異常高壓烴源層的儲層形成機(jī)理

異常高壓烴源層的儲層形成機(jī)理

0異常高壓對油氣異常高壓不僅是油氣運(yùn)輸?shù)闹匾獎恿碓?，也是控制油氣分布的重要因素。世界上?80多個沉積盆地的油氣分布與異常高壓有關(guān),高壓油氣田約占全球油氣田的30%,所以文獻(xiàn)將異常高壓列為形成大油氣田的五大基本要素之一。我國東部和西部含油氣盆地也發(fā)現(xiàn)了許多與異常高壓有關(guān)的油氣藏和有利勘探目標(biāo),證實(shí)油氣藏的形成和分布與異常高壓關(guān)系非常密切。異常高壓對油氣的作用是多方面的,例如有機(jī)質(zhì)的成熟過程,油氣形成及賦存相態(tài),運(yùn)移、聚集動力,對烴類的封存、破壞作用以及控制油氣空間分布規(guī)律等。本文結(jié)合準(zhǔn)噶爾盆地、東營凹陷的實(shí)際,重點(diǎn)討論異常高壓與上述諸過程或作用的關(guān)系、特征及作用結(jié)果,探討異常高壓對油氣運(yùn)移、聚集、成藏過程作用的某些機(jī)理。1不同層系的壓力系統(tǒng)油氣的形成過程與溫度和時(shí)間關(guān)系密切,與壓力的關(guān)系并不大。但壓力對油氣運(yùn)聚及成藏影響較大,故研究盆地溫度場和壓力場的性質(zhì)及二者關(guān)系,是成藏分析的關(guān)鍵之一。不同盆地具有不同的溫-壓關(guān)系,且地溫和地壓的關(guān)系也有顯著差別。在異常高壓系統(tǒng)地層剖面中,深層和淺層的溫度與壓力變化是連續(xù)的折線關(guān)系,而在低溫地層剖面中則為非連續(xù)的錯斷直線關(guān)系。在高壓型地層剖面的高壓段內(nèi),溫度增加的幅度變緩,壓力增加的幅度變快(見圖1),這種規(guī)律在東營凹陷、松遼盆地和準(zhǔn)噶爾盆地等均存在,說明是一種較普遍的地質(zhì)規(guī)律。壓力系統(tǒng)的性質(zhì)反映了地下流體的能量和系統(tǒng)內(nèi)流體的封閉程度。存在異常高壓系統(tǒng),表明深部的地層流體動能較高,同時(shí)指示了盆地深、淺層流體的連通性差,不利于能量的交換,因此異常高壓的存在更有利于油氣的封存。相反,在低壓系統(tǒng)中,深層流體動能較小,深、淺層連通性較好,有利于油氣的垂向運(yùn)移。在封閉的含水系統(tǒng)內(nèi),溫度每變化0.56℃,壓力可變化0.76～0.86MPa,含淡水地層的溫度升高4.4℃即可產(chǎn)生6.9MPa過剩壓力(Baker,1972;Magara,1978;Bradley,1975)。溫度的增加促使有機(jī)質(zhì)向油氣轉(zhuǎn)化,溫度增高生成氣態(tài)烴后,可使系統(tǒng)內(nèi)壓力劇增,而高壓環(huán)境的形成使烴分子相互碰撞的概率大為增加,為克服壓力作用而消耗的熱能,轉(zhuǎn)而使溫度的增加率明顯減緩,結(jié)果使高壓段內(nèi)有機(jī)質(zhì)成熟度與埋藏深度不對應(yīng),相對產(chǎn)氣率下降而產(chǎn)油率增加。因此,在高壓系統(tǒng)內(nèi),溫度和壓力是相互影響和彼此制約的兩個重要地質(zhì)參數(shù),它們對烴類作用的過程、機(jī)理和結(jié)果都是復(fù)雜的。2異常高壓和油氣的形成、運(yùn)載和儲存2.1不同高壓段ro值的對比在深部油氣富集和保存的特殊地質(zhì)-地球化學(xué)條件中,最重要的是異常高壓(鮑格達(dá)諾夫MM,1989)。