古生界煤成烴氣藏成藏史數(shù)值模擬研究

古生界煤成烴氣藏成藏史數(shù)值模擬研究

盆地、盆地和盆地是石油地質(zhì)中最重要的研究?jī)?nèi)容。針對(duì)前兩者的定量分析有盆地模擬和生烴動(dòng)力學(xué)模擬,這兩項(xiàng)技術(shù)極大地推動(dòng)了石油地質(zhì)理論的發(fā)展和油氣田的勘探。近年來,國內(nèi)興起的成巖作用數(shù)值模擬,使儲(chǔ)、蓋層發(fā)育史的研究成為可能。本文試圖在上述3種數(shù)值模擬技術(shù)的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步建立成藏史數(shù)值模擬系統(tǒng),并以渤海灣盆地文安斜坡上古生界為例,說明這一系統(tǒng)的應(yīng)用。1上古生界mz文安斜坡位于渤海灣盆地冀中坳陷的東北部,東鄰滄縣隆起,西接霸縣凹陷。在太古界及下元古界變質(zhì)巖基底之上,從下到上發(fā)育中上元古界(Pt2-3),下古生界寒武系(-C)、奧陶系(O),上古生界石炭—二疊系(C—P),中生界(Mz),下第三系孔店組(Ek)、沙河街組(Es)、東營組(Ed),上第三系(N)和第四系(Q)。上古生界是一套海陸交互相-陸相含煤碎屑巖沉積,是本區(qū)烴源巖發(fā)育的主要層段。中、新生界是一套紅色陸相砂泥巖沉積,不具生烴能力,但可成為石炭—二疊系的蓋層。1982年華北油田公司在文安斜坡古生界發(fā)現(xiàn)了蘇橋油氣田,該油田由8個(gè)油氣藏組成,除蘇20、文23和文23-2塊油氣藏屬于石炭—二疊系自生自儲(chǔ)的砂巖油氣藏外,其余均為石炭—二疊紀(jì)煤系烴源巖生、奧陶紀(jì)碳酸鹽巖儲(chǔ)的上生下儲(chǔ)型油氣藏。目前蘇橋油氣田累計(jì)探明天然氣儲(chǔ)量173.32×108m3,凝析油484.9×104t,已成為華北油田主要的油氣生產(chǎn)基地。2儲(chǔ)層結(jié)構(gòu)發(fā)育史成藏史數(shù)值模擬是在盆地模擬、成巖作用數(shù)值模擬和成烴動(dòng)力學(xué)模擬基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù),但它研究得更精細(xì),更能揭示石油地質(zhì)學(xué)的本質(zhì)、指導(dǎo)油氣田勘探。然而迄今為止,國內(nèi)還沒有統(tǒng)一的技術(shù)規(guī)范。本文通過成藏環(huán)境溫度、壓力和成藏諸要素生、儲(chǔ)、蓋、運(yùn)、圈、保的數(shù)值模擬[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21](表1),研究油氣藏形成的動(dòng)力學(xué)過程和油氣聚集規(guī)律,確定成藏主控因素,為油氣田勘探指明有利的區(qū)域。埋藏史、地?zé)崾?、生烴史、排烴史、有機(jī)質(zhì)熱演化史和成巖史在有關(guān)文獻(xiàn)已有許多介紹[1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20,21],恕不贅述。儲(chǔ)層和蓋層的發(fā)育史主要受成巖作用的影響與控制。研究表明,在不同的成巖階段,儲(chǔ)層發(fā)育不同的孔隙類型。在早成巖階段,碎屑巖儲(chǔ)層的儲(chǔ)集空間以原生孔隙為主,隨埋深增加孔隙度減小;在晚成巖階段A期,烴源巖進(jìn)入生烴門限,干酪根降解生烴的同時(shí)排放CO2和有機(jī)酸,形成有機(jī)酸性熱流體,與儲(chǔ)層中的易溶組分如長(zhǎng)石、碳酸鹽發(fā)生水-巖反應(yīng),形成次生孔隙,孔隙度開始增加;在晚成巖階段B期,次生孔隙減少,并出現(xiàn)裂縫;在晚成巖階段C期,裂縫發(fā)育。