准噶尔盆地车北地区浅层砂岩油藏顶底双油水倒置成因

赵晓东，杨少春，向奎，陈国宁，朱春艳，魏晓晴

（1. 中国石油大学（华东）地球科学与技术学院；2. 中国石化胜利油田新疆勘探项目管理部；3. 中海油研究总院；4. 中国石油冀东油田陆上油田作业区）

0 引言

一般认为常规油气聚集符合重力分异原理，即在浮力作用下，油气聚集在构造高部位，水聚集在构造低部位[1]。但国内常规油气田常有油水倒置现象[2-4]，例如中国东部断层发育的断陷盆地中的油气藏[5-6]，以及鄂尔多斯盆地、松辽盆地、渤海湾盆地等含油气盆地斜坡带上倾尖灭砂体中的油气藏[7-9]。研究准噶尔盆地车排子地区北部（以下简称车北地区）新近系沙湾组浅层砂岩油藏发现，该区既非断层十分发育，也不存在上倾尖灭砂岩，却在浅层砂岩油藏的顶底部出现了双油水倒置现象（在同一个连通储集层中，构造的顶、底部同时呈现“水在上、油在下”现象）。明确车北地区新近系沙湾组浅层砂岩油藏油水倒置现象成因对于揭示浅层稠油油藏油水分布规律、丰富油气成藏及分布理论、指导该类油藏的油气勘探具有重要意义。

1 地质概况

图1 车北地区构造位置、N1s11顶面构造特征及油藏剖面图

车北地区位于准噶尔类前陆盆地前隆—隆后斜坡带，西北部为扎伊尔山，东部为红车断裂带和昌吉凹陷（见图1）。研究的主要层位为新近系沙湾组一段一砂层组（N1s11），其为一北西高、南东低的单斜构造，在中部和东南部发育两条近南北向延伸的正断层，分别为排6、排7断层。排6断层将油藏分为下降盘和上升盘两部分，两个油藏具有独立的油水界面和压力系统。车北地区具有双向供油的有利条件[10-11]，油藏埋藏深度在50～400 m，属浅层砂岩油藏。

车北地区本身并不发育烃源岩，原油主要来自于东部和南部的盆 1井西凹陷、昌吉凹陷、四棵树凹陷及北天山山前断褶带等生烃凹陷[12]。N1s11油藏为高密度、高黏度的稠油油藏[13]，底部削蚀现象清晰可见，其底界面为一大型不整合面，为油气运移主要通道[14-15]。推测研究区稠油油藏的形成主要是因为底部存在大型不整合面，地面氧气、地表水通过不整合面不断输入地层，轻质油经过氧化作用、边水冲洗及微生物降解而逐渐变成了稠油。稠油油藏的出现表明其成藏时间在新近系沙湾组底部不整合面形成之后。另外，据前人研究[16-19]，准噶尔盆地西缘地区在三叠纪—新近纪为炎热、干燥气候，古盆地和古湖泊环境下碳酸盐胶结严重。综上，油气在成藏之前地层已发生碳酸盐胶结作用，储集层物性变差，稠油又因高密度、高黏度的特点很难进入碳酸盐胶结严重储集层中，从而导致研究区复杂的油水关系。

2 油水性质及油水分布

2.1 油水性质

车北地区新近系沙湾组原油均为重质稠油，平均原油密度0.988 6 g/cm3，50 ℃原油平均黏度为5 307.3 mPa·s，凝固点 11 ℃，含硫量为 0.54%，含蜡量为1.28%。随着储集层埋深增大，原油密度和黏度也逐渐增大（见图2）。当下降盘油层顶深超过360 m（油水界面附近）后，原油密度可超过地层水密度，达1.013 1 g/cm3以上，50 ℃原油黏度可达8 000 mPa·s以上，原油进一步稠化，进入超稠油阶段。研究区地层温度为21.02～23.52 ℃，地热梯度为1.8 ℃/100 m，根据地层原油黏度经验换算公式[20]，可计算出地层温度下原油平均黏度约为 25 526.8 mPa·s，即地下原油比50 ℃原油黏度更大，流动性也更差。

