川西坳陷中段須家河組超壓成因機制

川西坳陷中段須家河組超壓成因機制

0壓力演化效應(yīng)“異常壓力”定量分析的意義“20世紀90年代初，hunter的異常高壓密封理論引起了人們對異常高壓和氣藏之間關(guān)系的關(guān)注。超壓發(fā)育機制總體上可以分為3類:壓性力的增加(不均衡壓實和構(gòu)造擠壓)、流體體積的變化(水熱增壓、成巖作用、烴類生成和油的裂解)以及流體運移影響(重力水頭、浮力和滲透作用)。不同增壓因素作用的時間和幅度也不相同,故有必要從歷史演化角度對這種“不等時不等量性”增壓作用作定量分析。前人對異常高壓的意義,如對生烴的抑制作用,與油氣運移方式、通道和動力的關(guān)系,與油氣聚集的關(guān)系,成藏效應(yīng)(深部成藏與晚期成藏)以及對深部儲集層孔隙的保存作用、超壓蓋層的封蓋作用等進行了研究。針對川西地區(qū),王震亮等將其壓力演化概括為早侏羅世—古近紀的沉積型超壓和新近紀—現(xiàn)今的構(gòu)造型超壓,張金川等強調(diào)了該區(qū)致密地層條件下天然氣活塞式排驅(qū)作用產(chǎn)生的超壓,徐國盛等將川西上三疊統(tǒng)的超壓劃分為沉積型、充氣型和構(gòu)造型超壓。這些研究推動了對川西上三疊統(tǒng)超壓的認識,但均是簡單地定性分析超壓成因,未對壓力演化進行定量分析。此外,對川西淺層超壓成因至今未見報道。川西坳陷現(xiàn)今壓力分布表現(xiàn)出分段性,從川西南段到川西北段超壓幅度逐漸降低,且龍門山活動具有南、中、北分段性。本文以川西坳陷中段為例,研究地層壓力演化分布規(guī)律以及深淺層超壓成因的差異性。以川西坳陷中段地區(qū)現(xiàn)今地層壓力分布、測井資料分析及成因機制探討為基礎(chǔ),針對不同成因機制選取較合適的技術(shù)方法(等效深度法、盆地模擬法、應(yīng)力轉(zhuǎn)化定量分析)恢復該地區(qū)的地層壓力演化史,討論增壓機制的階段差異性、不同機制增壓幅度的差異性以及壓力演化對天然氣運移聚集成藏的控制作用。1地質(zhì)背景及構(gòu)造格局川西坳陷位于四川盆地西部,呈北東向展布,西以安縣—都江堰斷裂與龍門山為界,東以龍泉山—南江一線為界,南以峨眉—滎經(jīng)斷裂與川滇南北構(gòu)造帶為界,北至米倉山前緣,面積約4×104km2。它是晚三疊世以來發(fā)育的前陸坳陷,經(jīng)歷了印支、燕山和喜馬拉雅多期次構(gòu)造運動?，F(xiàn)今構(gòu)造格局是多組、多期次構(gòu)造運動綜合作用的結(jié)果,除直接受控于龍門山?jīng)_斷帶的發(fā)展,還受到龍泉山、北緣米倉山、南緣川滇構(gòu)造帶的強烈影響。研究區(qū)川西坳陷中段可劃分為龍門山前緣推覆帶、安縣—鴨子河—大邑斷褶帶、梓潼凹陷、孝泉—新場—合興場—豐谷構(gòu)造帶、成都凹陷以及知新場—龍寶梁構(gòu)造帶(見圖1)。川西坳陷中段發(fā)育的陸相地層包括上三疊統(tǒng)須家河組、侏羅系、白堊系等,其中須家河組內(nèi)發(fā)育“三明治”式生儲蓋組合,須一段、須三段、須五段為烴源巖層,炭質(zhì)頁巖、暗色泥巖和煤厚度大,有機質(zhì)含量高,須二段和須四段為儲集層,現(xiàn)今表現(xiàn)出低孔低滲的致密化特征。