松辽盆地长岭断陷龙凤山地区油气分布有序性及其主控因素
范婕1, 蒋有录1, 刘景东1, 朱建峰2, 李瑞磊2
1.中国石油大学(华东)地球科学与技术学院
2.中国石化东北油气分公司
通信作者:蒋有录,1959年生,教授,博士生导师。E-mail: jiangyl@upc.edu.cn

作者简介:范婕,女,1991年生,博士研究生;主要从事油气成藏机理与分布规律方面的研究工作。地址:(266580)山东省青岛市黄岛区长江西路66号。电话:15275428289。ORCID: 0000-0002-7906-0369。E-mail: fanjie999@126.com

摘要

对于松辽盆地油气分布有序性的研究较为薄弱,其主控因素尚不明确,制约了该区的油气勘探进程。为此,以该盆地油气勘探新区——长岭断陷龙凤山地区为例,从油气藏类型、储量丰度、油气相态等方面刻画了该区油气分布的有序性,结合油气成藏条件划分出S2、S203和 S201等3个油气运聚单元,并利用层次分析法对不同成藏要素的配置关系进行定量评价,明确了油气分布有序性的主控因素。研究结果表明:①自北部洼陷带向西部构造带,该区油气分布在相态上体现为气藏—油气藏—油藏的有序变化,油气藏类型上则表现为岩性油气藏、构造—岩性油气藏、岩性—构造油气藏、构造油气藏的渐变特征,油气富集程度上呈现出储量及其丰度逐渐增加的趋势;②该区油气分布有序性受控于3种因素,断—源时空配置的有效性控制了油气相态分布的有序性,不同运聚单元边界条件的差异性控制了油气藏类型分布的有序性,断—源—砂—盖配置的差异性则控制了油气富集程度的有序性。结论认为,S201运聚单元的油气成藏条件最为优越,源—断—砂—盖配置最好,勘探潜力最大,可作为下一步油气勘探的重点区块。

关键词: 松辽盆地; 长岭断陷; 龙凤山地区; 油气分布; 有序性; 主控因素; 油气运聚单元; 油源断层; 烃源岩; 勘探区
Orderliness of hydrocarbon distribution in the Longfengshan area of the Changling fault depression, Songliao Basin, and its main controlling factors
Fan Jie1, Jiang Youlu1, Liu Jingdong1, Zhu Jianfeng2, Li Ruilei2
1. School of Geosciences, China University of Petroleum-Huadong, Qingdao, Shandong 266580, China
2. Sinopec Northeast Oil and Gas Company, Changchun, Jilin 130062, China
Abstract

The orderliness of hydrocarbon distribution in the Songliao Basin has benn rarely studied and its main controlling factors have not defined yet, which impedes the oil and gas exploration in this area to certain extent. In this paper, the Longfengshan area in the Changling fault depression, a new exploration area in the Songliao Basin, was taken as an example to describe the orderliness of hydrocarbon distribution from the aspects of reservoir type, reserves abundance and hydrocarbon phase state. Then, based on hydrocarbon accumulation conditions, three hydrocarbon migration-accumulation units (S2, S203 and S201) were classified. Finally, the configuration of hydrocarbon accumulation elements was assessed quantitatively using the analytic hierarchy process, and the main factors controlling the hydrocarbon distribution regularity were defined. The following results were obtained. First, from the sag belt in the north to the structural belt in the west, the hydrocarbon phase state changes in an order of gas reservoir-oil & gas reservoir-oil reservoir, the reservoir type presents a gradual change of lithologic reservoir-structural-lithologic reservoir-lithologic-structural reservoir-structural reservoir, and the hydrocarbon reserves and abundance increase gradually. Second, the orderliness of hydrocarbon distribution in the study area is controlled by three factors. The orderliness of hydrocarbon phase state is controlled by the effectiveness of fault-source space-time configuration; that of reservoir type is controlled by the diversity of boundary conditions of hydrocarbon migration-accumulation units; and that of hydrocarbon enrichment degree is controlled by the diversity of fault-source-sandstone-caprock configuration. From the sag belt in the north to the structural belt in the west, the fault-source-sandstone-caprock configuration turns better and the hydrocarbon migration-accumulation capacity becomes stronger. In conclusion, S201 is the best in hydrocarbon accumulation conditions, source-fault-sandstone-caprock configuration and exploration potential, so it can be taken as a main target for future exploration.

