齊 寧, 薛海濤, 盧雙舫, 楊金秀, 盧明月, 夏 縈, 曹懌昕, MUHAMMAD Saqib, RAYON Abrams

(1. 中國石油大學(華東) 深層油氣重點實驗室，山東 青島 266580； 2. 中國石油大學(華東) 地球科學與技術學院，山東 青島 266580 )

0 引言

利用CO2捕獲和封存(CCS)技術、二氧化碳氣驅強化采油(CO2—EOR)技術，維持儲層壓力并提高油氣產量，是使CO2氣體更具有經濟性和利用率的方法[1-2]。CO2氣源分為工業(yè)廢氣和天然CO2氣藏。天然CO2氣藏存在于陸相和海相盆地，如中國的松遼盆地、越南的Cuu long盆地和墨西哥北部的雀布拉什地區(qū)[3-5]。海拉爾盆地烏爾遜凹陷地區(qū)不僅石油和天然氣儲量巨大，而且在蘇仁諾爾走滑斷裂帶西部發(fā)育CO2天然氣。海拉爾盆地的CO2氣體被認為是來自上地幔巖漿脫氣的幔源—巖漿成因無機氣體，有關CO2氣藏其他地質特征(相關構造、儲層巖石學和物理性質)的研究較少。

相對于二維地質建模，三維地質建模更具有精確性、實用性和可視性，能夠將地質構造展布(深大斷裂帶、斷層分布)及地質屬性(巖性、物性)分布特征清晰展現(xiàn)出來，在常規(guī)油氣研究中得到廣泛應用。如利用三維地質模型對大慶油田進行二次開發(fā)指導[6]；THANH H V等利用地質建模對越南近海灣油田東部進行CO2儲存評估[7]； ABDELMAKSOUD A等利用地質建模對埃及西北沙漠地區(qū)的Gharadig油氣田進行巖相和物性分析模擬[8]。目前利用地質建模對烏北凹陷地質構造及CO2氣藏主控因素的分析較少。付廣等認為，斷層和裂縫可能在儲層氣體的地下運移中起重要作用[9]。中國珠江口盆地西部富CO2氣藏主要分布于朱三南斷層，渤海灣盆地地幔衍生的CO2氣藏大多位于地下斷層構造活動區(qū)附近[10-11]，黃驊凹陷的CO2氣藏大多位于大中王斷層和贛西斷層附近[12]。松遼盆地深層的CO2氣藏聚集于與深部巖漿室相連的大邊界斷層，并與中央基底斷層控制的陡坡帶和中央斷層帶直接相關[13]。筆者利用井點數(shù)據(jù)、井間數(shù)據(jù)及地震資料，基于序貫高斯模擬方法[14-15]，對烏爾遜凹陷蘇仁諾爾氣田的CO2氣藏進行儲層構造斷層及巖性、物性建模，結合CO2氣藏分布進行主控因素分析，為研究區(qū)下一步CO2氣藏有利區(qū)預測提供參考。

1 區(qū)域地質概況

海拉爾盆地位于內蒙古自治區(qū)，處于北緯40°00′～49°40′、東經115°30′～120°00′，呈NE向展布[16]，為“下斷上凹”二元結構。盆地發(fā)育斷陷(銅缽廟組—南屯組)、斷—坳轉化(大磨拐河組—伊敏組)和凹陷(青元崗組)3套構造層[17]。研究區(qū)烏爾遜凹陷位于海拉爾盆地“三坳二隆”(扎賚諾爾坳陷、嵯崗隆起、貝爾湖坳陷、巴彥山隆起和呼和湖坳陷5個一級構造單元)中的貝爾湖坳陷。烏爾遜凹陷作為海拉爾盆地的二級構造單元(見圖1)，也是海拉爾盆地最具勘探潛力的地區(qū)，其陸相沉積特征、巖漿作用和幕式裂谷作用對CO2氣藏形成具有重要影響[18]。

