馬德文 邱楠生 謝增業(yè) 許 威

(1.中國(guó)石油大學(xué) 油氣資源與探測(cè)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 102249;2.中國(guó)石油大學(xué)盆地與油藏研究中心 北京 102249; 3.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院 河北廊坊 065007;4.中原油田采油五廠 河南濮陽(yáng) 457001)

異常地層壓力是伴隨盆地演化而產(chǎn)生的普遍地質(zhì)現(xiàn)象,目前已發(fā)現(xiàn)世界上許多含油氣盆地發(fā)育了不同類型和成因的異常壓力系統(tǒng)[1～4]。世界上絕大多數(shù)盆地發(fā)育異常高壓系統(tǒng),據(jù)Hunt不完全統(tǒng)計(jì),全世界已在180個(gè)沉積盆地發(fā)現(xiàn)流體高壓力異常[1]。我國(guó)也在29個(gè)地區(qū)發(fā)現(xiàn)了異常高壓現(xiàn)象[5]。四川盆地是我國(guó)重要含油氣盆地,目前在四川盆地川中地區(qū)上三疊統(tǒng)相繼發(fā)現(xiàn)了龍女寺、八角場(chǎng)、蓮池、廣安、遂南、磨溪、潼南、安岳等一系列氣田,顯示了良好的天然氣勘探前景。該區(qū)氣田主要儲(chǔ)層的地層壓力明顯呈現(xiàn)出高壓或異常高壓的特征[6,7],但目前對(duì)于該區(qū)異常高壓的主要成因機(jī)制還不明確,且缺乏對(duì)于該區(qū)地層壓力演化的研究。本文根據(jù)川中地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組氣藏現(xiàn)今的地質(zhì)特點(diǎn),利用流體壓實(shí)模型研究了該區(qū)主要?dú)馓锷先B統(tǒng)須家河組的地層壓力演化,并進(jìn)一步論述了地層壓力對(duì)油氣成藏的影響。本文對(duì)于川中主要大氣田區(qū)地層壓力演化及異常高壓成因機(jī)制的研究,為該區(qū)氣田成藏機(jī)制研究提供了一定的理論基礎(chǔ),對(duì)于深入分析油氣的運(yùn)移和充注尤為重要。

1 研究區(qū)概況

圖1 研究區(qū)區(qū)域位置及主要井位分布圖Fig.1 The location of the study area and the distribution ofmain study wells

川中地區(qū)位于四川盆地西側(cè)龍泉山與東側(cè)華鎣山兩大深斷裂之間,北至營(yíng)山構(gòu)造,南到威遠(yuǎn)古隆起以北,為一北東向條帶狀地區(qū),整體呈西傾單斜構(gòu)造背景,構(gòu)造上屬于川中平緩褶皺區(qū)(圖1)。該地區(qū)構(gòu)造穩(wěn)定,地層所受區(qū)域構(gòu)造應(yīng)力作用較相鄰區(qū)域弱,斷層不發(fā)育[8,9]。川中地區(qū)震旦紀(jì)-中三疊世為海相沉積。中三疊世末的早印支運(yùn)動(dòng)使上揚(yáng)子地臺(tái)整體抬升,海水西撤。到晚三疊世中后期,徹底結(jié)束海侵歷史,開(kāi)始陸內(nèi)湖盆沉積。晚白堊世至今盆地開(kāi)始萎縮衰亡,進(jìn)入以抬升剝蝕為主的構(gòu)造演化階段,川中須家河組地層抬升了約1 500～2 500 m,現(xiàn)今埋藏深度為2 000～3 000 m,具有西深東淺,北深南淺的單斜構(gòu)造特征[10,11]。

圖2 研究區(qū)典型氣藏地層壓力與深度的關(guān)系(虛線為靜水壓力線)Fig.2 Pressure vs.depth of the typical gas fields in the study area(dotted line indicates hydrostatic pressure)

