心上的各种构造形迹及组合,然后用计算机数值模拟,编制全区的地应力场有关图件,才能更逼近实际地应力分布的变化规律。
二、地应力场与油气藏形成分布的关系
在含油气盆地内开展地应力场研究,直接关系到油气生成、运移、聚集、保存或破坏等全过程的研究。从国内外研究现状分析,地应力场研究与油气藏形成分布存在下列关系:
(1) 地应力场的性质控制着烃源岩有机质成熟演化的力学化学效应;
(2) 地应力场的性质影响着烃源岩和储集岩微裂缝的形成分布、储集层次生孔隙发育带的形成分布;
(3) 地应力场特征影响着油气初次运移和二次运移的方向、通道及强度;
(4) 地应力场形成、演化直接控制各类二级构造带、各类构造圈闭、断层、裂缝以及地层不整合的形成与演化,影响油气运移和聚集,与油气藏的形成、类型及分布有密切关系;
(5) 地应力场的发展变化与油气藏的保存或破坏也有着紧密联系。
总之,地应力场的特点与演化,对含油气盆地内油气藏、油气田、油气聚集带的形成、类型及分布具有重要的控制作用。
第4节 “三场”研究实例
一、美国南路易斯安那Bayou-Calin湖砂区应用地温场与地压场研究气田
在墨西哥湾盆地北部有一个同生断层带弧形分布网,其北为含盐凹陷。Bayou-Calin湖砂区位于弧形同生断层带中段,已发现湖砂、东湖砂及Bayou-Calin三个气田,分别属于同生断层下降盘背斜圈闭、上升盘背斜圈闭及二者以北的地层圈闭。在这些已知气田上研究地温场与地压场的特征,总结经验,再去预测同生断层带的未知气田,获得良好效果。
根据已知气田上的浅井资料分别编制了地压与地温等值线图,再用深井结合地震勘探资料编制出四个深度基准面(3048,3658,4267,4877m)的地温等值线图。
由地压等值线图划分水压带与增压带(高压异常带): 地静压力系数 水压带0.465 (9.31b/gal泥浆) 增压带1.00(201b/gal泥浆) 地温梯度 水压带0.56℃/30m(1F/100ft) 增压带顶2.78℃/30m(5F/100ft) 通过上述地温场与地压场制图,结合构造图分析,得出下列结论:
(1) 增压带顶多分布在构造高点及同生断层下降盘的滚动背斜,且增压带顶若在构造高点还会具有热异常。
(2) 四个深度基准面等温图表明构造高点与地温高点相关,弧形断裂带以北含盐凹陷边缘沿盐体刺穿处也有热异常;所以在生产构造高点及含盐凹陷边缘盐丘构造低处呈地温高异常。
(3) 利用浅井资料进行地温场、地压场制图,可为该区未钻探的同生断层滚动背斜指明含油
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气远景。
类似应用地温场与地压场,在澳大利亚、新西兰研究气田分布规律也见到明显效果。 但是,同样在美国也发现一些非构造圈闭大气田位于向斜及翼部,呈异常低压,例如圣胡安、胡哥顿、莫罗、瓦腾伯格等,多因上覆地层遭剥蚀,孔隙体积扩大,导致地温、地压降低。
所以,在应用地温场与地压场研究各盆地油气藏形成分布规律时,必须结合该地区地质构造发育史进行具体分析,才会得出切合实际的科学结论。
二、前苏联田吉兹超级油田的“三场”研究
田吉兹油田是前苏联在第二次世界大战后,继发现西西伯利亚众多大油、气田后,在滨里海盆地找到的又一个古生界海相生物礁深部超级油田,可采储量约为253108t,引起国际关注。这个油田是反映基底隆起的大型穹窿,面积580km2,下二叠统亚丁斯克组暗色泥岩夹泥灰岩及石灰岩为烃源层,在构造顶部厚约10~80m,翼部及洼陷逾1000m;孔谷尔组含盐岩系厚达400~2500m,是良好盖层;储集层则为石炭系巨厚生物礁碳酸盐岩。可见生储盖及圈闭条件十分理想,为形成大油气田创造了极为有利的地质背景。全苏可燃矿产地质与开发研究所在此开展了以地应力(构造应力)为主、兼顾温度和压力的综合性实验模拟研究。这样将地应力场、地温场、地压场综合研究,在世界上尚属首例。归纳起来,他们进行了下列诸方面的基础研究。
(1) 在钻井和矿坑中,实际机械测定了不同深度下的地应力,发现垂向挤压应力和水平挤压应力均超过地静压力1~5倍或更多(见图6-7)。