Keyword: Songliao Basin; Changling fault depression; Longfengshan area; Hydrocarbon distribution; Orderliness; Main controlling factors; Hydrocarbon migration-accumulation unit; Oil source fault; Source rock; Exploration area

早在20世纪50年代, Gussow就提出了“ 油气藏序列” 的概念[1]; 随着理论研究的深入, 诸多学者总结了成藏序列组合的分类, 并探讨其内在主控因素[2, 3]; 20世纪中后期, 研究重点转移到了油气规模有序性的理论分析和实践应用上[4, 5, 6]。直至“ 复式油气聚集理论” 的提出[7], 陆相盆地油气藏类型的有序性引起了更多学者的关注, 并被作为“ 三维立体交叉式综合勘探” 的重要依据[8, 9]; 随着勘探程度的增加, 石油地质学者们逐渐意识到, 各凹陷的油气分布有序性及其控制因素存在着较大的差异。因此将研究尺度从盆地向凹陷聚焦, “ 石油分布‘ 四性’ ” “ 源热共控” “ 油气成藏机理递变序列” 等理论应运而生[10, 11, 12], 并在柴达木、渤海湾等盆地取得了良好的勘探效果[10, 11, 12, 13, 14, 15], 油气分布有序性理论得到了长足发展。然而, 目前对于松辽盆地油气分布有序性方面的相关论述则较少, 其主控因素尚不明确, 立足于油气有序分布规律的油气勘探受到严重制约。为此, 笔者以该盆地长岭断陷的勘探新区— — 龙凤山地区为例, 从油气藏类型、储量丰度、油气相态等方面刻画油气分布有序性, 结合油气成藏条件分析, 划分油气运聚单元, 再利用层次分析法对不同成藏要素的配置关系进行定量评价, 明确其主控因素, 以期从油气有序性的现象描述推及其内在本质, 从而达到预测油气勘探潜力的目的。

1 研究区概况

龙凤山地区位于长岭断陷南部, 面积约为300 km2, 是在西部拆离断层控制下发育的北西断、南东超的大型鼻状构造[16, 17](图1)。研究区主要发育白垩纪地层, 自下而上分别为火石岭组、沙河子组、营城组、登娄库组、泉头组、青山口组、姚家组和嫩江组等[18]。自白垩纪以来, 研究区先后经历了断陷期、断坳转换期和坳陷期, 营城组末期和登娄库组末期均有不同程度的地层剥蚀[19]。研究区断陷层发育良好的生储盖组合:沙河子组发育大套暗色泥岩, 为有利的烃源岩; 营城组储层物性较好, 为主力的含油气层系; 营Ⅲ 砂组顶部泥岩厚度较大且广泛发育, 为区域盖层(图1)。根据构造差异, 研究区划分为西部构造带、东南缓坡带和北部洼陷带[19]。其中, 西部构造带和东南缓坡带以F4断层为界, S2— S203井区以北为北部洼陷带。

图1 龙凤山地区构造(K1yc顶)和地层综合柱状图

2 油气分布有序性

研究区以产气为主, 局部产少量原油。自北部洼陷带向东南缓坡带, 不同区块油气相态呈现气藏— 油气藏— 油藏的有序变化:截至2017年底, S2区块天然气累计产量为37.59× 104m3, 基本无原油产出, 为纯气藏; S203和S201区块均为油气藏, 累产气油比分别为4.82× 104m3/m3和0.19× 104 m3/m3; S204区块累计产油31.08 m3, 无天然气产出, 为纯油藏(图2)。研究区天然气含量介于72.51%~92.15%, 平均值为83.09%, δ C13分布范围为– 32.4‰ ~– 38.8‰ , 为凝析油伴生气和腐殖型气的混合气[18]; 原油具有低密度、低黏度、低含硫量、低凝固点的特点, 其密度集中在0.77~0.83 g/cm3, 黏度介于1.00~5.88 mm2/s, 具有陆相轻质原油的特征。对比结果表明, 龙凤山地区流体性质在不同区块间无较大差异性, 但自北向南呈现出原油密度和黏度逐渐增大、天然气甲烷百分含量逐渐升高、天然气密度逐渐减小的变化规律。

