不整合面下缝洞岩体油气运聚模型——以塔里木盆地碳酸盐岩油藏为例

郭秋麟，杨文静，肖中尧，卢玉红，谢红兵,3，高日丽，黄少英

(1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083； 2.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000； 3.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249)

不整合面下缝洞岩体油气运聚模型
——以塔里木盆地碳酸盐岩油藏为例

郭秋麟1，杨文静2，肖中尧2，卢玉红2，谢红兵1,3，高日丽1，黄少英2

(1.中国石油勘探开发研究院，北京 100083； 2.中国石油塔里木油田分公司勘探开发研究院，新疆 库尔勒 841000； 3.中国石油大学(北京) 地球科学学院，北京 102249)

使用传统的容积法难以准确计算不整合面下碳酸盐岩缝洞岩体内油气的资源量或储量。该文从油气成藏数值模拟的角度，提出三维侵入逾渗模型(3D-IP)尝试解决这一难题。模型核心思路是通过三维地质建模，根据构造、孔隙度和油气源供给量模拟油气的运聚。模型有3个要点：(1)沿最小阻力方向追踪油气运聚路径；(2)遇到障碍时油气沿初始路径回注；(3)动阻力平衡系统被破坏时油气改变路径，寻找最薄弱节点继续运移。模型可以弥补容积法的不足，并能在预测资源规模的同时，指出资源的分布位置。通过随机模拟实验和塔中S6区块的实际应用，证实了模型的有效性和优越性。根据S6区块模拟结果的分析，预测了该区缝洞型油气藏的勘探方向。

油气运聚；侵入逾渗；缝洞型油气藏；不整合面；碳酸盐岩；盆地模拟；塔里木盆地

不整合对油气运聚成藏具有重要意义，而不整合面下的缝洞岩体既是油气运移的重要通道，也是油气聚集的重要场所[1-3]。以近年塔里木盆地奥陶系碳酸盐岩缝洞型油气藏的勘探进展为例，截至2010年底，盆地碳酸盐岩油气合计探明油当量已近18×108t，油气三级储量更是远高于此。但是，由于储层以缝洞型孔隙为主，物性非均质性强，连通性相对较差，客观上造成产量递减也快。用传统的容积法所计算的储量(或资源量)往往难与油气开发相匹配，也很难体现油气在空间的分布状况，不能满足中长期勘探开发战略的需求[4-5]。

基于成因机制的油气运聚模型可以弥补容积法的不足，近年来开始得到重视。如吕修祥、石广仁、赵健等分别采用物理模拟法、三维三相达西流法、二维侵入逾渗数值模拟法等方法模拟塔里木盆地的油气运聚史，预测油气资源量及分布[6-9]。以上研究主要是针对砂岩储集体，鉴于不整合面之下的碳酸盐岩缝洞岩体中油气运聚的特殊性，本文提出了3D-IP(3D Invasion Percolation，三维侵入逾渗)模型模拟其油气运聚情况。

1 碳酸盐岩缝洞岩体及三维模型

由于碳酸盐岩油气在当前资源结构中的重要性和勘探开发上有别于碎屑岩油气的特殊性，针对碳酸盐岩缝洞岩体和油气储层特征、油气成藏主控因素等方面已开展了较多的研究[10-16]，也提出了一些地质建模方法[17-20]。论文提出的3D-IP模型，是在三维地质建模的基础上进行油气运聚模拟，三维地质体可由孔洞、裂缝分布预测模型建立，也可以直接来自于三维地震反演成果。本节介绍由孔隙度分布特征随机抽样构建三维地质体的方法。

1.1不整合面下碳酸盐岩缝洞岩体孔隙特点

以塔里木盆地寒武系和奥陶系碳酸盐岩为例，纵向上，岩溶带主要分布在中下奥陶统顶面不整合面以下300 m厚度范围内，有效储集体集中发育在一间房组和鹰山组顶以下180 m厚度范围内，横向呈准层状连续分布等。从不整合面向下，分别发育上、中、下3种不同特征的岩溶带。上带：位于不整合面下0～60 m深度范围内，为表生、渗流和潜流岩溶带中任意一个带叠加的产物。岩溶带风化残积角砾岩与溶沟、大中型溶洞、溶缝、溶蚀漏斗等为其特征，平均孔隙度可达8%～10%；中带：位于不整合面下60～150 m深度范围内，为渗流与潜流岩溶带叠加的产物。主要是近垂直和高角度溶蚀缝及进一步发育而成的串球状溶蚀扩大洞，潜流岩溶为水平溶蚀形成的洞穴，平均孔隙度小于上带，约为6%～8%；下带：位于不整合面下150～300 m深度范围内，主要为潜流岩溶带产物。其特征为受基准面(海平面)控制，形成一定规模的近水平溶缝、溶洞、地下暗河，平均孔隙度可达4%～6%。

