下?lián)P子地區(qū)無(wú)為凹陷三疊系氣藏超壓特征及其成因分析

劉 桃,吳 通,方朝剛,章誠(chéng)誠(chéng),邵 威,廖圣兵

(中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心,江蘇 南京 210016)

地層流體超壓在含油氣盆地中具有普遍性,其與油氣的生成、運(yùn)移、聚集和保存關(guān)系密切[1-3],對(duì)鉆井安全也具有重要影響[4]。依據(jù)超壓產(chǎn)生的過(guò)程,可將超壓成因劃分為不均衡壓實(shí)、流體膨脹、構(gòu)造擠壓以及壓力傳遞等,不同成因的超壓對(duì)于油氣藏的形成與分布具有不同的影響,而沉積盆地中氣藏超壓的形成往往是多種因素共同控制的結(jié)果,超壓成因分析一直是石油地質(zhì)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)[3-4]。2019年,中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局南京地質(zhì)調(diào)查中心在安徽無(wú)為凹陷部署實(shí)施了頁(yè)巖氣參數(shù)井——皖為頁(yè)1井(WWY-1井),于三疊系周沖村組鉆遇2套高壓含氣層,這是下?lián)P子沿江凹陷帶三疊系氣藏超壓的首次發(fā)現(xiàn)[5-6]。目前,下?lián)P子沿江凹陷帶油氣的總體勘探程度仍然相對(duì)較低,關(guān)于氣藏超壓特征及其演化等仍缺乏系統(tǒng)性研究。為此,本文基于WWY-1井鉆探結(jié)果,結(jié)合區(qū)域地質(zhì)資料,重點(diǎn)剖析無(wú)為凹陷周沖村組氣藏超壓特征、成因及演化過(guò)程,為后續(xù)油氣勘探與開發(fā)提供理論參考。

1 地質(zhì)概況

1.1 區(qū)域地質(zhì)概況

下?lián)P子地區(qū)位于揚(yáng)子板塊東緣,與華北板塊以郯廬斷裂帶為界,與華夏地塊以江山—紹興斷裂帶為界,在多期構(gòu)造活動(dòng)的影響下,具有多期次改造的復(fù)雜地質(zhì)特征[5-7]。無(wú)為凹陷隸屬于下?lián)P子沿江凹陷帶,西北側(cè)以照明山斷裂為界,東南側(cè)以沿江隱伏斷裂為界,總體上呈NE向展布(圖1)。該區(qū)發(fā)育一套古生代—中三疊世海相沉積地層,成為有機(jī)質(zhì)含量豐富的海相烴源巖,且優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)層和蓋層同步發(fā)育,形成良好的生儲(chǔ)蓋成藏組合,具有較好的油氣勘探前景[6]。

圖1 下?lián)P子地區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡(jiǎn)圖[7]Fig. 1 Regional tectonic sketch of the Lower Yangtze Region[7]

1.2 WWY-1井鉆遇地層概況

無(wú)為凹陷WWY-1井完鉆井深2 398 m,依次鉆遇第四系、新近系、古近系、白堊系及三疊系,完鉆層位為三疊系周沖村組,但未鉆穿[5]。本次勘探目的層周沖村組為咸化背景下的潮坪相-潟瀉湖相沉積,地層巖性主要為膏巖和白云巖,白云巖宏觀物性條件好,裂縫發(fā)育,是主要的儲(chǔ)層段[6]。膏巖為有效蓋層,與白云巖共同組成優(yōu)質(zhì)儲(chǔ)蓋組合[5]。WWY-1井首次鉆遇2套高壓含氣層,含氣井段深度分別為2 174～2 183 m和2 346～2 350 m,均發(fā)育于鹽間白云巖儲(chǔ)層中。第一套上覆膏巖層厚約202 m,白云巖儲(chǔ)層厚約9 m;第二套上覆膏巖層厚約101 m,白云巖儲(chǔ)層厚約4.6 m。鉆遇白云巖儲(chǔ)層時(shí)可見槽面上漲、氣泡外返現(xiàn)象(圖2)。

圖2 無(wú)為凹陷WWY-1井周沖村組地層柱狀圖[5]Fig. 2 Stratigraphic histogram of the Zhouchongcun Formation discovered by the well WWY-1 in Wuwei Depression[5]

