高溫水熱增壓實(shí)驗(yàn)研究及地質(zhì)啟示

郭志峰，劉 震，劉 鵬，柳萬春

(1.中海油研究總院，北京 100028;2.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249; 3.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，西安 701169)

高溫水熱增壓實(shí)驗(yàn)研究及地質(zhì)啟示

郭志峰1，劉 震2，劉 鵬3，柳萬春1

(1.中海油研究總院，北京 100028;2.中國石油大學(xué)(北京)，北京 102249; 3.陜西延長石油(集團(tuán))有限責(zé)任公司研究院，西安 701169)

超壓形成機(jī)制是沉積盆地油氣成藏研究的重要內(nèi)容。針對(duì)溫度和封閉條件2個(gè)關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)雙軸承壓孔隙流體高溫水熱增壓實(shí)驗(yàn)，選取典型高溫高壓盆地的砂、泥巖樣品，通過對(duì)比性實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在泥巖封閉體系中，升溫引起的水熱增壓導(dǎo)致流體溫度與壓力表現(xiàn)為指數(shù)關(guān)系，而非線性關(guān)系;在孤立體系中，砂巖孔隙流體水熱增壓幅度明顯高于泥巖封閉體系;在泥巖封閉體系中，泥巖孔隙度微小差異會(huì)導(dǎo)致水熱增壓量存在巨大差異;在相同泥巖封閉條件下，砂巖孔隙度越高，水熱增壓幅度越大。實(shí)驗(yàn)得到兩項(xiàng)地質(zhì)啟示:在高溫盆地中，被泥巖封閉的砂巖儲(chǔ)層內(nèi)孔隙流體水熱增壓能夠成為盆地超壓形成的重要機(jī)制，且隨著埋深增大，地溫升高，指數(shù)關(guān)系的增壓趨勢使得水熱增壓作用更加顯著;泥巖的封閉性能決定砂巖儲(chǔ)層水熱增壓的有效性和增壓幅度，砂巖儲(chǔ)層孔隙度大小影響水熱增壓幅度的強(qiáng)弱。

水熱增壓;超壓形成機(jī)制;高溫水熱增壓實(shí)驗(yàn);孤立體系;泥巖封閉體系

1 水熱增壓存在的爭議

超壓的形成和演化是沉積盆地油氣成藏研究的重要內(nèi)容，研究盆地超壓成因機(jī)制是深入認(rèn)識(shí)超壓盆地的基礎(chǔ)。通常情況下超壓的形成與演化是多種成因機(jī)制共同作用的結(jié)果，主要包含非均衡壓實(shí)、礦物轉(zhuǎn)化脫水、流體充注、生烴作用、構(gòu)造擠壓和水熱增壓等機(jī)制［1－6］。目前，關(guān)于超壓成因的研究主要集中在前5種機(jī)制，而針對(duì)水熱增壓方面的研究相對(duì)比較薄弱，存在較大爭議和不確定性。爭議主要圍繞水熱增壓能否成為沉積盆地超壓形成的有效機(jī)制，不確定性主要體現(xiàn)在地層溫度和地層壓力之間的變化關(guān)系。

Barker［7］提出水熱增壓概念，認(rèn)為水熱增壓是超壓形成的重要機(jī)制，若孔隙流體被封閉性能良好的圍巖封閉，且地溫梯度大于15℃/km時(shí)，那么被封閉流體在持續(xù)埋深過程中，地層溫度升高會(huì)導(dǎo)致地層壓力快速增加，遠(yuǎn)大于靜水壓力環(huán)境中地層壓力的增加量，即水熱增壓效應(yīng);Miller等［8］通過孔隙流體壓力方程分析水熱增壓作用，認(rèn)為水熱增壓機(jī)制是超壓形成的重要機(jī)制;Liu Funing［9］通過對(duì)瓊東南盆地溫壓場特征的綜合研究，認(rèn)為水熱增壓作用是盆地超壓形成的重要補(bǔ)充;付廣等［10］通過對(duì)松遼盆地青山口組和嫩江組異常壓力的研究，認(rèn)為水熱增壓對(duì)該區(qū)超壓貢獻(xiàn)占較大，分別高達(dá)58%和41%;趙喆等［11］在完成碳酸鹽巖烴源巖生烴模擬實(shí)驗(yàn)后，指出碳酸鹽巖烴源巖排烴動(dòng)力主要為水熱增壓和生烴增壓。以上研究成果表明，水熱增壓作用不容忽視，可作為沉積盆地超壓形成的重要機(jī)制。綜上分析，水熱增壓是否可以成為沉積盆地超壓形成的重要機(jī)制仍存在不小的爭議。

