乌尔逊凹陷苏仁诺尔CO2气藏主控因素分析

齐 宁, 薛海涛, 卢双舫, 杨金秀, 卢明月, 夏 萦, 曹怿昕, MUHAMMAD Saqib, RAYON Abrams

(1. 中国石油大学(华东) 深层油气重点实验室，山东 青岛 266580； 2. 中国石油大学(华东) 地球科学与技术学院，山东 青岛 266580 )

0 引言

利用CO2捕获和封存(CCS)技术、二氧化碳气驱强化采油(CO2—EOR)技术，维持储层压力并提高油气产量，是使CO2气体更具有经济性和利用率的方法[1-2]。CO2气源分为工业废气和天然CO2气藏。天然CO2气藏存在于陆相和海相盆地，如中国的松辽盆地、越南的Cuu long盆地和墨西哥北部的雀布拉什地区[3-5]。海拉尔盆地乌尔逊凹陷地区不仅石油和天然气储量巨大，而且在苏仁诺尔走滑断裂带西部发育CO2天然气。海拉尔盆地的CO2气体被认为是来自上地幔岩浆脱气的幔源—岩浆成因无机气体，有关CO2气藏其他地质特征(相关构造、储层岩石学和物理性质)的研究较少。

相对于二维地质建模，三维地质建模更具有精确性、实用性和可视性，能够将地质构造展布(深大断裂带、断层分布)及地质属性(岩性、物性)分布特征清晰展现出来，在常规油气研究中得到广泛应用。如利用三维地质模型对大庆油田进行二次开发指导[6]；THANH H V等利用地质建模对越南近海湾油田东部进行CO2储存评估[7]； ABDELMAKSOUD A等利用地质建模对埃及西北沙漠地区的Gharadig油气田进行岩相和物性分析模拟[8]。目前利用地质建模对乌北凹陷地质构造及CO2气藏主控因素的分析较少。付广等认为，断层和裂缝可能在储层气体的地下运移中起重要作用[9]。中国珠江口盆地西部富CO2气藏主要分布于朱三南断层，渤海湾盆地地幔衍生的CO2气藏大多位于地下断层构造活动区附近[10-11]，黄骅凹陷的CO2气藏大多位于大中王断层和赣西断层附近[12]。松辽盆地深层的CO2气藏聚集于与深部岩浆室相连的大边界断层，并与中央基底断层控制的陡坡带和中央断层带直接相关[13]。笔者利用井点数据、井间数据及地震资料，基于序贯高斯模拟方法[14-15]，对乌尔逊凹陷苏仁诺尔气田的CO2气藏进行储层构造断层及岩性、物性建模，结合CO2气藏分布进行主控因素分析，为研究区下一步CO2气藏有利区预测提供参考。

1 区域地质概况

海拉尔盆地位于内蒙古自治区，处于北纬40°00′～49°40′、东经115°30′～120°00′，呈NE向展布[16]，为“下断上凹”二元结构。盆地发育断陷(铜钵庙组—南屯组)、断—坳转化(大磨拐河组—伊敏组)和凹陷(青元岗组)3套构造层[17]。研究区乌尔逊凹陷位于海拉尔盆地“三坳二隆”(扎赉诺尔坳陷、嵯岗隆起、贝尔湖坳陷、巴彦山隆起和呼和湖坳陷5个一级构造单元)中的贝尔湖坳陷。乌尔逊凹陷作为海拉尔盆地的二级构造单元(见图1)，也是海拉尔盆地最具勘探潜力的地区，其陆相沉积特征、岩浆作用和幕式裂谷作用对CO2气藏形成具有重要影响[18]。

图1 乌尔逊凹陷苏仁诺尔研究区构造位置Fig.1 Structural location map of Surennuoer study area in Wuerxun Sag

