高勝利,魏雪珂,趙軍龍,孟祥寧,楊金俠

(1.西安石油大學(xué) 地球科學(xué)與工程學(xué)院,陜西 西安 710065;2.西安石油大學(xué) 陜西省油氣成藏地質(zhì)學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710065;3.陜西師范大學(xué) 數(shù)學(xué)與統(tǒng)計(jì)學(xué)院,陜西 西安 710062)

0 引 言

在鄂爾多斯盆地致密油勘探開(kāi)發(fā)中,對(duì)砂體與儲(chǔ)層成因類(lèi)型及其分布特征的研究一直是難點(diǎn)與熱點(diǎn),特別是湖盆沉積中心長(zhǎng)6、長(zhǎng)7油層組細(xì)粒砂巖沉積(粒度較細(xì),以細(xì)砂巖、粉砂巖為主)越來(lái)越得到重視。厚層砂體的形成、展布方向、分布范圍主要受控于沉積物的供給速率、湖盆底形及構(gòu)造活動(dòng)等因素[1-4]。

基于“陜北斜坡為一平緩的西傾單斜,構(gòu)造簡(jiǎn)單,缺乏背斜等構(gòu)造圈閉”這一傳統(tǒng)理念,認(rèn)為油藏的形成和分布主要受沉積相控制,構(gòu)造等其他因素對(duì)延長(zhǎng)組油藏的形成和分布的控制作用不明顯[5-6]。延長(zhǎng)組隆起構(gòu)造特別是低幅度的鼻狀隆起構(gòu)造實(shí)際上比較發(fā)育,且其對(duì)三疊系油藏的形成與富集具有重要控制作用[7],隨著致密油勘探步伐的加快,鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長(zhǎng)6油藏的發(fā)現(xiàn),引起構(gòu)造因素(湖盆底形)對(duì)油藏控制作用的重視,鄂爾多斯盆地華慶地區(qū)長(zhǎng)6目的層沉積期處于深湖-半深湖環(huán)境,按常規(guī)的勘探理論認(rèn)為該區(qū)域是致密油勘探的“禁區(qū)”,研究認(rèn)為長(zhǎng)6油層組沉積期為三角洲大規(guī)模發(fā)育期,在有利沉積相和成巖相共同控制下形成大規(guī)模低滲透儲(chǔ)集層,多坡折湖盆構(gòu)造面貌背景下是大規(guī)模低滲透儲(chǔ)集層形成的構(gòu)造條件[8-11],已初步認(rèn)為湖盆底形構(gòu)造因素對(duì)致密油成藏的控制作用,致密油勘探邁向“深水區(qū)”的步伐加快,同時(shí)積極開(kāi)展模擬試驗(yàn),研究重力流沉積機(jī)理[12]。

重視構(gòu)造因素在致密油成藏中的重要作用后,使直接尋找、評(píng)價(jià)致密油“甜點(diǎn)區(qū)”成為可能[13-16]。致密油優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的形成必須具備一定的構(gòu)造條件,湖盆內(nèi)次一級(jí)凹陷(或沉降中心)邊緣、古高地前緣斜坡及古隆起邊緣等往往是優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層形成的構(gòu)造條件[10],目前對(duì)于生烴期地層古構(gòu)造特征、特別是定量化研究非常薄弱,對(duì)于鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組生烴期地層古構(gòu)造形態(tài)的恢復(fù)仍舊停留在傳統(tǒng)的沉積相分析基礎(chǔ)上,定性概略地層古構(gòu)造輪廓[17-19]。對(duì)于鄂爾多斯中生界這樣穩(wěn)定克拉通內(nèi)的坳陷性質(zhì)的湖盆,利用目前巖性地層單元所揭示的地層充填結(jié)構(gòu)和形態(tài),以及地震資料反映的單調(diào)的幾乎是平行的地層結(jié)構(gòu),難以對(duì)生烴期地層古構(gòu)造形態(tài)特征和沉積坡折帶等給予比較清晰的回答,盆地模擬技術(shù)提供了定量化研究湖盆地層古構(gòu)造及其演化特征的有效途徑。陳瑞銀等利用Temis-3D盆地模擬軟件對(duì)地層埋藏過(guò)程進(jìn)行模擬,研究盆地演化史及其油氣地質(zhì)意義[20-21]。