但是，也有學(xué)者對(duì)水熱增壓機(jī)制持截然不同的觀點(diǎn)。Swarbrick等［12］認(rèn)為，水熱增壓機(jī)制對(duì)盆地超壓形成的實(shí)際貢獻(xiàn)非常有限;Luo Xiaorong等［13］通過孔隙水動(dòng)力方程數(shù)值模擬分析，提出在實(shí)際地質(zhì)條件下水熱增壓作用十分微弱，以至可以忽略其影響;夏新宇等［14］從液體物態(tài)方程角度研究，指出盆地沉降過程中水熱增壓對(duì)超壓形成的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)小于壓實(shí)不均衡作用，不足以構(gòu)成盆地超壓形成的重要機(jī)制;Nordgard Bolas等［15］在研究北海盆地頁巖超壓成因過程中，通過盆地模擬計(jì)算分析水熱增壓作用的貢獻(xiàn)后，認(rèn)為水熱增壓不可能是盆地超壓形成的重要機(jī)制。綜上分析，水熱增壓是否可以成為沉積盆地超壓形成的重要機(jī)制仍存在不小的爭議。

沉積盆地中地層溫度和地層壓力之間的變化關(guān)系存在不確定性。Barker認(rèn)為在開放體系中，地層溫度和地層壓力呈線性變化關(guān)系，在孤立體系中，隨著地層溫度升高地層壓力沿等密度線變化，但不同密度的流體具有不同的等密度線，地層溫度和地層壓力的變化關(guān)系會(huì)因流體密度不同而不同［7］;溫壓系統(tǒng)理論假設(shè)地層孔隙顆粒表面吸附氣質(zhì)量和體積恒定，通過孔隙吸附氣泡的溫度和壓力關(guān)系建立孔隙流體地溫和地層壓力之間的關(guān)系，認(rèn)為盆地淺層和深層的地層溫度和地層壓力都呈直線關(guān)系，只不過直線的斜率不同［16］。

水熱增壓的有效性以及地層溫度和地層壓力之間的變化關(guān)系是非常復(fù)雜的地質(zhì)問題。需要強(qiáng)調(diào)的是，水熱增壓機(jī)制包括2個(gè)決定性因素:地層溫度和封閉條件，所以研究水熱增壓機(jī)制必須緊緊圍繞這2個(gè)關(guān)鍵因素?；诖?，本文針對(duì)溫度和封閉條件2個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，設(shè)計(jì)了高溫水熱增壓實(shí)驗(yàn)，試圖通過實(shí)驗(yàn)的方法進(jìn)一步探究水熱增壓機(jī)制。為了模擬實(shí)際地質(zhì)環(huán)境，實(shí)驗(yàn)采用雙軸承壓孔隙流體水熱增壓測試裝置，選取典型高溫高壓盆地——瓊東南盆地［17］的砂巖和泥巖樣品，模擬并測定不同地質(zhì)條件下流體水熱增壓幅度，分析高溫環(huán)境下水熱增壓作用，依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果推斷水熱增壓機(jī)制對(duì)于沉積盆地超壓形成的貢獻(xiàn)。

