不整合輸導層側向非均質性及其對油氣成藏的差異控制作用

郭凱 ，曾濺輝，金鳳鳴，劉濤濤，藍寶鋒

(1. 中國石油大學 油氣資源與探測國家重點實驗室，北京，102249；2. 中國石油長城鉆探工程有限公司 解釋研究中心，北京，100101；3. 中國石油華北油田 勘探開發研究院，河北 任丘，062552；4. 中國石油長城鉆探工程有限公司 地質研究院，遼寧 盤錦，124000)

近年來，盆地流體輸導體系作為油氣成藏動力學研究的基礎越來越受到重視[1?2]。不整合作為輸導體系的重要組成部分[3?5]，既可以作為油氣運移的良好通道，又能夠形成多種類型的圈閉而聚集油氣[6?15]。迄今為止，我國在準噶爾盆地[11,13,16]、塔里木盆地[17]、渤海灣盆地[12,18?19]等多個盆地均發現了許多與不整合有關的油氣藏。不整合之所以能夠成為油氣的運移通道和聚集場所與其自身的結構特征有關，許多學者認為不整合是一個具有多層結構的地質體，縱向上，一個完整的不整合結構多由不整合面之上的巖石及其之下的風化黏土層和半風化巖石 3層結構所構成[9,11,20?21]。不整合對油氣的輸導作用主要通過其上部砂礫巖和下部半風化巖石進行，可構成單或雙運移通道[9?11,14,22]。然而，目前關于不整合與油氣運聚關系的研究多側重于分析不整合結構類型及其縱向巖性組合關系對油氣的輸導或遮擋作用[9,12?13,23]，這些研究中多把不整合各結構層視為均質層，未考慮各結構層內部可能存在的非均質性及其對油氣運聚的影響。渤海灣盆地冀中坳陷發育了眾多與不整合有關的潛山油藏，如任丘潛山、雁翎潛山、韓村潛山油藏。其中，沿古潛山不整合分布的潛山坡油藏是一類比較特殊的油藏，此類油藏的儲層之上以不整合風化黏土層或古近系湖相泥巖為封蓋，側向以潛山內部非滲透性隔層形成封堵，不整合是其油氣運移的主要通道，如任丘潛山北部潛山坡(任北潛山坡)。目前，普遍認為任北潛山坡的油氣運移通道為前古近系不整合，來自其周邊馬西和鄚州洼漕的原油沿不整合運移并在不整合之下的潛山儲集空間聚集成藏[24?26]，因而，不整合運移通道是否暢通是影響潛山油氣成藏的關鍵問題。但是，目前對于該區不整合結構的側向非均質性及其如何控制油氣運移以及對潛山儲層尤其是內幕儲層的充注等問題尚缺乏研究，限制了潛山斜坡內幕油藏的勘探，因此，急需對不整合結構及其控油作用有新的認識從而指導勘探。為此，本文作者分析不整合輸導層側向非均質性的形成特征并通過物理模擬實驗探討不整合輸導性能差異對油氣運移和聚集的控制作用，以期對不整合結構的控藏作用有新認識。

1 不整合輸導層的側向非均質性

1.1 不整合輸導層側向非均質性的成因

饒陽凹陷任丘潛山是一個受任西斷層控制的走向北東、西抬東傾的單斷型潛山，其東側呈緩坡傾伏于馬西洼槽。目前，其北部潛山坡已發現奧陶系(O)、寒武系府君山組(∈1f)等潛山坡削截不整合油藏以及薊縣系霧迷山組(Jxw)潛山坡頂部油藏，見圖1。其中：寒武系府君山組與霧迷山組油藏油水界面均為?3 510 m，屬同一流體連通體系；奧陶系油藏油水界面為?4 100 m。

圖1 饒陽凹陷任丘潛山北部潛山坡油氣分布剖面圖Fig.1 Cross section of hydrocarbon distribution in buried hill slope in the northern part of Renqiu buried hill, Raoyang Sag

