Physical simulation of hydrocarbon migration and accumulation in transport systems of allochthonous salt sheet development zone: a case study of Perdido Fold Belt in Burgos Basin, Gulf of Mexico
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摘要: 博格斯盆地是墨西哥湾西部典型的含盐被动陆缘盆地,油气资源丰富,其Perdido构造带异地盐席发育区形成了由异地盐席底部构造、断层和古新统—始新统Wilcox组构成的油气输导体系。由于Perdido构造带水体较深且盐构造活动复杂,其异地盐席发育区的油气输导特征和输导效率不明。因此,定量评价Perdido构造带异地盐席发育区油气输导体系的输导效率、厘清不同类型输导体系输导效率的差异性及其影响因素对减少勘探风险尤为重要。基于地震、钻井和测井等资料,对Perdido构造带异地盐席发育区发育的下倾型、波浪型和上倾型三种形态的油气输导体系开展了油气运聚物理模拟实验。研究表明,与盐席底部砂泥岩相比,三种形态油气输导体系中Wilcox组均呈现更高的输导效率,是油气运移的优势通道。不同形态油气输导体系的输导效率在油气运移的不同时期存在差异,具体表现为始新世末期下倾型输导体系的输导效率最高;渐新世末期上倾型输导体系的输导效率最高。始新世末期和渐新世末期,研究区断层活动性强,促进油气输导。Perdido构造带异地盐席发育区的油气输导效率受输导体系的物性、油气运移距离和源储压差等因素的影响,其中,源储压差为主要控制因素,油气运移距离为次要控制因素,输导体系物性的影响相对较弱。
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关键词:
- 输导效率 /
- 油气运聚物理模拟 /
- 盐构造 /
- Perdido构造带 /
- 博格斯盆地
Abstract: The Burgos Basin is a typical salt passive continental margin basin in the western Gulf of Mexico, rich in oil and gas resources. The allochthonous salt sheet development zone in the Perdido Fold Belt of the Burgos Basin has formed an oil and gas transport system comprising the underlying structures of allochthonous salt sheets, faults, and the Paleocene to Eocene Wilcox Formation. Due to the deep-water environment and complex salt tectonics, the hydrocarbon transport characteristics and efficiency in these allochthonous salt sheet development zones remain unclear. Therefore, to reduce exploration risks, it is important to quantitatively evaluate the transport efficiency of hydrocarbon transport systems in the allochthonous salt sheet development zone of the Perdido Fold Belt and to clarify transport efficiency differences among various types of transport systems and their influencing factors. Based on seismic, well drilling, and well logging data, the hydrocarbon migration and accumulation physical simulation experiments were carried out on three types of transport systems—downdip, wavy, and updip-developed in the allochthonous salt sheet zone of the Perdido Fold Belt. The results showed that compared to the sand