川中地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組為一套內(nèi)陸河湖交替的碎屑巖含煤地層沉積,自下而上分為6段,其中須一段、須三段、須五段以黑色頁(yè)巖、泥巖為主,夾薄層粉砂巖、砂巖、煤層或煤線,是須家河組氣藏的主要烴源巖和蓋層。須二段、須四段、須六段以砂巖為主,是須家河組的主要儲(chǔ)氣層段。須家河組的須一段、須三段、須五段烴源巖與須二段、須四段、須六段儲(chǔ)層縱向上相互疊置,形成了多套優(yōu)質(zhì)生儲(chǔ)蓋組合[12,13]。

實(shí)測(cè)地層壓力表明(圖2),川中地區(qū)上三疊統(tǒng)須家河組氣田地層壓力明顯呈現(xiàn)高壓或異常高壓的特征。其中八角場(chǎng)氣田地層壓力和壓力系數(shù)最高,氣藏壓力一般在50.7～64.8 MPa之間,壓力系數(shù)在1.7 ～2.0之間,為典型的異常高壓氣田。廣安、安岳、潼南、合川等氣田埋藏較淺,地層壓力在24～38.1 MPa之間,但壓力系數(shù)在1.2～1.6之間,雖然其壓力系數(shù)小于八角場(chǎng)氣田的壓力系數(shù),但也屬于高壓氣田。

2 地層壓力演化研究

2.1 壓力演化模擬方法

沉積盆地中的壓力狀態(tài)是不斷變化的,現(xiàn)今的地層壓力是古壓力經(jīng)一系列地質(zhì)事件綜合作用而演化至今的結(jié)果,所以要準(zhǔn)確分析現(xiàn)今異常地層壓力的主要成因機(jī)制必須從其壓力的演化過(guò)程來(lái)分析。

本次利用流體壓實(shí)耦合模型模擬恢復(fù)地層壓力,流體壓實(shí)耦合模型是一個(gè)動(dòng)態(tài)模型,在該模型中孔隙度與地層壓力和埋深有關(guān),地層壓力與孔隙度和溫度有關(guān),而溫度有影響流體的粘度和密度,各參數(shù)之間相互耦合。該模型計(jì)算地層壓力的方法如下:

(1)首先根據(jù)孔隙度的指數(shù)衰減模型,重建目的層開(kāi)始沉積時(shí)的埋藏史。

(2)利用流體壓實(shí)方程(包括質(zhì)量守恒方程[14,15]、達(dá)西定律[16]及流體狀態(tài)方程[17]),計(jì)算流體壓力和沉積物的熱導(dǎo)率。

(3)超壓會(huì)導(dǎo)致地層孔隙度變大,所以根據(jù)計(jì)算的流體壓力重新計(jì)算孔隙度,并調(diào)整埋藏史。

(4)根據(jù)研究區(qū)的熱流演化史參數(shù),結(jié)合(2)計(jì)算的熱導(dǎo)率和調(diào)整后的埋藏史,重建地溫演化史。

(5)根據(jù)重建的地溫演化史結(jié)合烴源巖的相關(guān)參數(shù),模擬計(jì)算烴類的生排烴量。

(6)烴類的充注及流體的散失會(huì)導(dǎo)致儲(chǔ)層壓力的變化,所以增加一控制流體增加或減少的模塊,根據(jù)此模塊結(jié)合烴類的生排烴量及熱史,利用流體壓實(shí)方程調(diào)整計(jì)算地層壓力。

(7)進(jìn)行迭代計(jì)算,重復(fù)(1)至(4)過(guò)程并將前一時(shí)間段的地層壓力和下一時(shí)間段的地層壓力相耦合,從而獲得從古至今地層壓力的演化。