任北潛山坡發育了多套奧陶系和寒武系儲蓋組合，儲集空間以溶蝕孔洞縫為主，由多套內幕隔層封隔[27]。其中：奧陶系隔層主要位于冶里組中下部，單層厚度介于2～11 m，累計厚度達20 m以上，以泥質灰巖和鈣質泥頁巖為主，排替壓力多在5 MPa以上[28]；泥質質量分數可達 30%以上(見圖 2)，屬中等—好隔層[28]。該套隔層構成了任北奧陶系含油儲層的底部隔層。寒武系隔層主要有2套，即上寒武統鳳山—崮山組(∈3f-g)頁巖與中下寒武統徐莊組—饅頭組(∈2x-∈1m)泥頁巖，隔層單層厚度介于2～10 m，累計厚度達30 m以上，排替壓力可達7 MPa以上[28]，泥質質量分數分別達到 30%和 60%以上(圖 2)，屬較好—好隔層[28]。這 2套隔層分別與中部張夏組(∈2z)鮞狀灰巖和下部府君山組灰巖構成2套儲蓋組合，且下部府君山組已見工業油流，但中部張夏組是否發育內幕油藏尚缺乏研究(圖1)。此外，青白口系長龍山組(Qnc)也發育大套泥巖，可做霧迷山組油藏隔層和府君山組油藏底部隔層。

圖2 任丘潛山內幕隔層分布示意圖Fig.2 Sketch map showing distribution of interlayer of Renqiu buried hill

任丘潛山前古近系不整合縱向結構多可以劃分為砂礫巖、風化黏土層和半風化巖石(風化淋濾帶)3層結構[28]。風化淋濾帶是不整合最重要的輸導層[9,11,14,22]，在碳酸鹽巖地層中主要以包括垂直滲流帶和水平潛流帶的巖溶系統形式出現[10,29]。其孔滲性能高低直接影響油氣能否沿不整合運移并向潛山儲層充注。一般來說，碳酸鹽巖風化淋濾帶溶蝕孔洞縫的發育程度主要與巖性、構造裂縫、溶蝕程度及成巖作用有關[25,30?32]，而巖性是決定碳酸鹽巖儲層發育與隔層的首要因素。前人研究表明[30?31,33?35]：泥質含量對于碳酸鹽巖地層構造裂縫的發育和溶蝕程度具有重要的控制作用，泥頁巖或高泥碳酸鹽巖往往因其較強的塑性和較差的孔滲性而抑制裂縫的發育和溶蝕作用的進行。例如，有學者統計認為碳酸鹽巖中泥質質量分數超過 5%時裂縫便明顯減少[36]；杜金虎等[25]經研究發現任北奧陶系泥質碳酸鹽巖非儲層孔隙度均在 2%以下，滲透率小于 1×10?3μm2。可見：泥質含量高的碳酸鹽巖由于裂縫化和溶蝕程度低極易成為低滲透層或非滲透隔層，而泥質質量分數低的碳酸鹽巖則易于沿泥質非滲透層發育溶蝕孔洞縫而形成順層溶蝕帶[29?30]。如任 7井在兩套含泥質層間433.5 m井段內的純白云巖段，縫洞發育段37層厚270.4 m，占該巖段厚度的62.4%[30]。任北地區寒武系、奧陶系發育多套泥質質量分數高達 30%以上的地層，在其遭受風化淋濾及溶蝕作用后根據溶蝕孔洞縫的發育程度大致可分為碳酸鹽巖儲層和致密碳酸鹽巖或泥質碳酸鹽巖隔層，從而構成不整合風化淋濾帶的層控儲層和層控非儲層，使得不整合風化淋濾帶具有很強的非均質性。而這種非均質性必然會造成不整合輸導層的非均質性，并可能導致不整合輸導層輸導油氣的方式和能力具有差異性從而對油氣運聚產生影響。

1.2 基于不整合側向非均質性的不整合輸導層類型劃分

不整合面之下半風化巖石受地層抬升剝蝕形成的卸載裂縫和受風化淋濾作用形成的風化裂縫與溶蝕孔洞縫極易成為烴類流體的運移通道和聚集場所[9,11,14,22]。但該通道的形成受未風化巖石的巖性影響甚大，受風化淋濾作用而發育在硬脆性巖石(碳酸鹽巖或砂質巖類等)中的裂縫與孔隙規模大且在后期壓實成巖作用下仍有相當一部分會保存下來從而具有良好的油氣輸導能力，但發育在軟塑性巖石(泥質巖類)中的裂縫與孔隙規模小且極易在后期負載的作用下被封閉而不具備或僅具有限的輸導能力[14,22,37]。因此，結合硬脆性與軟塑性兩類巖性的組合及其風化結果，將不整合面之下半風化巖石從輸導性能上大致分為 3種類型，即暢通型輸導層、斷續型輸導層和連續型封堵層，見圖3。

