地層水判斷油氣運移方向方法研究

毛振強

中國石油化工勝利油田分公司純梁采油廠 山東 博興 256504

油氣從源巖中的分散狀態到油氣藏中的聚集狀態，必定經歷漫長的運移過程。前人對油氣運移和聚集動力等方面進行了深入的研究，趙文智[1]、趙澄林[2]等認為斷陷湖盆地質結構決定了油氣運移的主方向，龐雄奇[3]、隋風貴[4]等認為源－相－勢油氣富集模式可以較好的預測和評價勘探目標的含油氣性，油氣在浮力作用下自高勢區向低勢區運移。但油氣運移不是向四面八方等強度運移，而是有一定主方向。關于油氣運移方向的研究成果相對較少，用一般的石油地質學原理和油氣組分對比方法，很難確定油氣運移方向和追蹤油氣源。潘雪峰等[5]在研究沙埝油田古流體勢時，以儲層中流體包裹體為研究對象，進一步預測油氣有利聚集區。陳中紅等[6]利用生物標志化合物和多種碳同位素等指標判斷油氣運移方向。但這些方法技術要求高、技術難度大，勘探開發過程中應用受限較大，因此研究利用地質礦場資料判別油氣運移方向的技術方法指導油氣勘探具有重要的現實意義。

地層水及壓力與油氣的生成、運移、聚集以及油氣藏形成乃至破壞等各個環節息息相關[7-10]。油氣由高勢區向低勢區運移，沿充注路徑地層壓力相應發生梯度性變化。同時，在地層水與油氣長期接觸過程中，會產生元素的遷移和變換，這導致了地層水與油氣在水化學方面的必然聯系。因此，對地層水及壓力的詳細研究，為預測油氣運移方向，進而預測油氣聚集單元有著積極的作用。利用地層壓力變化趨勢和地層水化學變化規律可以判斷油氣運聚方向。

1 東營凹陷地質概況

渤海灣盆地具有以古生代、中生代及新生代三個層系組合的復雜含油氣系統，其北為燕山褶皺帶，西以太行山為鄰，東臨膠東隆起，南與魯西隆起相接[11-13]（圖1A）。盆地次級構造單元—東營凹陷位于山東省北部，面積約5700 km2，凹陷具有北斷南超的特點[14]（圖1B）。作為本次研究目的層，沙河街組第三段的下部（沙三下亞段，Es3x）以淡水湖相沉積為主，巖性以灰色及深灰色泥巖夾砂巖及油頁巖為主，是東營凹陷最重要的優質烴源巖層。沙河街組第四段的上部（沙四上亞段，Es4s）以發育咸水湖相為特征，沉積大套白云巖夾泥巖及油頁巖，是該區重要的優質烴源巖層[15-17]。此外，勘探研究表明東營凹陷油氣生成、運移、聚集主要以盆地內的洼陷為單元，凹陷具有晚期成藏的特征，其中沙河街組烴源巖經歷有漸新世東營組沉積末期、中新世館陶組沉積末期以及上新世明化鎮組沉積期—第四紀等3期生烴過程。

圖1 東營凹陷位置、區域地質特征及文中涉及的測線位置

2 地層水礦化度分布特征

地層水中所溶解的各種離子、分子以及化合物的總量通常以總礦化度（TDS）表示，TDS的變化不僅能夠反映地層水中溶解物質的來源，同時也能揭示一系列復雜的物理過程，如地層水的擴散、運移等。在含油氣盆地中，地層水作為油氣運移的重要載體，研究其水型和分布規律可能直接或間接的指示了油氣的運移方向。

以東營凹陷沙河街組為例，油氣生成和運移過程中烴類與水的相互作用使凹陷不同地區和不同層位的地層水不斷變化。分析東營凹陷沙三下（圖2）以及沙四上層位（圖3）的地層水礦化度（TDS）等值線圖可以看出，東營凹陷地層水以CaCl2型和NaHCO3型礦化度為主。東營凹陷地層水TDS總體上隨著深度的增加而逐漸變大，沙三下均值為35g/L，最高可達236g/L（圖2）。沙四上均值較大為60g/L（圖3）。在同一層系里，從洼陷區到斜坡區至邊緣凸起區，地層水TDS逐漸降低。在東營凹陷邊緣凸起處，大氣水的下滲作用較強，地層水TDS較小，至中部洼陷區，溫度和壓力的增大導致地層水溶解度增大（圖2，圖3），進而導致強烈壓濾、滲濾濃縮作用，這是深部地層水TDS增大的重要原因。

圖2 東營凹陷沙三下地層水礦化度等值線圖

圖3 東營凹陷沙四上地層水礦化度等值線圖

綜合地層水礦化度分布特征以及東營凹陷已發現的油氣田分布位置（圖4）可知，當地下水處于還原環境時，發生強烈的脫硫作用，導致Ca2+和Cl-相對富集，形成CaCl2型地層水。常見于沉積盆地的生烴洼陷帶，這種水化學環境通常反映了油氣圈閉性良好，有利于油氣的保存。而NaHCO3的TDS值一般可分為兩種，高礦化度NaHCO3型地層水是油氣物質存在還原環境的產物，其指示了中性或偏弱酸性的還原環境。Na2SO4型地層水一般分布于地表或者地下淺層水活躍區，通常表示地殼的水文地質封閉性較差，不利于油氣藏的保存，其分布帶一般不發育油氣藏。