在上述計(jì)算中,最重要的是計(jì)算沉積埋藏過(guò)程(或抬升剝蝕過(guò)程)中流體體積的改變,這是研究壓力變化的關(guān)鍵。該模型可以較好的考慮烴類流體充注(或散失)的量和時(shí)間。流體體積的改變對(duì)于研究區(qū)壓力的演化具有重要影響,川中地區(qū)儲(chǔ)層為低孔、低滲的致密儲(chǔ)層,且?guī)r性致密化較早。因此,在孔隙度較低的條件下,儲(chǔ)層中流體體積微弱的變化(流體充注或散失)可以導(dǎo)致地層壓力明顯的變化。而利用此模型可以充分地考慮這些因素,從而可以較好地重建研究區(qū)的地層壓力演化。此外,該模型可以較好地考慮欠壓實(shí)、流體熱效應(yīng)等主要增壓機(jī)制及溫度降低等主要泄壓機(jī)制。

流體壓實(shí)模型恢復(fù)古壓力的方法顯示,恢復(fù)單井的壓力演化,需要知道單井的各地層的分層厚度、沉積年限、剝蝕量、各類巖石所占百分比及巖石物理參數(shù)、熱演化史等。

2.2 主要參數(shù)

地層剝蝕厚度是沉積盆地埋藏史和熱史重建中一個(gè)關(guān)鍵參數(shù),不僅對(duì)構(gòu)造演化的研究具有重要意義,對(duì)地層壓力演化也有重要影響。四川盆地從早白堊世末至今,尤其在始新世中、晚期,由于受到喜山運(yùn)動(dòng)的影響,總體上發(fā)生了強(qiáng)烈隆升和地層剝蝕[18]。前人對(duì)該區(qū)的剝蝕量的恢復(fù)進(jìn)行了大量的工作,朱傳慶等利用鏡質(zhì)體反射率古溫標(biāo),結(jié)合多種恢復(fù)方法,研究了四川盆地喜山期的地層剝蝕厚度,研究發(fā)現(xiàn)喜山期研究區(qū)地層剝蝕量相對(duì)較小,在1 300～2 000 m之間[19]。鄧賓等利用磷灰石裂變徑跡恢復(fù)了四川盆地晚白堊世以來(lái)的剝蝕厚度,恢復(fù)結(jié)果表明川中平緩褶皺區(qū)晚白堊世至今的剝蝕厚度約在1 300～2 500 m之間[20]。由于剝蝕量的恢復(fù)是一項(xiàng)復(fù)雜困難的工作,因此本次研究主要借鑒前人對(duì)該區(qū)剝蝕量的恢復(fù)結(jié)果。

盆地的熱演化史是研究烴源巖的生排烴及地層壓力演化的重要參數(shù),本文利用鏡質(zhì)組反射率古溫標(biāo)采用Easy%Ro模型[21]模擬熱歷史,這是目前最常用且較成熟的熱史恢復(fù)方法。該方法首先重建地層沉積埋藏史。然后根據(jù)研究區(qū)的宏觀構(gòu)造背景假定一熱演化史,根據(jù)此熱演化史采用Easy%Ro模型模擬計(jì)算Ro值,當(dāng)模擬計(jì)算的Ro值和實(shí)測(cè)值Ro吻合較好時(shí),就認(rèn)為假定的熱史路徑是正確的,也即得到了該井的熱史模擬結(jié)果,否則調(diào)整熱史直到獲得正確的熱史。

圖3 女基井沉積埋藏史和熱史模擬結(jié)果(右圖為實(shí)測(cè)鏡質(zhì)體反射率(+)和擬合計(jì)算的鏡質(zhì)體反射率(實(shí)線)的擬合情況)Fig.3 The burial and thermal history for the Well Nüji(+indicatesmeasured vitrinite reflectance data,and the line ismodeled values)

圖4 女基井熱流演化史Fig.4 The evolution of heat flow ofWell Nüji

根據(jù)上述熱史恢復(fù)方法重建了川中地區(qū)的熱流演化,女基井的熱史演化結(jié)果如圖3和圖4所示。研究結(jié)果表明該區(qū)大地?zé)崃鲝墓胖两裰饾u降低,在寒武紀(jì)時(shí)約為60 mW/m2,此后大地?zé)崃髦饾u降低,在三疊紀(jì)初期的約55 mW/m2,此后熱流繼續(xù)降低至現(xiàn)今約51 mW/m2?？傮w上看,該區(qū)熱流值相對(duì)較低,明顯低于全球熱流的平均值。

