5.浮力作用:气、油、水的密度差引起的浮力作用，也可使油气藏内出现过剩压力。如图
6-18表示一个背斜气藏，下为边水所限，测压面处于水平状态。通过储集层内A、B、C、D四点的压力分析便可看出浮力作用造成的压力异常。
图6-18 背斜气藏内的压力分析图
设气-水界面上的A点与水层中的B点海拔高度相同，两点的压力相等。而海拔高度相同的C、D两点，分别位于气藏内部和水层之中，由下式可知两点的压力不等，气藏内的C点具有过剩压力：
?Pg?Pc?PD?hg(?w??g)10 (6-15)
式中hg—C、D点与气-水界面的海拔高差；
?w、?g—地层条件下水、气的密度。
可见，背斜气藏内任何一点的地层压力都大于其静水压力，这个过剩压力同该点至气水界
面的距离及地层条件下的气、水密度差成正比。在气-水界面上的A点，hg=0，则过剩压力为零，即地层压力等于静水压力；而在气藏顶点hg最大，过剩压力也是最大。换言之，背斜气藏内的过剩压力是从顶点向翼部逐渐减小。
同理，在油藏内的过剩压力可以表示为:
?Po?ho(?w??o) (6-16)
10式中ho--测压点至油-水界面的海拔高差；
?o--地层条件下石油的密度。
在油气藏的气顶中任何一点的过剩压力为:
?Pg?o?ho(?w??o)?hg(?w??g)10 (6-17)
式中ho--油气藏内含油部分的高度；
hg--气顶中测压点至气-油界面的海拔高差。
不过，应该指出：由于气-水密度差大于油-水密度差，因而在同样条件下，气藏内的过剩
Pc=PD+ΔPg (6-18)
压力常比油藏内的大。另一方面，由(6-15)式可知
即油气藏内任一点的地层压力等于其静水压力与过剩压力之和。一般说来，静水压力占主要地位，而过剩压力只起次要作用，所以，背斜油气藏内地层压力的变化规律仍然和静水压力的变化规律往往相符，即从背斜油气藏顶部向翼部地层压力逐渐增大。
6.粘土矿物成岩演变:近二十年来，对粘土矿物成岩演变过程的研究，已经取得许多重要成果。M.C.Powers于1976年提出了粘土矿物的压实演变模式，指出在蒙脱石向伊利石转化的过程中，有大量层间水从蒙脱石层中转移到颗粒之间成为粒间水。我国松辽盆地白垩系和东营
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凹陷第三系的系统研究都一致证明：蒙脱石向伊利石转化能够析出大量层间水，并使粘土岩体积缩小。这种变化对于形成异常高地层压力有着重要意义。
蒙脱石以含大量吸附水和层间水为特征，结晶水含量较少；伊利石中结晶水和吸附水含量近于相等；而泥岩中的绿泥石则以含结晶水为主，吸附水含量很少。随着粘土沉积物的埋藏深度加大，地下温度升高，粘土矿物的演变显示出阶段性。松辽盆地白垩系粘土矿物的纵向演变可分为三个阶段(表6-2)。
表6-2 松辽盆地白垩系粘土矿物的演变特征[ ] 阶 段 I II III
深度,米 >1200~1300 >1600~2000 >3000 温度,℃ 80 115~120 170~175
在这个演变过程中，蒙脱石逐渐向伊利石和绿泥石转化，粘土矿物的吸附水含量及吸附水/结晶水的含量比值都会不断减少(见表6-3)，析出大量吸附水。东营凹陷从孔隙度、电子显微镜、X-射线衍射、差热、红外光谱等方面分析，都表明深度在2100~2700米时，为第三系粘土岩的压实突变阶段，孔隙度从16%骤减至5%，蒙脱石向伊利石大量转化,释放更多的层间水，引起粘土岩体积剧变。所以，在封闭的地质环境里，随着粘土岩埋藏深度的增加，地下温度逐步升高，当温度达到80℃时，蒙脱石向蒙脱石-伊利石混合层转化，释放大量吸附水，导致形成异常高的地层压力。
表6-3 粘土矿物脱水特征的纵向变化[ ] 粘土矿物演变阶段 分散性 蒙脱石-伊利石 蒙脱石-绿泥石 类别 含量 蒙脱石 混 合 层 混合层 吸附水含量,% 吸附水/结晶水
>10 >2.0 10~5 2.0~1.5
总之，在自然界里，造成油气藏内地层压力异常的原因很多，这里无法一一列举。必须根据各地区的地质条件进行具体分析，才可能作出正确的判断，以便指导油气田勘探及开采工作。
二、流体压力封存箱的基本概念及类型
