地層水判斷油氣運(yùn)移方向方法研究

毛振強(qiáng)

中國(guó)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(tài)到油氣藏中的聚集狀態(tài)，必定經(jīng)歷漫長(zhǎng)的運(yùn)移過程。前人對(duì)油氣運(yùn)移和聚集動(dòng)力等方面進(jìn)行了深入的研究，趙文智[1]、趙澄林[2]等認(rèn)為斷陷湖盆地質(zhì)結(jié)構(gòu)決定了油氣運(yùn)移的主方向，龐雄奇[3]、隋風(fēng)貴[4]等認(rèn)為源－相－勢(shì)油氣富集模式可以較好的預(yù)測(cè)和評(píng)價(jià)勘探目標(biāo)的含油氣性，油氣在浮力作用下自高勢(shì)區(qū)向低勢(shì)區(qū)運(yùn)移。但油氣運(yùn)移不是向四面八方等強(qiáng)度運(yùn)移，而是有一定主方向。關(guān)于油氣運(yùn)移方向的研究成果相對(duì)較少，用一般的石油地質(zhì)學(xué)原理和油氣組分對(duì)比方法，很難確定油氣運(yùn)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(shì)時(shí)，以儲(chǔ)層中流體包裹體為研究對(duì)象，進(jìn)一步預(yù)測(cè)油氣有利聚集區(qū)。陳中紅等[6]利用生物標(biāo)志化合物和多種碳同位素等指標(biāo)判斷油氣運(yùn)移方向。但這些方法技術(shù)要求高、技術(shù)難度大，勘探開發(fā)過程中應(yīng)用受限較大，因此研究利用地質(zhì)礦場(chǎng)資料判別油氣運(yùn)移方向的技術(shù)方法指導(dǎo)油氣勘探具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

地層水及壓力與油氣的生成、運(yùn)移、聚集以及油氣藏形成乃至破壞等各個(gè)環(huán)節(jié)息息相關(guān)[7-10]。油氣由高勢(shì)區(qū)向低勢(shì)區(qū)運(yùn)移，沿充注路徑地層壓力相應(yīng)發(fā)生梯度性變化。同時(shí)，在地層水與油氣長(zhǎng)期接觸過程中，會(huì)產(chǎn)生元素的遷移和變換，這導(dǎo)致了地層水與油氣在水化學(xué)方面的必然聯(lián)系。因此，對(duì)地層水及壓力的詳細(xì)研究，為預(yù)測(cè)油氣運(yùn)移方向，進(jìn)而預(yù)測(cè)油氣聚集單元有著積極的作用。利用地層壓力變化趨勢(shì)和地層水化學(xué)變化規(guī)律可以判斷油氣運(yùn)聚方向。

1 東營(yíng)凹陷地質(zhì)概況

渤海灣盆地具有以古生代、中生代及新生代三個(gè)層系組合的復(fù)雜含油氣系統(tǒng)，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(jí)構(gòu)造單元—東營(yíng)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(diǎn)[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(yè)巖為主，是東營(yíng)凹陷最重要的優(yōu)質(zhì)烴源巖層。沙河街組第四段的上部（沙四上亞段，Es4s）以發(fā)育咸水湖相為特征，沉積大套白云巖夾泥巖及油頁(yè)巖，是該區(qū)重要的優(yōu)質(zhì)烴源巖層[15-17]。此外，勘探研究表明東營(yíng)凹陷油氣生成、運(yùn)移、聚集主要以盆地內(nèi)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(jīng)歷有漸新世東營(yíng)組沉積末期、中新世館陶組沉積末期以及上新世明化鎮(zhèn)組沉積期—第四紀(jì)等3期生烴過程。