2.3 壓力演化結(jié)果

圖5 研究區(qū)典型井主要儲(chǔ)層流體壓力演化史a.合川1井須二段(T3 x2);b.安岳2井須二段(T3 x2)c.潼南2井須四段(T3 x4);d.角48井須四段(T3 x4)Fig.5 The pressure evolution ofmain reservoir of typical wells in the study area (a.T3 x2 in Well Hechuan 1;b.T3 x2 in Well Anyue 2;c.T3 x4 in Well Tongnan 2;d.T3 x4 in Well Jiao 48

根據(jù)上述流體壓實(shí)模型,結(jié)合主要參數(shù),以現(xiàn)今實(shí)測(cè)壓力為約束,對(duì)研究區(qū)典型井主要儲(chǔ)層的壓力演化進(jìn)行了恢復(fù),恢復(fù)結(jié)果如圖5所示。恢復(fù)結(jié)果顯示,不同井壓力演化略有差異,但是壓力演化總體上可分為三個(gè)階段:(1)150 Ma之前為常壓階段,地層壓力等于靜水壓力;(2)150 Ma至100 Ma為壓力增加超壓發(fā)育階段。該時(shí)期地層壓力及壓力系數(shù)逐漸增加,在100Ma時(shí)地層壓力在38～63MPa之間,壓力系數(shù)在1.1～1.6之間;(3)100 Ma至今為壓力降低超壓發(fā)育階段,該時(shí)期地層壓力及靜水壓力都發(fā)生明顯降低,但是壓力系數(shù)卻繼續(xù)增加(現(xiàn)今在1.4～ 2.0之間),超壓的幅度仍繼續(xù)增加。對(duì)于異常高壓發(fā)育的原因?qū)⒃诤笪臄⑹觥?/p>

壓力演化與烴源巖成熟度演化具有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系,合川1井烴源巖的成熟度演化如圖6所示。對(duì)比壓力演化和烴源巖的演化可以發(fā)現(xiàn),合川1井烴源巖在150 Ma時(shí)烴源巖達(dá)到成熟,Ro約為0.7%,而儲(chǔ)層正好在此時(shí)開(kāi)始出現(xiàn)超壓。隨著埋深的增加溫度逐漸增加,烴源巖的成熟度逐漸增高,在約100 Ma地層的埋深達(dá)到最大,烴源巖的成熟度達(dá)到最高,Ro約為1.16%,在此期間儲(chǔ)層的地層壓力和壓力系數(shù)也逐漸增加,且地層壓力在100 Ma時(shí)也達(dá)到最大。因此,可以推斷烴類的充注對(duì)壓力的演化具有重要的影響,是異常高壓的主要成因機(jī)制之一。

此外,壓力的演化與構(gòu)造事件也有較好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。100 Ma時(shí)受喜山運(yùn)動(dòng)的影響,發(fā)生了構(gòu)造抬升剝蝕事件,而在此期間儲(chǔ)層的壓力演化趨勢(shì)由之前的壓力集聚過(guò)程轉(zhuǎn)變成壓力釋放過(guò)程,地層壓力發(fā)生了明顯下降,且壓力下降的幅度與地層抬升剝蝕的厚度明顯相關(guān)(圖6)。因此,構(gòu)造抬升剝蝕應(yīng)為該地區(qū)地層壓力降低的主要機(jī)制。

圖6 合川1井沉積埋藏史、熱史、生烴史和T3 x2段壓力演化史關(guān)系圖Fig.6 The relationship among burial history,thermal history,hydrocarbon generation history and pressure evolution(T3 x2)of theWell Hechuan 1