暢通型輸導層指在某一不整合的較長側向范圍內，不整合面之下巖石主要為泥質質量分數低的硬脆性巖石，其所形成的半風化巖石整體上都為具有較強輸導能力的高滲層，主要起輸導油氣的作用(見圖3(a))。斷續型輸導層指在某一不整合的較長側向范圍內，不整合面之下為泥質質量分數低的硬脆性巖石與泥質質量分數高的軟塑性巖石間互分布，其所形成的半風化巖石為非均質層，由具較強輸導能力的高滲層與無或弱輸導能力的非(低)滲層所構成，其對油氣的輸導作用要視情況而定(見圖 3(b))。連續型封堵層指在某一不整合的較長側向范圍內，不整合面之下巖石主要為泥質含量高的軟塑性巖石，其所形成的半風化巖石不具或僅具較弱的輸導能力，主要起封堵油氣的作用(圖3(c))。可見：真正意義的不整合輸導層主要包括暢通型輸導層和斷續型輸導層2類，由于這2類輸導層具有不同的構成特征和輸導性能，因而其所控制的油氣運聚特征也必然不同。下面以任北潛山坡的地質特征為基礎，通過物理模擬實驗探討這2類輸導層的差異控油作用。

2 不整合輸導層側向非均質性控藏模擬實驗

2.1 實驗模型與實驗參數

根據不整合輸導層類型及特征以及任北潛山坡成藏模式(圖1)設計不整合輸導層控油實驗模型，見圖4。由于任北潛山坡不同位置的儲層物性不同，因而設計了模擬潛山坡下部圈閉、潛山坡中部內幕圈閉和潛山坡頂部圈閉3個物性不同的圈閉。其中：潛山坡頂部圈閉物性最好(圈閉 3)，潛山坡下部圈閉的物性次之(圈閉1)，潛山坡中部內幕圈閉的物性最差(圈閉 2)，見表 1，它們之間被兩套低滲隔層所分隔。砂層及低滲隔層上部為不整合面之下的半風化巖石(風化淋濾帶)，其下部直接與洼漕內烴源巖及上覆輸導層溝通。半風化巖石頂部不設出口，以此表示斜坡上方被斷層或泥質層所封堵。任北潛山坡風化黏土層厚度多在4～10 m之間[28]，其存在有利于阻止油氣的竄層運移而成為有效的不整合遮擋層[9,11,14]。因而，在此假設風化淋濾帶之上的風化黏土層或蓋層連續分布，實驗中用橡膠模擬。注油口及出口位置如圖4所示，出口的管線高度與模型頂部平齊，以表示實驗初始時處于靜水壓力環境。

由于滲透率是影響地層[38?39]中流體流動的主要參數，因而，在設計實驗時，主要通過改變半風化巖石內部的滲透率來表征其非均質性差異。為了對比分析暢通型和斷續型2類輸導層對油氣運聚的差異控制作用，共設計了2個實驗。其中：實驗1中不整合輸導層為暢通型輸導層(見圖4(a))，其滲透率高于其下各套地層；實驗2中不整合輸導層為斷續型輸導層，由高滲帶和低滲帶組成(見圖 4(b))，高滲帶的滲透率高于其下各套地層，而低滲帶滲透率與下部低滲隔層相同。具體實驗參數見表1。

2.2 實驗裝置、材料與實驗方法

實驗裝置為中國石油大學(北京)油氣資源與探測國家重點實驗室的油氣二次運移與聚集物理模擬實驗裝置。模型本體是長×寬×高為50 cm×30 cm×2 cm的金屬箱體，其正面為鋼化玻璃板，可以觀察實驗過程中油的運移和聚集情況。

圖3 不整合輸導層類型示意圖Fig.3 Sketch map showing three types of carrier beds in unconformity structure

實驗用砂為沈陽玻璃珠廠生產的粒徑不同的純凈白色石英砂，石英砂強親水，潤濕角接近0°。模擬風化黏土層或蓋層所用橡膠的滲透率視為 0 μm2。實驗用油為中性煤油，密度為0.75 g/cm3，黏度(25 ℃)約為42 mPa·s。實驗用水為蒸餾水，密度為1.0 g/m3，黏度(25 ℃)為 1 mPa·s。為了使油水間有明顯的顏色反差以便于觀察油的運移和聚集過程，實驗前用微量天然色素將煤油染成橙黃色。