1.2三维地质体孔隙分布随机模型

1.2.1 建立5种孔隙度分布

基于不整合面下发育的3种不同特征的岩溶带及以上刻画的孔隙度分布模式，建立了5种孔隙度分布(表1)。5种分布中，上带平均孔隙度分别为：8.1%,8.4%,8.1%,8.0%,7.9%；中带平均孔隙度分别为：6.8%,6.5%,6.4%,6.6%,6.9%；下带平均孔隙度分别为：5.6%,5.7%,5.9%,5.8%,5.7%。

1.2.2 三维地质体孔隙分布随机建模

以塔北斜坡为参照建立一个示例性的三维地质体，设坡长10 km，宽度6 km，平均厚度300 m。平面网格为正方形，边长为100 m(6 000格)，纵向网格边长为15 m(20格)，三维体共有120 000格。采用随机抽样的方法，从表中随机抽取一种分布(占5个平面网格)，并将该分布放入三维体中。同样的方法重复1 200次，这样就完成了三维地质体孔隙分布的随机建模(图1)。

2 3D-IP模型

2.1模型要点

三维侵入逾渗模型的核心思路是：在三维地质体中寻找油气运移最有利的通道，并根据油气源供给量计算油气聚集量。该模型有3个要点，即：(1)沿着最小阻力方向追踪。在运移过程中遇到多方向选择时，该方法与达西流不同，只选择最小阻力方向，即只有一个方向——最佳方向。(2)遇到障碍回注。当运移动力小于阻力时，油气不能继续向前运移，此时如果有后续的油气不断供给，临时聚集的油气柱高度就会加长，油体就会变大，相应地浮力也会增加。随着浮力的增大，油气将继续运移。(3)改变路径、寻找最薄弱环节继续运移。随着浮力的不断增加，新的油气体突破运移阻力的机会也在增大，一旦浮力超过路径中最小阻力时就会突破该点，并由此为新起点，向着阻力最小的方向继续运移。

2.2计算公式

三维侵入逾渗模型中，涉及以下几个计算公式：

(1)驱动力。驱动力以浮力为主，浮力与回注后新增的浮力的计算公式：

(1)

式(1)中：pf为油气柱高度为h时，油气柱在地层水中的浮力；ρw，ρo分别为地层水和油气的比重；g为重力加速度；h为油气柱高度；Δf为回注后新增的浮力；Δh为回注后新增的油气柱高度。

表1 塔里木盆地中下奥陶统顶面不整合面下碳酸盐岩缝洞岩体5种假设孔隙分布模式

图1 塔里木盆地碳酸盐岩缝洞岩体假想三维地质模型孔隙度按随机分布给出。

(2)阻力。阻力以毛细管力为主，计算公式：

(2)

式(2)中：pc为喉道半径为r时的毛细管力；r为喉道半径；σ为界面张力；θ为润湿角。

(3)运移过程散失量与聚集量。运移过程散失量与聚集量的计算公式：

(3)

式(3)中：Qm为油气聚集量；Qe为进入三维地质体的油气量；Qr为运移过程中油气散失量；n为油气运移通过的三维网格数；vi为第i个三维网格储层体积；φi为第i个三维网格储层孔隙度；so为残余油气饱和度；ρo为油气的比重。

2.3模型试验

以图1三维地质随机孔隙度分布为地质模型，为方便叙述，模型以石油为研究对象，石油注入点为三维体的斜坡底部，即最右侧的底部网格。在油源较充足的条件下，模型追踪的油气运移路径如图2所示，聚集量见图3。从图2、图3中可以发现，油的分布符合缝洞型油气藏分布的特点——呈零散状、层状分布，既受构造控制也受岩性控制，油气运移局限在主通道上。

3 应用实例

3.1基本地质特征

实例位于塔里木盆地塔中地区，三维地质体为塔中S6区块，目的层为良里塔格组良1段和良2段。S6区块大小为30.9 km×16.8 km，面积约524 km2，从不整合面向下纵向厚度约140 m。平面模拟网格长度为150 m×150 m，纵向网格长度为14 m，三维网格数230 720个(206×112×10)。根据三维地震反演成果，绘制出10个小层的孔隙度分布(图4)。从图4可见，从上到下孔隙度由大变小，塔中1号断裂带的下降盘孔隙度反而比上升盘大。