對(duì)于某一超壓儲(chǔ)層,構(gòu)造抬升導(dǎo)致該儲(chǔ)層地層壓力降低的原因主要有兩個(gè)方面,一是溫度的降低,構(gòu)造抬升必然伴隨著溫度的降低,而溫度的降低會(huì)導(dǎo)致流體的體積收縮變小,從而使地層壓力發(fā)生下降;二是流體的泄露和散失,這會(huì)明顯降低儲(chǔ)層的壓力,甚至導(dǎo)致儲(chǔ)層出現(xiàn)負(fù)壓,但是其前提條件是蓋層的封蓋性能不好,若蓋層的封蓋性能優(yōu)越,則不存在該種泄壓機(jī)制。

研究區(qū)主要儲(chǔ)層是須二段和須四段,上覆的須三段和須五段既是氣田的烴源巖又是優(yōu)越的蓋層,因此在封蓋機(jī)理上既存在物性封蓋又存在烴濃度封蓋,此外,該區(qū)上覆的侏羅系珍珠沖組和馬鞍山組為兩套泥巖總厚度300 m以上且全區(qū)分布穩(wěn)定,因此天然氣基本不會(huì)向上擴(kuò)散散失[22]。而底部的須家河組須一段源巖及中三疊統(tǒng)雷口坡組膏巖地層阻止氣體向下擴(kuò)散散失。因此,研究區(qū)須家河組儲(chǔ)層為非常良好的封閉體系,在構(gòu)造抬升過(guò)程中氣藏仍保存良好,基本不會(huì)發(fā)生氣體的散失。所以構(gòu)造抬升過(guò)程中地層壓力的降低主要由溫度降低導(dǎo)致,從圖6可以看出構(gòu)造抬升使得合川1井儲(chǔ)層溫度降低了約65℃,利用SRK真實(shí)氣體狀態(tài)方程[23]計(jì)算發(fā)現(xiàn),溫度降低65℃,會(huì)導(dǎo)致地層壓力下降約10 MPa。

然而,雖然在構(gòu)造抬升剝蝕過(guò)程中地層壓力發(fā)生了下降,但是靜水壓力也發(fā)生了明顯下降(圖6)。因此,壓力系數(shù)的變化取決于兩者降低的幅度。早白堊世末至今,受喜山運(yùn)動(dòng)影響研究區(qū)發(fā)生了強(qiáng)烈的構(gòu)造抬升剝蝕,合川1井的剝蝕厚度約為1 600 m[19,20],這導(dǎo)致靜水壓力降低約16 MPa,因此靜水壓力降低的幅度明顯大于地層壓力降低的幅度(約10 MPa),從而導(dǎo)致壓力系數(shù)逐漸增加,因此,隨著地層的逐漸抬升剝蝕,壓力系數(shù)逐漸增加,最終演化成現(xiàn)今的異常高壓。

從以上分析可以看出,控制地層壓力演化的主要機(jī)制是烴類的充注和構(gòu)造抬升剝蝕事件,烴類的充注是造成儲(chǔ)層超壓的主要成因機(jī)制。而構(gòu)造抬升剝蝕是導(dǎo)致地層壓力降低的主要機(jī)制,這是由于構(gòu)造抬升導(dǎo)致溫度降低,使得氣體體積收縮,壓力降低。此外,構(gòu)造抬升剝蝕還導(dǎo)致壓力系數(shù)的增加,這主要是由于儲(chǔ)層埋深變淺導(dǎo)致靜水壓力降低,且其降低的幅度明顯大于地層壓力降低的幅度。