图2 油气分布有序性变化剖面图

研究区广泛发育三角洲、近岸水下扇、浅湖、半深湖相沉积体系, 随着与物源距离的增加, 泥质含量逐渐增加, 砂体连通性逐渐变差[20], 同时, 断层的数量、延伸长度和规模在不同区块具有较大差异性。整体上, 研究区受构造和岩性因素的双重控制, 油气藏类型以断层— 岩性和岩性— 断层油气藏为主。但是, 由于两种要素配置关系的不同, 导致不同区块控制圈闭的主导要素存在差异性, 从而使得油气藏类型呈现出有序的变化规律:自北部洼陷带向西部构造带, 油气藏类型表现为岩性油气藏、构造— 岩性油气藏、岩性— 构造油气藏、构造油气藏的过渡特征(图2)。

平面上, 研究区不同构造带均有油气分布, 但不同构造带不同区块油气富集程度差异较大。其中, S201区块的油气控制储量及丰度最大, 占总控制储量的64.17%, S203区块次之, S2区块油气富集程度最低。纵向上, 油气呈现出单层系聚集、浅部砂组富集的特点。营城组是研究区主力含油气层系, 其中, 营Ⅲ — 营Ⅵ 砂组内已发现规模油气藏。统计结果表明, 自深向浅, 其油气控制储量逐渐增大, 其中, 浅部的营Ⅲ 砂组最大, 占总油气控制储量的37.39%, 营Ⅳ 砂组次之, 其他砂组的油气储量则相对较少。

综上, 研究区自北部洼陷带向西部构造带, 各区块的油气分布呈现出明显的有序性:相态上, 体现为气藏— 油气藏— 油藏的有序变化; 油气藏类型上, 表现为岩性油气藏、构造— 岩性油气藏、岩性— 构造油气藏、构造油气藏的过渡特征; 油气富集程度上, 其储量和储量丰度呈现逐渐增加的趋势。

3 油气分布有序性的主控因素
3.1 断— 源时空配置的有效性控制了油气相态分布的有序性

油源对比结果表明, 研究区油气主要来自于S2井及其以北的洼陷带沙河子组烃源岩[19]。沙河子组烃源岩厚度介于100~400 m, 厚度中心分布在S2— S203井区, 有机质丰度较高, 基本大于1.0%, 有机质类型以偏腐泥混合型为主, 少量为偏腐殖混合型, 热演化处于高熟— 过熟阶段, 多属于极好— 好烃源岩[16, 18]。前人研究成果表明, 沙河子组烃源岩生烃中心位于S2井及其北部地区[16], 且存在两期生烃特征。油气发生两期充注, 分别为登娄库组沉积中期— 抬升中期(距今101~105 Ma)和泉头组沉积末期— 嫩江组沉积中期(距今82.0~94.5 Ma)[16]

油源断层活动期与油气成藏期有效配置时, 断层可成为油气大规模垂向运移的输导通道[21]。断裂在营城组沉积期活动性较强, 登娄库组沉积期逐渐停止活动, 其停止活动时间为距今99~105 Ma。与成藏期匹配可知, 油源断裂仅在第一期油气充注时可大规模垂向输导油气。另外, 研究区发育多条反向正断层, 其倾向与油气运移的上倾方向相反。静止期时, 反向断层封闭性较好, 易形成油气成藏的遮挡条件[21]。F4和F5断层为研究区的主干断层, 利用SGR法对其侧向封闭性进行评价。结果表明:二者的侧向封闭性较好, 可有效遮挡油气成藏, 但F4断层上升盘的营Ⅲ 砂组存在封闭性较差的层段, 油气可在该处发生侧向运移(图2)。

