0 引言
不同于陆地油气勘探，海洋油气勘探中“深水深层”定义为水深超过300 m的水域中，井深超过3 500 m的深层井［8］。全球海洋油气勘探目标逐年向深水区过渡，南海北部是我国深水勘探前沿［9］。琼东南盆地地处南海北部以西准被动大陆边缘，位于盆地深水区的宝岛凹陷北部断阶带具备发育大中型油气藏的基本地质条件［10］。勘探发现的B21-1气田是我国首个深水深层大气田，其最大作业水深超1 500 m，完钻井深超5 000 m［11］，证实宝岛凹陷北部断阶带有利于天然气富集［12］。受限于深水环境下，深层—超深层勘探面临地震成像差、优质烃源岩和储层分布不清及油气成藏模式不明等难题［13］，该区带天然气输导体系、运聚过程及近凹低断块勘探潜力尚未得到很好地揭示［14］。
为此，本文以宝岛凹陷北部断阶带为研究区，聚焦天然气输导体系和运聚过程，利用研究区已有钻井资料与地震剖面，建立地质模型［15］，并设计3种模拟宝岛凹陷北部断阶带天然气运移的物理模型。据此开展油气物理模拟实验，刻画天然气输导体系，探究研究区主要通源断层在不同启闭性下对天然气运聚产生的影响，揭示天然气优势运移路径与聚集部位。
1 宝岛凹陷北部断阶带成藏条件
1.1 区域构造特征
1.2 生—储—盖组合特征
图3 宝岛凹陷北部断阶带陵水组三段与三亚组二段储层微观特征（a）B21-1井，陵水组三段，4 311.5 m；（b） B21-1井，陵水组三段，石英次生加大，4 315.5 m；（c）B21-1S井，三亚组二段，生物扰动构造，4 578.5 m；（d） B21-1S井，三亚组二段，长石溶孔，4 572.8 m Fig.3 Microscopic characteristics of reservoirs in the third member of Lingshui Formation and the second member of Sanya Formation in the step-fault zone belt of northern Baodao Sag |
2 油气成藏物理模拟实验
2.1 实验材料与原理
本文物理模拟实验采用不同粒度的石英砂模拟断层及储集层，采用孔渗近似为0的黑色工业橡胶模拟非渗透层和盖层［40］。
宝岛凹陷北部断阶带崖城组烃源岩层与上部陵水组三段储层通过局部通源断层连接，在源储压差作用下天然气自烃源岩层向储层持续充注。为模拟烃源岩层到储层的充注，在砂体中注入红墨水（红墨水体积∶蒸馏水体积=1∶4）。此外，通过注气口充注不同压力的N2，模拟在源储压差持续驱动下发生的天然气运移，并根据模型设置排液口。需要注意的是：模型内砂体需完全浸染红墨水至饱和、压实，以确保实验过程中注气口充注的气体体积与排液量相一致。
2.2 实验模型与目的
基于宝岛凹陷北部断阶带断层与砂体的形态、产状及二者之间的接触关系，总结储层砂体物性，进而组合气藏断层及砂体输导体系。同时，实验需要遵循动力相似、运动相似以及几何相似的原则［41］。最终，设计如下3种物理模型：模型一为“幕式封闭断层+陵水组三段单套厚砂体［图6（a）］”物理模型，实验目的为研究断层F12-1不同启闭条件下对天然气运聚过程的影响，该模型进行2组实验。第1组实验模拟断层F12-1封闭条件下，天然气在同层系单套相同物性砂体中的运聚过程。同时设置对照实验，模拟断层F12-1开启条件下天然气运聚过程。模型二为“开启性断层+陵水组三段2套厚砂体［图6（b）］”物理模型，实验目的为对比在相同厚度、相同物性砂体条件下，天然气沿断层F12-1垂向运移与沿砂体侧向运移的优势性。模型三为“幕式封闭断层+陵水组三段2套厚砂体+三亚组二段单套薄砂体［图6（c）］”物理模型，实验目的为对比不同层系砂体在不同厚度、不同物性条件下，天然气沿通源断层F12-1垂向运移与沿砂体侧向运移的优势性。
2.3 实验步骤