and mudstone at the base of the salt sheets, the Wilcox Formation exhibited higher transport efficiency in all three transport systems, serving as the primary channel for hydrocarbon migration. The transport efficiency varied during different migration periods. Specifically, the downdip system demonstrated the highest transport efficiency at the end of the Eocene, and the updip system had the highest efficiency at the end of Oligocene. During these two periods, the study area experienced strong fault activities, facilitating hydrocarbon migration. The hydrocarbon transport efficiency in the allochthonous salt sheet development zone of the Perdido Fold Belt was affected by factors such as the physical properties of transport systems, hydrocarbon migration distance, and the pressure difference between source rock and reservoir. Among these, the pressure difference is the main controlling factor, followed by the migration distance, with the physical properties of transport systems having a relatively minor effect. -
含盐盆地储集了全球约70%的深水石油,而墨西哥湾西部是重要的含盐深水石油勘探区之一[1-3]。2014年以来,位于墨西哥湾西部的博格斯盆地迅速成为勘探热点,盆内陆续发现300余个油气田,主要为陆上气田。其中,博格斯盆地深水区的Perdido构造带发育复杂的双层盐结构,油气勘探难度大、研究成果稀少。最新公开发表的勘探成果显示,截至2017年,Perdido构造带在墨西哥境内共发现12个油田,探明可采储量2.28亿吨油当量[4]。截至2024年,该构造带勘探程度仍较低,钻井揭示Perdido构造带主力勘探层系为古新统—始新统Wilcox组砂岩[5-7],该套砂岩位于双层盐之间,是Perdido构造带重要的渗透性砂岩输导体系。此外,受挤压作用和盐构造变形影响,Perdido构造带发育了以断层为主的输导体系[8-9]。由于Perdido构造带水体较深且盐构造活动发育,以断层为主的断层输导体系和以Wilcox组为主的渗透性砂体输导体系的油气运聚特征、油气输导效率及主控因素不明确,一定程度上制约了含盐深水区的勘探效率、增加了勘探风险。
当前,油气输导效率的研究方法可分为物理模拟和数值模拟两类。物理模拟通常基于二次运移通道中砂体的含油饱和状态定性比较不同运移通道的输导效率[10-14]。部分研究通过计算不同出口的出油量与出油总量的比值[15]、不同出口的排液量值[16-17]等参数对油气输导效率进行定量评价,但是对输导效率主控因素的分析及其定量评价仍不够深入。此外,部分研究在分析复合输导体系的输导效率时,对断层和渗透性储层分配的加权因子具有较强的主观性[18],故其结果的可靠性有待进一步验证。数值模拟包括二维和三维模拟[19-20],通常基于流动理论和侵入—渗流理论模拟油气运移过程并预测最佳油气运移路径[21-24]。与物理模拟相比,数值模拟具有定量化程度更高的优势。但是,数值模拟往往需要输入大量参数[25-27],例如,砂岩输导层的倾角、长度、单层砂岩的渗透率、烃类运输系数及烃类化合物的动力黏度等;这些参数通常具有较强的区域性限制特征,导致数值模拟结果在区域间的推广性较差。
本文以墨西哥湾博格斯盆地Perdido构造带异地盐席发育区为例,结合地震、钻井和测井资料,在明确输导体系的基础上,对研究区发育的下倾型、上倾型和波浪型三类典型输导体系开展油气运聚物理模拟实验,定量评价输导体系的输导效率,分析不同形态输导体系油气输导效率的差异性并深入剖析油气输导效率的影响因素。研究成果及认识旨在为Perdido构造带深水含盐区域的油气勘探提供参考。
1. 地质背景
