超壓與油氣運移

超壓與油氣運移

0對現(xiàn)代石油地質(zhì)理論的探討已形成深刻的影響西蒙斯特對墨西哥灣沿岸異常壓力的研究開啟了全球異常壓力研究的序幕。從那時起至今,近半個世紀的時間里,異常壓力始終是石油地質(zhì)學的一個研究熱點。20世紀80年代中期或90年代初期以前,出于對鉆井和油氣生產(chǎn)的考慮,人們的興趣集中在異常壓力的成因、識別和預測上。在最近10余年中,由對異常壓力流體封存箱的深入研究,引發(fā)了人們對異常壓力與油氣聚集關(guān)系的深切關(guān)注?，F(xiàn)今人們已經(jīng)認識到在許多情況下,油氣的生成、運移和聚集的同時也是異常壓力發(fā)生、發(fā)展的過程。對異常壓力的研究已然滲透進石油地質(zhì)學和石油工程的方方面面。在人們對異常壓力的認識不斷深化的過程中,凝結(jié)出許多新的思想和概念,對現(xiàn)代石油地質(zhì)學理論已經(jīng)或即將產(chǎn)生深刻的影響。本文的目的就是對散布在眾多的與異常壓力相關(guān)文獻中的這些新思想和概念進行提取,并加以評述。1與油氣生成相關(guān)的新思想1.1超壓系統(tǒng)的影響在超壓與有機質(zhì)成熟—烴類生成的關(guān)系中,曾存在很大的分歧。一方面,在有機質(zhì)成熟—烴類生成對超壓形成的影響上,一些研究者認為干酪根成熟—生油可以導致超壓形成。有少數(shù)人則提出相反的觀點。相比之下,干酪根成熟—生氣及石油裂解氣的生成而導致超壓的形成得到了普遍的認可。另一方面,在超壓對生烴作用的影響上,存在著3種相互沖突的觀點:一是壓力增加對有機質(zhì)成熟沒有影響;二是壓力增加會增強有機質(zhì)的成熟;三是壓力增加對抑制有機質(zhì)成熟和烴類的生成有重大的影響。大多數(shù)的研究者主張超壓對有機質(zhì)的成熟—生烴起抑制作用[12,13,14,15,16,17]。超壓的抑制作用,不僅對理解超壓盆地中烴類的生成,而且對了解油氣的運移、聚集和保存都很重要。另外,倘若在超壓系統(tǒng)內(nèi),油氣生成的時限是延遲的,那么油氣開始生成的深度就會大于常規(guī)地球化學模擬中的預測值。在超壓盆地中,在正常條件下預測生氣的深度將持續(xù)生油。1.2專家型研究設(shè)計盡管許多學者在討論超壓系統(tǒng)的幕式排烴時已意識到了幕式生烴的可能性,然而尚無專門的研究。幕式生烴的概念可基于這樣的假設(shè),即超壓對有機質(zhì)成熟和生烴起抑制作用。超壓流體的幕式釋放,會導致超壓抑制作用間歇性消失,從而導致生烴也呈現(xiàn)出幕式特征。幕式生烴尚有待石油地球化學等方面的資料證實。1.3超壓系統(tǒng)內(nèi)流體的影響很多學者認為,在高溫超壓條件下,天然氣主要不是來自干酪根的轉(zhuǎn)化,而是由石油裂解生成。超壓體的頁巖沒有生成液態(tài)烴的能力。這是由于超壓系統(tǒng)內(nèi)流體延遲驅(qū)出。隨著溫度的增加,液態(tài)烴發(fā)生熱裂解,而形成裂解氣。因此異常壓力的烴類聚集中的流體相幾乎全部是氣。盡管如此,在許多中等強度的超壓(壓力系數(shù)Pc<1.73)的盆地,仍以產(chǎn)油為主。2原油長距離運輸?shù)男赂拍?.1超壓流體幕式釋放Powers和Dickey較早地認識到了盆地流體的幕式活動。Hunt在討論異常壓力流體封存箱中油氣的生成和運移時提出了流體封存箱幕式釋放。隨之人們對超壓流體幕式釋放理論做了進一步討論[21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31]。目前超壓流體幕式釋放已成為超壓環(huán)境下排烴和烴類運移的重要理論,如通過微裂隙的幕式排烴已被很多學者認為是超壓烴源巖中油氣初次運移的主要機制。不僅如此,該理論也被用于討論儲層成巖作用、流體—巖石相互作用以及盆地范圍內(nèi)所有的成礦作用。超壓頂界面的周期性破裂是超壓流體幕式釋放的主要機制。2.2超壓地層的油氣超壓系統(tǒng)為流體活動和油氣運移提供動力。Spencer指出傳統(tǒng)水動力學概念和模型通常不適用于超壓地層。超壓地層的油氣趨向于從高壓流向低壓。