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中最重要的研究內容。針對前兩者的定量分析有盆地模擬和生烴動力學模擬,這兩項技術極大地推動了石油地質理論的發(fā)展和油氣田的勘探。近年來,國內興起的成巖作用數(shù)值模擬,使儲、蓋層發(fā)育史的研究成為可能。本文試圖在上述3種數(shù)值模擬技術的基礎上,進一步建立成藏史數(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—二疊系自生自儲的砂巖油氣藏外,其余均為石炭—二疊紀煤系烴源巖生、奧陶紀碳酸鹽巖儲的上生下儲型油氣藏。目前蘇橋油氣田累計探明天然氣儲量173.32×108m3,凝析油484.9×104t,已成為華北油田主要的油氣生產基地。2儲層結構發(fā)育史成藏史數(shù)值模擬是在盆地模擬、成巖作用數(shù)值模擬和成烴動力學模擬基礎上發(fā)展起來的一項新技術,但它研究得更精細,更能揭示石油地質學的本質、指導油氣田勘探。然而迄今為止,國內還沒有統(tǒng)一的技術規(guī)范。本文通過成藏環(huán)境溫度、壓力和成藏諸要素生、儲、蓋、運、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力學過程和油氣聚集規(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、地熱史、生烴史、排烴史、有機質熱演化史和成巖史在有關文獻已有許多介紹[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,儲層發(fā)育不同的孔隙類型。在早成巖階段,碎屑巖儲層的儲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,烴源巖進入生烴門限,干酪根降解生烴的同時排放CO2和有機酸,形成有機酸性熱流體,與儲層中的易溶組分如長石、碳酸鹽發(fā)生水-巖反應,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,即可預測地史時期碎屑巖儲層的孔隙類型和次生孔隙發(fā)育史。文安斜坡石炭—二疊紀儲層不同成巖階段對應的成巖參數(shù)與儲層的孔隙類型見表2。蓋層研究表明,隨埋深和地溫的增加,成巖強度增強,蓋層的封閉能力也隨之發(fā)生變化。一方面,隨成巖強度的增加,壓實作用增強,泥巖孔隙度減少,孔喉變細,排替壓力增大;另一方面,隨成巖強度的增加,粘土礦物中可塑性和膨脹性較強的蒙皂石轉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。綜合考慮上述兩個因素,參考國內有關蓋層的分級標準,將蓋層的封閉能力分為4個級別: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—二疊自生自儲和上古生界生、下古生界儲上生下儲兩種類型的油氣藏,本文主要模擬上古生界自生自儲型油氣藏的成藏史。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,應用建立的成藏史模擬系統(tǒng),計算了地史時期的Z,T,P,Ro,SI,S,Vq,G,ID,恢復了其埋藏史、構造發(fā)育史、地熱史、生烴史、排烴史、成巖史和生儲蓋發(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),烴源巖尚未進入生烴門限和排烴門限,沒有油氣生成和運移。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,儲層處于早成巖階段B期。儲層主要發(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移,所以不可能形成油氣藏。在中生代末,石炭—二疊紀地層在深凹處可達90～112℃,Ro在0.5%～0.64%之間,ID>0.28,進入晚成巖階段A1期,烴源巖進入生油門限,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,排放有機酸和CO2,溶于水,形成酸性有機熱流體,溶蝕儲層中的鋁硅酸鹽礦物長石和碳酸鹽巖膠結物等,形成次生孔隙,儲層孔隙度增加。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,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同位素測年結果支持了這一結論,其粒級為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間在中生代末。石炭—二疊系系中與有機包裹體伴生的鹽水包裹體的最低均一溫度為90℃左右(相當于石炭—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。中生代末的燕山運動使本區(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)儲層中殘留有瀝青碎屑。在早第三紀,本區(qū)進入裂谷發(fā)育期,東部滄縣隆起開始上升,西側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,構造圈閉具雛型,地溫和有機質成熟度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1.3%以上,進入濕氣-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,儲層次生孔隙發(fā)育,蓋層封閉性能好,烴源巖進入排烴門限,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90×10-3,實現(xiàn)了真正意義上的成藏。在晚第三紀,本區(qū)進入坳陷期,基底穩(wěn)定下沉,構造圈閉的幅度進一步增大,石炭—二疊系地溫和有機質成熟度迅速增高。Ro在深凹區(qū)可達0.8%～1.5%,油氣大量生成,生烴率最高可達100×10-3以上,排烴率可達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,儲層次生孔隙不發(fā)育,蓋層封閉能力下降?？傮w來看,在早第三紀末—晚第三紀,石炭—二疊系生、儲、蓋、排俱佳,進入主成藏期。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值,更重要的是它可以指導研究區(qū)成藏主控因素的分析和有利區(qū)域的預測。由文安斜坡的成藏動力學過程分析可見(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,其次才是儲層和蓋層。盡管石炭—二疊紀烴源巖在中生代末已開始生、排烴,并發(fā)生過一次充注,但被后期的構造運動破壞了。值得慶幸的是,石炭—二疊紀烴源巖在中生代末并未進入大量生排烴階段。早第三紀期間,構造圈閉形成之后,本區(qū)石炭—二疊紀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。在晚第三紀進入主成藏期之后,未發(fā)生大的構造運動,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)的預測關鍵問題就是尋找生、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)內或周圍、且在喜山期形成的構造帶和圈閉是最有利的勘探目標。5成藏主因素的確定1)成藏史數(shù)值模擬是繼盆地模擬、油氣生成動力學過程模擬和成巖作用模擬之后又一種石油地質定量研究技術,可用于成藏過程的動力學過程模擬和成藏主控因素的確定。2)文安