初次運(yùn)移的深度在晚侏羅世末以前沒有達(dá)到門限深度,無法產(chǎn)生油氣初次運(yùn)移,而只在白堊系沉積之后才進(jìn)入較大的埋深,并在早白堊系晚期達(dá)到最大埋深,油氣大量形成并發(fā)生大規(guī)模運(yùn)移。而且,伴隨油氣形成和運(yùn)移,油層物性也相應(yīng)發(fā)生變化,油藏形成就是油氣形成、運(yùn)移及其與儲(chǔ)層物性演化匹配的結(jié)果(圖1)。
油氣初次運(yùn)移的方向及途徑與動(dòng)力學(xué)關(guān)系十分密切,因?yàn)榈叵掠蜌膺\(yùn)移總是按照沿阻力最小的途徑由相對(duì)高過剩壓力區(qū)向相對(duì)低過剩壓力區(qū)運(yùn)移。大量研究表明,鄂爾多斯盆地延長組低滲透油氣成藏體系中長7段烴源巖異常壓力是油氣排出和運(yùn)移的主要?jiǎng)恿Γ瑢?duì)于滲透能力較好的上下儲(chǔ)層,烴源巖側(cè)向過剩壓力差總是小于其與上下相鄰儲(chǔ)層之間的過剩壓力差,烴源巖形成的油氣側(cè)向運(yùn)移阻力一般高于向上下儲(chǔ)層運(yùn)移的阻力,這樣生成的油氣在過剩壓力驅(qū)動(dòng)下將首先進(jìn)入鄰近儲(chǔ)層,其方向既可向上也可向下[34],前人對(duì)此已經(jīng)進(jìn)行了大量的研究[29,33-34]。劉勇等基于過剩壓力理論分析了鄂爾多斯盆地代表性單井剖面過剩壓力分布,認(rèn)為油氣初次運(yùn)移方向與油氣聚集具有較好的一致性[29]。進(jìn)一步從理論上分析認(rèn)為,下部地層具有更高的過剩壓力;因此,在正常情況下,長7烴源巖形成的油氣初次運(yùn)移方向應(yīng)以垂向向上運(yùn)移為主(圖2a)。
如果長7段烴源巖上覆的長6和長4+5儲(chǔ)層致密,裂縫不發(fā)育,輸導(dǎo)能力差,那么長7烴源巖形成的油氣在過剩壓力驅(qū)動(dòng)下無法突破上覆致密儲(chǔ)層阻力而進(jìn)入長6及其以上儲(chǔ)層成藏。但是,如果其下部長8和長9儲(chǔ)層物性好,輸導(dǎo)能力強(qiáng),那么當(dāng)長7烴源巖形成油氣的過剩壓力到達(dá)或者超過下伏儲(chǔ)層對(duì)油氣下移阻力時(shí),油氣就會(huì)向下運(yùn)移進(jìn)入長8和長9儲(chǔ)層成藏(圖2b)[35]。當(dāng)然,如果長7烴源巖存在橫向相變,當(dāng)其與透鏡狀砂體側(cè)向聯(lián)通時(shí),長7烴源巖生成的油氣可以發(fā)生側(cè)向長距離運(yùn)移,在遠(yuǎn)離生烴中心地帶聚集成藏。
圖1 延長組低滲透儲(chǔ)層致密與油氣成藏時(shí)間序列Fig.1 Time Sequence of Low Permeable Reservoir Compaction and Oil/gas Accumulation in Yanchang Formation
圖2 延長組長7烴源巖過剩壓力與油氣運(yùn)移關(guān)系Fig.2 Diagram Showing Relations Between Residual Pressure of Chang-7Hydrocarbon Source Rocks and Oil/gas Migration in Yanchang Formation
