沾化凹陷上第三系油气成藏机理实验及勘探实践

石砥石　王永诗　王大华 　魏艳萍

摘要　通过对沾化凹陷上第三系沉积、构造、含油性等综合分析，以下第三系烃源岩生成的油气已经运移到上第三系底部作为地质模型的初始条件，从断层特征、砂层特征、流体性质和注油方式等四个方面给定边界条件，分简单、较复杂、复杂三种模型分别做油气运移、聚集的实验。通过实验，对上第三系油气运移、聚集特征以及断层在运移中的作用进行分析，深化了上第三系油气成藏机理，丰富和发展了复式油气成藏理论，指导了沾化凹陷的油气勘探。

关键词　沾化凹陷　上第三系　断层　运移　聚集

一、引言

沾化凹陷是济阳坳陷的次级构造单元，是胜利油区典型的油气富集单元之一。上第三系是其主要含油层系，已探明石油地质储量占凹陷总探明储量的76%^[1]，这些储量主要分布在几个大型潜山披覆构造油藏中，其余分布在凹陷斜坡部位及次级断层两侧较为隐蔽的油气藏中，而这类油藏具有成藏复杂、油藏规模小、油气分布受岩性控制等特点。

沾化凹陷的造山断层落差大、活动时期长，大都活动至上第三系明化镇组沉积时期。断层沟通了深部烃源岩与浅层的储集层，油气沿断层垂向运移，在浅层披覆构造中形成大油气田。尽管断层作为上第三系油藏的主要垂向运移通道已得到普遍认同，但是其油气成藏机理还有待深入认识，例如，断层输导系统对上第三系油气的输导能力，主断层和次断层对上第三系油气成藏的影响，馆陶组下段是否发生油气的侧向运移等。本文通过模拟实验的方法，论述上第三系油气成藏的机理及其形成油气藏的类型，进一步认识上第三系成藏特征，特别是次级断层在上第三系油气成藏过程中的作用，以指导沾车地区上第三系油气勘探。

二、上第三系成藏条件

上第三系本身没有烃源岩，下第三系沙河街组暗色泥岩为上第三系的主要烃源岩。

上第三系可分为馆陶组和明化镇组，其中馆陶组又可分为上、下两段。馆陶组下段为辫状河流相沉积，以砾岩、含砾砂岩、砾状砂岩夹薄层泥岩组成巨厚块状地层。馆陶组上段为曲流河相沉积，自下而上由砂岩夹泥岩，渐变为泥岩夹砂岩或“泥包砂”，是最主要的储油层系。

根据沾化凹陷断层的规模以及切穿的层位，可划分出两类：一类为切穿上、下第三系继承性活动大断层，另一类为上第三系内部的次级断层。

大断层落差较大，活动期长，大都活动至上第三系明化镇组沉积期，它们一方面控制了潜山披覆构造的形成，控制着不同时代的地层沉积，形成了有利的生储盖组合，在断层上、下盘形成多种圈闭；另一方面大断层沟通了深部烃源岩与浅层储集层，构成油气垂向运移的输导体系，在浅层披覆构造中形成大油气田。该区陡坡带及斜坡带继承性发育的此类断层有15条，按断层走向可分为两组，一组为北东向，另一组为近东西向。

次级断层主要为切穿馆陶组上、下段的断层，断距较小，其在馆陶组上段油气成藏中起着重要的作用。例如老河口油田馆陶组上段油藏的形成，可能就是油气沿大断层和次级断层垂向运移与油气沿馆陶组下段砂体侧向运移共同作用的结果[1]。

三、油气运移实验

1.地质模型的设计和参数选择

在对沾化凹陷上第三系构造、沉积、油源、油气运移通道、储集层（油层）、储盖组合特征进行综合分析的基础上，设计了比较符合地下情况的地质模型，其目的主要在于通过模拟实验，了解石油在上第三系馆陶组中的运移路径、通道、方式和方向及其分配量。

该实验参数选择是以下第三系烃源岩的油气已经运移到上第三系底部作为地质模型的初始条件，从以下四个方面给定模型的边界条件：①断层，包括断层面的几何形态、宽度、断层充填物的储集物性；②砂层，包括砂体的几何形态、储集物性、砂层组合；③流体，包括流体动力学条件、油水密度差和流体压力差；④注油，包括注入方式、注入量等。

