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北京大学石油地质学报(Journal of Petroleum Geology of Peking University)是一本以油气地质学研究为主要内容的国际性学术期刊,由北京大学石油地质学科组织编辑,自1990年创刊以来,一直致力于为国内外油气地质学家和石油地质工作者提供一个发表有关油气地质研究成果的平台。本刊旨在通过不定期出版的形式,及时报道油气地质学研究的新理论、新技术发展,促进油气地质学研究的发展,服务于油气地质勘探开发工作。本刊拥有国内外知名专家学者作为编委,收录范围包括油气地质、油气地质勘探开发、油气地质环境保护等方面的理论研究、工程实践、实验室研究和新进展。
中国陆相石油地质理论的发展历程,与石油天然气勘探事业的发展密切相关,经过了一个探索、创立和日趋完善的过程。新中国成立之前,我国石油工业基础十分薄弱,石油地质理论主要是从国外引入,并根据传统的背斜说和地面油气显示找油。新中国成立后,石油工业进入一个蓬勃发展的崭新阶段,石油地质学理论体系也获得了不断充实和发展。与我国勘探事业发展阶段相对应,陆相石油地质学理论经历了20世纪50年代初创阶段、60~70年代勘探东移的快速发展阶段和80年代以来充实完善阶段。
(一)近代石油地质学理论的引入及陆相生油观点的提出
中国近代,伴随着石油地质勘探事业的发展,逐步从国外引入科学的石油地质学理论,主要是背斜油气聚集成藏理论及追踪油气苗的勘探方法。
近代石油工业,先是从美国发展起来的,而且发展较快。石油地质学也是于19世纪末期先从美国逐步发展起来的。
1859年,美国人德拉克(Drake,E.L.)在阿巴拉契亚山区,以蒸汽机为动力,在宾夕法尼亚州Tilusville区,成功地钻成了世界上第一口工业油井,井深21.69 m,日产油1.817 m3,从而成为石油工业的起点。这一口井也被命名为德拉克井(Drake well)。
国外把寻找石油与地质结合起来,是在19世纪末期才开始的。由此诞生了石油地质学。在Drake井完成后的第三年,加拿大人亨特(Hunt,T.S.)研究了安大略油田,指出石油多储于背斜顶部多孔隙灰岩之中。与此同时,美国人安德鲁斯(Andrews,E.B.)也提出同样的观点,但均未引起石油界的注意。
怀特于1883年研究了美国阿巴拉契亚区油气井后,指出石油聚集与背斜构造有密切关系。为证明他的观点,他选了 3 个背斜,在其顶部拟定了 3 口井位,于 1884 年开始,先后获得油气流。于是怀特于1885 年发表了论文《天然气地质学》(The Geology of Nature Gas),提出背斜理论,并开始为石油界重视。到 1915 年,大部分石油公司均先后建立了地质部门,因而把1885年被定为石油地质学的诞生年。
至1919年,按石油地质学家多西·瓦格尔(Dorsey Huager)1915年出版、1919年所修订的《石油地质学》(Oil Geology)一书,在原理方面已不局限于背斜理论,而且包括了石油的成因、聚集、物理化学性质、地层、构造地质等。在勘探方法方面,包括测图、井位确定、钻井、石油生产以及石油地质野外方法与用具等。书中关于石油的成因,分为“无机说”与“海相有机说”及“无机与有机复合说”3种。
关于油气聚集的要素,提出了五个方面,即背斜(包括单斜)构造、地层水与挤压作用、毛细管作用、储层、盖层和底板层。书中对石油地质学的主要方面均已涉及,只是因为勘探程度和分析化验技术水平的局限,在认识程度上比较肤浅。
中国近代石油地质科学原理,基本上是从国外引进的。1932年著名地质学家谢家荣编著出版《石油》一书,这可以说是中国人写的第一本石油地质学著作,难能可贵。该书主要引用外国书刊理论综合编写,对中国石油地质涉及较少,但却成为国外油气地质科学引入中国的第一本中文书籍。
在近代中国石油地质事业发展中,老一辈地质家在极其艰难的条件下,在惟海相生油论气氛笼罩下,通过在中国的实地调查,提出了陆相生油的观点。从而使中国这个在印支构造运动后陆相沉积广泛分布的国土上,勘探石油天然气的前景变得乐观起来。
