鄂爾多斯盆地中生界地層壓力演化研究

鄂爾多斯盆地中生界地層壓力演化研究

0盆地中生界地層壓力異常地層壓力在控制油氣藏的過程和分布方面發(fā)揮著重要作用。地層異常高壓為油氣的初次運移和二次運移提供了動力,其分布特征控制了油氣的運移和聚集。例如,鄂爾多斯盆地延長組油氣在縱向上主要分布于具有相對高過剩壓力的泥巖段下伏或上覆的具有相對低過剩壓力的儲層中,在平面上主要分布于一定壓力梯度范圍內(nèi)的相對低過剩壓力區(qū)儲層中。以往對地層壓力的研究主要集中于地層異常壓力的分布、成因、影響因素及異常壓力與流體運移的關系等方面,但是對地層壓力的演化研究極為薄弱。由于地層壓力的演化與有機質(zhì)成烴演化、烴類運移和聚集密切相關,所以地層壓力演化的研究,可以對油氣的生成和成藏過程具有較為全面深入地認識。鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)中生界油氣儲層主要為致密低滲儲層,研究該地區(qū)古地層壓力演化對于確定油氣在這種儲層中的運移聚集和油水分布規(guī)律都是非常重要的。雖然對鄂爾多斯盆地中生界地層壓力已有研究,但這些研究都是利用泥巖聲波時差資料,采用平衡深度法求取早白堊世末期最大埋深時的地層壓力,研究地層壓力的分布特征及其與油氣藏分布關系,缺乏地層壓力演化的定量研究。本文對鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)中生界地層壓力演化進行了定量研究,研究結果對于分析油氣成藏的控制因素和該地區(qū)的油氣勘探都將具有重要價值。1油氣藏地質(zhì)及儲層物性隴東地區(qū)位于鄂爾多斯盆地西南部,北起廟溝,南到太昌,西自郭塬,東至太白,地質(zhì)構造上位于伊陜斜坡和天環(huán)坳陷(圖1)。中生界延長組長8段為主要目的層位,其次為長6段,這2段的油藏主要位于西南部的西峰、慶城、合水及鎮(zhèn)北地區(qū),特別是西峰油田為億噸級大油田。長6段和長8段的油源主要為長7段的湖相泥巖,該泥巖的厚度大,有機碳含量高,有機質(zhì)類型好、成熟度高、生排烴率高,具備提供優(yōu)質(zhì)油氣源的能力。目前長6段、長8段儲層物性較差,非均質(zhì)性強,屬于致密低滲儲層,但是長8段儲層的物性好于長6段儲層;長7段和長4+5段較厚泥巖為下伏儲層的蓋層;發(fā)育巖性和地層—巖性油藏。2舊地層壓力發(fā)育規(guī)律2.1盆地升降剝蝕后地層壓力和剩余壓力為了解鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)中生界古地層過剩壓力區(qū)域分布及演化,筆者根據(jù)聲波時差資料,利用等效深度法,計算了該地區(qū)在早白堊世末期最大埋深時的地層壓力,計算具體方法見文獻。同時,由于該地區(qū)現(xiàn)今實測地層壓力數(shù)據(jù)有限,為了解鄂爾多斯盆地中生界地層從早白堊世末期最大埋深時剩余壓力向現(xiàn)今剩余壓力的演化,筆者對中生界地層現(xiàn)今剩余壓力進行了計算。這種計算采用了包友書根據(jù)物理化學原理,建立的盆地構造抬升剝蝕后地層流體壓力定量計算公式(1)。該公式使用的假設條件是:巖石應具有一定的封閉條件;巖石不是高滲透性巖石;巖石抬升剝蝕過程中,地層流體體積和巖石孔隙體積均會受溫度和壓力降低的影響而發(fā)生卸壓回彈和降溫收縮。