第30卷第4期 Vol.30,No.4石 油 实 验 地 质 2008年8月PETROLEUMGEOLOGY&EXPERIMENTAug.,2008
文章编号:1001-6112(2008)04-0414-06
沉积盆地深部地层超压指标转化及评价方法
———以湘黔鄂渝交界区为例
冯常茂1,2,吴冲龙1
(1.中国地质大学,武汉 430074;2.广州海洋地质调查局,广州 510760)
摘要:沉积盆地超压的成因类型主要有3种:地层不均衡压实、构造挤压和流体作用;其形成机理有欠压实、蒙脱石脱水、烃类生成、流体热增压、液态烃类的热裂解作用等。但深部地层超压的产生主要与水热效应增压、上覆地层压力和烃类生成及裂解作用有关,因而地层超压系数可以用水热效应增压系数、静岩增压系数和烃类增压系数三者之和来表示。确定是否存在超压时,除考虑地层超压系数外,还应用断裂进行一票否决制。利用该指标转化方法,对湘黔鄂渝交界区下寒武统牛蹄塘组的超压进行研究,结果表明,该区牛蹄塘组形成超压的最可能区域为宜宾一带。关键词:超压;形成机制;下组合;沉积盆地;中国南方中图分类号:TE121.3 文献标识码:AINDEXTRANSLATIONANDEVALUATIONMETHODOF
OVERPRESSUREINDEEPFORMATIONOFSEDIMENTARYBASIN
—ACASESTUDYATTHEBOUNDARYAMONGHUNAN,
GUIZHOU,HUBEIANDCHONGQING
FengChangmao1,2,WuChonglong1
(1.ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan,Hubei430074,China;2.GuangzhouMarineGeological
Survey,Guangzhou,Guangdong510760,China)
Abstract:Overpressureinsedimentarybasinscanbesummarizedinto3types:disequilibriumcompactionfunction,tectonicextrusionandliquidfunction.Theformingmechanismincludesundercompaction,montmorillonitedehydration,hydrocarbongeneration,hydrothermalpressurizationandhydrocarboncracking,etc.Butindeepformations,overpressureismainlyrelatedtohydrothermalpressurization,superjacentstratapressure,hydrocarbongenerationandcracking.So,overpressurecoefficientindeepformationcanbetransformedbyaddinghydrothermalpressurizationcoefficient,superjacentstratacoefficientandhydrocarbonpressurizationcoefficient.Toestimateoverpressuredevelopedarea,faultsshouldbetakenintoconsideration.OverpressureoftheLowerCambrianNiutitangFormationattheboundaryamongHunan,Guizhou,HubeiandChongqinghasbeenstudied.ThemostfavorableregionforoverpressurelocatesaroundYibin.
Keywords:overpressure;formingmechanism;lowerassemblage;sedimentarybasin;SouthChina
近年来,越来越多的研究表明异常压力(尤其是异常高压)与许多油气田的形成密切相关。随着油气勘探活动的不断加深,国内外相继发现了许多异常压力(以高压为主)油气田。据不完全统计,全世界已发现超压盆地180多个,其中160多个为富
收稿日期:2007-04-12;修订日期:2008-06-02。
含油气盆地,而我国也发现了30多个地区或盆地存在异常压力。龚再升等通过对世界上160个油气田的统计指出,异常压力油气田占59.5%(高压约占47.7%,低压约占11.8%)[1]。杜栩等也曾指出,异常高压油气田约占全球油气田的30%左
),男,博士,主要从事石油地质研究。E2mail:fengchangm@163.com。作者简介:冯常茂(1979—