图2 车北地区原油性质与油层顶深关系图

表1 地层水性质及地层碳酸盐胶结物含量统计表

从表 1统计的地层水数据可以看出，车北地区地层水矿化度较高，含有丰富的Ca2+和Cl−。西北部的车浅1-1井、排607井地层水矿化度较高，Ca2+含量高达6 500 mg/L以上，地层碳酸盐胶结物含量在32%以上；东部排 605井地层水矿化度较高，Ca2+含量为 7 804 mg/L，碳酸盐胶结物含量大于34%；排604井Ca2+含量为5 176.3 mg/L，与其他井相比含量明显偏低，碳酸盐胶结物含量小于23%。若不考虑地层流体、成岩作用和水体盐度差异等因素影响，则地层碳酸盐胶结物含量随地层水中 Ca2+含量的增加而增大，推测地层水中 Ca2+含量会影响地层碳酸盐胶结含量，地层水中的Ca2+早期沉淀胶结，致使该区储集层物性变差。同时，由图3可见，地层水中Ca2+含量随油层深度的增大呈减小趋势。

2.2 油水分布特征

从研究区油水分布平面图可看出（见图4），车北地区油水关系复杂，存在顶底双油水倒置现象。构造高部位的车浅1井、排605井和构造中部的排610井、排601-21井等水井都分布在含油区周围，这些井的岩心资料分析表明，构造高部位水井钻遇地层碳酸盐胶结物含量普遍较高（见图4，碳酸盐胶结主导线以北碳酸盐胶结物含量大于20%），储集层物性明显差于构造中低部位储集层，稠油无法进入；构造中高部位聚集常规稠油，其密度小于地层水，油水分异较为完全，油质较纯，下降盘油藏油水界面受排6断层控制，上升盘油藏存在底水，油水界面统一；构造低部位的排601-9井油藏不受排6断层控制，但排601-9井含油性较好，油藏有效厚度达6.2 m，且原油密度大于地层水密度，这种高密度稠油在重力分异作用下聚集在地层水之下。

图3 车北地区地层水Ca2+含量与N1s11油层深度关系

3 顶底双油水倒置控制因素

3.1 构造因素

图4 车北地区N1s11油水分布平面图（ρ—原油密度）

前已述及，车北地区为一北西高、南东低的单斜构造，发育多条断层。断层级别较小，在中部和东南部发育两条近南北向延伸的排6、排7正断层，两条断层与不整合和骨架砂体输导层沟通，在一定程度上控制着油气的运移。

排6断层断穿目的层，断距较小，由南向北断距逐渐减小，延伸至排604井南部，并将N1s11油藏分成下降盘和上升盘两部分。排6断层垂向输导，侧向封闭，因而使得上、下盘油藏具有独立的油水系统，下降盘油藏的油水界面在排604井附近，深度约343.5 m；上升盘油藏的油水界面在排611井附近，深度约201.7 m（见图4）。

3.2 岩性因素

车北地区砂体全区分布，但岩性差异较大，由粗粒到细粒均有发育。其中，粗砂岩、含砾砂岩含油性好，细砂岩含油性中等，粉砂岩、泥质粉砂岩及粉砂质泥岩含油性差或不含油。从均方根振幅平面图可看出（见图5a），车北地区东北部、西南部、东南部存在3个地震属性低值区（图中白色圈），前人认为是岩性尖灭带，并认为该区为岩性油气藏[21-22]，但岩性尖灭的范围一直未能准确界定。后期钻井资料表明，西南部区域的排6-平4井砂体厚度13.2 m，排601-平191井砂体厚度9.5 m，排601-6井砂层厚度8.5 m，平均厚度在10 m以上，砂体较厚，不可能存在岩性尖灭区（见图5b）；对于东南部无井钻遇的均方根振幅较低值区域，其边部的车浅1-9井砂体厚度达17 m，同样不可能存在岩性尖灭；东北部均方根振幅低值区虽然没有钻井资料证实，但是按沉积规律应属辫状河三角洲前缘水下分流间湾沉积，并非岩性尖灭区。由此可见，该区并不是岩性油气藏，岩性在一定程度上影响油水分布，但并非是导致油水分布倒置的主要因素。

