油氣田水文巖系研究的回顧與展望

油氣田水文巖系研究的回顧與展望

1油氣地質運移的目1909年，mu氮提出了氣田運動收集的水-石油鹽酸理論。M.K.Hubbert考慮在單一含水層中水流單方向運動水動力條件下石油圈閉形成的能量條件,提出流體勢的概念,較全面地描述了地下流體的運動狀態(tài)。在流體勢提出之后的最初幾年內,石油界廣泛接受了這一概念。盡管Hubbert流體勢的理論是由能量原理推導出來的并經(jīng)過了實驗驗證,但這一理論長期以來并沒有很好地被應用到石油地質研究中,直到80年代以來,隨著石油地質理論朝著定量研究方向的發(fā)展,才重新引起人們的重視。E.C.Dahlberg油氣勘探實用水力學一書的問世,標志著流體勢理論向實用方向發(fā)展的重要一步,與此同時J.Toth的廣義水動力學理論為石油地質工作者認識盆地中油氣運聚的規(guī)律提供了一個全新的思路。另一方面,油田水文地球化學理論也不斷得到發(fā)展,系統(tǒng)地提出和總結水文地球化學找油法的是前蘇聯(lián)的B.A.蘇林、A.A.瓦洛夫等人,40年代水文地球化學找油法曾在前蘇聯(lián)等國試驗研究。而在50年代后期,該方法受到冷遇,處于停滯狀態(tài)。以后地質學家和地球化學家們致力于研究水文地球化學找油的理論基礎,綜合運用物理化學和現(xiàn)代分析方法,研究水與周圍介質之間的關系,建立了水文地球化學試驗場,確定水文地球化學測量原則,使得人們對此方法的興趣又復蘇了。近年來,水文地球化學找油工作,被視為石油地質領域中比較完善的常規(guī)找油方法之一。在我國,油氣田水文地質學的發(fā)展相對比較落后,是由于我國人才培養(yǎng)機制和勘探與開發(fā)管理機制的特殊性,往往勘探人員不懂地下流體的滲流問題和開發(fā)問題,而開發(fā)人員又很少懂得地質問題。在這樣一種條件下,作為一門邊緣學科的油田水文地質學就難以得到發(fā)展。隨著石油工業(yè)的發(fā)展,我國東部老區(qū)挖潛和西部新區(qū)的勘探,迫切需要有新的勘探思路,近年來通過大量實踐的總結,一個合理的勘探思路正在獲得越來越廣泛的接受:即以整個盆地發(fā)育史為基礎,以油氣運移史為紐帶,將生油層、儲集層、蓋層、圈閉等靜態(tài)地質條件有機地結合起來,追溯油氣藏形成的全過程,進而從靜態(tài)和動態(tài)條件上全面評價一個地區(qū)的含油氣遠景。而運移研究是實現(xiàn)上述勘探思路的重要環(huán)節(jié)。油氣運移和聚集規(guī)律的研究,向油田水文地質學提出了嚴峻的挑戰(zhàn),同時也促進了該學科的發(fā)展。2油氣水文人類學的發(fā)展方向作者提出油氣田水文地質學方法體系(圖1),以便全面反映水文地質在油氣勘探和開發(fā)各個階段的作用、意義,為油氣田水文地質學的發(fā)展提供一條思路。在油氣田水文地質研究中,作者首次明確提出空間尺度和時間尺度問題,并以此為線索進行分析,下面按空間尺度和時間尺度分別討論(圖1)。2.1下水文層與油氣在空間尺度上,水文地質問題分為縱向和橫向兩個方面。在縱向上,根據(jù)前蘇聯(lián)學者的研究,可劃分為上水文地質層(深度0.5—1km)和下水文地質層(0.5—1km——鉆探可達的深部),而下水文地質層又可分為上水文地質亞層(0.5—1km,3—4km)和下水文地質亞層(3—4km——鉆探可達的深部)(見圖2)。