结合沾化凹陷上第三系实际地质情况，选取两种注入方式，分三组实验。

2.实验结果分析

1）简单断层输导系统

根据断层带及其两侧岩性组合特征和渗透性差异，设计简单断层输导系统的实验模型。主要目的是研究断层开启条件下，断层带及其两侧岩层的渗透性差异对油气运移和聚集的影响。模型中砂层E为高渗透率砂层，使注入的油能很快饱和砂层E，然后在相同的条件下，均匀进入断层带或两侧砂层。注油口位于模型左下角高渗透率的砂层E（图1）。各砂层和断层带的渗透率见表1。

图1　简单断层输导系统实验模型示意图

A、C—馆上段砂岩；E—馆下段砂岩；F—断层

简单断层输导系统油的运移和聚集模拟实验研究结果表明：断层带的渗透率大小对断层带的油气输导能力起着关键作用，当断层带的渗透率明显大于其两侧砂层的渗透率，石油主要沿断层带垂向运移，断层带两侧砂层不发生油的垂向运移，同时侧向进入砂层的油量也很少；当断层带渗透率与其两侧砂层的渗透率差别不大，石油在断层带和两侧砂层中均可以发生垂向运移，其中砂层中的垂向运移的油量大于断层带中运移的油量。

表1　简单断层输导系统实验参数条件表

2）较复杂断层输导系统

图2　较复杂断层输导系统实验模型示意图

根据沾化凹陷孤东、孤岛等大型披覆构造上第三系油藏地质特征，设计较复杂断层输导系统实验模型，其主要目的是研究沟通下第三系油源的大断裂对上第三系馆陶组油气成藏的影响。

实验模型如图2所示，F为沟通上、下第三系的油源断层，A和C、B和D分别为断层 F上、下盘的馆陶组上段砂层、馆陶组下段砂层，E为位于断层带F下盘的东营组砂层，G₁和G₂为位于断层F上、下盘的馆陶组顶部和明化镇组下部的泥岩盖层，泥岩隔层和盖层均用橡胶代替，其渗透率视为0。各层参数见表2。断层带和各砂层的孔隙度相差不大，为32%～35%（图2）。

表2　较复杂断层输导系统实验模型参数表

较复杂断层输导系统油的运移和聚集模拟实验研究得出如下结论。

（1）充注方式和充注相态对油的运移路径和方式具有重要的影响

连续（稳态）充注条件下，油首先进入断层带，并沿断层带稳定地向上运移至顶部，随后，油在隔层上部砂层的顶部侧向运移，最后，一部分油在隔层下部砂层的顶部侧向运移；幕式（非稳态）充注条件下，油的运移路径和方式表现为充注断层下部和隔层下部砂层—充注断层上部，隔层下部砂层侧向运移—充注隔层上部砂层，并在其中侧向运移。

油/水两相充注时，油和水的运移出现分异现象，尤其是在连续（稳态）充注条件下。一般油主要在隔层上部砂层中侧向运移，而水则主要在隔层下部砂层中侧向运移。

（2）砂层中油的侧向运移

油的充注条件不同对上、下砂层油的侧向运移也构成重要影响。在连续充注方式下，油的侧向运移集中在上部砂层，即上部砂层的侧向运移量大大高于下部砂层；在油/水两相幕式充注时，油的侧向运移主要在上部砂层，即上部砂层油的侧向运移量大于下部砂层；但是单一油相幕式充注时，油的侧向运移主要集中在下部砂层，即下部砂层油的侧向运移量大于上部砂层。

（3）砂层中油的聚集特征

油的充注方式对上、下砂层中油的聚集具有重要的影响。油/水两相连续和幕式充注时，上部砂层油的聚集量比下部砂层大得多，但单一油相连续和幕式充注时，下部砂层油的聚集量要大于上部砂层。渗透率大小对隔层上、下部砂层油的聚集影响不大。

3）复杂断层输导系统

根据沾化凹陷埕岛、老河口等油田上第三系油藏地质特征构造实验模型，其主要目的是研究沟通下第三系油源的大断裂和切穿馆陶组上、下段的次级断层对馆陶组油气成藏的影响。

图3　复杂断层输导系统实验模型示意图

构造的实验模型如图3所示。根据馆陶组的沉积特点，构造馆陶组的砂体结构。F₁为沟通下第三系油源的大断裂，F₂为切穿馆陶组上、下段的次级断裂；B和D为位于断层F1上、下盘的馆陶组下段块状砂体；A、C为位于断层F₁上、下盘的馆陶组上段渗透率较低的砂体，而A₁、A₂、A₃、A₄和C₁、C₂为高渗透的砂体；E为分隔馆陶组上、下段的泥岩隔层，用橡胶代替。各层的参数和实验条件见表3。

