超压与油气运移

超压与油气运移

0对现代石油地质理论的探讨已形成深刻的影响西蒙斯特对墨西哥湾沿岸异常压力的研究开启了全球异常压力研究的序幕。从那时起至今,近半个世纪的时间里,异常压力始终是石油地质学的一个研究热点。20世纪80年代中期或90年代初期以前,出于对钻井和油气生产的考虑,人们的兴趣集中在异常压力的成因、识别和预测上。在最近10余年中,由对异常压力流体封存箱的深入研究,引发了人们对异常压力与油气聚集关系的深切关注。现今人们已经认识到在许多情况下,油气的生成、运移和聚集的同时也是异常压力发生、发展的过程。对异常压力的研究已然渗透进石油地质学和石油工程的方方面面。在人们对异常压力的认识不断深化的过程中,凝结出许多新的思想和概念,对现代石油地质学理论已经或即将产生深刻的影响。本文的目的就是对散布在众多的与异常压力相关文献中的这些新思想和概念进行提取,并加以评述。1与油气生成相关的新思想1.1超压系统的影响在超压与有机质成熟—烃类生成的关系中,曾存在很大的分歧。一方面,在有机质成熟—烃类生成对超压形成的影响上,一些研究者认为干酪根成熟—生油可以导致超压形成。有少数人则提出相反的观点。相比之下,干酪根成熟—生气及石油裂解气的生成而导致超压的形成得到了普遍的认可。另一方面,在超压对生烃作用的影响上,存在着3种相互冲突的观点:一是压力增加对有机质成熟没有影响;二是压力增加会增强有机质的成熟;三是压力增加对抑制有机质成熟和烃类的生成有重大的影响。大多数的研究者主张超压对有机质的成熟—生烃起抑制作用[12,13,14,15,16,17]。超压的抑制作用,不仅对理解超压盆地中烃类的生成,而且对了解油气的运移、聚集和保存都很重要。另外,倘若在超压系统内,油气生成的时限是延迟的,那么油气开始生成的深度就会大于常规地球化学模拟中的预测值。在超压盆地中,在正常条件下预测生气的深度将持续生油。1.2专家型研究设计尽管许多学者在讨论超压系统的幕式排烃时已意识到了幕式生烃的可能性,然而尚无专门的研究。幕式生烃的概念可基于这样的假设,即超压对有机质成熟和生烃起抑制作用。超压流体的幕式释放,会导致超压抑制作用间歇性消失,从而导致生烃也呈现出幕式特征。幕式生烃尚有待石油地球化学等方面的资料证实。1.3超压系统内流体的影响很多学者认为,在高温超压条件下,天然气主要不是来自干酪根的转化,而是由石油裂解生成。超压体的页岩没有生成液态烃的能力。这是由于超压系统内流体延迟驱出。随着温度的增加,液态烃发生热裂解,而形成裂解气。因此异常压力的烃类聚集中的流体相几乎全部是气。尽管如此,在许多中等强度的超压(压力系数Pc<1.73)的盆地,仍以产油为主。2原油长距离运输的新概念2.1超压流体幕式释放Powers和Dickey较早地认识到了盆地流体的幕式活动。Hunt在讨论异常压力流体封存箱中油气的生成和运移时提出了流体封存箱幕式释放。随之人们对超压流体幕式释放理论做了进一步讨论[21,22,23,24,25,26,27,28,29,30,31]。目前超压流体幕式释放已成为超压环境下排烃和烃类运移的重要理论,如通过微裂隙的幕式排烃已被很多学者认为是超压烃源岩中油气初次运移的主要机制。不仅如此,该理论也被用于讨论储层成岩作用、流体—岩石相互作用以及盆地范围内所有的成矿作用。超压顶界面的周期性破裂是超压流体幕式释放的主要机制。2.2超压地层的油气超压系统为流体活动和油气运移提供动力。Spencer指出传统水动力学概念和模型通常不适用于超压地层。超压地层的油气趋向于从高压流向低压。