劉曉峰等指出壓力驅(qū)動是超壓系統(tǒng)內(nèi)驅(qū)動流體運移的主導動力。只有當壓力封閉被突破之后,在壓力釋放的同時,壓力驅(qū)動才變成現(xiàn)實動力。2.3超壓頁巖流體運移通道天然水力壓裂產(chǎn)生的垂向和水平的壓裂微裂隙、天然水力斷裂系統(tǒng)、超壓流體開啟斷層、流體底辟通道(氣煙囪)等,是最易于油氣運移的新型的動態(tài)運移通道。它們以間歇性地開啟并伴隨超壓流體的幕式活動為特征。天然水力壓裂作用對排烴、烴類的運移和聚集都有重要的影響。Capuano提供了超壓頁巖中水力壓裂和流體活動的巖石學、礦物學和地球化學的直接證據(jù),并認識到流體在頁巖中的流動優(yōu)先通過裂隙而不是基質(zhì)。Cartwright根據(jù)高分辨率地震反射剖面證實在北海盆地存在大規(guī)模流體壓裂,構(gòu)成油氣運移的主要通道。梅廉夫等提出了松遼盆地“T2”斷裂系統(tǒng)是天然水力壓裂的結(jié)果,屬天然水力斷層。解習農(nóng)等識別出了鶯歌海盆地的水力壓裂裂隙和斷層。Holm概括了超壓系統(tǒng)的流體運移通道模式,揭示存在因油氣生成、超壓和斷裂作用造成的油氣動態(tài)運移通道。劉曉峰等依據(jù)超壓流體釋放的動力而劃分主動釋壓和被動釋壓,由此而提出了自拓通道和它拓通道,以探討超壓流體和油氣的運移規(guī)律。2.4壓壓下混相涌流和運移機理在高溫超壓環(huán)境下,隨著埋深加大,成熟的烴類由烴源巖向儲層運移,烴類以溶解狀態(tài)儲存在孔隙水中。當儲層孔隙流體壓力大于蓋層破裂壓力時,封閉就產(chǎn)生水力壓裂而出現(xiàn)微裂隙,超壓的油氣沿著微裂隙等通道以混相向外涌流。當溫度壓力降低到飽和溫度壓力之下時,外溢的混相流體開始出現(xiàn)油、氣、水的分離,溶解在地層水中的天然氣大量出溶,游離氣相大量增加,聚集成藏。這種過程與常壓條件下明顯不同之處在于:一是油氣的聚散完全處于動態(tài)平衡狀態(tài);二是運移機理以脈沖式混相涌流為主,不同于常壓下天然氣多以分子擴散和滲流為主的運移機理。對于超壓系統(tǒng)內(nèi)部流體和油氣的運移討論得較少。隨著壓力封閉的破裂和超壓釋放,會導致系統(tǒng)內(nèi)部產(chǎn)生瞬時壓差,從而驅(qū)動系統(tǒng)內(nèi)部流體的流動,同時也可能導致油氣的聚集。而對于封閉破裂間歇期的封閉超壓系統(tǒng),流體的流動可能與熱對流或密度反轉(zhuǎn)等有關(guān),這尚待進一步證實。3新的油氣消耗理論3.1超壓頂油氣分布規(guī)律目前世界上已發(fā)現(xiàn)180多個超壓盆地,其中160多個為富油氣盆地。這說明油氣的分布與超壓系統(tǒng)有著直接或間接的聯(lián)系。Leach通過對墨西哥灣沿岸區(qū)鉆達第三系的2520口鉆井資料統(tǒng)計分析,指出油氣比較集中分布于超壓頂界面上下300m附近。土庫曼凹陷內(nèi),油氣儲量的89%分布在壓力系數(shù)為1.1~1.4的壓力帶內(nèi);南里海盆地也有這樣的規(guī)律。陳建平等在研究酒東盆地異常流體壓力帶及其與油氣關(guān)系時指出,異常壓力帶上、下正常壓力帶內(nèi)緊鄰高壓帶的層段和異常高壓帶內(nèi)頂部壓力相對較低處是油氣最有利的聚集場所。壓力過渡帶是油氣聚集的有利場所,這一規(guī)律曾提供了一個新的油氣勘探方法——利用異常壓力的分布,特別是超壓頂界面的分布,來預測油氣藏。油氣勘探表明,該規(guī)律比較適合常規(guī)的油氣聚集。3.2油氣密度異常油氣聚集和異常壓力的聯(lián)系在非傳統(tǒng)油氣聚集中表現(xiàn)非常顯著。油氣聚集的過程通常也是超壓形成和演化過程。(1)異常壓力的天然氣聚集Surdam在研究粉河盆地異常壓力時,提出了三維毛細管封閉的壓力封存箱,并指出異常壓力氣飽和砂巖封存箱是天然氣聚集的直接結(jié)果,對它們的檢測將導致發(fā)現(xiàn)新的烴類資源。同時其他的研究者又從該類封存箱的檢測、壓力封閉、成因機制、控制因素等方面做了詳細的研究。