相-勢耦合控制鄂爾多斯盆地中生界石油聚集

屈紅軍,蒲仁海,陳 碩,高勝利,鄭艷榮

(1.西北大學 大陸動力學國家重點實驗室,陜西 西安 710069； 2.西北大學 地質學系,陜西 西安 710069；3.西安石油大學 地球科學與工程學院,陜西 西安 710065)

在20世紀80年代,中國石油地質工作者認識到油氣的生成、成藏和分布與烴源巖有直接或間接的聯系,即受烴源巖分布的控制,從而提出了源控論[1-4],認為在勘探中首先要定凹選帶,逼近油源區勘探；隨著油氣勘探的發展,尤其是渤海灣斷陷盆地由于塊斷活動強烈,巖性巖相變化大,在勘探實踐中發現油氣藏以二級構造帶為背景,縱向相互疊置,平面疊合連片,成群成帶展布,于是提出復式油氣聚集帶理論[4-5],即帶控論,認為一個復式油氣聚集帶是由多個含油氣層系、多套油氣水系統、多種類型油氣藏組成的油氣藏群；帶控論強調以二級構造帶背景為核心的勘探思路,即優選有利的二級構造帶；此后又有學者認為區域蓋層對油氣富集起關鍵作用,提出了源-蓋共控論[6-7],認為有效烴源巖和蓋層共同控制著油氣系統的有效性；隨著巖性油氣藏勘探高潮的發展,學者又提出了相控論[8-10],認為在存在有效烴源巖、構造背景和輸導體系等前提下,油氣的分布與富集受有利儲集相帶的控制,各種有利的沉積相和成巖相是決定有效儲集體形成和分布的基礎和關鍵；相控論強調“選凹定相”,認為“凹”作為烴源巖發育區已基本明確,因而相控論把定“相”作為核心問題,其主要目標是確定儲集區帶；最近又有學者提出源熱共控論[11]；其主要認識是源熱共控油氣形成,二者相互耦合作用控制了含油氣區內油氣的生成與否、生烴規模、相態(石油或天然氣)類型與區域分布模式,源熱共控油氣區油田、氣田和油氣田在空間上的有序分布；筆者認為源熱共控論適用于盆地勘探初期,以選“凹”作為目的階段,是源控論的深化。對于勘探程度比較高,以定“藏”為目的的勘探,上述理論認識雖然具有重要指導意義,但依然不能滿足定“藏”的目標勘探要求。

近年來鄂爾多斯盆地的石油勘探實踐表明,鄂爾多斯盆地具有“大面積含油、小區塊富集、巖性控藏”的油氣聚集規律和“油層多、變化大、油水分異大、物性差、壓力低、產量小及屬于彈性-溶解氣驅動”的油藏特征,在“好凹好相”區帶,不一定富集油氣,也可能富集水,對此源熱共控論和相控論難以把握石油富集規律,因此石油的分布除受源熱共控、源-蓋共控及相控外,其具體富集的位置更受壓力勢以及流體勢控制[12-13],即“勢控”,由此筆者基于鄂爾多斯盆地中生界“相、源、儲、運聚與油藏關系”的系統分析,來探討鄂爾多斯盆地中生界石油聚集規律,分析認為相-勢耦合[14-15]更加符合鄂爾多斯盆地石油聚集規律,所謂“相”即“沉積成巖相”,沉積相決定了烴源巖及儲層的展布及發育特征,成巖相決定了優質儲層的分布及儲層的儲集空間[16-20]；“勢”即“壓力勢”或“流體勢”,二者決定了油氣運移方向及聚集圈閉位置[21-25]。由于鄂爾多斯盆地含油層系延長組及延安組沉積期為大型的內陸陸相坳陷盆地,內部構造相對簡單,地層平緩,斷裂較不發育,含油層系以河流三角洲相低滲透砂巖儲層為主[26-29],其中主力含油層系延長組巖性致密,為低孔特低滲儲層,在6大成藏條件中蓋層、保存、圈閉一般不存在問題,在烴源巖確定的條件下,主要需要考慮的就是儲層和運移聚集的問題。沉積相決定了儲層的發育,“壓力勢”及“流體勢”決定了油氣運移方向及聚集圈閉位置,因此相-勢耦合控制鄂爾多斯盆地中生界油氣聚集,體現為“源控區、相控帶、勢定位”的石油聚集規律,筆者具體分析探討如下。

