古潜山油气藏研究综述

第21卷 第3期地 球 物 理 学 进 展V ol.21 N o.32006年9月(页码:879~887)P ROG RESS IN G EOP HY SICSSept. 2006古潜山油气藏研究综述李 军1, 刘丽峰2, 赵玉合1, 涂广红1, 周立宏3, 肖敦清3, 高嘉瑞3(1.中国科学院地质与地球物理研究所,北京100029; 2.中石化石油勘探开发研究院,北京100083;3.中国石油大港油田公司,天津300280)摘 要 文章介绍了古潜山油气藏的勘探历史、研究现状、分类及特征,并指出开展/残留盆地0的研究对古潜山油气藏的勘探具有指导意义.作者按照简单易行的原则,将古潜山油气藏分为两大类共六种.随后作者阐述了形成大型古潜山油气藏的条件,包括构造背景、沉积环境以及成藏配置等等,最后文章介绍了古潜山油气藏勘探的重要技术,主要有叠前深度偏移处理、综合地球物理方法以及古潜山内幕裂缝预测技术等等.关键词 古潜山油气藏,残留盆地,勘探技术中图分类号 P631 文献标识码 A 文章编号 1004-2903(2006)03-0879-09A review of study on ancient buried hill reservoirLI Jun 1, LIU L-i feng 2, ZH A O Yu -he 1, TU Guang -hong 1, ZH OU L-i hong 3,XIA O Dun -qing 3, GA O Jia -rui3(1.Institute of Geolog y and Ge op hy sics ,Chinese A cade my of Science s,B eij ing 100029,China;2.Ex ploration &Pr oduc tion Re se arch I nstitu te .S IN OP EC,B eij ing 100083,China3.Dag an g oilf ie ld Comp any ,CN PC,T ianj in 300280,China)Abstract T he paper intr oduces ex plo rato ry histo ry,present study status ,catego ry o f ancient buried hill reserv oir and featur es o f ancient bur ied hill,and the author thinks the study o f /pr eser ved basin 0can g uide the explorat ion o f ancient bur ied hill reservo ir.T he author calssifies ancient bur ied hill r eser vo ir as six types w ith convenient and feasible princ-i ple.M o reov er,t he autho r fo rmulates the conditio ns of fo rming g r eat ancient buried hills reserv oir ,w hich include tec -to nic backg round ,sediment ary envir onment and co nf igurat ion o f fo rming r eser vo ir.Finally ,the key techno lo gies of ex-plorat ion of ancient buried hill is presented,w hich inv olve 3-D prestack depth mig ratio n,interg rat ed geo physical t ech -nolog ies and fr actur e pr ediction technolog ies of internal ancient bur ied hill ,etc.Keywords ancient buried hill r eser vo ir,preserved basin,explo rato ry technolog y收稿日期 2006-01-10; 修回日期 2006-03-20.