源外斜坡区油气运移主控因素及优势路径刻画——以渤海海域石臼坨凸起斜坡区为例

杨传超,张新涛,郭涛,姚城,郭瑞,张震

(中海石油(中国)有限公司天津分公司,天津 300457)

0 引言

石臼坨凸起是渤海重要的聚油单元,继南堡35-2,QHD32-6,QHD33-1S等多个大中型油气田发现后,凸起高部位油藏已基本钻探殆尽.近年,围绕老油田滚动勘探在其斜坡部位发现了QHD33-1S等油田,累计落实石油地质储量超过1X108t,展现出石臼坨凸起斜坡区良好的油气勘探前景[1].

凸起斜坡区自身无法生油,油气均来源于凹陷中的古近系烃源岩.因此,油气运移路径是制约源外斜坡区油气成藏的关键.目前,研究区与油气输导、运移相关的研究很多[2-5],但侧重于油气运移的总体方向,对油气运移的具体路径缺乏研究,尤其对于"从烃源到圈闭"的整个运移过程分析较为薄弱.烃源供给的差异势必会影响油气在凸起区的运聚.因此,笔者通过综合分析凹陷的烃源条件、边界断裂及凸起区构造脊等制约成藏的三大因素,利用盆地流线模拟技术,精细刻画了渤海湾盆地石臼坨凸起斜坡区的油气优势运移路径,以期为研究区的下步油气勘探提供地质理论依据,同时也为渤海湾盆地类似斜坡区的勘探开发提供一定的借鉴.

1 区域背景

石臼坨凸起位于渤海海域西北部,南、北分别与石南一号断层、秦南凹陷和渤中凹陷相接.凸起区高部位已全部钻探,先后发现了QHD32-6,NB35-2和QHD33-1S等3个亿吨级油气田.研究区位于凸起南侧,北侧紧邻QHD32-6和NB35-2油田所在的高凸起,为一北高南低、西高东低的斜坡(见图1).

图1 石臼坨凸起区域位置

石臼坨凸起在渐新世前后,经历了先隆后拗的过程,在中生界火山岩基底上主要沉积了新近纪地层,局部发育较薄的东营组[5].进入新近系后,渤海湾盆地整体处于区域性拗陷的后裂陷阶段,而其海域部分作为盆地沉积中心,沉积了厚层的馆陶组和明化镇组,将盆地填平补齐.其中:新近系馆陶组为辫状河沉积,主要发育大套的含砾砂岩夹薄层泥岩;明化镇组为曲流河相沉积,明化镇组底部和上段稳定发育的泥岩是研究区2套主要的区域性盖层(见图2).

钻探结果证实:渤中凹陷发育东三段、沙一段和沙三段3套有效烃源岩,具有较好的油源条件.凸起带为凹陷内部生成油气的有利运移指向区,该区带新近系油气主要来自于渤中凹陷的沙河街组烃源岩[3].

2 运移路径的主控因素

石臼坨凸起斜坡区6个构造带、15口井的钻探结果表明,斜坡区油气运移路径主要受3个方面的因素控制.

图2 石臼坨凸起区域综合柱状图

2.1 "中转站"控制油气初始聚集区

对含油气盆地而言,烃源岩是油气生成的物质基础,也是油气运移的起始点[6].断陷期主控边界断裂的下降盘是烃源岩发育的有利区[7].单纯与烃源岩接触的断面,其运移能力并不强,只有与烃源岩内的砂体"中转站"配合,才能为上部圈闭提供充足的油源[8].

"中转站"形成的首要因素是烃源岩条件.渤中凹陷主要的烃源岩层系是古近系沙河街组,形成于断陷期,断层活动强烈,沉降幅度大,湖水加深,广泛发育半深-深湖相泥岩.因此,沙河街组烃源岩具有有机质丰度高、类型好、热演化程度高以及分布广等特点.据统计,该区沙河街组烃源岩有机碳质量分数为1.85%～2.72%,有机质类型以Ⅱ1型和Ⅱ2型为主,为优质烃源岩.研究区烃源岩在3 000 m左右进入生烃门限,有机质开始生油[9].