首先是潘钟祥教授,他根据从1931~1934年先后4次去陕北进行石油地质调查,1935年又去四川作石油地质调查,获得的比较系统的实际资料,于1941年在美国石油地质家协会杂志上发表了《论中国陕北及四川白垩系陆相生油》的论文,向当时流传的只有海相地层才能生油的论点提出了挑战,认为陆相沉积同样可以生油。
接着黄汲清、翁文灏等,根据1942年在新疆石油地质调查的资料,在1943年初编写的《新疆油田地质调查报告》中也提出陆相生油的观点,指出新疆二叠系、三叠系、侏罗系及下第三系均为可能生油层。文中说:“至少可以说某些新疆石油,显然来源于纯粹的陆相侏罗纪沉积”。
此后,还有不少地质学家,如谢家荣、李春昱(1944)、陈贲(1945)、王曰伦(1947)、阮维周(1947)、尹赞勋(1948)、王尚文(1949)等,先后在地质调查报告中论述过陆相沉积可以生油的观点,他们认为玉门老君庙油田的生油层,应是白垩系黑色湖相页岩。尹赞勋更提出由于火山喷发,淡水湖泊中生物暴亡,成为玉门石油之来源。这些观点虽然是以区域地质分析为基础的,但它无疑是对中国石油地质学发展的一个重要贡献。
正是由于有了比较明确的陆相地层也可生油的认识,才指导了许多地质学家不畏艰难,锲而不舍地在中国广袤的国土上进行石油地质调查和钻探,发现了玉门油田,为现代中国石油天然气工业发展,指出了良好的勘探前景。
中国对近代石油地质学的贡献是,指出了惟海相生油理论的局限性,提出陆相沉积也可以生油的新观点,这是在石油海相成因观点占绝对优势的条件下,地质认识的一种革命性变化和飞跃。
(二)20世纪50年代现代油气勘探的首次突破与中国陆相石油地质学理论的初步创立
新中国诞生后,石油天然气勘探事业是在旧中国遗留下来的技术十分落后、基础极其薄弱的情况下起步的。指导油气勘探的是背斜理论,勘探目标选定的依据,一是地表背斜,二是地面油气苗。
鉴于西北地区的山前坳陷和山间盆地内背斜构造明显,又有众多的油气苗,而且已发现了老君庙和独山子油田,因此,勘探重点在西部。从1952年起,主要力量移向甘肃西部,开展了酒泉西部、民和、潮水盆地的石油勘探。同时,在新疆准噶尔盆地南缘、四川盆地西部龙门山山前坳陷开始了地面地质调查。1954年进入青海省柴达木盆地。
1950~1954年共计完钻探井420口,进尺24.5万米,平均井深583 m。先后发现了永坪、白杨河、石油沟等3个小油田,勘探成效不大。究其原因,有的是储层物性差,如陕北枣园;有的是目的层缺失,如潮水盆地窖水构造;有的是地面背斜构造与地下构造不吻合,如川西海棠铺构造。在挫折中人们开始认识到,一个油气藏的形成,需要具有多方面的条件,找油气田不能简单理解为就是找地面背斜构造、找油气苗,还要研究储层的变化、地层分布、构造发育历史以及深浅层构造吻合情况等。并认识到区域构造稳定地区,也可形成油气田。对油气藏形成方面的这些新认识,是油气勘探指导思想的一次提高。
鉴于前期的认识,本时期油气勘探逐步向盆地腹地和构造平缓地区拓展,即所谓的上“地台”。在此认识指导下,1955年末首次突破,发现了克拉玛依油田。1958年发现了川中含油区。
到1959年底,川中地区共发现平缓背斜24个,钻探了10个,发现了7个油田,产油层位包括有中、上三叠统和侏罗系。储集空间主要为裂缝、由裂缝连通的晶洞、溶洞、介壳间隙等。凉高山层为既有裂缝、又有孔隙的双重介质储层,油层的分布受裂缝发育产状的控制。大安寨层既是生油层,又是较好的介壳灰岩储层。表明川中地区油层纵向上为多层系,横向上分布广泛,并不局限于背斜圈闭。
从1950年到1959年8月,是我国现代石油天然气地质理论发展的初创时期。在实践中初步总结出了一套具有中国特色的油气地质理论雏形。
经过10年的油气地质勘探,通过野外地质调查和油藏所处的地质环境研究,使广大地质学家进一步确立了陆相生油的观点。各勘探盆地已先后确定了本地区的主要生油层系及分布范围。
1960年前后,石油工业出版社出版了有关这方面的若干著作,代表了这个阶段石油地质学家对陆相生油认识的水平。但由于种种原因,多数未能与广大读者见面。《中国陆相沉积生油和找油论文集》(第一集,1960年3月)是公开发行的一本。该书各篇论文,有的从大地构造条件、沉积环境、古气候及有机物沉积特点,来论述石油的生成;有的从陆相沉积、沉积建造与生油关系,来论述陆相沉积的生油条件;有的从岩石性质及动物、植物化石来论证陆相生油;有的论文还谈到在陆相沉积中,如何找油的问题等等。