圖4 東營凹陷沙三下亞段（A）及沙四上亞段（B）水勢等值線圖與油氣分布的關系

3 區域流體勢分析

流體勢的概念最早由Hubbert于1953年提出的，但直到進入80年代以來，經Dahlberg、England及Bekele等的不斷完善，流體勢理論才被廣泛地應用于指導油氣勘探。通過分析地層中流體勢（油、氣、水三勢）的空間分布特征，可以明確反映地層中能量場的分布，提供大規模油氣運移聚集規律。通過流體勢分析，可以預測有利油氣聚集區，圈定勘探靶區，從而提高成功率。

3.1 流體勢求取方法

20世紀80年代，Hubbert等在提出的質量流體勢的概念基礎上，因考慮到毛細管壓力對流體勢運移的影響，提出了體積流體勢的概念，即認為一般情況下流體勢能包括位能、壓能、動能及界面能。但在流體勢的實際計算中，考慮到地層中流體流動十分緩慢，動能以及毛細管壓力常常忽略不計，其表達簡化為：

式中：Φ—流體勢，J；g—重力加速度，m/s2；z—地層埋藏深度（基準面之上取正，之下取負），m；p—深度z處流體的壓力，Pa；ρ—流體密度，kg/m3。

其中，地層埋藏深度求取主要有“地層厚度對比法”、測井與地震結合的層序比值法等。關于恢復地層壓力的方法也有很多種，主要有地震速度法、等效深度法、泥巖聲波時差法以及改進的 Philippone 法等。

3.2 流體勢—水勢能場分布特征

在盆地埋藏史恢復基礎上，根據東營凹陷實測地層壓力以及通過收集現有井中地層水的測試數據計算得到的水勢能場可知，東營凹陷古近系沙三下亞段及沙四上亞段水勢在平面上圍繞各洼陷呈環帶狀分布，水勢系數由沉積中心向盆地邊緣逐漸降低。但不同地質歷史時期，水勢平面分布特征具有較大的差異。分析凹陷內沙三下亞段及沙四上亞段的水勢能場分布特征，可判斷油氣運移趨勢方向。

從東營凹陷沙三下亞段的水勢等值線與運移方向見圖4a，可以看出：油氣運移由構造低點往其周圍的斜坡和凸起運移。水勢下降趨勢由樊18井附近指向相鄰的高94井附近及高891井附近正理莊油田，由樊16井附近向其四周發散至樊深1井、樊137大蘆湖油田，純98井附近運移至純2井附近的純化油田，由王1、牛16等井附近向其四周發散至王家崗八面河地帶形成油氣藏。油氣從樊164井附近的構造低勢區流向高943井附近。由于高943井附近的樊家斷層東段封閉性較好，所以油氣在高943井聚集形成大蘆湖油田。當油氣從樊164井附近的高勢區向周圍的低勢區運移，由于樊家斷層西段、博興斷層中西段的封閉性較差，油氣通過斷層在正理莊油田運聚成藏，梁10井附近的高勢區向南運移至純化油田成藏。從已知油氣藏的分布特征可知，油氣多位于水勢降低的斜坡帶上，但其勢值并不一定是最低，而是相對較低，這說明大多數油氣運移并未達到其最終的聚集地，而是在運移過程中遇到了良好的圈閉而聚集成藏，這是因為油氣運移距離不僅受流體勢影響，還受到輸導體系等因素的影響。

從東營凹陷地區沙四上亞段的水勢等值線與油氣運移方向見圖4b，可以看出：油氣運移由高勢點向低勢點運移，油氣由樊137井、樊148井附近向大蘆湖油田、博興油田運移，并向樊深1井周圍的相對的構造高點運移。高青平南斷裂的下降盤是構造低點也是水勢相對高點，其在高943井、附近水勢達65MJ，所以油氣運移向其周圍的低勢點運移至樊深1井附近。油氣由中央斷裂帶向南運移至王家崗-八面河、樂安-純化構造帶形成有利油氣藏。在博興斷層西段，當油氣運移至高891井處，因高891井處斷層封閉性好，使油氣在此處聚集成藏。部分油氣通過博興斷層中段（樊153井附近）封閉性差的區域進入高35井地區，在流體勢差的作用下油氣繼續向前運移，直到南部緩坡帶的金井2、金3井處的明顯低勢區內聚集成藏。

4 結束語

油氣勘探工作在重視圈閉、儲層等靜態條件的同時，也應加強對地層水等地質信息的研究，以提高勘探和滾動勘探工作的成功率。研究成果證明，東營凹陷地層水礦化度總體上隨著深度的增加逐漸變大，平面上，從洼陷區到斜坡區至邊緣凸起區，地層水礦化度逐漸降低。地層水型分布特征與地層水礦化度密切相關，同樣對油氣運移具有間接的指示作用。在流體勢場作用下，凹陷內油氣運移由構造低點往其周圍的斜坡和凸起運移，因此油氣運移方向上的相對低勢區圈閉最易成藏，且埋藏較淺，是尋找優質高效油氣資源的有利方向。