渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷西部深层油气倒灌的物理模拟实验

2013-11-01郝雪峰单亦先劳海港

石油实验地质 2013年1期

郝雪峰，单亦先，劳海港

(1.中国石油化工股份有限公司胜利油田分公司地质科学研究院，山东东营 257015;2.中国石油大学(华东)，山东青岛 266580)

随着中国东部新生代断陷盆地进入高勘探程度阶段，扩大勘探领域、寻找剩余资源成为稳定老油田稳产的重点手段。以胜利油田为例，从复式油气聚集带理论到隐蔽油气藏的提出、从构造带到“深洼扩边”思路的转变，每次理论创新必将带动油气勘探的重大突破。现阶段以“下生上储”为主导的成藏模式成为油气勘探突破的颈口，笔者重新思考“上生下储”(即油气倒灌)的非常规油气成藏模式[1］。“上生下储”成藏模式自提出以来，不同学者对其褒贬不一，并利用有利于自己的数据阐述其观点[2－11］。由于该成藏模式在现有油气勘探中比较少见，而且利用常规的成藏模式很难对其进行解释，故将其归于非常规油气藏。笔者以渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷西部洼陷为例，利用地震、地化、钻井、测井、测试资料等，开展油源对比、运移动力、输导通道等研究，分析油气倒灌的成藏理论;通过模拟实验阐述油气倒灌的现实可行性，从而完善洼陷深层油气成藏规律，对拓展深层勘探领域具有重要意义。

车镇凹陷位于渤海湾盆地济阳坳陷的西北部，东西长、南北窄(图1)，是一个在古生界海相地层基底上发展起来的中、新生代陆相断陷—坳陷叠合盆地。古近系由下至上依次发育沙四段河流—滨浅湖沉积、沙三中—下亚段(Es3(中－下))深湖—半深湖沉积、沙三上亚段(Es3(上))滨浅湖—半深湖沉积、沙二段滨浅湖沉积和沙一段深湖—半深湖沉积[12］(图2)。凹陷内大部分断层规模较小，发育的套尔河鼻状构造、车3鼻状构造、大王庄鼻状构造和大35鼻状构造将凹陷分隔成车西、大王北、郭局子3个洼陷[13］。各洼陷形成与构造演化差别不大。其中车西洼陷以构造—岩性、潜山油藏类型为主，目前发现的油气主要分布于南部缓坡带的曹家庄断阶及洼陷带的Es4、Es2及潜山储层中，其中Es4油层为该区的主力油藏。

1 深层油气来源

为了准确分析车镇凹陷西部洼陷中沙四上亚段(Es4(上))主力含油层系的油气来源，确定含油层系与烃源岩之间的成因联系，笔者分别采集了钻遇Es3(中－下)亚段烃源岩的 C253 井、Es4段烃源岩的C25井以及多口钻遇Es4(上)亚段储集层的井中的油气样品，利用生物标志化合物中结构独特、性质稳定的蜡烷及甾烷进行对比。

图1 渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷负向单元分布Fig.1 Depressive units of Chezhen Sag，Jiyang Depression，Bohai Bay Basin

图2 渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷沉积发育特征Fig.2 Sedimentary characteristics of Chezhen Sag，Jiyang Depression，Bohai Bay Basin

通过对比发现，Es3(中－下)亚段泥岩重排甾烷、4－甲基甾烷含量丰富;Es4(上)亚段泥岩重排甾烷不发育，4－甲基甾烷含量较低;而Es4(上)亚段油砂样品中不仅含有重排甾烷，并且4－甲基甾烷含量丰富(图3)。Es3(中－下)亚段伽马蜡烷指数多小于0.10，Es4段伽马蜡烷指数为 0.11 ～0.20，C251、C254、C253等井 Es4(上)亚段油砂中伽马蜡烷指数多小于0.10(图4)。由此可见，该区Es4(上)亚段泥岩与Es4(上)亚段油砂虽属于同一层系，原油地化特征明显不同;Es3(中－下)亚段烃源岩与 Es4(上)亚段油砂具有较好的亲缘关系。