(2) 地静压力(埋藏深度)对应力、应变的影响。由于地静压力受埋藏深度的制约,在不同埋深下地静压力差别很大,而构造应力对沉积岩变形的影响,又取决于上覆岩系静止负荷所造成的全方向压力值(即地静压力)。现以泥质烃源岩为例,在埋深1100m时,经受的地静压力为25MPa,烃源岩承受的最大构造应力值不超过100MPa,否则岩石会破裂,这时塑性变形约为8~10%。若埋深4300m,经受的地静压力增达100MPa,则构造应力最大值可达210~220MPa,这时形变值会很高,达25%~30%(图6-8)。 图6-8 地静压力对岩石应力-应变的影响
(3) 岩石矿物基质成分及性质对应力、应变的影响。如图6-8所示,a、b分别为页岩与碳酸盐岩的应力-应变曲线,二者矿物基质成分及性质不同,即使在相同的地静压力下,其应力、应变关系差异显著。例如当埋藏深度均为4300m时,经受的地静压力均为100MPa,如上所述,对页岩而言,可塑性较强,构造应力最大值达210~220MPa,形变值可高达25%~30%;而对碳酸盐岩而言,脆性较大,在同样地静压力下,欲使形变值达到25%,所需构造应力达250MPa以上。
(4) 地层温度对应力、应变的影响。随着埋藏深度增加,不仅地静压力增大,地层温度亦会升高。以泥晶生物灰岩为例,开展了两组模拟试验。一组地静压力为50MPa时,温度从20℃升高到100℃;另一组地静压力为120MPa时,温度从20℃升高到200℃。对同一类岩石样品,两组试验均表明,在埋藏深度下,地温若超过100℃的高温,岩石塑性变形所需的构造应力值会降低,而形变值却可增加一倍或更多(图6-9)。
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图6-9 温度对应力-应变的影响
(5) 烃源岩孔隙流体压力对应力、应变的影响:在地静压力为70MPa、温度为135℃的条件下,以孔隙流体压力不同的两组粉砂岩样品开展了应力-应变模拟试验,发现孔隙流体压力增加会使塑性变形所需应力值降低,形变值反而显著增大(图6-10)。
(6) 烃源岩塑性变形阶段会出现解压实现象(体积增大),乃微裂缝发育所致(图6-11)。模拟试验是在室温条件下,地静压力为66MPa时进行的,在生物灰岩塑性变形过程中,出现两次解压实现象,体积变大,产生两期微裂缝,尤以第二期最为发育,这对改善储集条件具有重要意义。
(7) 基底断块向上覆层系挤压的应力、应变特征。设基底断块表面是平的,所占面积在盆地发育过程中为常数不变,但其上覆沉积岩系厚度则会变化:长期沉降阶段增加,抬升剥蚀阶段减少。所以,在地质发展不同阶段,各方向的地应力值是不同的,并非在任何情况下都能保证上覆层系中形成各方向均一的构造应力和岩石变形作用。
图6-12表示在相对均一的岩系中,沿断块表面向上挤压应力、剪切应力和拉张应力的形成与分布,自下而上形成三个带: 图6-10 孔隙流体压力对应力-应变的影响
图6-11 室温下生物灰岩塑性变形阶段的解压实现象
图6-12 由基底断块向上覆沉积岩系挤压造成的变形作用带
(1) 不可逆挤压压实带 (2) 塑性剪切带 (3) 扩张带
这三个带均属内部变形作用带,其周围尚有外部带以保证侧向扩张作用和形成三个内部变形带。
在内带与外带之间为一环形临界带,剪切应力胜过向上挤压应力,造成一系列自下而上发育的断裂与基底断块面相交,断裂倾角取决于上覆岩系的牢度和厚度。
如果上覆岩系中有巨厚塑性岩系时,这种环状分布的断裂可以减缓或停止发育,田吉兹油田拥有巨厚塑性碳酸盐岩、泥质岩及含盐岩系就是证明。
通过以上研究,可以总结田吉兹油田的形成模式如图6-13所示。
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图6-13 田吉兹超级油田的形成模式
(据Пецюха,1992)
根据物探资料,埋深13km的基底断块顶部面积约400km2。其上可分三个应力-应变带: (1) 不可逆挤压压实带,厚4000m,由上元古界至中泥盆统海相碎屑岩系组成;
(2) 塑性剪切带,厚4800m,由上泥盆统至中石炭统碳酸盐岩、下二叠统亚丁斯克组海相泥质岩和孔谷尔组含盐岩系底部组成;
(3) 拉张带,厚4000m,包括孔谷尔组含盐岩系主要部分及中、新生界陆相地层。此带挤压应力的影响已消失,岩石处于地静压力作用下,下伏碳酸盐岩块体向上拱造成拉张应力十分活跃。
含盐岩系改变了原始产状,向上覆薄弱带挤压,在隆起顶部地应力最强处盐岩变薄,翼部最弱处变厚甚至形成盐丘。
