鄂尔多斯盆地中生界地层压力演化研究

鄂尔多斯盆地中生界地层压力演化研究

0盆地中生界地层压力异常地层压力在控制油气藏的过程和分布方面发挥着重要作用。地层异常高压为油气的初次运移和二次运移提供了动力,其分布特征控制了油气的运移和聚集。例如,鄂尔多斯盆地延长组油气在纵向上主要分布于具有相对高过剩压力的泥岩段下伏或上覆的具有相对低过剩压力的储层中,在平面上主要分布于一定压力梯度范围内的相对低过剩压力区储层中。以往对地层压力的研究主要集中于地层异常压力的分布、成因、影响因素及异常压力与流体运移的关系等方面,但是对地层压力的演化研究极为薄弱。由于地层压力的演化与有机质成烃演化、烃类运移和聚集密切相关,所以地层压力演化的研究,可以对油气的生成和成藏过程具有较为全面深入地认识。鄂尔多斯盆地陇东地区中生界油气储层主要为致密低渗储层,研究该地区古地层压力演化对于确定油气在这种储层中的运移聚集和油水分布规律都是非常重要的。虽然对鄂尔多斯盆地中生界地层压力已有研究,但这些研究都是利用泥岩声波时差资料,采用平衡深度法求取早白垩世末期最大埋深时的地层压力,研究地层压力的分布特征及其与油气藏分布关系,缺乏地层压力演化的定量研究。本文对鄂尔多斯盆地陇东地区中生界地层压力演化进行了定量研究,研究结果对于分析油气成藏的控制因素和该地区的油气勘探都将具有重要价值。1油气藏地质及储层物性陇东地区位于鄂尔多斯盆地西南部,北起庙沟,南到太昌,西自郭塬,东至太白,地质构造上位于伊陕斜坡和天环坳陷(图1)。中生界延长组长8段为主要目的层位,其次为长6段,这2段的油藏主要位于西南部的西峰、庆城、合水及镇北地区,特别是西峰油田为亿吨级大油田。长6段和长8段的油源主要为长7段的湖相泥岩,该泥岩的厚度大,有机碳含量高,有机质类型好、成熟度高、生排烃率高,具备提供优质油气源的能力。目前长6段、长8段储层物性较差,非均质性强,属于致密低渗储层,但是长8段储层的物性好于长6段储层;长7段和长4+5段较厚泥岩为下伏储层的盖层;发育岩性和地层—岩性油藏。2旧地层压力发育规律2.1盆地升降剥蚀后地层压力和剩余压力为了解鄂尔多斯盆地陇东地区中生界古地层过剩压力区域分布及演化,笔者根据声波时差资料,利用等效深度法,计算了该地区在早白垩世末期最大埋深时的地层压力,计算具体方法见文献。同时,由于该地区现今实测地层压力数据有限,为了解鄂尔多斯盆地中生界地层从早白垩世末期最大埋深时剩余压力向现今剩余压力的演化,笔者对中生界地层现今剩余压力进行了计算。这种计算采用了包友书根据物理化学原理,建立的盆地构造抬升剥蚀后地层流体压力定量计算公式(1)。该公式使用的假设条件是:岩石应具有一定的封闭条件;岩石不是高渗透性岩石;岩石抬升剥蚀过程中,地层流体体积和岩石孔隙体积均会受温度和压力降低的影响而发生卸压回弹和降温收缩。鄂尔多斯盆地中生界构造较稳定,陇东地区中生界地层流体封闭条件好;中生界岩石特别是延长组为低渗透或超低渗透岩石;早白垩世末期以来,由于构造抬升,地层剥蚀明显,在盆地东部地层剥蚀厚度超过1200m,地层现今压力无疑受构造抬升过程中地层流体和岩石的卸压回弹及降温收缩的影响。因此,包友书提出的计算公式条件符合鄂尔多斯盆地延长组的地质实际情况。该公式显示,在完全封闭条件下,构造抬升后的地层压力取决于抬升前的地层压力、地层流体的压缩系数、地层流体的膨胀系数、岩石孔隙体积的压缩系数、抬升前后地层温度的变化和剥蚀厚度。由于固体岩石矿物的膨胀系数比流体的膨胀系数低得多,因此可以忽略其膨胀或收缩对岩石孔隙体积的影响。这样,完全封闭条件下构造抬升剥蚀后地层流体压力的定量计算公式为:式中:P1和P2分别为抬升前、后的地层压力,MPa;Pr1和Pr2分别为抬升前、后的上覆岩层压力,MPa;ΔT为抬升前、后地层温度的变化量,℃;αf为地层流体的热膨胀系数,4×10-4K-1;βf为地层流体的压缩系数,3×10-4MPa-1;βp为岩石孔隙体积的压缩系数,MPa-1。