1 研究方法與數(shù)據(jù)來(lái)源

盆地?cái)?shù)值模擬技術(shù)集大量地質(zhì)數(shù)據(jù)于一體,在研究致密油“甜點(diǎn)區(qū)”時(shí)可使地質(zhì)研究工作者享受“大數(shù)據(jù)”創(chuàng)造的精細(xì)、準(zhǔn)確和科學(xué)的地質(zhì)成果,致密油勘探學(xué)科與數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)等科學(xué)的相互融合,是基于當(dāng)今大數(shù)據(jù)時(shí)代致密油勘探技術(shù)發(fā)展的大趨勢(shì)。

1.1 方法原理

沉積物一般可近似分為2部分,即巖石顆粒骨架及其間的孔隙,由于顆粒骨架材料的不可壓縮性(其真實(shí)壓縮性很小),地質(zhì)歷史時(shí)期沉積物在經(jīng)受壓實(shí)作用時(shí),其體積的變化應(yīng)主要表現(xiàn)為孔隙體積的變化。

設(shè)在目前頂部埋深為ZN處有一巖石單元,其厚度為T(mén)N,若早期埋深為Zt時(shí)該單元的厚度為T(mén)t,由上述前提,可用巖石厚度的變化來(lái)表示體積的這種變化,從而有

(1)

式中Zt為某一地層在t時(shí)刻的頂界埋深,m;ZN為某一地層在現(xiàn)今頂界埋深,m;Tt為某一地層在t時(shí)刻的地層厚度,m;TN為某一地層在現(xiàn)今的地層厚度,m;φ(z)為埋深為z時(shí)的孔隙度,%。

壓實(shí)研究表明,沉積物處于正常壓實(shí)狀態(tài)時(shí),沉積物特別是細(xì)粒沉積物的孔隙度與相應(yīng)埋深間的關(guān)系可用下述指數(shù)函數(shù)表示

φ=φ0·e-c·Z

(2)

式中φ和φ0分別為埋深為Z和地表處的孔隙度;c為壓實(shí)系數(shù)。

要恢復(fù)出不同地質(zhì)歷史時(shí)期沉積物被壓實(shí)掉的那部分厚度,就要進(jìn)行壓實(shí)厚度校正。

將(1)式代入(2)式,得

Tt=φ0/c·e-cZt·(1-e-cTt)+TN-φ0/c·e-cZN·(1-e-cTN)

(3)

公式(3)為一超越方程,可求出Tt和Zt的近似解。先將地層恢復(fù)到剛沉積時(shí)的狀態(tài),然后依次求出不同地質(zhì)歷史時(shí)期該地層的埋深和厚度,根據(jù)計(jì)算出的最后一個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)(現(xiàn)今)與目前真實(shí)的厚度、埋深間的誤差去修正前些時(shí)期的計(jì)算。

公式(3)是針對(duì)正常壓實(shí)情況而建立的,對(duì)超壓地層,該超壓又非單純靠壓實(shí)作用形成時(shí),這時(shí)的地層厚度與孔隙度、壓力、溫度等多個(gè)因素相互依賴(lài),因此出現(xiàn)這種情況時(shí),將超壓模型與壓實(shí)模型綜合考慮,與地層流體壓力演化史恢復(fù)同步進(jìn)行[22-23]。

1.2 地質(zhì)模型

泥巖壓實(shí)已成為油氣成藏動(dòng)力學(xué)背景研究必須開(kāi)展的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作,通過(guò)泥巖壓實(shí)研究,能夠獲取泥巖壓實(shí)規(guī)律、估算地層剝蝕厚度和孔隙流體壓力,獲取壓實(shí)參數(shù)并以其作為流體動(dòng)力數(shù)值模擬的約束條件,對(duì)盆地演化過(guò)程及異常流體壓力分析具有重要的意義。

沉積物自沉積后在其上覆負(fù)荷或構(gòu)造應(yīng)力的作用下,經(jīng)歷了地層水不斷排出、孔隙度降低、地層厚度變小的過(guò)程,由于砂巖在壓實(shí)過(guò)程中,還受膠結(jié)、溶蝕等多種成巖作用的影響,而泥巖只發(fā)生與機(jī)械壓實(shí)有關(guān)的成巖作用,且泥巖的壓實(shí)作用是不可逆的。通過(guò)泥巖壓實(shí)研究,能夠獲取泥巖壓實(shí)規(guī)律、估算地層剝蝕厚度和孔隙流體壓力。該項(xiàng)研究主要獲得泥巖壓實(shí)規(guī)律、泥巖壓實(shí)系數(shù)及砂巖孔滲關(guān)系等規(guī)律認(rèn)識(shí)[24]。

