北部灣盆地復雜地層水礦化度特征及流體識別

吳 健,劉土亮,張 恒,舒克棟,楊 冬,王建軍

(1.中海石油(中國)有限公司湛江分公司,廣東湛江 524057;2.河南油田分公司采油氣工程服務中心,河南南陽 473132)

北部灣盆地地層水礦化度的區域展布特征和成因機理尚不明確,而地層水礦化度是測井流體識別和儲層定量評價的關鍵參數,其值準確與否直接影響地層流體的測井解釋符合率和含油飽和度的評價精度[1]。為此,有學者開展利用自然電位測井計算地層水礦化度的研究[2],但由于海上油田以隨鉆測井為主,且多使用高礦化度的海水泥漿,自然電位測井難以實施并發揮效果。國內外學者通過大量研究已證實,地層水性質會受地層埋深、沉積環境、油氣運移成藏模式、淡水淋濾及成巖變質作用等多種因素的共同影響[3]。含油氣盆地中的地層水活動、循環樣式與油氣的生、運、聚、散和盆地演化密切相關,加之盆地中不同規模和類型的斷塊油藏錯綜復雜,諸多因素的共同作用造成地層水性質復雜多變,不同構造和層組的地層水礦化度往往難以有效確定,給地層流體識別和儲層評價帶來很大困難。

1 地層水礦化度分布特征

北部灣盆地潿西南凹陷構造上劃分為中央斷裂帶、北部隆起帶、北部斜坡帶、南部緩坡帶、南部隆起帶、潿西南低凸起以及斜陽斜坡帶,縱貫整個凹陷分布有三條大斷裂(圖1),同時大量中小斷層錯綜復雜分布貫穿各構造和層組,形成了不同產狀和規模密集分布的斷層和裂縫網絡,這些斷層和裂縫為油氣運移和地層水的交換提供了良好的通道。自下而上劃分為長流組、流沙港組、潿洲組、下洋組和角尾組。地層水礦化度在區域縱向和橫向上不同構造及層組的變化較大,其值為6.0～46.0 g/L,淡水與咸水共存,為精確描述地層水礦化度在區域縱向和橫向上的分布規律,通過統計各構造有代表性的水分析資料, 結合測井資料的評價結果,最終得到區域不同構造和層組典型的地層水礦化度特征(表1)。

表1 潿西南凹陷區域縱向、橫向地層水礦化度分布數據 g/L

圖1 潿西南凹陷構造帶劃分

由統計數據可以看到,區域地層水礦化度的總體分布規律如下:橫向上,由生油中心向周緣,地層水礦化度具有逐漸升高的趨勢,但總體規律不明顯,分布復雜;縱向上,由淺至深,地層水礦化度也具有先增大后降低的趨勢,其中,以潿三段為拐點到流三段,地層水礦化度表現為逐漸減小的趨勢。由此可見,地層水礦化度在區域縱向上隨著地層埋深由淺到深形成一個近似“側V字形”的分布特征(圖2)。

圖2 潿西南凹陷地層水礦化度與地層深度關系

2 地層水礦化度影響因素

地層水礦化度是地理地質環境變遷所導致的地下水動力場和水化學場經歷漫長而復雜演化的反映[4-5],與地層溫壓、原生沉積水性質、油氣運移方向、大氣淡水淋濾、盆地生烴和水動力學機制以及斷層等多種因素的長期共同作用密切相關[6-7]。不同的原始沉積環境決定了初始原生地層水的性質,流三段為中深湖相沉積,隨著斷陷活動加劇,湖盆面積逐步擴大,水體逐漸加深,流二段湖盆發育達到極盛時期,沉積了一套巨厚的中-深湖相泥巖和油頁巖,水分析資料顯示,本段原生沉積水水型均為低礦化度的NaHCO3陸相沉積水(7.0 g/L左右),反映當時為地層水交替能力強的開放型水文地質環境。至流一段沉積時期,隨著斷陷活動趨于停緩,湖盆開始萎縮,湖水變淺,沉積相為濱淺湖相,水型為CaCl2和NaHCO3型,地層水交替活動逐步減弱,本層段地層水礦化度值分布范圍很廣,淡水與咸水并存,總體上,原始沉積水礦化度較流二段地層顯著增加。至潿洲組沉積時期,湖盆逐漸消亡,在蒸發環境下,湖水不斷濃縮,含鹽度顯著增加,同時在本時期巖心中見海綠石及反映半咸水環境的古生物化石,說明潿洲組沉積期間受間歇性海侵影響,原始地層水礦化度較高(33.0～50.0 g/L),水型以MgCl2、CaCl2和Na2SO4為主。至下洋組和角尾組沉積時期,隨著構造活動由斷陷階段進入坳陷階段,盆地因熱沉降遭受大規模海侵,形成一套淺海相砂、泥巖地層,在相對封閉的沉積環境中形成MgCl2、CaCl2水型的高礦化度海相沉積地層水。

凹陷邊緣構造高部位的角尾組、下洋組存在明顯低礦化度的地層水,且在電成像圖中見明顯的地層不整合面,分析認為由于構造抬升導致正常沉積地層出露地表遭受風化剝蝕,導致沉積間斷,大氣淡水以降雨方式在重力驅動下沿著連通砂體和斷層向凹陷中心運移,并與原生海相沉積水混合,使得部分構造的地層水礦化度降低。