关于生油的地质条件,当时已经提出,在内陆盆地的沼泽相、湖泊相(淡水、半咸水),甚至三角洲相,都是生油层的沉积环境,并大体明确了中国已勘探盆地的主要生油层系。关于生油层与储油层的分布关系,该书认为,储油层在生油层剖面内,或在其上,或在其附近。陆相生油岩是在沉积盆地不断扩大、水体封闭、湿润气候条件下堆积而成的,其直观标志与海相一样是灰绿色到黑色粘土岩。
在此期间,中国科学院兰州地质研究所于 1959 年提出中国陆相生油的地质条件是“内陆潮湿坳陷”。地质部系统对陆相生油也进行了大量的研究工作,在描述生油层地质条件时,特别强调了还原环境。
1955年,第一次走出山前坳陷,在背斜构造不明显的单斜带,发现了当时中国最大的克拉玛依地层超覆和地层不整合大油田。之后,又在玉门鸭儿峡发现了变质岩风化壳油藏、在川中发现了裂缝性油藏,证实了中国油气藏类型是多种多样的,勘探领域十分广阔。
在油气藏形成的过程中,水文地质条件有很大影响,克拉玛依油田在这方面的研究较为深入和系统(《石油地质报告集》,1959)。
这期间开始认识到油气藏分布不仅受单个构造的控制,就总体来看,是被构造带控制的。因此,相应地提出了油气聚集带的概念,如准噶尔盆地北部划分出3个含油区、7个油气聚集带;克拉玛依-乌尔禾为1个油气聚集带。
关于找油方向,这期间已经明确提出必须在具有生油岩系的盆地范围内去找,首先是要在有生油岩系的整个盆地里去找储油构造。
对含油气的评价工作,也逐步摒弃了单个背斜的排队方法,而着眼于全盆地或一个含油气地区的综合评价。在勘探方法上,开展了如川中、川南等地区的构造连片细测和克拉玛依的地面地质、钻井及地球物理的综合勘探,从而能够较全面而且较快地认识地下地质构造。
(三)中国油气勘探战略东移与陆相石油地质学理论快速发展阶段
中国石油天然气勘探重点由西部向东部转移的原因,一是油气地质学理论水平的提高,认识到东部地区有较大的含油气潜力;二是勘探手段的改进与发展,特别是地震与深井钻探技术已开始广泛使用,于是才有可能在一无地面背斜,二无油气显示的广袤大平原内进行油气勘探。
关于我国东部地区的含油性,早在1948年1月,翁文灏教授在美国油气杂志上就著文指出,中国松辽、华北、江汉和鲁、苏、浙、闽、粤沿海以及台湾省西部定碳比小于70%,为有利含油气区。从1952年以后,又有一些中国地质专家先后提出,应该开展中国东部地区的地质勘探。
从1955年开始,地质部和燃料工业部石油管理总局加强了在东部地区进行的石油地质普查工作。1955年1月,燃料工业部石油管理总局召开了第六次全国石油勘探会议,确定了开展中国东部地区石油地质普查。同年1~2月,地质部第一次石油普查工作会议也决定开展东部的勘探。
1956年,石油工业部成立华北石油勘探大队,并开钻了第一口石油参数井——华1井,同时派出地质队到二连盆地进行石油普查。
1958年,又在长春市成立了松辽石油勘探局,在上海成立了华东石油勘探局,为中国石油勘探的重点东移做好了组织准备。
1.大庆油田的勘探开发和中国油气地质理论的逐步建立
松辽盆地以找油气为目的的地质普查勘探是从1955 年开始的。首先是地质部东北地质局进行了两条路线踏勘。通过调查认为,松辽平原是一个沉降区,有很厚的白垩系与第三系沉积,总厚度约4000 m。在松花江岸及公主岭西之黑山嘴子找到了具有油味和荧光显示的含介形虫化石的暗色泥岩,并提出有海相地层存在的可能。预测平原中部可能有储油构造,建议尽快开展地球物理勘探。1956 年,地质部松辽石油普查大队和第二物探大队,在松辽平原进行重磁力普查,初步了解了松辽平原的基底起伏状况。
大庆油田的发现,进一步证明了陆相沉积盆地不仅可以生油,而且可以形成丰富的石油,形成特大型的世界著名的大油田,从而极大地提高了对陆相盆地含油气潜力的评价,对中国油气资源的认识就更加乐观。
在大庆油田的勘探开发实践中,系统地研究和总结了陆相盆地石油地质学的主要内容,使中国石油地质学理论水平和相应的勘探指导思想水平,有了大幅度的提高。
(1)在陆相生油方面有重大进展