針對(duì)盆地沉積歷史及區(qū)域構(gòu)造特點(diǎn),以地層對(duì)比法為主,并與泥巖壓實(shí)趨勢(shì)外推法相結(jié)合,在考慮古地表起伏形態(tài)的基礎(chǔ)上,通過(guò)類(lèi)似于地震解釋中相交測(cè)線的閉合驗(yàn)證的方法,來(lái)估算研究區(qū)內(nèi)抬升剝蝕事件對(duì)應(yīng)的地層剝蝕厚度。地層剝蝕厚度估算方法有泥巖壓實(shí)趨勢(shì)外推法、地層對(duì)比法、地?zé)嶂笜?biāo)法和沉積速率法等多種方法[20]。

采用盆地模擬技術(shù)方法手段,使用法國(guó)石油研究院研制的Temisflow盆地模擬軟件實(shí)現(xiàn)[21]。為了獲得與真實(shí)情況相符合的模擬結(jié)果,需要盡可能多的利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)作為約束條件去修正模擬演化過(guò)程,通過(guò)不斷修改推測(cè)性的邊界條件和模擬參數(shù),使模擬結(jié)果接近于實(shí)測(cè)的標(biāo)定值。

2 湖盆底面構(gòu)造特征

2.1 長(zhǎng)10期底面凹凸構(gòu)造

長(zhǎng)10期底面構(gòu)造特征表現(xiàn)為“多凹陷區(qū)、凹陷幅度大,盆地的東西兩側(cè)為2條貫穿南北向凹陷帶,中部地區(qū)為凸起帶”的凹凸面貌格局。盆地中部相對(duì)高程值高,尤其是志丹、涇川等地,相對(duì)高程值達(dá)500 m以上。盆地東部凹陷帶在榆林—子長(zhǎng)—延安—洛川—白水一線,凹陷幅度在100～140 m之間。盆地西部凹陷帶在天池—環(huán)縣—鎮(zhèn)原一線,凹陷幅度比東部凹陷帶大(圖1)。

圖1 延長(zhǎng)組長(zhǎng)10期底面構(gòu)造面貌特征Fig.1 Structural features of the bottom surface of Chang 10 of Yanchang Formation

2.2 長(zhǎng)9期底面凹凸構(gòu)造

長(zhǎng)9期底面構(gòu)造特征繼承了長(zhǎng)10期底面構(gòu)造特征,整體表現(xiàn)為盆地的東西兩側(cè)為南北向凹陷帶,中部地區(qū)為凸起帶,盆地整體構(gòu)造值偏低,凹陷幅度較小。和長(zhǎng)10期相比,在盆地中部的凸起帶,已經(jīng)逐漸演變?yōu)榘枷輩^(qū)。盆地大部分區(qū)域相對(duì)高程在150～300 m之間,僅在盆地北部靖邊—橫山一帶和盆地南部的涇川—旬邑一帶存在小范圍區(qū)域的凸起,相對(duì)高程值達(dá)400 m以上(圖2)。

圖2 延長(zhǎng)組長(zhǎng)9期底面構(gòu)造面貌特征Fig.2 Structural features of the bottom surface of Chang 9 of Yanchang Formation

2.3 長(zhǎng)8期底面凹凸構(gòu)造

長(zhǎng)8期底構(gòu)造面貌特征整體為“橢圓環(huán)狀”的凸起,在盆地北部呈條帶狀展布。凹陷區(qū)域面積相對(duì)長(zhǎng)9期進(jìn)一步擴(kuò)大,主要集中在盆地的西南部,在長(zhǎng)9期相對(duì)凸起的涇川—旬邑一帶到長(zhǎng)8期轉(zhuǎn)變?yōu)榘枷輲?相對(duì)高程值普遍在100～150 m之間。在橫山—環(huán)縣區(qū)域相對(duì)高程值超300 m(圖3)。

圖3 延長(zhǎng)組長(zhǎng)8期底面構(gòu)造面貌特征Fig.3 Structural features of the bottom surface of Chang 8 of Yanchang Formation

2.4 長(zhǎng)7期底面凹凸構(gòu)造

長(zhǎng)8期凸起的“橢圓環(huán)狀”區(qū)域有進(jìn)一步的抬升,涇川—旬邑一帶的凹陷區(qū)相對(duì)下降。整體來(lái)說(shuō),盆地長(zhǎng)7期的構(gòu)造面貌格局特征與長(zhǎng)8期相似,但是構(gòu)造落差擴(kuò)大。在鹽池—定邊—志丹和榆林一帶的地區(qū)是盆地長(zhǎng)7期的構(gòu)造高點(diǎn),相對(duì)高程值超450 m,涇川—旬邑一帶的相對(duì)高程值不足30 m,整體構(gòu)造變化趨緩(圖4)。