在對拉臘米盆地的異常壓力研究中,Surdam認識到異常壓力的天然氣飽和的封存箱或異常壓力的致密氣飽和砂巖是一種新型的烴類聚集,并指出這類天然氣飽和的封存箱與構(gòu)造、地層因素無關(guān),而取決于一種起決定作用的組合形式(流體由單相轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘞唷⒊蓭r作用、烴類生成、儲集、油裂解成氣、驅(qū)動類型等)。同時,他還提出了甜點的概念。甜點是指在某一特定的深度區(qū)間內(nèi),那些孔隙度和滲透率值大于致密砂巖平均值的儲層巖石。對該類天然氣聚集的勘探需要注意兩點:一是確定和評價三維的常壓與超壓的壓力邊界;二是在壓力邊界下,尋找和圈定目的層中的孔隙度或滲透率甜點。對三維毛細管封閉壓力封存箱和破裂梯度相關(guān)的多相流體流動概念的認識,將加快非常規(guī)天然氣資源的勘探、發(fā)現(xiàn)和開發(fā)。(2)有雙重壓縮泥巖儲集層北海中央地塹中的啟莫里支(Kimmeridge)泥巖是油氣非常富集的烴源巖,現(xiàn)在深度大于3000m處仍有油氣生成,且鉆穿該泥巖時釋放出了大量的天然氣。這些天然氣的存在表明,具超壓的烴源巖也應看作是一種潛在的儲集層。同樣,在鶯歌海盆地可以見到泥巖巖芯內(nèi)的水力壓裂微裂縫以及從裂隙中釋放出的天然氣。水力壓裂受后期構(gòu)造作用以及超壓增強的影響,會擴展儲集空間,形成具有商業(yè)意義的烴類聚集。也存在較特殊的情況,如在阿巴拉契亞(Appalachian)盆地的一些產(chǎn)氣區(qū)域,油氣均產(chǎn)于低壓頁巖的裂隙中。(3)低壓天然氣區(qū)帶在美國西部和加拿大等地存在著油氣(尤其是氣)被水覆蓋的現(xiàn)象,即在含水層的下部發(fā)現(xiàn)了低壓天然氣。在北海的已開采的油田也遇到了同樣的情況。這很重要,因為在縱向上,油氣藏可能出現(xiàn)在含水層段的下方或下傾方向。在確定這些區(qū)帶時,壓力資料至關(guān)重要,這些區(qū)帶中經(jīng)常含有大量的死油氣。烴水倒置可以啟迪老油田的挖潛。3.3超壓儲層的相對獨立性超壓儲層是一個相對封閉而獨立的系統(tǒng)。根據(jù)超壓儲層與環(huán)境各自的壓力狀態(tài),可區(qū)分出位于常壓系統(tǒng)內(nèi)的超壓儲層和位于環(huán)境超壓系統(tǒng)內(nèi)的超壓儲層。位于超壓系統(tǒng)內(nèi)部的超壓儲層又可以劃分出Pr<Pe,Pr=Pe,Pr>Pe3種情形(Pr為儲層的壓力,Pe為環(huán)境的壓力)。以往對于大多數(shù)研究而言,都假定在多孔的、可滲透的儲集型巖石中的壓力體系與低滲透層的壓力體系相似,并且二者的壓力資料可以相互印證。然而注意到超壓儲層的獨立性,就會認識到這種假設(shè)的片面性。這就要求在制定超壓狀態(tài)下的鉆井策略時必須謹慎,因為超壓頁巖中的砂巖目的層壓力可能比周圍頁巖低,稍有不慎,就有可能由于過重的補償泥漿將砂巖壓漏。瓊東南盆地YA26-1-1井鉆進至崖城組砂巖(5298.9~5638m),當泥漿比重由2.08增加到2.254時,發(fā)現(xiàn)井漏。這可能即是計算的壓力系數(shù)(Pc為2.0~2.12)過大所造成的。超壓儲層的相對獨立性反映了儲層超壓形成機制較環(huán)境超壓生成機制的差異。壓力傳遞是儲層超壓形成的主要機制。3.4幕式成藏HaoFang等在對鶯歌海盆地天然氣成藏的研究中認識到,底辟構(gòu)造的多期間歇性活動,氣田的多期不連續(xù)充注,流體活動的瞬時熱效應及油氣組分的強烈運移分異,反映了流體的幕式充注和天然氣的幕式成藏。3.5超壓流體釋放對儲層孔隙度的影響多數(shù)學者認為超壓對儲層孔隙度具有保護作用。其原因可能是超壓抑制了成巖作用,特別是在深埋藏階段;也有少數(shù)學者認為異常孔隙為次生孔隙,且是在深埋藏階段與超壓流體泄露有關(guān)的次生孔隙。筆者認為超壓流體釋放對成巖作用及次生孔隙的形成產(chǎn)生了重要的影響。雖然超壓與異常孔隙度的關(guān)系尚未得到證明,但是剩余孔隙度與異常壓力共存是非常普遍的現(xiàn)象。由此,Holm認為在超壓環(huán)境下計算儲量時,應當假定其孔隙度高于正?？紫抖取Ｈ欢聦嵣喜⒎侨绱?超壓對儲層孔隙度的影響取決于超壓的形成機制和形成時間以及超壓流體的性質(zhì)和活動等多方面的因素,應具體