圖1 烏爾遜凹陷蘇仁諾爾研究區(qū)構造位置Fig.1 Structural location map of Surennuoer study area in Wuerxun Sag

根據(jù)露頭資料及深井鉆探結果，烏爾遜凹陷(烏北洼槽、烏南洼槽)以內陸湖相碎屑巖為主，海拉爾盆地基底沉積時期為前古生界和古生界，主要沉積地層為大磨拐河組(K1d)、南屯組(K1n)、銅缽廟組(K1t)(見圖2)[19-20]。大磨拐河組發(fā)育區(qū)域性分布的泥巖；南屯組是烏爾遜凹陷主力儲層，為文中建模的主要目的層，厚度為450～800 m，包括南一段(N1-1、N1-2和N1-3小層)、南二段(N2-1和N2-2小層)[21-26]。CO2氣藏主要發(fā)育于南屯組的N1-1、N1-2和N2-2小層。南屯組沉積時期，烏爾遜凹陷為小型斷陷湖盆；經過強烈拉張作用后，地殼發(fā)生沉降作用，湖泊水體整體變深，水域范圍變大，形成以泥巖為主的湖相沉積[27-28]。南一段物源來自烏爾遜凹陷北東部和西北部，以扇三角洲相沉積為主，為“深盆深水”特征；南二段繼承南一段的沉積，其扇體分布范圍相對縮小，為“廣盆淺水”特征[29]。

2 CO2氣藏成藏條件

采用Petrel軟件對研究區(qū)進行三維地質建模，包括構造建模、巖性建模和物性建模。豐富且準確的構造資料是建立反映實際儲層的構造模型的首要條件。構造建模直接資料包括井軌跡數(shù)據(jù)、地層分層數(shù)據(jù)及研究區(qū)30口井的井上數(shù)據(jù)；間接資料包括地震數(shù)據(jù)解釋資料及各層面頂面構造圖。其中，地震數(shù)據(jù)解釋資料反映研究區(qū)總體構造趨勢，井上數(shù)據(jù)反映局部構造信息，二者結合既體現(xiàn)總體構造趨勢中的局部構

圖2 蘇仁諾爾研究區(qū)南屯組綜合柱狀圖Fig.2 The stratigraphic column of Nantun Formation in Surennuoer study area

造變化，又確保局部構造變化中的總體構造趨勢。因此，在地層分層數(shù)據(jù)的約束下，利用地震數(shù)據(jù)解釋資料控制形成的構造面屬于精確的構造模型。建模過程中，首先對建模目的層的海拔高程進行井間插值，然后根據(jù)插值參數(shù)將網(wǎng)格中離散點數(shù)據(jù)進行平面化處理，從而實現(xiàn)三維地質建模。模型網(wǎng)格方向：X為東西向，Y為南北向，Z為海拔高度；區(qū)塊面積為26.3 km2，研究區(qū)井數(shù)為30口，建模層位包括南一段的N1-1、N1-2、N1-3小層和南二段的N2-1、N2-2小層；每小層分為20小層進行模擬，網(wǎng)格數(shù)為226×342×100，總數(shù)為7.729 2×106個，節(jié)點為100×116×201，總數(shù)為2.331 6×106個。平面上，網(wǎng)格尺寸為30 m×30 m，兩口井之間不少于3個網(wǎng)格。