基金项目:湖北省自然科学基金项目(2007ABA338)和国家“十一五”科技攻关项目(2004BA616A—06—01)。
第4期 冯常茂等.沉积盆地深部地层超压指标转化及评价方法———以湘黔鄂渝交界区为例・415・
右[2]。卓勤功通过研究认为,流体超压控制着烃源岩的成烃机理和油气运聚成藏[3]。因此,对异常压力的研究,具有举足轻重的作用。
蒙脱石就已完成向伊利石的转变,孔隙变得相当致密,各种矿物颗粒之间变为面接触,孔隙流体所承受的主要是上覆岩层的压力,而不是由孔隙流体的液柱高度产生的压力。欠压实、蒙脱石脱水等导致的增压,都与地层内部连通孔隙有关,随着上覆地层压力的增加,水从孔隙中排出,进而导致超压的产生;而一旦孔隙变得致密,孔隙中的水已经不能或很难排出,孔隙流体所承受的完全是上覆岩层的静岩压力,因而其对超压形成的贡献亦可忽略。基于深部地层孔隙流体所承受的压力的这种变化,笔者认为在沉积盆地深部地层,导致超压的因素主要为水热效应增压、上覆地层静岩压力以及生烃增压。具体而言,深部地层超压系数可转化为水热效应增压系数、静岩增压系数和烃类增压系数等3种指标。这3种指标具有相互独立性,彼此之间互不干扰,地层超压系数是其总和。超压的形成有一个过程,受构造运动影响,地层可能在某一时期抬升,而在某一时期却沉降,抬升使地层变浅,而沉降则导致地层大幅度深埋,从而影响盆地深部地层流体的温度。研究认为[18],地层抬升过程中能够在一定程度上保持原来深度所对应的压力(遭受剥蚀的地区除外),由此可以认为,在埋深过程中,地层压力一直处于聚集阶段,进而推断水热效应增压系数的取值可以在地层埋深达到最大并且即将抬升的临界时刻———即地层埋深最大时刻。
静岩压力导致的超压,应该说是一个变量,深部地层流体所受的上覆岩层的压力随深度增加而增加,但压力系数却是一个常数,其值为ρy/ρw(岩石密度/水密度)。
烃类增压作用主要有2个方面,一是干酪根向烃类的转化导致地层压力增大;二是液态烃裂解成气态烃的增压作用。对于中国南方海相深部地层,地质历史中一系列的作用致使早期形成的液态烃类裂解,现今应以气藏为主[19,20],因而早期产生的液态烃类增压及之后裂解所导致的增压可用另外一种指标———总排烃量来衡量。可以认为,某一地区的所有烃类全为油裂解而来,早期生成的烃越多,其导致的增压系数越大,而总裂解的烃量越大,其所导致的增压系数也越大,因此某一地区烃类增压系数跟排烃总量有相关关系。
这3类指标的具体赋值方案如下:
水热效应:Barker等曾经指出[4,21],在固定体积的封闭含水系统中,温度每变化0.56℃,内部压力的变化范围为0.76(饱和盐水)～0.86MPa(淡水)。由于深部地层水的矿化度一般都较高,故在
1 超压成因
超压是相对于正常流体压力而言的。正常流体压力是指从地表到目的层中部的静水压力或静水柱重量造成的压力,与流体密度和流体柱高度有关。当实际流体压力高于其同深度处的正常流体压力时,则称为超压。
超压可概括为3种成因类型[4～13]:地层不均衡压实、构造挤压和流体作用。其形成机理具体可分为:欠压实作用、蒙脱石脱水作用、生烃作用、流体热增压作用、渗析作用、液态烃类的热裂解作用和构造作用[14～17]。
欠压实作用:欠压实的产生与快速沉积和泥质岩厚度有关。当沉积速度很快、泥岩厚度又较大时,为维持压实与排液平衡所需的排水速度要越快,相应的对渗透率的要求也越高,因此易产生不平衡,使得流体的排出速度无法平衡孔隙容积的减少。于是部分流体滞留于孔隙中,承担一部分负荷压力,岩石颗粒有效应力减小,从而流体压力高于静水压力,形成超压。
蒙脱石脱水作用:蒙脱石含有大量的晶格层间水和吸附水。随着沉积物埋深的不断加大,地层温度也不断升高,当其达到蒙脱石脱水门限时,蒙脱石将释放大量的晶格层间水和吸附水,并向伊利石转化。若这种排水被限制在一个封闭的体系内,必然造成孔隙压力升高,形成超压。
水热增压作用:沉积物在埋藏过程中,随着埋深的增加,地温会不断升高,地下流体的体积会受热膨胀。如果孔隙空间处于封闭状态,必然引起孔隙压力增大,导致异常高孔隙流体压力。
烃类增压作用:干酪根向油气转化以及在高温条件下液态烃类受催化反应、放射性衰变及细菌作用热解为气态烃的过程中,均可导致体积增大,从而使得地层压力增加。
2 超压分析方法
2.1 超压系数转化
如前所述,超压的形成应是多种因素共同作用的结果。而沉积盆地深部由于地层埋深较大,与浅部地层相比,所经历的各种物理、化学及成岩变化要复杂得多,因而形成超压的影响因素应有其特性。现在一般认为,地层埋深达到3000m左右时,
・416・第30卷 石 油 实 验 地 质
取值上笔者认为应按饱和盐水计算,即3000m以下地层,温度每变化0.56℃,地层内部饱和水增压