Perdido构造带位于墨西哥湾西部博格斯盆地的深水挤压区(图 1a-b)[28]。博格斯盆地自中生代以来经历了裂陷期(晚三叠世—中侏罗世)、漂移期(晚侏罗世—晚白垩世)和被动大陆边缘期(晚白垩世—现今)三个构造演化阶段[7]。晚三叠世—早侏罗世,博格斯盆地处于早期裂谷演化阶段,形成堑垒相间的构造格局[31],发育河流相和火山碎屑红层;中侏罗世,受尤卡坦板块的遮挡,形成了局限蒸发环境,进而使得墨西哥湾沉积了厚的深部母盐。晚侏罗世,受海侵作用影响,博格斯盆地沉积了主要的烃源岩,即提塘阶海相泥岩[32]。早白垩世,博格斯盆地边缘形成宽阔的陆架海洋环境,以陆棚相沉积为主,发育粒泥灰岩和泥灰岩等碳酸盐岩[8]。晚侏罗世—晚白垩世,尤卡坦板块旋转[33-34],持续的区域伸展作用导致洋壳的形成,使得早期盐盆被分为北部的Louann盐盆和南部的Campeche盐盆。晚白垩世之后,太平洋板块与北美板块发生碰撞[35],受造山作用影响,盆地周边地区发生抬升掀斜,博格斯盆地接受大量碎屑物源并形成了巨厚的古近系—新近系碎屑岩沉积,其中古新世—始新世沉积了一套Wilcox组浊积砂岩,是博格斯盆地的主力勘探层系(图 1c)。随着被动大陆边缘持续演化,深部母盐发生重力滑脱变形,在博格斯盆地由陆向海方向形成拉张区、过渡区和挤压区3个构造单元[4]。深部母盐上拱突破地表形成浅部异地盐席,该异地盐席在渐新世拼接成更大范围的盐蓬,形成了Perdido构造带独特的“双层盐”构造格局(图 1d)[34]。其中,Perdido构造带的西部发育盐焊接和盐刺穿;中部发育异地盐席、异地盐蓬和原地盐核;东部盐构造不发育,以冲断褶皱带构造为主。
2. 油气输导体系
2.1 油气输导体
2.1.1 断层
Perdido构造带异地盐席发育区的断层非常发育,断层走向为NE—SW,延伸长度13~180 km(图 1b),在平面上形成“平行式”、“雁行式”、“帚状”和“环状”的断裂带。依据断层形成时间可将异地盐席之下的断层分为两期。第一期断层为裂陷期断层,位于原地盐之下,部分切穿原地盐,断穿层位为三叠系—侏罗系,该断层以铲式为主,呈地垒和断阶样式(图 2)。
图 2 博格斯盆地Perdido构造带异地盐席发育区典型剖面的断裂发育特征a.异地盐席发育区南部剖面(测线BB’);b.异地盐席发育区中部剖面(测线CC’);c.异地盐席发育区北部剖面(测线DD’)。剖面位置见图 1b。Figure 2. Fault development characteristics of typical profiles in allochthonous salt sheet development zone of Perdido Fold Belt, Burgos Basin第二期断层为漂移期—被动大陆边缘早期断层,位于原地盐和异地盐席之间,断穿侏罗系—始新统,向上终止于上始新统异地盐席的底部,受区域挤压作用和盐岩活动影响发育正断层(图 2a-b)、逆断层和负反转断层(图 2a-c)。晚白垩世至早—中始新世,博格斯盆地周缘山系提供的大量碎屑物源产生的进积作用使深部原地盐发生重力滑脱变形,局部挤压作用使得Perdido构造带深部盐岩向海一侧发育冲断褶皱带,形成逆冲断层。这些逆冲断层大多断穿古新统—始新统Wilcox组砂岩储层,未断穿侏罗系烃源岩。始新世末期,深部原地盐发生盐撤作用,由深部向浅部流动,在浅部形成异地盐席。盐撤过程中伴随着原地盐体积变小和异地盐体积增大,原地盐由于物质损失导致其上覆地层垮塌,使得局部应力场由挤压变为伸展,形成正断层,并且使早期形成的逆冲断层发生反转。早期正断层和后期负反转断层穿越厚层的深部盐岩,沟通了侏罗系烃源岩,成为油源断层。漂移期—被动大陆边缘早期断层表现为高角度铲式断层,断层上部倾角介于70°~89°,近乎直立,断层下部倾角介于30°~83°,在剖面上形成“Y”型、“阶梯”式和“叠瓦”式断层组合样式。
2.1.2 砂体
Wilcox组沉积跨越古新世和始新世两个时期,由下古新统下Wilcox组和上古新统—下始新统上Wilcox组组成,均发育在异地盐席之下。钻井揭示Wilcox组物性较好,测试产能高,截至2017年,该套砂岩发现了1.85亿吨油当量,占Perdido构造带在墨西哥境内发现可采储量的81%,是Perdido构造带的主力储层[4]。晚古新世—早始新世,Perdido构造带受Rio Grand和Colorado双向物源控制,Wilcox组发育水道化朵叶、近端朵叶和远端朵叶沉积体系,单砂层最大厚度达90 m,最小厚度为3 m,岩性以长石岩屑砂岩为主,受断层和裂缝改造,次生孔隙发育。如图 3所示,Perdido构造带Wilcox组储层岩心气测孔隙度分布在9.5%~35.4%,平均孔隙度为25.1%;Wilcox组储层渗透率值分布范围广,介于1.1×10-3~694.4×10-3 μm2。整体而言,Wilcox组储层表现为中孔中渗—高孔高渗的特征,且具有较强的非均质性。
2.2 油气输导体组合样式
