发展层序沉积学 攻破非常规油气勘探难题——访中沉积储层与石油地质专家吴因业博士

   非常规油气勘探方兴未艾,是近年来中国乃至全球油气勘探界兴起的勘探开发热点领域,我国石油科技工作者们在该领域也取得了令世人瞩目的成果。但是非常规储层勘探和研究中的方法技术瓶颈制约了它的快速发展。为了使更多的人了解这一领域的最新进展和非常规储层勘探研究的层序沉积学方法在这一领域的应用,我特意采访了中国石油天然气集团公司教授级高工、中国石油勘探开发研究院沉积储层与石油地质专家吴因业博士。

  问:吴博士,当前,人们对非常规油气已经有了一些认识,在此请给我们的读者介绍一下非常规储层勘探和层序沉积学的知识

答:常规油气是目前增储上产的主体,非常规油气是未来的接替。非常规油气包括了致密气、页岩气、煤层气和致密油等,中国致密砂岩与灰岩的油气分布范围广,具有很大的勘探潜力,例如鄂尔多斯三叠系延长组致密砂岩、四川盆地侏罗系致密油气储层、渤海湾古近系湖相碳酸盐岩、酒泉盆地白垩系泥灰岩、准噶尔盆地二叠系白云岩、江汉盆地古近系泥灰岩、柴达木盆地第三系非常规储层。对常规油气的储层勘探,只要摸清不同类型盆地如前陆盆地、断陷盆地等的构造油气藏和岩性地层油气藏分布规律,应用层序地层学方法和地震地层学方法,基本上可以预测油气储层。但是对于非常规油气的储层勘探,除了常规的砂岩储层、碳酸盐岩储层以外,还有泥页岩储层、混积岩储层和火山岩储层等等,增加了预测难度。地震技术和沉积地质科学的进步与结合,促使层序地层学向地震沉积学和层序沉积学发展,以体系域格架下的沉积趋势研究和沉积作用过程分析(自旋回)及油气储集体研究为主体,使得非常规油气储层勘探增加了新的手段,提高了非常规储层预测精度,降低勘探风险。
  问:目前国内外油气储层的层序沉积学研究进展如何?
答:从地震地层学到层序沉积学方法的发展,在国外已有50多年的历史,可以基本上划分为地震地层学→层序地层学→地震沉积学→层序沉积学的演变。地震地层学和地震沉积学(包括地震岩性学和地震地貌学)主要涉及地球物理学和现代沉积学理论,偏向解释技术。层序地层学和层序沉积学是沉积地质学中一系列主要革命中的第三次。每次革命都产生了范例性的量变,改变了地质科学家探索沉积地层奥秘的方法。第一次革命是在1950年代和1960年代早期,以发展了水系概念和相应的沉积作用/沉积反应相模式为标志。第一次革命从水动力观点提供了统一解释理论,了解沉积构造的成因,在沉积体系内预测相组合。标志着沉积地质学的第二次革命从1960年代开始,主要是板块构造和地球动力学概念引入到区域尺度的沉积作用分析中。这二项概念突破或革命导致了1970年代盆地分析的发展,为沉积盆地成因研究和沉积史研究提供了科学框架。层序地层学和层序沉积学标志着沉积地质学第三次和最新的一次革命,起始于1970年代晚期,作为多学科的方法融合,它融合了自源作用(来自沉积体系内部)和异源作用(来自沉积体系外部),形成了统一模式来解释沉积盆地的演化和地层结构,并在成熟盆地的油气勘探和尖端油气勘探中广泛应用,其中基于资料和基于模式的侧向相变预测及垂向相变预测都可以很好地完成,这些预测模式被证实在油气勘探中对于减少储层预测风险尤其有效。
层序沉积学的研究进展表现为多个方面,包括湖盆沉积环境的湖退体系域和湖侵体系域分析;应用层序沉积学预测体系域内部的非构造油气藏;深水沉积环境不同坡度的层序沉积学认识如国外深水沉积环境的三模式-安哥拉模式、墨西哥模式和澳洲模式;以及混积岩从“源到汇”的沉积体系分析方法。“源到汇”的方法一出现就在碎屑岩沉积中得到了广泛的应用,在碎屑岩体系中,侵蚀(源头)和沉积(沉降)的地形是通过沉积物的沉积路径系统联系起来的,并且受到环境的控制。在碳酸盐系统中,源和汇一般是一体的。有一个共同的认识,那就是“碳酸盐是自己生成的,而不是靠运移的”,并且碳酸盐来自于自身的营养供给系统。碳酸盐受到一系列的复杂环境的影响,生物和化学的影响一般高于物理的。另外,由于沉积后的变化碳酸盐的沉积物会通常更加致密,而这些变化往往也可以反映表面的环境条件和深部盆地的演化进展过程。
  问:“混积岩”是一个新名词,它在非常规储层中的层序沉积学方法应用上有哪些特点?
