渤中西洼新近系馆陶组断裂控藏作用定量评价

2023-07-13于喜通杨海风揣媛媛王志萍王改卫曹海洋陈安清侯明才

成都理工大学学报（自然科学版） 2023年3期

于喜通, 杨海风, 揣媛媛, 王志萍, 王改卫, 曹海洋, 陈安清, 侯明才

(1.中海石油(中国)有限公司天津分公司, 天津300459;2.成都理工大学沉积地质研究院, 成都 610059)

断裂与油气生成、圈闭形成、油气运移及保存等息息相关。中国70%以上的油气藏都受到断裂的控制[1],断裂对油气成藏的控制作用一直是勘探研究的热点问题[2-9]。渤海湾盆地是在华北板块前新生界基底上发育的新生代裂谷盆地,其中渤海海域的断裂控藏作用极为显著,是大中型油气田形成最有利的区带,如沿郯庐断裂带发现的探明油气储量占渤海总探明油气储量的60%[10]。近年来,在“汇聚脊”理论指导下,渤海海域新近系浅层屡获重要油气发现,先后发现了曹妃甸6-4、蓬莱15-2、蓬莱7-6、曹妃甸12-6、垦利6-1等一批大中型油气田[11-12]。渤中8-D油田位于渤中西洼的洼中隆起带上,具有基底古隆起背景,处于富生烃洼陷内,油气成藏条件非常优越。但由于该区经历了多期的构造运动改造,新近系馆陶组断裂系统极为复杂,油气差异成藏特征明显,对断裂控藏作用的认识仍然不清。前人针对渤海新近系断裂控藏作用开展了卓有成效的研究。如杨海风等[13]认为油源断裂活动性、区域盖层厚度及储层形成的输导脊共同控制了新近系油气运移能力,进一步指出明化镇组构造-岩性圈闭油气成藏规模仍受“断-砂”接触程度的控制。王德英等[14]指出断裂是新近系油气成藏的关键要素,并综合考虑汇聚脊、圈闭对断裂垂向运移能力的影响,建立了新近系“脊-断-圈”三元控藏模式。李龙等[15]通过断接厚度和断裂输导能力指数来定量表征断裂垂向输导能力,明确了不同构造带新近系油气富集层位和油气成藏模式。但这些研究主要侧重于对新近系油气成藏模式及断裂垂向输导能力的评价,缺少对新近系特别是馆陶组油气充注后断裂侧向封闭能力研究。因此,本文以渤中8-D油田为例,在断裂系统分析基础上,从油源断裂类型、盖层断接厚度以及断裂侧向封闭能力等方面综合分析断裂对馆陶组油气成藏的控制作用,并利用模糊数学方法进行定量研究,最终明确馆陶组油气成藏风险界限,指出下一步最有利的勘探目标。

1 地质概况

渤中西洼位于渤海海域最大的富生烃凹陷——渤中凹陷的西北部,其北、东、西部分别与石臼坨凸起西段、427凸起及沙垒田凸起东段断裂接触,南部与渤中凹陷主洼相连(图1)。渤中8-D油田位于渤中西洼的洼中隆起带上,整体呈北东-南西走向展布,面积大约120 km2。钻井揭示该区地层发育较完整,自下而上为前古近系基底,古近系沙河街组、东营组,新近系馆陶组、明化镇组以及第四系。渤中8-D油田油气主要分布于新近系明化镇组和馆陶组,其中馆陶组探明储量占总探明储量60%以上。馆陶组属辫状河沉积,岩性以厚层、中厚层辫状河河道含砾细砂岩、细砂岩和薄层河漫滩泥岩为主,具有“泥薄、砂厚”的特征(图1)。

图1 渤中8-D油田构造位置Fig.1 Structural location of BZ8-D oilfield

渤中8-D油田具有洼中隆背景,整体上呈北东-南西向展布,夹持于北次洼和渤中8次洼之间,油源充足(图2)。油源对比结果表明,研究区原油色谱-质谱图表现为C27规则甾烷占明显优势、中-高丰度的4-甲基甾烷,与以水生生物输入有机质为主的沙河街组第三段(简称“沙三段”)烃源岩较为相似,而较高的伽马蜡烷和17α(H)-30降藿烷则与水体咸度高的沙一、沙二段烃源岩相近。因此,渤中8-D油田主要为沙三段和沙一、沙二段烃源岩混源贡献[16]。馆陶组整体表现为断裂分割形成的复杂断块型圈闭群,断裂非常发育,均为正断层,以NEE走向为主,少量近E-W向,一般延伸长度2～6 km,断距0～90 m,平均断裂密度0.32条/km2。