渐新世末期,异地盐向海流动,挤走中—上始新统的砂泥岩,导致异地盐席底部与残留的始新统地层直接接触,形成盐席底部构造。该构造与异地盐下断层及Wilcox组共同组成Perdido构造带异地盐席发育区的油气输导体系。根据盐席底部形态,本研究将油气输导体系细分为下倾型(图 4a)、波浪型(图 4b)和上倾型(图 4c)3类。
下倾型输导体系主要发育在异地盐席发育区的南部,盐席底部倾向为南东,倾角小,整体为鼻状构造形态,局部发育背斜形态(图 4a)。原地盐发生盐撤的幅度较小,整个构造塌陷的程度小。盐撤产生的正断层和负反转断层密度大、倾角陡直,组合形成的阶梯状断层沟通侏罗系烃源岩和Wilcox储层,具有多点注入油气的特征。
波浪型输导体系主要发育在异地盐席发育区的中部,盐席底部主体南倾,倾角多变,整体为背斜和向斜的组合形态(图 4b)。原地盐发生盐撤的幅度大,盐焊接侧翼和原地盐核部位发育的早期逆冲断层在盐撤过程中发生负反转,并作为主干断层沟通侏罗系烃源岩、Wilcox储层和盐席底部,主干断层密度小,倾角上陡下缓。盐撤作用形成的正断层近乎直立,是主干负反转断层的分支,但其纵向延伸长度短,仅切穿侏罗系源岩,并没有向上断至Wilcox储层。负反转断层和分支正断层组合形成的“Y”型和叠瓦状断层,在油气运移过程中同样具有多点注入油气的特征。
上倾型输导体系主要发育在异地盐席发育区的北部,盐席底部主体倾向北西,倾角大,盐席底部形态随下伏冲断褶皱带呈现小幅度逐层抬升的趋势(图 4c)。盐撤幅度较小,整个构造塌陷的程度小。盐撤作用形成的负反转断层上陡下缓,断层密度较小,组合成阶梯状断层沟通侏罗系烃源岩和Wilcox储层,具有多点注入油气的特征。
3. 油气运聚物理模拟
油气运聚物理模拟实验在中国石油大学(北京)油气资源与工程全国重点实验室完成。实验装置包括填砂装置、流体注入装置和数据采集装置[16],填砂装置规格为50 cm×25 cm×10 cm,正面为钢化玻璃。实验流程如下:(1)刻模,在2 cm厚的黑色橡胶板上画出填砂的位置,并将该处的橡胶切除;(2)填砂,将切割后的橡胶模型放入填砂装置并使其水平,填入充分润湿水的石英砂;(3)晾晒,在填砂的橡胶周缘涂抹硅胶并晾晒约48 h,硅胶干燥变硬后再次填砂至与硅胶平齐。硅胶之上涂抹乳胶并加盖钢化玻璃和有机玻璃,用螺丝充分固定后竖立填砂装置;(4)注水,向模型注水以驱出气体,在石英砂充分饱含水后静置装置约10 h,确保无漏水情况;(5)注油,在ISCO泵和填砂装置间连接注油管线,设置注油压力和注油速度,用ISCO泵向模型注油;(6)记录,在稳定光源的探照灯照明下用相机记录油在关键时刻的位置。记录注油口的进油量、出口的出油量、注油时间和注油压力等参数。实验采用不同粒度的石英砂代表不同渗透率的砂岩,采用非渗透性的黑色橡胶代表盐岩,采用被微量天然色素染成棕红色的密度为0.75 g/cm3、室温(25 ℃)下黏度为42 mPa · s的中性煤油代表储层流体,并由可控压力的ISCO泵注入模型中。
3.1 实验模型设置
根据3类油气输导体系设计了下倾型(图 4a)、波浪型(图 4b)和上倾型(图 4c)3个油气运聚模拟模型。在遵循地质模型与实验模型相似性原则的基础上,为使实验效果更加明显,在物理模型中对Wilcox组和盐席底部砂泥岩层的层厚、两个渗透层的层间距以及断层的宽度进行了放大处理。异地盐席发育区的烃源岩为侏罗系泥岩,故注油口设置在下方,侏罗系泥岩上方为古新统—始新统Wilcox组砂岩输导层,Wilcox组之上为异地盐席底部砂泥岩输导层。
Perdido构造带异地盐席发育区北西低、南东高,北西和南东具有近10 km的高度差,油气整体具有自西向东运移的特征(图 2)。下倾型和上倾型模型的西侧设置出口,下部Wilcox组设置出口1,上部盐席底部砂泥岩层设置出口2(图 4a,c)。波浪型模型的“盐窗”被断层强烈改造,且沟通两侧的输导层,油气具有同时向东西两侧构造高部位运移的特征,因而波浪型模型设置4个出口,其中Wilcox组设置出口1和出口2,盐席底部砂泥岩层设置出口3和出口4(图 4b)。
Wilcox组的填砂方案依据该层实测气体渗透率、气测孔隙度及其分布规律加以确定。如图 5所示,研究区自北向南分布的3口探井(X井、Y井和Z井)的分析结果表明Wilcox组储层孔渗物性在平面上呈现北部最好、南部较好、中部较差的特征。另外,考虑到Wilcox组储层渗透率具有较强的非均质性,且便于与更低渗透率的盐席底部砂泥岩和“盐窗”等低渗透层加以区分,故为Wilcox组设置5个级别的填砂粒度:分别对应粒度③、粒度④、粒度⑤、粒度⑥和粒度⑦,相应粒度及其换算渗透率如表 1所示。