基金项目 中国科学院知识创新重大项目(KZCX1-SW -18-01)和大港油田基础外协项目(JS FW -0000-00341)资助.0 引 言石油和天然气是工业的命脉,是国家极其重要的战略资源.随着国民经济可持续发展的要求,以及对油气能源需求的不断增长,迫切需要立足国内找出更多的油气资源来.过去中国油气资源的第一次创业,新生代陆相碎屑岩沉积盆地作出巨大贡献,但预计2010年我国石油缺口将达0.8~ 1.2亿吨.这种情况严重影响着经济社会的可持续发展.第2轮油气评价认为,中国石油资源量为940@108t,天然气为38@1012m 3,但探明率石油为22%,天然气仅7%[1].这样,在继续寻找新生代陆相碎屑岩沉积盆地油气资源的同时,还应及早开拓新的勘探领域,探索前新生代(中生代、古生代、甚至元古代)的油气资源[2,3].目前国内前新生代海相残留盆地中从古潜山探明的储量已占相当比例.据统计,渤海湾盆地已知的61个古潜山油气藏的探明储量占盆地总储量的10.4%.其中辽河坳陷的8个古潜山油气藏占坳陷油气总储量的20.3%;黄骅坳陷(8个)占2.9%;济阳坳陷地球物理学进展21卷(20个)占14.8%;冀中坳陷(21个)占59.7%;渤海海域(4个)占2.3%.中国油气的潜力巨大,还有大量的油气资源有待于发现和开发,古潜山就是其中一个重要的领域.1古潜山勘探进展和研究现状1.1古潜山的概念古潜山是古地貌的一种形态,地层经过地壳变动后的长期风化剥蚀,造成表面形态的高低不平,后来再次下沉被新生代沉积层所覆盖,其中突起的山丘就称为古潜山.古潜山油气藏具有三个条件:)是油源问题,古潜山自身没有油源,必须借助于能与生油层沟通的不整合面、断面或渗透性岩层使生油层中的油气运移进入古潜山储集层;二是储层问题,古潜山的主要储集空间为次生孔隙和裂缝双介质系统,特别是遭风化溶蚀形成的古岩溶型溶蚀孔洞是优良的储集空间;三是圈闭问题,大多数情况下古潜山本身没有封盖层,需要依靠上覆非渗透性岩层作为盖层.1.2古潜山油气藏勘探进展及研究现状古潜山油气藏的勘探始于1909年,美国在勘探中、新生界油气资源时,在俄亥俄州中部辛辛那提隆起东买发现了摩罗县古潜山油田.油井初期日产原油31.8m3.随着一系列高产古潜山油藏的发现,各国开始重视古潜山油藏的勘探开发工作.目前在美国、俄罗斯、西班牙、澳大利亚、加拿大、埃及、利比亚、委内瑞拉、阿尔及利亚、伊朗、巴西、摩洛哥、安哥拉、前南斯拉夫、匈牙利、罗马尼亚、越南等国家都发现了古潜山油气田.国内古潜山油藏的勘探是以任丘油田的发现为转机的,任丘潜山油田是我国第一个在中上元古界海相碳酸盐岩古潜山中找到的高产大油田,含油面积80km2,探明石油地质储量4@108t,最高年产量达1352@104t.任丘油田发现以后,国内曾掀起寻找古潜山油藏的热潮,但收效不大,直到油气二次创业理论[1]提出之后,古潜山油气的勘探才有迅速的发展,例如,位于大港油田北大港构造带东北斜坡的千米桥潜山的发现,勘探证明该古潜山风化壳储集层发育,为储量规模近亿吨级的高产油气藏.随着我国一系列古潜山油气藏的发现,说明古潜山已成为我国重要的油气勘探领域,即使是中小型的、隐蔽研究.在古老的地台之上,改造之后保存下来的原型盆地以潜山的形式存在,即逆掩推覆构造或古潜山构造,储集层为碳酸盐岩、花岗岩、火成岩、变质岩等.这样的原型盆地被命名为/残留盆地0,是地壳多旋回运动的产物.