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渤海湾盆地南堡凹陷源控油气作用及成藏体系评价

2014-10-22庞雄奇霍志鹏范泊江董月霞

天然气工业 2014年1期
关键词:油气藏资源量气藏

庞雄奇 霍志鹏 范泊江 董月霞 姜 涛

1.中国石油大学(北京)油气资源与探测国家重点实验室 2.中国石油大学(北京)盆地与油藏研究中心3.陕西延长石油(集团)有限责任公司研究院 4.中国石油冀东油田公司

“源控论”强调“油气田环绕生油气中心分布,并受生油气区的严格控制,油气藏分布围绕生油气中心呈环带状分布”[1-3]。源控油气作用自提出以来得到了广大学者的认同,前期源控油气作用主要以定性研究为主,强调了生烃强度和距烃源岩中心距离的影响[4-7]。

基于物质平衡原理的门限控烃理论的提出[8-10],很好地发展了源控油气作用的思想,为定量预测油气资源和分布规律奠定了基础。而成藏体系理论的提出[6,11-13],对源控油气作用的定量表征和油气分布预测提供了新的研究对象和方法,有的学者已进行了相应的探索并取得了一些成果[14-15],但在源控油气作用的定量表征和成藏体系的定量评价上存在着不够深入的问题。因此加强源控油气作用研究,完善定量预测模型,深入研究成藏体系的定量评价仍具有重要意义。笔者以南堡凹陷为例,系统研究了南堡凹陷源控油气作用,划分了其成藏体系并定量评价了资源潜力,进而预测了各成藏体系的有利勘探区带。

1 地质背景

南堡凹陷位于渤海湾盆地的北部,其北部与燕山相连,南部和东部与渤海相接,西部以津冀边界的涧河为边,整个凹陷面积为1 932km2[16-17]。构造单元分别为陆上的北堡构造、老爷庙构造及高尚堡—柳赞构造、滩海的南堡1~5号构造(图1)。南堡凹陷是在华北地台的基底上发育起来的1个东断西超、北断南超的复合箕状凹陷,也是渤海湾盆地内部典型的富生烃凹陷之一。

图1 南堡凹陷构造区划及油气藏体系划分结果图

大量的地球化学研究表明,南堡凹陷主要发育古近系沙河街组三段(以E2s34和E2s35为主)、沙一段和东营组三段等3套烃源岩[18-19]。沙三段烃源岩TOC介于0.5%~8.78%,平均为1.87%,有机质类型以偏腐泥混合型和偏腐殖混合型有机质为主,并含有大量的腐泥型有机质,镜质体反射率(Ro)介于0.54%~1.82%,处于成熟—高成熟阶段;沙一段烃源岩TOC介于0.5%~2.61%,平均为1.29%;有机质类型以偏腐泥混合型和偏腐殖混合型有机质为主,Ro介于0.49%~1.41%,绝大部分处于成熟阶段;而东三段烃源岩TOC为0.5%~7.51%,平均为1.21%;有机质类型也以偏腐泥混合型和偏腐殖混合型有机质为主,Ro为0.50%~1.14%,处于大量成熟阶段。其中沙三段烃源岩最好,厚度也最大,可达数百米。

2 源控油气作用

根据排烃门限理论[8],有效烃源岩指进入了排烃门限并处于大量排油气阶段的烃源岩。源控油气作用主要表现在有效烃源岩是油气藏形成的物质基础,其分布范围、排烃时间、排烃强度和排烃量控制油气成藏期及分布规律。

2.1 有效烃源岩控制油气成藏期

烃源岩只有大规模排烃才能满足运移路径上的大量损耗后成藏,因此烃源岩大量排烃期控制着油气成藏期,主要成藏时期对应于或者稍晚于烃源岩的大规模排烃时期。

南堡凹陷3套烃源岩热演化程度有所差异,因此不同烃源岩的主要排烃时期和排烃量也存在差异(图2)。沙三段烃源岩发生大规模排烃的时间较早,在沙河街组沉积期就发生一定规模的排烃过程,东营组沉积期以来发生了大规模的排烃过程;沙一段和东三段烃源岩发生大规模排烃的时间较晚,其大规模排烃的时间主要集中在馆陶组沉积期以来。总的来说东营期、馆陶期和明化镇期是主要的排烃期,且3套烃源岩均只有1次排烃高峰期,说明南堡凹陷只有1次主要成藏期,且至今仍在成藏过程中,这和前人利用烃类流体包裹体均一化温度分析结果一致。南堡凹陷发生油气充注过程的时间跨度大,从东营组沉积时期至第四系沉积时期均有油气成藏[20]。