表 1 博格斯盆地Perdido构造带油气运聚物理模拟实验所用砂粒直径和对应的换算渗透率Table 1. Grain size diameters and corresponding converted permeability used in physical simulation experiments of hydrocarbon migration and accumulation for Perdido Fold Belt, Burgos Basin石英砂直径/mm 换算渗透率/10-3 μm2 填砂序号 0.05~0.10 416.25 ① 0.10~0.15 1 156.25 ② 0.15~0.20 2 266.25 ③ 0.20~0.25 3 746.25 ④ 0.25~0.30 5 596.25 ⑤ 0.30~0.35 7 816.25 ⑥ 0.35~0.40 10 406.25 ⑦ 0.40~0.45 13 366.25 ⑧ 盐席底部砂泥岩由于缺乏取心样品及实测的渗透率数据,故本研究利用声波时差测井曲线计算其测井孔隙度,进而定性分析其渗透率特征。研究区中部Y井Wilcox组的测井孔隙度与岩心气测孔隙度显现为良好的线性关系(图 6),将其拟合公式应用到该井的盐席底部砂泥岩,结果表明Y井的盐席底部砂泥岩的测井孔隙度分布在14.3%~22.3%。而Wilcox组的测井孔隙度分布在1.0%~57.6%,其最大测井孔隙度值约为盐席底部砂泥岩的2.6倍(图 7)。因此在填砂时,将盐席底部砂泥岩的实验渗透率设置为Wicox组实验渗透率的约1/3~1/2。考虑到盐席底部砂泥岩同样具有非均质性,设置填砂粒度分别为粒度②、粒度③、粒度④和粒度⑤。
断层发育部位的渗透率高,设置填砂粒度与Wilcox组相似;“盐窗”发育部位类似于致密的盐岩,但开启的“盐窗”能够作为输导层运输油气,其渗透率低,设置填砂粒度最小,为粒度①;有断层发育的“盐窗”,其填砂粒度设置为粒度②。
3.2 实验过程
实验进行过程中观察不同位置砂体的出油顺序,具体操作为:实验开始时打开注油口和所有出口,采用依次增大的充注压力进行注油,实验过程中不关闭任何优先出油的出口,当所有出口都出油时,实验结束。实验过程如下:
下倾型模型初始注油压力设定为0.5 MPa,注油期间注油压力不断增大。油首先从注油口进入渗透率较低的被断层改造的“盐窗”,并沿“盐窗”向上运移,注油9 min后油进入Wilcox组,14 min后油向上突破“盐窗”进入盐席底部砂泥层。随后油一方面在浮力和注油压力共同作用下继续向上运移,一方面在增大的注油压力下继续充注Wilcox组。在70 min后油到达1出口并稳定出油,此时注油压力为1.5 MPa。121 min后油到达2出口并稳定出油,此时注油压力为3.0 MPa(表 2,图 8)。
表 2 博格斯盆地Perdido构造带油气运聚物理模拟过程中的累积注油量、出油量和注油压力Table 2. Cumulative injection volume, oil production, and injection pressure during physical simulation processes of hydrocarbon migration and accumulation in Perdido Fold Belt, Burgos Basin输导体系类型 时间/min 注油压力/MPa 累积注油量/mL 出油量/mL 出口1 出口2 出口3 出口4 下倾型 9 0.5 21.60 0 0 - - 14 0.5 32.47 0 0 - - 70 1.5 98.58 1 0 - - 121 3.0 292.60 143 0.1 - - 波浪型 15 2.5 34.47 0 0 0 0 34 2.5 110.72 3 0 0 0 73 5.0 281.01 96 1 0 0 271 7.5 1 378.73 706 315 0.5 0 340 10.0 1 752.80 838 418 5 0.5 上倾型 3 2.5 31.69 0 0 - - 7 2.5 50.19 0 0 - - 50 2.5 172.48 5 0 - - 120 5.0 441.53 213 1 - - 波浪型模型初始注油压力设定为2.5 MPa,油首先从注油口进入渗透率较低的被断层改造的“盐窗”,并沿“盐窗”向上运移,注油15 min后油进入Wilcox组,24 min后油向上突破“盐窗”进入盐席底部砂泥层。出口1在34 min开始出油,此时注油压力为2.5 MPa;出口2在73 min开始出油,此时注油压力为5.0 MPa;出口3在271 min开始出油,此时注油压力为7.5 MPa;出口4在340 min开始出油,此时注油压力为10.0 MPa(表 2,图 8)。
上倾型模型初始注油压力设定为2.5 MPa。油首先从注油口进入渗透率较低的被断层改造的“盐窗”,并沿“盐窗”向上运移,注油3 min后油进入Wilcox组,7 min后油向上突破“盐窗”进入盐席底部砂泥层。出口1在50 min开始出油,此时注油压力为2.5 MPa;出口2在120 min开始出油,此时注油压力为5.0 MPa(表 2,图 8)。
3.3 实验结果