所以通過成巖史的模擬,即可預(yù)測(cè)地史時(shí)期碎屑巖儲(chǔ)層的孔隙類型和次生孔隙發(fā)育史。文安斜坡石炭—二疊紀(jì)儲(chǔ)層不同成巖階段對(duì)應(yīng)的成巖參數(shù)與儲(chǔ)層的孔隙類型見表2。蓋層研究表明,隨埋深和地溫的增加,成巖強(qiáng)度增強(qiáng),蓋層的封閉能力也隨之發(fā)生變化。一方面,隨成巖強(qiáng)度的增加,壓實(shí)作用增強(qiáng),泥巖孔隙度減少,孔喉變細(xì),排替壓力增大;另一方面,隨成巖強(qiáng)度的增加,粘土礦物中可塑性和膨脹性較強(qiáng)的蒙皂石轉(zhuǎn)化為可塑性和膨脹性較差的伊利石和綠泥石,脆性增大,蓋層封蓋能力變小。綜合考慮上述兩個(gè)因素,參考國內(nèi)有關(guān)蓋層的分級(jí)標(biāo)準(zhǔn),將蓋層的封閉能力分為4個(gè)級(jí)別:好(ID=0.32～0.5)、中—好(ID=0.2～0.32或ID=0.5～0.68)、差—中(ID<0.2)和差(ID>0.68)。3晚成巖—成藏史分析文安斜坡發(fā)育上古生界石炭—二疊自生自儲(chǔ)和上古生界生、下古生界儲(chǔ)上生下儲(chǔ)兩種類型的油氣藏,本文主要模擬上古生界自生自儲(chǔ)型油氣藏的成藏史。選取橫切文安斜坡、穿過冀參6井—蘇2井—蘇33井—蘇3井—蘇14井的NW向剖面,應(yīng)用建立的成藏史模擬系統(tǒng),計(jì)算了地史時(shí)期的Z,T,P,Ro,SI,S,Vq,G,ID,恢復(fù)了其埋藏史、構(gòu)造發(fā)育史、地?zé)崾贰⑸鸁N史、排烴史、成巖史和生儲(chǔ)蓋發(fā)育史(圖1,2,3,4)。在晚古生代,文安斜坡發(fā)育一套陸相-海陸交互相的煤系碎屑巖,石炭—二疊系自身沉積之后,底界埋深在1500m左右(圖1),石炭—二疊系古地溫<80℃,Ro<0.5%(圖1),烴源巖尚未進(jìn)入生烴門限和排烴門限,沒有油氣生成和運(yùn)移。上部地層成巖指數(shù)ID<0.19,處于早成巖階段A期(圖2);下部地層ID>0.19,儲(chǔ)層處于早成巖階段B期。儲(chǔ)層主要發(fā)育原生孔隙,蓋層已具封閉能力,但由于沒有油氣生成與運(yùn)移,所以不可能形成油氣藏。在中生代末,石炭—二疊紀(jì)地層在深凹處可達(dá)90～112℃,Ro在0.5%～0.64%之間,ID>0.28,進(jìn)入晚成巖階段A1期,烴源巖進(jìn)入生油門限,開始一次生烴,生烴率在5×10-3左右(圖3),排烴率在3×10-3左右(圖4)。在干酪根降解生烴的同時(shí),排放有機(jī)酸和CO2,溶于水,形成酸性有機(jī)熱流體,溶蝕儲(chǔ)層中的鋁硅酸鹽礦物長(zhǎng)石和碳酸鹽巖膠結(jié)物等,形成次生孔隙,儲(chǔ)層孔隙度增加。泥巖蓋層中蒙皂石的含量較高,處于有序混層帶,I/S混層中蒙皂石層的含量在45%～60%之間,蓋層的可塑性較強(qiáng),封閉性能中—好,一次成藏開始。蘇1塊凝析油氣藏蘇1-14井奧陶系含油灰?guī)r中自生伊利石K-Ar同位素測(cè)年結(jié)果支持了這一結(jié)論,其粒級(jí)為0.15μm的伊利石同位素年齡為108.27Ma±1.57Ma,證明油氣藏充注的最早時(shí)間在中生代末。石炭—二疊系系中與有機(jī)包裹體伴生的鹽水包裹體的最低均一溫度為90℃左右(相當(dāng)于石炭—二疊系在中生代末的古地溫),也證明在中生代末有油氣藏的形成過程。