图2 南堡凹陷不同烃源岩排烃史图

2.2 有效烃源岩控制油气分布范围

烃源岩对油气田(藏)的形成和分布具有重要的控制作用,该控制作用体现在排烃强度和排烃距离2个方面。

2.2.1 排烃强度

近年来,部分研究者开始关注于排烃强度对油气的控制,如隋风贵等学者对东营凹陷砂砾岩扇体的研究表明,排烃强度大于20×104t/km2的地区,其砂砾岩扇体往往容易成藏,并且油气充满度较高[21]。对南堡凹陷已发现油气储量的统计表明,油气储量越大的地区其烃源岩的排烃强度也越大,排烃强度与油气储量基本上呈正相关关系。

该区最大的次凹为林雀次凹,其累积排烃强度超过750×104t/km2,主要向其周边的老爷庙构造、北堡构造、南堡1号构造及南堡2号构造供烃,而该4个构造已发现的油气储量达到6.65×108t(表1)。而拾场次凹和柳南次凹向其周边的高尚堡—柳赞构造供烃,拾场次凹的累积排烃强度不超过250×104t/km2,柳南次凹的累积排烃强度不超过350×104t/km2,高尚堡—柳赞构造已发现的油气储量只有2.35×108t。由此可见,高尚堡—柳赞构造尽管受到2个次级凹陷的供烃,但由于这2个次凹的排烃强度均较弱,最终导致该区聚集的油气较其他构造少。

2.2.2 排烃距离

许多学者研究表明,烃源岩排烃距离对油气的分布具有重要的控制作用[2,7,22-23]。南堡凹陷目前已发现的油气藏多为构造类油气藏,这些油气藏的分布格局受到次级生烃凹陷的控制,油气藏的分布与其距排烃中心的距离呈现先增大后减小的规律性变化,其中排烃距离包括横向排烃距离和纵向排烃距离。

对428个构造油气藏排烃距离的统计表明(图3-a),油气藏主要分布在横向排烃距离为0~15km范围,其中5~10km范围内最多,达201个。当横向排烃距离超过10km,油气藏的个数随排烃距离的增加呈减小的趋势。这是由于在地质条件下,随烃源岩排烃距离的增加,烃源岩排出的烃类更容易遭受各种形式的残留及损耗,导致运移至储层的烃类逐渐较少,由此削弱了烃源岩的供烃效率。另外,统计规律还表明,纵向排烃距离亦和油气藏个数具有类似的规律(图3-b),油气藏主要集中在小于4km的范围。

表1 南堡凹陷各次级凹陷排烃强度与周边油气储量发现的关系表

图3 南堡凹陷已发现油气藏数量与横、纵向排烃距离的关系图

3 油气成藏体系及有利勘探区带预测

3.1 成藏体系划分

油气成藏体系指地表以下油气成藏的自然体系,包括形成油气藏的一切要素,如烃源体、输导体和圈闭以及这些元素之间有效的配置结果[6,11]。成藏体系以油气聚集单位为中心,这是和含油气系统以烃源岩为中心的本质区别,因此,利用成藏体系能与勘探目标更紧密结合。油气成藏体系的划分主要有以下原则:①划分油气成藏体系时烃源岩和主要油气运聚区兼顾;②1个具有统一油气水界面的油气藏只能属于1个成藏体系;③对于多套烃源岩、多期成藏的多旋回盆地,首先根据构造层、高压封闭层等划分成藏旋回(生储盖含油气组合),然后再在平面上划分成藏体系[11]。油气成藏体系的划分主要应用分割槽法或流体势法[7,24],将运载层顶面(盖层底面)的流体势场分成几个油气运移方向和聚集区,每1个运移方向所包含的生油岩及其上方的圈闭组合就构成了1个油气成藏体系。利用该划分方法,并结合该区油(气)源对比分析的结果,南堡凹陷可划分为5个油气成藏体系(图1)。各油气成藏体系的地质特征见表2。

3.2 各成藏体系天然气资源量

近年来在南堡凹陷古近系砂岩获得了一些高产油气流,天然气的勘探值得重视,但对天然气的资源量还认识不清。因此笔者主要评价了各成藏体系的天然气资源量。依据天然气成藏过程中,不同损耗烃量的计算模型[7,25-31],结合研究区的地质条件,获得了研究区的烃源岩残留气量、储层滞留气量、水溶流失气量以及盖前排失气量,并由此计算了南堡凹陷各油气成藏体系的天然气资源量(表3)。从天然气资源量的对比情况看,南堡Ⅲ、Ⅴ号成藏体系的天然气资源量最大,南堡Ⅱ号成藏体系的天然气资源量次之,南堡Ⅰ、Ⅳ号成藏体系的天然气资源量相对较小,总天然气资源量超过10 000×108m3。本次估算的各成藏体系石油和天然气的资源量与徐安娜[32]预测的南堡凹陷油气分布情况基本一致。因此,南堡凹陷天然气藏具有重要的勘探潜力。