刘晓峰等指出压力驱动是超压系统内驱动流体运移的主导动力。只有当压力封闭被突破之后,在压力释放的同时,压力驱动才变成现实动力。2.3超压页岩流体运移通道天然水力压裂产生的垂向和水平的压裂微裂隙、天然水力断裂系统、超压流体开启断层、流体底辟通道(气烟囱)等,是最易于油气运移的新型的动态运移通道。它们以间歇性地开启并伴随超压流体的幕式活动为特征。天然水力压裂作用对排烃、烃类的运移和聚集都有重要的影响。Capuano提供了超压页岩中水力压裂和流体活动的岩石学、矿物学和地球化学的直接证据,并认识到流体在页岩中的流动优先通过裂隙而不是基质。Cartwright根据高分辨率地震反射剖面证实在北海盆地存在大规模流体压裂,构成油气运移的主要通道。梅廉夫等提出了松辽盆地“T2”断裂系统是天然水力压裂的结果,属天然水力断层。解习农等识别出了莺歌海盆地的水力压裂裂隙和断层。Holm概括了超压系统的流体运移通道模式,揭示存在因油气生成、超压和断裂作用造成的油气动态运移通道。刘晓峰等依据超压流体释放的动力而划分主动释压和被动释压,由此而提出了自拓通道和它拓通道,以探讨超压流体和油气的运移规律。2.4压压下混相涌流和运移机理在高温超压环境下,随着埋深加大,成熟的烃类由烃源岩向储层运移,烃类以溶解状态储存在孔隙水中。当储层孔隙流体压力大于盖层破裂压力时,封闭就产生水力压裂而出现微裂隙,超压的油气沿着微裂隙等通道以混相向外涌流。当温度压力降低到饱和温度压力之下时,外溢的混相流体开始出现油、气、水的分离,溶解在地层水中的天然气大量出溶,游离气相大量增加,聚集成藏。这种过程与常压条件下明显不同之处在于:一是油气的聚散完全处于动态平衡状态;二是运移机理以脉冲式混相涌流为主,不同于常压下天然气多以分子扩散和渗流为主的运移机理。对于超压系统内部流体和油气的运移讨论得较少。随着压力封闭的破裂和超压释放,会导致系统内部产生瞬时压差,从而驱动系统内部流体的流动,同时也可能导致油气的聚集。而对于封闭破裂间歇期的封闭超压系统,流体的流动可能与热对流或密度反转等有关,这尚待进一步证实。3新的油气消耗理论3.1超压顶油气分布规律目前世界上已发现180多个超压盆地,其中160多个为富油气盆地。这说明油气的分布与超压系统有着直接或间接的联系。Leach通过对墨西哥湾沿岸区钻达第三系的2520口钻井资料统计分析,指出油气比较集中分布于超压顶界面上下300m附近。土库曼凹陷内,油气储量的89%分布在压力系数为1.1~1.4的压力带内;南里海盆地也有这样的规律。陈建平等在研究酒东盆地异常流体压力带及其与油气关系时指出,异常压力带上、下正常压力带内紧邻高压带的层段和异常高压带内顶部压力相对较低处是油气最有利的聚集场所。压力过渡带是油气聚集的有利场所,这一规律曾提供了一个新的油气勘探方法——利用异常压力的分布,特别是超压顶界面的分布,来预测油气藏。油气勘探表明,该规律比较适合常规的油气聚集。3.2油气密度异常油气聚集和异常压力的联系在非传统油气聚集中表现非常显著。油气聚集的过程通常也是超压形成和演化过程。(1)异常压力的天然气聚集Surdam在研究粉河盆地异常压力时,提出了三维毛细管封闭的压力封存箱,并指出异常压力气饱和砂岩封存箱是天然气聚集的直接结果,对它们的检测将导致发现新的烃类资源。同时其他的研究者又从该类封存箱的检测、压力封闭、成因机制、控制因素等方面做了详细的研究。