侏羅紀期間,氣候以炎熱、干旱為主,只在下侏羅統(tǒng)沉積了含灰綠色泥質(zhì)巖的自流井組和白田壩組,之后為氧化環(huán)境下沉積的一大套“紅層”,不具生烴能力。2壓力的發(fā)展和形成機制2.1淺層壓力分布川西坳陷中段無論是深層上三疊統(tǒng)須家河組還是淺層侏羅系都發(fā)育強超壓,儲集層實測壓力數(shù)據(jù)表明,淺層壓力系數(shù)大多為1.0~1.5,深層多為1.5~2.0(見圖2)。2.2徐家河群超壓形成2.2.1欠壓實造成的超壓川西坳陷中段受龍門山逆沖推覆的影響,快速沉積了巨厚的上三疊統(tǒng)。須家河組的沉積速率大多超過100m/Ma(見圖3),泥頁巖厚度超過200m的須三段和須五段很容易發(fā)生排液不暢形成欠壓實。欠壓實造成的超壓可利用泥巖聲波時差定量計算得到,但需要注意的是利用聲波時差計算得到的壓力是地層埋深最大時的古壓力,因為有可能地史時期曾出現(xiàn)欠壓實作用導致的超壓,后來欠壓實逐漸消失,而孔隙度的異常仍然保存下來,造成現(xiàn)今欠壓實超壓的假象。筆者用該方法計算了多口單井的壓力系數(shù)進而制作了連井剖面(見圖4),通過沉降史分析得知須家河組埋深最大時期大致在侏羅紀末,可知由欠壓實造成的超壓應(yīng)該是從晚三疊世早期保存至侏羅紀末,后在喜馬拉雅運動中逐漸消失殆盡。侏羅紀末也是一個排烴高峰期,此時的欠壓實超壓起到了兩方面作用,一是產(chǎn)生了大量可作為排烴通道的裂縫,二是為排烴提供了動力。2.2.2上三疊統(tǒng)烴源巖須一、三、五段生排烴,實行改革開放和自干酪根的熱降解、熱裂解生烴作用也是烴源巖中產(chǎn)生異常高壓的重要原因。郭小文通過數(shù)值模擬發(fā)現(xiàn)Ⅲ型干酪根(TOC=2%,HI=100mg/g)生烴在天然氣散失量達80%時還可以使壓力系數(shù)升高0.6。由于須二段和須四段儲集層在天然氣成藏早—中期的致密化,川西坳陷中段須家河組后期形成了致密深盆氣藏,因而上三疊統(tǒng)的生烴增壓過程應(yīng)該符合“高壓鍋原理”——密閉容器中高密度相態(tài)(干酪根)向低密度相態(tài)(天然氣)轉(zhuǎn)變從而導致整體壓力迅速升高。對上三疊統(tǒng)烴源巖須一、三、五段生排烴史的研究表明,3套主要烴源巖層最早于早侏羅世末達到生烴門限,中侏羅世早期進入排烴門限,生烴和排烴作用約持續(xù)到新近紀(見表1)。作為烴源巖層的須一、三、五段進入生烴門限后,由于“生氣作用”開始發(fā)育超壓;而主要作為儲集層的須二、四段從烴源巖進入排烴門限后由于“充氣作用”開始形成超壓。筆者選擇研究區(qū)內(nèi)A—A′剖面恢復了其地層壓力演化史(見圖5),可以發(fā)現(xiàn)至早侏羅世末(距今約198Ma),由于進入生烴門限,生烴增壓作用明顯。至距今137Ma和96Ma(對應(yīng)排烴高峰時間)壓力達到最大,甚至超過了巖石破裂壓力。排烴高峰時的源儲壓差可達30MPa,根據(jù)柳廣弟等的統(tǒng)計可知,研究區(qū)成藏期的天然氣聚集效率非常之高。計算表明,在生排烴高峰期,由于“生氣作用”和“充氣作用”,烴源巖層和儲集層壓力系數(shù)升高0.7~1.0,可以認為整個上三疊統(tǒng)為一個大的超壓封存箱。2.2.3變形參數(shù)對超壓貢獻率的影響上已述及,川西坳陷在燕山、喜馬拉雅多幕構(gòu)造運動中遭受抬升剝蝕,而抬升剝蝕后超壓幅度有增無減:現(xiàn)今須二段—須五段實際地層壓力系數(shù)(見圖2)遠高于按生烴增壓作用進行盆地模擬得出的現(xiàn)今地層壓力系數(shù)(1.2~1.5,見圖5f)。