"中转站"形成的另一重要因素是中深层的储层条件.结合已钻井的录井、测井、壁心、粒度分析及地震相等资料,应用高精度层序地层分析技术,对石南一号断裂下降盘进行了沉积分析,并对其古近系沉积时期的的砂体平面展布进行了预测[10-11].能否成为有效的"中转站",关键在于古近系的中深层砂体与边界断层及烃源岩均能有效搭接.依附于石南一号断裂下降盘发育的古近系砂体与烃源岩有效搭接,可形成油气初始汇聚区.从图3中可以看出,石南一号断裂下降盘共形成了Ⅰ-Ⅵ共6个油气初始汇聚区,即有6个"中转站",控制了油气的初始运聚方向.

图3 石南一号断裂下降盘"中转站"发育位置

2.2 边界断裂控制油气垂向汇聚点

边界断裂是沟通烃源岩和圈闭的重要桥梁,其活动强度决定了油气的垂向运移能力[12],而断面形态是影响油气汇聚效率的关键[13],二者共同控制了油气在垂向上的运移方向(见图4).只有当断面形态和断裂活动性能有效匹配时,油气才能大量运移到对应圈闭.

目前用来表征断层活动强度的方法主要有断层落差法、生长指数法和活动速率法.其中,断层落差法没有考虑时间的概念,而生长指数法则要求凹陷内部沉积速率一致,断层上下盘没有大的沉积间断.本次研究采用断层活动速率法,较好地弥补这些方法的不足,能够较好地反映断层活动特征.断层活动速率是指某一地层单元在一定时期内,因断层活动形成的落差与相应沉积时间的比值[14].

图4 石南一号断层活动速率及断面形态

断面形态在平面上表现为平直和弯曲2种形态,走向弯曲的断层,沿其走向可见多个拐点,在三维形态上表现为凹凸面的特征.断层凸面范围是凹陷油气向该断层面的主要汇聚区,凹面则是发散区.断层在不同层位上向凹陷方向的重要拐点 (即断层面的构造脊与该层位的交点)为油气沿断层面垂向运移后向该层位输导层中注入的主要汇聚点[15],也是油气在砂岩输导层中运移的起始点.

石南一号边界断层是渤中凹陷油气向凸起运移的重要输导通道,在新构造运动期,断层活动差异明显,东侧活动性最强,活动速率普遍大于30 m/Ma;西侧次之,活动速率在25 m/Ma左右;中部最弱,晚期基本不活动(见图4a).据统计,渤海地区断层活动速率大于25 m/Ma,被认为是强活动断裂,对油气主要起垂向输导作用[12].结合石南一号断层断面形态,在强活动区发育有12个断层凸面(见图3b),4-7号以及12号尽管发育了凸面,但断层活动速率低,几乎不活动,难以形成有效的汇聚点.有效的汇聚点为①-⑦号共7个,其中④,⑤号汇聚点的输导能力最强(见图4b).这些汇聚点为油气在横向输导层中运移的起始点.

2.3 馆陶组构造脊控制油气横向运移

石臼坨凸起斜坡区不发育烃源岩,主要通过砂体、不整合面以及断裂组成的输导体系,将凹陷中的油气运移至凸起区浅层.首先,凹陷中的油气优先在"中转站"汇聚,紧接着通过油源断裂垂向运移.由于凸起区中生界火山岩物性较差,东营组储层不发育,仅馆陶组发育大套含砾砂岩,横向分布稳定,储层物性好,是油气横向运移的有利通道[5].

油气进入凸起区馆陶组输导层中后,在构造相对低洼区,油气运移呈发散状甚至没有发生运移,主要是沿构造脊横向运移[16].构造脊是指正向构造同一岩层面上最高点的连线,油气在浮力的控制下不断地向构造脊汇聚.勘探结果证实,在石臼坨凸起东部斜坡区,馆陶组构造脊上所有钻井在馆陶组至明化镇组均见到了较长的含油井段,表明油气充注能力强.相反,位于构造脊之外的钻井仅见到零星显示[5],这说明馆陶组构造脊控制了凸起斜坡区油气的横向运移.

3 优势运移路径刻画

3.1 基于流线法的油气运移路径模拟

利用相分析技术、钻井资料以及主力烃源岩层系的沉积相图,确定与烃源岩密切接触的古近系砂体发育范围(油气初始汇聚区).在此基础上,综合考虑边界断裂的活动性、断面形态,取强活动性断层与凸面叠合区作为油气在断面上的汇聚点为油气在馆陶组输导层中运移的起始点.对于油气在砂体输导层中的运移路径,可以用盆地模拟软件实现.