1 鄂爾多斯盆地中生界烴源巖、沉積相帶、運聚與油藏關系

鄂爾多斯盆地位于華北克拉通中西部,其南北分別為祁連-秦嶺褶皺構造帶和天山-興蒙褶皺構造帶,東部瀕臨太平洋構造域,西部為賀蘭-六盤山南北向構造帶(圖1)。中、晚三疊世受秦嶺碰撞造山的影響,在華北克拉通中西部形成了一個晚三疊世延長期(T3y)大型湖盆[30],當時的沉積邊界東跨晉、豫、冀、皖,南越今秦嶺北緣,北界和西界遠逾今中生界殘留邊界,以深湖相為代表的沉積中心大致平行于秦嶺造山帶展布[31-32],該期地層延長組是一套以河湖相沉積為主的陸源碎屑巖系,下部以河流相沉積為主,中部為一套河流-三角洲及湖泊相為主的砂泥互層沉積,上部為河流相砂泥巖沉積。根據勘探開發需要石油系統將延長組從上向下分為10個油層組,分別稱為長1段—長10段。

1.1 源控“區”

鄂爾多斯盆地延長組具有優越的生油巖條件,中生界延長組長7段深湖-半深湖相暗色泥巖是盆地的主力生油巖系[33],具有厚度大、分布廣、有機質類型好、成熟度高等特點[34-35],主要分布于盆地南部約10×104km2的范圍內[36-40],主體呈NNE展布[41]。延長組油氣勘探發現,油田的分布范圍與烴源巖分布關系密切,已經發現的油藏主體分布在長7段有效烴源巖的分布范圍之內或鄰近區域,油區分布具有明顯的源控特征(圖2)。因此鄂爾多斯盆地中生界生油巖的生烴范圍和生烴強度控制了油藏分布的區域,即源控“油區”。

圖1 鄂爾多斯盆地及鄰區構造簡圖(據文獻[31-32]修改)Fig.1 Generalized structural diagram of the Ordos Basin and its adjacent regions(modified from references[31-32])

圖2 鄂爾多斯盆地延長組烴源巖與油區分布(據文獻[21,36,42-46]編繪)Fig.2 The distribution of source rocks and oil play in the Yanchang Formation,Ordos Basin (compiled according to references[21,36,42-46])

1.2 相控“帶”

鄂爾多斯盆地中生界盆地明顯表現出沉積相控制儲集體的宏觀展布,成巖相控制了優質儲層的分布及儲層的儲集空間；儲集體展布及成巖相控制油藏分布的區帶,即相控“區帶”。

延長組淺層長2段含油區帶主要分布于盆地邊緣河流相河道微相砂體；延長組中部(長4+5段、長6段)及下部(長8段—長10段)含油區帶基本分布于受湖岸線控制的三角洲前緣亞相水下分流河道微相砂體[47-48],尤其分布于水下分流河道砂體疊合連片處[21](圖3)；長7段儲層含油區帶主要分布于受深湖線控制的濁積水道砂體[49]。

鄂爾多斯盆地含油區帶的分布受控于盆地周緣的11大河流-三角洲體系,5個東北沉積體系(自東向西)為:富縣三角洲、延安三角洲、安塞三角洲、靖邊-吳起三角洲和安邊三角洲；2個西北沉積體系(自東向西)為:鹽池-定邊三角洲和甜水堡三角洲；2個西南沉積體系(由北向南)為:環縣三角洲和鎮原-慶陽三角洲；2個南部沉積體系(由西向東)為:正寧三角洲和銅川三角洲。目前延長組已發現的含油區主要分布于東北、西北和西南3個沉積體系的9個河流-三角洲體系,尤以在東北體系的安塞三角洲及西南體系的慶陽三角洲已經發現了超大型的安塞油田及西峰油田。盆地南部正寧三角洲體系最近開始有油氣發現,是下一步油氣勘探潛力區；盆地南部銅川三角洲延長組已經出露地表或埋深太淺,沒勘探價值(圖3)。

1.3 勢定“位”