2.1 構造條件

構造建模反映研究區(qū)儲層地下的真實構造形態(tài)及斷層整體發(fā)育，巖性建模和物性建模需要構造建模生成的三維網(wǎng)格骨架[30]。構造模型分為斷層模型及層面模型。斷層模型需要根據(jù)地震數(shù)據(jù)對斷層進行解釋。研究區(qū)以正斷層為主，共發(fā)育8條主要斷層，模型所用斷層切斷整個南屯組，大部分斷層走向為東西向，較常見“入”字形組合形式，具有東西分帶、南北分塊的特點。研究區(qū)地勢起伏較大，平面構造展布較差，具備深大斷裂帶及次生斷層帶，斷層模型見圖3(b)。蘇仁諾爾走滑斷裂帶以東西向貫穿整個研究區(qū)，斷層橫向延伸17.5 km，垂直延伸2.1 km，目的層的斷層位移約為500 m。蘇3斷裂帶以南北向斷開研究區(qū)南部，橫向延伸10.6 km，垂直延伸1.1 km，目的層的斷層位移約為250 m。較大的斷層位移(大于200 m)使斷裂帶中的各類巖性承受強烈的摩擦，形成斷層泥和良好的密封能力[15]。這些斷層位移的差異影響儲層深度，其中上盤壁的儲層相對較深，下盤壁的儲層相對較淺，主要斷層與目的層形成有利的構造圈閉而聚集CO2氣藏。

圖3 烏爾遜凹陷三維地質模型Fig.3 3D model in Wuerxun Sag

建立南屯組5個小層的構造模型(見圖3(c))，遵循正確井分層和地震解釋層位構造趨勢，反復調整每個小層之間的接觸關系，確保模型的準確性。研究區(qū)層面模型見圖3(a)，包括南次凹環(huán)洼槽帶、緩坡洼槽帶、蘇2區(qū)斷背斜隆起帶、南部緩坡帶和陡坡隆起帶，其中南部緩坡帶和南次凹環(huán)洼槽帶多為小型斷層，不作斷層建模。

2.2 巖性條件

巖性模型中的砂泥巖分布決定儲集體儲層特征，利用序貫高斯模擬方法，結合沉積相對研究區(qū)巖性分布進行模擬。在建立巖性模型過程中，由于各小層的儲層特征不同，分別建立5個小層的巖性模型，實施“相控”約束，使巖性模型接近儲層地質真實參數(shù)分布[31-34]；利用序貫高斯模擬方法對研究區(qū)井間砂泥巖分布進行預測，結果與連井剖面砂泥巖井上數(shù)據(jù)擬合程度達到85.7%(見圖4(c))，擬合程度較高，具備客觀準確性。

由南屯組巖性模型(見圖4(a-b))可見，南一段砂體占比為71.57%，南二段砂體占比為36.83%，南一段砂巖發(fā)育程度總體好于南二段的，與連井剖面砂泥巖井上數(shù)據(jù)(見圖4(c))一致。南屯組儲層砂泥巖垂向分布特征為南二段泥巖分布較多，砂巖分布較南一段的少；砂泥巖平面分布特征為靠近蘇仁諾爾走滑斷裂帶及蘇3斷裂帶的砂巖分布狀態(tài)較好，可作為CO2氣藏有利儲集空間。

圖4 研究區(qū)巖性模型及連井剖面Fig.4 Lithology model and wells profile in the study area

2.3 物性條件

根據(jù)研究區(qū)孔隙度和滲透率數(shù)據(jù)，利用序貫高斯模擬方法，對烏爾遜凹陷南屯組儲層進行物性建模(見圖5)。由圖5可見，研究區(qū)孔隙度總體較低，南屯組各小層孔隙度分布不均，孔隙度特征為靠近深大斷裂帶的孔隙度略高(見圖5(a-b))。孔隙度與滲透率間具有比較顯著的對應關系(見圖5(c-d))，一般孔隙度較高的區(qū)域滲透率普遍呈高值，孔隙度較低的區(qū)域滲透率普遍呈低值。研究區(qū)CO2氣藏主要位于南一段，上部的N1-1與N1-2小層作為主要生氣層，有效孔隙度在7.0%～14.6%之間；其中N1-1小層孔隙度為3.0%～18.0%，N1-2小層孔隙度為5.0%～15.7%。南一段整體孔隙度較差，孔隙度一般在5.7%～22.8%之間，主要分布區(qū)間為8.0%～14.0%；滲透率范圍為(0.01～704.00)×10-3μm2，主要分布區(qū)間為(0.10～10.00)×10-3μm2，屬于低孔隙度型儲層。南二段的孔隙度在1.2%～27.4%之間，主要分布區(qū)間為10.0%～25.0%；滲透率范圍為(0.01～206.89)×10-3μm2，主要分布區(qū)間為(0.01～58.00)×10-3μm2。南二段的孔隙度比南一段的高，滲透率偏低。烏爾遜凹陷孔隙度和滲透率呈低值，南屯組整體屬于低孔低滲非均質較嚴重儲層。