图2 渤中8-D油田油气运移模式Fig.2 The hydrocarbon migration model for BZ8-D oilfield

2 断裂系统划分

前人对渤海湾盆地新生代构造演化研究结果表明,基于T8(古近系底界)、T5(沙二段底界)、T2(馆陶组底界)等3个构造层序界面,将新生代盆地自下而上划分为3个构造层,分别为由沙四段和沙三段组成的断陷构造层,沙一、沙二段和东营组组成的断拗构造层以及馆陶组、明化镇组和第四系组成的拗陷构造层,相应地可以将新生代盆地构造演化分为早期的断陷期、中期的断拗期和晚期的拗陷期[1]。依据断裂与构造层的关系,可以划分出6套断裂系统:断陷期断裂(Ⅰ型)、断拗期断裂(Ⅱ型)、拗陷期断裂(Ⅲ型)、断陷期形成断拗期活动断裂(Ⅳ型)、断拗期形成拗陷期活动断裂(Ⅴ型)以及断陷期形成断拗期和拗陷期持续活动断裂(Ⅵ型)(图3)。

图3 渤中8-D油田断裂系统及断裂类型划分Fig.3 Fault systems and fault classification in BZ8-D oilfield

馆陶组断裂系统由Ⅲ型、Ⅴ型、Ⅵ型断裂构成。前人研究表明,渤海海域新近系油气成藏关键期为明化镇组沉积晚期(5.1 Ma B.P.以来),主要来源于沙河街组烃源岩[10,12]。Ⅵ型断裂于断陷期形成,并在断拗期和拗陷期持续活动,为长期活动断裂,在油气成藏关键期有效沟通了沙河街组优质烃源岩,是最重要的油源断裂;而Ⅲ型、Ⅴ型断裂在成藏期的活动对油气起到了再分配的作用。

3 断裂控藏作用分析

断裂对新近系油气成藏具有重要的控制作用[13-16]。断裂不但是油气垂向运移的重要通道,决定油气聚集部位,而且对油气垂向分布具有明显的控制作用,还可以对油气形成侧向封堵,形成油气聚集。

3.1 油源断裂控制油气富集部位

基于对渤中8-D油田断裂系统划分结果可知,馆陶组断裂系统由Ⅲ型、Ⅴ型、Ⅵ型断裂构成。其中,Ⅵ型断裂为长期活动断裂,直接沟通沙河街组有效烃源岩并在油气成藏关键期活动,是油气垂向运移最重要的通道,称为a型油源断裂;而Ⅲ型、Ⅴ型断裂虽未沟通烃源岩,但部分断裂与Ⅵ型断裂搭接,能够对a型油源断裂运移上来的油气进行再分配,称为b型油源断裂。

沙河街组烃源岩大量排烃时期(明化镇组沉积晚期),油气可沿上述两种主要路径运移至馆陶组储层中聚集成藏:①油气沿a型油源断裂向上运移至馆陶组,并向断裂两盘物性较好的储层中侧向分流,在就近的有利圈闭中聚集成藏;②油气沿a型油源断裂运移上来后,由与之搭接的b型油源断裂进行再分配,最终在b型油源断裂附近圈闭中聚集成藏。因此,油源断裂两侧圈闭是油气富集的有利场所。现有勘探表明,馆陶组油气井都是围绕a型和b型油源断裂在其两侧分布(图1)。其中,夹持于a型和b型油源断裂的断块圈闭内油气最为富集,如BZ8-D-7井所在的断块圈闭,两条控圈断裂分别为a型油源断裂和b型油源断裂,该井馆陶组钻遇油层厚度达到74.5 m;BZ8-D-8井所在圈闭控圈断裂为两条b型油源断裂,油气也相对富集,油层厚度25.9 m;而仅有1条b型油源断裂控圈的情况下油气则相对不富集,如BZ8-D-5井馆陶组油层厚度仅7.2 m;同样,现有馆陶组失利井也主要分布于1条b型油源断裂控制的断块中,如 BZ8-D-9/BZ8-D-11井馆陶组均未钻遇油气层(图1)。

3.2 明化镇组盖层断接厚度控制油气分布层位

盖层具有垂向封闭油气的作用,而断裂活动会对盖层的垂向封闭能力造成一定程度的破坏,甚至使盖层的垂向封闭能力失效,从而影响油气运移距离和分布层位[17-19]。断裂对盖层垂向封闭能力的破坏作用通常用盖层断接厚度定量表征,断接厚度为盖层厚度与相匹配断裂的最大断距之差

δc=δ-d

(1)

