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  随着油气勘探认识和技术的不断进步,深层超深层已成为我国油气增储上产的重要领域。近年来,在塔里木、四川等盆地6000米以深的超深层碳酸盐岩与碎屑岩层系中,发现了哈拉哈塘、顺北、富满、克深-大北、元坝、安岳等大型特大型油气田,揭示了我国深层超深层领域具有巨大的油气资源潜力。

  在深层超深层油气勘探开发中,地质认识环节主要是研究盆地深部地质作用对盆地的形成、烃源岩生烃与演化、储层发育与保存、油气运移与聚集成藏等要素的影响,目的是丰富完善盆地深部地质作用影响下油气成藏与富集理论,评价深层超深层领域油气资源潜力,指导和支撑深层超深层领域的油气勘探与开发。

  深层超深层地质认识的难点是什么?用什么样的技术手段可以帮助我们精准刻画地层,进而发现油气藏?《创新导刊》“向地球深部进军”系列科普聚焦深层超深层油气勘探开发中的地质认识环节。敬请关注。

  难点剖析》》》

  难点1:叠合盆地经历了多期构造运动,构造变形复杂,构造演化过程和变形机理研究难度较大。

  我国的含油气沉积盆地经历过多次构造与沉积叠加。那些由两种或两种以上类型的原型盆地叠加或复合在一起的盆地被称为叠合盆地。

  叠合盆地超深层由于经历了长期的地质演化历史,多旋回构造运动叠加改造,埋藏深,给地质认识工作造成了不少困难。

  其一,叠合盆地超深层地震能量弱、资料品质低,给地质解释工作增加了困难。

  其二,叠合盆地超深层埋藏深,钻井不容易钻达,地质构造分析的基础资料和依据较少,容易造成研究的多解性,即对单一物探方法取得的数据进行反演解释时,对地质实体的赋存形态(形状、产状、大小、埋深等)可能有多种互不相同甚至截然相反的结论。

  其三,叠合盆地超深层多期构造变形叠加在一起,相互干扰,不同期次构造变形分析难度大,尤其是构造变形的分期、配套难。

  其四,叠合盆地一般坐落在构造较稳定的克拉通——大陆地壳上长期稳定的构造单元,即大陆地壳中长期不受造山运动影响、只受造陆运动发生过变形的相对稳定的部分——之上,叠合盆地超深层的构造变形规模往往较小,地震解释时不容易识别,容易被忽略。特别是一些较小规模的走滑断裂(即地壳断层两盘作相对水平运动产生的断裂),在地震剖面上经常见不到断点、断距,识别、研究的难度更大。

  其五,叠合盆地不同期次构造变形时期的古应力场分析,需要在正确的构造变形分期基础上才能开展。只有同一期的构造变形,才能放在一起进行应力和应变分析。所谓应力场是指任意一个物体或岩体中的每一点都存在着一个与该点对应的瞬时应力状态。古应力场则泛指燕山运动以前的构造应力场,有时也特指某一地质时期以前的构造应力场。

  其六,超大陆旋回是描述地球的大陆地壳准周期性的聚合和分离的理论模型,是一个时间概念。随着超大陆旋回的进行,构造期也发生更替。叠合盆地都经历了漫长、复杂的构造演化历史,不同构造演化阶段所处的古大陆旋回也不同,它的古板块构造格局恢复涉及盆山系统(由山地和盆地组合而成的一种典型地貌)甚至全球古大陆的重建,恢复原型盆地和板块构造演化历史的难度很大,也使变形机理研究难度加大。

  技术解决方案

  地震资料采集技术、地震资料处理技术、地震资料解释技术、断层相关褶皱分析技术、平衡剖面分析技术、不整合分析技术、生长地层分析技术、断层活动性分析技术、构造变形的模拟实验(物理模拟和数值模拟)技术、盆地构造分析技术、沉积建造分析技术、大地构造相分析技术、盆山系统分析技术和古大陆恢复技术等,都是叠合盆地构造研究中经常应用的技术手段。

  这些方法技术在深层构造分析中依然行之有效,特别是断层相关褶皱分析技术,通过轴面(平分褶皱的一个假想面)分析建立了基本的构造变形样式以及多种叠加构造变形样式,应用于深层构造解释,识别出有违这些变形样式之处,通过平衡剖面(剖面上的构造变形、变位通过几何准则可以复原的剖面)正演、反演技术,检验解释方案并解析出不同期次的构造变形。

  针对地震剖面上往往见不到断距的走滑断裂,运用同位素年代学技术,测定断层活动年代。近年来,地质学家们正不断探索、完善断层带新生方解石的定年技术。针对超深层地层压实现象,地质学家建立了地层压实厚度恢复技术,结合地层剥蚀量恢复技术,恢复原始沉积地层的空间分布,为古隆坳格局恢复提供依据。