上水文地質層是向上張開的,對油氣聚集最為不利,在本層內油氣藏經(jīng)受著嚴重的機械與物理—化學的破壞作用,并形成剩余的硬瀝青和稠瀝青礦藏;在下水文地質層的上亞層內,由于封閉性、側向上的屏蔽性、高空隙容積和在高壓出水條件下保證有相對較大的“聚烴”面積和最穩(wěn)定的側向傳導性,為油氣聚集創(chuàng)造了最有利的流體動力條件;下水文地質層下亞層的上部是朝下方張開的,在它的上部飽和流體帶的側向相互聯(lián)系較弱,這也是油氣聚集相對有利的地帶,但這里期望得到的油藏規(guī)模較上亞層小得多。一般來說上水文地質亞層有利于油氣的聚集和保存,油氣勘探應以上水文地質亞層作為重點研究對象,進行水文地質旋回的劃分,研究每個水文地質旋回中油氣運聚和保存的條件。在橫向上,水文地質研究的尺度從大到小依次為盆地水文地條件、含油氣系統(tǒng)水文地質條件、區(qū)帶水文地質條件、圈閉水文地質條件以及多相微觀滲流機制的研究(圖1)。其中,盆地水文地質條件研究,旨在從宏觀上劃分盆地的類型(如把盆地分成壓實流盆地、重力流盆地和滯流盆地),而微觀滲流機制的研究,旨在為定量水文地質研究提供動力學方程。2.2盆地的古水動力模式一個沉積盆地的形成,是一個動態(tài)過程,是一系列構造運動和沉積演化不斷發(fā)展的結果,隨著盆地的演化,盆地水文地質條件也在不斷地發(fā)展演化,形成一個動態(tài)過程。我們現(xiàn)今所看到的盆地水文地質條件和盆地中油氣的分布狀況,是這一過程中的瞬時面貌,是盆地演化的最后一幕。為了正確地認識盆地中油氣運聚的規(guī)律,不僅要研究盆地的現(xiàn)今水文地質條件,而且要研究盆地的古水文地質條件,最終獲得流體勢演化史的三維動畫,并以此結合其它專業(yè)進行含油氣預測。圖3表明美國丹佛盆地古水動力的演化過程,圖3a)是白堊紀末期壓實流作用下盆地的古水動力模式。圖3b)是始新世重力作用下盆地的古水動力模式,可見從白堊紀末至始新世,盆地的類型從壓實流盆地變成重力流盆地,而這種變化主要是由始新世盆地西緣在造山運動作用下強烈抬升而引起的,Lee和Bethke結合古水動力條件和成巖作用,合理地解釋了Lyons砂巖層中油氣聚集的規(guī)律。另一方面,開發(fā)水文地質問題,實際上是儲層在人為干擾下的短期行為問題,開發(fā)水文地質條件研究,必須以微觀滲流機制作為基礎,分析圈閉中甚至一個區(qū)帶中,在開發(fā)條件下,儲層介質的非均質性、薄層遮擋性、儲層介質的水敏性等因素對開發(fā)效率的影響,以確定合理的開發(fā)方案。應當指出,油氣田水文地質條件的研究,必須同時考慮空間尺度和時間尺度,在不同研究階段,針對不同的研究目的,選取適當?shù)目臻g尺度和時間尺度。最后,我們強調水文地質分析貫穿于油氣勘探和開發(fā)的各個階段,同時,水文地質分析又是一個連續(xù)不斷、循環(huán)往復的過程。3信息地質工作者對地質工作的作者提出了一些問題,引起地質工作者的重視,并根據(jù)自己目前,在油田水文地質學領域內,無論是宏觀尺度上,還是微觀尺度上,有許多理論問題還沒有得到解決或者還沒有引起石油地質工作者的重視,作者根據(jù)自己的認識,提出這樣一些問題,進行討論,給出作者的見解,以期拋磚引玉,最終獲得這些問題的正確答案。3.1盆地水動力類型的轉化法國學者Coustau等根據(jù)盆地的水動力特征,將盆地劃分為“青年”盆地、“中年”盆地和“老年”盆地。楊緒充參照Coustau的分類,提出壓實流盆地、重力流盆地和滯流盆地的分類(圖4),楊緒充的分類與Coustau的分類無本質上的區(qū)別,只是加進了過渡類型的盆地(壓實流—重力流、重力流—滯流)。一般認為,以上盆地類型的劃分是據(jù)盆地不同發(fā)展演化階段的水動力特征進行的,但作者對這一分類方案提出異議,作者認為,壓實流盆地可以通過演化成重力流盆地再向滯流盆地進行轉化,也可以不經(jīng)過重力流盆地階段直接向滯流盆地轉化,所以,以上分類方案是不完善的。