本文以声波时差计算的地层压力为P1;通过地层对比法恢复了地层剥蚀厚度,从而对构造抬升前、后的地层厚度进行了恢复,获得了Pr1和Pr2值(Pr2-Pr1分布范围为-2.3~-6.6MPa)。收集了盆地陇东地区的现今地层温度和岩石孔隙体积的压缩系数,以最大埋深时古地温梯度为4℃/100m,地表温度为15℃,计算了最大埋深时地层古地温,这些物理数据分布范围列于表1。然后,利用包友书提出的构造抬升剥蚀后地层流体压力的定量计算公式,计算了鄂尔多斯盆地构造抬升剥蚀后陇东地区中生界地层压力,计算结果列于表2。这些计算结果都是可靠的。如图2所示,长8段计算的现今剩余压力与陇东地区实测的现今剩余压力是类似的。由于缺乏相同井的实测地层压力数据,难以进行具体井位的误差计算。但是庄177井和庄171井相距较近,庄177井计算的长8压力为12.22MPa,剩余压力为-6.99MPa;庄171井实测长8段压力为11.28MPa,剩余压力为-7.12MPa。这样,计算的地层压力和剩余压力相对于实测值的绝对误差分别为0.94MPa和0.13MPa,相对误差分别为8.3%和1.8%,均在可信范围之内。虽然以上计算比较粗略,但对盆地陇东地区构造抬升剥蚀后,地层流体压力的变化有一个比较全面的认识。由表2可以看出,鄂尔多斯盆地在早白垩世末期最大埋深时,延长组长7油层组剩余压力区域分布在1.80~14.50MPa之间,较高过剩压力主要分布在午81、午82、午88、里169、宁43和宁201等井区;长8段剩余压力区域分布在1.80~9.20MPa之间,较高过剩压力主要分布在午81、午82和木29等井区。可是,由于地质构造运动使上覆地层抬升遭受严重剥蚀,鄂尔多斯盆地陇东地区在早白垩世末期以来,剥蚀厚度主要在230~830之间,这样会引起垂向应力减小,从而岩石骨架会发生反弹,引起岩石孔隙体积的扩容,导致流体压力降低;同时,延长组上覆地层遭受剥蚀,使地层及其中流体温度就会降低,从而导致地层岩石骨架及其中孔隙流体体积变小,特别是孔隙流体体积变小量比岩石骨架孔隙体积变小量大的多,也导致流体压力降低。已有的研究表明,延长组各油层组地层水的平均总矿化度分布在34.2~112.0g/L之间,并且主要为CaCl2型水,反映了延长组地层总体上封闭条件好,从而使延长组地层这种低压得以保存。延长组长8段现今剩余压力均为异常低压,分布在-9.41~-2.25MPa之间;长7油层组现今剩余压力相对较高,除了部分地区仍然为异常高压(例如,表2中午82、午88、里90和里169等井区地区),大部分地区为异常低压,分布在-9.26~5.01MPa之间。这些资料说明,早白垩世末期(大约100Ma)时,鄂尔多斯盆地陇东地区中生界地层普遍存在剩余压力,长7油层组最高,可以达到14.50MPa。构造抬升剥蚀后,该地区中生界地层除了长7油层组在部分地区存在异常高压外,普遍形成异常低压,一般分布在-9.42~-2.25MPa之间。一般来说,地层低压形成的成因较多,主要包括了地质构造抬升剥蚀反弹;孔隙水化学作用引起的孔隙体积增大;地温降低作用;封闭层压力的释放作用;地下水流动作用;油气大量散失作用;化学渗透作用;埋深增大中原始压力保存作用等。由上述可知,对于鄂尔多斯盆地中生界地层低压形成来说,地质构造抬升剥蚀反弹和地温降低作用可能是主要原因,其他因素对中生界地层异常低压形成来说,不存在贡献或者贡献不大。2.2包裹体形成的古地层压力演化地质历史中古地层压力的定量研究,可以认识地层压力演化历史,了解油气藏成藏动力变化特征,进而指导实际的油气勘探和预测。目前常用的方法是依据同期烃类包裹体与盐水包裹体的物理化学数据,通过包裹体PVT热动力学模拟方法获得古地层压力值,然后通过时间尺度来反映地史时期地层压力的演化特征及其规律。