3.3 碳酸盐胶结作用

图5 车北地区N1s11均方根振幅平面图与砂体厚度分布图

铸体薄片观察表明，车北地区存在大量碳酸盐胶结物，个别井区含量高达 30%以上，胶结类型主要为基底式、孔隙式胶结，表明胶结时期较早，砂岩还未固结成岩就被胶结，形成了胶结物支撑结构。对该区16口取心井40余张薄片进行碳酸盐胶结物定量测定，结果表明，车北地区西北部排 609井胶结物含量为28.33%（见图6a），胶结作用较强；东北部排612井胶结物含量为28.1%（见图6b），胶结作用也较强；西部排 610井胶结物明显增多，颗粒之间几乎不接触，碳酸盐含量为35.4%（见图6c），胶结作用最强；南部排601-平191井碳酸盐含量10.5%（见图6d），排601-平1井碳酸盐含量仅为3.91%，胶结作用明显变弱，可见区域内碳酸盐胶结程度不均。

图6 碳酸盐胶结物镜下照片（红色区域为碳酸盐胶结物）

研究碳酸盐含量与储集层物性关系发现，碳酸盐含量与储集层孔隙度、渗透率存在负相关关系（见图7）。利用碳酸盐含量与孔隙度的回归公式，结合取心井碳酸盐胶结物定量测定结果，分析发现车北地区碳酸盐胶结物连片分布（见图8），从西部排610井区，至西北部排 607井、车浅 1-1井等井区，再至东部排605井区大范围分布，平均碳酸盐含量大于25%。中部和南部碳酸盐胶结较弱，储集层物性相对较好。利用测井解释油水层以及试油资料，综合碳酸盐含量分布特征发现，当碳酸盐含量大于 20%后，稠油无法进入储集层。早期碳酸盐胶结作用是原油聚集的主控因素，由于胶结程度不均，原油经断层及不整合面运移至储集层中，在二次运移过程中，稠油由于其高黏度特征，无法排替构造高部位碳酸盐胶结储集层中的孔隙水，使得原生孔隙水残留在碳酸盐胶结储集层中而聚集在储集层构造高部位，形成了研究区北部、西部排 610井区、东部排 605井区的油水倒置现象。这是稠油性质和碳酸盐胶结作用共同作用的结果，若是稀油则可能会顺利进入此类碳酸盐胶结储集层而不会发生油水倒置。

3.4 原油稠化作用

控制稠油形成的因素很多，原油的稠化总体发生在运移和成藏后两个阶段：①烃类在运移过程中气体或轻质组分蒸发、逸散或溶解于孔隙水中，从而使母体原油变稠、变重；浅层油藏地层水及大气中所含的氧使烃类遭受氧化，使得油质变重。②油藏形成以后，与大气连通的边水或底水致使原油中的未饱和烃等被选择性吸收并带走部分可溶烃，油质变稠变重；另外盖层的封闭性及细菌降解作用等也会在不同程度上影响原油的密度及黏度[23-26]。

图7 车北地区孔隙度、渗透率与碳酸盐含量的关系

图8 车北地区地层碳酸盐含量等值线图

车北地区原油主要来自于东部和南部的昌吉凹陷、四棵树凹陷及北天山山前断褶带等生烃凹陷，且长期处于隆起状态，位于油气的有利指向区，因此油源条件十分有利[27-28]。研究区沙湾组底界面为一大型不整合面，为油气运移的主要通道。一方面，氧气通过不整合面不断输入地层，轻质油经过氧化作用逐渐稠化；另一方面，位于构造低部位油水界面附近的稠油油藏受边底水的冲洗、氧化以及微生物的降解作用而不断稠化，逐渐出现密度接近或大于地层水密度的原油，构造低部位的排601-9井原油密度已超过地层水密度，从而发生重力分异，导致油水倒置（见图 9），排601-9井位于油水倒置区，原油的进一步稠化作用是导致构造低部位油水倒置的主要成因。

图9 车北地区车浅1井—排601-9井原油稠化示意图

4 结论

车北地区原油为重质稠油，原油性质存在随油层深度增加，原油密度和黏度相应增大的趋势，当下降盘油层顶部超过一定深度后，原油密度可接近或大于地层水密度，原油进一步稠化，进入超稠油阶段。影响车北地区油水分布的因素主要有构造因素、岩性因素、碳酸盐胶结作用和原油稠化作用，但研究区顶底双油水倒置的决定性因素为碳酸盐胶结作用和原油稠化作用。研究区构造高部位碳酸盐胶结物含量高，储集层物性变差，二次运移的高黏度稠油无法进入此类储集层，导致构造高部位油水倒置；在构造中高部位聚集常规稠油，其密度小于地层水密度，油水分异较为完全；在构造低部位，由于原油稠化作用，聚集密度大于地层水的超稠油，导致油水分布的又一次倒置。

[1] 李廷勇, 王建力. 中国的红层及发育的地貌类型[J]. 四川师范大学学报: 自然科学版, 2002, 25(4): 427-431.Li Tingyong, Wang Jianli. Chinese red beds and developing landforms[J]. Journal of Sichuan Normal University: Natural Science Edition, 2002, 25(4): 427-431.

