源断盖时间匹配有效性的研究方法及其应用

付 广, 梁木桂, 邹 倩， 牟大伟, 李乔乔

(1.东北石油大学地球科学学院,黑龙江大庆 163318; 2.中国石油勘探开发研究院,北京 100083;3.中国石油新疆油田分公司新港公司，新疆克拉玛依 834000; 4.大庆油田有限责任公司第一采油厂，黑龙江大庆 163001)

源岩、断裂和盖层作为含油气盆地下生上储式生储盖组合中油气成藏3个必不可少的要素,其发育及分布特征在一定程度上控制着油气的生成、运移和聚集。然而油气能否大规模聚集成藏除了受到三者空间匹配有效性的影响外,还要受到三者时间匹配有效性的影响。源断盖时间匹配有效性越好,油气越易于聚集成藏;反之则油气不易于聚集成藏。由此可见准确地研究出源断盖时间匹配有效性,对于油气的勘探至关重要。针对源岩排烃时期、断裂输导油气时期和盖层封闭能力形成时期,前人曾做了大量的研究和探讨,主要为以下3个方面:①利用源岩生排烃史模拟计算得到的源岩排烃量相对大小随地质时期的变化关系,研究源岩排烃时期特征[1-4];②利用断裂生长指数或活动速率的相对大小随时间的变化关系,研究断裂活动时期[5-7],结合源岩是否排烃,研究断裂输导油气时期[7-9];③利用盖层排替压力随时间的变化关系,当盖层排替压力到达1 MPa时,其所对应的地质时期即为盖层封闭能力形成时期[10-13]。上述研究成果对于正确认识油气藏形成与演化格外重要。然而将源断盖综合起来研究其时间匹配有效性目前尚未见文献报导,只有源断时间匹配有效性研究[7,14]和源盖时间匹配有效性研究[15-17],二者反映的仅是油气成藏某些侧面,还不能全面地反映油气成藏的整个过程。因此笔者在源断盖时间匹配有效性及其影响因素研究的基础上,通过确定源断配置输导油气时期与断盖配置封油气能力形成时期,建立一套源断盖时间匹配有效性的研究方法,这对正确认识含油气盆地下生上储式生储盖组合油气分布规律和指导油气勘探均具重要意义。

1 源断盖时间匹配有效性及其影响因素

源断盖时间匹配有效性是指源断配置输导油气时期与断盖配置封油气能力形成时期之间的时间匹配关系。如果断盖配置封油气能力形成时期早于或与源断配置输导油气时期同期,那么断盖配置可以封闭住源断配置输导的大量油气,有利于油气聚集成藏,源断盖时间匹配有效性好(图1(a));相反如果断盖配置封油气能力形成时期晚于源断配置输导油气时期,那么断盖配置所能封闭住油气量的多少主要受到二者之间时间差相对大小的控制,其时间差相对越小,断盖配置所能封闭住的源断配置输导油气量相对越多,源断盖时间匹配有效性相对越好;反之则相对越差(图1(b))。

图1 源断盖时间匹配有效性示意图Fig.1 Sketch map of effectiveness of time matching of source-fault-caprock

源断配置输导油气时期主要受到源岩排烃期与断裂活动时期之间匹配关系的控制[18]。只有与源岩排烃期同期的断裂活动时期,断裂才能输导源岩生成排出的油气,此时期才是源断配置输导油气时期,如图2中的2、3断裂活动时期,与源岩排烃期同期,可以输导油气;否则断裂活动则不能输导源岩生成排出的油气,此时期也就不是源断配置输导油气时期,如图2中的1、4断裂活动时期,源岩不排烃,不能输导油气。

图2 源岩排烃期与断裂活动时期匹配关系Fig.2 Matching relationship between source expulsion period and activities of fractures

