超壓盆地深層油氣成藏條件分析

超壓盆地深層油氣成藏條件分析

0超壓發(fā)育的期次成藏機(jī)理隨著油氣勘探領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，盆地深度（h.3500m）成為中國(guó)東部油氣勘探的主要領(lǐng)域之一，石油地質(zhì)工作者越來越重視深部油氣成藏的機(jī)制。近年來的油氣勘探實(shí)踐和成藏機(jī)理研究表明，多期成藏和晚期生物是中國(guó)大氣田發(fā)育的重要特征之一。從最終形成西藏的角度來看，深層油氣的積累需要在深度埋條件下的目標(biāo)儲(chǔ)層保持較高的空隙和滲透率，并在目標(biāo)層段或其地下段中形成較高的萬噸開采能力。沉積盆地的超壓帶不僅是一個(gè)地層壓力明顯高于靜水壓（壓力系數(shù)大于1.2）的流量單元，而且是一個(gè)伴隨著盆地發(fā)育過程中不可避免的物理和化學(xué)系統(tǒng)。在超壓系統(tǒng)的形成中，本文從化學(xué)動(dòng)力學(xué)和超壓系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)力出發(fā)，探討了超壓條件下深層油氣藏藏的靜態(tài)條件和動(dòng)態(tài)環(huán)境。1超壓抑制有機(jī)質(zhì)熱演化和生烴作用機(jī)理活躍的源巖(處于有利的生、排烴狀態(tài)的源巖)是劃分含油氣系統(tǒng)的基礎(chǔ),亦是控制油氣分布的最重要因素之一.有效地確定深埋源巖的成熟度和生、排烴狀態(tài)是深層油氣資源評(píng)價(jià)和成藏條件分析的關(guān)鍵和難點(diǎn).經(jīng)典油氣生成理論認(rèn)為有機(jī)質(zhì)的熱演化和生烴作用受溫度和時(shí)間的控制而未考慮壓力的作用.20世紀(jì)80~90年代,關(guān)于壓力在有機(jī)質(zhì)熱演化和油氣生成中的作用,各國(guó)學(xué)者主要根據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果提出了3種相互矛盾的觀點(diǎn):(1)壓力對(duì)有機(jī)質(zhì)熱演化和油氣生成無明顯影響;(2)壓力的增大加速烴類的熱裂解;(3)壓力的增大明顯抑制有機(jī)質(zhì)熱演化和油氣生成作用.盡管模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果相互矛盾,沉積盆地超壓系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)熱演化的低異常證明超壓可以對(duì)有機(jī)質(zhì)熱演化和生烴過程產(chǎn)生強(qiáng)烈的抑制作用.如圖1所示,鶯歌海盆地樂東30-1-1A井發(fā)育3個(gè)壓力系統(tǒng):淺部常壓系統(tǒng)、中部超壓系統(tǒng)和深部強(qiáng)超壓系統(tǒng).在淺部常壓系統(tǒng),鏡質(zhì)體反射率隨埋藏深度增大而指數(shù)增大.在中部超壓系統(tǒng)特別是深部強(qiáng)超壓系統(tǒng),鏡質(zhì)體反射率梯度大大降低,明顯偏離傳統(tǒng)生烴模式的演化趨勢(shì)線,源巖成熟度明顯低于根據(jù)傳統(tǒng)模式的預(yù)測(cè)結(jié)果,二者之間的差值(圖1中的陰影部分)正是超壓抑制有機(jī)質(zhì)熱演化和油氣生成過程的結(jié)果.