从中国海陆大地构造的演化历史可知,古老的陆核华北、扬子、南华、塔里木在古特提斯洋中出现,并发育成块体,在其上和边缘形成海相沉积盆地,生成大量的油气并聚集成油气藏.但是在后期的构造演化过程中,原有的盆地遭到挤压改造变形甚至失去盆地的原貌而成为造山带,油气藏遭到强烈的破坏,但是有的盆地仍保留丰富的油气资源.因此,/残留盆地0理论的提出不仅丰富了石油地质理论,同时开启了我国找油的新思路.残留盆地的形成包含两个阶段[7]:在古全球构造体制的制约下形成的古生代原型盆地;在新全球构造体制下经过多期/变格0,在中新生代并列和迭加作用改造之后,形成残留盆地.几十年的油气勘探工作证明,我国东部和西部都存在残留盆地,目前不仅已在华北地区的冀中、济阳、辽河、黄骅、渤中坳陷、东濮凹陷,而且在准噶尔、酒泉、二连、百色、松辽、东海、北部湾、苏北盆地等地区都发现了前新生代的残留盆地.而古潜山油气藏成功的范例(如冀东油田老堡南1井在奥陶系古潜山获得日产700多立方米的高产油气流)则进一步证明了残留盆地古潜山油气资源是大有可为的.2古潜山油气藏分类及特点2.1分类近年出现对潜山研究的多种分类.毛立言[8]把潜山基本分为地貌山和构造山,而构造山又分为:褶皱山亚类和断块山亚类.王国纯[9]根据潜山的岩性特征分为变质岩储层潜山、火山岩储层潜山、碳酸盐岩储层潜山和碎屑岩储层潜山.谯汉生等[10]主要从渤海湾盆地潜山油气成藏与分布出发,考虑到潜山的成因、形态和储层结构,将潜山分为地貌潜山、断块潜山和不整合潜山三大类.地貌潜山和不整合潜山具有早期成因的特点,而断块潜山一般为后期成因.根据储层的空间分布又将这三大类潜山分为五种类别七类潜山.吴永平等[11]根据构造的形成与盖层沉积的先后关系,将潜山分为三类:①先成地貌潜山,②同生构造潜山③后成构造潜山.根据潜山发育8803期李 军,等:古潜山油气藏研究综述表1 一些古潜山油气藏储层时代及岩性Table 1 Age and lithology of some ancient buried hill reservoirs油田古潜山油藏时代岩性胜利油田桩西、垦利、滨南、义和庄下古生界奥陶系、寒武系灰岩义北、孤南、桩西、垦利中生界砂砾岩王庄太古界泰山群结晶基底变质岩沾化、孤岛中生界煌斑岩义和庄、大王庄上古生界石炭系、二叠系石英砂岩、白云质砂岩华北油田马12太古界变质岩永清、何庄、深县西、任北、苏桥、南孟、龙虎庄、刘其营下古生界奥陶系灰岩薛庄、留北、八里庄西、雁翎、八里庄、任丘元古界雾迷山组藻云岩河间中元古界长城系白云岩、石英岩龙虎庄、南孟下古生界寒武系下统府君山组白云岩南孟下古生界寒武系馒头组泥岩大港油田千米桥下古生界奥陶系第三系底部灰岩、玄武岩辽河油田曙光中上元古界下马岭)铁岭组变质石英砂岩、白云岩、砾岩上元古界雾迷山组白云岩油田杜家台中上元古界大红峪组石英岩兴隆台太古界混合花岗岩图1 济阳坳陷下古生界潜山成因)结构分类[12]F ig.1G enetic and st ruct ur al classif icaton of L ow Paleozoic bur ied -hill in Jiyang D epr essio n [12]块作用、褶皱作用和溶蚀作用形成,与此对应,可将潜山分为断块山、褶皱山和残山(溶凸).其中断块山可分为单断山和双断山.李丕龙[12~14]按照济阳坳陷潜山的成因类型,将其划分为拉张型、挤压)拉张幕单斜、内幕褶皱.其划分出了四类8种类型潜山(图1).其中,拉张作用形成内幕单斜块断山、内幕单斜断块山、内幕单斜滑脱山;挤压)拉张作用形成内幕褶皱块断山、内幕褶皱断块山、内幕褶皱滑脱881地球物理学进展21卷为了更好地指导潜山油气藏的勘探,作者认为对古潜山的分类应该是简单易行的,即先根据成因分为残丘山和构造山,再根据古潜山的时代分为:中生代潜山、古生代潜山、前寒武纪潜山,共6种类型.2.2古潜山油气藏的特点2.2.1成藏模式复杂由于古潜山油气藏经过多期构造运动改造,形成各种类型的复式油气藏.