圖4 實驗模型示意圖Fig.4 Sketch maps of experimental models

表1 實驗參數Table 1 Parameters of two experiments

實驗的充注方式為單一油相連續充注，注油速率設定為0.1 mL/min，具體實驗方法見文獻[40]。

2.3 實驗過程與討論

2.3.1 實驗過程分析

(1) 不整合輸導層為暢通型輸導層時油的運聚過程。實驗1中半風化巖石為高滲輸導層(表1)，實驗開始后油首先進入高滲的半風化巖石輸導層，之后沿其迅速向上運移(圖5(a))，到達潛山坡頂部后受斷層或泥質層封堵開始快速充注物性最好的頂部圈閉 3(圖5(b))。當油充滿圈閉3約一半高度時，模型內流體勢發生變化使得油有足夠動力克服圈閉1和圈閉2的毛細管阻力，繼而開始充注圈閉1和圈閉2(圖5(c))，然后，繼續充注圈閉 3并緩慢充注圈閉 1和圈閉 2(圖5(d))，直至出口出油實驗結束(圖5(e))。可見：當不整合輸導層為暢通型高滲輸導層時，油將首先充注物性好的潛山坡頂部圈閉，其次充注物性較差的潛山坡中下部圈閉。

(2) 不整合輸導層為斷續型輸導層時油的運聚過程。實驗2中半風化巖石為高滲帶和低滲帶構成的非均質輸導層(表1)，實驗開始后油首先進入高滲帶并沿其向上運移(圖6(a))，遇到低滲帶1后由于其較大的毛細管阻力使得油沿不整合的運移受阻，此時，油開始首先充注物性好于低滲帶1的潛山坡圈閉1(圖6(b))，待基本充滿圈閉1后，由于浮力與注油壓力的作用使得油克服了低滲帶1的毛細管阻力，油穿過不整合內的低滲帶1繼續沿高滲帶運移(圖6(c))，隨后又突破了頂部低滲帶2(圖6(d))；最后，油開始向下充注圈閉2和圈閉3且對圈閉3的充注速率要比圈閉2的大，最終出口出油實驗結束(圖6(e))。可見：當不整合輸導層為由高滲帶與低滲帶組成的斷續型非均質輸導層時，受不整合內低滲帶的控制，油將首先充注潛山坡下部物性中等的圈閉，其次充注物性差的潛山坡中部內幕圈閉和物性好的潛山坡頂部圈閉。

圖5 實驗1油的運移聚集過程Fig.5 Oil migration and accumulation process of experiment 1

圖6 實驗2油的運移聚集過程Fig.6 Oil migration and accumulation process of experiment 2

2.3.2 實驗結果討論

暢通型與斷續型兩類不整合輸導層對油的運移路徑具有明顯不同的控制作用，使得油對不整合之下各圈閉的充注次序及難易程度不同。在前者控制下，由于不整合為高滲輸導層，油沿不整合運移阻力小，其運移方式為“暢通式”，且油優先充注潛山坡頂部圈閉；而在后者控制下，由于不整合輸導層內部低滲帶的存在，當油沿不整合高滲帶運移至低滲帶時運移阻力增大，運移近于停滯，只有當積累的運移動力足以克服低滲帶毛細管阻力時油才能穿過不整合低滲帶而繼續向前運移，因而其運移方式表現為“跳躍式”，此時，油將優先充注物性好于低滲帶即毛細管阻力較小的潛山坡中下部圈閉。例如，當注油量相當，注油時間約為800 min時，實驗1中油已運移至不整合頂部并僅開始充注潛山坡頂部圈閉3(見圖5(b))，而實驗2中由于受低滲帶1的封堵油沿不整合的運移受阻，轉而優先充注潛山坡下部圈閉1(圖6(b))。當注油約1 400 min時，實驗1中油已充注圈閉3接近一半的高度，但對圈閉2和圈閉1的充注才剛開始(圖5(c))，而此時實驗2中油已基本充滿圈閉1，但尚未開始充注圈閉2和圈閉 3(圖 6(c))。

此外，暢通型與斷續型2類不整合輸導層對最終各圈閉的充滿程度也具有明顯不同的控制作用。前者控制下潛山坡中下部圈閉最終油氣充滿程度低，而在后者控制下潛山坡中下部圈閉油氣充滿程度高。例如，實驗1結束時，圈閉2和圈閉1充滿度較低，含油面積小(圖5(f))；而實驗2結束時，雖然其總注油量比實驗1的小，但圈閉2和圈閉1的充滿度和含油面積卻明顯比實驗1的高(見圖6(f))。