目前,超壓抑制有機(jī)質(zhì)熱演化和生烴作用的熱力學(xué)/化學(xué)動(dòng)力學(xué)機(jī)理尚不十分清楚,可能的因素包括地層水的作用、超壓條件下有機(jī)質(zhì)熱演化過程中的有機(jī)-無機(jī)相互作用及封閉-半封閉系統(tǒng)中有機(jī)質(zhì)熱演化產(chǎn)物的滯留效應(yīng)等.然而,隨著超壓盆地油氣勘探的深入,在越來越多的沉積盆地中發(fā)現(xiàn)了超壓對(duì)有機(jī)質(zhì)熱演化和油氣生成的抑制作用,如北海盆地、美國(guó)Unita盆地、加拿大Sable盆地,充分證明至少在部分超壓盆地中,生烴作用不是一個(gè)溫度、時(shí)間二因素控制的過程,而是溫度、時(shí)間、壓力(或超壓)三因素控制的化學(xué)動(dòng)力學(xué)過程.由于超壓對(duì)有機(jī)質(zhì)熱演化和生烴過程的抑制作用,在地溫梯度較高、源巖年代較老的沉積盆地中,根據(jù)傳統(tǒng)模式已進(jìn)入準(zhǔn)變質(zhì)作用階段的深層源巖可能仍保持在有利的生、排烴階段,成為深層油氣聚集的有效源巖.例如,在鶯歌海盆地樂東30-1-1A井中,5011m處的實(shí)測(cè)地溫為240℃,根據(jù)傳統(tǒng)模式計(jì)算的鏡質(zhì)體反射率已達(dá)2.2%,即已進(jìn)入準(zhǔn)變質(zhì)作用階段,但實(shí)測(cè)鏡質(zhì)體反射率僅為1.2%,地層中仍保存大量液態(tài)烴(圖1).因此,建立溫度-時(shí)間-壓力(超壓)三因素控制的生烴作用模型,有效地研究深埋第三系甚至前第三系源巖的生、排烴狀態(tài)對(duì)我國(guó)東部盆地深層油氣勘探具有重要的現(xiàn)實(shí)意義.2原油聚集與儲(chǔ)層超壓儲(chǔ)層的孔隙度、滲透率是控制油氣分布的重要因素.例如,珠江口盆地各油藏中,孔隙度低于10%、滲透率低于1×10-3μm2的儲(chǔ)層基本不含油(圖2);渤海灣盆地東營(yíng)凹陷孔隙度低于12%的砂巖透鏡體基本不含油(龐雄奇,2001,未發(fā)表統(tǒng)計(jì)資料).近年來的研究表明,孔隙度低于12%的儲(chǔ)層易于形成氣水倒置的深盆氣藏2.因此,深部?jī)?chǔ)層保持較高的孔隙度、滲透率是形成高效深層油氣藏的重要條件之一.深部砂巖儲(chǔ)層保持高孔隙度/滲透率的主要機(jī)制包括早期原油聚集、有機(jī)酸引起的溶解作用和次生孔隙發(fā)育、早期超壓引起的原生孔隙保存及超壓流體周期性排放引起的深層淋濾等。原油的注入使儲(chǔ)層成巖作用減緩甚至終止,因此在淺埋藏階段發(fā)生原油聚集的儲(chǔ)層在深埋過程中可保持較高的孔隙度和滲透率,但這種機(jī)制只適用于早期成藏.有機(jī)質(zhì)在熱演化過程中可釋放出有機(jī)酸.這些有機(jī)酸可使砂巖膠結(jié)物和碎屑顆粒溶解,形成次生孔隙,從而使深部?jī)?chǔ)層具有較高的孔隙度.例如,在珠江口盆地,構(gòu)造隆起帶儲(chǔ)層工業(yè)基底(孔隙度為10%)深度h<3500m,而在凹陷中心,儲(chǔ)層工業(yè)基底深度超過4000m,主要是凹陷區(qū)有機(jī)質(zhì)熱演化過程中釋放出的有機(jī)酸引起膠結(jié)物和碎屑顆粒溶解、次生孔隙發(fā)育的結(jié)果.在快速沉降-沉積的沉積盆地中,埋藏較淺、孔隙度較高的地層可發(fā)育超壓.