異常壓力及研究方法

第六章異常壓力、流體封存箱及其研究方法異常壓力與氣藏形成一、異常地層壓力的概念、分類(lèi)二、異常壓力與油氣藏分布三、異常壓力形成原因四、異常地層壓力的物理響應(yīng)特征五、異常壓力流體封存箱六、異常壓力演化與氣藏形成模式一、異常地層壓力的概念、分類(lèi)地層壓力是指作用于地層孔隙空間的流體（油、氣、水）壓力。某點(diǎn)的正常地層壓力等于地表到該點(diǎn)深度的靜水柱重量。超過(guò)靜水壓力的地層壓力或壓力系數(shù)（實(shí)測(cè)壓力/靜水壓力）大于1者為高壓異常；低于靜水壓力的地層壓力或壓力系數(shù)小于1者為低壓異常。異常地層壓力的分類(lèi)Hunt提出的壓力剃度邊界值：正常地層壓力淡水：9.79kpa/m鹽水：11.90kpa/m根據(jù)有效應(yīng)力定律，孔隙度相同處的有效應(yīng)力相等，因此，欠壓實(shí)泥巖的孔隙壓力可以表示為Z為欠壓實(shí)泥巖的埋藏深度，m；Ze為欠壓實(shí)泥巖對(duì)應(yīng)的平衡深度，m；Pz為欠壓實(shí)泥巖的孔隙壓力或地層壓力，Pa；Pe為平衡深度處的靜水壓力，Pa；Se為深度Z處的地靜壓力，Pa；Sg為平衡深度處的地靜壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；ρr為沉積巖平均密度，kg/m3；ρw為地層孔隙水密度，kg/m3；泥巖流體壓力的計(jì)算單井壓力預(yù)測(cè)模型（等效深度法）如果用聲波時(shí)差的變化表示正常壓實(shí)泥巖的壓實(shí)規(guī)律，則有：Z為欠壓實(shí)泥巖的埋藏深度，m；Ze為欠壓實(shí)泥巖對(duì)應(yīng)的平衡深度，m；Pz為欠壓實(shí)泥巖的孔隙壓力或地層壓力，Pa；g為重力加速度，m/s-2；ρr為沉積巖平均密度，kg/m3；ρw為地層孔隙水密度，kg/m3；Δt為欠壓實(shí)泥巖的聲波時(shí)差值，μs/m；Δt0為原始地表聲波時(shí)差值，μs/m；C為正常壓實(shí)泥巖的壓實(shí)系數(shù)，m-1。

利用平衡深度法根據(jù)聲波時(shí)差資料計(jì)算欠壓實(shí)泥巖孔隙壓力的具體步驟為：①在測(cè)井曲線上讀取不同埋深泥巖層的聲波時(shí)差值，做出聲波時(shí)差與埋深的關(guān)系曲線；②在聲波時(shí)差與埋深的關(guān)系曲線上作出正常的壓實(shí)趨勢(shì)線，并求出正常壓實(shí)條件下的C值和Δt0值；③按公式計(jì)算欠壓實(shí)地層孔隙壓力和異常壓力。二、含油氣盆地普遍存在異常地層壓力AnomalouspressureisaglobalphenomenonAnomalouspressuremayexistatanydepth,butmorecommonatdepthgreaterthan3000m;Anomalouspressureoccursinrocksofallage,butismorecommoninyoungerrocks;Hunt，1990指出，全球180個(gè)沉積盆地發(fā)現(xiàn)存在異常壓力流體封存箱四川盆地36%氣藏分布在超高壓區(qū)；中、西部80%分布在高壓區(qū)柴達(dá)木盆地西部第三系油氣田80%儲(chǔ)量分布在高壓地層中庫(kù)車(chē)坳陷高壓天然氣藏三、異常高壓形成原因不均衡壓實(shí)（欠壓實(shí)）油氣生成水熱增壓礦物轉(zhuǎn)化塊斷導(dǎo)致封閉地層升降區(qū)域地表差異剝蝕滲析浮力（油氣藏中的壓力異常）流體等勢(shì)面不規(guī)則側(cè)向構(gòu)造擠壓塑性物質(zhì)刺穿作用正常壓實(shí)與不