陆相生油研究,不再局限于过去单纯的地质定性分析,开始大量应用岩石化学分析资料,确立了定量鉴别生油层的有机质丰度和沉积环境参数,这是一个很大的进步。在大庆油田陆相生油研究的推动下,全国各油气区,陆续进行了这方面的工作,明确了中国陆相原油和海相原油相比,多数具有高蜡、低硫、低卟啉含量、低w/(V)/w(Ni)比值等特点。陆相生油层沉积水体矿化度多数较低,氯根含量一般只为海相的10%~20%,碘含量为海相的20%~50%,溴的含量也低,还原硫、钒、镍、铜、铬等元素含量也普遍低于海相,说明多数陆相生油层形成于淡水和半咸水中。能否构成生油层,关键是有机质的丰度和沉积环境,而不取决于古水体的矿化度。
陆相生油层的形成与沉积时水体的氧化-还原程度密切相关。提出利用铁还原系数(k)来确定还原程度:氧化相k=0~0.2,还原相k=0.2~0.8,其中,弱还原亚相k=0.2~0.3,还原亚相k=0.3~0.55,强还原亚相k=0.55~0.8,硫化氢相k>0.8。以此为标准,分析了中国主要含油气盆地生油层的分布特点,指出陆相生油层主要沉积于弱还原亚相和还原亚相,而海相生油层则主要沉积于还原亚相、强还原亚相和硫化氢相。
还原环境有利于有机质的保存和有机质向石油转化,有机碳含量则是衡量生油层优劣的标准。中国陆相生油层有机碳含量比较高,它的下限值为0.4%,而一般值为1%~2%;海相生油层有机碳含量一般为1%左右或更高。陆相生油层的沉积环境,为长期下沉、并为较深水体所覆盖的湖盆,非补偿区是形成良好生油层的最佳部位。气候条件不是最主要的,但温暖湿润的气候更有利于水体的长期保持与动植物的繁衍生长。
(2)推动了陆相沉积学的发展
大庆油田发现后,在储油层岩性、物性、沉积环境及其分布规律方面的认识,极大地推动了陆相沉积学的研究与进展。
对陆相沉积环境的研究,早在20世纪50年代末期,在大庆油田发现前业已开始。1958年冬,石油工业部石油科学研究院在北京举办岩相古地理学习班,由各石油管理局派人参加学习。之后,各探区借鉴海相沉积学研究方法,应用地层、岩性和古生物资料进行岩性分区和岩相古地理恢复研究。石油工业部石油科学研究院于1959年成立岩相古地理研究队。该队于1959~1960年,先后研究了鄂尔多斯盆地延长组(T3y)和延安组(J1y),渤海湾盆地济阳坳陷的下第三系,松辽盆地松花江群和四川盆地的侏罗系。由于资料短缺,研究单元划得大、方法少,因此,对陆相沉积特点体现较少。但是,在认识盆地的发育历史和沉积特点方面起到了一定的作用。
1960年11月,石油科学研究院召开了“全国油气田分布规律与岩相古地理会议”,交流了各油气区的经验。把湖相细分为滨湖、浅湖、半深湖和深湖亚相。并提出了深湖亚相利于生油,以及陆相沉积有明显的旋回性,地层剖面多生储盖组合的观点。认为生油层、盖层位于细粒段,储层位于粗粒段,从而形成了生储盖组合。
(3)进一步认识陆相油气藏形成的特征
大庆油田发现后,总结提出油气藏形成的生(油层)、储(集层)、盖(层)、运(移)、圈(闭)、保(存)等6个条件,对中国陆相盆地油气藏形成及分布规律有了进一步认识。归纳起来大体有如下几点:①由于陆相沉积岩性、岩相变化大,油气运移距离小,油气藏分布严格受生油凹陷的控制;②二级构造带控制油气聚集;③斜坡区,往往形成非背斜油气藏;④盆地中央宽缓部位,往往发育有平缓的长垣背斜,油气最为富集,如大庆长垣背斜。因此,在勘探上形成了“定凹探边”,以二级构造带为目标的指导思想。所谓定凹,首先要确定生油凹陷,然后在有利生油凹陷周边有利储集相带区,以二级构造带为目标,进行整体勘探。这种勘探做法,在随后的渤海湾盆地油气勘探初期,应用见到了实效。
2.渤海湾大型油气区的勘探进展推动了油气聚集理论的完善和提高
渤海湾油气区的发现和发展过程,是认识张性裂谷盆地油气藏形成和分布特点的过程,也是中国陆相石油天然气地质理论长足发展,进一步完善提高的过程。
1964~1977年的10多年间,通过全面而系统的研究,中国石油天然气地质理论,包括陆相沉积学、陆相生油层评价、陆相储集岩特征、陆相流体性质和陆相油气田分布规律等内容,都有很大的丰富和发展。进展最明显的是油气藏形成条件及复式油气聚集带理论的产生。
(1)油气藏形成条件认识的发展