在对拉腊米盆地的异常压力研究中,Surdam认识到异常压力的天然气饱和的封存箱或异常压力的致密气饱和砂岩是一种新型的烃类聚集,并指出这类天然气饱和的封存箱与构造、地层因素无关,而取决于一种起决定作用的组合形式(流体由单相转变为多相、成岩作用、烃类生成、储集、油裂解成气、驱动类型等)。同时,他还提出了甜点的概念。甜点是指在某一特定的深度区间内,那些孔隙度和渗透率值大于致密砂岩平均值的储层岩石。对该类天然气聚集的勘探需要注意两点:一是确定和评价三维的常压与超压的压力边界;二是在压力边界下,寻找和圈定目的层中的孔隙度或渗透率甜点。对三维毛细管封闭压力封存箱和破裂梯度相关的多相流体流动概念的认识,将加快非常规天然气资源的勘探、发现和开发。(2)有双重压缩泥岩储集层北海中央地堑中的启莫里支(Kimmeridge)泥岩是油气非常富集的烃源岩,现在深度大于3000m处仍有油气生成,且钻穿该泥岩时释放出了大量的天然气。这些天然气的存在表明,具超压的烃源岩也应看作是一种潜在的储集层。同样,在莺歌海盆地可以见到泥岩岩芯内的水力压裂微裂缝以及从裂隙中释放出的天然气。水力压裂受后期构造作用以及超压增强的影响,会扩展储集空间,形成具有商业意义的烃类聚集。也存在较特殊的情况,如在阿巴拉契亚(Appalachian)盆地的一些产气区域,油气均产于低压页岩的裂隙中。(3)低压天然气区带在美国西部和加拿大等地存在着油气(尤其是气)被水覆盖的现象,即在含水层的下部发现了低压天然气。在北海的已开采的油田也遇到了同样的情况。这很重要,因为在纵向上,油气藏可能出现在含水层段的下方或下倾方向。在确定这些区带时,压力资料至关重要,这些区带中经常含有大量的死油气。烃水倒置可以启迪老油田的挖潜。3.3超压储层的相对独立性超压储层是一个相对封闭而独立的系统。根据超压储层与环境各自的压力状态,可区分出位于常压系统内的超压储层和位于环境超压系统内的超压储层。位于超压系统内部的超压储层又可以划分出Pr<Pe,Pr=Pe,Pr>Pe3种情形(Pr为储层的压力,Pe为环境的压力)。以往对于大多数研究而言,都假定在多孔的、可渗透的储集型岩石中的压力体系与低渗透层的压力体系相似,并且二者的压力资料可以相互印证。然而注意到超压储层的独立性,就会认识到这种假设的片面性。这就要求在制定超压状态下的钻井策略时必须谨慎,因为超压页岩中的砂岩目的层压力可能比周围页岩低,稍有不慎,就有可能由于过重的补偿泥浆将砂岩压漏。琼东南盆地YA26-1-1井钻进至崖城组砂岩(5298.9~5638m),当泥浆比重由2.08增加到2.254时,发现井漏。这可能即是计算的压力系数(Pc为2.0~2.12)过大所造成的。超压储层的相对独立性反映了储层超压形成机制较环境超压生成机制的差异。压力传递是储层超压形成的主要机制。3.4幕式成藏HaoFang等在对莺歌海盆地天然气成藏的研究中认识到,底辟构造的多期间歇性活动,气田的多期不连续充注,流体活动的瞬时热效应及油气组分的强烈运移分异,反映了流体的幕式充注和天然气的幕式成藏。3.5超压流体释放对储层孔隙度的影响多数学者认为超压对储层孔隙度具有保护作用。其原因可能是超压抑制了成岩作用,特别是在深埋藏阶段;也有少数学者认为异常孔隙为次生孔隙,且是在深埋藏阶段与超压流体泄露有关的次生孔隙。笔者认为超压流体释放对成岩作用及次生孔隙的形成产生了重要的影响。虽然超压与异常孔隙度的关系尚未得到证明,但是剩余孔隙度与异常压力共存是非常普遍的现象。由此,Holm认为在超压环境下计算储量时,应当假定其孔隙度高于正常孔隙度。然而事实上并非如此,超压对储层孔隙度的影响取决于超压的形成机制和形成时间以及超压流体的性质和活动等多方面的因素,应具体