上述塑性剪切变形带值得特别重视:烃源岩在力学化学作用下,有机质成熟大量生烃;储集层次生孔隙及微裂缝形成作用活跃,显著改善了储层条件。
在塑性变形带,亚丁斯克组泥质岩系经受强烈改造,形成碱、无机酸、有机酸、无机矿物化合物,以及包含烃类、胶质、沥青质等有机矿物化合物,后者可渗透到下伏碳酸盐岩生物礁块体中。
上述各种酸溶入地层水沿着沉积间断面发生强烈溶蚀、白云岩化、重结晶、硅化等后生作用,形成大量次生孔隙,在3900~4600m,可见泥浆漏失现象;同时在塑性变形带解压实作用下产生大量微裂缝,增大了储集层的容积。
所以,塑性变形带恰与生油窗对应,又是储集空间发育期,有利于油气生成、储集并聚集成藏,才形成了这个储量达25亿吨的超级油田。
应该指出,上述两个实例都只从不同角度涉及到“三场”研究的一部分,我国许多“九五”科技攻关项目已注意开展“三场”与油气藏形成分布关系的研究,这是石油地质综合研究的一个重要新领域,能有力促进油气勘探,定会结出丰硕之果。
第5节 流体压力封存箱
在世界许多含油气盆地的勘探开发过程中,经常发现超压或欠压等异常地层压力,美国石油地质学家J.M.Hunt(1990)综合大量实例,正式发表重要论文阐述流体压力封存箱的概念,指出在全球180个沉积盆地都发现了流体封存箱,其中160个具有重要的地质意义[105]。
一、异常地层压力
前已述及,地层压力(Pf)是作用于地层孔隙空间流体(油、气、水)上的压力。正常地层压力可由地表至地下任意点地层水的静水压头(静水压力)来表示;而背离正常地层压力趋势线的地层压力,均为异常地层压力。超过静水压力的地层压力,属异常高地层压力(超压,Surpressures或Overpressures);低于静水压力者,则为异常低地层压力(欠压,Subpressures或 underpressures)。Hunt明确提出了鉴别标准:
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在自由状态下的边界值
淡水 压力梯度9.79 Kpa/m (0.43 psi/ft) 饱和盐水 压力梯度11.90 Kpa/m(0.53psi/ft) >边界值 超压 <边界值 欠压
自然界造成异常地层压力的原因很多,常为多种因素综合作用所致,详细分析可归纳出下列主要原因[ 47]:
1.流体热增压作用：这是地层中产生超压的首要原因。随着地层埋藏深度加大，经受地温升高，导至有机质成熟生成大量石油和天然气，地层水也会出现水热增压现象，在烃源层及储集层中都会造成异常高地层压力，在含油气盆地中这是非常普遍的事实。
2.剥蚀作用:在幼年期地貌区,剥蚀作用常常引起地形起伏甚大,而测压面的位置未变,于是测压面与地面的高低关系可能因地而异(图6-14),造成A、B两个油藏分别出现压力过剩与压力不足的现象。
在一些高原地区,河流侵蚀形成深山峡谷,泄水区海拔很低,测压面横穿圈闭(图6-15),导致油藏内的地层压力非常低,只有1个大气压,石油遂浮在水面上。 图6-14 测压面与地面的不同关系造成地层压力过剩和不足
图6-15 测压面横穿圈闭造成地层压力异常低
3.断裂与岩性封闭作用:在厚层泥岩中所夹的砂岩透镜体油藏，原来埋藏较深，原始地层压力较大。后来，在块断升降运动作用下，油藏所在断块上升，深度变浅，但原始地层压力仍然保持下来，形成高压异常(图6-16(a))；相反，如图6-16(b)所示，也可造成低压异常。这种现象在我国东部裂谷盆地断裂发育的地区是常可见到的。
4.刺穿作用:在不均衡压力作用下，可塑性岩层发生侵入刺穿作用，可使上覆一些软的页岩和未固结砂层发生挤压与断裂变动，减少孔隙容积，流体压力增大，造成高压异常。在盐丘和泥火山发育区经常出现高压异常，就是这种原因。如美国墨西哥湾沿岸盐丘油田区(图6-17)及里海阿普赛伦半岛泥火山油田区都常常发现高压异常的油藏。 图6-16 断裂与岩性封闭作用造成的压力异常
(a)高压异常；(b)低压异常
图6-17 墨西哥湾盐丘油田区100多口油井的地层压力与深度的关系 大黑点-弗里奥组；小黑点-考克菲尔德组；+-阿那华克组
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