在正常沉積環境下,隨著地層埋深、溫度和壓力逐漸增大以及溶濾和水巖作用不斷增強,地層水與巖石顆粒礦物成分的交換和溶解作用會導致地層水中離子濃度不斷增加,因此,隨地層埋深增加,地層水礦化度在理論上應逐漸升高,但本區潿洲組到流三段地層水礦化度卻呈明顯降低的趨勢,對區域泥巖聲波時差資料研究表明[8],潿西南凹陷屬于壓實流盆地,凹陷中心深部生烴層流二段大套泥巖普遍存在欠壓實和流體異常高壓現象,埋深3 000～3 600 m的泥巖地層密度相對較低,地溫梯度高,測壓得到的地層壓力高達48.3 MPa以上,鉆井液密度大于1.65 g/cm3,且越向深部超壓現象越明顯,而凹陷中心沉積的中深湖相泥巖最厚,具有較高的異常壓力值。隨著流二段生烴層埋深和溫壓增加,泥巖壓實排水作用和黏土礦物脫水作用逐漸增強,原先以束縛狀態存在的原始沉積淡水逐漸被脫出,并在有限的孔隙體積中形成異常高壓,由于超壓封閉作用, 生成的淡水難以排出而保留在孔隙中,是本區流二段地層水礦化度較低的主要原因,水分析資料顯示水型為NaHCO3型,礦化度僅為7.0 g/L。隨著烴源巖進入油氣生成階段,在超壓、熱力和異常高壓作用下,生成的油氣溶解在孔隙水中一并被壓實排出,從凹陷深部生烴層沿壓力降低的方向呈離心狀流動,沿著斷層和砂體以縱橫向運移的方式指向凹陷邊緣及淺層,并在有利構造圈閉聚集成藏[9-10],這種沉積埋藏水的超壓對油氣運移、聚集和分布起重要作用,是油氣運移的重要驅動力[11-12]。當油氣進入圈閉后便逐漸從水中析出形成油氣藏,而作為載體的深層淡水在油氣運移和聚集的過程中與高礦化度地層水混合,逐步淡化了各層組的地層水,這也是區域縱向地層水礦化度自潿三段至流三段隨地層埋深的增加而逐漸降低的主要原因。

綜上所述,在地層原始沉積環境的影響和控制下,通過大氣淡水淋濾、油氣運聚及盆地演化、構造運動等各種因素后期改造和長期共同作用下,形成了現今北部灣盆地地層水礦化度的分布規律。

3 地層流體識別

地層水礦化度的變化在很大程度上決定油水層電阻率下限,通過統計北部灣盆地電阻率隨地層水礦化度變化的關系,可見隨地層水礦化度的增加,純水層電阻率和區域油層電阻率下限隨之降低,但純油層電阻率始終高于水層電阻率(圖3)。

圖3 區域地層水礦化度與電阻率下限的關系

烏石K-5S區在流一段下層序鉆遇良好含油氣顯示,氣測異常明顯,電阻率大于9.0 Ω·m,而區域純水層電阻率為2.0～3.0 Ω·m,地層水礦化度為26.0 g/L,油層電阻率下限為5.0 Ω·m,對本段處理后測井初次解釋均為油層。利用區域巖心半滲透隔板資料可得到束縛水飽和度模型(圖4),利用巖心相滲實驗和常規物性資料可建立區域殘余油飽和度模型(圖5),處理后發現部分解釋油層段含明顯的可動水及微量-少量可動油,總體上以可動水居多。為證實本段地層流體性質,利用MDT測壓取樣在地層電阻率13.5 Ω·m處取到純油樣,未見水;而在地層電阻率9.0～10.0 Ω·m則取到了純水樣,未見油氣,樣品氯根濃度10.2 g/L,鉆井液氯根濃度38.0 g/L,考慮到樣品中會混入一定比例的泥漿濾液,導致測量值偏高,參考井場取樣分析技術,根據定量鉀離子濃度法,確定水樣中混入泥漿濾液比例為5.9%,去除泥漿濾液離子影響后,計算出地層水總礦化度為13.0 g/L,說明本段地層水較區域純水層礦化度明顯降低,通過本層段測試、取樣已證實的油層和水層進行孔隙度-電阻率交會分析,可見本段油層電阻率下限為12.0 Ω·m(圖6),與流一段上層序差異明顯,采用新地層水礦化度對本段含水飽和度進行處理,利用巖心半滲透隔板和核磁共振實驗得到的巖心束縛水飽和度對測井含水飽和度進行標定,結果顯示在油層段二者吻合較好,說明地層中不含可動水,為純油層;在含水層段巖心束縛水飽和度則明顯小于測井含水飽和度,表明地層中含可動水,因此將這部分儲層的流體性質調整為油水同層。

圖4 區域束縛水飽和度評價模型

圖5 區域殘余油飽和度評價模型

圖6 區域流一段下層序電阻率下限圖版

4 結論

1)在原始沉積環境下,隨著地層埋深的增加和溫壓條件的變化,在大氣淡水淋濾、油氣運移模式、斷層錯斷以及構造變化等多種因素的后期改造和長期共同作用下,形成了區域地層水礦化度在縱向上“側V字形”的分布特征。

2)純水層和油層的電阻率隨地層水礦化度的不同呈規律性變化,對區域地層水礦化度的認識準確與否直接影響油層電阻率下限的有效確定和含油飽和度的評價精度。

3)在取樣、測試結果證實的基礎上,通過巖心資料標定和建模,開展精細流體分析,逐步明確復雜區域地層水礦化度的分布特征,進而得到該區油層電性下限及其變化規律。