吴永平等[15]在渤海湾盆地北部奥陶系潜山油藏中就发现有潜山埋藏型、构造反转型、顺层溶蚀)运移型、晚期成岩型以及古生古储型等多种成藏模式,徐国盛等[16]依据岩溶及裂缝的发育状况,济阳坳陷下古生界潜山可分为拱张褶皱型、断裂块断型、风化残丘型和多期构造复合型4种模式.王永诗等[17]把济阳坳陷孤西潜山分为高潜山和低潜山2大类5种潜山油气成藏模式,此外还有/新生古储0以及/自生自储0成藏模式[18~20].2.2.2储集层时代范围广,岩性多样,烃源岩层系多统计中国东部油田古潜山储集层的时代(表1),可以看出各个油田都有古潜山油藏分布,储集层时代从太古宙到中生代都有发育,而且岩性多样,除了灰岩、白云岩、砂砾岩之外,还存在泥岩、变质岩、火山岩等等.古潜山油气藏的烃源岩不仅来源于第三系,比如千米桥潜山油气主要来自板桥凹陷沙三段烃源岩[21~23],还有来自中生界[24]的,如在东海盆地中部隆起带的烃源岩主要是侏罗系湖相泥岩[25,26],此外还有古生界的烃源岩,如在黄骅坳陷南区孔西构造带的孔古3井发现了以奥陶系为油源的原生油藏[15],在东濮凹陷发现了二叠系的烃源岩[27],在塔里木盆地轮南地区与油气相关的烃源岩有两套:寒武系-下奥陶统海相生油岩和中-上奥陶统海相生油岩[28].2.2.3储集空间多为次生,油藏储量丰富,潜力巨大由于储集层发育的时代早,埋藏深,原生孔隙储集性能较差,必须经过后期构造才能成为有利储集层[29],如辽河油田茨榆坨潜山太古界变质岩储集层的储集空间和渗流通道主要为裂缝和微裂隙[30],东濮凹陷上古生界砂岩孔隙类型主要为粒间溶蚀孔、粒内溶蚀孔和晶间孔[27]等等.古潜山油气藏的储量丰富,钻井多为高产油气井.表2和表3分别是冀中坳陷和渤海湾地区古潜9.1341@108t,其深层具有广阔的天然气勘探前景[31].表2冀中坳陷各层系原油储量分布状况表[32]Table2Distribution of oil reserves in seriesof strata in Jizhong D epression[32]层位产层数(个)富集程度(104t/km2)占总储量百分数(%)潜山油田元古界高于庄组1379.70.49雾迷山组8695.370下古生界寒武系497.50.83奥陶系1492.19.34上古生界二叠系220.30.07小计29391.480.83第三系油田下第三系孔店组沙河街组3070.39.34砂一上段东营组972.19.4上第三系馆陶组明化镇组372.00.43小计4271.219.17总计71223.2100表3渤海湾地区各层系含油气潜山探明石油储量表[33]Table3Proven Oil Reserves of oi-l buried hill in seriesof strata in the Bohai Gulf area[33]层位潜山储量(@108t)占潜山总储量(%)分布坳陷M z0.4232 4.7济阳、黄骅C-P0.04550.5济阳O 1.936521.2冀中、济阳、渤中E0.3845 4.2冀中、济阳Pt 5.236357.3冀中、辽河Ar 1.208112.1辽河、渤中合计9.13411003形成大型古潜山油气藏的条件3.1构造背景大型古潜山的形成都经过了复杂的构造运动,首先要有长期稳定的沉积期,其次要有大的构造运动,一方面使储集层抬升遭受风化淋滤,形成局部凸起和储集空间,另一方面构造运动形成的大断裂8823期李军,等:古潜山油气藏研究综述刘光鼎指出中国大地构造格架的形成过程中依次出现了5幕演化史[1],较全面论述了古潜山形成的构造背景.古生代末期中国大陆形成之后,湖泊、河流中的有机质降解生烃,经过运移在新、古近系地层中赋存成藏,即新生代陆相碎屑岩油气.但是,在古生代期间,中国大陆处于华北、扬子、华南、塔里木等块体逐渐拼合的过程中,块体之间有海水覆盖,生成碳酸盐岩沉积,它们具有比河湖优越得多的生油条件和广阔得多的容纳空间,更何况海水中大量生物的快速繁衍为生油提供了物质基础.