根据露头资料及深井钻探结果，乌尔逊凹陷(乌北洼槽、乌南洼槽)以内陆湖相碎屑岩为主，海拉尔盆地基底沉积时期为前古生界和古生界，主要沉积地层为大磨拐河组(K1d)、南屯组(K1n)、铜钵庙组(K1t)(见图2)[19-20]。大磨拐河组发育区域性分布的泥岩；南屯组是乌尔逊凹陷主力储层，为文中建模的主要目的层，厚度为450～800 m，包括南一段(N1-1、N1-2和N1-3小层)、南二段(N2-1和N2-2小层)[21-26]。CO2气藏主要发育于南屯组的N1-1、N1-2和N2-2小层。南屯组沉积时期，乌尔逊凹陷为小型断陷湖盆；经过强烈拉张作用后，地壳发生沉降作用，湖泊水体整体变深，水域范围变大，形成以泥岩为主的湖相沉积[27-28]。南一段物源来自乌尔逊凹陷北东部和西北部，以扇三角洲相沉积为主，为“深盆深水”特征；南二段继承南一段的沉积，其扇体分布范围相对缩小，为“广盆浅水”特征[29]。

2 CO2气藏成藏条件

采用Petrel软件对研究区进行三维地质建模，包括构造建模、岩性建模和物性建模。丰富且准确的构造资料是建立反映实际储层的构造模型的首要条件。构造建模直接资料包括井轨迹数据、地层分层数据及研究区30口井的井上数据；间接资料包括地震数据解释资料及各层面顶面构造图。其中，地震数据解释资料反映研究区总体构造趋势，井上数据反映局部构造信息，二者结合既体现总体构造趋势中的局部构

图2 苏仁诺尔研究区南屯组综合柱状图Fig.2 The stratigraphic column of Nantun Formation in Surennuoer study area

造变化，又确保局部构造变化中的总体构造趋势。因此，在地层分层数据的约束下，利用地震数据解释资料控制形成的构造面属于精确的构造模型。建模过程中，首先对建模目的层的海拔高程进行井间插值，然后根据插值参数将网格中离散点数据进行平面化处理，从而实现三维地质建模。模型网格方向：X为东西向，Y为南北向，Z为海拔高度；区块面积为26.3 km2，研究区井数为30口，建模层位包括南一段的N1-1、N1-2、N1-3小层和南二段的N2-1、N2-2小层；每小层分为20小层进行模拟，网格数为226×342×100，总数为7.729 2×106个，节点为100×116×201，总数为2.331 6×106个。平面上，网格尺寸为30 m×30 m，两口井之间不少于3个网格。

2.1 构造条件

构造建模反映研究区储层地下的真实构造形态及断层整体发育，岩性建模和物性建模需要构造建模生成的三维网格骨架[30]。构造模型分为断层模型及层面模型。断层模型需要根据地震数据对断层进行解释。研究区以正断层为主，共发育8条主要断层，模型所用断层切断整个南屯组，大部分断层走向为东西向，较常见“入”字形组合形式，具有东西分带、南北分块的特点。研究区地势起伏较大，平面构造展布较差，具备深大断裂带及次生断层带，断层模型见图3(b)。苏仁诺尔走滑断裂带以东西向贯穿整个研究区，断层横向延伸17.5 km，垂直延伸2.1 km，目的层的断层位移约为500 m。苏3断裂带以南北向断开研究区南部，横向延伸10.6 km，垂直延伸1.1 km，目的层的断层位移约为250 m。较大的断层位移(大于200 m)使断裂带中的各类岩性承受强烈的摩擦，形成断层泥和良好的密封能力[15]。这些断层位移的差异影响储层深度，其中上盘壁的储层相对较深，下盘壁的储层相对较浅，主要断层与目的层形成有利的构造圈闭而聚集CO2气藏。

图3 乌尔逊凹陷三维地质模型Fig.3 3D model in Wuerxun Sag

建立南屯组5个小层的构造模型(见图3(c))，遵循正确井分层和地震解释层位构造趋势，反复调整每个小层之间的接触关系，确保模型的准确性。研究区层面模型见图3(a)，包括南次凹环洼槽带、缓坡洼槽带、苏2区断背斜隆起带、南部缓坡带和陡坡隆起带，其中南部缓坡带和南次凹环洼槽带多为小型断层，不作断层建模。

2.2 岩性条件

岩性模型中的砂泥岩分布决定储集体储层特征，利用序贯高斯模拟方法，结合沉积相对研究区岩性分布进行模拟。在建立岩性模型过程中，由于各小层的储层特征不同，分别建立5个小层的岩性模型，实施“相控”约束，使岩性模型接近储层地质真实参数分布[31-34]；利用序贯高斯模拟方法对研究区井间砂泥岩分布进行预测，结果与连井剖面砂泥岩井上数据拟合程度达到85.7%(见图4(c))，拟合程度较高，具备客观准确性。