2 水熱增壓機(jī)制的提出及存在問題

Barker(1972)將鹽水的壓力—溫度—密度關(guān)系［18］與墨西哥灣地區(qū)的地溫梯度進(jìn)行疊合，研究由于地層溫度升高導(dǎo)致的地層壓力變化，認(rèn)為在開放體系(靜水壓力環(huán)境)中，地層壓力隨地層溫度升高呈線性增加趨勢;在孤立體系中，由于流體的體積和密度不發(fā)生改變，流體壓力隨溫度升高沿等密度線增加。這種由于溫度升高和封閉環(huán)境造成的流體壓力過快增大現(xiàn)象稱為水熱增壓作用。假設(shè)墨西哥灣盆地地溫梯度為25℃/km，在開放體系中，地層溫度從T1升高50℃至T2，地層壓力增加41 MPa，地層壓力沿曲線LN增長;在孤立體系中，地溫升高50℃，地層壓力增加72 MPa，壓力將沿曲線LM增長(圖1)。在2種不同的體系中，地層溫度同樣增加50℃，地層壓力增量相差高達(dá)31 MPa。并且地溫梯度增大，地層壓力增量的差異會(huì)更加明顯［7］。

圖1 水熱增壓作用示意Fig.1 Sketch chart of aquathermal pressuring

在孤立體系中，封閉流體與外界只有能量傳遞，無物質(zhì)交換。Barker的水熱增壓理論是基于孤立體系中鹽水壓力—溫度—密度關(guān)系提出來的。顯然在實(shí)際地質(zhì)條件下不可能存在孤立體系，即使在超低孔滲的致密巖石中，孔隙流體依然可以通過微孔隙、微通道發(fā)生滲漏或者散失，并且在地質(zhì)演化過程中，必然會(huì)發(fā)生一系列物理和化學(xué)的成巖作用，比如膠結(jié)作用、交代作用、溶解作用、結(jié)晶作用等都會(huì)導(dǎo)致孔隙流體成分和孔隙結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。所以，基于孤立體系的鹽水的壓力—溫度—密度關(guān)系并不適用實(shí)際地質(zhì)環(huán)境中水熱增壓機(jī)制有效性的研究，以及地層溫度和壓力之間關(guān)系的確定。

3 高溫水熱增壓實(shí)驗(yàn)裝置

地層溫度和封閉條件是研究水熱增壓機(jī)制的2個(gè)關(guān)鍵因素。本次高溫水熱增壓實(shí)驗(yàn)的目的是研究溫度變化及封閉條件差異對(duì)水熱增壓作用的影響。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了2種封閉體系:孤立體系和泥巖封閉體系。前者模擬Barker參照的孤立體系，將砂巖樣品放置在完全密閉的封閉箱內(nèi)，對(duì)封閉箱加熱并以等溫度間隔測量砂巖孔隙流體壓力(圖2a);顯然，在實(shí)際地質(zhì)條件下孤立體系并不存在，因?yàn)槭軘鄬踊蛘呱绑w輸導(dǎo)、超壓巖層破裂等地質(zhì)作用影響，會(huì)發(fā)生泄壓或流體運(yùn)移出封閉圍巖的情況。在實(shí)際地質(zhì)條件下，砂巖儲(chǔ)層被泥巖封閉的情形更為普遍，比如，巖性勘探中經(jīng)常會(huì)遇到被泥巖包裹的砂巖透鏡體。為了反映砂巖儲(chǔ)層真實(shí)的水熱增壓作用，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了泥巖封閉體系。首先將砂巖樣品放置在留有開口的封閉箱中，然后用泥巖樣品將封閉箱開口封堵，阻礙砂巖孔隙流體順利向外排出［19］(圖2b)。

圖2 高溫水熱增壓實(shí)驗(yàn)裝置示意Fig.2 Illustration of operators for high-temperature aquathermal pressuring experiment

表1 水熱增壓實(shí)驗(yàn)樣品參數(shù)Table 1 Parameters of samples used in hightemperature aquathermal pressuring experiments