答:国际上关于混积岩的定义,是指由多种成因的组分(碎屑、粘土、生物化学组分)组成的岩石。其中每一种组分的含量均不超过50%。混合沉积物是指陆源碎屑与碳酸盐(包括异化粒等)在沉积上的混合。混合沉积可分为狭义的和广义的:狭义的是指陆源碎屑与碳酸盐组份的混合(在同一岩层内),广义的混合则包括了陆源碎屑与碳酸盐层构成交叠互层或夹层的混合。前人研究认为有利于混积岩的沉积相主要是滨海相、滨浅湖相,其次是浅海陆棚、陆表海、三角洲沉积环境等。国外在海相盆地的混积岩研究较成熟,并且也有非常规油气的重大发现。中国在南方海相混积岩较发育,在北京附近的野外地质露头我们也有发现。例如北京延庆长城系17亿年前滨海沉积环境形成的混积岩,这是一种砂岩和碳酸盐岩的混积岩。露头剖面显示,从长城系滨海相石英砂岩向混积岩的变化,地层越年轻,碳酸盐岩组分越多,碳酸盐岩-碎屑岩的混积岩排列方式为条带状。微观结构从薄片观察得知,混积岩以碳酸盐颗粒为主,部分陆源碎屑石英颗粒,粒间充填亮晶白云石,颗粒内部主要成分为方解石。混积岩可以在粒间形成孔隙,特别是充填亮晶白云石未被充满时,可以成为非常规油气储层。
中国陆相湖盆众多,是油气勘探的重点领域。湖盆混积岩非常规储层在薄片和SEM下显示粒间被钙质和泥灰质充填,孔隙度和渗透率低,结合裂缝的发育才可以形成较好的储集层。以四川侏罗系为例,样品分析显示混积岩岩石中矿物成份较简单,方解石和陆源碎屑物含量接近,方解石55%,陆源碎屑物45%所组成, 陆源碎屑物中有石英、长石、云母;石英、长石多呈次棱角状,粒径多在0.05~0.1 mm属细粒结构,方解石晶粒多在0.2~0.3 mm属细晶结构,隐约见定向构造。应用层序沉积学方法,查明湖盆混积岩沉积特征主要表现为深湖半深湖的重力流事件沉积和滨浅湖的正常相变沉积。沉积环境主要有三种类型:一是湖盆深水浊流沉积环境,二是岸线迁移引起的相缘渐变碳酸盐岩和碎屑岩混合沉积环境,三是原地沉积混合的沉积环境。非常规致密油勘探的重要领域,要特别留意滨浅湖浊水区-清水区混积岩储集体、事件沉积混积岩储集体和原地叠加的混积岩储集体。
  问:泥页岩这种非常规储层中的层序沉积学方法应用上有哪些特点?
答:随着美国非常规油气产量的突破性提高,特别是页岩气的开发,世界上对泥页岩这种非常规储层已经非常重视。近年来,页岩气勘探开发关键技术获突破,全球掀起一场“页岩气革命”。页岩是由粒径<0.0039mm的细粒碎屑、粘土、有机质等组成、具页状或薄片状层理、易碎裂的一类沉积岩,也就是美国所称的粒径<0.0039mm的细粒沉积岩。约占总沉积物的55%。常见页岩类型有黑色页岩、炭质页岩、硅质页岩、铁质页岩、钙质页岩等。无纹层和页理的,我们称之为泥岩。所以广义上讲叫泥页岩更能表达这一类岩石。从层序沉积学方面讲,泥页岩常常与洪泛面(湖泛面或海泛面)和最大洪泛面关系密切,位于深水沉积环境。泥页岩中可以发育有机质、粒间孔隙、粒内孔隙,孔隙可以达到纳米级,渗透率极低,形成页岩气储层、页岩油储层、致密灰岩油储层、致密砂岩油储层和致密砂岩气储层。泥页岩也不是凝缩段的铁板一块,除了纯泥页岩外,也还有泥质粉砂岩、粉砂质泥岩、碳酸盐岩等薄层或薄互层,因此要求应用层序沉积学方法建立极高精度的准层序级地层格架,查明沉积机制与分布模式,区分出纯泥页岩纹层组、富有机质纹层组、粉砂质纹层组、含白云石纹层组和含方解石纹层组,建立纳米级储层研究方法和定量表征技术。
  问:湖盆重力流砂体储层勘探中的层序沉积学方法应用方面有哪些特点?
