油气田水文岩系研究的回顾与展望

油气田水文岩系研究的回顾与展望

1油气地质运移的目1909年，mu氮提出了气田运动收集的水-石油盐酸理论。M.K.Hubbert考虑在单一含水层中水流单方向运动水动力条件下石油圈闭形成的能量条件,提出流体势的概念,较全面地描述了地下流体的运动状态。在流体势提出之后的最初几年内,石油界广泛接受了这一概念。尽管Hubbert流体势的理论是由能量原理推导出来的并经过了实验验证,但这一理论长期以来并没有很好地被应用到石油地质研究中,直到80年代以来,随着石油地质理论朝着定量研究方向的发展,才重新引起人们的重视。E.C.Dahlberg油气勘探实用水力学一书的问世,标志着流体势理论向实用方向发展的重要一步,与此同时J.Toth的广义水动力学理论为石油地质工作者认识盆地中油气运聚的规律提供了一个全新的思路。另一方面,油田水文地球化学理论也不断得到发展,系统地提出和总结水文地球化学找油法的是前苏联的B.A.苏林、A.A.瓦洛夫等人,40年代水文地球化学找油法曾在前苏联等国试验研究。而在50年代后期,该方法受到冷遇,处于停滞状态。以后地质学家和地球化学家们致力于研究水文地球化学找油的理论基础,综合运用物理化学和现代分析方法,研究水与周围介质之间的关系,建立了水文地球化学试验场,确定水文地球化学测量原则,使得人们对此方法的兴趣又复苏了。近年来,水文地球化学找油工作,被视为石油地质领域中比较完善的常规找油方法之一。在我国,油气田水文地质学的发展相对比较落后,是由于我国人才培养机制和勘探与开发管理机制的特殊性,往往勘探人员不懂地下流体的渗流问题和开发问题,而开发人员又很少懂得地质问题。在这样一种条件下,作为一门边缘学科的油田水文地质学就难以得到发展。随着石油工业的发展,我国东部老区挖潜和西部新区的勘探,迫切需要有新的勘探思路,近年来通过大量实践的总结,一个合理的勘探思路正在获得越来越广泛的接受:即以整个盆地发育史为基础,以油气运移史为纽带,将生油层、储集层、盖层、圈闭等静态地质条件有机地结合起来,追溯油气藏形成的全过程,进而从静态和动态条件上全面评价一个地区的含油气远景。而运移研究是实现上述勘探思路的重要环节。油气运移和聚集规律的研究,向油田水文地质学提出了严峻的挑战,同时也促进了该学科的发展。2油气水文人类学的发展方向作者提出油气田水文地质学方法体系(图1),以便全面反映水文地质在油气勘探和开发各个阶段的作用、意义,为油气田水文地质学的发展提供一条思路。在油气田水文地质研究中,作者首次明确提出空间尺度和时间尺度问题,并以此为线索进行分析,下面按空间尺度和时间尺度分别讨论(图1)。2.1下水文层与油气在空间尺度上,水文地质问题分为纵向和横向两个方面。在纵向上,根据前苏联学者的研究,可划分为上水文地质层(深度0.5—1km)和下水文地质层(0.5—1km——钻探可达的深部),而下水文地质层又可分为上水文地质亚层(0.5—1km,3—4km)和下水文地质亚层(3—4km——钻探可达的深部)(见图2)。上水文地质层是向上张开的,对油气聚集最为不利,在本层内油气藏经受着严重的机械与物理—化学的破坏作用,并形成剩余的硬沥青和稠沥青矿藏;在下水文地质层的上亚层内,由于封闭性、侧向上的屏蔽性、高空隙容积和在高压出水条件下保证有相对较大的“聚烃”面积和最稳定的侧向传导性,为油气聚集创造了最有利的流体动力条件;下水文地质层下亚层的上部是朝下方张开的,在它的上部饱和流体带的侧向相互联系较弱,这也是油气聚集相对有利的地带,但这里期望得到的油藏规模较上亚层小得多。一般来说上水文地质亚层有利于油气的聚集和保存,油气勘探应以上水文地质亚层作为重点研究对象,进行水文地质旋回的划分,研究每个水文地质旋回中油气运聚和保存的条件。在横向上,水文地质研究的尺度从大到小依次为盆地水文地条件、含油气系统水文地质条件、区带水文地质条件、圈闭水文地质条件以及多相微观渗流机制的研究(图1)。其中,盆地水文地质条件研究,旨在从宏观上划分盆地的类型(如把盆地分成压实流盆地、重力流盆地和滞流盆地),而微观渗流机制的研究,旨在为定量水文地质研究提供动力学方程。2.2盆地的古水动力模式一个沉积盆地的形成,是一个动态过程,是一系列构造运动和沉积演化不断发展的结果,随着盆地的演化,盆地水文地质条件也在不断地发展演化,形成一个动态过程。我们现今所看到的盆地水文地质条件和盆地中油气的分布状况,是这一过程中的瞬时面貌,是盆地演化的最后一幕。