表2 南堡凹陷各油气成藏体系地质特征对比表

3.3 各成藏体系最大气藏规模

地质条件下,含油气盆地或地区的油气资源量越大,其最大油气藏的规模往往也越大,只有达到一定规模以上的油气资源量后,盆地内才可能出现大中型油气藏,如对于中国陆相含油气盆地而言,形成大型气田和中型气田的成藏体系其天然气资源量一般要分别超过3 000×108m3和400×108m3。基于高勘探程度地区油气资源量与最大油气藏规模的统计规律,庞雄奇等学者建立了两者之间的对应关系模型[7],以此来预测油气成藏体系内部的最大气藏规模。研究结果表明:南堡Ⅰ号油气成藏体系的天然气资源极少,其预测最大气藏规模不足0.1×108m3,表明该区鲜有工业性气藏分布;南堡Ⅱ号和南堡Ⅳ号油气成藏体系具有形成中型气田的能力,而南堡Ⅲ号和南堡Ⅴ号油气成藏体系具有形成大型气田的能力,其中,南堡Ⅲ号成藏体系的资源量大,最大气藏规模超过380×108m3(表3)。

3.4 各成藏体系气藏个数

现阶段比较成熟的油气藏个数预测方法是油气藏规模序列法。油气藏规模序列法一般应用于具有较高勘探程度的、独立的油气生运聚单元。这里也用气藏规模序列法来预测南堡凹陷的气藏个数,预测公式为:

表3 南堡凹陷各油气成藏体系天然气资源量与最大气藏规模表

式中Q1为序号为1的气藏的储量规模,也即最大气藏规模,108m3;Qn为序号为n的气藏的储量规模,108m3;K为气藏规模的变化率,也即在双对数坐标上的斜率,无量纲;n为气藏规模序列号。

K值的大小关系到所预测气藏的个数及气藏的规模。在K值的获取过程中,普遍采用的方法是依据已发现油气藏的储量和规模数据来进行拟合,因此所需要的油气藏数据较多。而南堡凹陷已发现的油气藏个数总体并不太多,尤其气藏个数更少,因此,有必要对K值的求取方法进行改进。针对南堡凹陷各油气成藏体系,本次研究基于渤海湾盆地油气资源动态评价的认识,将15×104t油气当量的油气藏作为商业油气勘探开发的下限(最小油气藏规模),以储量规模最大的油(气)藏为第1序号油气藏,取任意K值进行拟合,K值的最终确定需要满足以下2个条件:①使得最大序号油(气)藏的储量接近15×104t;②所有油气藏的储量之和接近成藏体系的油气资源总量。由此拟合得到K值和油气藏个数,表4为南堡凹陷各成藏体系气藏个数与K值拟合结果,其中南堡Ⅲ号成藏体系气藏的个数最多,为476个。

表4 南堡凹陷各油气成藏体系气藏个数及K值拟合结果表

3.5 有利勘探区带预测

南堡凹陷已发现的油气藏多为构造油气藏,油气主要分布于南堡Ⅰ、南堡Ⅱ号和南堡Ⅲ号油气成藏体系的构造高部位,且探明率较高。从地质条件上看,南堡凹陷呈多凸多凹、凹隆相间的构造格局,在断裂、褶皱及不整合综合作用的构造背景下,区内广泛发育沉积、断裂、挠曲及侵蚀类坡折带,这些坡折带具备形成地层、岩性等隐蔽油气藏的良好条件。而且南堡凹陷深部位发育巨厚的泥页岩,还具备发育非常规油气藏的有利条件,如页岩气,但该区针对隐蔽油气藏和非常规油气藏的勘探还处于探索阶段。因此,进行有利区带的预测对于深化和拓展油气勘探具有重要意义。笔者主要根据油气成藏概率来预测有利勘探区带。

3.5.1 源控油气成藏概率定量模型

源控油气作用研究的目的是寻找剩余油气资源,由此需要建立定量的油气分布预测模型。姜福杰提出了油气分布门限的概念并建立了定量化的数学表征模型[14],但主要是基于构造油气藏的分布规律统计所得,油气的分布随排烃距离的增大呈现先增大后减小的趋势,即排烃中心附近油气也较少。这忽略了岩性油气藏和页岩气等非常规油气藏往往位于烃源岩的生排烃中心部位,利用该模型深入预测隐蔽油气藏和非常规油气藏的分布具有局限性,因此需要建立更完善的定量预测模型。在高成熟探区,如果考虑隐蔽油气藏和非常规油气藏,油气的分布可能只随排烃距离的增大而减小,这也已被部分学者所证实[33-35],即在中央部位聚集的油气最多,油气成藏概率越大;中央部位向外围部位,聚集的油气逐渐较少,油气成藏概率变小(图4)。

