趙 榮，王朋巖

(東北石油大學(xué)，黑龍江 大慶 163318)

0 引 言

致密油氣的典型特征是其存在于低孔滲致密砂巖之中，儲層常規(guī)滲透率一般小于1.00 mD(覆壓基質(zhì)滲透率不大于0.10 mD)，單井一般無自然產(chǎn)能或自然產(chǎn)能低于工業(yè)氣流下限[1]。致密油氣是非常規(guī)油氣的重要組成部分，在國內(nèi)外得到普遍的重視[2-3]。國外典型致密氣盆地有圣胡安盆地、大綠河盆地、阿爾伯達(dá)盆地等，典型致密油盆地有美國的威利斯頓盆地。中國典型致密氣盆地有鄂爾多斯盆地上古生界、四川盆地須家河組等，在鄂爾多斯盆地和松遼盆地齊家古龍凹陷發(fā)現(xiàn)了致密油資源[4-5]。

國內(nèi)外對于致密油氣的研究集中于成藏機(jī)理、資源分布、勘探方法和開發(fā)技術(shù)等方面。與國外相比，中國除鄂爾多斯盆地外，其余地區(qū)致密油氣的特征與北美地區(qū)有明顯不同，具體表現(xiàn)在盆地規(guī)模小、構(gòu)造運(yùn)動頻繁、砂體分布復(fù)雜等方面[6]。低勘探程度盆地的探井和地震資料極少，不足以落實(shí)圈閉位置和油氣分布，尤其是非常規(guī)油氣，由于其不受構(gòu)造圈閉的控制，在尋找有利區(qū)時(shí)難度更大。此次研究通過對國內(nèi)外致密油氣成藏特征分析，確定主控因素，提出界定標(biāo)準(zhǔn)，探討如何在勘探初期綜合利用有限資料預(yù)測致密油氣資源空間分布。

1 雞西盆地勘探概況

雞西盆地為中生代斷陷盆地，位于黑龍江省東部，面積約為3 780 km2，延伸方向?yàn)楸睎|東—北東方向。盆地中部發(fā)育東西向的平陽-麻山斷裂及近東西向的恒山隆起，將盆地分為南北2個(gè)坳陷區(qū)。盆地基底為太古代花崗巖和和片麻巖，由下而上沉積了早白堊世滴道組、城子河組、穆棱組和東山組地層以及晚白堊世、古近紀(jì)、新近紀(jì)地層，其中，城子河組和穆棱組是主要勘探層。城子河組為三角洲平原相-三角洲前緣相-濱淺湖相組合，總厚度為600～800 m，發(fā)育數(shù)10個(gè)煤層。

雞西盆地油氣勘探程度較低，盆地范圍內(nèi)部署了大地電磁測深和重力測量剖面，重點(diǎn)構(gòu)造有二維地震剖面，其中，南部坳陷局部地區(qū)測網(wǎng)密度相對較高。完鉆5口探井，9口地質(zhì)井，2口煤層氣井。雞西盆地于1985年首見天然氣顯示，隨后在煤田87-20井鉆至穆棱組上部地層時(shí)發(fā)生氣噴，日產(chǎn)天然氣為2×104m3/d。雞D2、雞D6、雞6井見油顯示，雞氣1井喜獲工業(yè)煤層氣流，另有多井見氣測異常，表明雞西盆地具有較好的油氣勘探前景。

2 致密油氣成藏特殊性及成藏控制因素

常規(guī)油氣成藏的主控因素包括生、儲、蓋、圈、運(yùn)、保，這些因素對致密油氣起到同樣作用。在適宜致密油氣成藏的特定地質(zhì)條件下，成藏各要素經(jīng)過組合形成了致密油氣獨(dú)特的成藏條件和油氣藏特征(圖1)。

圖1 致密油氣成藏要素、過程及特點(diǎn)

油氣等低密度流體(相對于地下水)在地下的運(yùn)移動力主要有3種：①生烴產(chǎn)生的超壓，該動力沒有特定方向，總是推動油氣向相對高孔滲、阻力低區(qū)域運(yùn)移；②由于烴與水密度差產(chǎn)生的浮力，浮力總是指向上方，由深向淺運(yùn)移，在遇到致密蓋層時(shí)，運(yùn)移方向指向儲層的上傾方向；③水動力，受到區(qū)域可流動連續(xù)地下水的影響。最后的運(yùn)移效果受3種力的合力控制。一般來說，只有在以浮力為主導(dǎo)的驅(qū)動下，分散的烴流體才能運(yùn)移、匯聚、產(chǎn)生烴水分異并形成高豐度油氣田。