现代沉降盆地常具有两个或多个水文地质系统,呈现双或多水力系统的层状排列(图6-19)。图中上部为正常压力系统、下部为异常压力系统,其间被封闭层所分隔:水平封闭层划分主箱,垂直封闭层将主箱进一步划分为次箱。因此,可以将沉积盆地内由封闭层分割的异常压力系统,称为流体压力封存箱,箱内生、储、盖条件俱全,常由主箱与次箱组成。 图6-19 现代沉降盆地双水力系统的层状排列图
实例:尼日尔、马哈卡姆、墨西哥湾沿岸、加拿大北极区、下马格达勒纳等三角洲盆地
5~3 1.5~1.0 分 散 性 绿 泥 石 <3 <1.0 粘土矿物的演变特征 出现蒙脱石-伊利石混合层 出现蒙脱石-绿泥石混合层 出现分散性绿泥石 -17-
流体压力封存箱有两种类型:一为超压封存箱,孔隙流体支撑盖层及上覆岩石—流体的重量;另一为欠压封存箱,岩石基质支撑盖层及上覆岩石—流体的重量。图6-20表达了两类封存箱的压力—深度关系。 图6-20 超压与欠压两类封存箱的模式图
(据Hunt,1990,修改) 左-超压封存箱; 右-欠压封存箱
位于美国俄克拉何马州与得克萨斯州交界处的阿马里洛隆起上的Keyes气田为一欠压封存箱的典型实例(6-21),由于曾上升剥蚀掉1500m上覆地层,欠压1300psi,上覆负荷全由含气砂岩的基质骨架支撑。该气田有Blaine硬石膏和威灵顿岩盐两个封闭层,构成两个欠压封存箱,都是正常压力梯度,产气层在下封存箱内。而位于罗马尼亚特兰西瓦尼亚盆地中部的Ernie穹窿则是一个超压封存箱的典型实例,有一个封闭层,其上的中新统 Buglovian 组为正常压力梯度,符合静水压力的深度变化;其下的中新统Tortonian组则为超压封存箱(6-22)。 图6-21 美国Keyes气田的压力-深度梯度图
(据Powley,1980)
图6-22 罗马尼西Ernie穹窿的压力-深度梯度图
(据Powley,1980)
三、封闭层的成因及特征
由上可知,封闭层是形成与分隔流体封存箱的关键。封闭层并不是常说的油气藏的盖层,它常与穿越不同地层界面、岩性岩相界面、构造界面的同温层有关,在该温度条件下,矿化作用、充填作用??等成岩后生作用,造成渗透率近于零的封闭层。封闭层若为碳酸盐岩,多由硅化所致:若为页岩(泥岩)则常与钙化有关。在镜质体反射率达到0.9%时,干酪根已进入生油高峰期,释放大量二氧化碳,有助碳酸盐大量溶解形成次生孔隙发育带;当这种碳酸盐溶液向上运移至镜质体反射率为0.4~0.5%处,碳酸盐再沉淀,形成顶部封闭层,这时恰为生油窗开始处。因此,石油常生成于封闭层之下的封存箱内。
在正在沉降、平均地温梯度的沉积盆地内,封闭层一般分布在3048m(10000ft)深处,例如: 北海埃科菲斯克油田区3293m(10800ft)
印度尼西亚马哈卡姆三角洲Handil油田在3000m(9840ft)、Badak油田3293m(10800ft) 美国得克萨斯3350m(11000ft) 意大利波河盆地西南部3800m(12470ft)
美国库克湾盆地封闭层较厚,顶深3230m(10600ft)
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中国东濮凹陷主封闭层2500~3000m
假若封闭层较厚,为一层组,可由非渗透层与渗透层互层组成。例如库克湾盆地封闭层厚约1000m(3280ft),如图6-23所示,它穿越了侏罗系、白垩系及第三系等层系界面,由渗透层与非渗透层互层组成,封闭层顶深3230m(10600ft)。封闭层之上是陆相为主的第三系碎屑岩,属正常压力系统:封闭层之下为超压封存箱,包含第三系、白垩系、侏罗系及更老层系。盆地西侧的四口井均钻遇超压封存箱,而东侧的一口井最深处仍为正常压力,表明其西有一垂直封闭层断层,此井恰位于封存箱之外(见图6-23AB剖面)。烃源岩属中侏罗统,深逾4572m(15000ft);石油产自直接覆盖封闭层的储层(见图6-23的压力-深度梯度图),深部的湿气产层却在封闭层内。
图6-23 美国阿拉斯加库克湾盆地超压封存箱
(据Hunt,1990修改) a.库克湾盆地平面位置图; b.AB剖面图;
c.库克湾油田压力-深度梯度图