它们所富含的油气不可能在其后的构造运动中被破坏殆尽,总有一部分被完整地以古潜山的形式被保留了下来.因此,在这些残留盆地的古潜山中应该能找到相当多的油气资源.构造运动对古潜山油气藏的形成有重要的作用[34],如渤海湾地区在多旋回走滑伸展断裂活动中,形成了基岩掀斜断块构造,后经过第三纪多期水进超覆层披盖基岩块体形成不同位序潜山油气藏[35~37].对济阳坳陷前中生界潜山的研究[38,39]表明:古生代两次大隆大坳和轻度褶皱奠定了潜山构造带的形成基础,印支期的构造运动提高潜山储层性能,燕山晚期以来的张性块断作用,使得局部剥蚀潜山定型和断块潜山形成.而塔里木盆地轮南潜山构造演化也经历了4个主要阶段[40],对岩溶发育、构造格局与储集空间的形成有重要控制作用.3.2沉积环境中国海相碳酸盐岩分布面积为344@104km2,占大陆沉积岩总面积的40%.主要分布在塔里木地块、华北地块和扬子地块.海相地层的石油资源量为92@108t,占我国石油资源量的9.5%~ 13.3%;天然气资源量为17@1012m3,占我国天然气资源量的58%~59.1%[41].海相沉积环境碳酸盐岩储层为主的古潜山油气藏具有富集高产的特点.渤海湾盆地中上元古界和下古生界两个层系的碳酸盐岩储层所探明的石油储量占到的比例高达82.7%.这类古潜山油藏一般具有油层厚度大,储量丰度高的特征[10].(1)碳酸盐岩储层的储集空间主要有基质孔隙、溶蚀孔隙、裂缝孔隙三种类型.从目前发现的碳酸盐岩油气藏来看,油气主要储集在裂缝和溶蚀孔隙中,原生沉积形成的基质孔隙虽然也能储集油气,但储集能力有限,所占的比例很小.溶蚀和裂缝孔隙基本中伴生有大量的断层和裂缝,这从大量潜山井的裂缝识别测井和岩心观察得到证实;二是带有大量断层和裂缝的古构造又经过长期的风化淋滤以及地下水的作用,把原来形成的断层和构造裂缝进一步改造,不但扩大和连通了原有的裂缝孔隙,而且多期的岩溶作用形成了大量新的溶蚀孔洞[42~45].(2)碳酸盐岩储层早期形成的孔洞和裂缝受埋深成岩作用的影响较小,潜山埋至深层后仍然能保存大量的早期形成的孔洞和裂缝.因此,深古潜山的勘探要以碳酸盐岩储层潜山为主.冀中潜山探明石油储量为54595@104t,几乎都为碳酸盐岩的白云岩和石灰岩,其中大于3000m深度的古潜山石油探明储量加在一起共为46311@104t,占潜山探明总储量的84.8%.由此可见,碳酸盐岩潜山储量纵向上的分布在深层占有较高的比例.3.3成藏配置古潜山油气藏的形成,首先要有区域上成油条件的配置,也就是一个凹陷和含油气系统中要具备潜山成油的基本条件.其次看是否具有潜山成藏的良好配置.谯汉生等针对渤海地区指出/早隆、中埋、后沉0配置的碳酸盐岩潜山最有利于油气的成藏[10].成藏的最佳配置应该是在古近系沉积前形成古地貌的早隆潜山,这种潜山一般经受了比较强烈的风化淋滤,储集空间比较发育.良好生油层不断向潜山超覆覆盖中期掩埋,形成较好供油条件和潜山盖层的中位潜山.后期生、排烃潜山聚油成藏时期要形成区域性整体稳定沉降才有利于潜山的成藏.例如辽河盆地大民屯凹陷曹台基岩潜山油藏的烃源岩沙四段暗色泥岩正处于生烃高峰期,而且油藏尚处于油气充注阶段[46].非生油岩覆盖的潜山需要供油通道,使潜山能与深部的生油层沟通.这种通道主要为通到下伏生油层的供油断层,使深部生油层的油气通过活动开启的供油断层向上运移进入没有与生油层接触的潜山[47].油源断层要在下伏生油层油气主要生成、运移期活动开启,以便使深部生成的油气向上运移.油源断层的活动期与油气主要运移期的配置十分重要,配合的好就能形成良好的供油通道.而到后期,供油断层的活动逐渐衰退停止,能对形成的潜山油气藏起到良好的保存作用[48~50].古潜山油气藏成藏的一个重要条件是潜山供油的方式[51],潜山的供油方式以有效烃源岩覆盖并直接与潜山接触的双重多883地球物理学进展21卷最差.4古潜山油气藏勘探技术古潜山油气藏的勘探采用过多种方法,包括化探方法[52]以及物探方法(重力勘探、电磁勘探、放射性勘探和地震勘探),以及两种以上方法的综合应用[53].