渤海湾凹陷区复杂断裂带垂向优势运移通道及油气运移模拟

2019-09-06徐长贵彭靖淞吴庆勋孙哲叶涛

石油勘探与开发 2019年4期

徐长贵，彭靖淞，吴庆勋，孙哲，叶涛

（中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津 300459）

0 引言

20世纪90年代以来，渤海海域在晚期成藏、浅水三角洲和油气中转仓等理论的指导下，在凸起区浅层陆续发现了蓬莱19-3、秦皇岛32-6等一批大中型油田[1-10]。随着凸起区勘探程度的增加，勘探目标开始转向探井较少的凹陷区[8-12]。受新构造运动的控制，凹陷区形成了一系列复杂断裂带[1-5]。复杂断裂带新近系埋藏较浅、储盖条件好、圈闭较多、垂向输导通道发育，目前已经发现渤中8-4、旅大21-1等亿吨级油田，证明了复杂断裂带良好的勘探潜力。然而，复杂断裂带浅层依然有很多失利井，勘探成功率并不高，油气差异成藏明显。如何在凹陷区的众多断块中找到油气富集区是勘探面临的主要问题[8-12]。

在复杂断裂带，油气从烃源岩运移到浅层圈闭经历了深层源内/近源输导层侧向运移，断裂垂向运移和浅层源外输导层侧向运移的立体运移过程[11-14]。虽然复杂断裂带浅层断裂众多，但受断层活动性、几何形态和区域盖层破裂程度的影响，只有10%～15%的断面可以作为油气垂向运移通道，精细刻画垂向油气运移规律成为勘探研究的难点[15-22]。

前人对渤海浅层油气成藏进行了一系列的研究，总结出网毯式运移、油气中转仓和贯穿式运移等成藏模式[23-25]。这些研究主要是对成藏过程和成藏机制的描述，对垂向运移的研究主要集中在运移断层分析，缺乏“精细”的垂向运移通道研究[15-22,26-29]。

数值模拟是油气运移分析的重要方法[13,30-34]。目前，主要的油气运移数值模拟分析方法有3种：①源内顺层油气运移模拟，模拟烃源岩生成油气后顺层运移到圈闭成藏的运移过程，该方法适合复杂断裂带深层油气运移分析，不适合复杂断裂带源外浅层油气运移分析；②漫灌运移模拟，模拟均匀排烃强度下的油气运移路径，该方法可以用于源外油气运移方向分析，但未考虑断裂垂向输导能力的差异，分析结果预测价值不大；③基于充注点的油气运移模拟，主要用于简单定向油气充注、运移分析，该方法适合源外成藏，但复杂断裂带断裂众多，充注点难于识别，鲜有使用[13,32-34]。可见，复杂断裂带缺乏油气运移数值模拟的有效方法。

现今已步入大数据时代[33-34]。大数据的本质就是利用信息消除不确定性、数据驱动型的科学研究[33-36]。中国各大油田已经积累了大量勘探数据，如何从定性—半定量的地质分析中提取断裂活动和油气运移相关的定量参数，如何利用勘探大数据服务复杂断裂带的精细勘探，如何利用精细三维立体构造建模、油气运移数值模拟来提高勘探成功率，越来越引起研究人员的重视[33-36]。

本文通过对渤海海域中南部地区油气地质条件大数据分析，定量/半定量分析凹陷区垂向优势运移通道形成条件。在此基础上，通过构造建模辅助分析，实现了黄河口东洼垂向优势运移通道及其源外充注点/段的大数据搜索，并在此约束下进行油气充注、运移数值模拟，预测复杂断裂带浅层油气运移路径和油气富集区。

1 研究区概况

研究区位于渤海海域中南部，包括环渤中凹陷和黄河口东洼，面积为1.2×104km2。研究区内石臼坨凸起、沙垒田凸起、埕北低凸起、渤南低凸起和庙西北凸起等勘探程度较高，含油层系主要为新近系，储量超过20×108t（见图1a）。研究区新构造运动及其断裂活动活跃，郯庐断裂带穿越渤中凹陷东部和黄河口东洼，形成了一系列复杂断裂带及串珠状圈闭，其中凹陷区的复杂断裂带钻井较少，勘探程较低（见图1b），是下步勘探的现实区域[3,6-10]。