圖1 東營(yíng)凹陷位置、區(qū)域地質(zhì)特征及文中涉及的測(cè)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(zhì)的來源，同時(shí)也能揭示一系列復(fù)雜的物理過程，如地層水的擴(kuò)散、運(yùn)移等。在含油氣盆地中，地層水作為油氣運(yùn)移的重要載體，研究其水型和分布規(guī)律可能直接或間接的指示了油氣的運(yùn)移方向。

以東營(yíng)凹陷沙河街組為例，油氣生成和運(yùn)移過程中烴類與水的相互作用使凹陷不同地區(qū)和不同層位的地層水不斷變化。分析東營(yíng)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(yíng)凹陷地層水以CaCl2型和NaHCO3型礦化度為主。東營(yíng)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(dá)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(qū)到斜坡區(qū)至邊緣凸起區(qū)，地層水TDS逐漸降低。在東營(yíng)凹陷邊緣凸起處，大氣水的下滲作用較強(qiáng)，地層水TDS較小，至中部洼陷區(qū)，溫度和壓力的增大導(dǎo)致地層水溶解度增大（圖2，圖3），進(jìn)而導(dǎo)致強(qiáng)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(yíng)凹陷沙三下地層水礦化度等值線圖

圖3 東營(yíng)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(yíng)凹陷已發(fā)現(xiàn)的油氣田分布位置（圖4）可知，當(dāng)?shù)叵滤幱谶€原環(huán)境時(shí)，發(fā)生強(qiáng)烈的脫硫作用，導(dǎo)致Ca2+和Cl-相對(duì)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(xué)環(huán)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(zhì)存在還原環(huán)境的產(chǎn)物，其指示了中性或偏弱酸性的還原環(huán)境。Na2SO4型地層水一般分布于地表或者地下淺層水活躍區(qū)，通常表示地殼的水文地質(zhì)封閉性較差，不利于油氣藏的保存，其分布帶一般不發(fā)育油氣藏。

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

3 區(qū)域流體勢(shì)分析

流體勢(shì)的概念最早由Hubbert于1953年提出的，但直到進(jìn)入80年代以來，經(jīng)Dahlberg、England及Bekele等的不斷完善，流體勢(shì)理論才被廣泛地應(yīng)用于指導(dǎo)油氣勘探。通過分析地層中流體勢(shì)（油、氣、水三勢(shì)）的空間分布特征，可以明確反映地層中能量場(chǎng)的分布，提供大規(guī)模油氣運(yùn)移聚集規(guī)律。通過流體勢(shì)分析，可以預(yù)測(cè)有利油氣聚集區(qū)，圈定勘探靶區(qū)，從而提高成功率。

3.1 流體勢(shì)求取方法

20世紀(jì)80年代，Hubbert等在提出的質(zhì)量流體勢(shì)的概念基礎(chǔ)上，因考慮到毛細(xì)管壓力對(duì)流體勢(shì)運(yùn)移的影響，提出了體積流體勢(shì)的概念，即認(rèn)為一般情況下流體勢(shì)能包括位能、壓能、動(dòng)能及界面能。但在流體勢(shì)的實(shí)際計(jì)算中，考慮到地層中流體流動(dòng)十分緩慢，動(dòng)能以及毛細(xì)管壓力常常忽略不計(jì)，其表達(dá)簡(jiǎn)化為：

式中：Φ—流體勢(shì)，J；g—重力加速度，m/s2；z—地層埋藏深度（基準(zhǔn)面之上取正，之下取負(fù)），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(duì)比法”、測(cè)井與地震結(jié)合的層序比值法等。關(guān)于恢復(fù)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(shí)差法以及改進(jìn)的 Philippone 法等。