以蘇仁諾爾走滑斷裂帶上下盤附近的S2和S8井為例(見圖6)，位于北側下盤的S2井南一段的孔隙度主要為6.0%～8.0%，南二段的孔隙度主要為6.0%～14.0%，呈低值；位于南側構造低部位的S8井南一段的孔隙度主要為5.0～8.0%，南二段的孔隙度主要為6.0%～12.0%，也呈低值。研究區(qū)整體孔隙度屬于低值范圍，且蘇仁諾爾走滑斷裂帶附近的孔隙度與研究區(qū)其他位置的孔隙度相比無明顯變化。

圖5 研究區(qū)物性模型Fig.5 Physical property model of study area

圖6 蘇仁諾爾走滑斷裂帶S2—S8井孔隙度分布Fig.6 Porosity of wells S2-S8 in Surennuoer Strike-Slip Fault Zone

3 CO2氣藏主控因素

3.1 巖漿活動

CO2氣體的來源既可以是有機的，也可以是無機的，含油氣盆地CO2的成因包括未脫氣地幔巖漿脫氣作用、地殼巖石熔融脫氣作用、海相碳酸鹽巖熱分解作用、碳酸鹽膠結物熱分解作用和有機成因的CO2。戴金星等[35-36]認為，有機CO2氣體的特征為CO2體積分數(shù)<15%或δ13CO2<-10.0‰，無機CO2氣體的特征為CO2體積分數(shù)>60%或δ13CO2>-8.0‰。此外，無機CO2氣體可分為δ13CO2>-3.5‰的巖石化學成因的CO2、δ13CO2在-8.0‰～-2.0‰之間的火山—幔源成因的CO2。研究區(qū)CO2氣體樣品的地球化學分析表明，大部分CO2體積分數(shù)>90%，只有一個樣品的CO2體積分數(shù)為76%，δ13CO2在-11.4‰～-8.2‰之間，主要分布在-10.0‰左右，表明CO2氣體屬于火山—幔源成因的CO2。研究區(qū)CO2氣體樣品的3He/4He為(1.68～2.08)×10-6，R/Ra為1.20～1.49。研究區(qū)CO2氣體為無機氣體，來源于深部地殼或地幔巖漿侵入體的脫氣作用，與文獻[37-38]研究結果一致。

3.2 巖性及物性

根據(jù)測井、探井數(shù)據(jù)及巖心資料，烏爾遜凹陷南一段發(fā)育各類砂巖，砂泥巖呈不等厚互層，其中砂礫巖分選、磨圓中等，膠結較致密；南二段砂巖夾黑色泥巖，砂巖含量較低。南屯組儲集空間類型以粒間孔、粒內孔為主，發(fā)育少量裂隙，顆粒分選、磨圓中等—差。南屯組儲層物性為低孔低滲型特征。烏爾遜凹陷儲層物性及非均質性垂向和平面分布不均，儲層的孔隙度與滲透率隨埋深增加而減小，在埋深為1.4～2.3 km處最大；南屯組和銅缽廟組儲層符合孔隙度、滲透率隨埋深增加而減小的特征[37](見圖7)。