據(jù)此判斷,后期階段必然存在其他增壓機制,筆者分析認為構(gòu)造擠壓是最重要的原因。羅曉容利用基于有限元法的盆地模型模擬證實構(gòu)造擠壓增壓作用可視為水平方向的地層壓實增壓作用,除力的方向不同外,其所產(chǎn)生的異常壓力機制與壓實作用完全一致,都是通過對沉積物顆粒的作用達到對地層的壓實效果。根據(jù)彈性理論,在應(yīng)力作用下巖石的體積變化為:孔隙中流體的體積變化為:其中由于成巖以后巖石骨架的可壓縮性很小,故巖石的體積變化近似等于孔隙流體的體積變化,即:則式中ΔV——巖石的體積變化,m3;V——巖石體積,m3;σ——構(gòu)造擠壓應(yīng)力,GPa;p——流體壓力,GPa;E——巖石的彈性模量,GPa;ΔVf——孔隙流體的體積變化,m3;φ——孔隙度,f;Kf——巖石的體積變形模量,GPa;ν——泊松比,無量綱;Tc——超壓貢獻率,即擠壓應(yīng)力向流體壓力的轉(zhuǎn)化程度,無量綱。根據(jù)公式(5)計算地質(zhì)歷史時期內(nèi)構(gòu)造擠壓應(yīng)力對超壓的貢獻,結(jié)果見表2。根據(jù)構(gòu)造運動發(fā)生的年代,擠壓應(yīng)力轉(zhuǎn)化增壓鼎盛時期應(yīng)該在中侏羅世晚期—更新世初期。喜馬拉雅多幕運動的構(gòu)造擠壓應(yīng)力對超壓貢獻最大,須四段和須二段平均壓力系數(shù)分別增加0.969和0.713。在欠壓實超壓消失殆盡、生烴增壓減弱的情況下,構(gòu)造擠壓應(yīng)該是此時超壓的最大影響因素,現(xiàn)今地層壓力的分布狀態(tài)是由于喜馬拉雅期側(cè)向擠壓作用而定格。同時須注意構(gòu)造擠壓的雙重效應(yīng),在擠壓強烈的地區(qū),斷裂發(fā)育豐富且可能“通天”,最終造成了泄壓,比如龍門山前緣帶。根據(jù)斷裂的發(fā)育程度,構(gòu)造擠壓轉(zhuǎn)化增壓應(yīng)該從川西坳陷中段的中部向東強度逐漸增大。將造成須家河組超壓的3種主要影響因素定量化,結(jié)合生排烴史、埋藏史和構(gòu)造運動史作綜合分析(見圖6),可以發(fā)現(xiàn)在生排烴高峰期,生烴增壓幅度接近0.8(壓力系數(shù));在構(gòu)造運動強烈期增壓明顯,尤其是喜馬拉雅運動晚幕以來,增壓幅度接近1.0(壓力系數(shù))。在欠壓實、生烴、構(gòu)造擠壓三者共同作用的時期,綜合超壓幅度達1.5(壓力系數(shù)),遠超過地層破裂極限。以壓力系數(shù)增加0.2為限,欠壓實增壓作用時間為晚三疊世早期—侏羅紀末;生烴增壓作用時間為早侏羅世—新近紀;構(gòu)造擠壓轉(zhuǎn)化增壓的顯著作用時間為白堊紀至今。2.3侏羅系氣藏地質(zhì)背景川西坳陷中段的侏羅系也發(fā)育了較強的超壓。分析認為,侏羅系并不具備以上3種引起超壓的主要因素,比如,侏羅系的沉積速率多小于40m/Ma,且泥頁巖厚度較小,不具備發(fā)生欠壓實的條件,從聲波時差測井和密度測井上也可以印證這一點。從電阻率測井資料分析,淺層的構(gòu)造擠壓現(xiàn)象也不明顯,這可能是由于淺層不易保存擠壓應(yīng)力造成的。地應(yīng)力分析也說明淺層擠壓應(yīng)力弱。