圈闭地质评价

如题所述

一、圈闭的一般特征

圈闭是储层中可以阻止油气继续向前运移,并在那里储存起来成为油气聚集的场所。圈闭是1934年由麦科克夫(E.H.McCough)提出的比背斜理论更具概括性的油气成藏理论。

圈闭条件的构成,可以是地层向上弯曲成为背斜(背斜圈闭);也可以是储层沿上倾方向与非渗透层以断层相接(断层圈闭);也可以是储层沿上倾方向被非渗透层不整合覆盖(地层圈闭);或是储层沿上倾方向物性变差或发生尖灭(岩性圈闭)以及前述诸因素的组合(复合圈闭)等(图5-7)(《地球科学大辞典》编委会,2005b)。

图5-7主要圈闭类型示意图黑色为油气聚集部位

形成圈闭有三个重要条件:①适合于储存油气的储层;②阻止油气逸散的盖层(有时下界为水);③从各个方向上阻止继续运移并造成油气聚集的遮挡物,它可以是盖层本身的弯曲,如背斜。也可以是另外的遮挡物,如断层或岩性变化等。确切地说,形成圈闭这种油气聚集场所的必要条件,或者说圈闭所表现的主要特征,是具有封闭条件的构造形式。

圈闭中未必都有油气,一旦有足够数量的油气进入圈闭,充满圈闭或占据圈闭的一部分,便可形成油气藏。然而,是油气藏就一定存在圈闭,就一定是具有封闭条件的构造形式。据此推理,多数油气藏(田)大都适宜CO2地质储存。

圈闭的储层为油气提供了储存的空间,这就要求在储层内部有足够的孔隙,这些孔隙可以是原生的(沉积的)、次生的(成岩作用的)或裂缝。同时储层也必须具有传输和交换流体的能力,这就要求储层内和沿连接储层和有效烃源岩体的运移通道有充分、有效的渗透性。盖层同样是圈闭的必要组成部分,没有有效的盖层,烃类就会随时间推移运移到储层之外,那么圈闭就失去了有效性。所有的圈闭都要求有一定形式的顶部盖层,当然由于圈闭的复杂性,许多圈闭还需要其他有效盖层,如侧向盖层等(陈昭年,2005)。

圈闭类型的划分主要有:①以储层形态,把油气藏分为层状、块状和不规则状;②按圈闭的封闭性划分为封闭型、半封闭型和不封闭型;③按成因把圈闭划分为构造圈闭、地层圈闭和复合圈闭3种。

我国对圈闭类型的划分,主要从成因和形态出发,一般把圈闭分为构造、地层、复合圈闭几种;也有分为构造、岩性、地层和水力圈闭的。各类还可继续细分为若干亚类,如构造圈闭可进一步分为背斜、断层、刺穿接触等;地层圈闭还可进一步分为岩性不整合、古地貌圈闭等。背斜圈闭是世界上最早被认识的圈闭类型,实践表明,背斜圈闭是最主要、最普遍、最明显,也最易找到的圈闭类型;而非背斜圈闭成因复杂,形态多样。

原生地层圈闭由同生沉积中的变化而形成的原生的沉积地层圈闭。原生地层圈闭一般可以被分为两类:一类是由侧向沉积变化而形成的圈闭,诸如相变和沉积尖灭;另一类是由埋藏的沉积起伏而形成的圈闭。

次生地层圈闭又称成岩圈闭。是地层沉积后的变化形成的地层圈闭。成岩作用受原始沉积环境、沉积岩石成分、结构、埋藏深度、孔隙流体等多种因素的影响,压实、胶结等使孔隙减小,溶蚀、重结晶、矿物转化等使孔隙增大。因而成岩变化既可形成孔渗相对较高的储层,同时也可形成致密的封闭岩层。碳酸盐岩和碎屑岩地层均可形成成岩圈闭。

水动力圈闭是指水动力条件形成的油气圈闭。大约自20世纪中期以来,勘探人员就已经知道在许多含烃圈闭中油-水界面是倾斜的。在其他情况下,没有静态闭合度的圈闭含有烃,而确实有静态闭合度的圈闭却不合乎常理地不含烃。对这些现象的解释是,储集条件是水动力的,而不是水静力的。通常油-水界面的倾斜度很少超过几度,但也有高倾斜度的报道(高达10°)。如果油-水界面的倾角超过了圈闭侧翼的倾角,圈闭就将被冲掉(一般来说,如果圈闭侧翼倾角超过5°,那么就很少有圈闭冲掉的风险)。因此,在评价侧翼相对平缓的构造圈闭时,应对水动力条件予以足够重视。倾斜的油-水界面可能同水动力现象以外的其他现象有关也是非常重要的,如储层变化和新构造运动。同时应注意到,现时的水动力条件不可能反映过去的水动力条件。在流动方向上油-水界面的倾斜是烃和水的水力梯度及密度的函数,油的密度越低,水流越大,石油就越容易被驱替。