图4 南堡凹陷油气成藏概率分布模式图

基于南堡凹陷油气成藏概率分布模式,结合烃源岩的排烃特征参数,利用最小二乘法原理,拟合得到改进后的油气成藏概率的定量表征公式如下:

式中Fe为油气的成藏概率;qe为烃源岩排烃中心的排烃强度,106t/km2;l/L为油气藏距烃源岩排烃中心的标准化距离,无量纲;L为烃源岩排烃中心至排烃边界的距离,km;l为烃源岩排烃中心至油气藏中心的距离,km。

如果某一有利区由多个生烃次凹供烃,此时的油气成藏概率需要综合考虑不同次凹分别对该区的供烃贡献。在实际操作过程中,可以对不同次凹各自的成藏概率进行加权处理,由此获得研究区的综合油气成藏概率。

3.5.2 有利勘探区带

基于改进的油气成藏概率的定量表征模型,对南堡凹陷不同构造部位的油气成藏概率进行了理论计算。计算结果表明,在油气发现的部位其油气成藏概率均较大,已发现的油气藏中,超过90%的油气藏其成藏概率都大于70%。基于此,可以把油气成藏概率大于70%作为南堡凹陷有利勘探区带预测的标准,只有油气成藏概率大于70%的地区才可能是潜在的有利勘探区带。

南堡凹陷油气成藏概率大于70%的地区在各油气成藏体系中均有分布,这也表明,该区各油气成藏体系均存在有利的勘探区。其中,南堡Ⅱ号和南堡Ⅲ号油气成藏体系的分布范围最广;其次为南堡Ⅰ号和南堡Ⅳ号油气成藏体系;南堡Ⅴ号成藏体系的分布范围相对较小。南堡Ⅰ号油气成藏体系中,现今已发现的油气藏主要位于该区有利勘探区带的预测范围内;南堡Ⅱ号和南堡Ⅲ号油气成藏体系中,现今已发现的油气藏基本上位于有利勘探区带预测范围的外围部位,这些部位基本上属于构造高部位,而被这些构造高部位包围的地区仍是有利的潜在勘探区(图5),该区主要囊括了南堡凹陷最大的次凹——林雀次凹。林雀次凹巨厚的泥(页)岩中发育大量的浊积砂体,这些砂体自沉积初始期就被烃源岩包围,容易形成透镜体油气藏。在次凹边缘斜坡的不整合面部位,发育分选磨圆较好的孔隙性砂岩,随水体加深,在砂层之上超覆了不渗透的泥岩便形成了地层超覆类圈闭。其次,林雀次凹的深部位还具有形成非常规气藏的地质条件,如页岩气、深盆气已经开始引起重视[36]。南堡Ⅳ号和南堡Ⅴ号油气成藏体系的油气勘探程度低,发现的油气较少,但仍然存在油气勘探有利区(图5)。因此,南堡凹陷最有利的潜在勘探区是林雀次凹及其周边地区,其次为南堡Ⅳ号和南堡Ⅴ号油气成藏体系。

4 结论

1)源控油气作用主要表现在有效烃源岩控制着油气主要成藏期次和分布范围。烃源岩排烃史研究表明南堡凹陷只有1次主要成藏期,油气储量与排烃强度基本上呈正相关关系,而油气藏个数受横向和纵向排烃距离的控制,均呈现随排烃距离的增加油气藏个数先增大后减小的趋势。

图5 南堡凹陷有利勘探区带分布预测结果图

2)成藏体系能与勘探目标更紧密结合,划分了南堡凹陷成藏体系并预测了其各自的天然气资源量、最大气藏规模和气藏个数。南堡凹陷可划分为5个成藏体系,其中南堡Ⅲ号成藏体系天然气资源最为丰富,预测天然气资源量达4 271.46×108m3,最大气藏规模为381.66×108m3,气藏个数为476个;而南堡Ⅰ号成藏体系天然气资源量最小。

3)根据改进的油气成藏概率定量模型,将油气成藏概率大于70%作为南堡凹陷有利勘探区带预测的标准。有利勘探区带在南堡Ⅱ号和南堡Ⅲ号油气成藏体系的分布范围最广,其次为南堡Ⅰ号和南堡Ⅳ号油气成藏体系,南堡Ⅴ号成藏体系的分布范围相对较小;其中南堡Ⅱ号和南堡Ⅲ号油气成藏体系中存在隐蔽油气藏和非常规油气藏潜在有利勘探区带,值得重视。

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