鄂爾多斯盆地中生界構造較穩(wěn)定,隴東地區(qū)中生界地層流體封閉條件好;中生界巖石特別是延長組為低滲透或超低滲透巖石;早白堊世末期以來,由于構造抬升,地層剝蝕明顯,在盆地東部地層剝蝕厚度超過1200m,地層現(xiàn)今壓力無疑受構造抬升過程中地層流體和巖石的卸壓回彈及降溫收縮的影響。因此,包友書提出的計算公式條件符合鄂爾多斯盆地延長組的地質(zhì)實際情況。該公式顯示,在完全封閉條件下,構造抬升后的地層壓力取決于抬升前的地層壓力、地層流體的壓縮系數(shù)、地層流體的膨脹系數(shù)、巖石孔隙體積的壓縮系數(shù)、抬升前后地層溫度的變化和剝蝕厚度。由于固體巖石礦物的膨脹系數(shù)比流體的膨脹系數(shù)低得多,因此可以忽略其膨脹或收縮對巖石孔隙體積的影響。這樣,完全封閉條件下構造抬升剝蝕后地層流體壓力的定量計算公式為:式中:P1和P2分別為抬升前、后的地層壓力,MPa;Pr1和Pr2分別為抬升前、后的上覆巖層壓力,MPa;ΔT為抬升前、后地層溫度的變化量,℃;αf為地層流體的熱膨脹系數(shù),4×10-4K-1;βf為地層流體的壓縮系數(shù),3×10-4MPa-1;βp為巖石孔隙體積的壓縮系數(shù),MPa-1。本文以聲波時差計算的地層壓力為P1;通過地層對比法恢復了地層剝蝕厚度,從而對構造抬升前、后的地層厚度進行了恢復,獲得了Pr1和Pr2值(Pr2-Pr1分布范圍為-2.3~-6.6MPa)。收集了盆地隴東地區(qū)的現(xiàn)今地層溫度和巖石孔隙體積的壓縮系數(shù),以最大埋深時古地溫梯度為4℃/100m,地表溫度為15℃,計算了最大埋深時地層古地溫,這些物理數(shù)據(jù)分布范圍列于表1。然后,利用包友書提出的構造抬升剝蝕后地層流體壓力的定量計算公式,計算了鄂爾多斯盆地構造抬升剝蝕后隴東地區(qū)中生界地層壓力,計算結果列于表2。這些計算結果都是可靠的。如圖2所示,長8段計算的現(xiàn)今剩余壓力與隴東地區(qū)實測的現(xiàn)今剩余壓力是類似的。由于缺乏相同井的實測地層壓力數(shù)據(jù),難以進行具體井位的誤差計算。但是莊177井和莊171井相距較近,莊177井計算的長8壓力為12.22MPa,剩余壓力為-6.99MPa;莊171井實測長8段壓力為11.28MPa,剩余壓力為-7.12MPa。這樣,計算的地層壓力和剩余壓力相對于實測值的絕對誤差分別為0.94MPa和0.13MPa,相對誤差分別為8.3%和1.8%,均在可信范圍之內(nèi)。雖然以上計算比較粗略,但對盆地隴東地區(qū)構造抬升剝蝕后,地層流體壓力的變化有一個比較全面的認識。由表2可以看出,鄂爾多斯盆地在早白堊世末期最大埋深時,延長組長7油層組剩余壓力區(qū)域分布在1.80~14.50MPa之間,較高過剩壓力主要分布在午81、午82、午88、里169、寧43和寧201等井區(qū);長8段剩余壓力區(qū)域分布在1.80~9.20MPa之間,較高過剩壓力主要分布在午81、午82和木29等井區(qū)?？墒?由于地質(zhì)構造運動使上覆地層抬升遭受嚴重剝蝕,鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)在早白堊世末期以來,剝蝕厚度主要在230~830之間,這樣會引起垂向應力減小,從而巖石骨架會發(fā)生反彈,引起巖石孔隙體積的擴容,導致流體壓力降低;同時,延長組上覆地層遭受剝蝕,使地層及其中流體溫度就會降低,從而導致地層巖石骨架及其中孔隙流體體積變小,特別是孔隙流體體積變小量比巖石骨架孔隙體積變小量大的多,也導致流體壓力降低。