而這一不完善性,給人們造成一種錯覺,似乎盆地必然要經(jīng)過三個階段的演化,而只是時間長短的問題,這就掩蓋了盆地演化的機制問題。我們認為,壓實流階段是每個盆地在演化過程中必然經(jīng)歷的階段,當盆地沉積停止之后,若沒有發(fā)生強烈的造山運動以致于改變盆地的水動力模式,則盆地就可能始終處于壓實流階段,成為老壓實流盆地,或者過渡到壓實—滯流型,而只有在強烈造山運動的作用下,壓實流盆地才有可能轉化為重力流盆地,圖3所示丹佛盆地始新世造山運動前后盆地水動力類型的轉化為這一論點提供了一個佐證。在實際工作中,同時認識盆地的水動力類型及其演化的機制,就能夠更好地指導油氣勘探,尤其是對多旋回構造運動影響下的盆地,這一點非常重要。3.2兩種不同的地下水流模型1953年Hubbert提出流體勢理論以后的幾年內,該理論在石油工業(yè)界被廣泛接受,但是,隨著鉆井深度的增加,在世界各地揭示出越來越多的超壓現(xiàn)象。Hubbert和Rubey認為超壓現(xiàn)象是由地下介質滲透性的差異引起的,地下水可以穿層流動形成水力連續(xù),而Bradley則提出相反的看法。在70年代末期,80年代初期,Toth系統(tǒng)地闡述了穿層重力流理論(圖5),該理論認為,在地質上成熟的盆地內(構造活動停止,盆地長期穩(wěn)定),地下水流構成統(tǒng)一的水力系統(tǒng),具有區(qū)域上的水力連續(xù)性,地下水流的模式主要受地形因素的控制,在重力作用下,從高地形區(qū)流向低地形區(qū),盆地中各含水層系測壓水頭具有相似的勢能特征,并明顯地受地表形態(tài)的控制,水的化學成分從補給區(qū)經(jīng)徑流區(qū)到排泄區(qū),發(fā)生系統(tǒng)變化(),水礦化度亦沿此方向升高,油氣在重力流作用下,有向盆地泄水區(qū)集中分布的趨勢,在運移通道上,遇到構造、巖性、斷層等的遮擋可形成水動力圈閉。Toth理論的內核,實質上是區(qū)域水力連續(xù)性。Toth繼承Hubbert的觀點在水力連續(xù)性這一基本前提下,用地下介質滲透性的差異來解釋超壓現(xiàn)象。進入90年代,Hunt系統(tǒng)地提出了流體封存箱的概念(圖6),用以解釋超壓現(xiàn)象的存在。Hunt認為,流體封存箱一般存在于3048m(10000英尺)以下,封存箱構成三維封閉系統(tǒng),封存箱內外不存在水力聯(lián)系,當盆地接受快速沉積,或由于封存箱內水熱增溫、生烴擴張等因素影響下,封存箱內流體壓力高而又不能及時地排出即可形成超高壓現(xiàn)象(圖6a);而當上覆地層遭受剝蝕,使箱內巖體骨架回彈,同時,箱外的水又不進入箱內,使箱內流體虧空,即可形成超低壓現(xiàn)象(圖6b);另外,當流體封存箱內壓力聚集到一定程度后,高壓流體可沖破封存蓋,形成微裂縫,使箱內流體卸壓,油氣可沿微裂縫與水一起進入上覆地層,當箱內壓力降低至一定程度,封存蓋微裂縫閉合,開始下一個壓力聚集與破壞過程的孕育。Hunt觀點與Toth觀點有一個本質上的不同點,即Toth基于地下水力上的連續(xù)性,而Hunt的觀點則否認這種連續(xù)性,從認識論角度來看,Toth觀點屬漸變論范疇,而Hunt觀點屬突變論范疇。到底哪種觀點更能準確地反映地下流體的運移及超壓現(xiàn)象的形成過程,某前在國內外尚無統(tǒng)一的認識。3.3基層組織特點關于斷層對流體運動和對油氣運聚的作用,眾說紛紜,有人把斷層對流體的傳導性(或封閉性)與斷層性質聯(lián)系起來,有人把它與斷層形成時間(是否同生)聯(lián)系起來,還有人把它與斷層兩盤的地層組合聯(lián)系起來。