侏羅系主要是氧化環(huán)境下沉積的一大套“紅層”,基本上不具備生烴能力。侏羅系氣藏氣源分析、輕烴對比顯示其氣源主要是須五段和須四段,根據(jù)δ13C1-Ro關(guān)系計算天然氣運移距離確定的氣源層位也主要是須五段和須四段(見表3)。所以認為這些氣藏是深層氣藏遭受構(gòu)造變動調(diào)整而形成的,可以稱之為遠源次生氣藏,氣藏以深部須家河組烴源層和早期圈閉中的油氣為氣源,以斷裂為垂直運移通道,以水平縫和滲透性砂體為側(cè)向運移通道,除自身的浮力外,上三疊統(tǒng)的超高壓是天然氣向上運移的驅(qū)動力。深部天然氣沿斷裂向上運移竄入淺部砂體是導致深部地層局部地層壓力下降、淺部地層高壓異常的主要原因,斷裂主要形成于白堊紀以來構(gòu)造活動強烈時期,所以淺層超壓也形成于相應(yīng)時期。如合興場須四、須五氣藏鉆遇井實測地層壓力系數(shù)最大為1.65,而臨近的新場、豐谷等地區(qū)相同深度處壓力系數(shù)最小為1.8,平均高達1.9以上;合興場上侏羅統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組氣藏壓力系數(shù)達1.9,而臨近的新場、豐谷等地區(qū)相同深度處壓力系數(shù)最大不超過1.69。原因是合興場地區(qū)斷裂較為發(fā)育,溝通了須四段和侏羅系,產(chǎn)生斷裂輸導、超壓侵位所致(見圖7)。因此認為超壓流體向上運移造成的“壓力侵位”是侏羅系局部超壓的主要成因,稱之為超壓傳遞作用,侏羅系形成的超壓稱為傳遞超壓。3超壓與天然氣運移動力超壓產(chǎn)生的裂縫可作為油氣運移通道及儲集空間。壓力演化分析結(jié)果表明,上三疊統(tǒng)超壓已達到巖石破裂極限。曾聯(lián)波分析了川西坳陷微裂縫的成因,認為其中占較大比例的張性裂縫是由超壓造成的,這主要是由于超壓減小了有效垂直應(yīng)力,最小水平正應(yīng)力從壓性轉(zhuǎn)變成張性。微裂縫促進了天然氣的運移甚至聚集,須家河組的天然氣藏多屬于裂縫型氣藏可以證明這一點。超壓可作為天然氣運移的動力。在烴源巖排烴、天然氣二次運移以及氣藏后期遭受改造天然氣向中淺層運移過程中,超壓都充當了天然氣運移的動力。排烴高峰期的高源儲壓差使得天然氣聚集效率非常高。考慮到異常壓力的不同成因機制,認為:從印支晚期到燕山晚期,構(gòu)造運動強烈,流體運移驅(qū)動力主要是構(gòu)造應(yīng)力和欠壓實超壓;構(gòu)造運動穩(wěn)定時期主要是生烴增壓和欠壓實超壓;喜馬拉雅期流體運移動力主要是構(gòu)造擠壓轉(zhuǎn)化增壓。須家河組氣藏遭受破壞向淺部運移再成藏過程中,超壓對天然氣運移起決定性作用。天然氣聚集有利區(qū)亦與超壓分布有關(guān)。統(tǒng)計表明,研究區(qū)除新都—洛帶氣藏呈近常壓外,其余均屬超壓氣藏(含氣構(gòu)造)。天然氣富集的最佳部位在侏羅系超壓帶(壓力系數(shù)為1.2~1.5),次為須家河組超壓帶(壓力系數(shù)為1.5~2.0),強超壓帶(壓力系數(shù)大于2.0)含氣較少。因此,川西坳陷中段侏羅系壓力系數(shù)高值區(qū)和須家河組中高超壓帶是今后勘探優(yōu)選方向。4構(gòu)造及異常高壓川西坳陷中段須家河組超壓的主要成因機制有欠壓實作用(晚三疊世早期—侏羅紀末)、生烴增壓作用(早侏羅世—