研究顯示,在相同溫度條件下,較高的壓力抑制了有機(jī)質(zhì)的成熟作用,使烴源巖成熟度明顯降低,正是這種高壓抑制成熟度的作用擴(kuò)大了液態(tài)窗的深度區(qū)間。在準(zhǔn)噶爾盆地,盆參2井和盆4井高壓段內(nèi)的Ro值比正常壓力段明顯偏低。如盆4井4000～4514m正常壓力井段Ro值按正常趨勢線隨深度呈線性增加,而4600m以下高壓段的Ro值明顯負(fù)偏離正常趨勢線(見圖2),4893～5256m井段為0.56%～0.60%,低于4484.5m的Ro值(0.66%～0.72%)。盆參2井與盆4井相似,4600m以下高壓段內(nèi)Ro值明顯偏低,4904～5015m井段的Ro值僅為0.50%～0.61%。前人研究也表明,在相同溫度下,較高的壓力使產(chǎn)氣率下降、產(chǎn)油率上升,如在模擬溫度為300℃(相當(dāng)于生油高峰階段)時(shí),異常高壓層產(chǎn)油率比正常壓力段要高39%～120%,在400℃時(shí)高53%～471%。在地層形成高壓的過程中,與其相伴的高溫使流體性質(zhì)顯著變化,如氣態(tài)烴在液態(tài)烴中的溶解度增加、密度和黏度降低等;在高壓動力作用下,烴以混溶相涌流或噴流方式向高壓系統(tǒng)之外運(yùn)移,液態(tài)烴大部分以多組分凝析氣混合物的形式存在,通常形成以氣和凝析油(氣)為主的聚集。準(zhǔn)噶爾盆地腹部莫北2井即是這種情況,根據(jù)異常高壓成藏模式預(yù)測,該井4400m深度(高壓段頂界)以上的正常壓力段應(yīng)是氣和凝析氣(油)聚集的有利場所,異常高壓段內(nèi)是液態(tài)烴聚集的有利部位,這已被油氣測試結(jié)果所證實(shí)。然而,溫度和壓力并非在各種條件下都是深部烴類相態(tài)的決定性條件,其相態(tài)還與有機(jī)質(zhì)類型、所生成液態(tài)烴與氣態(tài)烴的比例、流體后生變化等因素有關(guān)。盡管如此,異常高壓環(huán)境下能保存較多的液態(tài)烴,這不僅反映了壓力對油氣賦存狀態(tài)的作用,突破了“石油窗”的傳統(tǒng)概念,更重要的是擴(kuò)大了在高壓盆地深層勘探石油的前景。2.2“離心式”流體勢場的作用異常高壓對油氣既起封堵作用而形成聚集,又促使油氣再運(yùn)移、聚集或逸散。在許多異常高壓系統(tǒng)的頂部,都存在一種被稱為封隔層(seal)的致密巖性帶,來自封隔層之下和側(cè)向的烴類可通過孔隙、斷層和微裂縫等通道,向封隔層底部運(yùn)移和聚集。隨著烴類聚集量的增加,特別是氣態(tài)烴量的增加,壓力不斷上升,當(dāng)壓力超過封隔層的破裂壓力時(shí),可產(chǎn)生大量微裂縫,使已聚集的高壓流體再次運(yùn)移至封隔層之上或周圍地層中,或者逸散,或者形成新的聚集。一旦系統(tǒng)壓力降到低于封隔層的破裂壓力時(shí),微裂縫即閉合,封隔層再次形成遮擋條件。這種積壓—釋壓—積壓的過程在地史中可反復(fù)出現(xiàn)。在準(zhǔn)噶爾盆地腹部地區(qū),這種封隔層由鈣質(zhì)、硅質(zhì)和鐵質(zhì)的泥巖組成,其碳酸鹽含量高達(dá)25%。研究盆參2井的巖心資料發(fā)現(xiàn),在4400m深度的封隔層附近及其以下的高壓層內(nèi),砂、泥巖均有大量的垂直和水平的微裂縫(見表1),有的已被充填,有的含油或無充填物。在東營凹陷沙三段、沙四段高壓層(致密鈣質(zhì)層)的頂部附近也發(fā)育類似的微裂縫,成為油氣由生油的沙三段、沙四段向上垂向運(yùn)移的又一重要通道。