目前可用于油气运移模拟的方法主要有渗流力学法、流体势能分析法、流线法等[17-22].在新近系浅层砂体输导层中,油气运移主要受浮力驱动[16].本文采用基于浮力驱动的流线法,应用IES PetroMod软件对凸起斜坡区的油气运移路径进行了刻画.

3.2 模拟结果

石南一号断裂上共发育7个油气汇聚点,结合盆模软件EXPRESS模块对这7个点进行油气注入.结果显示,凸起斜坡区共发育13条油气运移路径,其中西段3条,东段10条.由图5可以看出,油气运移并非沿所有凸起运移,而是沿着少数几个构造脊运移.由此可见,油气从凹陷向凸起运移前,油气汇聚区已发生明显的变化.尽管凸起上发育着数量众多的构造脊,并非所有构造脊上都有大量的油气运移发生."源-断-脊"三者的耦合区决定了油气在凸起斜坡区的最终运移方向,即凸起上的油气优势运移路径.目前,已在凸起斜坡部位发现的QHD33-1S亿吨级油田,就位于7,8,9,10,11号油气优势运移路径上(见图5).

图5 石臼坨凸起斜坡区油气优势运移路径

4 运聚模式

综合分析"源-断-脊"三者的匹配关系,认为石臼坨凸起斜坡区主要为"断控源仓型"油气运聚模式.

"断控源仓型"由烃源岩、古近系扇体、边界断裂、馆陶组砂砾岩体、明下段砂体与晚期断裂在空间上有序组合而成.边界断裂沟通着古近系烃源岩和馆陶组砂砾岩体,晚期断裂沟通着馆陶组砂砾岩体和明下段砂体[23].总体而言,"中转站"、边界断裂特征和馆陶组构造脊三者联合控制了凸起斜坡区的油气优势运移路径,缺少其中任何一项,都难以形成有效的油气优势运移路径.由图6可见:①区"源-断-脊"三者耦合,在凸起斜坡区形成油气优势运移路径,而②-④区均未形成有效的油气优势运移路径;②区缺乏边界断裂条件,断裂晚期不活动;③区缺乏"中转站",古近系砂体与烃源岩不接触;④区缺乏馆陶组构造脊(见图6).

图6 石臼坨凸起斜坡区油气运聚模式

5 勘探实践

5.1 位于运移路径上的构造均有好的油气发现

勘探实践证实,凸起斜坡区已发现的含油气构造均处在油气优势运移路径上,其中QHD33-1S亿吨级油田最为典型,是石臼坨凸起斜坡区迄今为止在新近系发现的最大油田.该油田位于石臼坨凸起东斜坡,以构造-岩性圈闭为主,储层是明化镇组极浅水三角洲砂体.油田区底部无烃源岩发育,断至馆陶组的晚期断层是该油田唯一的供油通道.从模拟结果来看,该区的晚期断层均切入了馆陶组油气优势运移路径上 (见图6),这表明位于优势运移路径的馆陶组输导层为QHD33-1S油田提供了充足的油源.

5.2 远离运移路径的构造钻探效果不佳

油气优势运移路径也来源于失利井的反面立证.在石臼坨凸起斜坡区乃至凸起高部位,基于三维地震资料落实了一批可靠的构造圈闭和构造-岩性圈闭,加之浅层储盖组合好,成藏概率应该非常大.但钻探证实,仅有零星油气显示或者无显示.经过钻后的深入类比发现,凸起区浅层未有理想的油气发现,主要原因是未处于油气优势运移路径上,例如QHD31,QHD34等构造的钻探失利就是很好的佐证.

6 结论

1)石臼坨凸起斜坡区油气运移路径受烃源条件、边界断裂和馆陶组构造脊三者联合控制.烃源岩与中深层砂岩储层的接触关系控制了油气初始汇聚点;边界断裂活动性和断面形态控制了油气垂向输导能力;馆陶组构造脊控制油气的横向运移路径.

2)勘探结果证实,油气优势运移路径控制凸起斜坡区油气差异聚集.在油气优势运移路径上已发现1个亿吨级油田和多个含油气构造,而远离路径的构造钻探效果不佳.

3)位于油气优势运移路径上的未钻构造是下步有利的勘探方向.在石臼坨凸起斜坡区共刻画了13条油气优势运移路径,其中,3-6,11和13等6条油气优势运移路径上的凸起斜坡区未有钻井揭示,具有较大的勘探潜力.