在垂直剖面上,延長組長4+5儲(chǔ)層泥巖厚度大,儲(chǔ)層致密且裂縫不發(fā)育,輸導(dǎo)能力差,而長6儲(chǔ)層砂體厚度較大,長7烴源巖形成的油氣在過剩壓力驅(qū)動(dòng)下雖然可以突破上移阻力進(jìn)入長6儲(chǔ)層,但是無法繼續(xù)上移進(jìn)入長4+5儲(chǔ)層(圖2c),這就是勘探實(shí)踐發(fā)現(xiàn)的延長組長6油層比長4+5油層發(fā)育的原因。在長7烴源巖大量生烴前,如果延長組存在著區(qū)域性裂縫以及長7烴源巖上下儲(chǔ)層存在連通的裂縫,那么不存在過剩壓力的情況,生成的油氣可以順利向上和向下排出,進(jìn)入上下儲(chǔ)層中(圖2d)。
張文正等認(rèn)為,對(duì)于長7優(yōu)質(zhì)油源巖而言,長7儲(chǔ)層優(yōu)質(zhì)油源巖生烴作用強(qiáng),生烴作用產(chǎn)生的超壓是巨大的,完全有可能成為石油初次運(yùn)移(排烴)的最主要?jiǎng)恿Γ?6],甚至對(duì)低滲透儲(chǔ)層中的油氣二次運(yùn)移產(chǎn)生重要影響,同時(shí)認(rèn)為長7烴源巖以連續(xù)油相運(yùn)移并為特低滲—超低滲儲(chǔ)層提供油氣。
鄂爾多斯盆地半深湖—深湖相優(yōu)質(zhì)油源巖厚度較大,單層厚度一般為5~25m,累計(jì)厚度大都為10~50m,最厚可達(dá)80m以上。從石油形成和排烴的傳統(tǒng)觀點(diǎn)分析認(rèn)為,厚度如此大的烴源巖形成石油的排泄通道及其排烴效率值得深入研究。實(shí)際上,通過在顯微鏡下對(duì)烴源巖觀察發(fā)現(xiàn),長7烴源巖中發(fā)育大量顯微裂隙,在熒光下內(nèi)壁可見黃色的吸附烴類,這些裂隙呈類似“香腸”狀不規(guī)則延伸,這是石油在高壓下運(yùn)移造成的一種結(jié)果(圖3)。顯微裂隙實(shí)際上是長7烴源巖形成石油和排烴的證據(jù)和記錄。
圖3 延長組長7烴源巖中顯微裂隙照片F(xiàn)ig.3 Microscopic Features of Micro-fractures and Oil-prone Marcerals in Chang-7Hydrocarbon Source Rocks of Yanchang Formation
3.2.2 油氣二次運(yùn)移
二次運(yùn)移是油氣成藏的關(guān)鍵,涉及運(yùn)移通道、動(dòng)力、方向和流體勢等問題。在正常條件下,油氣總是沿阻力最小的方向以及沿優(yōu)勢運(yùn)移通道向流體勢減小的方向運(yùn)移聚集。油氣運(yùn)移通道一般包括孔滲性好的砂體、開啟性斷層和不整合面等。油氣二次運(yùn)移動(dòng)力包括浮力、水動(dòng)力、構(gòu)造應(yīng)力和異常壓力等。二次運(yùn)移的時(shí)期也是關(guān)注的主要問題。通過地質(zhì)分析認(rèn)為,油氣二次運(yùn)移時(shí)期應(yīng)該與烴源巖大量生排烴時(shí)期、運(yùn)移通道形成時(shí)期和區(qū)域地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)發(fā)生的時(shí)期有關(guān),一般應(yīng)綜合考慮這3個(gè)地質(zhì)時(shí)期匹配關(guān)系及其與油氣成藏的對(duì)應(yīng)關(guān)系。近年來,油氣包裹體儲(chǔ)層成巖作用及孔隙演化以及與油氣充注地球化學(xué)記錄等方面的研究為判斷油氣二次運(yùn)移和成藏時(shí)間提供了許多直接的證據(jù)和研究方法[32-41]。