均衡壓實(shí)作用粘土礦物脫水作用流體熱增壓作用區(qū)域差異剝蝕作用導(dǎo)致地面與側(cè)壓面間出現(xiàn)不同關(guān)系塊斷作用導(dǎo)致封閉地層壓力改變流體性質(zhì)（浮力）導(dǎo)致的壓力異常Pc=Pd+hg（w-G）/10油氣藏內(nèi)流體壓力變化氣油水油藏油水界面、氣藏氣水界面的確定方法HP三口井的獲得測(cè)試數(shù)據(jù)塑性物質(zhì)流動(dòng)與異常壓力瓊東南盆地底辟導(dǎo)致高溫地?zé)崃骰顒?dòng)和異常壓力形成擠壓作用6070809069.277.987.2燕山晚期喜山早期喜山晚期應(yīng)力（MPa）克拉蘇構(gòu)造帶異常高壓成因：擠壓應(yīng)力傳導(dǎo)是主要原因四、異常壓力封存箱與油氣分布（一）概述異常壓力流體密封單元(AbnormallyPressuredFluidCompartment)簡(jiǎn)譯為封存箱：Hunt(1990)認(rèn)為，許多沉積盆地包含了2個(gè)或2個(gè)以上重疊的水文地質(zhì)系統(tǒng)，通常較淺的系統(tǒng)（<3000m）分布了整個(gè)盆地，呈正常的地層壓力，而較深的系統(tǒng)（烴類(lèi)生成的主要地方，>3000m）則是局部分布的，并呈現(xiàn)異常超壓。這種系統(tǒng)由一系列獨(dú)立的封存箱（流體密封單元）組成，封存箱相互間的液體壓力不能相互轉(zhuǎn)換，而且與上覆的水動(dòng)力系統(tǒng)也不相連。這種相對(duì)獨(dú)立的流體封存單元稱為流體封存箱?，F(xiàn)代沉降盆地雙水力系統(tǒng)層狀排列圖實(shí)例：尼日爾，馬哈卡姆，墨西哥灣沿岸，加拿大北極區(qū)，下馬格達(dá)勒納等三角洲盆地在目前仍在沉降的盆地內(nèi)，封存箱的頂面可以是切過(guò)不同巖性、層系的致密的（不滲透）密封層，并不一定是某一地層層面，但通常是平頂?shù)?，其溫度范?0°C~100°C度。一般由碎屑巖組成的封存箱，其頂部密封層似乎是沿著斜溫層的碳酸鹽成礦作用形成的。如在北海，最深的密封層頂面深度隨地溫梯度變化，地溫梯度愈低，封閉層的位置愈深。Hunt指出，由異常壓力證實(shí)，世界180個(gè)沉積盆地中存在著封存箱，其頂板和底板（頂部和底部密封帶）常呈區(qū)域性平板狀（有時(shí)，底部密封帶為基底或古老巖石的侵蝕面，而邊板（邊部密封帶）常呈垂直的板狀，主要是沿垂向的斷裂、裂縫分布。在封存箱的內(nèi)外存在壓力差異，頂板、底板、邊板就是致密的密封帶，箱內(nèi)是密封的，它是烴類(lèi)生成的主要場(chǎng)所。（二）流體封存箱的類(lèi)型及形成機(jī)理封存箱是一個(gè)封閉的水力系統(tǒng)和封閉的化學(xué)系統(tǒng)。但內(nèi)部是開(kāi)放的系統(tǒng)。根據(jù)箱內(nèi)壓力與正常靜水壓力的對(duì)比：超壓封存箱--封存箱具異常高壓力；欠壓封存箱--封存箱具異常低壓力。超壓與欠壓兩類(lèi)封存箱的模式超壓封存箱欠壓封存箱負(fù)壓形成的主要因素：1）流體冷卻收縮，特別是氣相冷凝為液相2）在上升過(guò)程中，部分流體排出箱外3）“天然氣運(yùn)聚動(dòng)平衡”原則，抬升過(guò)程抑制了生烴過(guò)程，往往造成散失量大于生成補(bǔ)給量，壓力相應(yīng)降低。4）孔隙體積膨脹（三）封閉層的成因及特征封閉層是形成與分隔流體封存箱的關(guān)鍵。封閉層并不是常說(shuō)的油氣藏的蓋層,它常與穿越不同地層界面、巖性巖相界面、構(gòu)造界面的同溫層有關(guān)。在該溫度條件下,礦化作用、充填作用等成巖后生作用,造成滲透率近于零的封閉層。封閉層若為碳酸鹽巖,多由硅化所致，若為頁(yè)巖(泥巖)則常與鈣化有關(guān)。封閉層常與穿越地層界面、巖性巖相界面、構(gòu)造界面的同溫層有關(guān),在封閉層內(nèi)滲透率可近于零(礦化、充填),若封閉層較厚也可夾有滲透帶。北海有兩個(gè)密封層。一個(gè)是深度為3300m的密封層，在中央地塹的中部，從北到南300多Km長(zhǎng)的距離內(nèi)密封層的深度基本不變。在地塹的東部和西部，該密封層的深度卻較深，這與地溫梯度較低有關(guān)。另一個(gè)淺的密封層在1830m處，在中央地塹的EROFISK及其附近形成了兩個(gè)封存箱3300m1830m斷層帶也可構(gòu)成封閉層,將主箱分割成次級(jí)封存箱。美國(guó)墨西哥灣沿岸區(qū)第三系每隔幾公里就有一個(gè)斷層封割的小封存箱,各自成為單獨(dú)的壓力系統(tǒng);歐洲北海盆地中央維京地塹東、西兩側(cè)有一系列狹窄斷塊,均有垂直封閉層,每個(gè)斷塊具有獨(dú)立的壓力系統(tǒng),自成一個(gè)小流體封存箱。渤海灣盆地也會(huì)存在許多這類(lèi)封存箱。封隔層的形成－－成巖物質(zhì)的對(duì)流和擴(kuò)散

