威尔逊盆地上奥陶统红河组中的水动力与油气运移

威尔逊盆地上奥陶统红河组中的水动力与油气运移

D.K.Khan a,* ,B.J.Rostron a ,Z.Margitai b ,D.Carruthers c

a Earth and Atmospheric Sciences,University of Alberta,Edmonton,Alberta,Canada

b Alberta Environment,Edmonton,Alberta,Canada

c The Permedia Research Group,Ottawa,Canada

Received 16 August 2005;accepted 14 November 2005

Available online 20 March 2006

摘要：红河油气系统油气运移模拟表明，Williston盆地油气生成和二次运移先于现今仍然持续活跃的水动力体制形成之前。此外:(1)较好的对成熟烃源岩区东部边界主要控制因素的了解对减少Nesson背斜东部地区的勘探风险是很有必要的；(2)应该把盛行于萨斯卡万州东南部的红河油气系统很大程度上扩充到北方,使其含盖中央的萨斯卡万以及加拿大的曼尼托巴西部；(3) 盆地西南部已经在发展中的油气积聚有可能因水动力作用而发生重新分配。

关键词：油气运移水动力作用 Williston盆地红河组

1.简介

油气在含油气盆地浸透性地层里的长距离运移是一种被广泛证明了的现象(Dow,1974;Bethke 等人,1991, 和其他人等)。浮力在油气二次运移时是主要的运移驱动力,而岩石孔隙的毛细管阻力由于源岩的低供给速率而成为主要的运移阻力(Carruthers,2003)。水动力改变了毛细管阻力梯度，从而在输导层内油气的运移过程中发挥重要的控制作用。

Williston 盆地是一个位于北美中心跨越加拿大-美国边境的大型内陆沉积盆地。它包含几个长距离运移油气系统和一个现在仍然活跃的水动力体制。盆地最晚在白垩纪到早第三纪经历了一个从流体静力体制到水动力学体制的转变，这一转变几乎与盆地油气系统内烃类的生成和排出在同一时期 (DeMis,1995;Osadetz 等,1998)。这项研究的目的在于，通过进一步的约束水动力作用的开始与油气生成、运移之间的时间关系，来改善油气勘探效果，并藉由评价水动力作用在红河油气运移中的作用。

红河油气系统是威尔森盆地中几个已知的发生过长距离油气运移的油气系统之一(道,1974;Burrus 等,1996)。富含有机质的源岩薄层作为夹层存在于多孔的被美国称为红河C群、加拿大萨斯卡万称之为尤曼群(朗曼和 Haidl,1996)的输导层中。主要的封盖层是红河组顶部沉积层序中的硬石膏层，或者，在盆地东部边缘缺失硬石膏层

的地区则由Stony Mountain页岩充当封盖层。埋藏史模型以及红河源岩特征表明，红河组从最初进入生油窗到结束生油是在65-70百万年前一个很窄的时窗内完成的(Burrus 等,1996;Osadetz 等,1998)。

2.水动力学特征

红河组水动力场的描绘来自整个威尔森盆地的通过质量检验并消除了生产感应压力下降影响的钻杆测试压力，目的是为了获得一个详细的压力测试面图

(略;Margitai,2002)。

据称，与拉拉米造山运动相联系，威尔森盆地在晚白垩纪到早第三纪开始静水动力作用就或多或少地先于现在的动水动力作用体制。盆地侧翼的抬升从而创造了一个横贯全盆地的南西-北东向的地层水流动系统(DeMis,1995)。根据南达科塔黑色希尔山的剥蚀特征估计，开始的水动力学状态就已经引起了多于三次的水头梯度的变化(Lisenbee 和德威特,1993)。

3.模型方法

模型分三步:(1)生成红河石油并在一个静水动力条件下模拟运移，(2)模拟动水动力体制下的运移， (3)把两种模拟结果与现今的开采区比较。水静力和水动力学情形之间的不同与水压力有关。在水动力学情况下,由于地层水的流动，输导层内部的孔隙水压力可能或多或少不同于任何由位置决定的静水压力。运移模拟使用基于侵入渗滤概念的一个运算法则Mpath算法模拟二次运移(Carruthers,2003) 。

Mpath采用解释由于油水两相之间的密度差异而产生的沿着输导层最大倾斜方向

）的梯度计算。的浮力来模拟油气运移。妨碍油气运移的阻力则作为门限毛细管力（p

th

是一指定的已知岩石体积的属性，也就是,一种网格单元，一种可以允许石油运移p

th

通过的那种单元。模型的定义域由一个三度空间构成，该空间对于油气运移来说其连接源岩和输导层的节点是活动的。通过全盆地井控来确定输导层的顶部，对红河组顶部结构进行栅格化。热成熟源岩区是以一个柔性岩相资料和表征红河源岩的研究资料为基础来确定的 (Martiniuk 和 Barchyn,1994;Osadetz 和 Snowdon,1995;Osadetz 等,1998).

水动力模拟使用输导层地层水压力图而不是计算的净水压力场。古压力梯度通过增加三倍隆起区水压头来计算，并使其向盆地东北部的泄水区呈一近似指数形式变化。

模拟在一个随机程序结构中进行，由于运载层压力场P

的统计可变性，因而允许

th

模拟的石油运移轨迹在不同的模拟场景中可以有微小的变化。其他的不确定性估计来自于象成熟源岩区的界限等等。

图1（A）水静力模拟结果，示石油运移轨迹和开采区，盆地中心的轮廓线为成熟源岩区，深度等值线向盆地中心100-4200m。（B）水动力模拟结果

4.模拟结果

静水动力输导层中石油运移轨迹由源岩区向外辐射，油气由浮力驱动沿着被最大构造坡度方向限定的路径运移（图1A）。值得注意的运移形式不确定性是（1）盲区（没有石油的区域）从Nesson背斜向东扩展，（2）盲区在研究区的整个西北部分，（3）Cedar Creek 背斜圈着了几乎所有向西南方向运移的石油，只有部分溢出。Nesson 背斜东部的盲区带是由于库克源岩层的东边界与Nesson背斜轴部大致重合引起的（图1A）。同样的，背斜圈着来自源区的石油也通过向北方上倾的缓坡而泄露。在源区的东边界，越过北达科塔消除了盲区的Nesson背斜东翼，模拟结果有相当多的不确定性。然而，Nesson背斜东部红河组实际上缺少油气发现（尽管有很好的渗透性）这一事实与模拟结果一致。实际上，静水盆地中的运移轨迹与著名的红河高产井区是相匹配的，更重要的是，与最北边的Saskatchewan东南部的开采区相匹配（图1A）。

一个水动力学盆地的油气运移轨迹与水静力盆地的情形很不相同 (图 1 B)。水