異常高壓對油氣運(yùn)聚更重要的作用,在于它是構(gòu)成盆地區(qū)域流體勢場的一種重要動力來源。在壓實(shí)流盆地中,盆地、坳陷或凹陷中心往往是異常高壓發(fā)育的主要區(qū)域,而剖面上異常高壓又主要存在于厚層泥巖中。在壓實(shí)過程中,高壓泥巖可向與其相鄰的砂巖傳導(dǎo)壓力,并在壓力差(或勢)的作用下向砂巖排水、排烴,這種水動力即是形成區(qū)域“離心式”流體勢場的主要因素。正是在“離心式”流體勢場的作用下,油氣從生油(坳陷、凹陷)中心沿運(yùn)載層、斷層、不整合面等通道,向邊緣地區(qū)進(jìn)行以側(cè)向?yàn)橹鞯倪\(yùn)移并聚集。東營凹陷沙三段、沙四段油氣的區(qū)域運(yùn)移、聚集就是受這種“離心式”流體勢場的控制,最終形成油氣藏圍繞主要生油中心呈“環(huán)帶狀”分布的格局。我國許多含油氣盆地都存在這一基本規(guī)律。2.3異常高壓作用異常高壓對儲集性能的影響主要表現(xiàn)在以下方面:①異常高壓形成之后,阻滯了高壓系統(tǒng)內(nèi)流體的運(yùn)動和能量交換,減緩或抑制了成巖作用,結(jié)果是使儲集層保留了較高的孔隙空間。例如盆參2井和盆4井4400～5200m深度的高壓段內(nèi)孔隙度明顯增大,最高可達(dá)10.6%～15.2%。②異常高壓支撐了部分上覆巖體的荷重,減小了地層的有效應(yīng)力,從而也減緩了對超壓層系的壓實(shí)作用,儲集空間因此得以保存。例如準(zhǔn)噶爾盆地南緣下第三系安集海河組高壓層的孔隙度高達(dá)30%以上。③異常高壓作用下形成的微裂縫不僅增加了儲集空間,更重要的是改善了高壓系統(tǒng)內(nèi)儲集層的連通性,大大增強(qiáng)了儲集層滲透性能。例如盆參2井、盆4井和莫2井高壓層內(nèi),微裂縫泥巖孔隙度達(dá)18.1%～20.1%,且孔隙度與滲透率有較好的線性關(guān)系。2.4不同層系的高壓泥巖在頂封滯排型和封閉型高壓系統(tǒng)中,致密封隔層是一種理想的封蓋層,它不僅是良好的物性邊界,而且還是優(yōu)良的“熱性”界面,即正常條件下油氣能通過的各類巖石,在高溫高壓條件下可能成為封蓋層。因?yàn)楦邷馗邏簵l件下的含烴(尤其是氣)儲集層的熱導(dǎo)率大大低于含水儲集層,在其邊界處會出現(xiàn)負(fù)熱動力梯度,此時(shí)覆蓋氣藏的巖層就成為“熱”蓋層。在封隔層形成過程中,泥質(zhì)巖中黏土礦物的轉(zhuǎn)化和成巖化學(xué)作用可產(chǎn)生多方面效應(yīng):釋放的Si、Ca、Fe、Mg等離子富集于泥巖層表面而形成封閉(如盆參2井封隔層的碳酸鹽含量高達(dá)25%,富集硅質(zhì)、鐵質(zhì));自生礦物的晶出導(dǎo)致孔隙被堵塞;高嶺石、蒙脫石向伊利石的轉(zhuǎn)變可產(chǎn)生大量束縛孔隙喉道,大大降低滲透率,增加了阻止烴類逸散的能力。在滯排型超壓系統(tǒng)中,飽含流體的高壓泥巖本身就是一種理想的蓋層,被稱為“壓力封閉”(pressuresealing),是加拿大西部盆地天然氣藏形成的最關(guān)鍵條件。準(zhǔn)噶爾盆地南緣的安集海河組高壓泥巖即為典型的“壓力封閉”理想封蓋層,在呼圖壁構(gòu)造天然氣聚集中起了非常關(guān)鍵的作用(見圖3)?！皦毫Ψ忾]”的泥巖具有剩余壓力或流體勢邊界這樣的物理封閉能力,其高勢面位于高壓泥巖層的中部,將烴類阻止于泥巖層的下方而聚集,同時(shí)對儲集層孔滲性的保存、增強(qiáng)抗構(gòu)造變形的能力、增強(qiáng)斷層封堵性和阻止烴類垂向流動都非常有效。