在油气勘探的众多技术方法中,地震勘探无疑占据着主导地位,国内外许多大型古潜山油气田都是利用地震方法勘探而发现的.特别是随着3D 地震技术的发展,可以对地层进行连续的面积追踪,能够精细地反映出地层结构及断层分布[54].相对于其他类型油气藏的勘探,由于潜山油气藏的特殊性,地震勘探常常受到限制,必须开展综合地质地球物理研究,才能获得大的突破.与勘探其他类型的油气藏不同,一些独特的地震勘探技术在古潜山油气藏的勘探中发挥着十分重要的作用[55].4.1叠前深度偏移处理通过地震资料,不仅可以准确地落实古潜山位置、形态、埋深等,而且还可以用来研究古潜山的地质层位、油气成藏条件和油气藏类型,以及预测古潜山储层缝洞发育等.在古潜山发育地区,普遍存在构造倾角大,地层速度横向变化剧烈的现象.而地震资料的常规处理是以局部水平层状介质模型作为前提条件,面对如此复杂的地质体无法形成对地下介质的正确成像.叠前深度偏移采用的速度)深度模型是对地下介质的速度场分布的最佳近似,在一定程度上能够弥补常规处理方法的缺陷,达到对复杂地质体精确成像的目的[56~60].1996年,中国科学院地质与地球物理所杨长春博士与胜利油田合作,研究的二维叠前深度偏移技术,在精细速度分析的基础上处理反射地震资料,解释出古潜山内幕为两条逆掩断层制约下的古生代地层及众多断层的展布.根据这些研究结果建议的胜海古二井在2900m深度的古生代海相白云岩风化壳中,钻遇工业油流,日产1059t,这是地球物理方法寻找前新生代油气资源的一次成功实践,也证明了叠前深度偏移技术是勘探古潜山一类复杂地质体的重要技术方法.4.2综合地球物理方法各种地球物理方法的综合运用是勘探大型古潜山油藏必不可少的手段[61].目前,重力勘探潜山一般用布格重力异常、剩余重力异常和重力二阶导数等资料[62,63].重力勘探从毫伽级提高到微伽级(m Ga-l L Gal).布格重力异常有强的区域重力背景,可用于区域研究.对大多数中、小型潜山和埋藏较深的古潜山,常用消除区域重力背景后能较清楚地显示局部异常的重力二阶导数、剩余重力异常[64~67].研究表明,在渤海湾地区剩余重力异常与古潜山的分布有较好的对应关系①.尽管磁力勘探有光泵磁力仪使勘探精度提高2个数量级,但从已完成的实际航磁结果看,磁异常和古潜山局部构造之间直接的对应关系还不太明确.磁力勘探常作为一种辅助手段,可以反映火成岩及结晶基岩的分布.一方面,消除火成岩对重力勘探的影响.另一方面,磁法在了解古潜山概况,更准确地确定隆起区和断裂的位置方面有重要的作用.电法勘探中标志层的研究至关重要.其应具备的条件是地层无导电能力、有相当大的厚度并连续分布.古潜山构造主体通常是由以高电阻率为特征的元古界)古生界基岩构成,其上直接披覆低电阻率特征的新生界和部分中生界地层,这种地电构造模式为电磁法进行古潜山勘探提供了良好的地球物理条件,可以作为地震勘探方法的重要补充[68,69].而下古生界地层具有电阻高、密度大、速度高的特征,很可能成为电法标志层,重力密度界面和波阻抗界面,因而古潜山圈闭产生电法正异常、重力正异常和强振幅反射波的异常特征,从而可以进行联合反演,消除多解性[70].潜伏在古近系生油岩之下的古潜山,往往是主要的密度界面,又能形成很强的地震反射,磁性上也存在一定差异,为利用重磁)地震综合研究方法寻找古潜山油藏提供了物理基础[71].中科院知识创新重大项目①针对环渤海湾地区的前新生代油气资源研究,初步形成了一套利用综合地球物理方法研究残留盆地宏观构造格架的方法技术流程.由于一般情况下新生界与中生界之间存在较明显的密度差异,在地震与钻井资料控制下,可以此正演出新生界引起的重力效应并利用数学方法获得深部重力效应,将它们从区域布格重力异常中排除,所得到的剩余重力异常可以反演出重力基底的分布.同理,用区域磁力异常反演可得到磁性基底的分布,由重力基底深度减去新生界底界深度就可得到环渤海湾地区884。