圖4 延長(zhǎng)組長(zhǎng)7期底面構(gòu)造面貌特征Fig.4 Structural features of the bottom surface of Chang 7 of Yanchang Formation

2.5 長(zhǎng)6期底面凹凸構(gòu)造

長(zhǎng)6期底構(gòu)造面貌特征相對(duì)長(zhǎng)7期的構(gòu)造特征變化較明顯,整體表現(xiàn)為一較大的北西—南東向凸起區(qū)帶,該凸起帶兩側(cè)分別向北東和南西發(fā)育一較小的次凸起區(qū)。主凸起區(qū)帶分布在鹽池—吳起—直羅—黃陵一線地區(qū),其中天池、鹽池、子長(zhǎng)等地的相對(duì)高程值達(dá)到400 m以上。東北和西南次凸起帶分別發(fā)育在榆林—延安和環(huán)縣—慶陽(yáng)地區(qū)。該主凸起帶和西南次凸起帶間的姬塬—慶城—鎮(zhèn)原—旬邑一線地區(qū)為凹陷區(qū)帶,尤其涇川—旬邑地區(qū),其相對(duì)高程值不超過(guò)50 m,是盆地中構(gòu)造最低的區(qū)域。同時(shí)在東北部的橫山—靖邊—鐮刀彎一線地區(qū)也出現(xiàn)面積較小凹陷區(qū)帶,相對(duì)高程值在200 m左右(圖5)。

圖5 延長(zhǎng)組長(zhǎng)6期底面構(gòu)造面貌特征Fig.5 Structural features of the bottom surface of Chang 6 of Yanchang Formation

2.6 長(zhǎng)4+5底面凹凸構(gòu)造

長(zhǎng)4+5期底構(gòu)造面貌整體上為一較大的北西—南東向主凸起帶,該主凸起帶兩側(cè)分別發(fā)育近北西—南東向的凹陷區(qū),主要呈“三凸兩凹、相間分布”的構(gòu)造面貌。該期的主凸起帶分布在定邊—吳起—直羅—洛川—白水一線地區(qū),此凸起帶面積大,整體相對(duì)高程值在300 m以上。盆地中構(gòu)造最高的區(qū)域是在西南部的環(huán)縣—鎮(zhèn)原地區(qū)的一條南北向的凸起帶,相對(duì)高程值可達(dá)500 m以上。在環(huán)縣—慶城—涇川—旬邑一線和鹽池—靖邊—子長(zhǎng)一線地區(qū)為凹陷區(qū),相對(duì)高程值為50～200 m,較長(zhǎng)6期增大(圖6)。

圖6 延長(zhǎng)組長(zhǎng)4+5期底面構(gòu)造面貌特征Fig.6 Structural features of the bottom surface of Chang 4+5 of Yanchang Formation

2.7 長(zhǎng)3期底面凹凸構(gòu)造

長(zhǎng)3期底構(gòu)造面貌特征與長(zhǎng)4+5期構(gòu)造面貌特征相似,具有繼承性。該期盆地中構(gòu)造凸起區(qū)域的面積明顯增大,除盆地西南部環(huán)縣—涇川—旬邑一線地區(qū)的凹陷面貌仍然存在,幾乎整個(gè)盆地都是凸起區(qū),相對(duì)高程值在300～600 m之間。盆地西南部的環(huán)縣—鎮(zhèn)原次凸起區(qū)的相對(duì)高程值和面積變小,盆地西南部環(huán)縣—涇川—旬邑一線地區(qū)的凹陷區(qū)面積及凹陷深度也相對(duì)變小,相對(duì)高程值為50～150 m(圖7)。

圖7 延長(zhǎng)組長(zhǎng)3期底面構(gòu)造面貌特征Fig.7 Structural features of the bottom surface of Chang 3 of Yanchang Formation

3 凹凸中心及其遷移

恢復(fù)出來(lái)的各期底面凹凸構(gòu)造面貌特征,其本質(zhì)就是各期底面構(gòu)造沉降史特征。系統(tǒng)考察各期底面凹凸構(gòu)造面貌及其演化特征,認(rèn)為整個(gè)延長(zhǎng)期,在盆地中部和南部分別發(fā)育有一沉降中心,中部各期沉降中心軸線在定邊—甘泉一線左右來(lái)回遷移,而西南部各期沉降中心軸線在環(huán)線—旬邑一線左右來(lái)回遷移,長(zhǎng)7期湖盆是中、西南部2個(gè)湖盆合二為一的時(shí)期(圖8)。