成巖物質(zhì)可以在數(shù)公里至數(shù)十公里，甚至更大的范圍內(nèi)進(jìn)行對(duì)流，縱向多半的是斷裂。成巖物質(zhì)的對(duì)流起因于地層水的密度差，重力導(dǎo)致水的對(duì)流，密度差則起因于溫度和鹽度的差異。1）埋藏淺，地溫低，水的密度高；埋藏深，溫度高，水的密度低。2）地層含鹽度一般隨埋深增加而增大，但經(jīng)常出現(xiàn)逆轉(zhuǎn)現(xiàn)象。鹽度隨埋深的逆轉(zhuǎn)是促進(jìn)對(duì)流的重要因素。3）天然氣在深部的大量生成和溶解在地層水之中，結(jié)果降低了地層水的密度。美國(guó)墨西哥灣岸油田水達(dá)1m3水含92m3天然氣。地溫鹽度水密度差地層水對(duì)流天然氣地層水對(duì)流成巖礦物對(duì)流Si(OH)4遷移至淺部沉淀石英增生（因?yàn)閟io2的溶解度隨溫度下降而下降）

碳酸鹽遷移至深部沉淀，碳酸鹽與SiO2相反，它的溶解度隨溫度上升而下降，形成晶狀碳酸鹽膠結(jié)。

Woods（1979）通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算，指出成巖物質(zhì)的遷移在矩距離內(nèi)可按擴(kuò)散形式進(jìn)行，而長(zhǎng)距離的遷移必須是對(duì)流形式。對(duì)流機(jī)制是形成垂向封隔層的最基本機(jī)制，即形成封存箱邊板的最基本機(jī)制。只有在對(duì)流機(jī)制下，自生碳酸鹽和sio2充填孔隙后，斷層才具有遮擋性質(zhì)，形成封隔層。但對(duì)流機(jī)制尚不足以闡明封存箱頂板和底板的形成機(jī)制。例如sio2傾向于淺處沉淀，但為什么石英增生現(xiàn)象在埋深1500—1700m左右開(kāi)始出現(xiàn)，都在2000—3000m附近達(dá)到高峰？張義綱等提出新認(rèn)識(shí)，認(rèn)為有機(jī)質(zhì)的降解是控制區(qū)域性致密異常帶（封隔帶）和次生孔隙發(fā)育帶最活躍的因素。持續(xù)埋藏成巖體系區(qū)域性成巖孔隙帶的分布

（四）封存箱內(nèi)部天然氣的運(yùn)移機(jī)制

1、水溶對(duì)流

由于巖石內(nèi)無(wú)機(jī)礦物和有機(jī)組分的類(lèi)型和豐度分布不均勻，它們?cè)诘販貓?chǎng)中成巖演化速率、甚至方向各自不同，必然導(dǎo)致各個(gè)局部的孔隙水和地層水的鹽度和溶氣量不同，從而水的密度產(chǎn)生差異，導(dǎo)致地層水的對(duì)流。封存箱內(nèi)部，地層水的對(duì)流促使溶解于其中的天然氣向溫度、壓力較低的圈閉內(nèi)運(yùn)移聚集。碳酸鹽巖層熱對(duì)流系統(tǒng)的概念地質(zhì)模型2、混相涌流