已有的研究表明,延長組各油層組地層水的平均總礦化度分布在34.2~112.0g/L之間,并且主要為CaCl2型水,反映了延長組地層總體上封閉條件好,從而使延長組地層這種低壓得以保存。延長組長8段現(xiàn)今剩余壓力均為異常低壓,分布在-9.41~-2.25MPa之間;長7油層組現(xiàn)今剩余壓力相對較高,除了部分地區(qū)仍然為異常高壓(例如,表2中午82、午88、里90和里169等井區(qū)地區(qū)),大部分地區(qū)為異常低壓,分布在-9.26~5.01MPa之間。這些資料說明,早白堊世末期(大約100Ma)時,鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)中生界地層普遍存在剩余壓力,長7油層組最高,可以達到14.50MPa。構造抬升剝蝕后,該地區(qū)中生界地層除了長7油層組在部分地區(qū)存在異常高壓外,普遍形成異常低壓,一般分布在-9.42~-2.25MPa之間。一般來說,地層低壓形成的成因較多,主要包括了地質(zhì)構造抬升剝蝕反彈;孔隙水化學作用引起的孔隙體積增大;地溫降低作用;封閉層壓力的釋放作用;地下水流動作用;油氣大量散失作用;化學滲透作用;埋深增大中原始壓力保存作用等。由上述可知,對于鄂爾多斯盆地中生界地層低壓形成來說,地質(zhì)構造抬升剝蝕反彈和地溫降低作用可能是主要原因,其他因素對中生界地層異常低壓形成來說,不存在貢獻或者貢獻不大。2.2包裹體形成的古地層壓力演化地質(zhì)歷史中古地層壓力的定量研究,可以認識地層壓力演化歷史,了解油氣藏成藏動力變化特征,進而指導實際的油氣勘探和預測。目前常用的方法是依據(jù)同期烴類包裹體與鹽水包裹體的物理化學數(shù)據(jù),通過包裹體PVT熱動力學模擬方法獲得古地層壓力值,然后通過時間尺度來反映地史時期地層壓力的演化特征及其規(guī)律。根據(jù)鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)中生界地層同期油包裹體與鹽水包裹體組成的數(shù)對,測試出古地層壓力數(shù)據(jù)①;現(xiàn)今地層壓力為實測數(shù)據(jù)。通過研究點地層壓力除以該點靜水柱壓力獲得壓力系數(shù)。依據(jù)測試古地層壓力的包裹體恢復了古地溫,由古地溫梯度確定包裹體的形成深度,然后由研究區(qū)的沉積埋藏史和熱演化史確定包裹體的形成時間。這樣就建立了地層壓力系數(shù)與地質(zhì)時間的關系,結果如圖3所示。鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)中生界地層古地層壓力在時間軸上呈現(xiàn)非線性變化。從古地層壓力整體演化特征來看,地史時期古地層壓力經(jīng)歷了3個演化階段:(1)高壓原始積累階段。由壓力系數(shù)隨時間的變化圖可見(圖3),鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)中侏羅世晚期出現(xiàn)了低的異常高壓,并且隨著地質(zhì)時間變新地層剩余壓力總體上不斷增大,至早白堊世中期壓力系數(shù)已經(jīng)達到1.65,形成了異常高壓,這種異常高壓可以延續(xù)到早白堊世末期。這一時期地層壓力形成可以視為地層高壓原始積累階段。這種地層壓力形成與鄂爾多斯盆地中生界埋藏演化與生烴史是一致的。