  地质学家正在创新超深层构造分析技术并合理地综合运用已有的构造分析技术,研究叠合盆地超深层的构造变形和构造演化,分析不同期次构造变形的成因机理和形成演化过程,重建叠合盆地完整的沉积-构造演化过程。沉积-构造演化过程的重建,是叠合盆地超深层油气整体评价的基础,为超深层油气勘探指明方向;构造变形分析为叠合盆地超深层油气勘探提供具体的勘探目标。

  难点2:古老海相烃源岩生烃机理、演化过程与生烃潜力不清楚。

  烃源岩指的是富含有机质,可大量生成与排出油气的岩石。随着深层超深层勘探的快速发展,前寒武纪古老地层(包括震旦系、南华系乃至中元古界等)由于其存在多样化的生命形式和发育极佳的烃源岩,已成为未来寻找深层超深层大油气田的重点勘探领域。特别是我国近期在四川安岳-蓬莱地区和湖北鄂阳页2井等震旦系中的重大油气发现,引起了全球油气勘探界和学术界的广泛关注,也证实了深层古老地层的巨大勘探潜力。

  但古老烃源岩由于时代老、埋藏深、热演化(地壳中的构造热演化主要包括岩石变质、岩浆侵入和变形等过程)程度高、后期改造强烈,常规的生物标志物大多已失效或发生过显著的次生蚀变,难以有效反映烃源岩的原始信息,因此古老烃源岩的形成发育环境、成烃母质与生烃机理、演化过程与生烃潜力等方面的认识仍不清楚。这也直接影响了对于有效烃源岩的发育层位、平面展布的认识,无法准确评估其在地质历史时期生成石油数量、晚期生成天然气数量以及原油裂解生成天然气数量。

  这些问题直接制约了油气资源的准确预测,影响了油气勘探方向的选择,需要用新的思路对地质历史时期形成的古老烃源岩的分布与生烃潜力进行精细刻画,以获得更多的油气资源发现。

  技术解决方案

  为了突破生物标志物失效这一研究困境,无机元素-同位素和分子化合物的高分辨率解译是两个可能行之有效的技术手段。

  古老烃源岩样品的主量、微量元素,非金属同位素(碳、氮、硫等)和金属同位素(铁、镁、钼、汞等)能够有效揭示烃源岩形成的古海洋海水环境,通过分析地层有机碳、无机碳、氮同位素演化曲线是否协同变化,可以指示古海洋碳库特征、古海洋氧化还原环境和古生产力。结合环境敏感元素(如钼、铀、钒等)对大陆风化作用、沉积环境等因素的约束,以及黄铁矿的铁组分和硫同位素所反映的古海洋底水氧化还原状态,共同实现探索古海洋硫化、氧化、铁化及氧化还原等状态对古老有机质富集保存的影响,继而探究古老生命演化事件与地球表层环境之间的协同变化关系以及对古生产力的控制。

  通过岩石抽提物中分子化合物的高分辨率质谱分析和分子筛等技术,有效提取含量甚微的分子化合物特征,如金刚烷、乙基降金刚烷等系列化合物和残留的痕量甾烷、藿烷等,然后通过高温高压物理模拟,查明热成熟和裂解演化过程中这些痕量分子化合物的组分组成的稳定性和演化规律,建立化合物碳、氢等同位素随成熟度变化的分馏模式;进一步通过加水加氢催化实验等手段,提取烃源岩或干沥青中的有效生物标志化合物,建立高—过成熟阶段的有效对比指标。

  基于上述两大类实验技术,形成有效的参数指标,进一步指示古老烃源岩的生烃母质来源、形成发育环境以及生烃演化过程和潜力等特征,并结合构造活动演化、沉积充填序列和地层年代学的约束,从新的角度重构前寒武纪古老烃源岩的油气生成机理以及分布控制因素,为超深层油气勘探提供有效证据。

  难点3:超深层规模优质储层的形成演化过程不清楚,优质储层分布预测难度大。

  储层是具有连通孔隙、允许油气在其中储存和渗滤的岩层。深层超深层条件下的油气储层研究面临诸多问题。

  一是相对于地下浅层,地下深部具有更高的温度和压力,在高温、高压超高压的特殊条件下,孔隙衰减、孔隙结构改变都会使储层变得复杂和不均匀。曾有国内外学者提出理论认为,在一定深度以下,储集层中的孔隙趋于“死亡”。而实际钻探中发现,无论碎屑岩还是碳酸盐岩储层,在埋深超过6000米的超深层仍然发育优质规模储层。如塔里木盆地库车坳陷超深层碎屑岩储层,在超过7000米埋深的孔隙度(即岩样中所有孔隙空间体积之和与该岩样体积的比值)仍可超过8%,塔里木盆地塔深1井碳酸盐岩储层在8408米深处的孔隙度可达9.1%,但储层物性随深度的变化规律还不清楚。