二、陆相沉积盆地圈闭特征

(一)陆相沉积盆地圈闭成因类型及特征

陈敏杰等(2007)从科学性和实用性出发,将油气藏划分为背斜圈闭、断块圈闭、岩性圈闭、地层圈闭和混合圈闭等油气藏类型。

1.构造圈闭油气藏

1)背斜构造油气藏:背斜构造油气藏是指背斜圈闭中的油气聚集,其数量众多,储量和产量比例大,成为中国重要的油气藏类型(图5-8a)。在侧向挤压力和同生沉积作用下,可以形成多种成因类型构造圈闭油气藏。可分为挤压背斜、逆牵引背斜、披覆背斜和底辟拱升背斜等四种油气藏亚类。这类油气藏的共同特点是:①背斜圈闭形式,闭合高度控制油气分布;②油气藏内部流体聚集按重力分异进行;③有统一的油、气、水系统,即有统一的油(气)水界面,又有统一的压力系统;④以层状油气藏为主,部分为块状油气藏。

图5-8主要油气圈闭类型示意图

2)断块油气藏:断块油气藏是指油气在断块圈闭中的聚集,油气的分布和富集程度主要受断层形成与油气形成运移时间匹配和断层遮挡条件控制。由于断层线与储集层顶面构造等高线之间相互组合形式不同(图5-8b),可分为断鼻、阶状断块、屋脊断块、地垒式断块、交叉断块、逆掩断块和多断层组合等8种类型圈闭,相应形成8种类型油气藏。断块油气藏是中国分布最广,最为重要的油藏。

3)裂缝油气藏:构造断裂作用和成岩后生作用都能使各种致密、性脆薄层、致密灰岩、白云岩、砂岩、油页岩、泥灰岩和泥岩产生层间裂缝或局部裂缝发育区,成为储集空间和渗透通道。在一定构造背景下,形成裂隙层间缝圈闭。裂缝产生的原因很多,在成岩过程中可以形成收缩裂缝和层间缝。在泥岩异常高压带,由于压实和脱水,泥岩逐渐由塑性变成刚性,形成大量的微裂缝。地层褶皱或断裂也可产生构造裂缝。其油气藏分布特点为:①裂隙层间缝储集岩体紧邻生油岩,组成自生自储成油组合;②油气分布主要受裂缝系统控制,且裂隙和层间缝分布不均匀,含油层段变化大,短距离即消失,含油范围分布不规则;③单井产能变化大,日产油量数吨至近千吨不等,初产油量高,产油量不稳定,产能递减快;④按致密岩层类型及其裂隙、缝的成因差异,可分为以下几种裂缝层间岩性油气藏:包括泥岩裂缝油藏,如潜江凹陷泥岩裂隙油气藏;碳酸盐岩裂缝性油气藏,如四川盆地云锦向斜中的灰岩裂缝和大安寨区裂缝油气藏;砂岩裂缝油气藏,如四川盆地逐南裂缝砂岩油气藏。

2.岩性圈闭油气藏

在陆相沉积盆地中岩性、岩相变化频繁,储集岩体类型众多,在平面上和垂向上不同类型储集岩体相互叠置,有利于形成多种类型的岩性圈闭。由于岩性圈闭成因和遮挡条件的差异,相应可分为储集层(砂岩和碳酸盐岩)上倾尖灭油气藏、古河道砂岩岩性油气藏、透镜状岩性油气藏、裂隙和层间缝岩性油气藏、储集层物性封闭油气藏等5种亚类。岩性圈闭油气藏的共同特征是:①岩性圈闭的储集体往往穿插和尖灭在生油岩体中,不仅有充足的油源,还有良好储盖组合条件;②岩性圈闭的遮挡条件往往与储集体同期形成,圈闭形成期均早于油气生成和运移期;③油源来自同期沉积的生油岩,油气一次运移直接排入储集层,油气性质与其四周围岩的成岩阶段有关。生油岩体后期产生的裂缝带和溶蚀带,油气重新聚集,形成岩性裂缝封闭油气藏;④岩性油气藏分布有一定规律性,与河湖沉积体系和古地形有关,具有环带状分布特征。