在美国加利福尼亚州还发现一个厚封闭层内砂岩产气的实例。南萨克拉门托山谷Willows-Beehive Bend气田的封闭层由薄矿化层夹块状砂岩组成,厚约300m(1000ft),其中有一层厚18m(60ft)的未矿化砂岩,自1938年1月产气以来,已产气几十年,气源来自封闭层之下的Forbes页岩(图6-24)。 图6-24 美国加利福尼亚Willows-Beehive Bend气田的压力-深度梯度图
(据Powley,1980)
断层带也可构成封闭层,将主箱分割成次级封存箱。美国墨西哥湾沿岸区第三系每隔几公里就有一个断层封割的小封存箱,各自成为单独的压力系统;欧洲北海盆地中央维京地堑东、西两侧有一系列狭窄断块,均有垂直封闭层,每个断块具有独立的压力系统,自成一个小流体封存箱;在中国渤海湾盆地也会存在许多这类封存箱。
埃科菲斯克大油田位于北海中央地堑挪威海域,由图6-25看出该区存在上、下两个流体封存箱,其水平封闭层的深度分别在1830m(6000ft)和3300m(10800ft),下封闭层明显穿越了不同时代的层系界面及不同构造界面;上侏罗统Kimmeridgian页岩为烃源岩,多数石油聚集在下封闭层正上方的上封存箱下部的白垩层中(见图6-25压力-深度梯度图),最终储量达400亿桶。邻近的埃尔德菲斯克、托尔等油气田也是如此,系由下封存箱内烃源层有机质成熟生烃后热膨胀突破下封闭层垂向运移聚集于上封存箱下部白垩层之故。Hunt很重视埃科菲斯克等大油田和库克湾油田石油大量聚集部位与封存箱封闭层之间的关系。
此外,在箱内、箱缘,只要具备圈闭条件同样可以成藏。 图6-25 北海埃科菲斯克大油田区的流体封存箱
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(据Hunt,1990)
a.上、下流体封存箱剖面图;
b. 埃科菲斯克等油田压力-深度梯度图
四、结论
1.世界许多沉积盆地具有两个或多个水文地质系统。浅者属正常静水压力系统,在正在沉降、平均地温梯度的盆地可深达3048m(10000ft);深者属被封存的异常流体压力系统,多超压,若曾上升剥蚀,也可欠压。
2.超压流体封存箱顶部地温多在90~100℃(194~212°F),低于干酪根生油高峰期,所以多数油气应生成于箱内。
3.封闭层常与穿越地层界面、岩性岩相界面、构造界面的同温层有关,在封闭层内渗透率可近于零(矿化、充填??),若封闭层较厚也可夹有渗透带。
4.封闭层有些位于烃源岩与油气储集层之间,表明约几千年一次的间歇式封闭层破裂可以伴随箱内油气垂向运移,多数油气趋向于聚集在紧邻封闭层之上的储集层中;若封闭层具有互层式渗透层,也可聚集于封闭层内的储集层中。箱内、箱缘只要具备圈闭条件也可能成藏。
第6节 固态气体水合物
固态气体水合物是一个崭新的潜在能源资源领域,在地壳上分布很广,预计到21世纪将会成为烃类勘探、开发和利用的重要能源物质。
一、基本概念
固态气体水合物(Solid Gas Hydrate)系指在特定的压力与温度条件下,甲烷气体分子天然地被封闭在水分子的扩大晶格中,呈固态的结晶化合物,亦称冰冻甲烷或水化甲烷。有时乙烷、丙烷、异丁烷、二氧化碳及硫化氢也可与甲烷一起形成固态混合气体水合物。这些气体可以是来自洋底沉积物之下深度不大的生物成因气,也可以是沿海底断裂来自深处的非生物成因气。这类固态气体水合物可以成为深部气藏的良好盖层,也可以形成气体水合物气田。
本世纪60年代首先在前苏联西西伯利亚北极气田中发现冰冻甲烷,至70年代在该区发现储量巨大的气体水合物气田梅索雅卡后,才引起人们的重视,其天然气总储量约为431011m3,其中有54%是呈气体水合物产出(Katz,1971)。后来在北极许多油气田中都见到过固态气体水合物;1980年初美国深海钻探的钻井船,甚至发现在墨西哥和中美洲附近的太平洋中,广泛分布着冰冻甲烷地层,并取得许多岩心。经过多年勘探,迄今发现西半球北美洲周缘许多海域都蕴藏着气体水合物资源(图6-26):从北阿拉斯加、白令海、加利福尼亚近海、中美洲海沟、巴拿马盆地、哥伦比亚盆地、墨西哥湾、布莱克-巴哈马海岭、巴尔的摩峡谷、至东加拿大近海估算的气体水合物远景资源量可逾760~291531012ft3。图6-27表明了已知和预测气体水合物矿床五十余个的全球分布概况,估计我国至少在东南沿海也会蕴藏着丰富的气体水合物资源。
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