断层和烃源岩在时空上的有效配置控制了研究区油气相态分布的有序性。其中, 烃源岩有机质类型表明其具有产油和产气的物质条件; 烃源岩热演化程度控制了研究区早油晚气的两期生烃特征; 断裂的晚期分段封闭性控制了油气的差异充注特征。笔者在烃源岩和断裂特征分析的基础上, 以油气相态变化为主线, 热演化史为时间轴, 对油气充注过程进行了精细刻画(图3、4):营城组沉积末期, 洼陷带沙河子组烃源岩仅部分达到生烃门限, 但尚未排烃(图3-a); 登娄库组沉积期时, 烃源岩进入成熟阶段, Ro高值区可超过0.7%(图4-a), 原油大量生成, 在断裂的垂向输导和砂体的侧向分流作用下, 原油广泛充注, 但充注范围尚未到达西部构造带(图3-b); 至登娄库组沉积末期, 地层发生大规模抬升剥蚀, 烃源岩生烃停滞, 第一期油气成藏结束; 泉头组沉积中期, 地层发生过补偿, 烃源岩达到二次生烃条件, 此时干酪根从生油为主逐渐转变为生气为主(图4-b), 同时生成的原油也逐渐开始裂解成气, 天然气发生大规模的充注, 离生烃中心越近, 天然气越充足, 含量越高。第二期油气充注过程中, 断裂基本停止活动, 主要表现为侧向封闭性, 封闭性较差的断裂带成为连通断层两侧圈闭的“ 桥梁” [22, 23], 从而构成了连续且构造逐渐升高的系列圈闭, 油气沿该通道发生侧向运移, 随着油气数量的增加, 晚期生成的天然气驱替圈闭中的早期原油, 从而把原油推向溢出点, 原油不断被排出, 向上倾方向溢去, 沿封闭性较差的层段进入断裂对盘储层(S204井营Ⅲ 砂组)成藏(图2、图3-c)。最终, 油气相态自东向西呈现出气相— 油气两相— 油相的有序性分布, 构成了“ 近源富气, 远源富油” 的油气相态格局。随着地层的持续沉降, 嫩江组沉积初期, 洼陷带烃源岩Ro达到2.0%(图4-c), 基本处于枯竭状态, 第二期油气成藏持续至嫩江组沉积中期结束。

图3 龙凤山地区成藏模式图

图4 龙凤山地区沙河子组烃源岩Ro时空演化图

3.2 不同运聚单元边界条件的差异性控制了油气藏类型的有序性

油气运聚单元是盆地内具有相似油气生成、运聚条件和成藏特征的油气藏的集合体[22], 其划分依据为不同成藏期时的流体力学特征, 因而要在明确输导体系及流体势特征的基础上, 确定运聚单元的自然边界和流动边界, 进而精细刻画其分布范围。为增强研究工作的有效性, 应只对运聚成藏的单元进行研究。

根据简化的Hubbert模型[24]可知, 流体势与构造埋深呈正相关关系, 因此构造起伏即可呈现流体势的变化趋势。结果表明, 由于登娄库组末期的差异剥蚀作用, 使得断层两盘的构造发生了一定变化, 但是总体上两期成藏时均呈现东北低、西南高的构造格局, 流体高势区向低势区变化的方向指示了油气自北向南运移的特征(图5)。同时, 成藏期时研究区均发育两个势能分隔槽, 分别位于F5断层及其以北和S203井东北部, 可作为油气运聚单元划分的流动边界。另外, 根据流体势走向可知, S2井和S203井应处于同一运移路径上, 但由于二者物源不同, 且物源范围未发生垂向叠置[20], 导致在二者之间发育浅湖— 半深湖相, 形成一条砂质减薄带甚至砂体尖灭(图5), 从而使得二者分别为不同的运聚单元。研究区的反向断层主要以封闭性为主, 为油气聚集的边界遮挡条件。因此, S2井与S203井间的砂岩尖灭和F4、F5封闭断层共同构成了油气运聚单元的自然边界。