中侏羅世晚期鄂爾多斯盆地長7烴源巖已經(jīng)進入了生油門限;同時,根據(jù)對延長組砂巖孔隙度演化研究表明,這個時期砂巖孔隙度下降很快,例如隴東地區(qū)長8段砂巖孔隙度下降到20%左右(圖3);早白堊世中期石油生成開始進入了高峰期,砂巖孔隙度下降到18%以下。由于沉積物快速沉積和埋深的不斷增加,泥質(zhì)巖中出現(xiàn)了壓實和排水不均衡現(xiàn)象,欠壓實作用明顯,剩余壓力增大,形成超壓(圖4)。(2)高壓消失階段。圖3顯示了早白堊世末期至古新世早期地層壓力呈現(xiàn)下降趨勢,剩余壓力變小,直至消失。從成因上來說,在早白堊世末期,受晚期燕山構造運動的影響,鄂爾多斯盆地遭受大面積抬升剝蝕,上覆地層負荷應力減小,同時地層溫度降低,生烴作用趨于停止,引起中生界壓力降低,高壓釋放直至消失。因此,這一時期是鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)中生界高壓釋放階段。(3)低壓形成階段。古新世早期以后,地層壓力繼續(xù)減小,出現(xiàn)低壓,至第四紀達到最低,地層壓力主要為異常低壓(圖3)。其原因是這時期的地質(zhì)構造抬升過程中,地層被剝蝕導致負荷降低,孔隙體積發(fā)生反彈,孔隙中流體因溫度的下降而收縮,使得孔隙體積增大,造成異常低壓的形成。這一時期為鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)中生界低壓形成階段。3地層壓力演化鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)古地層壓力演化特征與該地區(qū)油氣油藏特征都是一致的。在早白堊世中期,隴東地區(qū)長7段烴源巖地層壓力達到異常高壓,與鄰近長8儲集層之間存在壓力差,并且大部分地區(qū)這種壓力差都在0.8~8.4MPa之間,大于隴東地區(qū)長8段儲層油氣運移克服毛細管壓力所需的理論壓力值0.5MPa,為油氣初次運移提供了充足的動力條件。同時,在早白堊世之前,西66、西89、西269和鎮(zhèn)115和鎮(zhèn)303等井區(qū)(分布代表西峰油田和鎮(zhèn)北油田)的長8地層剩余壓力以及長7段與長8段之間的壓力差均比較低(表2),為油氣運移的指向地區(qū)。這種古地層壓力演化和分布與隴東地區(qū)長8段為主力油層及長8段油藏主要分布在西南部的西峰及鎮(zhèn)北地區(qū)相吻合。早白堊世末期以后地層壓力下降,形成現(xiàn)今地層低壓。地層低壓會造成流體的局部回流,促使油氣二次運移,龐雄奇等把這種流體運動稱為低壓吸拉流體運動,認為是促使油氣成藏的重要形式。西峰油田和鎮(zhèn)北油田地區(qū)在早白堊世末期構造抬升剝蝕后,造成砂體回彈,產(chǎn)生增容效應,地層形成較低的異常低壓(表2),產(chǎn)生的抽拉力成為油氣運移的動力,可能使油氣發(fā)出再富集,有利于規(guī)模比較大的西峰油田和鎮(zhèn)北油田的形成。4層序地層壓力演化與油氣運聚特征依據(jù)研究區(qū)聲波時差測井曲線資料和巖石與流體的物理數(shù)據(jù),利用等效深度法和構造抬升剝蝕后地層流體壓力的定量計算公式,分別計算了鄂爾多斯盆地隴東地區(qū)在早白堊世末期最大埋深時地層壓力和現(xiàn)今地層壓力;利用古地層壓力恢復方法確定了不同地史時期古地層壓力值,研究了該盆地隴東地區(qū)地史時期地層壓力的演化與油氣運聚特征。研究結果表明:(1)早白堊世末期該盆地隴東地區(qū)中生界地層普遍存在異常高壓,特別是延