优质烃源岩在鄂尔多斯低渗透富油盆地形成中的关键作用

杨 华，张文正，刘显阳，李善鹏，邵创国

（1.中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司 低渗透油气田勘探开发国家工程实验室，陕西 西安 710018；2.中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司，陕西 西安 710018；3.中国石油天然气股份有限公司长庆油田分公司 勘探开发研究院，陕西 西安 710018）

0 引 言

鄂尔多斯盆地延长组素以低渗透砂岩储层的大面积普遍含油而闻名于世。虽然油藏呈低渗、低压和低丰度的“三低”特征，但是随着低渗透石油地质理论的不断发展和勘探的不断深入，以及以储层改造为核心的开发技术不断提高和完善，主力层系的油藏不断被探明，新层系、新区带的油藏不断被发现，石油储量和产量持续快速增长，该盆地已成为中国重要的油气生产基地[1－12]。与此同时，盆地延长组湖相烃源岩研究也取得了重大进展，厘定了长7湖相优质烃源岩[13]，发现了一定范围分布的长91湖相优质烃源层[14]，为进一步认识鄂尔多斯盆地中生界石油成藏聚集规律，深化低渗透石油地质理论创造了有利条件。

油气生成的有机成因论认为，烃源岩是形成油气聚集的物质基础，并且在很大程度上控制着油气的分布，即“源控论”[15]。随后，学者进一步认识到不同凹陷之间在烃源岩质量和油气资源方面存在显著差异，相继提出了“富生烃凹陷”[16]、“富油气凹陷”[17－18]的概念，描述和强调了陆相沉积盆地中烃源岩质量好、规模大、热演化适度、生烃量和聚集量均位居前列的一类含油气凹陷及其重要地位，强化了评价和识别“富油气凹陷”在油气勘探中的重要性。赵文智等在深化认识“富油气凹陷”的油气分布特征、总结勘探经验的基础上，又提出了“满凹含油”论[19]；他认为“满凹含油”是指在“富油气凹陷”内，优质烃源岩提供了丰富的油气资源，同时陆相沉积多水系与频繁的湖盆振荡导致湖水大面积收缩与扩张，使砂体与烃源岩不仅间互，而且大面积接触，从而使得各类储集体有最大的成藏机会，含油范围超出二级构造带，并在包括斜坡区的凹陷深部都有油气藏的形成与分布，呈现整个凹陷都有油气藏的局面。“满凹含油”强调了“富油气凹陷”内各个构造部位均可能分布油气藏的特点。上述研究均强调了优质烃源岩在石油聚集中的重要作用。在此基础上，笔者立足于鄂尔多斯盆地中生界低渗透石油地质特点，总结低渗透富油盆地的基本特征，并通过低渗透储层的孔喉结构、石油运聚成藏动力学特征、成藏模拟、长7优质烃源岩的强生排烃特征等试验与研究，阐述优质烃源岩在低渗透乃至致密储层石油大规模聚集（即低渗透富油盆地形成）中所起的关键作用。

1 低渗透富油盆地的主要特征

1.1 低渗透油藏分布范围广

经过数十年的勘探，鄂尔多斯盆地晚三叠世湖盆范围内已经发现大量低渗透—超低渗透油藏（图1），形成了湖盆东北部的陕北含油区、湖盆西北部的姬塬含油区、湖盆西南部的陇东含油区、湖盆中部的华庆含油区以及湖盆东南部含油区等五大含油区。其大致呈现出低渗透油藏遍布整个湖盆的总体面貌。

1.2 含油层组多、纵向叠置连片

随着低渗透储层成藏地质理论的深化和勘探的深入，近年来在长6、长8、长4＋5等主力油层组勘探成果不断扩大，同时陆续在长1、长2、长3、长7、长9、长10等油层组发现了油藏，从而使得油藏的纵向分布范围扩大到延长组的各油层组，并在湖盆的一些地区发现了多油层组油藏叠合区。与此同时，在侏罗系延安组也不断发现小型油藏。

图1 鄂尔多斯盆地中生界油藏分布Fig.1 Map Showing Distribution of Mesozoic Oil Reservoirs in Ordos Basin

1.3 近源（源内）致密储层普遍含油

近年来，在湖盆中部华庆地区长6油层组的勘探获得重大突破，查明了大面积分布的特低渗透—超低渗透油藏；另外，还发现湖盆中南部的宁县—正宁地区长6油层组超低渗透砂岩储层也具有普遍含油的特征。不仅如此，在优质烃源岩发育的长7油层组致密砂岩含油极为普遍，并发现了一批油藏区和相对富油区。例如，在湖盆中南部的宁县地区，长7油层组中上段粉砂级深水砂岩发育，部分地区砂岩累计厚度可达数十米。对5口井563块岩芯样品的岩石物性和岩石热解分析资料的统计（图2）显示，砂岩的孔隙度为7%～12%，渗透率为（0.03～0.3）×10－3μm2。虽然砂岩的储集物性差，但含油十分普遍，且含油性较好—好。其中，高含油（热解烃大于10×10－3）样品有218块，占总样品数的38.7%，而较高—高含油（热解烃大于8×10－3）样品有312块，占总样品数的55.4%。需要强调的是，即使是渗透率在0.01×10－3μm2左右、孔隙度在4%左右的致密砂岩也往往具有较好的含油性（图2）。