2 含氣層實(shí)鉆壓力特征

目前,孔隙流體壓力分析主要采用直接測(cè)試和間接估算等手段。直接測(cè)試包括電纜地層測(cè)試(FRT)和鉆桿測(cè)試(DST);間接估算則依據(jù)測(cè)井?dāng)?shù)據(jù)估算、泥漿比重分析及通過(guò)各種鉆井響應(yīng)進(jìn)行的壓力預(yù)測(cè)[8-10]。本次鉆井地層測(cè)試獲得的數(shù)據(jù)表明,WWY-1井超壓出現(xiàn)的層位為周沖村組鹽間白云巖儲(chǔ)層,地層流體壓力系數(shù)為1.8～1.9。根據(jù)目前較為通用的地層流體壓力系統(tǒng)劃分方案(表1),將WWY-1井周沖村組白云巖劃分為強(qiáng)超壓含氣帶。

表1 地層流體壓力系統(tǒng)劃分方案[9]Table 1 Division of fluid pressure system in stratum[9]

本次實(shí)測(cè)壓力僅2個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn),數(shù)據(jù)較有限,為了明確地層壓力結(jié)構(gòu),需借助間接估算法刻畫單井壓力剖面。目前,聲波時(shí)差法主要基于碎屑巖地層機(jī)械壓實(shí)理論,經(jīng)常用于碎屑巖地層超壓預(yù)測(cè)。該區(qū)主要為碳酸鹽巖地層,由于碳酸鹽巖沉積作用與膠結(jié)作用幾乎同時(shí)進(jìn)行,基于機(jī)械壓實(shí)理論的聲波時(shí)差法并不適用于碳酸鹽巖地層壓力預(yù)測(cè)[10]。在實(shí)際鉆井施工過(guò)程中,為了防止發(fā)生井漏和井噴事故,泥漿液柱壓力通常與地層流體壓力保持平衡或略微偏高,泥漿液柱壓力可大致反映地層的最大壓力[11],故本文選擇泥漿比重法建立WWY-1井單井壓力剖面圖(圖3)。WWY-1井周沖村組上覆地層為常壓層,單井壓力結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)常壓-高壓的兩段式階梯狀特征,膏巖封蓋作用于周沖村組兩套白云巖儲(chǔ)層超壓系統(tǒng)。由于WWY-1井并未鉆穿周沖村組,其下伏地層流體壓力難以表征。

圖3 WWY-1井單井壓力剖面圖Fig. 3 Single well pressure profiles of the well WWY-1

3 周沖村組氣藏超壓形成機(jī)制

3.1 膏巖發(fā)育與氣藏超壓的關(guān)系

良好的箱體隔層是超壓體系形成的重要條件。膏巖層因具有排驅(qū)壓力高、流動(dòng)性強(qiáng)(可涂抹、充填斷層和裂縫)的特點(diǎn),具備優(yōu)異的封蓋能力,是優(yōu)質(zhì)的超壓箱體隔層[12]。在不考慮貫穿式斷層的影響下,膏巖層的封蓋能力隨脆塑性變化而變化,由脆性階段至塑性階段,其封蓋能力不斷提高。研究表明,膏巖脆性向脆塑性轉(zhuǎn)換的邊界約為1 740 m,由脆塑性向塑性轉(zhuǎn)換的邊界約為3 400 m[13],即膏巖埋深>1 740 m時(shí)開始具備較好的封閉性。WWY-1井實(shí)鉆資料顯示,周沖村組膏巖層埋深2 000 m以上,膏巖演化處于脆性-塑性轉(zhuǎn)化的階段。含氣白云巖儲(chǔ)層位于膏巖之間,基本被非滲透性的膏巖包裹,共同形成良好的地質(zhì)封存箱,為流體超壓的形成和保存奠定了基礎(chǔ)。

膏巖除了提供優(yōu)質(zhì)的封閉條件外,其脫水作用對(duì)于超壓的形成也具有重要影響[14]。在脫水作用下,儲(chǔ)層孔隙流體體積增加,地層孔隙壓縮受阻,孔隙大小和流體體積變化的相對(duì)趨勢(shì)致使孔隙流體需承擔(dān)更多壓應(yīng)力,從而形成孔隙流體超壓。在一定的地質(zhì)條件下,石膏逐漸向硬石膏轉(zhuǎn)化,轉(zhuǎn)化公式為CaSO4·2H2O=CaSO4+2H2O,結(jié)晶水轉(zhuǎn)變?yōu)樽杂伤?。在轉(zhuǎn)化過(guò)程中,約39%的體積水排出后進(jìn)入鄰近儲(chǔ)層中,該反應(yīng)一般起始于地層溫度較低(42～60 ℃)的淺層[15]。