为了正确地认识盆地中油气运聚的规律,不仅要研究盆地的现今水文地质条件,而且要研究盆地的古水文地质条件,最终获得流体势演化史的三维动画,并以此结合其它专业进行含油气预测。图3表明美国丹佛盆地古水动力的演化过程,图3a)是白垩纪末期压实流作用下盆地的古水动力模式。图3b)是始新世重力作用下盆地的古水动力模式,可见从白垩纪末至始新世,盆地的类型从压实流盆地变成重力流盆地,而这种变化主要是由始新世盆地西缘在造山运动作用下强烈抬升而引起的,Lee和Bethke结合古水动力条件和成岩作用,合理地解释了Lyons砂岩层中油气聚集的规律。另一方面,开发水文地质问题,实际上是储层在人为干扰下的短期行为问题,开发水文地质条件研究,必须以微观渗流机制作为基础,分析圈闭中甚至一个区带中,在开发条件下,储层介质的非均质性、薄层遮挡性、储层介质的水敏性等因素对开发效率的影响,以确定合理的开发方案。应当指出,油气田水文地质条件的研究,必须同时考虑空间尺度和时间尺度,在不同研究阶段,针对不同的研究目的,选取适当的空间尺度和时间尺度。最后,我们强调水文地质分析贯穿于油气勘探和开发的各个阶段,同时,水文地质分析又是一个连续不断、循环往复的过程。3信息地质工作者对地质工作的作者提出了一些问题,引起地质工作者的重视,并根据自己目前,在油田水文地质学领域内,无论是宏观尺度上,还是微观尺度上,有许多理论问题还没有得到解决或者还没有引起石油地质工作者的重视,作者根据自己的认识,提出这样一些问题,进行讨论,给出作者的见解,以期抛砖引玉,最终获得这些问题的正确答案。3.1盆地水动力类型的转化法国学者Coustau等根据盆地的水动力特征,将盆地划分为“青年”盆地、“中年”盆地和“老年”盆地。杨绪充参照Coustau的分类,提出压实流盆地、重力流盆地和滞流盆地的分类(图4),杨绪充的分类与Coustau的分类无本质上的区别,只是加进了过渡类型的盆地(压实流—重力流、重力流—滞流)。一般认为,以上盆地类型的划分是据盆地不同发展演化阶段的水动力特征进行的,但作者对这一分类方案提出异议,作者认为,压实流盆地可以通过演化成重力流盆地再向滞流盆地进行转化,也可以不经过重力流盆地阶段直接向滞流盆地转化,所以,以上分类方案是不完善的。而这一不完善性,给人们造成一种错觉,似乎盆地必然要经过三个阶段的演化,而只是时间长短的问题,这就掩盖了盆地演化的机制问题。我们认为,压实流阶段是每个盆地在演化过程中必然经历的阶段,当盆地沉积停止之后,若没有发生强烈的造山运动以致于改变盆地的水动力模式,则盆地就可能始终处于压实流阶段,成为老压实流盆地,或者过渡到压实—滞流型,而只有在强烈造山运动的作用下,压实流盆地才有可能转化为重力流盆地,图3所示丹佛盆地始新世造山运动前后盆地水动力类型的转化为这一论点提供了一个佐证。在实际工作中,同时认识盆地的水动力类型及其演化的机制,就能够更好地指导油气勘探,尤其是对多旋回构造运动影响下的盆地,这一点非常重要。3.2两种不同的地下水流模型1953年Hubbert提出流体势理论以后的几年内,该理论在石油工业界被广泛接受,但是,随着钻井深度的增加,在世界各地揭示出越来越多的超压现象。Hubbert和Rubey认为超压现象是由地下介质渗透性的差异引起的,地下水可以穿层流动形成水力连续,而Bradley则提出相反的看法。在70年代末期,80年代初期,Toth系统地阐述了穿层重力流理论(图5),该理论认为,在地质上成熟的盆地内(构造活动停止,盆地长期稳定),地下水流构成统一的水力系统,具有区域上的水力连续性,地下水流的模式主要受地形因素的控制,在重力作用下,从高地形区流向低地形区,盆地中各含水层系测压水头具有相似的势能特征,并明显地受地表形态的控制,水的化学成分从补给区经径流区到排泄区,发生系统变化(),水矿化度亦沿此方向升高,油气在重力流作用下,有向盆地泄水区集中分布的趋势,在运移通道上,遇到构造、岩性、断层等的遮挡可形成水动力圈闭。Toth理论的内核,实质上是区域水力连续性。Toth继承Hubbert的观点在水力连续性这一基本前提下,用地下介质渗透性的差异来解释超压现象。进入90年代,Hunt系统地提出了流体封存箱的概念(图6),用以解释超压现象的存在。