根据鄂尔多斯盆地陇东地区中生界地层同期油包裹体与盐水包裹体组成的数对,测试出古地层压力数据①;现今地层压力为实测数据。通过研究点地层压力除以该点静水柱压力获得压力系数。依据测试古地层压力的包裹体恢复了古地温,由古地温梯度确定包裹体的形成深度,然后由研究区的沉积埋藏史和热演化史确定包裹体的形成时间。这样就建立了地层压力系数与地质时间的关系,结果如图3所示。鄂尔多斯盆地陇东地区中生界地层古地层压力在时间轴上呈现非线性变化。从古地层压力整体演化特征来看,地史时期古地层压力经历了3个演化阶段:(1)高压原始积累阶段。由压力系数随时间的变化图可见(图3),鄂尔多斯盆地陇东地区中侏罗世晚期出现了低的异常高压,并且随着地质时间变新地层剩余压力总体上不断增大,至早白垩世中期压力系数已经达到1.65,形成了异常高压,这种异常高压可以延续到早白垩世末期。这一时期地层压力形成可以视为地层高压原始积累阶段。这种地层压力形成与鄂尔多斯盆地中生界埋藏演化与生烃史是一致的。中侏罗世晚期鄂尔多斯盆地长7烃源岩已经进入了生油门限;同时,根据对延长组砂岩孔隙度演化研究表明,这个时期砂岩孔隙度下降很快,例如陇东地区长8段砂岩孔隙度下降到20%左右(图3);早白垩世中期石油生成开始进入了高峰期,砂岩孔隙度下降到18%以下。由于沉积物快速沉积和埋深的不断增加,泥质岩中出现了压实和排水不均衡现象,欠压实作用明显,剩余压力增大,形成超压(图4)。(2)高压消失阶段。图3显示了早白垩世末期至古新世早期地层压力呈现下降趋势,剩余压力变小,直至消失。从成因上来说,在早白垩世末期,受晚期燕山构造运动的影响,鄂尔多斯盆地遭受大面积抬升剥蚀,上覆地层负荷应力减小,同时地层温度降低,生烃作用趋于停止,引起中生界压力降低,高压释放直至消失。因此,这一时期是鄂尔多斯盆地陇东地区中生界高压释放阶段。(3)低压形成阶段。古新世早期以后,地层压力继续减小,出现低压,至第四纪达到最低,地层压力主要为异常低压(图3)。其原因是这时期的地质构造抬升过程中,地层被剥蚀导致负荷降低,孔隙体积发生反弹,孔隙中流体因温度的下降而收缩,使得孔隙体积增大,造成异常低压的形成。这一时期为鄂尔多斯盆地陇东地区中生界低压形成阶段。3地层压力演化鄂尔多斯盆地陇东地区古地层压力演化特征与该地区油气油藏特征都是一致的。在早白垩世中期,陇东地区长7段烃源岩地层压力达到异常高压,与邻近长8储集层之间存在压力差,并且大部分地区这种压力差都在0.8~8.4MPa之间,大于陇东地区长8段储层油气运移克服毛细管压力所需的理论压力值0.5MPa,为油气初次运移提供了充足的动力条件。同时,在早白垩世之前,西66、西89、西269和镇115和镇303等井区(分布代表西峰油田和镇北油田)的长8地层剩余压力以及长7段与长8段之间的压力差均比较低(表2),为油气运移的指向地区。这种古地层压力演化和分布与陇东地区长8段为主力油层及长8段油藏主要分布在西南部的西峰及镇北地区相吻合。早白垩世末期以后地层压力下降,形成现今地层低压。地层低压会造成流体的局部回流,促使油气二次运移,庞雄奇等把这种流体运动称为低压吸拉流体运动,认为是促使油气成藏的重要形式。西峰油田和镇北油田地区在早白垩世末期构造抬升剥蚀后,造成砂体回弹,产生增容效应,地层形成较低的异常低压(表2),产生的抽拉力成为油气运移的动力,可能使油气发出再富集,有利于规模比较大的西峰油田和镇北油田的形成。4层序地层压力演化与油气运聚特征依据研究区声波时差测井曲线资料和岩石与流体的物理数据,利用等效深度法和构造抬升剥蚀后地层流体压力的定量计算公式,分别计算了鄂尔多斯盆地陇东地区在早白垩世末期最大埋深时地层压力和现今地层压力;利用古地层压力恢复方法确定了不同地史时期古地层压力值,研究了该盆地陇东地区地史时期地层压力的演化与油气运聚特征。研究结果表明:(1)早白垩世末期该盆地陇东地区中生界地层普遍存在异常高压,特别是延