式中:δc为断接厚度;δ为泥岩盖层厚度;d为断裂最大断距。

渤中8-D油田新近系主要区域性泥岩盖层为明下段下部湖相泥岩,探井钻遇的该套泥岩厚度均大于与其匹配断裂的最大断距,断接厚度大于0,表明盖层仍连续分布。统计分析结果显示(表1),明下段泥岩盖层断接厚度控制新近系油气的纵向分布层位:BZ8-D-3井和BZ8-D-8井明下段盖层有效断接厚度较大,分别为86 m和98 m,断裂对盖层封闭能力破坏较小,油气穿越明下段下部盖层向上部地层运移难度大,油气主要聚集在盖层之下的馆陶组,仅有少量油气突破盖层在明下段聚集;BZ8-D-2和BZ8-D-4井区断接厚度49～68 m,断裂对盖层封闭能力破坏变大,明下段和馆陶组均有油气富集;其余井区断接厚度均小于40 m,断裂对盖层封闭能力破坏大,有利于油气沿断裂穿越盖层继续向更浅层位运移,钻井揭示油气主要聚集于明下段(表1)。

表1 盖层断接厚度与油气聚集层位关系Table 1 Relationship between faulted caprock thickness and hydrocarbon accumulation horizon

3.3 断裂侧向封闭能力控制油柱高度

断裂侧向封闭能力是指断裂阻止油气向侧向逸散的能力,其大小主要取决于断层岩的渗透能力[20-21]。目前国内外通常采用断层岩/泥比率(RSG)定量评价断裂的侧向封闭油气的能力,并建立了断层岩/泥比率与其所能封闭的最大油柱高度之间的关系式[22-23],即

(2)

式中:h为断裂侧向封闭的最大油柱高度(m);RSG为某一构造圈闭内最小断层岩/泥比率;D是与构造圈闭地质条件相关的参数,无量纲;C为与埋深相关的参数,当埋深<3 km时取0.5,当埋深为3～3.5 km时取0.25,当埋深>3.5 km时取0;ρw为构造圈闭中地层水的密度(g/cm3);ρo为构造圈闭中原油的密度(g/cm3);g为重力加速度(m/s2)。

由(2)式可知,断层岩/泥比率越大,所能封闭油柱高度越大,故断裂侧向封闭能力越强。其中,参数D值可通过已钻遇油水界面的断裂圈闭进行标定,具体方法如下:选取BZ8-D-5井馆陶组断裂圈闭作为标定对象,该圈闭为依附于间接油源断裂f6形成的断鼻型圈闭。馆陶组Ⅱ油组发育1套油层,构造幅度30 m,圈闭最高点埋深2 100 m,圈闭溢出点埋深2 130 m,钻遇油水界面(OWC),埋深为2 125.8 m(图4)。馆陶组埋深1 950～2 350 m,小于3 000 m,C取0.5。采用随机试值的方法给D赋值,利用(2)式计算f6断裂所能封闭的油柱高度,并转化为油水界面,当预测油水界面最接近-2 125.8 m时的D值即为标定的D值。如表2所示,当D=10.7时与实际油水界面最为吻合,从而建立渤中8-D油田馆陶组断裂侧向封闭能力定量评价关系式

(3)

表2 不同D值条件下f6断裂封闭决定的油水界面位置Table 2 Oil-water contact defined by f6 fault sealing under different D values

应用(3)式所建立的断裂侧向封闭性定量评价关系式对渤中8-D油田已钻探的11个断裂圈闭的侧向封闭能力进行评价,结果表明,3、 1、 8井区等3个圈闭的侧向封闭能力较强,预测油柱高度36.6～52.7 m,7、 2、 4、 5井区等4个圈闭次之,预测平均油柱高度25.3～31.8 m,而10、 6、 11、 9井区等4个圈闭侧向封闭能力较弱,预测油柱高度小于20 m。统计不同断裂圈闭内预测油柱高度与已钻遇清晰油水界面的实际油柱高度之间关系可以看出,二者呈明显的正相关关系(图5),表明应用(3)式评价断裂侧向封闭能力从而预测断裂圈闭油柱高度是比较可靠的。

图4 渤中8-D油田5井区馆陶组Ⅱ油组顶面构造形态图Fig.4 Structural attitude of Guantao Formation Ⅱ oil group in Well 5 area of BZ8-D oilfield

图5 预测油柱高度与实钻油柱高度关系Fig.5 Relationship between predicted oil column height and drilled oil column height

4 断裂控藏作用定量评价

4.1 定量评价方法与计算

4.1.1定量评价指标的选择

断裂在渤中西洼渤中8-D油田馆陶组油气成藏中的控制作用主要表现为油源断裂控制油气富集部位、明化镇组盖层断接厚度控制油气分布层位以及断裂侧向封闭能力控制油柱高度等3个方面。基于上述认识,分别选取油源断裂类型、明化镇组盖层断接厚度、预测油柱高度作为馆陶组断裂控藏作用的定量评价指标。

4.1.2 定量评价指标权重确定

模糊数学中的灰色关联分析法是定量评价中比较常用的一种确定权重的方法[24-27]。具体分析方法及步骤如下:

a.选定关联分析的母序列和子序列

为分析被评判事物与其影响因素之间的关系,首先需要用按一定顺序排列的数量指标来定量反映被评判事物的性质,这些数量指标称为关联分析的母序列,表达式为

(4)