如前所述,在大庆油田发现后的初期,对油气藏的形成曾提出了生(油气层)、储(集层)、盖(层)、圈(闭)、运(移)、保(存)等6个要素,经过渤海湾盆地大规模油气勘探和深入研究后,认识深化了,对油气藏形成条件也进行了补充和发展。首先认为烃源岩是基础,储、盖层两个条件不应分割开来单独分析,而应当把两者联系起来,从其组合的角度分析它们在油气藏形成中的作用。另外也应把烃源岩与运移两条件结合起来,分析油气源的状况。因此实际上油气藏形成的最基本要素,就是油气源、储盖层组合和圈闭。
上述3个条件也并非就是油气藏形成的充分条件,有不少地区这3个条件都有,但是有的圈闭成为油气藏,有的却含油气很少,有的甚至成为“空”圈闭。这是为什么呢?经过深入研究,认为油气藏形成的 3 个要素,并非是互相联系发展的,而是各自独立变化的。只有当3个要素在时间、空间上具最佳配置和组合的地方,才能形成油气藏。特别是油气运移和圈闭形成的时间、空间的配置就更为重要,即在时间上是在油气生成前或与油气生成同时形成的圈闭。而在空间上,则是距油气源近,或虽然远,但有通道沟通的圈闭,才最有利于油气藏的形成。比如济阳坳陷的胜-坨地区,是一个同沉积的逆牵引背斜构造,发育于沙三期(E2-3 s3),定型于油气运移开始的东营中晚期(E3 d1-2)。在空间上,这个背斜带紧邻东营生油凹陷陡侧,有多条断层与主要生油层沙三段沟通,因而在沙二段(E2-3 s2)形成丰度很高的油气藏。黄骅坳陷孔店凸起,不仅距歧口生油凹陷较远,而且披覆于凸起上的馆陶组背斜形成也较晚,但在时间上仍早于油气主要生成运移期明化镇期(N1-2 m)。在空间上圈闭与油源区有不整合面和断层沟通,因此也形成了油气藏。
油气藏形成的关键是3个成藏要素的时空配置和组合。在此观点指导下开展了渤海湾盆地油气生成、运移与圈闭形成诸要素的时空关系研究,随后的找油勘探工作就更有针对性,成效有了明显提高。
(2)复式油气聚集带理论的产生
对以拉张断陷为特征的渤海湾盆地油气聚集与分布的认识,大体上经历了3个阶段。
第一阶段———简单背斜油气藏模式阶段:在勘探初期,认为华北平原和松辽平原一样,油气聚集于背斜中,因此用简单背斜油气藏的模式来指导勘探,采用等距离布探井、大剖面控制的办法来探明含油气的范围,但使许多井遇到了意想不到的情况。如在济阳坳陷的勘探中,发现在构造高部位的探井为水层,在低部位的探井却见到油层;在一口井中,油层之上有水层,水层之下有油层;同一油层在不同井中,其流体性质、产能、产量、油气比等变化都很大,有些井落了空。再如,辽河坳陷在整体勘探黄金带———热河台二级构造带,套用大庆油田油气分布模式部署井位,致使第一批定在翼部及鞍部的探井落空。一度曾出现了仅在“构造高点有油”的论点,认为含油面积只能依靠钻井来确定。于是出现了“打到油层往外扩,打到水层往里缩”的完全被动和“不可知”的状况。
第二阶段——勘探小断块阶段:经过初期勘探实践,已认识到渤海湾盆地断层多、断层活动时间长、构造破碎和断块控制油气分布的特点。针对断块油田的特殊性,一部分勘探家曾产生过必须先搞清每一个断块的油层分布情况,然后才能进行油田开发的想法。这一做法一度使勘探工作陷入复杂小断块中,导致探井密度越来越大,钻井越来越多,使勘探步子难以迈开,以致于在一段时间里,勘探上没有重大发现。如某一个坳陷的勘探初期,对其中2个构造带,勘探了2年,仍然没有超出3~4 km2的范围。
第三阶段——复式油气聚集带观点的建立阶段:渤海湾盆地在下第三系沉积时,有47个凹陷。多数凹陷自成一个独立的沉积系统,在其周围有大小不等、数量众多的水系注入湖盆,形成了各类砂体与生油岩在平面上共生、剖面上错叠交互的组合。而且又因湖盆中心不断迁移,从而使生油岩和储油岩构成良好的生储盖匹配。这与我国一些大型湖盆,如松辽盆地构成的统一沉积盆地不同而且要复杂得多。另外,在沉积过程中及沉积后,盆地又经历了多次强烈的断裂活动,使生、储油层被一系列不同方向的断层切割、错动,或呈垒堑相间、或呈阶梯变化、或呈群楼式的镶嵌体。每一个油田都是由很多含油层系、很多类型油藏和大小不等的一系列含油断块组成。每个断块的每个含油层段又都是一个独立的油水系统。实际上一个油田是由成百上千个油藏组成的。
有关复式油气聚集带的理论,就是在这样的地质条件下,经过反复实践和全面系统的综合研究,才逐步总结出来的。