流體運動總是遵循從高異常壓力區向低異常壓力區流動的規律,因此壓力勢及流體勢控制了油藏的聚集位置。

圖3 鄂爾多斯盆地延長組沉積體系與含油區帶分布(據文獻[21,36,42-46]編繪)Fig.3 The distribution of sedimentary systems and play fairways in the Yanchang Formation,Ordos Basin (compiled according to references[21,36,42-46])

鄂爾多斯盆地對于受浮力控制的延安組油藏及長2段油藏,隆起背景對鄂爾多斯盆地三疊系油藏形成和分布的具有重要控制作用[50],流體勢決定了油氣運移向鼻狀隆起方向。

對于不受浮力控制的延長組下組合油藏,過剩壓力控制著石油的運聚。對鄂爾多斯盆地吳起-定邊地區延長組長7段與長8段異常壓力分布規律進行分析,發現長7段與長8段都具有異常超壓現象；長7段較高的異常壓力成為油氣向下運移的主要動力,長8段異常壓力低壓區或相對低壓區是油氣運移的指向,二者之間的異常壓力差驅動長7段烴源巖產生的油氣沿著微裂縫從高勢區向低勢區運移,因此“源儲壓力差控位”[21](圖4,圖5)。

由于過剩壓力造成的流體勢差或過剩壓力差,也存在油氣在局部具有向構造低部位運聚的趨勢(圖6)。

基于鄂爾多斯盆地中生界“相、源、儲、運聚與油藏關系”的系統分析,可以認為相-勢耦合控制了鄂爾多斯盆地中生界石油聚集:相即“沉積成巖相”,沉積相決定了烴源巖及儲層的展布及發育特征,成巖相決定了優質儲層的分布及儲層的儲集空間,勢即“壓力勢”或“流體勢”,“壓力勢”或“流體勢”決定了油氣運移方向和路徑,相-勢耦合決定了油氣聚集圈閉位置。

2 相-勢耦合控制鄂爾多斯盆地中生界石油聚集的差異性

相-勢耦合控制鄂爾多斯盆地中生界平面上及垂向上成藏的差異性,體現為:盆地東部淺層“補償成藏”、盆地西部“垂向串珠式成藏”、延長組深層“異常壓力控藏”、侏羅系古地貌及隆起構造背景控藏。

圖4 鄂爾多斯盆地西部中區延長組深層已發現油藏與長7段-長8段過剩壓力差關系Fig.4 Relationship of oil reservoirs discovered and excessive differential pressure of Chang 7 and Chang 8 in deep Yanchang Formation in the center of the western Ordos Basin

2.1 盆地東部淺層呈現出“補償成藏”規律

鄂爾多斯盆地中生界盆地生烴中心位于盆地西部及南部,盆地東部生烴強度相對盆地西部小,因而盆地東部含油層系在具體位置層位相對單一；長7段生成的油氣首先運移至長6段,然后通過側向不規則連接于垂向疊置的砂體,呈“爬樓梯式”運移至更淺的長4+5段、長2段甚至侏羅系延安組底部砂巖中聚集(圖7、圖8)[51]；油藏的層位分布與烴源巖的垂直距離及水平距離成正比,層位越高,油藏距離烴源巖水平距離越遠；含油層位向東北方向從長6段-長4+5段-長2段向上抬高,呈現出“補償成藏”的規律[52],從而形成鄂爾多斯盆地準連續型低滲透-致密砂巖大油田成藏樣式[53]。

2.2 盆地西部“垂向串珠式成藏”

由于盆地西部生烴強度大,石油往往沿裂縫等發生二次運移,因此盆地西部含油層系多,在具體井位上含油層系呈“串珠式”垂向鉆遇,有如“坐電梯式”,非前述的“爬樓梯式”,由此筆者提出盆地西部“垂向串珠式成藏”(圖8)。

2.3 延長組深層“過剩壓力控藏”

鄂爾多斯盆地長6段—長10段之間相鄰的兩地層普遍存在較高的過剩壓力差,尤以長7段與下部長8段最為明顯,長9段頂與其下部長9段及長10段也具有；過剩壓力差是石油向下運移的主要動力,油氣由高壓區向低壓區運移,平面上高壓背景下的低壓漏斗區是油氣聚集的主要場所；垂向上高壓差區為油氣聚集的主要場所；鄰近高壓的低壓漏斗區是延長組中下部油氣聚集有利區(圖8)。