[2] 郝国丽, 柳广弟, 谢增业, 等. 广安气田上三叠统须家河组致密砂岩储层气水分布特征[J]. 中国石油大学学报: 自然科学版,2010, 34(3): 1-7.Hao Guoli, Liu Guangdi, Xie Zengye, et al. Distribution characteristics of gas and water of tight sandstone gas reservoir in upper Triassic Xujiahe Formation of Guang’an gas field[J]. Journal of China University of Petroleum: Edition of Natural Science, 2010,34(3): 1-7.

[3] 管树巍, 陈竹新, 方世虎. 准噶尔盆地南缘油气勘探的 3个潜在领域: 来自构造模型的论证[J]. 石油勘探与开发, 2012, 39(1): 37-44.Guan Shuwei, Chen Zhuxin, Fang Shihu. Three potential exploration areas of Southern Junggar Basin: Arguments from structural modeling[J].Petroleum Exploration and Development, 2012, 39(1): 37-44.

[4] 周新科, 许化政, 李丽丽. 地层水相态变化与深盆气形成机理:以鄂尔多斯盆地上古生界为例[J]. 石油勘探与开发, 2012, 39(4):452-457.Zhou Xinke, Xu Huazheng, Li Lili. Phase change of formation water and the formation of deep basin gas: A case from the Upper Paleozoic, Ordos Basin[J]. Petroleum Exploration and Development,2012, 39(4): 452-457.

[5] 孙永河, 陈艺博, 孙继刚, 等. 松辽盆地北部断裂演化序列与反转构造带形成机制[J]. 石油勘探与开发, 2013, 40(3): 275-283.Sun Yonghe, Chen Yibo, Sun Jigang, et al. Evolutionary sequence of faults and the formation of inversion structural belts in the northern Songliao Basin[J]. Petroleum Exploration and Development, 2013,40(3): 275-283.

[6] 张小莉, 查明, 王鹏. 单砂体高部位油水倒置分布的成因机制[J].沉积学报, 2006, 24(1): 148-152.Zhang Xiaoli, Zha Ming, Wang Peng. Oil/water inversion and its genetic mechanism in the higher portions of the single sandstone body[J]. Acta Sedimentologica Sinica, 2006, 24(1): 148-152.

[7] 余成林, 林承焰, 王正允. 准噶尔盆地夏 9井区八道湾组油水倒置型油藏特征及成因[J]. 石油天然气学报, 2008, 30(5): 32-36.Yu Chenglin, Lin Chengyan, Wang Zhengyun. Oil-water inversion and its genetic mechanism of Badaowan reservoir in well block Xia 9 of Junggar Basin[J]. Journal of Oil and Gas Technology, 2008, 30(5): 32-36.

[8] 冯子辉, 廖广志, 方伟, 等. 松辽盆地北部西斜坡区稠油成因与油源关系[J]. 石油勘探与开发, 2003, 30(4): 25-28.Feng Zihui, Liao Guangzhi, Fang Wei, et al. Formation of heavy oil and correlation of oil source in the western slope of the northern Songliao Basin[J]. Petroleum Exploration and Development, 2003,30(4): 25-28.

[9] 李相博, 刘显阳, 周世新, 等. 鄂尔多斯盆地延长组下组合油气来源及成藏模式[J]. 石油勘探与开发, 2012, 39(2): 172-180.Li Xiangbo, Liu Xianyang, Zhou Shixin, et al. Hydrocarbon origin and reservoir forming model of the Lower Yanchang Formation,Ordos Basin[J]. Petroleum Exploration and Development, 2012,39(2): 172-180.