从Es3(中－下)烃源岩与具有亲缘关系的含油层位埋深分析，Es3烃源岩底界埋深约在1 400～3 500 m之间，底界最大埋深约为4 700 m。目前，研究区钻穿 Es3(中－下)烃源岩、进入深部储集层的 Cg209、Cg25、Cg206 等 3 口勘探井分别在4 895.6～4 897.5，5 007 ～5 008，4 729.5 ～4 795.0 m 见到油气显示，且随着深度的增加，油气显示厚度依次减小。在三维地震中，上述3口勘探井均未与有效烃源岩直接对接，与有效烃源岩底界深度相差200～300 m，为典型的上生下储、油气“倒灌”的油气藏。

2 油气倒灌动力

图3 渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷西部甾烷油源对比Fig.3 Contrast of sterane between oil and source in western Chezhen Sag，Jiyang Depression，Bohai Bay Basin

图4 渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷西部蜡烷油源对比Fig.4 Contrast of cerane between oil and source in western Chezhen Sag，Jiyang Depression，Bohai Bay Basin

图5 渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷C254井地层压力系数Fig.5 Formation pressure coefficienty of well C254 in chezhen Sag，Jiyang Depression，Bohai Bay Basin

与常规油气成藏不同，处于烃源岩下方的油气运聚并非遵循达西渗流条件，故流体运移不是以浮力为动力、向相对低势区运移，而是在超压作用下向源下储层中运聚成藏，烃源岩与储集层存在压力差是其成藏的内在控制因素[14－18］。以车镇凹陷车西洼陷为例，利用测井资料求取异常高压的空间分布位置(图5)，研究异常高压在空间的分布特征。纵向上地层压力随深度增加而逐渐增大，从2 600 m处地层开始出现超压，3 600 m处地层压力增加至最大，往下则出现降低的趋势。Es3(下)地层压力系数在1.0～1.4之间，在斜坡带开始出现异常压力，围绕生烃中心呈环带状分布，洼陷带异常压力最大，洼陷边缘和构造高部位地层剩余压力逐渐减小，压力趋于常压(图6)。

图6 渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷西部Es3(1)亚段地层压力系数分布Fig.6 Formation pressure coefficient distribution of lst subsection of 3rd member of Shahejie Formation in western Chezhen Sag，Jiyang Depression，Bohai Bay Basin

3 油气倒灌运移通道

油气在二次运移中的主要通道有连通孔隙、裂缝、断层和不整合面[17］。从地震剖面来看，车西洼陷深部地震上同相轴连续，地层平行接触。Es3烃源岩底界与Es4顶部第一套砂体之间被一套厚度30～60 m的泥岩所隔，因此裂缝与断裂是油气倒灌的运移通道。

控制箕状深洼陷的边界断裂不仅控制着烃源岩、储集层的发育，也是油气运移的重要通道。向洼陷内部，仅仅发育四级以下的小断裂及微裂缝(图7a，b)。岩心及镜下观察可以看到不同规模、方向各异的微裂缝，C254井3 675.4 m发育5条泥岩裂缝，最长可达10 cm、宽0.3 cm(图7c)，裂缝中局部充填脉体。在岩心上也偶见有断面擦痕。裂缝与低级别断裂在空间上形成一个三维运移网络，构成洼陷带油气倒灌的复杂输导体系。

图7 渤海湾盆地济阳坳陷车镇凹陷西部油气倒灌运移通道Fig.7 Main pathways of hydrocarbon downward migration(factures，micro cracks)in western Chezhen Sag，Jiyang Depression，Bohai Bay Basin

4 油气倒灌物理模拟

4.1 实验模型与方法

实验模型的构造变形在构造变形与油气充注一体化装置上完成，油气充注的实验模型设计为56 cm×37 cm×25 cm，观察窗口设计成40 cm×25 cm的透明玻璃。实验材料采用粒径均匀的天然石英为砂岩层，泥岩选自黄河三角洲天然黏土，其孔隙度和渗透率近似为零。在构造变形过程后，对砂岩层进行注水，使其饱含水。烃类选与其相似的航空油，并加入分子较小的蓝色染色剂，以便更好地观察油的运移路径。