断盖配置类型不同,其封油气能力形成时期也就不同[19]。如果断盖配置的断接厚度(盖层残留厚度,其大小等于盖层厚度减去断裂断距)达到其封油气所需的最小断接厚度[20],油气不能穿过盖层向上运移,此时期断盖配置封闭(图3(a));反之此时断盖配置则不封闭(图3(b))。对于封闭型断盖配置来说,因断裂在其内上下分段生长不连接,不是油气运移的输导通道[21],此时断盖配置主要是盖层对油气起封闭作用,其封油气能力形成时期应为盖层封闭能力形成时期。根据前人研究成果[22],认为泥岩盖层渗透率小于10-5μm2时开始形成封闭能力,而泥岩盖层渗透率小于10-5μm2所对应的排替压力约为1 MPa,故选取泥岩盖层排替压力等于1 MPa所对应的时期作为其封闭能力形成时期(图4)。而对于不封闭型断盖配置来说,因断裂在其内上下分段生长连接,是油气运移的输导通道,此时断盖配置主要是断层岩对油气起封闭作用,其封油气能力形成时期应为断层岩封闭能力形成时期,即是断层岩排替压力达到1 MPa对应的时期(图4)。

图3 断盖配置封闭类型示意图Fig.3 Sketch map of closed type of fault-caprock configuration

图4 不同类型断盖配置封油气能力形成时期确定示意图Fig.4 Sketch map of determining period of sealing ability formed of different type of fault-caprock configuration

2 源断盖时间匹配有效性的研究方法

要研究源断盖时间匹配有效性,就必须确定出源断配置输导油气时期和断盖配置封油气能力形成时期。

要确定源断配置输导油气时期,就必须确定源岩排烃期和断裂活动时期。源岩排烃期可以根据源岩生排烃模拟方法[4]计算得到的源岩在不同时期的排烃量,作源岩排烃量相对大小随时间关系图,便可以根据源岩是否排烃得到源岩排烃时期(图2)。断裂活动时期可利用断裂生长指数或活动速率计算,按照文献[23]中断裂活动时期的确定方法,便可根据断裂生长指数大于1或断裂活动速率相对较大时期确定出断裂活动时期(图5)。

图5 断裂活动时期确定示意图Fig.5 Sketch map of determining fault activity period

将上述已确定出的源岩排烃期与断裂活动期叠合,便可得到与源岩排烃期同期的断裂活动时期即为源断配置输导油气时期(图2)。

要研究断盖配置封油气能力形成时期,就必须先确定断盖配置封闭类型。统计断裂在盖层内的断距和对应处盖层厚度,计算断盖配置的断接厚度,与研究区断盖配置封油气所需的最小断接厚度[24]比较,便可以确定出断盖配置封闭类型,当断盖配置断接厚度达到其封油气所需的最小断接厚度,那么断盖配置为封闭型(图3(a));反之则为不封闭型(图3(b))。

对于封闭型断盖配置而言,可以根据实测盖层排替压力与其压实成岩埋深和泥质含量之间的关系[25]。在认为盖层泥质含量在不同地质时期是不变的前提下,通过压实成岩埋深变化恢复不同地质时期盖层古排替压力,作盖层排替压力随地质时期的变化关系图。当盖层排替压力到达1 MPa时,其所对应的地质时期即为封闭型断盖配置封油气能力形成时期(图4)。

对于不封闭型断盖配置而言,可以假设断裂为倾置于围岩地层中的倾斜岩层,则可以按照盖层封油气能力形成时期的研究方法对断层岩封油气能力形成时期进行研究。由于断层岩物质来自被其错断断层两盘的围岩地层,所以可以假设断层岩的压实成岩历史与围岩的压实成岩历史相近,且二者均是压实成岩压力和作用时间共同作用的结果,可用二者之间的乘积来表示。由此按照文献[26]断层岩压实成岩埋深的确定方法:

(1)

式中,Zf为断层岩压实成岩埋深,m;Tf为断层岩压实成岩时间,Ma;Zs为与断层岩具有相同埋深的围岩压实成岩埋深,m;Ts为与断层岩具有相同埋深的围岩压实成岩时间,Ma;C为围岩压实成岩系数。