3.2 流體勢(shì)—水勢(shì)能場(chǎng)分布特征

在盆地埋藏史恢復(fù)基礎(chǔ)上，根據(jù)東營(yíng)凹陷實(shí)測(cè)地層壓力以及通過收集現(xiàn)有井中地層水的測(cè)試數(shù)據(jù)計(jì)算得到的水勢(shì)能場(chǎng)可知，東營(yíng)凹陷古近系沙三下亞段及沙四上亞段水勢(shì)在平面上圍繞各洼陷呈環(huán)帶狀分布，水勢(shì)系數(shù)由沉積中心向盆地邊緣逐漸降低。但不同地質(zhì)歷史時(shí)期，水勢(shì)平面分布特征具有較大的差異。分析凹陷內(nèi)沙三下亞段及沙四上亞段的水勢(shì)能場(chǎng)分布特征，可判斷油氣運(yùn)移趨勢(shì)方向。

從東營(yíng)凹陷沙三下亞段的水勢(shì)等值線與運(yùn)移方向見圖4a，可以看出：油氣運(yùn)移由構(gòu)造低點(diǎn)往其周圍的斜坡和凸起運(yùn)移。水勢(shì)下降趨勢(shì)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(fā)散至樊深1井、樊137大蘆湖油田，純98井附近運(yùn)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(fā)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(gòu)造低勢(shì)區(qū)流向高943井附近。由于高943井附近的樊家斷層?xùn)|段封閉性較好，所以油氣在高943井聚集形成大蘆湖油田。當(dāng)油氣從樊164井附近的高勢(shì)區(qū)向周圍的低勢(shì)區(qū)運(yùn)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(yùn)聚成藏，梁10井附近的高勢(shì)區(qū)向南運(yùn)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(shì)降低的斜坡帶上，但其勢(shì)值并不一定是最低，而是相對(duì)較低，這說明大多數(shù)油氣運(yùn)移并未達(dá)到其最終的聚集地，而是在運(yùn)移過程中遇到了良好的圈閉而聚集成藏，這是因?yàn)橛蜌膺\(yùn)移距離不僅受流體勢(shì)影響，還受到輸導(dǎo)體系等因素的影響。

從東營(yíng)凹陷地區(qū)沙四上亞段的水勢(shì)等值線與油氣運(yùn)移方向見圖4b，可以看出：油氣運(yùn)移由高勢(shì)點(diǎn)向低勢(shì)點(diǎn)運(yùn)移，油氣由樊137井、樊148井附近向大蘆湖油田、博興油田運(yùn)移，并向樊深1井周圍的相對(duì)的構(gòu)造高點(diǎn)運(yùn)移。高青平南斷裂的下降盤是構(gòu)造低點(diǎn)也是水勢(shì)相對(duì)高點(diǎn)，其在高943井、附近水勢(shì)達(dá)65MJ，所以油氣運(yùn)移向其周圍的低勢(shì)點(diǎn)運(yùn)移至樊深1井附近。油氣由中央斷裂帶向南運(yùn)移至王家崗-八面河、樂安-純化構(gòu)造帶形成有利油氣藏。在博興斷層西段，當(dāng)油氣運(yùn)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(qū)域進(jìn)入高35井地區(qū)，在流體勢(shì)差的作用下油氣繼續(xù)向前運(yùn)移，直到南部緩坡帶的金井2、金3井處的明顯低勢(shì)區(qū)內(nèi)聚集成藏。

4 結(jié)束語(yǔ)

油氣勘探工作在重視圈閉、儲(chǔ)層等靜態(tài)條件的同時(shí)，也應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地層水等地質(zhì)信息的研究，以提高勘探和滾動(dòng)勘探工作的成功率。研究成果證明，東營(yíng)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(qū)到斜坡區(qū)至邊緣凸起區(qū)，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(guān)，同樣對(duì)油氣運(yùn)移具有間接的指示作用。在流體勢(shì)場(chǎng)作用下，凹陷內(nèi)油氣運(yùn)移由構(gòu)造低點(diǎn)往其周圍的斜坡和凸起運(yùn)移，因此油氣運(yùn)移方向上的相對(duì)低勢(shì)區(qū)圈閉最易成藏，且埋藏較淺，是尋找優(yōu)質(zhì)高效油氣資源的有利方向。