中生代末的燕山運(yùn)動(dòng)使本區(qū)古生界和中生界地層傾斜為東傾單斜,并形成一系列斷塊(圖1),一次生烴形成的油氣藏被破壞,在鏡下薄片觀察和拉曼光譜中發(fā)現(xiàn)儲(chǔ)層中殘留有瀝青碎屑。在早第三紀(jì),本區(qū)進(jìn)入裂谷發(fā)育期,東部滄縣隆起開始上升,西側(cè)霸縣凹陷大幅度下降,致使原來的東傾單斜變?yōu)槲鲀A單斜,構(gòu)造圈閉具雛型,地溫和有機(jī)質(zhì)成熟度Ro迅速增加。在Es2+3期末,古地溫再次超過一次生烴的溫度,開始二次生烴,大部分地區(qū)Ro為0.5%～0.8%,深凹區(qū)可達(dá)1.3%以上,進(jìn)入濕氣-凝析油氣生成階段,大部分地區(qū)生烴率為5×10-3～50×10-3,深凹處可達(dá)100×10-3以上。文安斜坡大部分地區(qū)處于晚成巖階段A期,儲(chǔ)層次生孔隙發(fā)育,蓋層封閉性能好,烴源巖進(jìn)入排烴門限,開始大量排烴,排烴率一般為5×10-3～20×10-3,深凹處最大可達(dá)90×10-3,實(shí)現(xiàn)了真正意義上的成藏。在晚第三紀(jì),本區(qū)進(jìn)入坳陷期,基底穩(wěn)定下沉,構(gòu)造圈閉的幅度進(jìn)一步增大,石炭—二疊系地溫和有機(jī)質(zhì)成熟度迅速增高。Ro在深凹區(qū)可達(dá)0.8%～1.5%,油氣大量生成,生烴率最高可達(dá)100×10-3以上,排烴率可達(dá)90×10-3以上;斜坡東部Ro主要分布在0.5%～0.8%,生烴率在5×10-3～30×10-3之間,排烴率在5×10-3～20×10-3。文安斜坡大部分地區(qū)處于晚成巖階段A期,儲(chǔ)層次生孔隙發(fā)育,蓋層封閉性能好;但在深凹區(qū),石炭—二疊系處于晚成巖階段B期,儲(chǔ)層次生孔隙不發(fā)育,蓋層封閉能力下降。總體來看,在早第三紀(jì)末—晚第三紀(jì),石炭—二疊系生、儲(chǔ)、蓋、排俱佳,進(jìn)入主成藏期。4石炭—成藏主控因素分析成藏史數(shù)值模擬的意義不僅在于其本身的價(jià)值,更重要的是它可以指導(dǎo)研究區(qū)成藏主控因素的分析和有利區(qū)域的預(yù)測(cè)。由文安斜坡的成藏動(dòng)力學(xué)過程分析可見(圖5),本區(qū)的成藏主要取決于生、排烴史與圈閉形成期的匹配和油氣藏形成之后的保存條件,其次才是儲(chǔ)層和蓋層。盡管石炭—二疊紀(jì)烴源巖在中生代末已開始生、排烴,并發(fā)生過一次充注,但被后期的構(gòu)造運(yùn)動(dòng)破壞了。值得慶幸的是,石炭—二疊紀(jì)烴源巖在中生代末并未進(jìn)入大量生排烴階段。早第三紀(jì)期間,構(gòu)造圈閉形成之后,本區(qū)石炭—二疊紀(jì)烴源巖開始了二次生烴,圈閉形成與大量生、排烴的匹配良好,開始了二次成藏。在晚第三紀(jì)進(jìn)入主成藏期之后,未發(fā)生大的構(gòu)造運(yùn)動(dòng),油氣藏一直保存至今。由以上討論可知,冀中坳陷有利地區(qū)的預(yù)測(cè)關(guān)鍵問題就是尋找生、排烴史與圈閉形成期匹配良好、且成藏之后沒有遭到破壞的圈閉。據(jù)此,位于喜山期二次生烴區(qū)內(nèi)或周圍、且在喜山期形成的構(gòu)造帶和圈閉是最有利的勘探目標(biāo)。5成藏主因素的確定1)成藏史數(shù)值模擬是繼盆地模擬、油氣生成動(dòng)力學(xué)過程模擬和成巖作用模擬之后又一種石油地質(zhì)定量研究技術(shù),可用于成藏過程的動(dòng)力學(xué)過程模擬和成藏主控因素的確定。2)文安