3.地层圈闭油气藏

地层圈闭油气藏大多是由构造运动引起的沉积间断、削蚀和超覆沉积等作用下,储集体沿不整合面或侵蚀面被非渗透性岩层围限或遮挡,形成地层圈闭,并在其中发生油气聚集。按圈闭所处位置和遮挡条件可分为地层超覆油气藏、地层不整合“基岩”油气藏和不整合油气藏等3种亚类:

1)地层不整合“基岩”油气藏(又称潜山油气藏)。古潜山油气藏成因特点是:①“新生古储”成油组合,原油性质具陆相成因特征;②生油岩与“基岩”储集体直接接触,以断层面和不整合面为供油通道,成为“基岩”油气藏形成的必要条件;③“基岩”块体的储集层由碳酸盐岩、渗透性砂岩、变质岩、火成岩和火山碎屑岩等岩石组成,缝、洞、裂缝系统发育。

2)地层不整合油气藏。这类油气藏成因特点是:①油源可以来自下倾方向的同期生油岩系,也可以来自古油藏的油气;②按不整合遮挡条件大致可分为两种不同类型的地层不整合油藏,即沥青稠油封堵层(在化学风化作用下油藏顶部部分原油遭受氧化,在不整合面附近的渗透性砂岩中形成沥青塞封闭条件,如辽西凹陷曙光油田和酒西盆地石油沟油田)和不整合面上覆为泥岩不渗透地层覆盖(形成良好封堵条件,如东营凹陷金家油藏等);③原油普遍氧化,油质较重,向油层下倾方向油质变轻;④以层状油藏为主(图5-8c)。

3)地层超覆油藏:在湖盆主要发育阶段的水进时期,发育了一套由粗到细的正旋回沉积,并自下而上逐层向湖盆边缘斜坡带超覆,不仅向缓坡带超覆,还向陡坡断崖超覆,超覆层上部泥岩盖层分布范围往往大于其下伏的砂岩体分布面积。而地层超覆不整合面附近由致密不渗透的火成岩、变质岩或泥岩组成,形成良好的顶底板遮挡层。在斜坡带的古鼻状构造背景下地层超覆线与构造等深线交切,形成了地层超覆圈闭。地层超覆油气藏主要分布在盆地斜坡边缘带、盆地内部古隆起、古凸起的边缘,多呈舌状、裙边状断续分布。如东营凹陷单家寺油藏、辽河凹陷齐家油藏、柴达木盆地马海油藏和准噶尔盆地乌尔禾油藏等。

(二)岩性地层圈闭的主控因素

据刘震等(2006)研究,岩性地层圈闭与构造圈闭在成藏条件和成藏机制方面存在一定差别。岩性地层圈闭的形成条件复杂,决定了其成藏主控因素具有自身的特点。提出了岩性地层圈闭成藏“四元主控”观点。即运移通道条件、流体动力条件、储层临界物性特征和砂体封闭条件。

1.油气运移通道条件

运移通道条件包括通道类型及其输导油气的能力。运移通道包括具有一定孔渗条件的岩体、具有渗透能力的断裂或裂隙体系以及可作为流体运移通道的不整合面,常分为断层型、输导层型、裂隙型及不整合型等4种类型(王照录等,2000)。运移通道与油气聚集相辅相成,含油气系统的运移通道不同,则油气运聚的方式各异;反过来油气的不同运聚方式又可以改造甚至形成新的运移通道。运移通道具有相对独立性、时空性和复杂性。运移通道的结构特征及其与烃源区的空间配置关系,对油气成藏有着十分重要的意义。对于岩性地层油气藏而言,岩性输导层的孔隙度、渗透率等表征其输导能力的参数值的空间变化可能尤为重要。

2.流体动力条件

沉积盆地油气富集在宏观上是由地层压力、浮力、水动力和构造应力等因素控制的流体动力条件综合作用的结果(叶加仁等,1999)。压力场、地温场和地应力场的分布及彼此相互耦合的关系直接影响着油气的运移与聚集。构造油气藏一般发育在相对的构造高部位且大多处于成藏以来的长期继承性的低势能区。岩性地层油气藏的流体动力条件相对要复杂一些,成藏期岩性地层圈闭处于低势能区,由于不同类型的压力系统形成及演化的差异,造成在现今的低势能区和高势能区岩性地层油气藏均有分布。因此,成藏期的古流体势场分布及势能梯度特征等古流体动力条件对于岩性地层圈闭能否成藏尤为重要。