研究区内发育深层古近系构造层（简称深层）和浅层新近系构造层（简称浅层）。深层为裂陷阶段多期次扇三角洲—辫状河三角洲砂体和湖相泥岩的旋回沉积，由深到浅依次发育孔店组、沙河街组（分为沙一段、沙二段、沙三段、沙四段）和东营组（分为东一段、东二段、东三段）；浅层为拗陷阶段河流相和浅水三角洲相的砂砾岩和砂（泥）岩沉积，由深到浅依次发育馆陶组和明化镇组（分为明上段、明下段）[37-39]（见图1c）。

图1 断裂控藏研究区位置图（a）、油气运移研究区位置图（b）及地层综合柱状图（c）

2 活动断裂带浅层充注成藏模式与垂向优势运移通道

受裂陷晚幕构造大幅沉降的控制[37-39]，凹陷区发育东营组区域泥岩盖层，厚度为300～3 000 m。由于与有效烃源岩的接触关系不同，加上区域盖层的分割，纵向上可以划分为深层成藏体系和浅层（源外）成藏体系（见图2）。由于渤海海域70%的储量都集中在浅层成藏体系[1-10]，因此本文主要论述复杂断裂带浅层源外成藏体系的油气充注与运移。

2.1 浅层源外成藏体系充注成藏模式

浅层成藏体系埋深较浅，不发育成熟烃源岩，属于源外成藏[11-12,23-25]。新构造运动中，深层成藏体系盖层及其下伏油气中转仓发生破裂，油气沿运移断裂的垂向运移通道调整到浅层并发生充注，一部分油气在充注点附近的断块圈闭成藏，另一部分油气沿着浅层的主要输导层（馆陶组上段）运移到高部位断块，梯级截流、聚集成藏（见图2）[11-12,23-25]。本文将这种源外浅层充注成藏的过程称为源外充注成藏模式。

图2 复杂断裂带差异充注成藏模式图（剖面位置见图1）

2.2 油气垂向优势运移通道是浅层源外成藏的关键

在复杂断裂带源外充注成藏模式中，本文把垂向优势运移通道定义为油气从深层成藏体系大规模运移到浅层成藏体系的狭窄断面。油气垂向优势运移通道是油气从深层运移到浅层的“桥梁”，是浅层油气成藏的关键。只有准确地预测垂向优势运移通道才能更好地预测浅层的油气运移。由于沿走向断裂的断距、断面形态、区域盖层的破裂程度、与源内成藏体系搭接关系的变化，油气垂向输导能力变化较大，因此垂向优势运移通道的分布需要精细研究[15-22,26-29]。

3 大数据分析垂向优势运移通道形成条件

通过对环渤中海域62个含油气构造/油气田浅层油气富集条件的大数据统计分析，研究垂向优势运移通道的形成条件。

3.1 断层与深层成藏体系的搭接方式

断层贯通深、浅成藏体系是形成垂向优势运移通道和源外大规模成藏的前提，断层源内汇聚能力的大小决定了源外油气充注成藏的规模[13-14,18-22]。成藏期贯通深、浅层的断层（简称贯通断层）与源内成藏体系的搭接关系决定了汇聚油气能力的大小，亦决定了垂向优势运移通道的形成[24]。本文根据贯通断层与源内成藏体系的贯通方式将贯通断层划分为3种类型：Ⅰ型切割深层中转仓、Ⅱ型切割油气主要运移路径、Ⅲ型切割深层成藏体系低部位。

Ⅰ型贯通断层占凹陷区浅层成藏的68%，储量丰度高达1 200×104t/km2。中转仓油气汇聚规模越大、个数越多，浅层成藏的规模越大。

Ⅱ型贯通断层没能切割到中转仓，而是落在低部位的主要油气运移路径上，占凹陷区浅层成藏的22%，储量丰度平均为320×104t/km2。

Ⅲ型贯通断层既没有切割到深层中转仓，也没有切割到油气运移的主要路径，只是切割到深层成藏体系烃源岩低部位，多为无效搭接，占凹陷区浅层成藏的10%，储量丰度仅为20×104t/km2。

对比3种贯通断层的浅层源外成藏概率和储量丰度发现，Ⅰ型和Ⅱ型贯通断层的浅层油气成藏概率较大、储量丰度较高，表明其浅层的油气充注活跃，反推深层的汇聚能力较强，容易形成垂向优势运移通道和浅层成藏；Ⅲ型贯通断层的浅层油气成藏概率较小、储量丰度较低，表明其不能向浅层高效输导油气，反推深层的汇聚能力较差，不容易形成垂向优势运移通道和浅层成藏。