图2 塔里木盆地碳酸盐岩缝洞岩体假想三维地质模型中追踪的油气运移路径

图3 塔里木盆地碳酸盐岩缝洞岩体假想三维地质模型中各小层油气聚集量模拟结果

图4 塔里木盆地塔中地区S6区块10个小层的孔隙度分布

3.2两种模拟结果对比

根据盆地模拟结果分析[21]，油源来自东北方向的满加尔凹陷。研究区三维地质体有两种可能的供油气方式：第一，沿着不整合面进入；第二，沿着塔中1号断裂带进入。图5a,b中红色线分别为第1种和第2种供油气方式的模拟路径。图6a,b分别为第1种和第2种供油气方式的模拟结果——聚集量。可见，两种模拟结果的共同点是：在断裂带的上升盘，油气聚集位置基本相同，主要受构造控制；不同点是：在断裂带的下降盘，前者聚集了岩性油气藏，后者没有油气藏分布。

4 结论

1)塔里木盆地中下奥陶统不整合面顶面向下，分别发育上、中、下3种不同特征的岩溶带。上带平均孔隙度可达8%～10%；中带平均孔隙度小于上带，约为6%～8%；下带平均孔隙度可达3%～6%。碳酸盐岩体的基质孔隙较小，一般小于3%。

2)三维侵入逾渗模型有3个要点：第一，沿着最小阻力方向追踪；第二，遇到障碍回注；第三，改变路径、寻找最薄弱环节继续运移。该模型经过随机模拟数据测试和塔中实际数据验证，说明适合于不整合面下缝洞岩体油气运聚模拟。

3)塔中地区不整合面下缝洞岩体油气运聚主要受构造和物性变化控制，不管是油气通过断面还是不整合面运移，在目的层构造高部位是主要的油气聚集区；在顺层斜坡处，只有部分孔隙度变化较大的位置聚集了岩性油气藏。因此，优先的钻探目标是有油气供给的构造圈闭，其次是不整合面物性变化带，即岩性圈闭。

图5 塔里木盆地塔中地区S6区块两种供油气方式下的油气运移路径模拟结果

图6 塔里木盆地塔中地区S6区块两种供油气方式下的油气聚集量模拟结果

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(编辑徐文明)

Hydrocarbonmigrationandaccumulationmodeloffractured-vuggyreservoirunderunconformitysurface:A case study of carbonate reservoir in Tarim Basin

Guo Qiulin1, Yang Wenjing2, Xiao Zhongyao2, Lu Yuhong2, Xie Hongbing1,3, Gao Rili1, Huang Shaoying2

(1.ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,PetroChina,Beijing100083,China; 2.ResearchInstituteofPetroleumExplorationandDevelopment,TarimOilfieldCompany,PetroChina,Korla,Xinjiang841000,China; 3.CollegeofGeosciences,ChinaUniversityofPetroleum,Beijing102249,China)

It is difficult to accurately evaluate petroleum resources or reserves in the fractured-vuggy carbonate rocks under unconformity surface using traditional volumetric method. This paper proposes a three-dimensional invasion percolation model (3D-IP) to simulate hydrocarbon migration and accumulation in fractured-vuggy carbonate rocks, based on three-dimensional geologic modeling, structure, porosity and the quantity of supplied hydrocarbon data. The model has 3 main points: (1) Trace migration paths along the direction with least resistance; (2) When an obstacle is encountered, oil and gas flow back; (3) When the balance between driving force and resistance is broken, oil and gas continue to migrate by finding the weakest points and paths. The model can make up for the inadequacy of the volumetric method. It can predict not only the amount of petroleum resources, but also their locations. By stochastic model experiment and practical application of Block S6 in Tazhong area of the Tarim Basin, this paper confirms the validity and superiority of the proposed model, and points out potential targets in Block S6, thus giving exploration direction of fractured-vuggy reservoir in the slope area.

hydrocarbon migration and accumulation; invasion percolation; fractured-vuggy reservoir; unconformity surface; carbonate rock; basin modeling; Tarim Basin

1001-6112(2013)05-0495-05

10.11781/sysydz201305495

TE122.1+2

A

2012-08-20；

2013-07-14。

郭秋麟(1963—)，男，博士，教授级高工，从事油气资源评价、盆地评价与数值模拟等研究。E-mail: qlguo@petrochina.com.cn。

国家重大科技专项“岩性地层区带、圈闭评价与储层预测技术研究”( 2011ZX05001)和中国石油科技攻关项目“盆地模拟技术研究”(2008A-0602)资助。