由于存在深大斷裂帶，CO2氣體更容易聚集于巖性和物性相對較好的儲層。由圖4及圖7可知，南一段砂巖含量普遍好于南二段的，且南二段厚層泥巖可作為蓋層封閉CO2氣藏。

3.3 斷層及走滑斷裂帶的耦合作用

地震資料具有橫向分辨率高、信息豐富的特點[29]。為建立蘇仁諾爾走滑斷裂帶和蘇3斷裂帶地質模型，制作S2—S8井地震剖面(見圖8(a))，以分析斷層和CO2氣藏分布之間的剖面位置關系。靠近斷裂帶發(fā)育的CO2氣體較多；與S8井相比，S2井的CO2氣體充填層更厚(見圖8(b))。位于研究區(qū)主要斷層兩側的地層傾斜并翹曲，可形成有利的構造圈閉，以儲存CO2氣體(見圖8(c))。蘇仁諾爾走滑斷裂帶大斷面上盤S2井的氣藏比下盤S8井的更發(fā)育，因為CO2氣體易聚集于構造高處，兩井中間發(fā)育蘇仁諾爾深大斷裂，來自火山—幔源的CO2氣體可以作為氣源運移至淺處圈閉中成藏。

由于S8井位于蘇仁諾爾走滑斷裂帶斷層的下盤壁，氣源供給不足，沿蘇仁諾爾走滑斷裂帶斷層輸送的CO2氣體很難向深處橫向運移。穿過S2和S8井的巖性、物性模型橫斷面能夠證明模型中顯示的CO2氣體分布與地質特征之間的關系(見圖7)，CO2氣體多分布于蘇仁諾爾走滑斷裂帶的構造高點位置，當兩口井同時位于較淺層位時，S2井的CO2氣體分布比S8井的厚得多。

圖8 蘇仁諾爾研究區(qū)S2—S8井震對比及CO2氣藏分布范圍Fig.8 Seismic comparison diagram of well S2-S8 in Surennuoer study area and distribution range of CO2 gas reservoir

通常，CO2氣體主要被捕獲于結構儲層，斷層具有側向封閉的作用，并從深處向上輸送CO2氣體。斷層和裂縫在地下儲層運移CO2氣體時具有重要作用[15]，如渤海灣盆地的CO2氣藏多位于地下斷層構造活動區(qū)附近[10-11]；松遼盆地深層的CO2氣藏聚集于大邊界斷層和中央基底斷層帶[13]。研究區(qū)CO2氣藏主要受控于深大斷裂帶，與渤海灣盆地和松遼盆地的控制因素相似。除構造的重要作用外，斷裂帶中的儲層還具有較高的砂巖含量和相對更有利的巖石物理性質。根據(jù)南屯組整體呈低孔低滲儲層的特征，烏爾遜凹陷蘇仁諾爾研究區(qū)CO2氣體的賦存主要受構造控制，即受深大斷裂和較淺的構造圈閉控制，斷層在向上輸送CO2氣體和形成構造圈閉中起主要控制作用。儲層巖性及物性對CO2氣藏的聚集和分布起次要控制作用。

4 結論

(1)根據(jù)烏爾遜凹陷蘇仁諾爾研究區(qū)儲層與測井響應特征、井點數(shù)據(jù)、地震解釋數(shù)據(jù)等，建立儲層三維地質模型。研究區(qū)儲層為低孔低滲型，CO2氣藏主要分布于南一段砂巖儲層，少量分布于南二段砂巖儲層；砂泥巖分布特征表現(xiàn)為靠近深大斷裂帶的砂巖較發(fā)育，南一段砂巖含量好于南二段的。南二段與南一段之間存在一套數(shù)十米厚的泥巖蓋層，封堵南一段CO2氣藏。

(2)研究區(qū)CO2氣藏的生成主要受控于深大斷裂帶，且CO2氣藏主要位于深大斷裂帶構造高點位置。斷層作為運輸通道，在向上輸送CO2氣體和形成CO2氣藏圈閉中起主要作用；儲層巖性和物性在控制CO2氣藏的聚集和分布中起次要作用。