图5 龙凤山地区油气运聚单元模型图

综上所述, 研究区可划分为3个运聚单元:S2运聚单元、S203运聚单元和F4与F5断层形成的“ 走廊” 空间— — S201运聚单元(图5)。其中, S2井区断层较少, 油气藏主要受控于西侧砂岩尖灭, 易形成岩性油气藏; S203井区受F5断层的封闭作用和东侧砂岩尖灭的影响, 易形成断层— 岩性油气藏和岩性— 断层油气藏; S201运聚单元在两条封闭断层的遮挡作用下, 油气沿内部连通砂体自北向南运移, 或者在F4断层遮挡下成藏, 或者沿F4断层封闭性差的层段发生侧向运移, 在S204区块成藏, 形成岩性— 断层油气藏或断层油气藏。总体上, 研究区不同运聚单元的边界主要受断裂和岩性双重因素控制, 其主导控制因素自北部洼陷带向西部构造带逐渐由岩性演变为断层, 不同油气运聚单元的边界条件差异性控制了油气藏类型的分布有序性。

3.3 源— 断— 砂— 盖配置的差异性控制了油气富集程度的有序性

油气聚集成藏是一系列成藏要素及其动态过程有效配置的产物, 包括烃源岩生排烃、输导体系运移、油气充注圈闭成藏及后期的保存等环节[25, 26]。因此, 油气富集程度不只受单一因素影响, 而是各成藏要素相互配置、共同作用的结果。通过对研究区各运聚单元成藏条件的分析, 认为烃源岩条件、断层输导能力、砂体输导能力以及盖层保存条件等4个因素对该区油气运聚具有重要的控制作用。笔者利用层次分析法[27], 根据各因素间的相互影响以及不同隶属关系, 按照不同层次聚集组合, 构建多层次的分析结构模型, 以评价各运聚单元运聚油气的能力, 其步骤如下。

3.3.1 构建系统层次模型

首先, 将与决策有关的元素分解成目标层(A)、准则层(B)、子准则层(C)、方案层(D)等层次, 构建递阶层次结构模型。其中, 目标层(A)为评价各油气运聚单元的输导性能; 准则层(B)分为砂体(B1)、盖层(B2)、断层(B3)以及烃源岩(B4); 子准则层为砂体孔渗性(C1)、砂体厚度(C2)、盖层分布(C3)、断盖配置(C4)、油源断层数量(C5)、侧向封闭性(C6)、与生烃中心距离(C7)、供烃角度(C8), 方案层(D)包括S2运聚单元(D1)、S203运聚单元(D2)、S201运聚单元(D3)。

3.3.2 构建判断矩阵, 计算各准则权重

采用两两比较法, 利用数字1~9及其倒数作为重要性的标度[27], 根据各成藏要素特点及其在油气运聚过程中的重要程度, 建立判断矩阵如表1所示。

表1 油气运聚单元运聚油气能力评价判断矩阵表

对该判断矩阵的向量进行归一化处理, 得到特征向量为:(0.08, 0.158, 0.309, 0.453)T。根据本文参考文献[28]中的公式计算可知, 随机一致性比率CR=0.011< 0.1, 通过一致性检验。

在明确准则层(B)各要素权重的基础上, 采用同样方法确定各子准则层(C)的权重。以准则层B1的C1和C2子准则层为例, 通过构建判断矩阵B1— C, 得到特征向量:( 0.25, 0.75)T。因此, C1的权重值为0.08× 0.25=0.020, C2的权重值为0.08× 0.75=0.060。同理, 可得到其他子准则层的权重。