國內(nèi)外44個(gè)致密油氣盆地的統(tǒng)計(jì)分析表明，已發(fā)現(xiàn)的致密油氣藏一般位于盆地中心或平緩的斜坡帶，烴源巖具有有效生烴過程，儲層與烴源巖層緊鄰并且致密，不發(fā)育斷層或裂縫。保持一定強(qiáng)度持續(xù)生烴是致密油氣形成的物質(zhì)基礎(chǔ)。儲層致密使得進(jìn)入其中的油氣難以繼續(xù)進(jìn)行二次運(yùn)移，因此，儲層同時(shí)起到蓋層和保存的作用。由于輸導(dǎo)條件差，只有緊鄰烴源巖的致密砂巖儲層才是有效儲層。構(gòu)造活動因素在致密油氣成藏過程中起到重要作用：①構(gòu)造活動微弱，斷層活動較少，對油氣成藏的破壞小，有利于后期保存；②地層變形微弱、地層傾角小導(dǎo)致因浮力產(chǎn)生的運(yùn)移動力低，阻止油氣二次運(yùn)移和密度分異，促進(jìn)了致密油氣藏的形成。

在此類地質(zhì)條件下，經(jīng)過持續(xù)供烴、活塞式充注、缺少二次運(yùn)移的成藏過程，最終可形成具有氣水倒置、大面積分布、豐度低、近源成藏特征的致密油氣藏。

綜合上述分析，對于致密油氣有利區(qū)的評價(jià)可以集中于生烴評價(jià)、儲層評價(jià)和構(gòu)造穩(wěn)定性評價(jià)3個(gè)方面來進(jìn)行。有效生烴區(qū)(第1要素)與烴源巖緊鄰的致密儲層分布區(qū)(第2要素)及構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)(第3要素)的疊合區(qū)，即為致密油氣分布有利區(qū)。

3 雞西盆地致密油氣有利區(qū)預(yù)測關(guān)鍵參數(shù)

3.1 生烴條件

與常規(guī)油氣相同，生烴條件是決定致密油氣存在的第1要素[7]，“源控論”的思想對致密油氣同樣有效。一般情況下，只要達(dá)到了成熟門限，有機(jī)質(zhì)豐度達(dá)到中等—差級別以上，有足夠厚度和分布面積，腐殖型、腐泥型干酪根均能形成有效油氣來源。根據(jù)張福東等[8]的研究成果，致密油氣烴源巖生烴強(qiáng)度下限為7×108～10×108m3/km2。

雞西盆地城子河組暗色泥巖厚度為100～300 m，泥巖有機(jī)碳含量為2.15%，全盆地發(fā)育煤層，累計(jì)厚度為2～18 m，煤層有機(jī)碳含量為71.00%[9]。干酪根類型為Ⅲ型，Ro為0.30%～2.10%。以Ro=0.70%為生烴門限，城子河組有效生烴層埋深為977 m[10]。綜合評價(jià)城子河組泥巖和煤層為較好烴源巖，主要生成少量輕質(zhì)油和天然氣。通過計(jì)算，城子河組生烴強(qiáng)度為8×108～13×108m3/km2，盆地坳陷區(qū)為生烴高值區(qū)，達(dá)到有效致密油氣烴源巖生烴標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 儲集條件

致密砂巖儲層核心參數(shù)為孔隙度和滲透率，常用滲透率來反映致密程度。根據(jù)相關(guān)研究成果[1,3]，致密砂巖儲層滲透率上限為1.00 mD(對應(yīng)覆壓滲透率約為0.10 mD)。王朋巖等[11]建議用統(tǒng)計(jì)方法確定儲層的致密屬性，即對于具體地區(qū)而言，如果實(shí)測儲層滲透率有80%都小于1.00 mD，則為典型致密砂巖區(qū)。

雞西盆地城子河組儲集層巖性主要有灰白色細(xì)砂巖、中砂巖和粗砂巖。砂巖分選性較差，結(jié)構(gòu)成熟度與成分成熟度均不高，雜基和膠結(jié)物含量較高。城子河組砂巖厚度為55～541 m，平均為398 m，砂地比平均為60%。從砂巖厚度分布看，南北坳陷中心部位砂體較厚，一般超過400 m，周圍較薄，小于300 m。城子河組孔隙度為0.6%～12.4%，滲透率為0.01～2.71 mD，有82%實(shí)測樣品滲透率小于1.00 mD。喉道半徑為1.89～3.86 μm,平均為2.93 μm。由野外采樣樣品實(shí)測數(shù)據(jù)繪制的孔隙度-滲透率關(guān)系(圖2)可知，城子河組屬于典型致密砂巖儲層。

圖2 城子河組砂巖樣品孔隙度-滲透率關(guān)系

3.3 構(gòu)造穩(wěn)定性

影響油氣運(yùn)聚的構(gòu)造運(yùn)動主要體現(xiàn)在水平方向上，而地層傾斜程度(傾角)和斷層分布(密度、延伸長度和斷距)反映了水平構(gòu)造運(yùn)動的強(qiáng)度，是研究過程中容易獲取的重要參數(shù)。