實(shí)驗(yàn)裝置由軸壓檢測系統(tǒng)、圍壓檢測系統(tǒng)、流體壓力檢測系統(tǒng)、加溫系統(tǒng)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)等組成，封閉箱最大軸壓和圍壓可加至60 MPa，最高溫度可增至150℃，稱為高溫水熱增壓實(shí)驗(yàn)。分別在孤立體系和泥巖封閉體系2種典型狀態(tài)下進(jìn)行流體高溫水熱增壓實(shí)驗(yàn)，將按照實(shí)驗(yàn)規(guī)格加工好的巖石樣品放入封閉箱內(nèi)，注水并封閉，測定流體水熱增壓幅度，分析水熱增壓變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)選取的砂、泥巖樣品參數(shù)見表1。

4 實(shí)驗(yàn)分析

設(shè)計(jì)4種實(shí)驗(yàn)方案研究水熱增壓作用，分別為泥巖封閉體系中砂巖水熱增壓趨勢分析;孤立體系和泥巖封閉體系中水熱增壓特征對(duì)比;泥巖封閉體系中不同孔隙度泥巖造成的水熱增壓差異對(duì)比;相同泥巖封閉條件下不同孔隙度砂巖流體水熱增壓特征對(duì)比。

4.1 泥巖封閉體系中水熱增壓趨勢分析

在泥巖封閉體系中，封閉箱內(nèi)砂巖的孔隙度為13.6%，封堵泥巖的孔隙度為0.5%，對(duì)封閉箱設(shè)置40 MPa恒定的軸壓和圍壓，砂巖孔隙流體的初始?jí)毫? MPa;實(shí)驗(yàn)過程中砂巖孔隙流體溫度從14℃增加到119℃，每間隔10℃測量一次砂巖孔隙流體壓力值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，砂巖孔隙流體的壓力和溫度具有非常高的相關(guān)性，砂巖孔隙流體的壓力隨溫度升高以指數(shù)趨勢增加，并非傳統(tǒng)的線性關(guān)系(圖3)。

溫度和壓力的關(guān)系可表示為:

后續(xù)實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蜻M(jìn)一步證實(shí)在泥巖封閉體系中，砂巖孔隙流體水熱增壓呈指數(shù)變化趨勢，增壓幅度遠(yuǎn)高于線性增加趨勢。溫度是影響水熱增壓的重要影響因素，溫度越高增壓作用越明顯，在地層持續(xù)埋深過程中，地層溫度會(huì)逐漸增高，如果滿足相應(yīng)的泥巖封閉條件，地層壓力會(huì)快速增大。由此推斷，在高溫盆地中被泥巖封閉的砂巖儲(chǔ)層水熱增壓作用不容忽視，并且隨著埋深增大，地溫升高，水熱增壓作用會(huì)更加顯著，且增壓作用會(huì)貫穿整個(gè)地質(zhì)過程。

4.2 孤立體系與泥巖封閉體系中水熱增壓對(duì)比分析

在孤立體系和泥巖封閉體系中，封閉箱內(nèi)砂巖的孔隙度為12.9%，封堵泥巖的孔隙度為3.9%，對(duì)封閉箱設(shè)置40 MPa恒定的軸壓和圍壓，砂巖孔隙流體初始?jí)毫?0 MPa;實(shí)驗(yàn)過程中砂巖孔隙流體溫度從30℃增加到120℃，每間隔10℃測量一次砂巖流體壓力值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示在孤立體系與泥巖封閉體系中，水熱增壓均呈指數(shù)變化趨勢，并且在孤立體系中水熱增壓幅度明顯高于泥巖封閉體系(圖4a);從30℃升至120℃，每增溫10℃引起的水熱增壓幅度在1.5～5.5 MPa之間，隨著溫度升高，每增溫10℃導(dǎo)致的增壓量快速增加，2種體系中增壓幅度差異也逐漸擴(kuò)大(圖4b)。被泥巖封閉的砂巖孔隙流體水熱增壓幅度低于孤立體系中的增壓幅度，這是由于封閉體系造成的，側(cè)面說明了封閉性對(duì)于水熱增壓作用的重要性。在實(shí)際地質(zhì)條件下，隨著埋深增大地層溫度升高，地層壓力仍能夠以指數(shù)趨勢快速增加，因此水熱增壓可以成為盆地超壓形成的重要機(jī)制。