鄂爾多斯盆地延長組屬于特低滲透儲(chǔ)層,斷裂構(gòu)造不發(fā)育,主要為致密巖性油藏,油氣二次運(yùn)移成藏機(jī)理頗受關(guān)注。張文正等在強(qiáng)調(diào)鄂爾多斯盆地長7優(yōu)質(zhì)油源巖在石油形成中決定性作用的同時(shí),也肯定了其在低滲透油氣成藏富集中的主導(dǎo)作用,認(rèn)為只有優(yōu)質(zhì)烴源巖的存在及其強(qiáng)排烴作用產(chǎn)生的高壓才能突破儲(chǔ)層的各種阻力形成具工業(yè)規(guī)模的油田[36-37]。
近年來,借助物理模擬、數(shù)值模擬等方法,應(yīng)用流體力學(xué)方法和思路,研究多孔介質(zhì)下油-氣-水多相滲流機(jī)理,研究油氣二次運(yùn)移發(fā)生的浮力、水動(dòng)力和毛細(xì)管力等3個(gè)重要驅(qū)動(dòng)力特征,建立油氣運(yùn)移模型,分析油氣運(yùn)移輸導(dǎo)體系和油氣運(yùn)移通道展布特征等,從而探討在地質(zhì)圈閉中油氣運(yùn)移和聚集的動(dòng)力學(xué)過程及其對(duì)成藏的控制作用。Hindle研究在多種驅(qū)動(dòng)力作用下油氣流體運(yùn)移通道分布特征的思路和方法,對(duì)于低滲透砂巖油層油氣運(yùn)移研究具有指導(dǎo)意義[38]。劉玉林等利用建立的一種真實(shí)砂巖微觀模型,分析了鄂爾多斯盆地長8致密砂巖的微觀非均質(zhì)性特征,認(rèn)為砂巖的成巖作用和孔隙結(jié)構(gòu)是影響低滲透砂巖微觀非均質(zhì)性的主要原因,由溶蝕作用引起砂巖產(chǎn)生強(qiáng)烈的非均質(zhì)性并形成長8致密砂巖的高滲帶是油氣聚集成藏的主要場所[37]。羅曉容等總結(jié)了通過物理模擬實(shí)驗(yàn)研究含油氣多相流體排替過程,從而建立特定地質(zhì)背景下油氣流體運(yùn)移路徑的模式;并應(yīng)用以浮力為主要?jiǎng)恿Φ臄?shù)學(xué)模型(即MigMOD模型),基于實(shí)驗(yàn)室尺度排替過程的物理模擬,以鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)長8儲(chǔ)層的輸導(dǎo)體系為例,進(jìn)行了盆地大尺度范圍和實(shí)際地質(zhì)條件下非均勻輸導(dǎo)層內(nèi)油氣運(yùn)移過程的理論模型分析;結(jié)合流體勢場和輸導(dǎo)格架模擬獲得的運(yùn)移路徑分布圖,發(fā)現(xiàn)目前已發(fā)現(xiàn)的油田位置與運(yùn)移路徑和油氣聚集范圍比較吻合[14]。
另一方面,隨著分析測試手段的提高,應(yīng)用伊利石測年技術(shù)和流體包裹體測溫,在盆地構(gòu)造和生烴演化歷史過程恢復(fù)基礎(chǔ)上,研究流體運(yùn)移歷史和示蹤分析。有關(guān)這方面的研究成果很多,而且目前仍然是鄂爾多斯盆地低滲透油氣藏成藏研究的熱點(diǎn)和重點(diǎn)。