  二是深层超深层环境中流体的活动更加复杂,尤其是来自深部的流体在岩层中的作用更强,各类化学反应可能更加活跃,浅层勘探中总结的储层形成演化过程的模式变得不完全适用。

  三是许多深层超深层的储层是相对古老的地层,例如四川、塔里木盆地深层超深层的震旦系、寒武系距今超过5亿年,其经历了长期的成岩演化,储层非均质性强、优质储层分布预测难度大,需要抽丝剥茧般地梳理与恢复整个演化过程,为油气勘探提供依据,其难度可想而知。

  技术解决方案

  随着科研技术手段的不断革新,一些新技术的引入为深层超深层储层的形成和演化研究提供了支撑。

  近20年来,随着激光剥蚀等技术的兴盛,微区岩石地球化学分析技术为岩石中的组成元素开展高精度、微尺度的分析提供了可能。如LA-ICP-MS(激光剥蚀电感耦合等离子体质谱仪)等技术方法可以在几十微米的尺度上对上百种元素进行测试,精度可达ppm(百万分之一)级甚至更高,有力支持了我们获取岩石中保留的地球化学信息。

  同位素定年技术是解开深部储层孔隙演化过程的钥匙。运用铀铅同位素定年技术,可以对孔隙中残余的不同期次的充填物开展精细的年代学分析,揭示孔隙的演化史甚至整个盆地的流体活动历史,进而得到储层中孔隙形成的关键时间,对寻找优质储层具有重要的指导作用。

  高温高压溶解动力学模拟实验技术是在特定的实验装置中对岩石样品加温加压,模拟地下深部埋藏条件下有机酸等流体与不同类型岩石的溶蚀作用机制和溶蚀效应,为深层有机酸、二氧化碳、硫化氢和热液(又称汽水热液,是地质作用中以水为主体、含有多种具有强烈化学活性的挥发分的高温热气溶液)等地质流体与优质储层形成机理的研究提供数据。

  多尺度储层表征技术是对油气储层中的各类孔隙、裂缝进行定量或半定量分析的多种技术方法的综合,例如工业CT扫描、激光共聚焦扫描、高压恒速压汞等,可以用作解析储层中不同尺度储集空间的三维结构,或是分析高压条件下流体在岩石中的流动特性,为勘探和开发评价提供依据。

  难点4:超深层油气成藏机理与富集规律认识不清。

  超深层油气藏普遍具有多源供烃、多期充注、多次生改造等成藏特征,油气成藏过程极为复杂,烃类全过程演化示踪难度大,油气分布规律需要持续深入研究。

  一是超深层复杂油气藏烃类流体全过程演化示踪技术有待进一步研发,制约油气藏演化规律认识。烃类流体全过程演化示踪技术较为缺乏,高演化有机质痕量化合物、同位素技术研发不成熟,重大地质事件对成藏影响及示踪研究较为薄弱。

  二是油气充注与断-缝系统形成演化时空耦合关系的认识需要深化,流体充注时间和路径确定难度大。传统的断-缝系统研究主要集中在其构造样式、分布特征等方面,对断-缝系统定量的形成、闭合以及再活动时间研究相对匮乏。

  三是断裂系统定量表征难,控藏控富机制需深化,制约区带优选。断裂系统精确定位、定时、定强度难度大,断裂控藏、富集机理研究较薄弱。

  四是小尺度缝洞体定量预测、流体性质检测准确度待提高,缝洞体空间展布及流体性质亟须准确落实。

  技术解决方案

  针对超深层油气成藏机理与富集规律研究面临的关键问题,提出了以下研究方案和应对技术。

  烃类成藏全过程示踪技术,以四川和塔里木盆地典型油气藏为研究重点,针对烃源岩(干酪根)、原油、天然气和沥青开展生烃模拟、传统和非传统同位素、痕量化合物提取、元素等地化分析,结合流体包裹体(流体包裹体是指矿物生长过程中,因晶体发生缺陷而捕获的至今尚在矿物中存在并处于封闭系统的成矿介质)、同位素定年等分析,建立油气从生成、运移、充注、蚀变(裂解)、调整定型的系列示踪新指标,重建典型油气藏全过程成藏演化过程。

  断-缝系统油气藏年代学定量研究新技术,以包裹体岩相学研究为基础,开发LA-ICP-MS激光微区碳酸盐岩铀铅同位素定年方法,结合微区2D元素数据,确定流体地化性质、断裂活动以及油气充注时间。

