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川东北地区碳酸盐岩层系超压发育演化与成因机制

王存武  
【摘要】: 沉积盆地广泛发育超压,超压不仅会引发井喷事故,而且与油气成藏和分布密切相关。迄今为止,沉积盆地碎屑岩层系超压研究已做了大量工作;而碳酸盐岩层系超压研究尚未深入研究。碳酸盐岩由于早期成岩胶结作用强,不发育碎屑岩层系常见的欠压实引起的超压;但是,碳酸盐岩层系成岩后期的原油裂解成天然气效应、有机/无机水-岩相互作用对超压发育与演化具有重要影响。四川盆地东北部地区碳酸盐岩层系是我国天然气勘探的重点地区,该区现今超压分布十分复杂,超压发育演化机理及其成藏效应不清楚。本文围绕古油藏原油裂解成气作用、热化学硫酸盐还原作用(TSR)的增压效应的核心科学问题,通过地质观测、数值模拟和理论计算相互印证的研究思路,开展川东北地区二叠系~三叠系碳酸盐岩层系超压发育及其成因机制的研究,为揭示该区碳酸盐岩层系油气成藏机理提供一些理论依据。 论文以构造地质学、沉积学、成藏动力学等理论为指导,综合运用地质、地球物理、地球化学以及钻井等资料,以川东北地区碳酸盐岩层系基础石油地质背景为前提,开展了大量数值模拟计算,探讨了碳酸盐岩层系超压成因及影响地层压力的各个因素。取得的主要认识如下: 1)川东北地区含气构造的地层压力具有三个显著特点:①现今地层压力分布十分复杂,不同构造间地层压力不具有相关性,具有各自独立的压力系统;②海相碳酸盐岩层系(以飞仙关组为例)超压分布与储层岩性和储层类型密切相关,孔隙型或裂缝-孔隙型鲕滩储层基本不发育超压,而裂缝型或孔隙-裂缝型灰岩储层发育超压和强超压。③发育超压的裂缝型或孔隙-裂缝型储层现今天然气中均不含或微含硫化氢气体,而现今为常压的孔隙型或裂缝-孔隙型鲕滩储层均以高含硫化氢气体为特征。 2)运用流体包裹体热动力学模拟技术可以恢复碳酸盐岩储层古压力,这是目前古压力研究领域较为科学和准确的方法,本文运用激光扫描共聚焦显微镜结合PVTsim相态模拟软件共同模拟了川东北地区碳酸盐岩层系古流体成分和古压力。结果表明,普光构造和毛坝构造飞仙关组、长兴组碳酸盐岩储层在早燕山期均发育超压,至130Ma时地层压力开始下降,演化至今普光构造碳酸盐岩储层为常压,而毛坝构造毛坝1、2、3井区为超压,二者代表了两种不同的压力演化过程。 3)影响川东北地区碳酸盐岩层系地层压力演化的主要因素包括原油裂解成天然气、TSR反应、构造挤压和抬升剥蚀作用,前三种是形成该区古超压和现今超压的主要机制。 原油裂解成天然气可使地层压力明显增大,考虑川东北地区实际的地质条件进行的数值模拟计算结果表明,在地质条件下封闭体系中的原油裂解成天然气可产生强超压,压力系数可达2.56,而开放体系原油裂解成天然气产生的系统压力并不高,在系统体积增大20%的条件下,压力系数仅为1.36。川东北地区以普光气田为代表的鲕滩相孔隙型储层都经历了古油藏到气藏的转变过程,现今储层中残余大量沥青,研究认为普光和毛坝构造碳酸盐岩层系飞仙关组和长兴组晚印支-早燕山期超压的主要成因是原油裂解成气作用;热化学硫酸盐还原反应(TSR)会导致地层压力发生变化,数值模拟结果表明,凡是甲烷参与的TSR反应无论发生在开放体系还是封闭体系均会引起地层压力降低;乙烷参与的TSR反应在开放体系中可能会产生系统压力降低,而封闭体系中会使系统压力显著增高;丙烷和丁烷参与的TSR反应无论发生在开放体系还是封闭体系中,均会引起系统压力显著增大。而综合考虑TSR产物(H_2S和CO_2)与过渡金属发生反应的消耗、酸性气体对储层的溶蚀进行的数值计算表明,实际地质条件下的TSR能导致地层压力降低。构造抬升可使地层压力明显降低。抬升剥蚀引起的压力卸载可能会使鲕滩相孔隙型储层发生弹性反弹,而抬升后引起的地层温度降低可使储层流体收缩,产生大幅度的压力降低。 4)晚燕山期和喜山期强烈的构造挤压可能是导致川东北地区裂缝型碳酸盐岩储层超压的重要因素。不同岩石类型的应力应变性质不同,对应力的敏感程度亦有差异。裂缝性灰岩/白云岩属于塑性形变范畴,当有效应力增加时,裂缝首先被压缩闭合,完全闭合后孔隙才开始形变;而鲕粒白云岩则像砂岩一样,属于弹性形变,当有效应力增加时,孔隙首先被压缩,使孔隙空间减小,流体压力增加。同等应力条件下,裂缝型灰岩/白云岩储层会首先出现超压,并由于裂缝的自封闭性较强,超压不会轻易泄载。因此,川东北地区构造挤压作用可能是造成飞仙关组裂缝型灰岩/白云岩储层超压的主要因素之一。不同构造带储层的岩石类型的差异和岩石物理性质的差异以及地质历史时期的水-岩相互作用的不同可能导致了各构造带间地层压力演化不同,表现为现今压力系统特征的不同。 本论文主要创新点: (1)碳酸盐岩层系的超压研究尚属国际前沿课题,本文运用数值模拟、理论计算以及流体包裹体实验等多种技术,对川东北地区碳酸盐岩层系超压发育演化与成因机制进行研究,这一选题具有一定的学术前沿性; (2)原油裂解成天然气的增压效应、硫酸盐热化学还原反应(TSR)的压力响应以及多期构造活动引起的地层抬升、剥蚀和构造挤压,都是川东北地区碳酸盐岩层系超压发育与演化的重要因素,本文探讨了多因素叠加的总体地层压力演化过程,在理论上具有一定的探索性; (3)碳酸盐岩层系古地层压力的确定目前还十分困难,尤其是川东北地区经历了多期构造叠加改造、复杂烃类-流体-岩石相互作用和多种成岩作用共同改造,使盆地模拟技术和数学计算都不能成功获取古地层压力,针对这一问题,本文采用流体包裹体热动力学模拟技术,利用激光扫描共聚焦显微镜和PVTsim相态模拟软件共同获取捕获压力,在碳酸盐岩层系古压力研究方法上具有一定的创新性。


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