3 壓力演化與油氣成藏的關(guān)系

儲(chǔ)層中異常高壓發(fā)育的時(shí)間對(duì)油氣的成藏具有重要的影響。川中地區(qū)須家河組儲(chǔ)層為低孔、低滲的致密儲(chǔ)層,且儲(chǔ)層的非均質(zhì)性較強(qiáng)[24],在這種地質(zhì)條件下儲(chǔ)層中超壓的發(fā)育有助于油氣的運(yùn)移和聚集。前人對(duì)廣安氣田須六段的研究發(fā)現(xiàn),須六段解釋出6個(gè)儲(chǔ)集層段,這6個(gè)初級(jí)層段之間被致密砂巖或泥巖隔開(kāi),致密隔層的排替壓力(0.94～8.38 MPa)明顯大于儲(chǔ)層的排替壓力(0.34～1.32 MPa)[25],這表明該區(qū)儲(chǔ)層非均質(zhì)性非常強(qiáng),油氣要充滿儲(chǔ)層必須要克服儲(chǔ)層之間的致密隔層,這就需要較高的地層壓力,因此超壓的發(fā)育有助于油氣在儲(chǔ)層中的運(yùn)移和聚集。此外,在低孔、低滲地層中流體的流動(dòng)存在達(dá)西流和非達(dá)西流雙重滲流機(jī)理,低滲低速滲流情況下,非達(dá)西流現(xiàn)象明顯[26,27],前人通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn),川中地區(qū)須家河組非達(dá)西流現(xiàn)象明顯,存在啟動(dòng)壓力[28]。在這種條件下,只有地層壓力大于啟動(dòng)壓力時(shí)流體才能流動(dòng),因此超壓的發(fā)育是該區(qū)油氣克服啟動(dòng)壓力而運(yùn)移聚集的必要條件?？傊?該區(qū)超壓的發(fā)育對(duì)于油氣的運(yùn)移聚集具有積極意義,是形成大氣田的必要條件。

在早白堊世末至今的構(gòu)造抬升過(guò)程中,研究區(qū)各氣田主要儲(chǔ)層的地層壓力發(fā)生降低,地層壓力的降低對(duì)川中須家河組氣田具有重要的影響。研究區(qū)烴源巖具有厚度薄(20～60 m)、演化程度低(Ro=1.02% ～1.59%)、生氣強(qiáng)度低(10 X108～20 X108m3/km2)的特點(diǎn),氣源灶先天不足[11,25],因此地層水中水溶氣的脫溶及含煤層系中吸附氣的解析對(duì)氣藏的貢獻(xiàn)顯得尤為重要[29～31]。不考慮溫度條件,則壓力降低是發(fā)生水溶氣脫溶及煤層氣解析的前提條件[32,33],因此構(gòu)造抬升過(guò)程中壓力的降低,有利于川中須家河組氣田水溶氣的脫溶和煤層氣的解析,從而提高了天然氣的聚集效率,這在一定程度上降低了對(duì)氣源灶的要求,使得川中地區(qū)在氣源條件不足的條件下仍形成了一系列大氣田。

4 結(jié)論

(1)研究區(qū)地層壓力演化可分為三個(gè)階段:①晚侏羅世之前(大于150 Ma)為常壓階段;②晚侏羅世至早白堊世末(150～100 Ma)為壓力增加超壓發(fā)育階段,該時(shí)期地層壓力逐漸增加,壓力系數(shù)逐漸增大;③早白堊世末至今(100 Ma至今)為壓力降低超壓發(fā)育階段,該時(shí)期地層壓力逐漸降低,但壓力系數(shù)仍繼續(xù)增加。

(2)控制地層壓力演化的主要機(jī)制是烴類的充注和構(gòu)造抬升剝蝕事件,烴類的充注是造成儲(chǔ)層超壓的主要成因機(jī)制。而構(gòu)造抬升剝蝕是導(dǎo)致地層壓力降低的主要機(jī)制。此外,構(gòu)造抬升剝蝕還導(dǎo)致壓力系數(shù)的增加。

(3)研究區(qū)超壓發(fā)育的時(shí)間與烴類充注的時(shí)間相一致,該時(shí)期發(fā)育的異常高壓是油氣向上覆儲(chǔ)層運(yùn)移的主要?jiǎng)恿?促進(jìn)了油氣向儲(chǔ)層的運(yùn)移和充注。早白堊世末至今地層壓力的逐漸降低,有利于川中須家河組氣田水溶氣的脫溶和煤層氣的解析,從而提高了天然氣的聚集效率,使得川中地區(qū)在氣源條件不足的條件下仍形成了一系列大氣田。

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