超壓系統(tǒng)的有效應(yīng)力降低,導(dǎo)致壓實(shí)作用減弱并抑制了壓溶作用.同時(shí),超壓系統(tǒng)流體的流動(dòng)性較弱,導(dǎo)致成巖、膠結(jié)作用減緩.二者的共同作用使深部超壓儲(chǔ)層保持較高的孔隙度(圖3).例如,鶯歌海盆地樂東30-1-1A井埋藏深度超過5000m的砂巖仍保持點(diǎn)接觸,孔隙度可達(dá)20%;北海盆地埋藏深度超過5000m的超壓儲(chǔ)層的孔隙度可達(dá)30%以上.必須指出,晚期超壓(砂巖壓實(shí)、膠結(jié)程度很高時(shí)發(fā)育的超壓)對(duì)砂巖的孔隙度、滲透率的影響較弱.另外,超壓流體的周期性排放可引起溶解物質(zhì)帶出和溶解作用增強(qiáng),導(dǎo)致深部超壓砂巖發(fā)生深層淋濾,發(fā)育次生孔隙.這種機(jī)制的影響范圍較小.由于超壓對(duì)有機(jī)質(zhì)熱演化和生烴過程的抑制作用,超壓盆地中有機(jī)酸的釋放空間和有機(jī)酸對(duì)砂巖成巖作用的影響范圍大大超過常壓盆地.因此在超壓盆地中,低有效應(yīng)力引起的壓實(shí)作用減弱、流體流動(dòng)性減弱引起的膠結(jié)作用減緩及有機(jī)酸對(duì)礦物的溶解共同起作用,使深部超壓儲(chǔ)層具有較高的孔隙度.因此,從儲(chǔ)層-源巖的配置關(guān)系出發(fā),綜合研究超壓的發(fā)育機(jī)制和時(shí)間、超壓系統(tǒng)演化及儲(chǔ)層成巖過程的有機(jī)-無機(jī)相互作用是預(yù)測(cè)深層高孔滲儲(chǔ)層分布的關(guān)鍵.3儲(chǔ)層-蓋層流場(chǎng)特征良好的儲(chǔ)蓋組合是油氣成藏的重要條件.在超壓盆地中,當(dāng)?shù)貙訅毫咏蜻_(dá)到巖層破裂壓力(相當(dāng)于最小水平應(yīng)力,通常認(rèn)為是靜巖壓力的85%)時(shí),地層發(fā)生水力破裂(hydraulicfracture),超壓流體通過裂隙排出.幕式排放和穿層運(yùn)移(cross-formationmigration)是超壓流體活動(dòng)的最重要特征之一.因此,在超壓條件下發(fā)育良好蓋層(如孔喉直徑小、滲透率低且厚度較大的泥巖)的圈閉并非一定具有良好的封閉條件.近年來的勘探實(shí)踐和成藏機(jī)理研究證明,一些超壓盆地具有良好儲(chǔ)蓋組合的構(gòu)造由于能量配置不利而引起蓋層破裂和油氣溢散,未形成有效的油氣聚集.例如,瓊東南盆地崖13-1構(gòu)造和崖21-1構(gòu)造具有相似的發(fā)育史.崖13-1構(gòu)造形成了大型氣田,而鉆探證實(shí)崖21-1構(gòu)造為高壓水溶氣.研究表明,2個(gè)構(gòu)造的儲(chǔ)層-蓋層能量配置明顯不同,流體活動(dòng)特征亦不同:崖13-1構(gòu)造蓋層發(fā)育超壓、儲(chǔ)層為常壓,古、今熱異常發(fā)育于儲(chǔ)層段,反映了壓力封閉和側(cè)向流體充注(圖4);而崖21-1構(gòu)造儲(chǔ)層和蓋層均超壓,蓋層出現(xiàn)熱異常并發(fā)育異地流體,反映了蓋層破裂和垂向流體泄放(圖4).盡管崖21-1構(gòu)造儲(chǔ)層之上發(fā)育厚層泥巖,但不利的儲(chǔ)蓋能量配置導(dǎo)致的蓋層破裂是該構(gòu)造未能形成商業(yè)性氣藏的原因之一3.蓋層破裂是超壓油氣藏的常見現(xiàn)象,很多超壓油氣藏發(fā)育的氣煙筒或氣云正是蓋層破裂引起天然氣向上溢散的結(jié)果.