由式(1)便可以确定出断层岩的压实成岩埋深。由断裂断距和被其错断地层岩层厚度和泥质含量,按照文献[26]中断层岩泥质含量的预测方法可获得断层岩的泥质含量。将断层岩压实成岩埋深和泥质含量代入实测围岩排替压力与其压实成岩埋深和泥质含量之间的经验关系式[26]中,便可以计算得到断层岩的现今排替压力。再在认为断层岩泥质含量在不同地质时期是不变的前提下,便可以按照上述盖层古排替压力恢复方法,恢复不同地质时期断层岩古排替压力,作断层岩排替压力随地质时期的变化关系图,当断层岩排替压力到达1 MPa时,其所对应的地质时期即为不封闭型断盖配置封油气能力形成时期(图4)。

3 实例应用

南堡凹陷处于渤海湾盆地黄骅坳陷北部,为一北断南超的箕状断陷盆地。该凹陷主要发育6套地层,从下至上分别为孔店组、沙河街组、东营组、馆陶组、明化镇组及第四系。其中东二段是天然气的主要储层,沙三段和沙一段是主要源岩层,东二段顶部发育的泥岩是主要盖层。由于下伏沙三段和沙一段源岩和上覆东二段储层之间隔有多套泥岩,致使天然气无法直接穿过泥岩盖层向上运移,只有沿着油源断裂,才能穿过泥岩盖层运移至东二段储层中。由文献[27]可知,南堡凹陷东二段储层的油源断裂主要为中期走滑伸展—晚期张扭和早期伸展—中期走滑伸展—晚期张扭2类断裂(连接了沙三段和沙一段源岩及东二段储层,且在天然气成藏期——明化镇组沉积晚期[24]活动)。南堡凹陷东二段储层天然气成藏模式可用老爷庙构造油气成藏模式表示(图6),其天然气成藏主要受到源断盖的共同控制,其源断盖时间匹配有效性的好坏,将直接影响着其天然气聚集程度。

图6 南堡凹陷老爷庙构造东二段储层天然气成藏模式Fig.6 Hydrocarbon accumulation model of reservoir in the 2nd member of Dongying Formation in Laoyemiao structure of Nanpu Depression

源岩生排烃史模拟结果显示,南堡凹陷沙三段和沙一段源岩存在2个排气高峰期,分别为馆陶组沉积中期和明化镇组沉积中期[18]。

断裂生长指数统计显示,南堡凹陷断裂主要存在3个活动时期,分别为沙二、三段沉积时期、东一段沉积时期和明化镇组—第四系沉积时期[18]。

由上述源岩排气时期与断裂活动时期叠合,可以得到南堡凹陷源断配置输导天然气时期为东一段沉积时期和明化镇组—第四系沉积时期;而沙二、三段沉积时期不是源断配置输导天然气时期(图7)。

钻井及地震资料揭示,南堡凹陷东二段泥岩发育,泥岩厚度普遍大于100 m,最大可达到300 m以上,主要分布在其西部局部地区(图8)。由于东二段泥岩受到油源断裂破坏,断盖配置在凹陷西部和东部局部断接厚度达到其封气所需的最小断接厚度[20],断盖配置为封闭型(图9);而凹陷其余广大地区断盖配置的断接厚度小于其封气所需的最小断接厚度,断盖配置为不封闭型。由南堡凹陷实测泥质岩排替压力与其埋深和泥质含量之间关系:

(2)

式中,pd为泥质岩排替压力,MPa;Z为泥质岩埋深,m;R为泥质岩泥质含量。

图7 南堡凹陷东二段储层源断盖时间匹配关系Fig.7 Relation of time matching of source-fault-caprock of reservoir in the 2nd member of Dongying Formation in Nanpu Depression

在假定泥质含量不变的条件下,通过恢复不同地质时期东二段泥岩盖层埋深,对其不同地质时期古排替压力进行了计算(图7)。由图7中可以看出,东二段泥岩盖层排替压力从东二段沉积末期开始一直增大,当泥岩盖层排替压力达到1 MPa时,其所对应的地质时期为明化镇组下段沉积早期。