3.储层临界物性条件

构造圈闭受构造作用可以改善储层物性条件(如构造裂缝),构造油气藏局部范围内储层的岩性与物性相对比较均一。而岩性地层圈闭的物性条件主要受沉积相控制和成岩作用两种机制控制,并影响储层的孔渗性,构造运动对储层的物性影响一般相对较弱。同时,岩性地层圈闭由于常常跨越不同岩相带,同一油藏范围内储层的岩性物性变化很大(胡见义等,1986)。其储层物性条件不仅直接影响圈闭的油气充满度,而且由于岩性地层圈闭油气运移的特点,渗透性地层同时起到运移通道和储层的双重作用,其物性条件明显影响油气运移通道的输导能力。

1)储层物性影响烃类充注:砂体内部物性对砂岩体含油气性具有控制作用,当分选在差—中等时,只有物性达到一定条件,砂体内部才开始含油气。刘震等(2006)在莺歌海盆地发现气层的平均孔隙度与含气水层、水层的平均孔隙度值差别不大,一般相差小于7%。但渗透率差别却十分明显,气层平均渗透率比含气水层、水层的渗透率大(30~40)×10-3μm2,表明只有当砂层渗透率达到24.62×10-3μm2后,天然气才可能充注进入砂体。庞雄奇等(1998)在研究东营凹陷时发现,砂体平均粒径达到0.2mm时,砂体内部才开始含油气,含油气岩性砂体分布在其平均孔隙度>12%的砂体内,平均渗透率>1×10-3μm2时才能含油。因此,储层物性的临界条件对油气充注有着重要的影响。

2)储层物性主要受储集相类型和成岩作用双重控制:岩性圈闭的形成,主要受沉积相带展布和最大经历埋深控制(雷茂盛等,1999)。相应的储层物性主要受储集相和成岩作用的双重控制,一般来说三角洲、滨湖、风成砂相储层储集物性较好;而冲积扇体、河流、深水浊积体各亚相储集物性变化大。成岩作用过程中,岩石中的不稳定矿物被原生孔隙中的流体溶解形成了次生孔隙,所形成的次生孔隙改善了储层的物性,有利于油气的充注和优良储层的形成。

4.砂体封闭条件

表面上看,由于岩性地层圈闭是在沉积过程中多因岩相相变形成,其成藏后封闭条件似乎不成问题,但实际上岩性地层圈闭的封闭保存条件与构造油气藏相比,同样至关重要。如果储层与盖层的能量配置不利,同样会由于盖层发生水力破裂而使油气散失。岩性地层等隐蔽圈闭封闭保存条件不仅受遮挡层厚度的影响,而且与圈闭内的流体动力强弱有关。

成岩作用控制了盖层的突破压力大小以及物性因素等封盖性能。岩性圈闭油气藏的形成深度一般大于2500m,当砂体顶面泥岩盖层埋藏太浅,泥岩压实程度低,成岩程度差,物性一般较好。此外,上部地层孔隙流体活跃,则不利于致密岩的形成(宋铁星等,2001),导致封堵油气的能力较差。若埋藏过深,在超压流体的作用下易发生水力破裂,泥岩中产生裂缝而发生油气的散失。只有埋藏达到适当深度,岩石经过强烈压实作用后孔隙大量损失,渗透率大幅度降低,地层流体不活跃并且矿化度较高,大量矿物沉淀,泥岩致密性变强,才可能形成有效的盖层或遮挡层。砂体顶面的泥岩盖层的封闭性能由于油气的幕式充注及储盖的能量匹配情况变化而表现出一定的旋回性:当流体未充满或外溢、渗漏时,砂岩流体压力和泥岩孔隙压力都小于孔隙临界压力,发生流体持续充注,盖层封闭;烃柱高度增加到一定程度时,储层砂岩流体压力大于孔隙临界压力,盖层发生水力破裂,盖层封闭性能丧失,随着流体的泄漏,储层砂岩流体压力降低,重复上述过程。因此,封闭条件是岩性地层圈闭成藏的重要因素之一。

三、行业标准技术规范提出的圈闭评价方法

据中华人中华人民共和国石油天然气行业标准《圈闭评价技术规范》(SY/T5520-2005),圈闭评价是以油气成藏理论为依据,以石油、天然气勘探数据库为依托,充分利用地面物化探资料、井筒资料和综合研究资料,采用综合评价方法,对识别出的圈闭进行含油气性综合分析、资源量计算、经济评价、圈闭综合排队优选和可钻圈闭的精细描述,进而提出预探井部署设计意见,并对已钻探圈闭进行圈闭钻探效果分析和反馈评价。

