川西坳陷中段须家河组超压成因机制

川西坳陷中段须家河组超压成因机制

0压力演化效应“异常压力”定量分析的意义“20世纪90年代初，hunter的异常高压密封理论引起了人们对异常高压和气藏之间关系的关注。超压发育机制总体上可以分为3类:压性力的增加(不均衡压实和构造挤压)、流体体积的变化(水热增压、成岩作用、烃类生成和油的裂解)以及流体运移影响(重力水头、浮力和渗透作用)。不同增压因素作用的时间和幅度也不相同,故有必要从历史演化角度对这种“不等时不等量性”增压作用作定量分析。前人对异常高压的意义,如对生烃的抑制作用,与油气运移方式、通道和动力的关系,与油气聚集的关系,成藏效应(深部成藏与晚期成藏)以及对深部储集层孔隙的保存作用、超压盖层的封盖作用等进行了研究。针对川西地区,王震亮等将其压力演化概括为早侏罗世—古近纪的沉积型超压和新近纪—现今的构造型超压,张金川等强调了该区致密地层条件下天然气活塞式排驱作用产生的超压,徐国盛等将川西上三叠统的超压划分为沉积型、充气型和构造型超压。这些研究推动了对川西上三叠统超压的认识,但均是简单地定性分析超压成因,未对压力演化进行定量分析。此外,对川西浅层超压成因至今未见报道。川西坳陷现今压力分布表现出分段性,从川西南段到川西北段超压幅度逐渐降低,且龙门山活动具有南、中、北分段性。本文以川西坳陷中段为例,研究地层压力演化分布规律以及深浅层超压成因的差异性。以川西坳陷中段地区现今地层压力分布、测井资料分析及成因机制探讨为基础,针对不同成因机制选取较合适的技术方法(等效深度法、盆地模拟法、应力转化定量分析)恢复该地区的地层压力演化史,讨论增压机制的阶段差异性、不同机制增压幅度的差异性以及压力演化对天然气运移聚集成藏的控制作用。1地质背景及构造格局川西坳陷位于四川盆地西部,呈北东向展布,西以安县—都江堰断裂与龙门山为界,东以龙泉山—南江一线为界,南以峨眉—荥经断裂与川滇南北构造带为界,北至米仓山前缘,面积约4×104km2。它是晚三叠世以来发育的前陆坳陷,经历了印支、燕山和喜马拉雅多期次构造运动。现今构造格局是多组、多期次构造运动综合作用的结果,除直接受控于龙门山冲断带的发展,还受到龙泉山、北缘米仓山、南缘川滇构造带的强烈影响。研究区川西坳陷中段可划分为龙门山前缘推覆带、安县—鸭子河—大邑断褶带、梓潼凹陷、孝泉—新场—合兴场—丰谷构造带、成都凹陷以及知新场—龙宝梁构造带(见图1)。川西坳陷中段发育的陆相地层包括上三叠统须家河组、侏罗系、白垩系等,其中须家河组内发育“三明治”式生储盖组合,须一段、须三段、须五段为烃源岩层,炭质页岩、暗色泥岩和煤厚度大,有机质含量高,须二段和须四段为储集层,现今表现出低孔低渗的致密化特征。侏罗纪期间,气候以炎热、干旱为主,只在下侏罗统沉积了含灰绿色泥质岩的自流井组和白田坝组,之后为氧化环境下沉积的一大套“红层”,不具生烃能力。2压力的发展和形成机制2.1浅层压力分布川西坳陷中段无论是深层上三叠统须家河组还是浅层侏罗系都发育强超压,储集层实测压力数据表明,浅层压力系数大多为1.0~1.5,深层多为1.5~2.0(见图2)。2.2徐家河群超压形成2.2.1欠压实造成的超压川西坳陷中段受龙门山逆冲推覆的影响,快速沉积了巨厚的上三叠统。须家河组的沉积速率大多超过100m/Ma(见图3),泥页岩厚度超过200m的须三段和须五段很容易发生排液不畅形成欠压实。欠压实造成的超压可利用泥岩声波时差定量计算得到,但需要注意的是利用声波时差计算得到的压力是地层埋深最大时的古压力,因为有可能地史时期曾出现欠压实作用导致的超压,后来欠压实逐渐消失,而孔隙度的异常仍然保存下来,造成现今欠压实超压的假象。