[10] 焦养泉, 吴立群, 陆永潮, 等. 准噶尔盆地腹部侏罗系顶部红层成岩作用过程中蕴藏的车莫古隆起演化信息[J]. 地球科学: 中国地质大学学报, 2008, 33(2): 219-226.Jiao Yangquan, Wu Liqun, Lu Yongchao, et al. Evolution of the Chepaizi-Mosuowan Paleo-Uplift, Junggar Basin, China: Evidence from diagenesis of Late Jurassic red beds[J]. Earth Science: Journal of China University of Geosciences, 2008, 33(2): 219-226.

[11] 杨智, 邹才能, 何生, 等. 准噶尔盆地腹部超压顶面附近碳酸盐胶结带的成因机理[J]. 中国科学: D辑, 2010, 40(4): 439-451.Yang Zhi, Zou Caineng, He Sheng, et al. Formation mechanism of carbonate cemented zones adjacent to the top overpressured surface in the central Junggar Basin[J]. Science in China: Series D, 2010,53(4): 529-540.

[12] 蒋有录, 查明. 石油天然气地质与勘探[M]. 北京: 石油工业出版社, 2006: 199-207.Jiang Youlu, Zha Ming. Petroleum geology and exploration[M].Beijing: Petroleum Industry Press, 2006: 199-207.

[13] 王学忠, 王金铸, 乔明全. 水平井、氮气及降黏剂辅助蒸汽吞吐技术: 以准噶尔盆地春风油田浅薄层超稠油为例[J]. 石油勘探与开发, 2013, 40(1): 97-102.Wang Xuezhong, Wang Jinzhu, Qiao Mingquan. Horizontal well,nitrogen and viscosity reducer assisted steam huff and puff technology: Taking super heavy oil in shallow and thin beds,Chunfeng Oilfield, Junggar Basin, NW China, as an example[J].Petroleum Exploration and Development, 2013, 40(1): 97-102.

[14] 李丕龙. 准噶尔盆地石油地质特征与大油气田勘探方向[J]. 石油学报, 2005, 26(6): 7-9.Li Pilong. Petroleum geological characteristics and exploration orientation of large oilfields in Junggar Basin[J]. Acta Petrolei Sinica,2005, 26(6): 7-9.

[15] 匡立春, 唐勇, 雷德文, 等. 准噶尔盆地二叠系咸化湖相云质岩致密油形成条件与勘探潜力[J]. 石油勘探与开发, 2012, 39(6): 657-667.Kuang Lichun, Tang Yong, Lei Dewen, et al. Formation conditions and exploration potential of tight oil in the Permian saline lacustrine dolomitic rock, Junggar Basin, NW China[J]. Petroleum Exploration and Development, 2012, 39(6): 657-667.

[16] 何生, 杨智, 何治亮, 等. 准噶尔盆地腹部超压顶面附近深层砂岩碳酸盐胶结作用和次生溶蚀孔隙形成机理[J]. 地球科学: 中国地质大学学报, 2009, 34(5): 759-768.He Sheng, Yang Zhi, He Zhiliang, et al. Mechanism of carbonate cementation and secondary dissolution porosity formation in deep-burial sandstones near the top overpressured surface in central part of Junggar Basin[J]. Earth Science: Journal of China University of Geosciences, 2009, 34(5): 759-768.

[17] 王振奇, 支东明, 张昌民, 等. 准噶尔盆地西北缘车排子地区新近系沙湾组油源探讨[J]. 中国科学: D辑, 2008, 38(增刊Ⅱ): 97-104.Wang Zhenqi, Zhi Dongming, Zhang Changmin, et al. Oil source analysis of Upper Tertiary Shawan Formation in Chepaizi area, in the northwest margin of Junggar Basin[J]. Science in China: Series D,2009, 52(Supp. II): 106-114.

[18] 向奎, 赵永福, 王建芳. 利用多种手段进行地层综合划分与对比:以准噶尔盆地春风油田主力稠油油层为例[J]. 油气地质与采收率,2011, 18(5): 1-5.Xiang Kui, Zhao Yongfu, Wang Jianfang. Stratigraphic division and correlation using various approaches: Case of stratigraphic correlation of heavy oil, Chunfeng Oilfield, Junggar Basin[J].Petroleum Geology and Recovery Efficiency, 2011, 18(5): 1-5.