由于封存箱內(nèi)外壓差導(dǎo)致箱緣破裂，油氣水共同涌出的運(yùn)移方式稱為混相涌流。在盆地沉降時(shí)期，封存箱內(nèi)油氣的生成以及孔隙流體的熱膨脹或構(gòu)造（壓力、抬升）作用最終導(dǎo)致封存箱的局部破裂，流體沿箱的頂板或邊板涌出。Snarsky(1962)指出，當(dāng)局部壓力為靜水壓力的1.42—2.4倍時(shí)，巖石產(chǎn)生裂縫，因此，埋深>1500m的巖石破裂時(shí)，壓差可達(dá)6—50Mpa。封存箱內(nèi)的流體混相涌至箱外后，隨著壓力的下降，油氣水三相相互分離，并可能進(jìn)入水動(dòng)力系統(tǒng)的控制下。Hunt（1990）指出，當(dāng)壓力系數(shù)下降到大致1.2—1.3時(shí)，裂縫重新閉合，或被分解石充填，封存箱內(nèi)的壓力重新積累上升，直至下一次脈沖式破裂和涌流，此至周而復(fù)始。在快速沉積盆地（美國(guó)灣岸盆地）這種過(guò)程每隔幾千年就發(fā)生一次。因此如有大量油氣產(chǎn)生于盆地封存箱內(nèi)，則上述機(jī)理及油氣垂向運(yùn)移到上覆正常壓力巖層的可能性是客觀存在的。當(dāng)然，流體也可進(jìn)入上封存箱。東方1-1氣田、樂(lè)東15-1氣田和樂(lè)東22-1氣田3個(gè)大中型氣田的天然氣均賦存在與泥底辟有關(guān)的圈閉中，主力氣藏分布在常壓帶內(nèi)，屬異常超壓系統(tǒng)之上的正常壓力系統(tǒng)內(nèi)成藏。T20T30T40T50泥拱流體運(yùn)移方向正常壓力系統(tǒng)異常高壓海底裂縫異常超壓系統(tǒng)之上的正常壓力系統(tǒng)內(nèi)成藏（五）運(yùn)移成藏模式1、儲(chǔ)蓋組合類(lèi)型（１）箱內(nèi)儲(chǔ)蓋組合儲(chǔ)層以次生孔隙為主，主要是由箱內(nèi)烴源巖在生烴過(guò)程中有機(jī)酸對(duì)孔隙的改造。（２）箱緣儲(chǔ)蓋組合指頂部密封帶，該帶往往由多個(gè)致密異常層組成夾有多孔的儲(chǔ)層。（３）箱外儲(chǔ)蓋組合指正常壓力系統(tǒng)內(nèi)或上封存箱內(nèi)的儲(chǔ)蓋組合。（１）箱內(nèi)運(yùn)聚成藏模式在封存箱內(nèi)水溶對(duì)流作用下，溶有天然氣的地層水，對(duì)流過(guò)程中，在上升通道附近和溫度壓力較低的圈閉運(yùn)移并出溶成藏。有利于天然氣出溶的地帶有：a.封存箱內(nèi)較高的部位，包括構(gòu)造高部位在內(nèi)。b.構(gòu)造應(yīng)力場(chǎng)中的局部張性區(qū)，構(gòu)造裂縫的張開(kāi)構(gòu)成相對(duì)低壓區(qū)。c.地層水鹽度較高的地區(qū)。