优先出油的出口最先形成稳定流,从注油口到该出口的运移通道往往油气输导效率高,可作为油气优势运移通道[15]。不同模型的油气运移模拟结果表明,Wilcox组优先出油,是Perdido构造带的油气优势运移通道,而盐席底部砂泥岩层较晚出油,且需要更高的注油压力(图 9)。本研究利用出油量与累积进油量的比值定量评价输导体系的输导效率。如图 10所示,Perdido构造带的油气输导效率呈现以下三个特征:(1)作为油气优势运移通道的Wilcox组,其输导效率比盐席底部砂泥岩的输导效率高;(2)运移距离较短的Wilcox组,其输导效率比运移距离长的同一输导层高;(3)波浪型输导体系在相同时间内达到与上倾型和下倾型相同的输导效率,需要更长的运移时间和更大的充注压力。
为进一步明确Perdido构造带油气优势运移通道Wilcox组输导效率的影响因素,本研究以波浪型输导体系为例,分析了充注压力、输导体系物性和油气运移距离三个因素与输导效率的关系。由于Wilcox储层具有非均质性,本文采用串联地层渗透率的计算方法(公式1)获取了从注油口至Wilcox组不同出口的加权渗透率。此外,采用运移距离比(相同时间内油气向Wilcox组不同出口运移的长度与波浪型输导体系总长度的比值)分析同一充注条件下、相同时间内油在优势运移通道的分配情况。
K=K1h1+K2h2+K3h3+⋯+Kihih1+h2+h3⋯+hi (1) 式中:K为加权渗透率,单位10-3 μm2;hi为各小层厚度,单位mm;Ki为各小层的实验渗透率,单位10-3 μm2。
分析油气充注过程中Wilcox组不同出口的加权渗透率、运移距离比和充注压力三个参数与输导效率的关系,由图 11可知,相同充注压力条件下,近源(出口1)、物性相对差(渗透率为1 500×10-3 μm2) 的Wilcox组油气输导效率高(图 11a,c,e),而远源(出口2)、物性相对好(渗透率为2 200×10-3 μm2)的同一组,其油气输导效率低(图 11b,d,f),表明盐构造发育区运移距离在更大程度上影响输导体系的油气输导效率。
图 11 博格斯盆地Perdido构造带波浪型输导体系Wilcox组不同出口的充注压力、加权渗透率、运移距离比和输导效率随时间变化的关系a、c、e.1出口;b、d、f. 2出口。Figure 11. Temporal variations of charging pressure, weighted permeability, migration distance ratio, and transport efficiency at different outlets of Wilcox Formation in wave transport system of Perdido Fold Belt, Burgos Basin为了进一步量化充注压力、输导体系的物性及油气运移距离对油气输导效率的影响,本研究以波浪型输导体系中长距离运移的Wilcox组(出口2)为研究对象,首先分别分析了加权渗透率、注油压力和运移距离比这三个参数与输导效率的相关性。如图 12所示,加权渗透率与输导效率的相关性相对较低(R2=0.463)(图 12a);注油压力与输导效率的相关性最高(R2=0.934)(图 12b);运移距离比与输导效率的相关性相对较高(R2=0.592)(图 12c)。然而,实际上加权渗透率、注油压力和运移距离比这三个参数共同控制了输导体系的油气输导效率。除了单一因素的相关性分析之外,本研究进一步将加权渗透率、注油压力和运移距离比归一化处理,进而分析了油气输导效率与以上三个影响参数之间的多元线性回归关系,回归方程见公式(2)。
y=0.0000198x1−0.0000002x2+0.03308x3−0.0827 (2) 式中:y为输导效率;x1为运移距离比,单位%;x2为加权渗透率,单位10-3 μm2;x3为注油压力,单位MPa。
将此算法应用于出口1的输导效率计算,得到实验测得的输导效率与计算的输导效率之间相关性较好,R2为0.785(图 12d)。因此,Perdido构造带优势输导体系的油气输导效率主要受压力控制,油气运移距离为次要影响因素,而Wilcox组的物性影响较小。
4. 讨论
4.1 油气输导体系的控制因素分析
4.1.1 输导体系的活动性特征
原地盐流动形成异地盐的关键时期为始新世末期至渐新世末期,盐岩流动过程中形成的正断层和负反转断层在这一时期处于开启状态,可以作为有效的油气运移通道。本研究分析了Perdido构造带异地盐席发育区3条主要油源断层在始新世末期至渐新世末期的断层生长指数(图 13a)和活动速率(图 13b)。结果显示断层在始新世末期—渐新世初期的生长指数介于1.3~1.6,断层活动性强;渐新世末期生长指数有减小趋势,介于1.1~1.3,表明断层活动性有所减弱。同样地,主要油源断层在始新世末期—渐新世初期的活动速率介于15~40 m/Ma,说明断裂活动性强;而渐新世末期断层活动速率明显降低,介于6~21 m/Ma。基于Perdido构造带异地盐发育区的盆地模拟结果,提塘阶烃源岩的主要生烃期是始新世末期,而生烃高峰和大量排烃在渐新世末期,与断层活动时期匹配性好,有利于油气运聚成藏。
4.1.2 输导体系的变迁特征