为尽可能还原研究区真实的地质情况与天然气运聚特征，根据研究区烃源—储层的沉积环境以及构造特征［42］，设计3种物理模拟实验，具体实验步骤如下：
（1）在黑色工业橡胶上绘制已建立的地质模型，并切割地质模型，紧密装填进实验箱体内。
（2）根据实际地层物性特征，采用4种粒径的石英砂进行模拟，各模型使用的石英砂粒径如表1所示。
表1 物理模拟实验所用砂岩物性参数Table 1 Physical parameters of sandstone used in physical simulation experiments |
| 实验模型 | 砂体/断层编号 | 石英砂粒径 /mm | 砂岩渗透率 /（10-3 μm2） |
|---|---|---|---|
| 模型一 | F12-1（封闭） | 0.05~0.10 | 416 |
| F12-1（开启） | 0.30~0.35 | 7 816 | |
| ① | 0.20~0.25 | 3 746 | |
| 模型二 | F12-1 | 0.30~0.35 | 7 816 |
| ① | 0.20~0.25 | 3 746 | |
| ② | 0.20~0.25 | 3 746 | |
| 模型三 | F12-1 | 0.05~0.10 | 416 |
| ① | 0.30~0.35 | 7 816 | |
| ② | 0.30~0.35 | 7 816 | |
| ③ | 0.10~0.15 | 1 156 |
（3）使用洗耳球将红墨水均匀注满石英砂，利用HZ-1213B耐油硅酮密封胶对模型气密封加固。此外，用钢化玻璃板压实整个模型，使模型保持竖立。
（4）开启模型预留的饱和口，将注气口连接平流泵，以10 KPa压力缓慢注入红墨水，直到模型中石英砂均匀染色且红墨水注入量与排液量持平，关闭饱和口以及平流泵。
（5）注气口连接ISCO气泵持续充注N2，开启预留的排液口，注气开始后每30 s间隔记录排液口排液量。充注分为3个阶段：第1阶段充注压力0.05 MPa（0~90 s），为缓慢充注阶段；第2阶段充注压力0.1 MPa（90~180 s），为平衡充注阶段；第3阶段充注压力0.15 MPa（180~270 s），为快速充注阶段。以此模拟研究区凹陷带充注动力（或超压驱动条件）的变化；在不同充注阶段内，观察不同模型内砂体颜色的变化，其中被气体驱替的部位会变淡，以此表征天然气运移路径及聚集部位。
3 实验结果与讨论
3.1 “幕式封闭断层+陵水组三段单套厚砂体”物理模型
封闭断层F12-1物性较差，充注过程中A排液量随充注时间的变化如图7（a）橙色曲线所示。结果显示，第1阶段，即缓慢充注阶段（充注压力0.05 MPa，充注时间0~90 s），该阶段排液速率缓慢。此时断层F12-1对气体起遮挡作用［43］，充注进断层上盘①砂体的气体会在砂体优势部位聚集，即在浮力作用影响下趋向砂体局部高部位［图7（b），90 s］；充注到达90 s时进入第2阶段，即平衡充注阶段（充注压力0.10 MPa，充注时间90~180 s），该阶段排液速率缓慢增加。随着气体持续充注，部分气体突破断层的遮挡作用，沿断层垂向运移至下盘①砂体的局部高部位聚集。同时在上盘①砂体仍有气体聚集，断层两盘均动态成藏［图7（b），180 s］；到达180 s时进入第3阶段，即快速充注阶段（充注压力0.15 MPa，充注时间180~270 s），该阶段排液速率快速增加。断层表现为完全开启，气体沿断层在下盘①砂体快速聚集，最终砂体颜色接近完全褪去［图7（b），270 s］。
3.2 “开启性断层+陵水组三段2套厚砂体”物理模型