4.3 不同孔隙度泥巖封閉條件下水熱增壓對(duì)比分析

在泥巖封閉體系中，封閉箱內(nèi)砂巖的孔隙度為14%，封堵泥巖的孔隙度分別為3.7%和3.9%，對(duì)封閉箱設(shè)置40 MPa恒定的軸壓和圍壓，砂巖孔隙流體初始?jí)毫? MPa;實(shí)驗(yàn)過程中砂巖孔隙流體溫度從32℃增加到120℃，每間隔10℃測量一次砂巖流體壓力值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，封閉泥巖孔隙度為3.7%時(shí)的水熱增壓幅度明顯高于孔隙度為3.9%時(shí)的水熱增壓幅度(圖5a);并且孔隙度為3.7%的泥巖封閉條件下，每增溫10℃引起的水熱增壓幅度明顯高于孔隙度為3.9%時(shí)的水熱增壓幅度(圖5b)。在110℃時(shí)，0.2%的泥巖孔隙度差異導(dǎo)致的水熱增壓幅度差異高達(dá)20%，說明泥巖封閉性能微小差異能夠造成巨大的水熱增壓幅度差異。在實(shí)際地質(zhì)條件下，泥巖封閉性對(duì)水熱增壓起到?jīng)Q定性作用，泥巖封閉性能越好，砂巖儲(chǔ)層水熱增壓幅度越大，反之，水熱增壓幅度越小。因此，在實(shí)際地質(zhì)條件下，不能僅僅討論是否存在水熱增壓作用，應(yīng)更多關(guān)注不同封閉條件導(dǎo)致的水熱增壓貢獻(xiàn)程度差異。

圖4 孤立體系與泥巖封閉體系中水熱增壓對(duì)比分析Fig.4 Comparison of aquathermal pressuring characteristics between isolated and shale sealed systems

圖5 不同孔隙度泥巖封閉條件水熱增壓特征對(duì)比Fig.5 Comparison of aquathermal pressuring characteristics for different properties of shale sealed systems

4.4 相同泥巖封閉條件下不同孔隙度砂巖水熱增壓對(duì)比分析

在泥巖封閉體系中，封閉箱內(nèi)砂巖的孔隙度分別為1.5%，15.5%，18.5%，封堵泥巖的孔隙度為0.5%，對(duì)封閉箱設(shè)置40 MPa恒定的軸壓和圍壓，砂巖孔隙流體初始?jí)毫? MPa;實(shí)驗(yàn)過程中使砂巖流體溫度從31℃增加到121℃，每間隔10℃測量一次砂巖流體壓力值。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在相同泥巖封閉條件下砂巖孔隙度決定水熱增壓幅度，孔隙度越高，水熱增壓幅度越大(圖6a);并且砂巖孔隙度越高，每增溫10℃引起的水熱增壓幅度越大(圖6b)。說明處在相同泥巖封閉體系中的砂巖儲(chǔ)層水熱增壓趨勢及幅度存在明顯差異，在巖性勘探中被泥巖封閉且互不連通的砂巖透鏡體具有獨(dú)立的壓力系統(tǒng)，孔隙度大的砂巖儲(chǔ)層具有高于周邊低孔隙儲(chǔ)層的壓力系統(tǒng)，在勘探和開發(fā)過程應(yīng)引起注意。在實(shí)際地質(zhì)條件下，封閉條件和地溫背景相同時(shí)，砂巖儲(chǔ)層孔隙度越高則水熱增壓幅度越大，儲(chǔ)層流體動(dòng)力越強(qiáng)。