3.3.1 浮力驅(qū)動與地層傾角的關(guān)系

當(dāng)致密儲層中存在連通水體時(shí)，烴水密度差產(chǎn)生浮力，當(dāng)浮力超過儲層毛管阻力時(shí)，油氣向儲層上部運(yùn)移，直至蓋層底部，浮力在傾向方向的分力推動油氣沿構(gòu)造上傾方向運(yùn)移。由于浮力有唯一指向，只有通過浮力運(yùn)移的油氣才會聚集，發(fā)生氣水分異并提高資源豐度。換言之，通過浮力運(yùn)移可形成常規(guī)高豐度油氣藏，僅由排烴高壓驅(qū)動只能形成分散的非常規(guī)資源。

在低傾角的構(gòu)造平緩區(qū)域，上傾方向上的浮力微弱，產(chǎn)生一定高度的垂向烴柱(足以突破毛管阻力)需要更大面積的連通砂體，這一條件使得浮力驅(qū)動下的油氣運(yùn)移變得困難。

(1) 地層傾角小，減弱傾向浮力分量。浮力的傾向方向分量是油氣沿上傾方向運(yùn)移的主動力。由于地層傾角不同，運(yùn)移動力差別很大。浮力傾向方向分量與地層傾角的關(guān)系為：

Ft=Fnsinα

(1)

式中：Ft為浮力傾向方向分量，Pa；Fn為總浮力，Pa；α為地層傾角，°。

由式(1)可知，當(dāng)?shù)貙悠骄彆r(shí)，浮力在地層傾向方向的分量較小[12]。典型實(shí)例如圣胡安盆地中心部位和西南斜坡區(qū)分布致密砂巖氣，地層傾角多數(shù)小于1 °，沿傾向方向浮力分量與總浮力比值(Ft/Fn)小于0.006，而在盆地北緣單斜區(qū)地層傾角大于5 °，F(xiàn)t/Fn值接近0.100(表1)[12]。

表1 圣胡安盆地地層傾角及浮力分析

(2) 地層傾角小，需要較大規(guī)模的連通砂體才能產(chǎn)生有效動力。浮力是油氣運(yùn)移的動力，毛細(xì)管力是油氣運(yùn)移的阻力，僅當(dāng)動力大于阻力時(shí)油氣才會開始運(yùn)移。

F1=(ρw-ρh)Hg

(2)

(3)

式中：F1為浮力，Pa；ρw、ρh分別為水、烴的密度，kg/m3；H為垂直烴柱高，m；g為重力加速度，9.81 m/s2；F2為毛細(xì)管阻力，Pa；r為孔隙喉道半徑，m；σ為烴水界面張力，N/m；θ為潤濕角，°。

浮力的大小取決于垂直烴柱高度，而要產(chǎn)生一定高度的垂直烴柱，需要平面上的砂體具有一定的延伸規(guī)模。傾斜地層垂直烴柱高度的大小與輸導(dǎo)層厚度、傾角和傾向上延伸長度有關(guān)(圖3)。

圖3 輸導(dǎo)層空間形態(tài)與浮力關(guān)系分析

當(dāng)喉道半徑為r時(shí)，突破喉道所需垂直油柱高度為H，計(jì)算對應(yīng)的砂體傾向上延伸長度L的大小。當(dāng)H

L1=h1/sinα=h0/(sinαcosα)

(4)

式中：L1為產(chǎn)生h1油柱所需傾向地層延伸的長度，m；h1為層內(nèi)垂向油柱的高度，m；h0為輸導(dǎo)層的厚度，m。

當(dāng)H>h1時(shí)，輸導(dǎo)層較薄，需要較大規(guī)模傾向方向延伸的連通輸導(dǎo)層(L=L1+L2)，才能形成足夠高度的烴柱(H=h1+h2)。

L=H/sinα

(5)

式中：L為傾向上連通砂體長度，m。

蘇里格氣田上古生界發(fā)育典型致密氣藏，致密儲層累計(jì)頻率90%對應(yīng)的喉道半徑小于0.40 μm[13]，核心部位地層傾角為1 °左右。應(yīng)用以上公式計(jì)算天然氣運(yùn)移突破毛細(xì)管阻力需要18.75 m垂直氣柱，對應(yīng)需傾向延伸長度為1 075 m的砂體。蘇里格氣田主力儲層含氣砂體厚度為2～5 m，寬度為300～800 m，長度為300～1 200 m，據(jù)此判斷多數(shù)砂體難以形成大規(guī)模連通狀態(tài)并產(chǎn)生足以推動油氣運(yùn)移的垂向烴柱。低傾角造成的低輸導(dǎo)動力與致密儲層產(chǎn)生的高輸導(dǎo)阻力是該區(qū)形成致密砂巖油氣藏的主要原因。