表3　复杂断层输导系统实验模型参数表

复杂断层输导系统油的运移和聚集模拟实验研究得出如下结论。

（1）充注方式对油的运移路径和方式构成重要的影响

单一油相或油/水两相连续（稳态）充注时，油的运移路径和方式表现为：第一，油首先进入主断层，沿断层向上运移至顶部，并充注主断层两侧的高渗透砂体；第二，油在隔层下部砂层的顶部发生侧向运移；第三，下部砂层侧向运移的油进入次断层，并沿次断层向上运移，充注次断层两侧高渗透砂体；第四，随着注油量的增加，沿主断层和次断层的垂向运移，隔层上部砂层及沿隔层下部砂层的侧向运移不断加强，一部分油从隔层上部砂层出口和隔层下部砂层出口输出。

单一油相或油水两相幕式（非稳态）充注时，油的运移路径和方式表现为：第一，油首先充注主断层F1下部和隔层下部砂层，再充注主断层上部，并在隔层下部砂层侧向运移；第二，进入次断层，同时充注主断层和对次断层上部两侧高渗透砂体；第三，随着注油量的增加，沿主、次断层垂向运移、隔层上部砂层及隔层下部砂层侧向运移不断加强，一部分油从隔层上部砂层出口和隔层下部砂层出口输出。

（2）油的侧向运移

隔层下部B、D层对油的侧向运移构成重要影响。在各个实验模型中，B、D层侧向运移量占总运移量的百分比为40.4%～100%，占总注油量的百分比为16.0%～71.4%。

油的充注方式对砂层中油的侧向运移也构成重要影响，连续充注时，砂层中油的侧向运移较强；幕式充注时，侧向运移相对较弱。

充注相态和充注方式也对主、次断层油的侧向运移强度具有重要影响。对于主断层，油水两相幕式充注时，油的侧向运移强度最大，单一油相连续充注时最小，而油水两相连续充注和单一油相幕式充注时介于上述两者之间；对于次断层，连续充注方式下，油的侧向运移强度较大，而幕式充注方式下，油的侧向运移强度较小。

（3）油的聚集

充注条件对隔层上部主、次断层两侧砂体中油的聚集具有重要的影响。单一油相幕式充注最有利于主、次断层两侧砂体中油的聚集，油水两相连续充注和单一油相连续充注次之，而油水两相幕式充注最不利于主、次断层两侧砂体聚集油。

充注条件对隔层上部主、次断层两侧砂体油的聚集影响程度不同。单一油相幕式充注或油水两相连续充注时，有利于主断层两侧砂体聚集油；而油水两相幕式充注时，则有利于次断层两侧砂体聚集油。

四、实验结论及对油气勘探的启示

1.实验结论

1）馆陶组下段是油气运移的输导层

油足够多时，馆陶组上段、馆陶组下段都可以作为油气运移的通道。连续（稳态）充注时，油在馆陶组下段横向运移的能力较弱；幕式（非稳态）充注时，油在馆陶组下段横向运移的能力较强。油气运移是一个烃源岩幕式排烃的过程，因此馆陶组下段肯定发生了一定规模的油气横向运移。

2）断层在油气运移中的作用

当断层本身比断层两侧的砂岩层具有较高的渗透性时，断层是油气垂向运移的通道。主断层作为油气纵向运移的通道，油气沿主断层直接从深层运移至浅层，形成潜山披覆构造油藏，这种运移现象常见于凹陷的陡坡断裂带；次级断层连接馆陶组下段输导层和馆陶组上段砂层，油气沿断面垂向运移和横穿储集层运移交替进行，呈阶梯状^[2]向浅层运移，形成上第三系岩性油藏，这种运移方式多发生于凹陷缓坡带。

3）上第三系油气运移机理

幕式运移过程中，异常高压和浮力是其运移动力，因高压产生的动力很大，浮力的作用非常微弱，孔隙结构非均质造成的毛管阻力非均质的影响也相对减弱，呈现出活塞式充注断层，优先充注下部砂层，并在砂层下部侧向运移较快等特点。