(一)圈闭含油气性评价内容、评价参数选择和标准

1.评价内容

评价的内容和程序依次为:预探阶段的圈闭评价按圈闭识别、圈闭含油气性评价、圈闭经济评价、圈闭综合评价和圈闭钻探效果分析。评价时宜循序渐进地进行。

2.圈闭识别

以盆地评价优选出的有利含油气区带为对象,以地震资料为主要依据,识别可能存在的所有圈闭,划分圈闭序列,对其形态进行描述评价,并确认其可靠程度。

1)构造类圈闭的识别:作出各地震反射层的构造圈闭平面图、关键部位的构造剖面图,按照规范相关附表填写圈闭与断层基础数据,并利用地质录井、垂直地震、测井、测试、分析化验和综合研究等资料,对主要目的层的地层、岩性、储层物性、断层封堵性、油气赋存条件进行研究,开展地震相、沉积相、储层预测和特殊地质体解释及圈闭发育史分析。

2)岩性地层等非构造类圈闭的识别:在新油气区根据二维或三维地震解释资料和层序地层学研究成果,利用构造等高线、地层超覆线、地层剥蚀线、储层尖灭线、断层线相互间的组合关系,作出反映岩性地层等非构造类圈闭形态的平面图、控制岩性地层等非构造类圈闭形态的剖面图,确认岩性地层等非构造类圈闭。按照规范相关附表填写圈闭与断层基础数据。利用地质录井、垂直地震、测井、测试、分析化验等资料和综合研究成果,开展主要目的层的地震相、沉积相和储层预测,同时进行圈闭发育史分析。

在老油气区进行岩性地层等非构造类圈闭的识别过程中,必须充分应用三维地震资料,同时结合层序地层学理论,开展高精度层序地层、高级次等时地层单元、沉积体系、沉积相(亚相、微相)、储层、岩性地层等非构造类圈闭特征等方面的研究,在此基础上确认岩性地层等非构造类圈闭及其分布的基本规律,进一步提高识别岩性地层等非构造类圈闭的精度。

3.圈闭识别成果

包括圈闭识别文字成果、圈闭识别成果表和圈闭识别附图等成果。

4.圈闭含油气性评价参数的选择和标准

由于油气形成条件和分布规律的差异性,不同盆地或探区的圈闭评价参数及其标准有所不同,同一盆地或探区不同目的层系的圈闭评价参数及其标准也有所不同,应区别对待。对于新区勘探或风险勘探中的圈闭评价,受资料的限制,一些评价参数可以根据实际情况进行参数确定和选择。

1)圈闭条件评价参数和标准:包括圈闭类型、可靠程度、圈闭面积、幅度和高点埋深等。依据圈闭的可靠程度、类型和基础数据,制定评价标准,确定权值,求得圈闭条件评价系数。

2)储层条件评价参数和标准:包括储层类型、沉积相带、厚度、渗透率、孔隙度、储层岩性和分布的稳定性。依据沉积相、储层类型、规模、物性及岩石学特征,建立评价标准,确定权值,求得储层条件评价系数。

3)保存条件评价参数和标准:盖层厚度及其岩性、其他遮挡条件(背斜、断层、岩性等圈闭侧向上的封堵条件)、后期破坏情况(指圈闭成藏后,对油气藏产生破坏的断层、火山岩、水动力活动)、盖层性质(区域性或局部性盖层)。依据区域沉积相资料,对盖层性质、断层封堵性、地下水及区域水动力等资料进行分析,建立保存条件评价标准,确定权值,求得保存条件评价系数。

4)圈闭优选:依据圈闭综合排队结果和预探的需要,在综合评价后的Ⅰ、Ⅱ类圈闭中优选那些圈闭排队靠前,没有钻探或有进一步钻探意义的圈闭。通过运用勘探决策分析法,选择那些评价系数高、油气资源量大、经济评价效益好、主要目的层储层好以及地表工程条件好的圈闭,即排队靠前的圈闭。

(二)圈闭的描述

1.圈闭精细描述

1)地震剖面标定:利用区内或相邻地区已有钻井的井筒资料,对地震剖面进行层位、岩性和深度标定,以提高解释精度。

2)圈闭形态特征描述:进一步落实、修正构造等值线、断层线、地层超覆线、剥蚀线、储层尖灭线,并描述其平、剖面形态特征及组合关系,编制圈闭目的层平面精细构造图。

3)保存条件描述:①盖层发育情况描述。包括盖层的岩性、厚度和分布;②断层封堵性描述。包括可塑性、微观结构及后期破坏程度,断层断穿层位和横向延伸长度,断层性质和活动时期,以及断层两侧岩性配置关系等。

2.储层描述

包括储层横向追踪;储层沉积相、规模、厚度及空间展布预测;储层孔隙度、渗透率和压力预测等;利用储层反演技术识别单砂体并刻画其形态及边界等。

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