對國內(nèi)外致密油氣盆地統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示[11]，典型致密砂巖氣盆地地層傾角均較小，一般核心區(qū)傾角小于1 °，最大一般也不超過4 °。

3.3.2 斷層發(fā)育程度對油氣運(yùn)移、聚集的影響

斷層靜止時(shí)期遮擋作用可以形成圈閉，開啟的斷層及其附近派生的裂縫是良好運(yùn)移通道。斷層活動時(shí)期會產(chǎn)生周期性應(yīng)力聚集、釋放現(xiàn)象，被稱為“地震泵”效應(yīng)，地震強(qiáng)度與斷裂規(guī)模相關(guān)[14]?；顒訒r(shí)期的斷層可促進(jìn)烴水分異和油氣運(yùn)移。

一般情況下，典型致密油氣分布于構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)域，地層變形微弱，而在實(shí)際勘探中發(fā)現(xiàn)，在地層傾角小的地區(qū)(盆地中心、斜坡帶)斷層均不發(fā)育。北美典型致密氣區(qū)布蘭科氣田、約拿氣田、牛奶河氣田等多未提到斷層特征。在實(shí)際工作中可認(rèn)為斷距小(未斷穿儲層)、延伸距離短的斷層對致密油氣成藏影響不大。

3.3.3 雞西盆地致密氣分布區(qū)構(gòu)造特征

雞西盆地構(gòu)造發(fā)育史顯示，盆地整體后期改造較強(qiáng)烈，地層傾角大，斷裂發(fā)育。由上述分析可知，構(gòu)造變動強(qiáng)烈的盆地難以形成大規(guī)模致密油氣區(qū)。通過定量分析全盆地地層傾角特征，并考慮斷層活動強(qiáng)度，認(rèn)為雞西盆地城子河組構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)域發(fā)育在坳陷中心部位和斜坡局部區(qū)域，這些區(qū)域也是生烴活動活躍地區(qū)，有利于致密油氣生成和聚集。

4 雞西盆地城子河組致密油氣有利區(qū)分布

綜上研究認(rèn)識，在“有效生烴范圍內(nèi)”、“源儲相間的致密儲層之中”尋找“構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)域”，即為致密油氣有利分布區(qū)。雞西盆地城子河組地層普遍致密，達(dá)到致密砂巖標(biāo)準(zhǔn)，生烴能力超過致密油氣生烴能力下限。結(jié)合構(gòu)造活動性標(biāo)準(zhǔn)識別出4個(gè)有利致密油氣區(qū)(表2，圖4)。有利區(qū)A內(nèi)部的雞D2井在城子河組見到熒光、油跡、油斑等顯示，發(fā)現(xiàn)致密油氣的可能性最大。雞氣1井位于有利區(qū)B西部，現(xiàn)已發(fā)現(xiàn)工業(yè)氣流，從構(gòu)造位置看可能為常規(guī)氣藏，由此推斷與其相鄰的有利區(qū)B大概率有良好的生成油氣條件，具有較好的油氣前景。有利區(qū)C位于梨樹鎮(zhèn)坳陷西北部，有利區(qū)D位于雞東坳陷東部，C、D區(qū)目前沒有鉆井資料，從區(qū)域成藏條件預(yù)測具有致密油氣前景。雞西盆地城子河組4個(gè)致密油氣有利區(qū)總面積為291.3 km2。

表2 雞西盆地城子河組致密油氣有利區(qū)分布

圖4 雞西盆地城子河組致密油氣有利區(qū)預(yù)測

5 結(jié) 論

(1) 儲層致密、構(gòu)造平緩造成油氣運(yùn)移過程中浮力影響微弱，無法產(chǎn)生有效二次運(yùn)移并使油氣匯聚成藏。有效烴源巖區(qū)、致密儲層區(qū)和構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)的疊合區(qū)域是致密油氣有利聚集區(qū)。

(2) 明確致密氣有利區(qū)界定的關(guān)鍵參數(shù)為：烴源巖生烴強(qiáng)度下限為7×108～10×108m3/km2，儲層物性滲透率上限為1.00 mD，構(gòu)造穩(wěn)定區(qū)為區(qū)域地層傾角在4 °以下且斷裂不發(fā)育區(qū)域。

(3) 雞西盆地具有致密油氣前景，有利區(qū)主要分布在梨樹鎮(zhèn)坳陷中心部位及雞東坳陷東部，總面積約為291.3 km2。在其他部位有可能發(fā)現(xiàn)常規(guī)油氣聚集。