0.76MPa。
静岩压力:取上覆地层平均密度为2.67×103kg/m3,单位面积地层所承受的压力为该密度与地层总厚度及重力加速度的乘积。
烃类增压作用:1t石油在标准条件下可裂解生成约531.25m3气体,同时析出石墨残渣[22]。地下封闭系统中,受多种因素影响,气体增压效应比标准情况下的要大。而据四川石油管理局研究院模拟实验,在4000m埋深下,1t原油裂解为天然气,气体体积增大2.4倍,孔隙压力也增大2.4倍[1],因而深部地层可以此标准为参考,4000m及以下地层,按1t原油裂解为天然气孔隙增压2.4倍,即可根据单位体积的地层总排烃量计算出由烃类所致的增压系数值,因此,这一指标与总排烃强度息息相关。如若一个地区的总排烃强度为1kg/m3(109m3/km2),则单位体积内总排烃量应为1kg(排气量相当于1m3),相应引起增压系数增大0.0024。2.2 超压区确定
超压区主要依据地层超压系数判断,该值越大,出现超压的几率越大。必须指出,这种系数的确定,实际上是在无任何断裂干扰下的一种理想模式。断层对地层内超压分布所起的作用非常重要,一般说来,若某地区出现了到达并挫断生烃层位的密集断裂,则该地区出现超压的可能性将大为降低。据此,可采用一票否决的原则,降低其超压概率。
图1 湘黔鄂渝交界区部分地区热演化史
Fig.1 Thermalevolutionhistoryofsomeareaatthe
boundaryamongHunan,Guizhou,HubeiandChongqing
Pw=0.76(t-t0)/0.56,式中:Pw为水热效应所增加
3 湘黔鄂渝交界区下寒武统超压分析
湘黔鄂渝交界区横跨“中、上扬子”地台,在中国南方复杂的大地构造运动背景下,下组合各套地层早期均遭受过较深的埋藏,现今埋藏深度也多达数千米,满足前述研究方法的前提条件———地层埋深超过4000m。图1所示的是鄂西渝东地区建南气田及鱼皮泽地区所遭受的埋藏史,其下寒武统在不同时期温度变化有所差别,必将导致水热增压的差异性。同理,不同地区由于排烃总量不同(图2),必将导致烃类增压的差异性。
按前述方法对湘黔鄂渝交界区下寒武统牛蹄塘组超压系数进行统计。首先计算出牛蹄塘组的正常压力,各地区目的层段正常压力为PZ=ρwgh,式中:PZ为目的层由水柱所产生的压力;ρw为水密度;g为重力加速度;h为地层现今埋深。
水热效应增压系数:由水热效应导致的增压为
的压力;t为目的层最大埋深处的温度值;t0为地表温度值,可按20℃取值,即t0=20。则相应的由此导致的水热增压系数为Kw=Pw/PZ。
静岩增压系数:目的层段上覆岩层的总压力为Py=ρygh,相应的由此导致的增压为Py-PZ,进而得出由此导致的增压系数为Ky=(Py-PZ)/PZ=(ρygh-ρwgh)/ρwgh=ρy/ρw-1,式中:Ky为静岩增压系数;Py为目的层由岩层所产生的压力;ρy为岩
ρ石密度;w为水密度;g为重力加速度;h为地层现今埋深。取岩石平均密度为2.67×103kg/m3,水密度为1×103kg/m3,则Ky=1.67,为一个常数;
烃类增压系数:不同地区有效烃源层厚度D各不相同,结合排烃强度Q,即可得到单位面积上的排烃量,进而按1t油全部裂解、增压系数增大0.0024的关系,烃类增压系数为Kt=0.0024QD。
结合各地区的热演化史(图1)、烃类厚度及排烃强度数据(图2,3),湘黔鄂渝交界区下寒武统牛蹄塘组增压系数计算结果见表1(表中各数据点以地名为统计点)。由表1可知,湘黔鄂渝交界区地层压力系数介于2.665～2.972之间,为便于分析不同地带超压出现几率的差异,具体分类标准为:地层压力系数大于等于2.73为Ⅰ类区,2.73～2.68为Ⅱ类区,小于2.68为Ⅲ类区。
第4期 冯常茂等.沉积盆地深部地层超压指标转化及评价方法———以湘黔鄂渝交界区为例・417・
图2 湘黔鄂渝交界区下寒武统牛蹄塘组排烃强度区域变化
Fig.2 RegionalchangingmapofhydrocarbonexpellingintensityoftheLowerCambrianNiutitang
FormationattheboundaryamongHunan,Guizhou,HubeiandChongqing
图3 湘黔鄂渝交界区下寒武统有效烃源岩厚度等值线
Fig.3 ContourmapofeffectivesourcerocksoftheLowerCambrianattheboundaryamongHunan,Guizhou,HubeiandChongqing
・418・第30卷 石 油 实 验 地 质
表1 湘黔鄂渝交界区下寒武统牛蹄塘组压力系数
Table1 PressurecoefficientoftheLowerCambrianNiutitangFormationattheboundary