复式油气聚集带理论的提出,在我国东部地区的油气勘探中发挥了重要作用,提高了勘探、开发成效。
断陷盆地既有它复杂的一面,也有它简单的一面,既有差异性,又有统一性。所谓统一性,就是一个断裂构造带一般都有相对统一的形成史、主要目的层与主要的生储盖组合及主要的油气藏形成期。油气分布受构造带控制,在一个成藏地质体中构成多层系、多类型油气藏组合含油的基本面貌。所谓差异性,是一个断裂构造带被众多的断层切割,油、气、水在各断块中又自成系统,断块间在含油气层系、油层段、油水界面、油气水层组合、流体性质、压力系统、驱动类型与能量方面均有差异。在勘探上,要从统一性出发,整体着眼,立足于油气藏聚集带进行整体部署,对含油规模进行控制和探明。而在开发上,则要立足于断块,区别对待,力求稀井高产,早期补充能量,及时注水。
(3)滚动勘探开发方法应运而生
如上所述,复杂油气聚集带内油气藏数量众多、类型多样,是不可能通过一次勘探就能完全搞清的。因此,要把勘探开发交叉进行,从而产生了滚动勘探开发的具体实践,使勘探开发成效明显提高,这是中国石油勘探专家、油藏工程师与油田开发专家基于对断陷盆地油藏特征与油、气、水分布复杂性的深刻理解,在实践中描述总结出的行之有效的方法,是对世界油气勘探开发实践的重要贡献。
(四)1979年之后中国陆相石油地质学理论进一步丰富完善阶段
为了深化对中国含油气盆地石油地质特征的认识,以便更有效地发现油气储量,从1979年开始,原石油工业部组织强化了对中国石油天然气地质理论的研究。一是健全和建立研究组织机构,在北京充实和加强了石油勘探开发科学研究院,在全国各地区的各油田管理局(公司),先后建立和健全了石油天然气地质勘探开发研究院(所);二是加强了科学研究工作的协调和计划管理,以及广泛应用先进的分析、实验技术;三是强调了基础学科研究,如构造、沉积相、生油层、储层、煤成气及天然气地质、资源评价和油气藏分布规律等。经过几轮分专业分地区的系统综合总结和全国性专业系统综合总结,中国石油天然气地质学有了很大的充实和提高。
1981年开展的全国油气资源评价研究,促进了油气地质学理论的发展。在统一的研究大纲和计划安排下,进行了5年工作,于1986年完成了构造、沉积、生油、煤成气、油气聚集与分布、资源评价等专题研究和全国143个盆地的资源评价。预测了全国石油和天然气资源量。这次资源评价工作,重视基础研究,从专题研究入手,取得了丰硕的成果。在该项研究工作结束之后,先后汇总出版了中国油气区构造、沉积相、陆相生油、煤成气、油气资源评价方法及油气聚集与分布规律等6个专题研究论文集。
1985~1995年的《中国石油地质志》编写工作,包括中国海洋石油总公司及中国石油天然气总公司所属各石油管理局、勘探局(公司)的研究院(所),按照统一的提纲,对各油气区的石油天然气地质理论,包括地层、沉积相、构造、生油层、储层、油田水文地质、天然气地质、原油性质、油气运移、油气藏分布规律、资源潜力和勘探前景等,进行了更为全面和系统的总结,使中国石油天然气地质理论水平又向前跨进了一大步。
1992年开始的第二次全国资源评价,促进了对我国石油天然气地质特征的认识进一步深化。
随着油气勘探的发展,很多油气地质问题需要重新认识和研究。为此,中国石油天然气总公司和中国海洋石油总公司从1992年4月到1994年底,组织全国各有关24个单位按照统一要求,进行了第二次全国油气资源评价研究工作。地质评价主要进行盆地评价和区带-圈闭评价。盆地评价研究统一采用先进的盆地模拟技术,在对盆地石油地质进行综合研究的基础上,建立地质模型和数学模型,随后编制成软件,应用计算机,定量模拟沉积盆地的形成、发展及其中烃类的生成、运移和聚集过程,从而指出盆地有利的勘探区带。区带-圈闭评价研究,采用地质风险方法,主要对区带-圈闭的含油气性进行基础地质研究,指出成藏条件及与其相关区带-圈闭的对比研究。
第二次资源评价研究与第一次相比,采用技术方法先进,规范标准统一,认识深入和可信度显著提高。不少区带-圈闭评价研究,直接为探区提供了勘探目标。特别对于油气藏形成条件与规律、陆相生油理论、低熟油以及若干新区勘探新成果、新理论编写了专著,使对中国含油气盆地的地质认识进一步深化。
1.背斜理论的产生