笔者用该方法计算了多口单井的压力系数进而制作了连井剖面(见图4),通过沉降史分析得知须家河组埋深最大时期大致在侏罗纪末,可知由欠压实造成的超压应该是从晚三叠世早期保存至侏罗纪末,后在喜马拉雅运动中逐渐消失殆尽。侏罗纪末也是一个排烃高峰期,此时的欠压实超压起到了两方面作用,一是产生了大量可作为排烃通道的裂缝,二是为排烃提供了动力。2.2.2上三叠统烃源岩须一、三、五段生排烃,实行改革开放和自干酪根的热降解、热裂解生烃作用也是烃源岩中产生异常高压的重要原因。郭小文通过数值模拟发现Ⅲ型干酪根(TOC=2%,HI=100mg/g)生烃在天然气散失量达80%时还可以使压力系数升高0.6。由于须二段和须四段储集层在天然气成藏早—中期的致密化,川西坳陷中段须家河组后期形成了致密深盆气藏,因而上三叠统的生烃增压过程应该符合“高压锅原理”——密闭容器中高密度相态(干酪根)向低密度相态(天然气)转变从而导致整体压力迅速升高。对上三叠统烃源岩须一、三、五段生排烃史的研究表明,3套主要烃源岩层最早于早侏罗世末达到生烃门限,中侏罗世早期进入排烃门限,生烃和排烃作用约持续到新近纪(见表1)。作为烃源岩层的须一、三、五段进入生烃门限后,由于“生气作用”开始发育超压;而主要作为储集层的须二、四段从烃源岩进入排烃门限后由于“充气作用”开始形成超压。笔者选择研究区内A—A′剖面恢复了其地层压力演化史(见图5),可以发现至早侏罗世末(距今约198Ma),由于进入生烃门限,生烃增压作用明显。至距今137Ma和96Ma(对应排烃高峰时间)压力达到最大,甚至超过了岩石破裂压力。排烃高峰时的源储压差可达30MPa,根据柳广弟等的统计可知,研究区成藏期的天然气聚集效率非常之高。计算表明,在生排烃高峰期,由于“生气作用”和“充气作用”,烃源岩层和储集层压力系数升高0.7~1.0,可以认为整个上三叠统为一个大的超压封存箱。2.2.3变形参数对超压贡献率的影响上已述及,川西坳陷在燕山、喜马拉雅多幕构造运动中遭受抬升剥蚀,而抬升剥蚀后超压幅度有增无减:现今须二段—须五段实际地层压力系数(见图2)远高于按生烃增压作用进行盆地模拟得出的现今地层压力系数(1.2~1.5,见图5f)。据此判断,后期阶段必然存在其他增压机制,笔者分析认为构造挤压是最重要的原因。罗晓容利用基于有限元法的盆地模型模拟证实构造挤压增压作用可视为水平方向的地层压实增压作用,除力的方向不同外,其所产生的异常压力机制与压实作用完全一致,都是通过对沉积物颗粒的作用达到对地层的压实效果。根据弹性理论,在应力作用下岩石的体积变化为:孔隙中流体的体积变化为:其中由于成岩以后岩石骨架的可压缩性很小,故岩石的体积变化近似等于孔隙流体的体积变化,即:则式中ΔV——岩石的体积变化,m3;V——岩石体积,m3;σ——构造挤压应力,GPa;p——流体压力,GPa;E——岩石的弹性模量,GPa;ΔVf——孔隙流体的体积变化,m3;φ——孔隙度,f;Kf——岩石的体积变形模量,GPa;ν——泊松比,无量纲;Tc——超压贡献率,即挤压应力向流体压力的转化程度,无量纲。根据公式(5)计算地质历史时期内构造挤压应力对超压的贡献,结果见表2。根据构造运动发生的年代,挤压应力转化增压鼎盛时期应该在中侏罗世晚期—更新世初期。喜马拉雅多幕运动的构造挤压应力对超压贡献最大,须四段和须二段平均压力系数分别增加0.969和0.713。在欠压实超压消失殆尽、生烃增压减弱的情况下,构造挤压应该是此时超压的最大影响因素,现今地层压力的分布状态是由于喜马拉雅期侧向挤压作用而定格。同时须注意构造挤压的双重效应,在挤压强烈的地区,断裂发育丰富且可能“通天”,最终造成了泄压,比如龙门山前缘带。根据断裂的发育程度,构造挤压转化增压应该从川西坳陷中段的中部向东强度逐渐增大。