與物性封閉不同,物理封閉無論對水溶相還是對游離相的烴類都是有效的。對于像準(zhǔn)噶爾盆地南緣這樣構(gòu)造變形較強(qiáng)烈的地區(qū),“壓力封閉”的高壓泥巖對形成天然氣聚集的作用極為重要。3層位與油氣運(yùn)移期的關(guān)系異常高壓不僅對油氣的運(yùn)移、聚集、保存有積極作用,而且控制著成藏過程和油氣分布,其關(guān)鍵是高壓系統(tǒng)分布的層位與烴源巖的配置關(guān)系、高壓形成時(shí)間與油氣運(yùn)移期的配置關(guān)系等。研究表明,準(zhǔn)噶爾盆地異常高壓系統(tǒng)控制的油氣分布有多種形式(見表2):油氣突破封隔層在其上的砂巖儲集層中成藏(如莫北2井);油氣在超壓層內(nèi)部成藏(如莫索灣、石西、石南);油氣緊鄰“壓力封閉”層之下成藏(如呼圖壁)。4壓力系數(shù)特征前文討論的主要是異常高壓對油氣形成、運(yùn)聚、封蓋及成藏起積極作用的機(jī)理。然而,過高的異常壓力并不利于油氣成藏,因?yàn)橛蜌獠厥堑貙訙?壓動平衡條件下的產(chǎn)物,壓力過高將會打破這種平衡狀態(tài)而轉(zhuǎn)向負(fù)面。根據(jù)世界范圍油氣藏形成與地層壓力系數(shù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果,壓力系數(shù)大于1.94時(shí)基本不具備成藏條件。在大油氣田形成過程中,局部存在的高壓(壓力系數(shù)一般不超過2)起著積極作用,而超高壓將使區(qū)域范圍內(nèi)的水動力條件活躍起來,不利于油氣藏的保存。正如前文所述,壓力過高產(chǎn)生的微裂縫既有利于油氣垂向運(yùn)移、聚集,也可導(dǎo)致已聚集的油氣逸散。呼圖壁背斜鉆穿安集海河組高壓層進(jìn)入紫泥泉子組,壓力系數(shù)迅速由1.86降至1.25,具備成藏條件(鉆探業(yè)已證明);而安集海構(gòu)造鉆穿安集海河組進(jìn)入目的層紫泥泉子組、東溝組時(shí),地層壓力系數(shù)無明顯降低,多保持在2.0以上,西湖構(gòu)造西4井井底的深層紫泥泉子組地層壓力系數(shù)也達(dá)2.1以上,筆者認(rèn)為對油氣成藏不利。5異常高壓輔助成藏高溫可加快烴類的生成、促進(jìn)黏土礦物轉(zhuǎn)化和成巖化學(xué)變化,為形成異常高壓創(chuàng)造了條件;高壓可抑制上述作用和過程,并對溫度的增加起一定制約作用。二者相互影響、彼此制約的機(jī)理值得進(jìn)一步探討。在封閉的高溫-高壓系統(tǒng)內(nèi),異常高壓對有機(jī)質(zhì)的成熟有明顯的減緩甚至抑制效應(yīng),并對油氣賦存的狀態(tài)有重要影響。這一認(rèn)識有助于了解深層高溫條件下仍存在大量液態(tài)烴的機(jī)理,同時(shí)也警示要慎用“液態(tài)窗”的概念。異常高壓是油氣運(yùn)聚的一種重要動力來源,它可使封隔層與圍巖產(chǎn)生裂縫或其它形式的運(yùn)移通道,對導(dǎo)通烴源巖與運(yùn)移通道系統(tǒng)、促進(jìn)運(yùn)移、形成油氣聚集都非常有利;在壓實(shí)流盆地中,異常高壓形成的流體勢能更是驅(qū)動油氣區(qū)域性側(cè)向運(yùn)移的動力學(xué)機(jī)制。然而,異常高壓也可導(dǎo)致成藏環(huán)境的失衡,使已聚集的油氣再運(yùn)移或逸散。與成藏基本要素配合,異常高壓可控制油氣的成藏和分布,而且不同異常高壓系統(tǒng)對烴類的封閉效果和機(jī)理