答:重力流是非牛顿流体,由沉积介质与沉积物混为一体和整体搬运,以悬移方式搬运为主。重力流砂体储层勘探中的层序沉积学方法应用方面,特别要注意不同体系域时期盆地坡度和盆地底部沟道体系的影响。下降期体系域早期的沉积过程和生成物,表现为大部分的砂体都被聚集到超覆滨线到临滨之内,深水环境形成泥石流细粒沉积物。到了下降期体系域晚期,深海盆地的浊积流由高密度型所控制,聚集了大面积的海底扇砂体。陆坡环境中高弯曲度沟道化浊流体系,高密度浊流的表现最可能发生在强制海退晚期阶段,当陆源沉积物向深水供给达到最大的时候。以四川侏罗系湖盆为例,重力流沉积类型有湖底扇、滑塌浊积扇和重力流沟道。湖底扇以扇三角洲或三角洲前缘为物源,沿断崖或陡坡,以重力流沟道为补给水道,在湖盆中心低洼处以扇体形式沉积。滑塌浊积扇以扇三角洲前缘为物源,沿陡坡向下滑塌,在坡底以扇体形式沉积。岩石微观分析表明,重力流沉积物搬运距离较短,结构和成分成熟度低,杂基含量相对较高,物性较差。松辽盆地齐家地区青山口组的研究也表明,高台子油层的高精度层序地层格架下,湖相重力流相带控制了非常规致密砂岩油及泥岩油藏的发育,嫩江组一段水进层序发育重力流沟道和湖底扇,沟道沿着大庆长垣由北向南延伸,长达70km,最大宽度600m,单层砂岩厚8m,水道末端形成湖底扇,不同体系域发育的重力流储层是勘探的新领域。
  问:你和你的研究团队对油气层序沉积学方法的发展有哪些建议?
答:一是建议开展中国湖盆混积岩非常规储层的层序沉积学研究。致力于非常规油气储层的有利沉积环境分析和微观孔隙特征研究,为非常规资源勘探提供科学依据,在国民经济的能源建设中发挥重要作用。研究的理论意义在于建立致密砂岩油和页岩油气等非常规资源形成的沉积学和层序地层学方法,丰富非常规石油地质理论。技术意义和应用前景是通过对重力流沉积砂体的体系域演化、准层序叠加样式和显微特征研究,查明中国湖盆混积岩湖侵期和湖退期的沉积环境变化特征,为中国同类型湖盆重力流沉积砂体非常规资源未来的勘探开发打下基础。创新之处在于:(1)通过层序沉积学特征来研究湖盆水体变化,分析储集层沉积时期古环境变化。建立典型区块湖盆重力流沉积砂体准层序叠加样式与沉积环境的解释图版。(2)形成重力流沉积砂体湖侵期和湖退期湖平面变化曲线,建立湖盆沉积砂体与湖相碳酸盐岩的混积模式,探索致密油形成的有利沉积相带。(3)形成非常规油气储层的微观孔隙特征、“甜点”分布研究及预测方法。
  二是加强泥页岩储层的层序沉积学研究。探索盆地中心粉细砂岩、碳酸盐岩、富有机质等细粒沉积物形成机制、分布模式,开展致密储层纳米级孔喉系统形成机制、测试方法、定量表征技术、纳米仪器开发等研究,形成非常规储层预测方法。
  三是加强野外地质露头和现代沉积结合的非常规储层沉积模式研究。尺有所短寸有所长,不同阶段方法组合及技术各有侧重。应充分利用野外地质露头和现代沉积,以及钻井、地质及地球物理资料进行综合研究,各种资料相互验证、相互约束、相互补充,形成非常规储层沉积模式,指导勘探,降低油气勘探风险。
  四是积极开展国外盆地非常规油气储层研究,占领海外油气资源利用的制高点。当前,非常规储层越来越得到重视。例如美国近几十年来非常规资源对于天然气生产(尤其是煤层气与致密气储层)的突出贡献有目共睹。然而自2000年开始,美国天然气价格连续创历史新高,因此导致北美非常规页岩气投资活动明显增多,引起页岩储层天然气产量增加,进而促使全球天然气市场发生了巨大的变化。大量未开发的潜在石油储量位于波斯湾、拉丁美洲、非洲以及俄罗斯,此外还有一些重要区域目前仍未完全勘探,如伊拉克西部沙漠。因此我们要放眼世界,积极开展国外盆地非常规油气储层研究,占领海外油气资源利用的制高点。



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