盐岩活动对Perdido构造带异地盐发育区输导体系的形成和变迁起重要作用。早始新世,异地盐开始形成,该时期的输导体系以逆冲断层和古新统—始新统Wilcox组为主。中—晚始新世原地盐不断向浅部流动形成异地盐,原地盐回撤体积变小,异地盐形成并向海流动形成异地盐席,盐席体积不断增大。原地盐回撤过程中原地盐上覆地层塌陷,形成了正断层,并使得早期逆冲断层发生反转。该时期的输导体系以正断层、负反转断层、古新统—始新统Wilcox组为主。渐新世末期,异地盐将中—晚始新统砂泥岩推开并与残留始新统砂泥岩地层直接对接,此时的输导体系为盐席底部构造、负反转断层、正断层和Wilcox组。渐新世至现今,异地盐席之上形成微盆沉积,输导体系组合变化不大。
4.2 油气输导效率控制因素分析
4.2.1 成藏动力条件
侏罗系泥质烃源岩和古新统—始新统Wilcox组砂岩储层之间足够高的源储压差是油气垂向和横向运移的动力。侏罗系烃源岩由于厚度大、沉积速率快,发育超压环境,而Wilcox组储层普遍处在低压环境。应用等效深度法计算地层压力,结果显示始新世末期侏罗系泥岩和Wilcox组储层的压差值介于40~70 MPa,源储压差高值区主要分布于Perdido构造带异地盐发育区的南部,而其中部和北部的源储压差值相对较低(图 14a);渐新世末期,侏罗系泥岩和Wilcox组储层的源储压差值介于60~150 MPa,源储压差高值区主要分布在Perdido构造带异地盐发育区的北部,而其中部和南部为相对低值区(图 14b)。从始新世至渐新世,源储压差的变化期与异地盐的形成和流动期形成良好的时间耦合,但具体的机理仍需进一步探究。总体上,不断增大的源储压差为油气发生幕式运移并实现远距离运移提供了重要的动力条件。
4.2.2 运移距离
通过原油与烃源岩生物标志化合物对比分析,确定Perdido构造带古新统—始新统Wilcox组储层的原油来自侏罗系提塘阶泥岩。提塘阶泥岩厚度超过600 m,分布广泛,烃源岩有机质丰度高,有机碳含量大于4%,岩石热解烃量S2大于20 mg/g,有机质类型以I型干酪根为主。单井热演化史模拟结果显示,提塘阶泥岩在始新世末期开始生烃,在渐新世末期进入生排烃高峰。在烃源岩生排烃分布范围内,根据油气运移趋势,测得始新世末期Perdido构造带异地盐发育区北部油气运移距离介于2~17 km,中部介于3~20 km,南部介于4~9 km;到了渐新世末期,北部油气运移距离介于4~12 km,中部介于3~16 km,南部介于8~10 km。油气运移距离从始新世末期至渐新世末期会随着异地盐的流动发生改变,油气在优势通道中运移,并优先成藏于近源的背斜圈闭或鼻状构造圈闭。
4.2.3 物性
以上倾型输导体系为例,计算相同注油压力下油在不同粒度砂体中运移长度与对应运移时间的比值代表单砂体的原油输导速率。由图 15可知,单砂体的原油输导速率随渗透率增大呈增大趋势,表明物性好的砂体油气输导效率更高。Wilcox组作为Perdido构造带异地盐发育区的优势运移通道,巨厚的异地盐席(2~11 km)使盐下Wilcox组储层成岩作用产生滞后效果[4],整体表现为中孔—中渗、高孔—高渗的储层特征。Wilcox组实测渗透率表明其具有较强的非均质性,这与Wilcox组发育丰富沉积相有关,即发育近端朵叶、远端朵叶和水道化朵叶沉积微相。加权渗透率计算结果表明,并非加权渗透率越大、物性越好的输导层,其输导效率就越高。油气输导效率更容易受运移距离和压力的影响,因而物性是影响油气输导效率直接的因素之一,但不是最主要的因素。
依据输导效率与压力、运移距离和输导体系物性三者之间的关系,对下倾型、波浪型和上倾型3类输导体系进行输导效率评价。结果表明,始新世末期下倾型输导效率最高、波浪型次之,上倾型最低(图 16a);渐新世末期上倾型输导效率最高、下倾型次之,波浪型最低(图 16b)。由此可见,油气运移的不同时期输导体系的输导效率是变化的,此外,输导效率与三者之间的定性相关特征也进一步支持源储压差是决定Perdido构造带异地盐席发育区输导体系输导效率的最关键因素。
5. 结论
(1) Perdido构造带异地盐席发育区形成了由盐席底部构造、断层和古新统—始新统Wilcox组构成的油气输导体系。下倾型、波浪型和上倾型3种形态输导体系的油气运移物理模拟实验结果表明,与盐席底部砂泥岩层相比,古新统—始新统Wilcox组的油气输导效率最高,是该区的油气优势运移通道。
(2) 在3种形态的油气输导体系中,Wilcox组的油气输导效率在油气运移不同时期存在差异,具体表现为始新世末期,下倾型输导效率最高、波浪型次之,上倾型最低;在渐新世末期,上倾型输导效率最高、下倾型次之,波浪型最低。
(3) Perdido构造带异地盐席发育区Wilcox组的油气输导效率受Wilcox组物性、油气运移距离和源储压差影响;其中,源储压差为主要控制因素,油气运移距离的作用次之,输导体系的物性的影响相对较弱。