利用断裂在东二段泥岩盖层内压实成岩埋深、压实成岩时间和其内断裂停止活动时间,由式(1)计算得到南堡凹陷东二段泥岩盖层内断层岩压实成岩埋深。由断裂在东二段泥岩盖层内的断距和被其错断岩层厚度及泥质含量,计算得到断层岩泥质含量。由南堡凹陷泥质岩实测排替压力与其埋深和泥质含量之间关系式(式(2))计算断裂在东二段泥岩盖层内断层岩现今排替压力,再在认为断层岩泥质含量在不同地质时期是不变的前提下,恢复断裂在东二段泥岩盖层内断层岩压实成岩埋深,计算断层岩在不同地质时期的古排替压力(图7)。由图7中可以看出,断裂在东二段泥岩盖层内断层岩排替压力从馆陶组沉积中期开始一直增大,当断层岩排替压力达到1 MPa时,其所对应地质时期为明化镇组上段沉积早期。

图8 南堡凹陷东二段泥岩盖层厚度分布Fig.8 Distribution of caprock thickness in the 2nd member of Dongying Formation in Nanpu Depression

图9 南堡凹陷东二段储层不同类型断盖配置分布Fig.9 Distribution of different types fault-caprock configuration of reservoir in the 2nd member of Dongying Formation in Nanpu Depression

将上述南堡凹陷源断配置输导油气时期与断盖配置封闭能力形成时期叠合可知,封闭型和不封闭型断盖配置封气能力形成时期分别为明化镇组下段沉积早期和明化镇组上段沉积早期,均晚于源断配置在东一段沉积时期的输导天然气时期,不利于天然气聚集成藏,源断盖时间匹配有效性差(图7);而封闭型断盖配置封气能力形成时期为明化镇组下段沉积早期,早于源断配置在明化镇组—第四系沉积时期输导天然气时期,有利于天然气聚集成藏,源断盖时间匹配有效性相对较好;不封闭型断盖配置封气能力形成时期为明化镇组上段沉积早期,与源断配置明化镇组—第四系沉积时期输导天然气时期同期,较有利于天然气聚集成藏,源断盖时间匹配有效性相对较好。

4 结 论

(1)源断盖时间匹配有效性是指源断配置输导油气时期与断盖配置封油气能力形成时期之间的匹配关系。断盖配置封油气能力形成时期早于或与源断配置输导油气时期同期,有利于油气聚集成藏,源断盖时间匹配有效性越好;相反断盖配置封油气能力形成时期晚于源断配置输导油气时期,二者之间时间差相对越小,越有利于油气聚集成藏,源断盖时间匹配有效性相对越好;反之则相对越差。

(2)源断配置输导油气时期为与源岩排烃期同期的断裂活动时期,封闭型断盖配置封油气能力形成时期为盖层排替压力等于1 MPa时所对应的地质时期;不封闭型断盖配置封油气能力形成时期为断层岩排替压力等于1 MPa时所对应的地质时期。

(3)通过确定源断配置输导油气时期和断盖配置封油气能力形成时期,将二者叠合建立了一套源断盖时间匹配有效性的研究方法,实际应用结果表明,该方法用于研究源断盖时间匹配有效性是可行。

(4)南堡凹陷东二段储层的封闭型和不封闭型断盖配置封气能力形成时期分别为明化镇组下段沉积早期和明化镇组上段沉积早期,均晚于源断配置在东一段沉积时期的输导天然气时期,不利于天然气聚集成藏,源断盖时间匹配有效性差;而封闭型断盖配置封气能力形成时期为明化镇组下段沉积早期,早于源断配置在明化镇组—第四系沉积时期的输导天然气时期,有利于天然气聚集成藏,源断盖时间匹配有效性相对较好;不封闭型断盖配置封气能力形成时期为明化镇组上段沉积早期,与源断配置在明化镇组—第四系沉积时期的输导天然气时期同期,较有利于天然气聚集成藏,源断盖时间匹配有效性相对较好。