众所周知,1859年Drake在美国宾夕法尼亚州所钻的油井,是近代油气勘探的开始。当时的油气勘探主要依靠地表油气显示。将油气苗与背斜理论联系在一起思考问题的地质学家是威廉·劳根。1842年劳根发现加拿大圣劳伦斯河的油气苗是产生在背斜上(W.E.Logan,1985)。然而,真正用背斜理论指导勘探的第一人是E.L.狄拉克。“1839年狄拉克在宾夕法尼亚西部,用钻井发现了石油……”I.C.怀特在狄氏的基础上,将油气在背斜顶上的分异现象进行了具体的描述(I.C.White,1885,1899)。在“背斜学说”指导下,逐步开展以地质测量为基本手段的找油工作,大大加快了新油气田的发现。1934年,McCollough首先提出“圈闭”这一术语,用来表示不同性质的油贮。从此,“圈闭学说”就逐渐取代“背斜学说”,极大地扩展了油气勘探的视野和领域。
2.非背斜圈闭的历史沿革
在圈闭学说的提出之前,卡尔(1880)已知除了背斜外,还有非构造圈闭。1936年,Levorsen在研究美国大量非构造油气藏的基础上,提出“地层圈闭(Stratigraphic trap)”的概念。他指出:地层变化是储集层形成圈闭的主要因素。地层变化包括“砂或多孔储集层的楔入或尖灭,砂层侧向变为渗透性差的岩层,地层被削蚀与超覆,或地层层序类似的变化等”。
1954年,Levorsen将地层圈闭分成两大类,一类称为原生地层圈闭,即我们后来所称的岩性圈闭;一类称为次生地层圈闭,即不整合圈闭。
1966年,即在Levorsen辞世后的第二年,AAPG为纪念这位地层圈闭的提出者,发表了Levorsen最后一篇论文《The Obscure and Subtle Traps》。用朱夏的话说“obscure”是不明显之意,“subtle”有“捉摸不定”的内容(朱夏,1983)。这就是“隐蔽油气藏”一词的由来。
20世纪70~80年代,对地层圈闭的认识又有不同内容与划分
G.Rittenhouse主张将地层圈闭分为5类:①岩相圈闭;②成岩圈闭;③不整合之下的圈闭;④不整合面之上的圈闭;⑤不整合上下的圈闭。在这一分类中,不整合圈闭占了3类。
潘钟祥在其所著《石油地质学》一书中,将地层圈闭油气藏分成岩性、不整合及礁三类。潘先生晚年对不整合油气藏给予极大关注。在潘先生辞世后的第二年所发表的论文题目就是《不整合对油气运移聚集的重要性以及寻找不整合面下的某些油气藏》(地质论评,1983)。
3.不整合圈闭的定义
R.E.Chapman(1989):“不整合圈闭是储集岩遭受削蚀,随后其隐伏露头被相对非渗透的细粒岩层不整合覆盖所形成的圈闭。”……“形成不整合圈闭必须具备以下条件:在不整合面以上沉积的是广泛的细粒沉积物,这就要求具有极低能量的海水漫过地形高差很小的不整合面,并且还需要有泥质物供应”。
包茨(1986):“后期强烈的构造运动,使盆地斜坡边缘或古隆起带储集层遭受不同程度剥蚀,早期圈闭或古油藏遭受不同程度破坏,后来又被不渗透岩层不整合所覆盖,且不整合线与储层顶部构造等深线相交切时,则可形成不整合遮挡圈闭,其储层可以是碎屑岩和碳酸盐岩”。
田在艺(1984):“对于削蚀不整合油藏,盖层是一个重要条件,要求不整合面直接和上面的不渗透地层接触。如渤海湾盆地馆陶组底部有一层砂砾岩,在它不发育的地方,如东营凹陷馆陶组底部厚泥岩盖在沙河街组之上,因而形成金家、草桥、尚西、高青、义和庄等地层圈闭油藏”。
4.不整合削截圈闭在寻找油气方面的意义及国外油(气)田实例
寻找油气方面的意义
我想用Ь.П卡彼采夫根据世界上60个盆地和170个非背斜资料的统计,发表在俄罗斯《油气地质》1995年第2期上一篇文章的以下9点来说明这个问题:
在圈闭类型方面,构造或构造地层复合性的占66%,纯地层或岩性(非背斜)为34%。
大多数盆地都有构造和地层两类油藏类型存在,但也有例外。有的盆地只发育非背斜圈闭,如西加前陆盆地(见本书前一部分),有的仅发育构造圈闭,如费尔干纳、滨里海及波斯湾……
在储层时代方面,非背斜圈闭在古生代地层中占有重要位置。在160个非背斜油(气)田中,古生代的占47%,中生代的31%,新生代的22%。
在古生代地层中的非背斜,按与不整合关系而言,分布在不整合面以下者居多数,而且主要与海西期不整合面有关。含有古生代不整合圈闭的盆地有美国的二叠、西内、俄罗斯的第聂伯-顿涅茨及阿尔及利亚-利比亚。