泥巖封閉砂巖的高溫水熱增壓實(shí)驗(yàn)接近實(shí)際地質(zhì)條件，不僅測定了水熱增壓幅度，還得出了壓力隨溫度升高的指數(shù)變化關(guān)系。由實(shí)驗(yàn)結(jié)果推斷，在實(shí)際地質(zhì)條件下，如果砂巖儲(chǔ)層被低滲透泥質(zhì)圍巖封閉，在持續(xù)埋深的過程中地層溫度逐漸升高，地層壓力會(huì)以指數(shù)趨勢快速增加，水熱增壓作用非常顯著，可以構(gòu)成儲(chǔ)層發(fā)育高壓的重要機(jī)制。另外，隨著埋深增大，深層巖石受壓實(shí)作用影響，孔隙度和滲透率會(huì)急劇降低，低孔滲結(jié)構(gòu)容易形成更加優(yōu)質(zhì)的封閉條件，促進(jìn)水熱增壓作用發(fā)生。

5 結(jié)論

圖6 泥巖封閉體系中不同孔隙度砂巖水熱增壓特征對(duì)比Fig.6 Comparison of aquathermal pressuring characteristics of different sands in shale sealed systems

(1)高溫水熱增壓實(shí)驗(yàn)表明:在孤立體系與泥巖封閉體系中，流體水熱增壓都呈指數(shù)變化趨勢;在泥巖封閉體系中，封閉泥巖孔隙度微小差異可造成較大水熱增壓量差異，泥巖封閉性能越好砂巖孔隙流體水熱增壓幅度越大，反之，水熱增壓幅度較小;砂巖孔隙度越高，水熱增壓幅度越大。

(2)在高溫盆地中，泥巖封閉體系中的砂巖孔隙流體水熱增壓作用不容忽視，且埋深越大，地溫越高，水熱增壓作用越顯著;泥巖的封閉性能決定水熱增壓的有效性和增壓幅度，砂巖儲(chǔ)層孔隙度大小控制水熱增壓幅度的強(qiáng)弱。

(3)高溫水熱增壓實(shí)驗(yàn)證實(shí)了水熱增壓作用的重要性，在高溫盆地，如果滿足相應(yīng)的封閉條件，水熱增壓作用能夠成為盆地超壓形成的重要機(jī)制。

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(編輯 徐文明)

Experimental analysis of aquathermal pressuring under high temperature conditions and its geological implications

Guo Zhifeng1，Liu Zhen2，Liu Peng3，Liu Wanchun1
(1.CNOOC Research Institute，Beijing100028，China;2.China University of Petroleum，Beijing102249，China; 3.Research Institute of Shaanxi Yanchang Petroleum(Group)CoLtd，Xi’an，Shaanxi 710069，China)

Overpressure generation mechanism is very important for the research of hydrocarbon accumulation.We collected samples from typical wells in high temperature basins，made use of a double-axial pressurization testing system for pore fluid aquathermal pressuring，and measured the amplitude of aquathermal pressuring for different geological conditions.Results indicated that the relationship between temperature and pressure was not linear but exponential on the condition of high aquathermal pressuring in shale sealed systems，while the amplitude of aquathermal pressuring in isolated systems was higher than that in shale sealed systems.The fine variation of properties of sealed shales would lead to a large amplitude of aquathermal pressuring in shale sealed systems，and the greater porosity of sand samples would lead to larger amplitude of aquathermal pressuring.Experimental results induced two geological implications.In high temperature basins，aquathermal pressuring in shale sealed systems increases significantly with burial depth.It cannot be neglected and could be one of the main overpressure generation mechanisms.The quality of sealed shale decides the amplitude of aquathermal pressuring，and sand porosity could affect the amplitude of aquathermal pressuring，so in geological conditions，high porosity sand embedded in low porosity shale layers is more likely to lead to aquathermal pressuring.

aquathermal pressuring;overpressure generation mechanism;high temperature aquathermal pressuring experiment;isolated system;shale sealed system

TE12<1.1 class="emphasis_bold">1.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A1.1

A

1001－6112(2016)06－0836－06

10.11781/sysydz201606836

2016－05－23;

2016－10－11。

郭志峰(1982—)，男，博士，工程師，從事油氣藏形成與分布研究。E-mail:guozhf@cnooc.com.cn。

“十二五”國家科技重大專項(xiàng)“南海北部深水區(qū)成藏組合評(píng)價(jià)研究”(2011ZX05025－002－05)資助。