2 低渗透富油盆地形成的地质条件

2.1 广泛分布的深水砂岩

湖盆中部凹陷区储集砂体的广泛发育为低渗透富油盆地的形成提供了基本地质条件。大量钻孔揭示，在湖盆中部地区，邻近长7优质烃源层的长8—长6油层组发育储集砂体。其中，长8油层组发育三角洲沉积砂体，长6、长7油层组发育深水砂体，特别是湖盆中部华庆地区长6油层组发育大套深水砂岩[20]，最大厚度可达数十米（图3）。有关研究认为，大套深水砂岩是由三角洲前缘相带广泛发育的砂质碎屑流沉积而成[21]。由于砂质碎屑流沉积没有固定提供补给的浊流水道，所以砂体具有纵向延伸不远、横向叠置连片的特点。

研究表明，湖盆中部地区长7油层组上、中段及下段（局部）也发育浊积砂体，其中以长7油层组上段最为发育[22]。长7、长6油层组深水砂岩的广泛发育以及与长8、长4＋5等油层组储集砂体的纵向叠合，形成了“满盆砂”，从而为低渗透富油盆地的形成提供了有利的储集条件。

图2 宁县—正宁地区长7油层组砂岩热解烃与物性的关系Fig.2 Relationships Between Pyrolysis Hydrocarbon and Physical Properties of Sandstone in Chang－7 Oil－bearing Formation in Ningxian－Zhengning Area

2.2 优越的油源条件

研究表明，在晚三叠世湖盆最大湖泛期沉积的长7油层组，大范围发育了一套已达到生油高峰演化阶段的有机质丰度高、类型佳的优质烃源层[1]。采用热模拟产烃率法，计算的总生烃量约为1040×108t、总排烃量达749×108t。需要强调的是，虽然长7优质烃源层的总生烃量不算很大，但是由于其排烃效率很高[23－24]，所以排烃规模相当可观。长7优质烃源层的大范围分布和大规模排烃为低渗透油气的大规模聚集（即低渗透富油盆地形成）提供了丰富的油源。

3 长7优质烃源岩的关键作用

3.1 致密砂岩大面积成藏的关键要素

湖盆中部长7、长6油层组广泛分布的致密砂岩的普遍成藏是形成“满凹含油”的关键。恒速压汞法测试结果（表1）显示，鄂尔多斯盆地延长组超低渗透砂岩储层（渗透率小于1×10－3μm2）的平均喉道半径、主流喉道半径和中值半径均小，平均孔喉比较高。细微的喉道使得毛细管阻力显著增大，因此石油在较大的压差驱动下才能充注进入储层。

从渗流力学角度而言，低渗透储层渗流在低速流动阶段属于非达西渗流[25－26]，主要特征为：在驱替压力梯度低于某一界限时，流体不能克服流动的阻力，不发生流动，也就是说存在启动压力梯度；在驱替压力梯度大于启动压力梯度后，压力梯度与流量之间的关系不是线性关系，而是复杂的非线性关系；当驱替压力梯度继续增大到某一数值后，驱替压力梯度与流速之间的关系才呈线性关系。渗流非线性程度可以用启动压力梯度表征：启动压力梯度越大，渗流非线性越强，储层渗流能力则越低。中国石油勘探开发研究院廊坊分院渗流流体力学研究所运用恒压法和恒流量法对延长组10个特低渗透岩芯样品进行了单相流体一维流动时的启动压力梯度测试。试验结果（图4）表明，低渗透储层的启动压力梯度与渗透率有密切关系。储层渗透率越低，启动压力梯度越大；储层渗透率越高，启动压力梯度越小，两者呈幂指数关系。以上结果说明，低渗透—特低渗透储层中的流体流动表现为“被动”的动力学属性，石油运聚成藏需要较大的动力。

图3 华庆油田西砂带长63砂体剖面Fig.3 Profile of Chang－63Sandstone in the Western Sandstone Belt of Huaqing Oilfield

表1 恒速压汞法测试的低渗透岩芯相关孔隙结构参数Tab.1 Parameters for Porous Structure Related to Low－permeability Rock Core Tested by Rate－controlled Mercury Method

图4 特低渗透储层启动压力梯度与渗透率的关系Fig.4 Relationship Between Startup Pressure Gradient and Permeability of Extremely Low－permeability Reservoir