圖5 定邊地區延長組定1188井—定4986井過剩壓力剖面(剖面位置見圖4)Fig.5 Excessive pressure profile of Well Ding1188-Well Ding4986 in the Yanchang Formation in Dingbian area (see Fig.4 for the profile location)

圖6 志丹油區近東西向剖面長8段早白堊世晚期流體運聚趨勢與油井產量對比Fig.6 Correlation of fluid migration and accumulation trend in the late period of Early Cretaceous with well production for Chang 8 on the nearly EW-trending section in Zhidan oil-bearing region

圖7 鄂爾多斯盆地延長組含油砂體與油氣運移關系示意圖(據文獻[54]修改)Fig.7 Sketch map showing relationships between the oil-bearing sand bodies and hydrocarbon migration in the Yanchang Formation (modified from reference[54])

圖8 鄂爾多斯盆地中生界成藏模式Fig.8 Accumulation model in the Mesozoic Ordos Basin

2.4 侏羅系古地貌及隆起構造背景控藏

雖然侏羅系延安組儲層的物性在盆地含油層系中屬于最好,但由于距離油源巖較遠,油氣在儲層中的充滿程度不是很高,其油氣藏存在明顯的油水分異界面,儲層的物性不是首要考慮因素,良好圈閉是首要考慮因素。延安組底部一、二級古河谷砂體往往不具備良好隔擋及圈閉條件,僅作為油氣的運移通道,三、四級及以上的支流河道砂體往往具有良好隔擋及圈閉條件(圖8)。因此,由差異壓實作用引起的鼻狀隆起上發育的三、四級及以上的支流河道砂體是侏羅系油氣的勘探指向[48]。

3 相-勢耦合的理論與實踐意義

相-勢耦合的理論意義在于:從“源控論”的“定源”到“源熱共控論”的“定凹”,到“復式油氣聚集帶”的“定帶”,到“相控論”的“定相”,再到“相-勢耦合”的“定位”,反映了油氣勘探長期實踐的認識過程。“源控論”和“源熱共控論”強調以盆地為背景,以尋找有利生烴凹陷為核心；“帶控論”強調以沉積相等有利相帶為背景,以構造帶為核心,其“定帶”實際上主要為“構造區帶”；“相控論”強調以構造為背景,以相為核心,突出強調“定相”,將確定沉積相、成巖相等主導的儲集相作為研究與勘探的重點和核心,其“定相”實際上主要為“巖相區帶”；“相-勢耦合” 以“相”為核心,以“勢”為方向,強調流體運移方向,即“流體勢”,突出“定位”或“定藏”,揭示了較高勘探階段油氣富集規律。

“相-勢耦合”的實踐意義在于:① 在勘探理念上,從“源控論”的“定源”到“源熱共控論”的“定凹”,到“復式油氣聚集帶”的“定帶”,到“相控論”的“定相”,再到“相-勢耦合”的“定位”,是從源區勘探—構造勘探—儲集體勘探,再到具體油藏位置確定,強調目標的靶定,該理論認識是油氣勘探三級層次的第三層次；② 在勘探技術及勘探方法上,以高分辨率三維地震和儲集層預測為關鍵技術,以過剩壓力及古構造恢復研究確定的“流體勢”或“壓力勢”為指導,在尋找有利“儲集相”的基礎上,突出輸導體系及流體運移方向的確定,強調在運移路徑上的有利相帶部署探井,將極大地提高勘探成功率。

4 結論

1) 相-勢耦合控制鄂爾多斯盆地中生界石油聚集,具體為沉積相決定了烴源巖及儲層的展布及發育特征,成巖相決定了優質儲層的分布及儲層的儲集空間,“壓力勢”或“流體勢”決定了油氣運移方向和路徑,二者耦合決定了油氣聚集圈閉位置,體現為“源控區、相控帶、勢定位”的石油聚集規律。

2) 相-勢耦合控制鄂爾多斯盆地中生界平面上及垂向上成藏的差異性,體現為:盆地東部淺層“補償成藏”、盆地西部“垂向串珠式成藏”、延長組深層“異常壓力控藏”。這一認識同樣適用于勘探程度較高的、以“定藏”或“定位”為目的其它大型拗陷含油氣盆地的目標勘探。