利益冲突声明/Conflict of Interests所有作者声明不存在利益冲突。All authors declare no relevant conflict of interests.作者贡献/Authors’Contributions樊妍、向才富参与实验设计;樊妍、蒋善斌、司永康完成实验操作;樊妍、向才富、杨明慧、杨松岭、李爱山、陈亮、逄林安、陈经覃参与论文写作和修改。所有作者均阅读并同意最终稿件的提交。The study was designed by FAN Yan and XIANG Caifu. The experimental operation was completed by FAN Yan, JIANG Shanbin, and SI Yongkang. The manuscript was drafted and revised by FAN Yan, XIANG Caifu, YANG Minghui, YANG Songling, LI Aishan, CHEN Liang, PANG Lin'an, and CHEN Jingtan. All authors have read the final version of the paper and consented to its submission. -
图 2 博格斯盆地Perdido构造带异地盐席发育区典型剖面的断裂发育特征
a.异地盐席发育区南部剖面(测线BB’);b.异地盐席发育区中部剖面(测线CC’);c.异地盐席发育区北部剖面(测线DD’)。剖面位置见图 1b。
Figure 2. Fault development characteristics of typical profiles in allochthonous salt sheet development zone of Perdido Fold Belt, Burgos Basin
图 11 博格斯盆地Perdido构造带波浪型输导体系Wilcox组不同出口的充注压力、加权渗透率、运移距离比和输导效率随时间变化的关系
a、c、e.1出口;b、d、f. 2出口。
Figure 11. Temporal variations of charging pressure, weighted permeability, migration distance ratio, and transport efficiency at different outlets of Wilcox Formation in wave transport system of Perdido Fold Belt, Burgos Basin
表 1 博格斯盆地Perdido构造带油气运聚物理模拟实验所用砂粒直径和对应的换算渗透率
Table 1. Grain size diameters and corresponding converted permeability used in physical simulation experiments of hydrocarbon migration and accumulation for Perdido Fold Belt, Burgos Basin
石英砂直径/mm 换算渗透率/10-3 μm2 填砂序号 0.05~0.10 416.25 ① 0.10~0.15 1 156.25 ② 0.15~0.20 2 266.25 ③ 0.20~0.25 3 746.25 ④ 0.25~0.30 5 596.25 ⑤ 0.30~0.35 7 816.25 ⑥ 0.35~0.40 10 406.25 ⑦ 0.40~0.45 13 366.25 ⑧ 表 2 博格斯盆地Perdido构造带油气运聚物理模拟过程中的累积注油量、出油量和注油压力
Table 2. Cumulative injection volume, oil production, and injection pressure during physical simulation processes of hydrocarbon migration and accumulation in Perdido Fold Belt, Burgos Basin
输导体系类型 时间/min 注油压力/MPa 累积注油量/mL 出油量/mL 出口1 出口2 出口3 出口4 下倾型 9 0.5 21.60 0 0 - - 14 0.5 32.47 0 0 - - 70 1.5 98.58 1 0 - - 121 3.0 292.60 143 0.1 - - 波浪型 15 2.5 34.47 0 0 0 0 34 2.5 110.72 3 0 0 0 73 5.0 281.01 96 1 0 0 271 7.5 1 378.73 706 315 0.5 0 340 10.0 1 752.80 838 418 5 0.5 上倾型 3 2.5 31.69 0 0 - - 7 2.5 50.19 0 0 - - 50 2.5 172.48 5 0 - - 120 5.0 441.53 213 1 - - -
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