amongHunan,Guizhou,HubeiandChongqing区域
最大埋深/m
4460560055009200510077008600
水热效应增压系数
0.0020.0010.0010.0030.0010.0020.0030.0020.0010.0020.0010.0020.0010.0030.0030.0020.0020.0010.0020.0020.0020.002
静岩压力增压系数
1.671.671.671.671.671.671.671.671.671.671.671.671.671.671.671.671.671.671.671.671.671.67
烃类增压系数
0.0680.0120.0040.0370.0340.0180.0050.0290.0210.0300.0050.0540.0420.0600.0420.0140.0100.0050.3000.2400.0600.066
地层压力系数
2.7402.6652.6752.7102.7052.6902.6782.7012.6922.7022.6762.7262.7132.7332.7152.6862.6822.6762.9722.9122.7322.738
超压几率等级
ⅠⅢⅢⅡⅡⅡⅢⅡⅡⅡⅢⅡⅡⅠⅡⅡⅡⅢⅠⅠⅠⅠ
黔中大方背斜方深1井
瓮安地区台江地区川东南赤水地区
资1井
利川复向斜(鱼皮泽)石柱复向斜(剑南气田)
遵义贵阳息烽凯里威信仁怀宜宾泸州大足綦江武隆宣恩地区咸丰地区黔江区吉首
在此基础上,将不同地区出现超压几率的结果投影到平面图上(图4)。下寒武统牛蹄塘组在宣恩、宜宾及黔中隆起大方一带出现超压的可能性最大,而沿由南充—重庆—正安—瓮安一线以及鱼皮泽—利川—铜仁—溆浦一线组成的广大区域出现超压的可能性最低。
研究区主要大断裂分布见图5。其中,黔中隆
起及其周缘地区主要发育的基底断裂有紫云都安、贵阳镇远、赫章金沙、三都和盐津兴文断裂,而纳雍、遵义断裂等均属盖层断裂,只发育于盖层地层之中,基底可有部分卷入,但未伸入基底深部,主要是对盖层的断裂影响。鄂西渝东及湘鄂西区共发育有宣恩—印江、齐岳山、建始—郁江、恩施—黔江和慈
图4 湘黔鄂渝交界区下寒武统牛蹄塘组
可能超压分布(理想模式)
Fig.4 OverpressuredistributionmapoftheLower
CambrianNiutitangFormationattheboundaryamongHunan,Guizhou,HubeiandChongqing(idealmodel)
图5 湘黔鄂渝交界区深大断裂分布
Fig.5 DeepandmajorfaultsdevelopmentattheboundaryamongHunan,Guizhou,HubeiandChongqing
第4期 冯常茂等.沉积盆地深部地层超压指标转化及评价方法———以湘黔鄂渝交界区为例・419・
3 卓勤功.异常高压对烃源岩成烃机理和油气运聚成藏的影
响[J].石油实验地质,2005,27(2):169～172
4 BarkerC.Aquathermalpressuring;roleoftemperatureinde2velopmentofabnormal2pressurezones[J].AAPGBulletin,1972,56(10):2068～2071
5 BarkerC.Developmentofabnormalandsubnormalpressuresin
reservoirscontainingbacteriallygeneratedgas[J].AAPGBulletin,1987,71(11):1404～1413
6 BarkerC.Calculatedvolumeandpressurechangesduringthe
thermalcrackingofoilandgasinreservoirs[J].AAPGBulle2tin,1990,74(8):1254～1261
7 BradleyJS.Abnormalformationpressure[J].AAPGBulletin,
1975,59(6):957～973
8 BruceCH.Smectitedehydration;itsrelationtostructuralde2velopmentandhydrocarbonaccumulationinnorthernGulfofMexicobasin[J].AAPGBulletin,1984,68(6):673～6839 PriceLC,WengerLM.Theinfluenceofpressureonpetro2leumgenerationandmaturationassuggestedbyaqueouspyro2lysis[J].OrgGeochem,1992,19:141～159