（２）箱緣運(yùn)聚成藏在多層致密層夾多孔儲(chǔ)層組成的頂部封閉層系中，當(dāng)箱緣破裂時(shí)，通過(guò)混相涌流作用，形成箱緣成藏的模式。

2、運(yùn)聚成藏模式異常壓力流體封存箱與油氣成藏模式（3）箱外成藏在混相涌流運(yùn)移過(guò)程中，如箱緣全部被突破，在箱外又有適合的圈閉時(shí)，可在上封存箱或正常水動(dòng)力系統(tǒng)中形成箱外成藏，混相涌流由于脈沖式的進(jìn)行，有大量的油、氣、水涌出，烴類(lèi)數(shù)量豐富，往往形成豐富的油氣聚集。2）主要產(chǎn)層是位于緊接密封層是由滲透與不滲透的地層組成，密封層內(nèi)部的儲(chǔ)氣層主要產(chǎn)濕氣，來(lái)自深部（>4572m）中侏羅統(tǒng)烴源巖。3）壓力梯度最大值在密封層的底部，封存箱中的壓力梯度（46.5Psi/100ft）稍高于密封層之上的正常壓力，這可能與流體密度增加有關(guān)。4）在封存箱以東的井、鉆至封存箱內(nèi)部的相應(yīng)深度仍為正常壓力，表明封存箱東緣存在封堵性斷層。主要特點(diǎn)：1）在3231m處出現(xiàn)一個(gè)平頂狀的密封層，分布面積約13000—14000Km２，約占盆地面積的1/3。該密封層橫切各種構(gòu)造，巖相地層和各地質(zhì)時(shí)代的巖層。方解石沉淀物封堵了不同巖性的孔隙，封堵時(shí)代自侏羅紀(jì)—第三紀(jì)。目前已知最厚的密封層的厚度約1000m。（六）封存箱研究實(shí)例1．阿拉斯加庫(kù)克灣盆地美國(guó)阿拉斯加庫(kù)克灣盆地超壓封存箱A-庫(kù)克灣盆地平面位置圖，b-AB剖面圖，2北海?？朔扑箍舜笥吞飬^(qū)的流體封存箱在北海盆地中央地塹的Ekofisk及其附近油田中，有兩個(gè)密封層。一個(gè)是深度為3300m的密封層，在中央地塹的中部，從北到南300多Km長(zhǎng)的距離內(nèi)密封層的深度基本不變。在地塹的東部和西部，該密封層的深度卻較深，這與地溫梯度較低