WWY-1井實(shí)測(cè)資料揭示,周沖村組膏巖層累計(jì)厚度達(dá)300 m以上,白云巖儲(chǔ)層累計(jì)厚度<20 m(圖2)。假設(shè)厚度比例等同于體積比例,則其膏巖轉(zhuǎn)化過(guò)程中排出的體積水遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)白云巖儲(chǔ)層自身的孔隙容量,因而具備形成超壓的地質(zhì)條件。但是,膏巖脫水作用主要發(fā)生在埋藏早期,該階段由于埋藏淺,膏巖未達(dá)到脆性—塑性轉(zhuǎn)化的界限,封蓋能力較弱[15-16],當(dāng)壓力超過(guò)一定界限時(shí)易發(fā)生破裂,不具備形成強(qiáng)超壓的地質(zhì)條件,故膏巖脫水作用以形成弱超壓為主。

3.2 高壓烴類充注與超壓的關(guān)系

天然氣可分為有機(jī)成因氣和無(wú)機(jī)成因氣,前人研究認(rèn)為δ13C 可作為區(qū)分氣體成因類型的標(biāo)志性參數(shù)之一。無(wú)機(jī)成因甲烷的碳同位素δ13CCH4>-20‰,無(wú)機(jī)成因CO2的碳同位素δ13CCO2一般為+7‰～-10‰,多數(shù)有機(jī)成因CO2含量<20%,且氣藏高N2與烴源巖熱演化密切相關(guān)[17]。本次測(cè)得周沖村組2份氣樣甲烷的碳同位素δ13CCH4分別為-26.3‰和-26‰, CO2的碳同位素δ13CCO2為-13.7‰,且CO2含量遠(yuǎn)<20%, N2含量高達(dá)43%,表明周沖村組天然氣為有機(jī)成因氣。根據(jù)無(wú)為凹陷勘探資料[6],周沖村組下伏二疊系暗色層系是區(qū)域最有利的烴源巖,確定周沖村組天然氣主要來(lái)源于下伏二疊系烴源巖。

該區(qū)周沖村組白云巖儲(chǔ)層為鹽間儲(chǔ)層,由于膏巖垂向上具有封閉性,流體僅在側(cè)向運(yùn)移,外來(lái)流體難以垂向充注,因此溝通儲(chǔ)層與源巖的斷裂(即油源斷裂)是唯一可能的油氣運(yùn)移通道。烴源巖生烴演化過(guò)程中,固態(tài)的干酪根向液態(tài)-氣態(tài)烴轉(zhuǎn)變,致使地層流體體積膨脹[18-19],加上泥頁(yè)巖自身具備良好的封蓋性能[20],會(huì)在源巖內(nèi)部快速形成超壓。因此,當(dāng)下伏二疊系烴源巖達(dá)到生烴門限(Ro>0.5%)時(shí),源巖地層壓力快速累積,逐漸突破油氣運(yùn)移阻力,并在源儲(chǔ)壓差的作用下,順著油源斷層運(yùn)移至上覆儲(chǔ)層中(圖4)。依據(jù)動(dòng)力學(xué)平衡原理[21],推斷該區(qū)油氣運(yùn)移過(guò)程為幕式瞬態(tài)充注,即源巖在借助斷層快速釋放壓力后將重新積聚超壓并再次充注[22],高壓烴類流體的運(yùn)移,將烴源巖積聚的生烴超壓傳遞至上覆儲(chǔ)層,對(duì)于儲(chǔ)層壓力的進(jìn)一步增長(zhǎng)具有重要意義。

圖4 周沖村組鹽間白云巖儲(chǔ)層油氣充注示意圖Fig. 4 Schematic diagram of oil and gas filling in intersalt dolomite reservoir of Zhouchongcun Formation