由南屯组岩性模型(见图4(a-b))可见，南一段砂体占比为71.57%，南二段砂体占比为36.83%，南一段砂岩发育程度总体好于南二段的，与连井剖面砂泥岩井上数据(见图4(c))一致。南屯组储层砂泥岩垂向分布特征为南二段泥岩分布较多，砂岩分布较南一段的少；砂泥岩平面分布特征为靠近苏仁诺尔走滑断裂带及苏3断裂带的砂岩分布状态较好，可作为CO2气藏有利储集空间。

图4 研究区岩性模型及连井剖面Fig.4 Lithology model and wells profile in the study area

2.3 物性条件

根据研究区孔隙度和渗透率数据，利用序贯高斯模拟方法，对乌尔逊凹陷南屯组储层进行物性建模(见图5)。由图5可见，研究区孔隙度总体较低，南屯组各小层孔隙度分布不均，孔隙度特征为靠近深大断裂带的孔隙度略高(见图5(a-b))。孔隙度与渗透率间具有比较显著的对应关系(见图5(c-d))，一般孔隙度较高的区域渗透率普遍呈高值，孔隙度较低的区域渗透率普遍呈低值。研究区CO2气藏主要位于南一段，上部的N1-1与N1-2小层作为主要生气层，有效孔隙度在7.0%～14.6%之间；其中N1-1小层孔隙度为3.0%～18.0%，N1-2小层孔隙度为5.0%～15.7%。南一段整体孔隙度较差，孔隙度一般在5.7%～22.8%之间，主要分布区间为8.0%～14.0%；渗透率范围为(0.01～704.00)×10-3μm2，主要分布区间为(0.10～10.00)×10-3μm2，属于低孔隙度型储层。南二段的孔隙度在1.2%～27.4%之间，主要分布区间为10.0%～25.0%；渗透率范围为(0.01～206.89)×10-3μm2，主要分布区间为(0.01～58.00)×10-3μm2。南二段的孔隙度比南一段的高，渗透率偏低。乌尔逊凹陷孔隙度和渗透率呈低值，南屯组整体属于低孔低渗非均质较严重储层。

以苏仁诺尔走滑断裂带上下盘附近的S2和S8井为例(见图6)，位于北侧下盘的S2井南一段的孔隙度主要为6.0%～8.0%，南二段的孔隙度主要为6.0%～14.0%，呈低值；位于南侧构造低部位的S8井南一段的孔隙度主要为5.0～8.0%，南二段的孔隙度主要为6.0%～12.0%，也呈低值。研究区整体孔隙度属于低值范围，且苏仁诺尔走滑断裂带附近的孔隙度与研究区其他位置的孔隙度相比无明显变化。

图5 研究区物性模型Fig.5 Physical property model of study area

图6 苏仁诺尔走滑断裂带S2—S8井孔隙度分布Fig.6 Porosity of wells S2-S8 in Surennuoer Strike-Slip Fault Zone

3 CO2气藏主控因素

3.1 岩浆活动

CO2气体的来源既可以是有机的，也可以是无机的，含油气盆地CO2的成因包括未脱气地幔岩浆脱气作用、地壳岩石熔融脱气作用、海相碳酸盐岩热分解作用、碳酸盐胶结物热分解作用和有机成因的CO2。戴金星等[35-36]认为，有机CO2气体的特征为CO2体积分数<15%或δ13CO2<-10.0‰，无机CO2气体的特征为CO2体积分数>60%或δ13CO2>-8.0‰。此外，无机CO2气体可分为δ13CO2>-3.5‰的岩石化学成因的CO2、δ13CO2在-8.0‰～-2.0‰之间的火山—幔源成因的CO2。研究区CO2气体样品的地球化学分析表明，大部分CO2体积分数>90%，只有一个样品的CO2体积分数为76%，δ13CO2在-11.4‰～-8.2‰之间，主要分布在-10.0‰左右，表明CO2气体属于火山—幔源成因的CO2。研究区CO2气体样品的3He/4He为(1.68～2.08)×10-6，R/Ra为1.20～1.49。研究区CO2气体为无机气体，来源于深部地壳或地幔岩浆侵入体的脱气作用，与文献[37-38]研究结果一致。