  断裂系统定量表征技术,在区域构造应力、样式分析基础之上,地震多属性方法刻画断裂空间及展布,开展断裂形成演化数值模拟,搞清断裂形成演化机制及其对储层、运移和成藏的控制作用,揭示断裂控藏控富机理。

  碳酸盐岩小尺度缝洞体定量识别及流体检测技术,地质—测井—地震结合,开展小尺度缝洞体地震正演模拟,明确地震响应特征,根据岩石物理分析确定不同流体敏感弹性参数,与正演模拟、多属性分析和叠前反演方法相结合,提高储层参数及流体预测精度。

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  解决复杂地质难题不能走“寻常路”

  讲述人:陈维力 单位:塔里木油田勘探开发研究院天然气所库车评价开发室

  塔里木盆地库车山前是西气东输和“气化南疆”的主力气源地之一,也是中国石油在新疆的天然气勘探开发重点区域。这里地质条件复杂,油气勘探面临世界级难题。

  圈闭是勘探的生命线,高品质地震资料是圈闭研究的基础。2018年以来,我开始从事库车坳陷克拉苏构造带地震资料解释与构造研究工作。该地区地层收缩变形大,地震资料品质差,构造解释难度大。

  面对复杂地质问题,我“叛逆”地想:“不能局限于单一圈闭,必须着眼整个工区一起考量。”

  这样一来,做圈闭资料解释的工作量剧增,但我没被“吓退”。2018年至2019年,我和同事系统地梳理了博孜区块北部圈闭空白区,对区内断裂进行了重新解释,优化了区内断裂组合方式,将周边的地层结构解释清楚,为区块连片的资料解释夯实了基础。

  突破常规、勇于尝试,是塔里木油田勘探开发研究院天然气所库车评价开发室的攻关秘籍。2020年以来,我们在塔里木油田范围内首次开展圈闭钻后评价工作,推动了博孜-大北区块超深复杂构造地震成像品质的提高,为复杂地质条件下的井位“精准落子”打下坚实基础。

  近年来,随着克拉苏构造带开发进入深水区,“大而美”的圈闭越来越少。我们创新提出了Ⅰ、Ⅱ级断裂控圈、控藏理论认识,开展博孜1、博孜3气藏滚动勘探。2021年至2022年,基本落实博孜1、博孜3-博孜17两个千亿立方米气藏;博孜1-博孜3区块7口探井和评价井获高产,落实了一个3000亿立方米规模储量区。

  如今,博孜-大北超深气区气势昂扬,已成为我国“十四五”天然气清洁能源增储上产的主力气区之一。(张思敏 李向云 采访整理)

  找寻地下宝藏的坐标

  讲述人:周刚 单位:西南油气田勘探开发研究院区域地质研究所

  近年来,深层超深层成为我国油气重大发现主阵地,四川盆地的天然气勘探开发也不断向地球深部迈进。盆地深层超深层海相烃源岩厚度大、分布广,碳酸盐岩储层规模展布,剩余资源量占盆地常规气一半以上,是规模增储上产的重要领域。

  新区块新层系往往存在着勘探程度低、基础资料少的难题。没有钻井资料,我和同事们就用双脚丈量勘探禁区。深井超深井的地质调查取样,相比以前而言情况更复杂,盆缘古老的地层往往在穷山峻岭、人烟稀少的地方出露。我们每天在深山野岭中攀爬摸索,没有路便拿刀开路,蚊虫叮咬、遇见蛇等野生动物是家常便饭。但我们知道,四川盆地油气分布规律正是隐藏在这神秘又危险的山脉丛林之中。我们白天徒步10余公里,晚上挑灯整理资料,才能拿到宝贵的地质资料。

  去年夏天,气温高达40摄氏度之际,正是团队攻坚克难的时刻。我们吃住都在办公楼里,探寻复杂构造背景下油气藏成藏机理,不断寻求将“普通石头”变成“蓝金宝藏”的方法。经过多番论证,预测出气藏富集的潜在位置,并部署了一口又一口深层超深层风险探井。

  今年,我们所的风险勘探团队在深入开展四川盆地基础地质研究中发现,川西地区超深层海相层系从震旦系至二叠系发育多期裂陷槽,台槽格局控制发育最优质烃源岩和储层,且蓬莱气区、双鱼石区块已获突破。该区是探索下个万亿立方米规模接替区的现实领域。(郑海涛 黄茂轩 采访整理)

  本版文字除署名文章外,均由国家万人计划领军人才、中国石油勘探开发研究院教授朱光有提供

  本版图片除署名外,均由塔里木油田勘探开发研究院二级工程师蔡泉提供

  技术支持:中国石油勘探开发研究院  塔里木油田勘探开发研究院 西南油气田勘探开发研究院

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