10 Al2ShaiebZ,PucketteJO,AbdallaAA,etal.Megacom2
partmentcomplexintheAnadarkoBasin:acompletelysealedoverpressuredphenomenon[A].In:OrtolevaPJ,ed.Basincompartmentsandseals,AAPGmemoir61[G].AAPG,1994.55～68
11 SurdamRC,ZunSJ,MartinsenRS.Theregionalpressure
regioninCretaceoussandstonesandshalesinthePowerRiverBasin[A].In:OrtolevaPJ,ed.Basincompartmentsandseals,AAPGMemoir61[G].Tulsa:AAPG,1994.213～23312 GraulsD.Overpressures:causalmechanisms,convetionaland
hydromechanicalapproaches[J].OilandGasScienceandTechnology-RevIFP,1999,54(6):667～678
13 GraulsDJ,CassignolC.Identificationofazoneoffluid
pressure2inducedfracturesfromlogandseismicdata-Acasehistory[J].FirstBreak,1993,11:59～68
14 王连进,叶加仁.沉积盆地超压形成机制述评[J].石油与天
Tulsa:
图6 湘黔鄂渝交界区下寒武统牛蹄塘组可能超压分布
Fig.6 OverpressuredistributionmapoftheLowerCambrianNiutitangFormationattheboundaryamongHunan,Guizhou,HubeiandChongqing利—保靖等区域大断裂。这些大断裂对烃源层超压的破坏是致命的,可能导致超压分布局限于图6区域,即下寒武统超压出现几率最大的地方仅在宜宾一带,其他Ⅰ类区域消失,而Ⅱ类区域面积骤减。
4 结论
1)引起沉积盆地超压产生的因素很多,如欠压
实作用、蒙脱石脱水作用、生烃作用、液态烃类的热裂解作用和流体热增压作用等,但深部地层超压产生的主要因素为流体热增压、上覆地层的静岩压力和烃类生成及裂解作用。
2)沉积盆地深部地层超压系数可以转化为3种指标:水热效应增压系数、静岩增压系数和烃
类增压系数,这3种指标互不干扰,且每一地区的地层超压系数为其总和。
3)确定某一地区是否存在超压时,除考虑地层超压系数外,还应考虑断裂发育状况,实际分析中,应采用一票否决制原则,即断裂发育处不可能出现超压。
4)湘黔鄂渝地区受断裂影响,下寒武统牛蹄塘组出现超压几率最大的地区仅在宜宾一带。
参考文献:
1 禇庆忠,李耀华.异常压力形成机制研究综述[J].天然气勘探
然气地质,2001,22(1):17～20
15 王兆云,赵文智,何海清.超压与烃类生成相互作用关系及对油
气运聚成藏的影响[J].石油勘探与开发,2002,29(4):12～15
16 李明成.石油与天然气运移[M].北京:石油工业出版社,199417 曹 华,龚晶晶,汪贵锋.超压的成因及其与油气成藏的关
系[J].天然气地球科学,2006,17(3):422～425
18 贾致芳.石油地质学[M].北京:石油工业出版社,198919 肖开华,沃玉进,周 雁等.中国南方海相层系油气成藏特点
与勘探方向[J].石油与天然气地质,2006,27(3):316～325
20 腾格尔,高长林,胡 凯等.上扬子东南缘下组合优质烃源岩
发育及生烃潜力[J].石油实验地质,2006,28(4):359～365
21 BarkerJF,PolloactSJ.Thegeochemistryandoriginofnatu2
ralgasesinsouthernOntario[J].BulletinofCanadianPetro2leumGeology,1984,32(3):313～326
22 李仲东.川东地区碳酸盐岩超压与天然气富集关系研究[J].
与开发,2001,24(4):38～46
2 杜 栩,郑红印,焦秀琼.异常压力与油气分布[J].地学前缘,
1995,2(2):137～147
矿物岩石,2001,21(4):53～58
(编辑 韩 彧)
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