在地层平缓的背景下，特低渗透砂岩细小的孔喉还使得储层中的油－水重力分异十分困难，流体运移呈现活塞式驱替的特征。运用岩芯流动试验装置对渗透率分别为0.17×10－3、0.748×10－3、2.544×10－3、2.812×10－3μm2的4个岩芯进行模拟油充注成藏试验，结果显示，当注入倍数为1时，岩芯的含油饱和度分别达到51.3%、58.7%、68.2%和53.5%。并且，随着石油的持续充注以及驱动压力（p）的增高，岩芯（渗透率为0.17×10－3μm2）含油饱和度逐级增高（图5）。试验结果表明，由于特低渗透砂岩中的孔隙半径较小以及连通孔隙的喉道细微，原油在低渗透—超低渗透储层中以活塞式推进的方式驱替运移。因此，低渗透—特低渗透砂岩储层的石油成藏具有由近及远扩张式运移成藏、运移过程与聚集成藏过程相一致、输导层与储集层一体化、石油成藏效率高等显著特征。

图5 砂岩岩芯石油驱替成藏的模拟试验结果Fig.5 Simulation Experimental Results for Oil Expulsion，Substitution and Reservoir Formation in Sandstone Core

鉴于特低渗透储层喉道细小、毛细管阻力大、流体运移呈活塞式驱替的特点，足够的驱动压力、大规模的富烃优质流体以及裂缝输导体系（输送流体、传递压力）的发育应是特低渗透砂岩大面积成藏的关键要素，也是鄂尔多斯盆地低渗透富油储层形成的关键要素。

3.2 长7优质烃源岩的关键作用

低渗透—特低渗透储层的活塞式驱替成藏机理，使得生、储、盖、圈、运、保六大成藏要素中的烃源岩生排烃成为最关键的要素。长7优质烃源岩是中生界主力烃源岩，在低渗透—特低渗透储层石油运聚成藏和低渗透富油储层形成中所起的关键作用体现在以下几个方面。

首先，由于长7优质烃源岩的生烃强度大，其累积生烃量远大于残留烃量（图6）。这说明大量的烃类已经被排出，同时当生烃量达到一定数量后，即可产生显著的增压作用[23]。这种作用不仅能够促使大量烃类排出，而且排出的流体拥有很高的势能。在烃源岩排出的高势能流体注入砂岩储层的瞬间，当致密砂岩的导流速度小于排烃流体注入速度时，压力梯度就会在致密砂岩中形成，从而促成低渗透储层中石油的二次运移。“生烃增压→排出高能流体→二次运移”过程的反复进行，使得低渗透储层石油大规模成藏聚集。由此可见，长7优质烃源岩既是主力烃源岩，又是低渗透储层石油运聚的关键动力源。

图6 长7优质烃源岩累计生烃量与残留烃量的比较Fig.6 Comparison Between Accumulated and Residual Hydrocarbon Amounts in Chang－7 High－quality Source Rocks

其次，高驱动压力不仅促使二次运移的持续进行，而且有助于储层含油饱和度的提高和石油富集（图2、5）。因此，长7优质烃源岩排出的高能流体有利于特低渗透储层的石油富集。盆地中部地区长7致密砂岩高含油的客观实际证实了这一点。

再者，长7优质烃源岩的单层厚度不大，层理缝发育，具有富纹层有机质、富莓状黄铁矿、富薄层和纹层凝灰质[27]、低黏土矿物（表2）的岩石组构特征，加之高的生烃强度（平均约55kg·t－1），使得长7优质烃源岩在生油高峰阶段能够提供大量的富烃流体，形成连续油相运移，从而极大地促进低渗透储层大面积成藏富集。

表2 长7优质烃源岩全岩X－衍射测试结果Tab.2 Whole Rock X－ray Diffraction Test Results for High－quality Source Rock of Chang－7Formation

4 结 语

（1）鄂尔多斯盆地具有石油资源量大、低渗透油藏分布范围广、含油层组多、纵向叠置连片的特征。而近源致密砂岩储层普遍成藏、丰富的致密油（页岩油）资源则是鄂尔多斯盆地低渗透富油储层的最大特点。

（2）晚三叠世湖盆中部地区长6、长7油层组广泛分布的深水砂岩以及与其他油层组砂体的纵向叠合形成的“满盆砂”为低渗透富油储层的形成提供了基本条件。

（3）低渗透—致密砂岩储层喉道细小，毛细管阻力较大，油－水重力分异困难，石油运聚需要足够的动力和富烃流体。大范围发育的长7优质烃源层不仅起着主力烃源岩的作用，而且由于其高有机质丰度形成的高生排烃强度，使得其能够提供低渗透—致密砂岩储层石油大规模运聚成藏所需的强大动力和大规模的富烃流体。因此，长7优质烃源层既是石油聚集的主要物质源，又是关键的动力源，在鄂尔多斯盆地中生界低渗透富油储层的形成中起着关键作用。

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