连续运移过程中，浮力和驱替压力是其运移动力，因驱替压力很小，浮力的作用比较突出，孔隙结构非均质造成的毛管阻力非均质的影响也相对较强，呈现出与幕式运移相反的特点。

4）上第三系油气聚集模式

Cordell、Roberts、Chapman等人研究认为油气在圈闭中的聚集是渗滤作用和排替作用共同作用的结果^[3]。由于上第三系各种圈闭的几何形态、地质特征及流体动力学特征的差异，导致圈闭中油气的运移和聚集呈现不同的模式。

（1）背斜圈闭中油气的聚集模式

从储集层横向运移的油水混相流体，沿着背斜的翼部向顶部运移。在圈闭中，由于上覆泥岩的渗滤作用，水可以通过上覆泥岩继续向上流动，而把烃类和一些无机盐类渗留下来在圈闭中聚集。

（2）地层圈闭中油气的聚集模式

沿储集层横向运移的油水混相流体，沿着地层的上倾方向运移。由于地层尖灭或不整合遮挡形成地层圈闭，有利于油气的进一步聚集而成藏。

（3）断层圈闭中油气的聚集模式

断层活动时期，断面开启，有利于油气运移；断层活动停止，则断面封闭，不利于油气运移而形成有效遮挡。油水混相流体通过断层运移至与之相连的储集层，断层活动一旦停止，则形成断层遮挡圈闭，油气而在圈闭中聚集。

2.对上第三系油气勘探的启示

（1）隔层下部砂层中油的侧向运移与馆陶组下段油气成藏

沾化凹陷上第三系油气勘探的主要目标为馆陶组上段。模拟实验结果表明，隔层下部砂层是油侧向运移的重要通道。

在较复杂断层输导系统，下部砂层油的侧向运移量占总注油量的平均百分比分别为25%和58%，并且在各种充注条件下，下部砂层均发生了油的侧向运移；在复杂断层输导系统的各个模型中，隔层下部砂层均发生了油的侧向运移，其侧向运移量占总运移量的40.4%～100%，占总注油量的16.0%～71.4%。据此推测馆陶组下段发生了油的侧向运移，在馆陶组下段的一些合适部位就可能聚集成藏。由于馆陶组下段为河流相块状砂岩，孔隙度和渗透率均较大，在浮力作用下，油气易垂向运移进入上覆地层。但在具有泥岩盖层分布的地区，油气垂向运移受阻，在低幅度的圈闭中油气就可以聚集成藏。因此，在充分考虑油气运移方向的情况下，寻找泥岩盖层是馆陶组下段油气勘探的重点。

（2）馆陶组内部次生断层与油气成藏

复杂断层输导系统模拟实验结果表明，次生断层对隔层上、下部砂层中油的侧向运移以及对隔层上部次生断层两侧高渗透砂体中油的聚集起着重要的作用。通过次生断层作用从隔层上部砂层油的侧向运移强度高达44.35，在连续充注条件下，次断层比主断层对隔层上部砂层中油的侧向运移起着更大的作用。次生断层不仅是隔层馆陶组下段砂层油气的侧向运移带，而且可在与次生断层相连的上覆馆陶组上段、明化镇组砂体中成藏。因而在次生断层附近可能形成一系列与次生断层有关的岩性油气藏等，在今后的油气勘探工作中，应当注意次生断层的控油作用。

（3）勘探潜力

研究证实，油气运移的过程是一个烃源岩幕式排烃的过程，而且以油水两相运移为主。复杂断层输导系统油水两相幕式充注的模拟实验表明，主、次断层的侧向运移强度分别为24.23和8.57，主断层的侧向运移强度是次断层的2.83倍。表明上第三系与次生断层有关油藏仍具有较大勘探潜力。

五、结论

通过对沾化凹陷上第三系油气成藏的模拟实验，证实了馆陶组下段是油气横向运移的输导层，上第三系内部断层是连通馆陶组下段与馆陶组上段砂层的重要运移通道。这项研究不仅深化了上第三系油气运移聚集的机理，扩大了勘探领域，还有效地指导了本区的油气勘探。

主要参考文献

[1]赵澄林，张善文等.胜利油区沉积储集层与油气.北京：石油工业出版社，1999.

[2]陈发景，田世澄主编.压实与油气运移.武汉：中国地质大学出版社，1989.

[3]李明城.石油与天然气运移.北京：石油工业出版社，1994.