王平根據(jù)我國東部復雜斷塊油田詳查與開發(fā)的實際資料,通過對地下深部地應力狀況和斷裂形成條件的分析,指出斷層是否封閉是相對的。強調斷層在靜止狀態(tài)主要起封閉作用,在活動狀態(tài)主要起導流作用。我們認為,斷層在油氣運聚中的作用,在一個含油氣系統(tǒng)中,總體上來說是不利的,斷層雖起到圈閉作用,但由于斷層的存在,圈閉的數(shù)量縮小了,我們還認為,油氣沿斷層垂向運移而形成的油氣藏,一般為次生油氣藏,是油氣再運移的結果。3.4裂縫展布方向對設計效果的影響多種成因的裂縫,是致密砂巖儲層和碳酸鹽巖儲層中非均質性的主要影響因素。但無論裂縫的成因多么復雜,構造裂縫占有重要的地位,對裂縫性儲層的滲透性起主導作用,而構造裂縫的發(fā)育,一般服從一定的規(guī)律,就其展布方向而言,可分為方向裂縫組系,這就使我們可能通過各種方法,認識這一規(guī)律性,抓住主要矛盾,對裂縫性儲層做出合理的評價。在開發(fā)工作中,人們已經(jīng)認識到裂縫展布方向性對開發(fā)效果有一定影響。并把這一認識應用到開發(fā)方案的設計上,取得了較好的效果。但是,在勘探工作中,人們還沒有注意到裂縫展布的方向性、不同方向裂縫的導流性能對油氣運聚可能產(chǎn)生的影響。我國基巖水文地質學家田開銘教授用實驗驗證了在不同方向裂縫縫寬不同之情況下,地下水在裂縫介質中的流動出現(xiàn)偏向、偏流現(xiàn)象(圖7)。那么,這些現(xiàn)象對于油氣運聚的方向和運聚量的大小有什么影響呢?這實際上是要解決油氣水多相在地下裂縫網(wǎng)絡中運動的物理機制問題。這一重大理論問題的解決,必將對我國的深層油氣藏、基巖油氣藏、低滲透油氣藏及西部碳酸鹽巖油氣藏的勘探與開發(fā)將起到很大的推進作用。3.5水動力階段與油氣運移關系地殼構造運動和沉積構造的旋回性導致了區(qū)域古水文地質作用的旋回性,水文地質旋回主要體現(xiàn)在水動力周期和水化學周期兩個方面。水動力周期是自盆地下陷沉積物形成,到盆地停止下陷或轉為上升,沉積物遭到剝蝕整個過程中的地下水動力作用。一般情況下,可將一個水動力周期進一步劃分為擠出(沉積)與滲入(淋濾)兩個水動力階段。油氣生成、運移、聚集和保存往往與沉積水動力階段有關,而滲入水動力階段往往導致油氣的再運移、再聚集以及氧化、破壞、散失等。盆地波動分析是新近發(fā)展起來的一個新方法,其主要目的在于定量地分析盆地的構造和沉積發(fā)育過程,而水文地質旋回又受構造和沉積發(fā)育史的控制,故從理論上來講,水文地質旋回分析和盆地波動分析完全可以結合起來,相互促進,相互完善。圖8表示塔里木盆地塔北、塔中地區(qū)地層水礦化度縱向變化規(guī)律,可見地層水礦化度在縱向上的變化呈現(xiàn)出波動性和規(guī)律性,如何充分利用這種信息,并結合盆地波動分析,加強對沉積盆地發(fā)展演化過程的認識,是一個需要多學科研究人員聯(lián)合起來進行研究的問題。4油氣地質及勘探方向本文通過分析油氣田水文地質學的發(fā)展歷史和發(fā)展現(xiàn)狀,說明油氣田水文地質學目前所面臨的困難以及良好的發(fā)展前景。油氣田水文地質學可貫穿應用于油氣勘探與開發(fā)的各個階段,形成一套完整的方法體系。油氣田水文地質學通過縱向水文地質分帶性的研究、水文地質旋回的劃分、盆地水動力類型的確定、盆地古水動力場和現(xiàn)今水動力場的分析以及微觀滲流和運移機制的研究等構成油氣勘探的四大手段之一。油氣勘探工作者關心與油氣有關的四個基本要素,它們是圈閉、儲集層、油源及流體本身。過去的研究工作,前三個因素研究得比較多,而第四個因素即流體卻被人們忽視了,目前這種狀況正在