子序列是与母序列相对应的比较序列,由自变量构成,即按照各子因素对被评判事物性质的影响程度进行的有序排列

(5)

母序列和子序列共同构成评价对象的原始数据矩阵

(6)

式中:t代表指标数量;m代表数据序列量。

在应用灰色关联分析法对断裂控藏作用进行评价时,把能够反映馆陶组油气富集程度的油层厚度作为评价的目标函数,而油源断裂类型、明化镇组盖层断接厚度、预测油柱高度是影响油层厚度的因素。因此,我们将油层厚度作为关联分析的母因素,将油源断裂类型、明化镇组盖层断接厚度、预测油柱高度作为子因素,构成馆陶组断裂控藏作用的原始矩阵(表3)。

表3 研究区评价指标参数Table 3 Evaluation index values of the study area

b.原始数据变换

为排除各因素之间物理意义不同、绝对值差异大等问题对评价结果的影响,我们需要对各个因素的原始数据消除量纲,并转换为可比较的数据列。针对定性因素,如油源断裂类型,采用该因素对油层厚度的影响程度以0～1进行均一分配[28];针对定量因素,利用(7)式对表3原始数据进行最大值归一化处理(表4)。

(7)

c.关联系数与关联度计算

灰色关联系数为

表4 标准化评价指标参数Table 4 Standardized evaluation index values

(8)

式中:Δt(i,0)为同一观测点各个子因素与母因素间的绝对差值;Δmax与Δmin分别为各子因素与母因素之间的绝对差值中的最大值和最小值;σ为分辨率系数,其作用是尽可能减少由于最大绝对差值太大而失真造成的影响,从而能够提高关联系数之间的差异性,σ∈(0,1),通常取0.5。

通过(8)式计算,渤中8-D油田馆陶组断裂控藏作用评价参数的关联系数如表5所示。

表5 单项参数灰色关联系数Table 5 The grey correlation coefficient of single parameter

可由(9)式计算出各子因素与母因素之间的关联度数值

(9)

式中:r为关联度数值,i代表子因素,0代表母因素;n为评价参数的个数。

灰色关联度数值反映了油源断裂类型、明化镇组盖层断接厚度、预测油柱高度等子因素与母因素油层厚度之间的关联程度,其数值越大代表该因素对油层厚度影响越大。经计算,渤中8-D油田馆陶组各子因素与母因素的关联度r=(0.506, 0.702, 0.623),表明它们对油层厚度的影响程度由大到小顺序为:明化镇组盖层断接厚度>预测油柱高度>油源断裂类型。

d.权重系数计算

通过(10)式对关联度数值进行归一化计算后就可以得到各因素的权重系数。

(10)

式中:a为某一指标的权重系数;r为关联度数值;n为评价指标个数(这里n=3)。

据此得出油源断裂类型、明化镇组盖层断接厚度、预测油柱高度3个指标的权重系数分别为0.276、 0.383和0.341。

4.1.3 断裂控藏作用综合评价值计算

将标准化后的各指标评价参数值(表4)与其对应的权重系数相乘并累加,即可得到渤中8-D油田馆陶组断裂控藏作用的综合评价值(表6)。

(11)

式中:Q为断裂控藏作用的综合评价值;a为某一指标的权重系数;x为标准化后的指标参数值;n为评价指标的个数(这里n=3)。

表6 渤中8-D油田馆陶组断裂控藏因素及评价值Table 6 Score of various control of faults on hydrocarbon accumulation in Guantao Formation in BZ8-D oilfield

4.2 应用效果分析及有利圈闭预测

从断裂控藏角度讲,Q值越大,说明馆陶组目标断裂圈闭越有利于油气聚集成藏,油气越富集。通过验证渤中8-D油田所计算的Q值与油气探明储量丰度的关系表明,Q值越大,馆陶组油气越富集。当Q≥0.8时,油气富集,探明储量丰度>300×104t/km2;当0.5

图6 综合评价指标Q值与馆陶组探明储量丰度的关系Fig.6 Relationship between Q value and proved reserves abundance of Guantao Formation

可见,上述建立的方法对馆陶组已钻圈闭的评价是准确可行的,可以将其用来对研究区馆陶组未钻圈闭油气富集程度进行预测,优选有利勘探目标。基于该Q值定量评价方法,对图1所标示渤中8-D油田馆陶组的3个未钻圈闭进行的断裂控藏评价结果显示:①号、②号、③号圈闭的Q值分别为0.68、0.73和0.21,从断裂控藏角度看,①号和②号圈闭油气成藏条件较好,可以作为下一步优先钻探的目标,而③号圈闭油气丰度低的可能性较大,需谨慎钻探。