3.2 断层断面几何形态

断层的断面往往凹凸不平，在断面曲率变化大的区域，应力集中释放，容易产生微裂缝，有利于油气向浅层运移[15-16,18,28-29]。在浮力作用下，油气主要沿凸面运移[16,22,26-29]。只要有断层与烃源岩接触，油气就不会均匀地向四周扩散，而是主要沿着断层面的凸面向上运移。环渤中凹陷区油田/含油气构造统计结果表明，断层以凸面运移的成藏概率比凹面运移高20%，因此断面构造脊更能形成垂向优势运移通道。

3.3 区域盖层破裂程度

东营组下段厚层泥岩是深层成藏体系的盖层，新构造运动及其断裂活动破坏了此盖层，使得油气向浅层成藏体系运移[13-14,21-24]。区域盖层的破裂是垂向优势运移通道形成的必要条件。

盖层厚度减贯通断层断距即为盖层断接厚度。利用盖层断接厚度可定量评价断裂活动对盖层的破坏作用，盖层断接厚度越小，深层成藏体系的破坏程度就越大[3,13,40-42]。通过统计环渤中凹陷区盖层断接厚度与浅层油气藏储量占比关系表明（见图3），当盖层断接厚度大于400 m时以深层成藏为主，当盖层断接厚度小于400 m时以浅层成藏为主，盖层断接厚度越小越有利于浅层成藏。因此，盖层断接厚度小于400 m是垂向优势运移通道形成的必要条件。

图3 盖层断接厚度与浅层地质储量占比关系图

3.4 成藏期断层断距

断层活动性达到一定程度就会产生滑动破碎带和诱导裂缝带，形成油气向浅层运移和充注的高孔渗性通道[3,11-12,15,20-24,40-41]。由于研究区为晚期成藏，所以同期的新构造运动期断层的断距非常重要[1-10]。成藏期断层断距与浅层地质储量占比关系统计结果显示（见图4），成藏期断距越大，油气输导能力越强。断距小于80 m以深层成藏为主，断距大于80 m以浅层成藏为主。因此，凹陷区成藏期形成垂向优势运移通道断层的最小断距为80 m。

图4 成藏期断距与浅层地质储量占比关系图

综上所述，切割深层油气中转仓或主要运移通道的Ⅰ型和Ⅱ型贯通断层中，深层盖层断接厚度小于400 m，浅层成藏期断层断距大于80 m的断面容易形成复杂断裂带垂向优势运移通道。

4 基于垂向优势运移通道源外充注点/段分析结果进行油气运移模拟

黄河口东洼位于环渤中凹陷东南部（见图1），晚期断裂及其断块众多，处于复杂断裂带，初期钻井证实浅层新近系是其主要的成藏层系，但失利井较多，勘探成效并不理想[1-10]。浅层油气优势运移路径不明制约了该区浅层的勘探。本文以黄河口东洼为靶区，根据浅层源外充注的成藏模式，结合环渤中区域垂向优势运移通道形成条件，提出基于垂向优势运移通道分析的油气运移模拟新方法，预测源外油气运移路径。

基于垂向优势运移通道分析的油气运移模拟方法主要分为3个步骤：①构造建模下源外充注点/段识别；②浅层断裂截流分析；③优势/强充注点/段约束下的浅层运移模拟。

4.1 构造建模下源外充注点/段识别

在复杂断裂带源外充注模式中，油气垂向优势运移通道与浅层输导层搭接处即为源外油气充注点/段（见图2）。根据垂向优势运移通道的形成条件确定充注点/段的识别标准为：①切割深层油气中转仓或主要运移通道的Ⅰ型或Ⅱ型贯通断层上与浅层主要输导层搭接的断点；②断点成藏期断距大于80 m，断点深层盖层断接厚度小于400 m；③位于断面构造脊的断点更容易形成充注点。

利用上述识别标准在黄河口东洼搜索充注点/段。笔者尝试通过计算断层在走向上不同位置断点的断接厚度、断距等来寻找充注点/段。如果对研究区所有断层采用等间距断点采样分析，即使是1点/km的采样密度，只计算2个层位，也会有超过1 000个计算点。如果分析分辨率、分析层位和分析项目进一步提高，计算分析工作量就会成倍增长，费时费力，效率较低。

为了提高垂向输导通道分析的分辨率和工作效率，引入全断层大数据构造建模及断裂分析，计算断裂的断距和断接厚度，计算分辨率可达到100点/km，计算分辨率提高了100倍，完成三维构造建模下6个层系超过350 000个断点的“大数据抽样分析计算”，实现了垂向优势运移通道源外充注点/段高分辨率搜索。