[19] 沈扬, 贾东, 赵宏亮, 等. 准噶尔盆地西部车排子凸起新近系沙湾组成藏体系与富集规律[J]. 地质通报, 2010, 29(4): 581-588.Shen Yang, Jia Dong, Zhao Hongliang, et al. Shawan Formation pool-forming system and enrichment regular pattern in Chepaizi uplift, western Junggar Basin, China[J]. Geological Bulletin of China,2010, 29(4): 581-588.

[20] 胡勇, 喆李熙, 万玉金, 等. 致密砂岩气渗流特征物理模拟[J]. 石油勘探与开发, 2013, 40(5): 580-584.Hu Yong, Li Xizhe, Wan Yujin, et al. Physical simulation on gas percolation in tight sandstone[J]. Petroleum Exploration and Development, 2013, 40(5): 580-584.

[21] 靖辉, 江洪, 向奎. 准噶尔盆地西缘车排子地区岩性油气藏成藏主控因素[J]. 石油实验地质, 2007, 29(4): 377-383.Jing Hui, Jiang Hong, Xiang Kui. Key factors to control formation conditions of stratigraphic pools in Chepaizi Area, the west of the Junggar Basin[J]. Petroleum Geology & Experiment, 2007, 29(4):377-383.

[22] 刘传虎, 王学忠. 准西车排子地区复杂地质体油气疏导体系研究[J]. 石油实验地质, 2012, 34(2): 129-133.Liu Chuanhu, Wang Xuezhong. Hydrocarbon migration system in complex geological bodies at Chepaizi Area, western Junggar Basin[J]. Petroleum Geology & Experiment, 2012, 34(2): 129-133.

[23] 李素梅, 庞雄奇, 邱桂强, 等. 东营凹陷北部陡坡带稠油成藏机理与油气运聚特征[J]. 地球科学: 中国地质大学学报, 2004, 29(4):451-456.Li Sumei, Pang Xiongqi, Qiu Guiqiang, et al. Oil migration and accumulation mechanisms for heavy oils in north steep slope of Dongying Depression, Eastern China[J]. Earth Science: Journal of China University of Geosciences, 2004, 29(4): 451-456.

[24] 张善文, 张林晔, 包友书, 等. 东营凹陷地层流体特征与油气成藏[J]. 石油勘探与开发, 2012, 39(4): 394-405.Zhang Shanwen, Zhang Linye, Bao Youshu, et al. Formation fluid characteristics and hydrocarbon accumulation in the Dongying Sag,Shengli Oilfield[J]. Petroleum Exploration and Development, 2012,39(4): 394-405.

[25] 杨帆, 于兴河, 李胜利, 等. 低孔低渗构造岩性油藏油水倒置成因研究[J]. 中国矿业大学学报, 2010, 39(5): 747-752.Yang Fan, Yu Xinghe, Li Shengli, et al. Oil/water inversion and its genetic mechanism in the structural lithologic reservoir of low porosity and low permeability[J]. Journal of China University of Mining & Technology, 2010, 39(5): 747-752.

[26] 张浩, 康毅力, 陈一健, 等. 致密砂岩气藏超低含水饱和度形成地质过程及实验模拟研究[J]. 天然气地球科学, 2005, 16(2): 186-189.Zhang Hao, Kang Yili, Chen Yijian, et al. The study of geology course and experiment simulation for forming ultra-low water saturation in tight sandstones gas reservoirs[J]. Natural Gas Geoscience, 2005, 16(2): 186-189.

[27] 宋传春, 贺伦俊, 马立群, 等. 准噶尔盆地车排子凸起成藏特征[J]. 新疆石油地质, 2007, 28(2): 136-138.Song Chuanchun, He Lunjun, Ma Liqun, et al. Characteristic of hydrocarbon accumulation of Chepaizi Swell in Junggar Basin[J].Xinjiang Petroleum Geology, 2007, 28(2): 136-138.

[28] 刘桠颖, 徐怀民, 姚卫江, 等. 准噶尔盆地网毯式油气成藏输导体系[J]. 中国石油大学学报: 自然科学版, 2011, 35(5): 32-36.Liu Yaying, Xu Huaimin, Yao Weijiang, et al. Meshwork-carpet type hydrocarbon reservoir transportation system in Junggar Basin[J].Journal of China University of Petroleum: Edition of Natural Science,2011, 35(5): 32-36.