将造成须家河组超压的3种主要影响因素定量化,结合生排烃史、埋藏史和构造运动史作综合分析(见图6),可以发现在生排烃高峰期,生烃增压幅度接近0.8(压力系数);在构造运动强烈期增压明显,尤其是喜马拉雅运动晚幕以来,增压幅度接近1.0(压力系数)。在欠压实、生烃、构造挤压三者共同作用的时期,综合超压幅度达1.5(压力系数),远超过地层破裂极限。以压力系数增加0.2为限,欠压实增压作用时间为晚三叠世早期—侏罗纪末;生烃增压作用时间为早侏罗世—新近纪;构造挤压转化增压的显著作用时间为白垩纪至今。2.3侏罗系气藏地质背景川西坳陷中段的侏罗系也发育了较强的超压。分析认为,侏罗系并不具备以上3种引起超压的主要因素,比如,侏罗系的沉积速率多小于40m/Ma,且泥页岩厚度较小,不具备发生欠压实的条件,从声波时差测井和密度测井上也可以印证这一点。从电阻率测井资料分析,浅层的构造挤压现象也不明显,这可能是由于浅层不易保存挤压应力造成的。地应力分析也说明浅层挤压应力弱。侏罗系主要是氧化环境下沉积的一大套“红层”,基本上不具备生烃能力。侏罗系气藏气源分析、轻烃对比显示其气源主要是须五段和须四段,根据δ13C1-Ro关系计算天然气运移距离确定的气源层位也主要是须五段和须四段(见表3)。所以认为这些气藏是深层气藏遭受构造变动调整而形成的,可以称之为远源次生气藏,气藏以深部须家河组烃源层和早期圈闭中的油气为气源,以断裂为垂直运移通道,以水平缝和渗透性砂体为侧向运移通道,除自身的浮力外,上三叠统的超高压是天然气向上运移的驱动力。深部天然气沿断裂向上运移窜入浅部砂体是导致深部地层局部地层压力下降、浅部地层高压异常的主要原因,断裂主要形成于白垩纪以来构造活动强烈时期,所以浅层超压也形成于相应时期。如合兴场须四、须五气藏钻遇井实测地层压力系数最大为1.65,而临近的新场、丰谷等地区相同深度处压力系数最小为1.8,平均高达1.9以上;合兴场上侏罗统蓬莱镇组气藏压力系数达1.9,而临近的新场、丰谷等地区相同深度处压力系数最大不超过1.69。原因是合兴场地区断裂较为发育,沟通了须四段和侏罗系,产生断裂输导、超压侵位所致(见图7)。因此认为超压流体向上运移造成的“压力侵位”是侏罗系局部超压的主要成因,称之为超压传递作用,侏罗系形成的超压称为传递超压。3超压与天然气运移动力超压产生的裂缝可作为油气运移通道及储集空间。压力演化分析结果表明,上三叠统超压已达到岩石破裂极限。曾联波分析了川西坳陷微裂缝的成因,认为其中占较大比例的张性裂缝是由超压造成的,这主要是由于超压减小了有效垂直应力,最小水平正应力从压性转变成张性。微裂缝促进了天然气的运移甚至聚集,须家河组的天然气藏多属于裂缝型气藏可以证明这一点。超压可作为天然气运移的动力。在烃源岩排烃、天然气二次运移以及气藏后期遭受改造天然气向中浅层运移过程中,超压都充当了天然气运移的动力。排烃高峰期的高源储压差使得天然气聚集效率非常高。考虑到异常压力的不同成因机制,认为:从印支晚期到燕山晚期,构造运动强烈,流体运移驱动力主要是构造应力和欠压实超压;构造运动稳定时期主要是生烃增压和欠压实超压;喜马拉雅期流体运移动力主要是构造挤压转化增压。须家河组气藏遭受破坏向浅部运移再成藏过程中,超压对天然气运移起决定性作用。天然气聚集有利区亦与超压分布有关。统计表明,研究区除新都—洛带气藏呈近常压外,其余均属超压气藏(含气构造)。天然气富集的最佳部位在侏罗系超压带(压力系数为1.2~1.5),次为须家河组超压带(压力系数为1.5~2.0),强超压带(压力系数大于2.0)含气较少。因此,川西坳陷中段侏罗系压力系数高值区和须家河组中高超压带是今后勘探优选方向。4构造及异常高压川西坳陷中段须家河组超压的主要成因机制有欠压实作用(晚三叠世早期—侏罗纪末)、生烃增压作用(早侏罗世—