鄂爾多斯盆地是中國最主要的低滲透油氣資源勘探和開發(fā)基地,油氣勘探取得了舉世矚目的成績,有關(guān)油氣成藏研究也方興未艾。從目前的認(rèn)識(shí)來看,有關(guān)油氣藏形成機(jī)理和分布規(guī)律仍然是低滲透油氣成藏研究難點(diǎn)和普遍關(guān)注的焦點(diǎn)問題,對(duì)低滲透油氣藏形成時(shí)間、期次、成藏過程、控制因素等存在著不同認(rèn)識(shí)和觀點(diǎn)。雖然有關(guān)低滲透油氣藏研究成果很多,但是目前仍然有點(diǎn)“瞎子摸象”的感覺,由于不同研究者從不同角度出發(fā)、采用不同手段進(jìn)行研究,過分強(qiáng)調(diào)了某單個(gè)因素的作用,得出的結(jié)論不可避免地具有一定的局限性和片面性,與油田勘探實(shí)際不同程度地存在一定差距。多年來,通過研究認(rèn)為,低滲透性油氣成藏機(jī)理研究必須建立在低滲透性油藏儲(chǔ)層成因與油氣注入關(guān)系基礎(chǔ)上,查明二者成因及其相互聯(lián)系,需要注重研究低滲透儲(chǔ)層與成藏的特殊性和常規(guī)油氣成藏一般性的異同點(diǎn),需要注重從儲(chǔ)層巖石成巖礦物客觀原始記錄以及實(shí)驗(yàn)分析來揭示地質(zhì)歷史時(shí)期的油氣藏形成和演化歷程。
綜合分析認(rèn)為,目前研究鄂爾多斯盆地低滲透油氣藏成藏研究需要重點(diǎn)研究以下問題[42]。
(1)鄂爾多斯盆地低滲透油氣儲(chǔ)層以碎屑巖為主,碎屑巖儲(chǔ)層原始孔、滲條件都很好,原始孔隙度一般超過30%,許多研究者也恢復(fù)出鄂爾多斯盆地低滲透油氣儲(chǔ)層原始孔隙度在35%以上[37],而現(xiàn)今鄂爾多斯盆地低滲透油氣儲(chǔ)層孔隙度一般僅為10%~15%,那么它如何變成了低滲透儲(chǔ)層?低滲透儲(chǔ)層形成的原因是什么?什么時(shí)間和成巖階段變成為低滲透儲(chǔ)層?
(2)低滲透儲(chǔ)層孔、滲條件都很差,但是儲(chǔ)層中原始孔隙水如何能夠排得出去?油氣如何能夠進(jìn)得來?同時(shí),低滲透儲(chǔ)層以透鏡體砂巖為主,砂體周圍一般為致密層包圍,內(nèi)外流體如何進(jìn)出和交換?
(3)鄂爾多斯盆地低滲透油氣儲(chǔ)層致密時(shí)間與油氣充注和定位成藏時(shí)間序列如何?這關(guān)系到儲(chǔ)層成巖作用與孔隙演化的階段性和油氣充注的時(shí)序關(guān)系問題,具體分析它們的時(shí)間序列不外乎以下3種情況:①儲(chǔ)層先致密成為低孔滲層,油氣后充注進(jìn)入儲(chǔ)層成藏。如果這樣,那么油氣依靠什么動(dòng)力、通過什么通道進(jìn)入儲(chǔ)層的?儲(chǔ)層中原始孔隙水通過什么通道如何排出的?②油氣先充注,儲(chǔ)層后致密。如果這樣,那么儲(chǔ)層為什么在油氣充注后才變成致密層?因?yàn)楦鶕?jù)鄂爾多斯盆地低滲透油氣勘探結(jié)果發(fā)現(xiàn),有些粒度粗而且物性很好儲(chǔ)層砂體并不是油氣層,而含油氣層砂體一般粒度細(xì)、物性相對(duì)較差;③儲(chǔ)層致密與油氣充注二者同時(shí)進(jìn)行。如果這樣,那么儲(chǔ)層致密和油氣充注之間就成為因果關(guān)系,那么是什么因素控制了儲(chǔ)層致密和油氣充注的發(fā)生,有什么規(guī)律可循?