圖8 鄂爾多斯盆地延長(zhǎng)組不同沉積時(shí)期沉降中心(軸)及其遷移特征Fig.8 Subsidence center(axis)and migration characteristics of Yanchang Formation in Ordos Basin during different sedimentary periods

對(duì)于盆地中部湖盆坳陷,長(zhǎng)10-長(zhǎng)9期湖盆沉降中心軸一致,長(zhǎng)8期沉降中心軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn),向北遷移,長(zhǎng)7期后沉降中心軸遷移至盆地中部,呈北東—南西向展布,長(zhǎng)6期又向東北方向遷移,長(zhǎng)4+5乃至長(zhǎng)3期沉降中心軸線又逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)遷移至盆地中部。

4 湖盆演化對(duì)油藏分布的影響

研究湖盆在形成和消亡期間沉積坳陷的遷移規(guī)律,其重要意義在于能對(duì)各期砂體的縱向相互疊置、橫向分布的認(rèn)識(shí)。延長(zhǎng)組沉積時(shí)期各沉積體系的演化過(guò)程,可以在時(shí)空上組成有利的生儲(chǔ)蓋組合[25-26]。

沿地層沉積厚度最大處的連線(厚度脊線)兩側(cè),為目前發(fā)現(xiàn)的長(zhǎng)8油藏。這就說(shuō)明長(zhǎng)8油藏主要分布在長(zhǎng)8底面凸起構(gòu)造位置的兩側(cè),該底面凸起構(gòu)造現(xiàn)象的存在,對(duì)于長(zhǎng)8儲(chǔ)層的形成非常重要(圖9)。堆積(沉積)厚度揭示的凸起構(gòu)造就是沉積坡折帶[27]。鄂爾多斯盆地南部不同類(lèi)型濁積巖與油藏的關(guān)系表明,濁積巖儲(chǔ)層油藏發(fā)育,而有利于的盆地底形條件是該儲(chǔ)層形成的誘發(fā)機(jī)制之一[21]。

圖9 長(zhǎng)8地層堆積(沉積)厚度與長(zhǎng)8油藏疊合圖Fig.9 Superposition diagram of accumulation(deposition) thickness of Chang 8 Formation and Chang 8 reservoir

鄂爾多斯盆地新近的勘探實(shí)踐證實(shí),坡折帶對(duì)非構(gòu)造圈閉的發(fā)育具有明顯的控制作用[28],其控制作用體現(xiàn)在對(duì)優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層的形成,坡折帶附近主要發(fā)育水下分流河道微相,偶爾發(fā)育河口壩沉積微相,并且控制著沉積微相的分布及組合規(guī)律?？碧匠晒砻?三疊系延長(zhǎng)組油藏主要聚集在三角洲前緣分流河道、河口壩、平原分流河道及深湖—半深湖區(qū)的濁積砂體之中。也正因?yàn)榈酌嫱蛊鸺闯练e坡折帶的存在,也為長(zhǎng)10-長(zhǎng)3沉積期濁積巖的形成創(chuàng)造了必要的湖盆底形條件。

5 結(jié) 論

1)延長(zhǎng)期盆地中部和南部分別發(fā)育有一沉降中心,中部各期沉降中心軸線在定邊—甘泉一線遷移,西南部各期沉降中心軸線在環(huán)線—旬邑一線遷移;

2)長(zhǎng)7期湖盆是中、西南部2個(gè)湖盆合二為一的時(shí)期,盆地中部湖盆坳陷,長(zhǎng)10-長(zhǎng)9期湖盆沉降中心軸一致,到長(zhǎng)8期,沉降中心軸逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)、向北遷移,長(zhǎng)7期后沉降中心軸遷移至盆地中部、呈北東—南西向展布,長(zhǎng)6期又向東北方向遷移,最后到長(zhǎng)4+5乃至長(zhǎng)3期,沉降中心軸線又逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)遷移至盆地中部;

3)對(duì)于盆地西南部湖盆坳陷,沉降中心圍繞環(huán)縣—旬邑一線左右遷移幅度相對(duì)較小,沉降中心軸是向東北遷移至盆地中部,而中部湖盆坳陷是向西南遷移,長(zhǎng)7期整個(gè)盆地演變?yōu)橐粋€(gè)湖盆。