3.3.3 构建判断矩阵, 给各方案层的准则层赋值

依据不同油气运聚单元的成藏条件特征, 利用构建矩阵法对每个子准则层进行赋值, 以比较不同油气运聚单元各成藏条件的差异性。以子准则层C1为例, 根据压实作用原理, 孔隙度随着深度的增加而减小, 结合各油气运聚单元的构造埋深以及物性实测资料, 得到特征向量为:(0.529, 0.309, 0.162)T。因此3个运聚单元的C1赋值分别为0.529, 0.309, 0.162。同理, 可为各运聚单元其他子准则层进行赋值(表2)。

表2 油气运聚单元运聚油气性能定量评价表

3.3.4 综合评价

在确定了各准则层的权重及不同方案层的赋值后, 对应乘积之和即为其综合评价分值。评价结果表明, S201运聚单元的综合分值最高, 其次为S203运聚单元, S2运聚单元评分最低(表2)。其中, S201运聚单元在烃源岩的主力供烃范围内, 具有断层封闭性好、砂体厚度大且连通性好、盖层厚度大、断— 盖配置关系好的特点, 最有利于油气的大规模运聚, 因此油气富集程度最高。S203运聚单元与生烃中心距离较近, 供烃角度较好; 油源断层较多, 有利于油气垂向输导; F5断层侧向封闭性较好, 与S203和S2之间砂岩尖灭共同构成油气的遮挡条件, 有利于油气聚集; 但盖层厚度相对较小, 营Ⅲ 砂组顶部泥岩盖层厚度仅为5~26 m, 保存条件较差, 综合评分仅次于S201运聚单元。而S2运聚单元虽处于“ 近水楼台先得月” 的优势位置, 距离生烃中心最近, 但构造脊优势运移通道仅覆盖部分区域, 供烃角度欠佳; 盖层厚度较大, 断— 盖配置较好, 营Ⅲ 砂组顶部泥岩盖层厚度大于50 m, 断接厚度大多大于30 m; 反向断层基本不发育, 油源断层数量较少; 储层埋深最大, 物性最差, 且砂岩厚度最小, 油气运聚条件相对较差, 因而油气富集程度最低。

不同的油气运聚单元具有不同的源— 断— 砂— 盖配置条件, 控制了油气富集程度的差异性。总体上, 研究区自北部洼陷带向西部构造带, 源— 断— 砂— 盖组合运聚油气的能力逐渐增强, 因此其储量丰度呈现出逐渐增大的有序变化。其中, S201运聚单元的油气成藏条件最为优越, 源— 断— 砂— 盖配置最好, 故油气储量规模及丰度最大, 该区块控制储量占目前研究区总控制储量的64.17%, 勘探潜力较大, 可作为下一步的重点勘探区块。

4 结论

1)龙凤山地区自北部洼陷带向西部构造带, 油气分布呈现出有序性变化规律:相态上, 体现为气藏— 油气藏— 油藏的有序变化; 油气藏类型上, 表现为岩性油气藏、构造— 岩性油气藏、岩性— 构造油气藏、构造油气藏的过渡特征; 油气富集程度上, 呈现出储量及其丰度逐渐增加的趋势。

2)研究区烃源岩的有机质类型表明其具有产油和产气的物质条件, 热演化程度控制了早油晚气的两期生烃特征, 断裂的晚期分段封闭性控制了油气的差异充注特征, 断— 源的有效时空配置控制了油气相态分布的有序性。

3)研究区不同运聚单元的边界主要受断裂和岩性双重因素控制, 其主导控制因素自东向西逐渐由岩性演变为断层, 从而控制了油气藏类型分布的有序性。

4)优质的烃源岩是油气富集的先决条件; 断层早期为沟通“ 源— 储” 的桥梁, 晚期为油气提供了侧向遮挡条件; 砂体沿物源方向连通性较好, 成为良好的横向运移通道和油气储集空间; 主力盖层厚度及断— 盖配置关系控制了油气的纵向分布层系。自北部洼陷带向西部构造带, 源— 断— 砂— 盖配置条件逐渐变好, 油气运聚能力逐渐增强, 控制了油气富集程度的有序分布。

The authors have declared that no competing interests exist.

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