选用物性较好的石英砂填充断层F12-1，模拟断层开启状态（表1）；气体充注压力与模型一设置相同，依然划分为3个阶段。结果显示实验全程排液口B排液量大于排液口A排液量，待模型内充满气体，观察到排液口A最终排液量为19 mL，排液口B最终排液量为47 mL；同时，可以发现实验各阶段排液速率均随充注压力的增加而近似线性增加［图8（a）］。随着充注压力的不断增加，气体沿通源断层垂向运移明显优于侧向运移［44］，直至实验结束，发现陵水组三段上部②砂体颜色已完全褪去，下部①砂体底部仍有部分砂体未褪色［图8（b）］。以上表明断层在开启状态下，下盘上部砂体的天然气运聚速率和成藏规模均好于下部砂体，体现出在断层开启条件下天然气垂向运移的优势性。
3.3 “幕式封闭断层+陵水组三段2套厚砂体+三亚组二段单套薄砂体”物理模型
在上述2个模型基础上，进一步构建研究区主干断层F12-1作为天然气输导路径的地质模型，其中断层F12-1物性较差，陵水组三段2套砂体在厚度与物性上均好于三亚组二段单套砂体［13］。排液口A、排液口B及B1、排液口C及C1排液量与时间的关系如图9（a）所示。结果显示在缓慢充注阶段（充注压力0.05 MPa，充注时间0~90 s），首先断层表现出短暂的封堵性，使断层上盘①砂体局部褪色，随之气体较为局限地突破断层的封堵，这与模型一的实验结果相符；该阶段气体运聚表现为少量气体会沿着断层面运移至上盘陵水组三段②砂体，而大量气体会运移至下盘的陵水组三段②砂体及陵水组三段①砂体［图9（b），90s］。测定排液口A及排液口B的排液量，90 s时A为49 mL，B为48 mL，两排液口排液速率相近。在平衡充注阶段（充注压力0.10 MPa，充注时间90~180 s），断层幕式开启［45］，表现为天然气局限突破断层遮挡，即部分烃分子沿断层发生运移，其余烃分子则继续被断层遮挡，使得断层上下盘陵水组三段①②两套砂体及下盘三亚组二段③砂体均有气体聚集，各砂体局部开始褪色（排液口A、排液口B、排液口B1、排液口C排液速率增加），实现断层上下盘动态成藏的“动平衡”状态［图9（b），180 s］。排液口A、排液口B排液量及速率大于排液口C排液量，推测三亚组二段储层天然气运聚受到物性影响较大。在快速充注阶段（充注压力0.15 MPa，充注时间180~270 s），此时陵水组三段2套厚砂体已完全褪色；下盘三亚组二段③砂体发生较大面积的褪色，而上盘三亚组二段③砂体颜色仍无明显变化［图9（b），270 s］。在270 s时实验结束，测定排液口C最终排液量为20 mL，排液口C1最终排液量为3 mL，表明上盘三亚组二段砂体基本无天然气聚集成藏。综上，模型三各砂体天然气运聚优势为：①（上盘）>①（下盘）≥②（下盘）>②（上盘）>③（下盘）>③（上盘）。
3.4 输导体系与成藏模式
模型二的实验结果显示，在断层开启状态且相同厚度及物性的砂体，天然气沿通源断层垂向运移更有优势。以上现象可解释为：断层中的天然气运移是在浮力、烃源岩提供的气源动力及储层毛细管力共同作用下的间歇性运动过程［49］。在该物理模拟条件下，天然气烃分子所受浮力占据主导地位，合力指向最大流体势降低方向，呈现出天然气沿断层垂向运移优于侧向运移的现象。
综上所述，本文建立了宝岛凹陷北部断阶带主干通源断层F12-1作为输导体系下的天然气幕式动态成藏模式（图10）。据此明确了研究区天然气运聚有利层段及潜力区，即北部断阶带F12-1断层下盘的陵水组三段砂体成藏潜力大，可以作为重点勘探目标，该研究结果为指导研究区下一步勘探工作提供了有力支撑。
4 结论
（1）断层封闭性和储层相带、物性是控制天然气运聚的重要因素。
（2）琼东南盆地北部断阶带主干通源断层F12-1作为天然气主要运移通道时，断层在封闭状态下，对天然气运移起到遮挡作用，但随充注压力的增加具备幕式开启的可能，且断层在幕式开启后具备一定的泄压作用，导致断层再次具备封闭特征。
（3）断阶带上的多套砂体在不同厚度、物性条件下，天然气在物性较好的陵水组三段砂体中存在幕式动态成藏过程，可形成较大规模的气藏。
甘公网安备 62010202000678号