实验模拟油气在二次运移过程中以断裂(或微裂缝)为倒灌通道的过程。在以断裂为运移通道的油气充注物理模拟中，泥岩采用了较为脆性的钠土，每层泥岩厚度为1 cm。每层石英砂岩粒度与物性相同(粒度为0.3～0.4 mm，孔隙度为24%，渗透率为2 950×10－3μm2)。地层倾角为15°～20°。在对模型进行压实的基础上进行构造变形，然后进行油的充注。用增压泵对模型进行烃类充注，模拟烃源岩生烃时的异常压力。

4.2 实验过程

图8 油气倒灌模拟过程Fig.8 Experiment process of petroleum downward migration

根据泥岩涂抹的情况，将断裂下盘②号、③号、④号、⑤号砂体上倾方向出口打开(图8)。实验过程中采用0.16 mL/min的充注速率注入油，恒定泵压为模型充注油。充注的油首先沿着断裂上盘①号砂层进口进入模型，沿砂岩层向上运移，并迅速进入断裂带内。当充注95 min、注入油量为15.2 mL时(图8a)，油沿着断裂分别进入断裂下盘②号、③号、④号、⑤号砂体，并且由上到下油注入量依次递减，在出口处排水的水量也具有相似的规律。当充注155 min、注入油量为24.8 mL 时(图8b)，首先在断裂下盘②号砂层出口处见到部分油排出，然后见到3号砂层有少量油排出，④号、⑤号砂层油继续向上运移，并伴随少量的水排出。同时，油沿着断裂向下运移，在断裂上盘⑥号砂岩顶部见到少量的油。当充注265 min、注入油量为42.2 mL时(图8c)，断裂下盘的②号、③号砂层含油饱和度增大;同时在④号、⑤号砂层出口处也有少量油排出。同时油沿着断裂向上盘倒灌，在与断裂下盘②号砂层对置的砂体中首先见到油倒灌，而与断裂下盘③号砂层对置的砂体不仅倒灌时间较晚，而且倒灌的油量也比较少;油沿着断裂下行至⑥号砂层中的油量有所增加，注入油的颜色相对加深。当充注530 min、注入油量为84.8 mL时(图8d)，不仅在断层下盘的②号、③号、④号及⑤号砂层的出口有油排出，同时砂层的含油饱和度增大，并且倒灌进入断层上盘砂层的含油量也有增加的趋势。随着充注油量的不断增加，油穿过断裂形成的泥岩涂抹层，向断层上部运移。

4.3 实验结果讨论

通过以断裂为运移通道的物理实验，有2种情况值得讨论:(1)以断裂为主要构造变形的地质结构中，油运移的主要通道往往优先选择断裂，油首先沿着断裂向上运移，而不选择进入断层两侧的砂岩层内，其认识与前人的实验结果相似[16－17］;其中，浮力、压力差是油运移的直接动力。(2)油不仅在向上运移过程中倒灌进入顺向断层圈闭中聚集，而且还沿着断裂向下运移，倒灌进入下部砂岩层中，异常压力与油、水分子置换可能是油“倒灌”的形成机制。实验证实，当断层同时切穿上下储层时，油在烃源岩上部聚集量远远大于其在下部的聚集量。由此可以推断，当断裂仅仅切穿烃源岩下部地层时，油在下部储层中的聚集量会大大增加。

5 结论

1)Es3(中－下)亚段烃源岩与 Es4(上)亚段油砂具有较好的亲缘关系，且Es4(上)亚段发现的油藏埋深大于Es3烃源岩底界埋藏深度;Es3(下)地层压力系数在1.0～1.4之间，向上和向下压力系数均逐渐减小，是油气倒灌的动力;裂缝与断裂是切穿Es3烃源岩底界与Es4顶部之间泥岩隔层、连接烃源岩与储集层的运移通道。

2)在车西洼陷勘探中，紧邻切穿上部储层的断裂周围部署井位时，应以“下生上储”的成藏模式找油。而在低级序断裂发育的深洼陷中，则以“上生下储”的成藏模式寻找勘探目标。

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