在油和气结构中,非背斜圈闭以含油为主,占75%,气田仅占12%,油气田占13%。
这些非背斜圈闭油(气)田常具有较低的含气饱和度,但有中等或较高的密度及非烃含量。
与背斜油气藏一样,非背斜油气田在规模方面,有大型的,也有小型的。据124个圈闭统计,巨型(可采储量>1亿吨)占11%;大型(0.3亿~1亿吨)29%;中型(0.1亿~0.3亿吨)24%;小型(<0.1亿吨)46%。大中型以上占64%。
据含油气性与不整合面的强度(储层裸露的时间长短)统计,间断时间超过40Ma的占44%,5~40Ma占24%,<5Ma占32%。显然,大而长的不整合间断反而有利于形成不整合圈闭。
“必须注意的是,在具有剥蚀强度大的不整合面以下的大多数圈闭中,都发现有大型油气藏”。作者认为这种现象是“……与原生油气的再分配及晚期二次油气生成有关”。
不整合油气田实例(巨型和大型油气田)
(1)美国前世界第一个大油田,东得克萨斯油田(不整合面之下)(图5-6)。
图5-6 东得克萨斯油田
(2)当前美国最大油气田——阿拉斯加北坡前陆盆地巴罗隆起上的普罗德霍湾油田(不整合面之下)(图5-7)。
(3)美国俄克拉何马城油田(不整合面之下)。
(4)加拿大最大的油砂矿阿萨巴斯卡地层不整合重要储集带(前陆隆起)(不整合面之下)(图5-8)。
图5-7 普罗德霍湾油田
(a)图引自Leighton,1992
图5-8 西加盆地阿尔伯达油砂矿及其相关地层剖面图
(5)东委内瑞拉前陆盆地南部隆起上的Orinoco重油带(不整合面之下)(图5-9)。
图5-9 Orinoco重油带
(据B.P.蒂索等,1989资料,有补充)
(6)海西不整合面之下的哈西迈萨乌德大油田(以寒武系砂岩为储层,三叠系盐层作盖层)及不整合面以上的储量达6万亿立方米的哈西鲁迈勒大气田(图5-10)。
(7)东西伯利亚文德系不整合面之下以里菲系作储层(碳酸盐岩溶蚀孔洞)的尤鲁布欣-扎霍姆油田(图5-11)。
(8)鄂尔多斯盆地中东部的石炭系不整合面之下的陕北大气田(图5-12)。
图5-10 阿尔及利亚哈西-迈萨乌德油田剖面图
(据Шахноскии等,1999)
油田位于中生代(T)不整合面以下的寒武系砂岩中,油田本身是一个构造隆起的顶部,可采储量50亿吨,单井平均产量300~350m3,不整合面之上,是三叠系含盐泥质岩。图左的哈西-梅尔穹窿为一气田,储层为不整合面之上的三叠系,其下为受侵蚀的 —O。储量6×104亿m3
图5-11 东西伯利亚尤鲁布欣-扎霍姆油田
(据Шахноскии等,1999)
文德系不整合面之下的里菲系储层(碳酸盐岩溶蚀孔洞)(Pt2-3)顶部风化壳,其上角度不整合覆盖文德系(相当于震旦系)的泥质板岩和寒武系。该不整合面面积达8300km2,地质储量>100亿吨
图5-12 陕北(长庆)大气田
(据杨俊杰,1997)
储层是O1顶部风化壳,不整合之上的盖层是C2—3底部的铁铝质岩组,杨俊杰(1966)强调的圈闭条件是东部(上倾方向)“潜沟”中的C2—3
(9)澳大利亚吉普斯兰盆地中的渐新统不整合面之下哈利布特油田(图5-13)。
(10)冀中任丘油田、东营凹陷义和庄、金家油田及青海的冷湖3号油田(图5-14a、b)。
图5-13 澳大利亚哈利布特油田
这是一个真正的“潜山”。不整合面之上的渐新统以上地层与始新统大角度不整合,储层位于不整合面之下的始新统受削蚀地层的上倾顶部
图5-14a 金家油田(华北)
(据包茨等,1986)
由沙河街组(E3s)与馆陶组之间不整合及馆陶组底泥岩形成的不整合圈闭
图5-14b 冷湖3号油田
(据包茨等,1986)
储层是J2,倾角达48°~68°,盖层是倾角<20°~25°的古新统红层
(11)陕西铜川上石节煤矿坑道出油情况(1972)示意图(图5-15)。
图5-15 陕西铜川上石节煤矿坑道出油情况示意图
(一个不整合圈闭的最浅油藏)
印支期不整合面上属于J1f(富县组)的彩色粘土层,由于在出油点上,坑道越过煤层及不整合面深及T3y顶部,有大量油气涌出
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