3.3 儲(chǔ)層內(nèi)烴類裂解與超壓的關(guān)系

原油在>150 ℃的條件下難以穩(wěn)定保存,將裂解成低分子烴類(氣態(tài)烴)[10]。實(shí)驗(yàn)表明,高分子烴類裂解為低分子烴類時(shí),尤其是在液態(tài)烴裂解為氣態(tài)烴的情況下,烴類體積明顯增加,而流體體積膨脹則是在封閉空間內(nèi)形成超壓的重要因素之一[3]。原油裂解實(shí)驗(yàn)指出,在地面條件下原油裂解可導(dǎo)致總體積增加2.5倍,雖然氣體的壓縮性和溶解性導(dǎo)致增加的流體壓力小于理論計(jì)算值,但在封閉條件下,流體無(wú)法排出,其產(chǎn)生的超壓依舊十分可觀[10,23]。下?lián)P子地區(qū)地層埋藏-熱演化史研究揭示周沖村組最大埋深時(shí)的古地溫可達(dá)210 ℃,完全具備早期充注的高分子烴類裂解所需的溫度條件[24]。在周沖村組白云巖儲(chǔ)層中發(fā)現(xiàn)了殘留瀝青(圖5),也指示液態(tài)烴向氣態(tài)烴裂解的過(guò)程。此外,天然氣的物質(zhì)組成可側(cè)面反映其成因類型,周沖村組白云巖儲(chǔ)層中烴氣組分以甲烷為主[25],基本不含大分子烴類,同樣符合原油裂解氣的組分特征[10]。因此,周沖村組白云巖儲(chǔ)層內(nèi)烴類裂解可能是其超壓形成的重要因素。

圖5 周沖村組白云巖儲(chǔ)層中的瀝青顯微照片F(xiàn)ig. 5 Microscopic photos of bitumen in dolomite reservoir of the Zhouchongcun Formation

3.4 構(gòu)造抬升與超壓的關(guān)系

構(gòu)造抬升將導(dǎo)致上覆地層被剝蝕,原地層埋深變淺,對(duì)應(yīng)的靜水壓力變小,從而影響地層流體壓力系數(shù)(圖6左)。雖然構(gòu)造抬升對(duì)地層流體實(shí)際壓力的絕對(duì)值沒有貢獻(xiàn),但由于同深度地層相對(duì)壓力的變化,在計(jì)算過(guò)程中將引起壓力系數(shù)增加,從而形成超壓。由地層抬升引起的超壓現(xiàn)象,國(guó)內(nèi)外有很多報(bào)道[14],如印度東北部的Assara-Arakan盆地、懷俄明州西南部的Greater Green River盆地、Delaware盆地、Rocky Mountain盆地以及我國(guó)川東北地區(qū),構(gòu)造抬升引發(fā)超壓的前提是地層的封閉性好。

圖6 研究區(qū)封閉條件下地層抬升對(duì)超壓的影響示意圖Fig. 6 Effect of stratum uplift on overpressure in closed condition of the study area

為了定量表征地層抬升引發(fā)的超壓大小,本文計(jì)算了抬升后的地層壓力系數(shù)變化情況(圖6)。假設(shè)地層封閉性極佳,流體難以排出,忽略地層壓力絕對(duì)值的變化,則隨著抬升幅度的增加,地層壓力系數(shù)也隨之增加,且抬升前埋深越淺,產(chǎn)生的地層超壓效應(yīng)越強(qiáng)(圖6中),如初始?jí)毫ο禂?shù)1.0且同樣抬升2 000 m的條件下,抬升前埋深4 000 m時(shí)增加壓力系數(shù)為1.0,而抬升前埋深5 000 m,則壓力系數(shù)僅增加約0.6。除了抬升幅度和初始埋深,抬升前地層初始?jí)毫ο禂?shù)越大,抬升后對(duì)應(yīng)的地層壓力系數(shù)也會(huì)越大(圖6右),如初始埋深一致且同樣抬升2 000 m的條件下,初始?jí)毫ο禂?shù)1.0時(shí),最終壓力系數(shù)約1.56,而初始?jí)毫ο禂?shù)為1.2時(shí),最終壓力系數(shù)約1.87。綜合研究表明,抬升后的地層壓力系數(shù)取決于目標(biāo)層系的初始?jí)毫?、初始埋深及抬升幅度。曾萍[24]借助古溫標(biāo)參數(shù)恢復(fù)下?lián)P子無(wú)為凹陷構(gòu)造演化,指出在燕山運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈的擠壓作用下,造成工區(qū)大規(guī)模的隆升剝蝕,致使普遍缺失侏羅系,該期剝蝕厚度可達(dá)2 550 m,是研究區(qū)三疊系沉積以來(lái)經(jīng)歷的最大剝蝕事件。據(jù)此推斷,燕山期抬升導(dǎo)致的前后巨大高差,對(duì)該區(qū)周沖村組壓力系數(shù)具有重要貢獻(xiàn)。