3 不整合輸導層的差異控油作用及其地質意義

通過上述模擬實驗分析可知，不同類型的不整合輸導層具有不同的油氣輸導特征以及不同的成藏效應。不整合半風化巖石輸導層為完全由高滲帶構成的暢通型輸導層時表現為“暢通式”高效輸導油氣的特征，而當其為由高滲帶與低滲帶構成的斷續型輸導層時則表現為“跳躍式”低效輸導油氣特征。即當不整合輸導層溝通了烴源巖成為油氣運移通道時，相對均質高滲的半風化巖石輸導層能快速長距離輸導油氣至潛山坡高部位。而非均質的半風化巖石輸導層由于受其內部低滲帶的阻擋作用只能較慢且短距離輸導油氣，在遇到內部低滲帶后油氣沿不整合的運移基本停滯，只有積聚的浮力等動力足以克服低滲帶的毛細管阻力油氣時才能夠穿過半風化巖石內的低滲帶而繼續向上運移，油氣在較長一段時間內將滯留于潛山坡低部位，因而呈現出“跳躍式”運移的特征。

圖7 不同類型的不整合輸導層差異控藏模式示意圖Fig.7 Sketch maps showing migration and accumulation models controlled by different carrier beds in unconformity structure

由于不同類型的不整合半風化巖石輸導層具有不同的油氣輸導特征，因而其所控制的油氣充注與聚集模式必然會有所差異。對應于暢通型和斷續型不整合輸導層的2種油氣輸導模式，油氣的聚集也主要表現為2種特征。暢通型輸導層控制的“暢通式”高效油氣輸導模式中，油氣優先充注并聚集于物性較好的潛山坡頂部不整合遮擋圈閉中，且當油氣源一定時，只有潛山坡頂部圈閉成藏，若油氣源充足時物性較差的潛山坡下部圈閉及中部內幕圈閉，也可成藏，但其充滿度很低(圖7(a))。斷續型輸導層控制的“跳躍式”低效油氣輸導模式中，油氣優先充注并聚集于物性較差的潛山坡下部不整合遮擋圈閉中，當油氣源一定時，僅有下部圈閉成藏且充滿度高；而油氣源充足時，物性差的潛山坡中部內幕圈閉和物性較好的頂部圈閉也可成藏且充滿度較高(圖7(b))。

不整合輸導層作為任北潛山坡的油氣運移通道，其非均質性特征可能是決定油氣能否向潛山坡儲層充注及向何部位充注的重要因素。如前所述，任北潛山坡內幕儲層具有有利的頂底部隔層及上部封堵層，且其處于多個生油洼漕的包圍之中，油氣來源充足[41?42]，因而，對于任北潛山坡內幕儲層來說，其能否成藏及成藏規模主要取決于不整合輸導層的非均質性及潛山儲層的發育程度。根據實驗結果，若潛山坡內幕儲層上方的不整合輸導層運移前方存在非或低滲透帶，則只要內幕儲層物性好于非或低滲帶的物性，油氣就可以充注內幕儲層，并形成一定規模的油氣聚集。因此，未來在針對以不整合為輸導通道的潛山坡油藏的勘探中，應加強不整合輸導通道的非均質性及其輸導能力的分析，從而提高潛山坡油藏尤其是潛山坡內幕油藏的勘探成功率及油藏發現規模。

4 結論

(1) 受不整合之下巖石的性質、風化淋濾作用及后期壓實成巖作用的影響，不整合半風化巖石輸導層從輸導性能上可以分為暢通型輸導層、斷續型輸導層和連續型封堵層3種類型。其中，暢通型和斷續型兩類不整合輸導層能夠有效地輸導油氣。

(2) 完全由高滲帶構成的暢通型輸導層表現為“暢通式”高效油氣輸導特征，油氣優先充注并聚集于物性好的潛山坡頂部圈閉，且當油源一定時，只有潛山坡頂部圈閉成藏，而油源充足時物性較差的潛山坡下部圈閉和中部內幕圈閉也可成藏但充滿度低。由高滲帶與低滲帶共同構成的斷續型輸導層表現為“跳躍式”低效油氣輸導特征，油氣優先充注并聚集于物性中等的潛山坡下部圈閉，且當油源一定時，僅有下部圈閉成藏；而當油源充足時，物性好的潛山坡頂部圈閉和物性差的中部內幕圈閉也可成藏且充滿度較高。

(3) 不整合半風化巖石輸導層的非均質性可能是決定任北潛山坡內幕儲層成藏的重要因素之一。當潛山儲層上方的不整合輸導層在油氣運移前方存在非或低滲透帶，且內幕儲層物性好于非或低滲帶的物性時，油氣就能夠充注內幕儲層并形成一定規模的油氣聚集。

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