Hunt认为,流体封存箱一般存在于3048m(10000英尺)以下,封存箱构成三维封闭系统,封存箱内外不存在水力联系,当盆地接受快速沉积,或由于封存箱内水热增温、生烃扩张等因素影响下,封存箱内流体压力高而又不能及时地排出即可形成超高压现象(图6a);而当上覆地层遭受剥蚀,使箱内岩体骨架回弹,同时,箱外的水又不进入箱内,使箱内流体亏空,即可形成超低压现象(图6b);另外,当流体封存箱内压力聚集到一定程度后,高压流体可冲破封存盖,形成微裂缝,使箱内流体卸压,油气可沿微裂缝与水一起进入上覆地层,当箱内压力降低至一定程度,封存盖微裂缝闭合,开始下一个压力聚集与破坏过程的孕育。Hunt观点与Toth观点有一个本质上的不同点,即Toth基于地下水力上的连续性,而Hunt的观点则否认这种连续性,从认识论角度来看,Toth观点属渐变论范畴,而Hunt观点属突变论范畴。到底哪种观点更能准确地反映地下流体的运移及超压现象的形成过程,某前在国内外尚无统一的认识。3.3基层组织特点关于断层对流体运动和对油气运聚的作用,众说纷纭,有人把断层对流体的传导性(或封闭性)与断层性质联系起来,有人把它与断层形成时间(是否同生)联系起来,还有人把它与断层两盘的地层组合联系起来。王平根据我国东部复杂断块油田详查与开发的实际资料,通过对地下深部地应力状况和断裂形成条件的分析,指出断层是否封闭是相对的。强调断层在静止状态主要起封闭作用,在活动状态主要起导流作用。我们认为,断层在油气运聚中的作用,在一个含油气系统中,总体上来说是不利的,断层虽起到圈闭作用,但由于断层的存在,圈闭的数量缩小了,我们还认为,油气沿断层垂向运移而形成的油气藏,一般为次生油气藏,是油气再运移的结果。3.4裂缝展布方向对设计效果的影响多种成因的裂缝,是致密砂岩储层和碳酸盐岩储层中非均质性的主要影响因素。但无论裂缝的成因多么复杂,构造裂缝占有重要的地位,对裂缝性储层的渗透性起主导作用,而构造裂缝的发育,一般服从一定的规律,就其展布方向而言,可分为方向裂缝组系,这就使我们可能通过各种方法,认识这一规律性,抓住主要矛盾,对裂缝性储层做出合理的评价。在开发工作中,人们已经认识到裂缝展布方向性对开发效果有一定影响。并把这一认识应用到开发方案的设计上,取得了较好的效果。但是,在勘探工作中,人们还没有注意到裂缝展布的方向性、不同方向裂缝的导流性能对油气运聚可能产生的影响。我国基岩水文地质学家田开铭教授用实验验证了在不同方向裂缝缝宽不同之情况下,地下水在裂缝介质中的流动出现偏向、偏流现象(图7)。那么,这些现象对于油气运聚的方向和运聚量的大小有什么影响呢?这实际上是要解决油气水多相在地下裂缝网络中运动的物理机制问题。这一重大理论问题的解决,必将对我国的深层油气藏、基岩油气藏、低渗透油气藏及西部碳酸盐岩油气藏的勘探与开发将起到很大的推进作用。3.5水动力阶段与油气运移关系地壳构造运动和沉积构造的旋回性导致了区域古水文地质作用的旋回性,水文地质旋回主要体现在水动力周期和水化学周期两个方面。水动力周期是自盆地下陷沉积物形成,到盆地停止下陷或转为上升,沉积物遭到剥蚀整个过程中的地下水动力作用。一般情况下,可将一个水动力周期进一步划分为挤出(沉积)与渗入(淋滤)两个水动力阶段。油气生成、运移、聚集和保存往往与沉积水动力阶段有关,而渗入水动力阶段往往导致油气的再运移、再聚集以及氧化、破坏、散失等。盆地波动分析是新近发展起来的一个新方法,其主要目的在于定量地分析盆地的构造和沉积发育过程,而水文地质旋回又受构造和沉积发育史的控制,故从理论上来讲,水文地质旋回分析和盆地波动分析完全可以结合起来,相互促进,相互完善。图8表示塔里木盆地塔北、塔中地区地层水矿化度纵向变化规律,可见地层水矿化度在纵向上的变化呈现出波动性和规律性,如何充分利用这种信息,并结合盆地波动分析,加强对沉积盆地发展演化过程的认识,是一个需要多学科研究人员联合起来进行研究的问题。4油气地质及勘探方向本文通过分析油气田水文地质学的发展历史和发展现状,说明油气田水文地质学目前所面临的困难以及良好的发展前景。油气田水文地质学可贯穿应用于油气勘探与开发的各个阶段,形成一套完整的方法体系。油气田水文地质学通过纵向水文地质分带性的研究、水文地质旋回的划分、盆地水动力类型的确定、盆地古水动力场和现今水动力场的分析以及微观渗流和运移机制的研究等构成油气勘探的四大手段之一。油气勘探工作者关心与油气有关的四个基本要素,它们是圈闭、储集层、油源及流体本身。过去的研究工作,前三个因素研究得比较多,而第四个因素即流体却被人们忽视了,目前这种状况正在