然而,并非所有超壓圈閉蓋層都發(fā)生水力破裂,蓋層的破裂亦不意味著圈閉的完全破壞.蓋層曾發(fā)生破裂的圈閉能否形成商業(yè)性油氣藏取決于油氣的充注強(qiáng)度、充注速率、蓋層的破裂周期和破裂歷史.(1)由于輸導(dǎo)層中壓力的傳遞,側(cè)向上連通的系列圈閉中埋藏深度較小的圈閉蓋層更易達(dá)到破裂壓力(圖5a),發(fā)生蓋層破裂和油氣散失.現(xiàn)今埋藏深度較大的超壓圈閉可能只在埋藏較淺的某一歷史時(shí)期達(dá)到蓋層的破裂壓力,蓋層的破裂不影響其后的油氣聚集.例如,北海盆地Ekofisk和Albuskjell等超壓圈閉在埋藏較淺時(shí)曾發(fā)生蓋層破裂,并形成了氣煙筒,但這些構(gòu)造均發(fā)育了商業(yè)性油藏,并充注至構(gòu)造溢出點(diǎn).(2)現(xiàn)今處于周期性蓋層破裂階段的超壓圈閉能否形成商業(yè)性油氣藏取決于油氣的充注速率和最晚一次蓋層破裂的時(shí)間.美國(guó)聯(lián)邦能源委員會(huì)對(duì)氣藏的壓力測(cè)試表明,在蓋層破裂后,超壓系統(tǒng)的流體壓力梯度降至約0.0135MPa/m時(shí)蓋層愈合.因此,儲(chǔ)層壓力達(dá)到或接近破裂壓力意味著圈閉尚未發(fā)生新的破裂,而儲(chǔ)層壓力低可能意味著蓋層破裂和流體釋放剛剛結(jié)束.在油氣充注速率較高的盆地,目前仍處于蓋層周期性破裂階段的超壓圈閉可形成商業(yè)性油藏甚至氣藏.例如,北海盆地Valhall構(gòu)造儲(chǔ)層壓力已達(dá)到蓋層破裂壓力(圖5b),并發(fā)育氣煙筒,但仍形成了商業(yè)性油藏;鶯歌海盆地東方1-1構(gòu)造中深層壓力系數(shù)大于2.0,但勘探結(jié)果證明仍發(fā)育超壓氣層.(3)膏鹽沉積具有極強(qiáng)的韌性,不易發(fā)生脆性破裂,因此可封閉較高的流體壓力.例如,庫車凹陷克拉2號(hào)構(gòu)造壓力系數(shù)大于2,仍保存2000億m3以上的天然氣.由上述可見,盡管超壓盆地油氣傾向于在淺部靜水壓力系統(tǒng)(特別是超壓界面附近)富集,但深部超壓系統(tǒng)既可形成商業(yè)性油藏,亦可形成商業(yè)性氣藏.詳細(xì)分析、預(yù)測(cè)不同圈閉的壓力分布并根據(jù)巖石力學(xué)性質(zhì)確定蓋層破裂規(guī)律和破裂周期、破裂歷史對(duì)超壓圈閉油氣勘探具有極其重要的意義.4超壓調(diào)節(jié)盆地壓力配置要求超壓帶是一個(gè)在盆地演化過程中無機(jī)礦物、有機(jī)質(zhì)和孔隙流體性質(zhì)不斷變化的多過程伴生的物理-化學(xué)系統(tǒng).超壓系統(tǒng)演化過程中化學(xué)動(dòng)力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)過程的特殊性既為深層油氣成藏提供了較好的烴源和儲(chǔ)集條件,又為深層超壓油氣藏的形成和保存提出了特殊的能量配置要求.超壓對(duì)有機(jī)質(zhì)熱演化的抑制作用使在常壓盆地中已強(qiáng)烈過成熟的源巖仍保持在有利的生、排烴階段,從而為深層油氣聚集提供良好的烴源;超壓系統(tǒng)低有效應(yīng)力引起的壓實(shí)作用減弱、流體流動(dòng)性減弱引起的膠結(jié)作用減緩及有機(jī)酸對(duì)礦物的溶解共同起作用,使深部超壓儲(chǔ)層具有較高的孔隙度和滲透率