具体步骤为：①利用Petrel软件进行层面建模，对深层成藏体系进行源内顺层油气运移模拟，得到深层油气中转仓和主要油气运移路径及其汇聚油气的规模（见图5a）；②通过断裂建模分析断裂与深层油气聚集和主要油气运移路径的搭接关系，确定贯通断层的类型（见图5b）；③通过三维构造模型计算深层成藏体系贯通断层的断距、区域盖层厚度、断接厚度，并把Ⅰ型或Ⅱ型贯通断层中深层盖层断接厚度小于400 m、成藏期断层断距大于80 m的断面标定为优势充注点/段（见图5c、图5d）；④利用Trinity软件，通过边际检测分析断面形态，把优势充注点/段中的凸面标定为强充注点/段（见图5e、图5f）。

利用上述方法得到黄河口东洼潜在充注点/段、优势充注点/段、强充注点/段的分布特征。其中优势和强充注点/段仅占所有浅层断面的16%，贯通断层中只有约25%的断面成为充注点/段（见图5f）。可见研究区浅层断裂虽多，但优势和强充注点/段并不多，且都分布在新构造运动活跃及其晚期断裂活动强烈的区域，表明新构造运动对浅层油气充注控制作用明显。

4.2 浅层断裂截流分析

油气在浅层优势/强充注点/段发生充注后，会沿着浅层输导层的构造脊运移[26-27]。在运移路径上，断层纵向上切割地层，断层泥在断面发生涂抹，输导层的横向连续性及连通性在断层处发生中断，形成侧向遮挡，油气截流成藏[17-19]。

凸起区的断裂主要起截流成藏作用，因此最能体现断裂活动与截流成藏的耦合关系。通过对环渤中地区成藏期断距与油藏高度关系的统计研究发现，当凸起区成藏期断距大于15 m时即可形成截流成藏，油藏高度为20～60 m（见图6）。黄河口东洼断层断距跟泥岩涂抹系数的分析结果显示，当断距大于13 m时，断裂的泥岩涂抹系数会研磨到30%，即断层具有一定的截流能力[17-19]（见图7）。同样表明当断距大于15 m，断层可形成有效截流。

4.3 优势/强充注点/段约束下的浅层运移模拟

在落实浅层优势运移通道和断层截流条件的基础上，对黄河口东洼浅层进行基于充注点/段约束下的油气运移模拟，具体步骤为：①由于浅层主要的输导层是明下段下部富泥段下伏的馆陶组上部地层，因此选取明化镇组底作为控制层进行常规的构造建模和储集层建模；②进行断裂建模，设定所有断距大于15 m的断层都具有一定的截流能力（相当于60 m油柱高度）；③利用Trinity软件对之前分析落实的优势/强充注点/段进行定量充注和油气运移模拟，每个充注点/段充注油气的多少，参考充注点所属垂向优势运移通道深层汇聚油气定量规模。

模拟预测渤中36-A构造区和蓬莱31-B构造区充注点/段发育，油气成藏规模较大（见图5f）；同时预测蓬莱31-B区缺乏充注点/段，没有大规模的油气聚集。实际钻探在渤中36-A构造区和蓬莱31-B构造区取得良好的油气发现，在蓬莱31-B区没有好的发现，预测成功率高，证实了模拟方法的可靠性（见图1）。

同时，通过模拟也表明（见图5f）：①油气运聚主要集中在优势/强充注点/段附近，含烃流体沿优势/强充注点/段注入到浅层后，受复杂断裂带断层的截流和阻隔作用，以就近成藏为主，如渤中36-A构造区和蓬莱31-B构造区；②优势/强充注点/段较为多的断块油气成藏较好，反之油气成藏较差，如蓬莱31-B区优于蓬莱31-A区。

图5 基于垂向优势运移通道分析的油气运移模拟方法

另外，在新构造运动及其断裂活动较强的区域（见图5d），容易形成充注点/段，其油气运聚活跃（见图5f）；在新构造运动及其断裂活动较弱的区域（见图5d），容易形成充注点/段，其油气运聚较弱（见图5f）。可见，新构造运动及其断裂活动通过控制深层油气汇聚的不均衡破裂，导致了垂向优势运移通道及其源外强充注点/段的差异分布，从而决定了复杂断裂带浅层油气成藏的差异特征。