3.2 岩性及物性

根据测井、探井数据及岩心资料，乌尔逊凹陷南一段发育各类砂岩，砂泥岩呈不等厚互层，其中砂砾岩分选、磨圆中等，胶结较致密；南二段砂岩夹黑色泥岩，砂岩含量较低。南屯组储集空间类型以粒间孔、粒内孔为主，发育少量裂隙，颗粒分选、磨圆中等—差。南屯组储层物性为低孔低渗型特征。乌尔逊凹陷储层物性及非均质性垂向和平面分布不均，储层的孔隙度与渗透率随埋深增加而减小，在埋深为1.4～2.3 km处最大；南屯组和铜钵庙组储层符合孔隙度、渗透率随埋深增加而减小的特征[37](见图7)。

由于存在深大断裂带，CO2气体更容易聚集于岩性和物性相对较好的储层。由图4及图7可知，南一段砂岩含量普遍好于南二段的，且南二段厚层泥岩可作为盖层封闭CO2气藏。

3.3 断层及走滑断裂带的耦合作用

地震资料具有横向分辨率高、信息丰富的特点[29]。为建立苏仁诺尔走滑断裂带和苏3断裂带地质模型，制作S2—S8井地震剖面(见图8(a))，以分析断层和CO2气藏分布之间的剖面位置关系。靠近断裂带发育的CO2气体较多；与S8井相比，S2井的CO2气体充填层更厚(见图8(b))。位于研究区主要断层两侧的地层倾斜并翘曲，可形成有利的构造圈闭，以储存CO2气体(见图8(c))。苏仁诺尔走滑断裂带大断面上盘S2井的气藏比下盘S8井的更发育，因为CO2气体易聚集于构造高处，两井中间发育苏仁诺尔深大断裂，来自火山—幔源的CO2气体可以作为气源运移至浅处圈闭中成藏。

由于S8井位于苏仁诺尔走滑断裂带断层的下盘壁，气源供给不足，沿苏仁诺尔走滑断裂带断层输送的CO2气体很难向深处横向运移。穿过S2和S8井的岩性、物性模型横断面能够证明模型中显示的CO2气体分布与地质特征之间的关系(见图7)，CO2气体多分布于苏仁诺尔走滑断裂带的构造高点位置，当两口井同时位于较浅层位时，S2井的CO2气体分布比S8井的厚得多。

图8 苏仁诺尔研究区S2—S8井震对比及CO2气藏分布范围Fig.8 Seismic comparison diagram of well S2-S8 in Surennuoer study area and distribution range of CO2 gas reservoir

通常，CO2气体主要被捕获于结构储层，断层具有侧向封闭的作用，并从深处向上输送CO2气体。断层和裂缝在地下储层运移CO2气体时具有重要作用[15]，如渤海湾盆地的CO2气藏多位于地下断层构造活动区附近[10-11]；松辽盆地深层的CO2气藏聚集于大边界断层和中央基底断层带[13]。研究区CO2气藏主要受控于深大断裂带，与渤海湾盆地和松辽盆地的控制因素相似。除构造的重要作用外，断裂带中的储层还具有较高的砂岩含量和相对更有利的岩石物理性质。根据南屯组整体呈低孔低渗储层的特征，乌尔逊凹陷苏仁诺尔研究区CO2气体的赋存主要受构造控制，即受深大断裂和较浅的构造圈闭控制，断层在向上输送CO2气体和形成构造圈闭中起主要控制作用。储层岩性及物性对CO2气藏的聚集和分布起次要控制作用。

4 结论

(1)根据乌尔逊凹陷苏仁诺尔研究区储层与测井响应特征、井点数据、地震解释数据等，建立储层三维地质模型。研究区储层为低孔低渗型，CO2气藏主要分布于南一段砂岩储层，少量分布于南二段砂岩储层；砂泥岩分布特征表现为靠近深大断裂带的砂岩较发育，南一段砂岩含量好于南二段的。南二段与南一段之间存在一套数十米厚的泥岩盖层，封堵南一段CO2气藏。

(2)研究区CO2气藏的生成主要受控于深大断裂带，且CO2气藏主要位于深大断裂带构造高点位置。断层作为运输通道，在向上输送CO2气体和形成CO2气藏圈闭中起主要作用；储层岩性和物性在控制CO2气藏的聚集和分布中起次要作用。