3.5 周沖村組超壓演化過(guò)程

綜上所述,周沖村組白云巖儲(chǔ)層超壓是多種地質(zhì)因素共同作用的結(jié)果,根據(jù)不同成因超壓的特征及相互關(guān)系,分析并提出如下超壓演化過(guò)程。

(1)常壓階段。埋藏初期,三疊系周沖村組埋藏較淺,壓實(shí)強(qiáng)度不高,膏巖尚未發(fā)生脫水作用,且二疊系烴源巖未達(dá)到生烴門限(Ro>0.5%),整個(gè)地層壓力系統(tǒng)處于常壓階段。

(2)膏巖脫水弱超壓階段。該階段隨著地層埋深的增加,地溫升高,石膏開始發(fā)生脫水作用,排出的體積水進(jìn)入鄰近儲(chǔ)層,引發(fā)儲(chǔ)層內(nèi)部流體壓力升高。但膏巖脫水時(shí)處于脆性階段,超壓封閉能力有限,故該階段流體壓力系統(tǒng)主要為弱超壓。

(3)生烴流體傳遞超壓形成階段。隨著地層的進(jìn)一步沉降,三疊系膏巖由脆性向脆-塑性轉(zhuǎn)變,且二疊系烴源巖開始進(jìn)入生烴階段(Ro>0.5%),高壓烴類流體的充注引起儲(chǔ)層流體壓力快速增加。

(4)烴類裂解超壓形成階段。地層溫度>150 ℃至最大埋深期。早期充注于儲(chǔ)層中的高分子烴類裂解為低分子烴類(如甲烷),導(dǎo)致內(nèi)部流體體積進(jìn)一步增加,流體超壓加劇;天然氣在高壓作用下溶于地層水中,形成水溶氣藏。

(5)抬升超壓保存階段。最大埋深期之后,構(gòu)造抬升過(guò)程中,由于膏巖層的強(qiáng)封蓋性阻礙了流體的流動(dòng),早先充注的氣態(tài)烴仍以水溶氣的方式繼續(xù)封存于白云巖儲(chǔ)層內(nèi),相對(duì)地層壓力增加,使地層壓力系數(shù)增加。

周沖村組超壓形成過(guò)程與油氣藏特征密切相關(guān),影響著油氣的運(yùn)移方式、富集程度和保存相態(tài),早期和中期超壓的形成加速了油氣的充注進(jìn)程,后期超壓的保存是周沖村組天然氣以水溶相富集成藏的重要地質(zhì)條件。在超壓形成的過(guò)程中,膏巖的封蓋性是各階段超壓能否形成和保存的地質(zhì)基礎(chǔ)。除此之外,復(fù)雜構(gòu)造區(qū)的油氣保存問(wèn)題一直是石油地質(zhì)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn),而周沖村組超壓的發(fā)現(xiàn),揭示了三疊系膏巖封蓋的有效性,為下?lián)P子復(fù)雜構(gòu)造區(qū)油氣保存條件的研究提供了重要依據(jù),對(duì)區(qū)域油氣勘探具有重要的指導(dǎo)意義。

4 結(jié)論

(1)無(wú)為地區(qū)三疊系周沖村組主要巖性為膏巖和白云巖組合,于白云巖儲(chǔ)層內(nèi)部發(fā)育強(qiáng)超壓,壓力系數(shù)達(dá)1.8～1.9,單井壓力結(jié)構(gòu)呈“常壓-超壓”階梯式特征。

(2)周沖村組超壓是多種地質(zhì)因素共同作用的結(jié)果,超壓演化經(jīng)歷了“常壓-膏巖脫水弱超壓-生烴流體傳遞超壓形成-烴類裂解超壓形成-抬升超壓保存”5個(gè)階段,其中膏巖的封蓋性是各階段超壓能否形成和保存的地質(zhì)基礎(chǔ)。

(3)周沖村組超壓影響著油氣的運(yùn)移方式、富集程度和保存相態(tài),且超壓的發(fā)現(xiàn)揭示了無(wú)為凹陷具備良好的油氣保存條件。