總之,有關(guān)鄂爾多斯盆地低滲透儲(chǔ)層油氣運(yùn)移相態(tài)、方式、動(dòng)力、通道等仍然需要深入研究。目前,從理論上有不同的解釋和推論,但是油氣儲(chǔ)層作為儲(chǔ)存油氣的場所,應(yīng)該有相關(guān)地質(zhì)記錄和證據(jù),而目前大多研究缺少這類證據(jù)。
當(dāng)前,研究低滲透性油氣藏時(shí)所用的手段和方法、思路和解決問題的出發(fā)點(diǎn)等諸方面存在不同之處。例如,沉積學(xué)控制成藏理論仍然局限于沉積相領(lǐng)域,過多強(qiáng)調(diào)沉積相的絕對(duì)控制作用;但是,低滲透性砂巖油層孔隙演化史表明,成巖作用在儲(chǔ)層發(fā)育中的作用并不比沉積相的重要性小。目前,對(duì)延長組成巖礦物及其與儲(chǔ)層孔隙和含油性關(guān)系研究不夠,大部分研究只停留在對(duì)砂體沉積相劃分、成巖作用類型、成巖階段和成巖序列等一般性分析,而對(duì)成巖礦物成因、成巖流體物質(zhì)來源和形成條件的研究很少,成巖作用對(duì)儲(chǔ)層物性和含油性的影響研究不夠深入。特別是如何通過成巖作用研究預(yù)測儲(chǔ)層分布,并能有效指導(dǎo)勘探實(shí)踐活動(dòng),是一項(xiàng)迫切的任務(wù)。
同樣,運(yùn)移動(dòng)力學(xué)控制成藏論過分強(qiáng)調(diào)油氣流體運(yùn)移過程的模式化和公式化,過分夸大和隨意解釋了油氣運(yùn)移成藏記錄——油氣包裹體的作用及其原始地質(zhì)意義,輕視了深部地層條件下油氣運(yùn)移的復(fù)雜性和多因素性。實(shí)際上,油氣包裹體既記錄了油氣運(yùn)聚地質(zhì)歷史信息,又記錄了成巖流體信息;油氣包裹體就是油氣成藏各因素匹配巧合的記錄。運(yùn)移動(dòng)力學(xué)控制成藏理論在研究和解釋油氣包裹體成果時(shí),不能脫離研究區(qū)構(gòu)造演化、沉積成巖歷史、油氣形成過程等油氣成藏因素的動(dòng)態(tài)演化,更不能簡單地就包裹體記錄而解釋油氣成藏歷史過程,應(yīng)該加強(qiáng)研究區(qū)構(gòu)造演化、沉積成巖歷史、油氣形成過程等油氣成藏因素的動(dòng)態(tài)研究,將油氣包裹體落實(shí)和對(duì)應(yīng)到具體的構(gòu)造演化階段、確切的沉積相帶、明確的成巖階段、確定的成巖寄主礦物、具體的油氣形成階段和運(yùn)移期次。
低滲透油氣藏分布廣、儲(chǔ)量大,在中國油氣資源勘探中占有重要的地位。鄂爾多斯盆地是中國目前最重要的油氣資源勘探和開發(fā)基地,其低滲透油氣藏具有油層物性差、非均質(zhì)性強(qiáng)、油藏成藏因素復(fù)雜、油藏分布受多種因素聯(lián)合控制等特點(diǎn)。在沉積學(xué)控制成藏理論和運(yùn)移動(dòng)力學(xué)控制成藏理論指導(dǎo)下,鄂爾多斯盆地低滲透油氣藏成藏研究和勘探取得了巨大成就;但是,實(shí)踐證明傳統(tǒng)的單因素控制油氣成藏理論和相應(yīng)的勘探研究方法難以確切地揭示油氣富集規(guī)律,也不能有效地指導(dǎo)勘探工作。重視油氣藏客觀地質(zhì)記錄,動(dòng)態(tài)研究油氣藏形成和演化歷史過程,總結(jié)油氣富集規(guī)律,是今后油氣成藏研究的趨勢。因此,繼續(xù)加強(qiáng)對(duì)鄂爾多斯盆地低滲透油氣成藏研究,對(duì)當(dāng)前和今后油氣勘探戰(zhàn)略部署顯得十分重要,同時(shí)對(duì)指導(dǎo)中國同類型油氣資源勘探具有重要借鑒意義。
本文是對(duì)近十年來對(duì)鄂爾多斯盆地三疊系低滲透油氣成藏研究成果的系統(tǒng)總結(jié),十多年來長慶油田分公司有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)和技術(shù)人員與筆者共同研究,一起野外考察,對(duì)一些學(xué)術(shù)問題時(shí)常進(jìn)行面對(duì)面交流和討論,因此,本文的一些觀點(diǎn)和成果也是大家集體智慧的集中反映。
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