《石油地質綜合研究方法》課件07-異常壓力及研究方法

1、第六章 異常壓力、流體封存箱及其研究方法 異常壓力與氣藏形成一、異常地層壓力的概念、分類二、異常壓力與油氣藏分布三、異常壓力形成原因四、異常地層壓力的物理響應特征五、異常壓力流體封存箱六、異常壓力演化與氣藏形成模式一、異常地層壓力的概念、分類地層壓力是指作用于地層孔隙空間的流體（油、氣、水）壓力。某點的正常地層壓力等于地表到該點深度的靜水柱重量。超過靜水壓力的地層壓力或壓力系數（實測壓力/靜水壓力）大于1者為高壓異常；低于靜水壓力的地層壓力或壓力系數小于1者為低壓異常。異常地層壓力的分類Hunt 提出的壓力剃度邊界值：正常地層壓力 淡水：9.79kpa/m 鹽水：11.90kpa/m 根據有效

2、應力定律，孔隙度相同處的有效應力相等，因此，欠壓實泥巖的孔隙壓力可以表示為 Z為欠壓實泥巖的埋藏深度，m；Ze為欠壓實泥巖對應的平衡深度，m；Pz為欠壓實泥巖的孔隙壓力或地層壓力，Pa；Pe為平衡深度處的靜水壓力，Pa；Se為深度Z處的地靜壓力，Pa；Sg為平衡深度處的地靜壓力，Pa；g為重力加速度，m/s2；r為沉積巖平均密度，kg/m3；w為地層孔隙水密度，kg/m3；泥巖流體壓力的計算單井壓力預測模型（等效深度法） 如果用聲波時差的變化表示正常壓實泥巖的壓實規(guī)律，則有：Z為欠壓實泥巖的埋藏深度，m；Ze為欠壓實泥巖對應的平衡深度，m；Pz為欠壓實泥巖的孔隙壓力或地層壓力，Pa；g為重力加

3、速度，m/s2；r為沉積巖平均密度，kg/m3；w為地層孔隙水密度，kg/m3；t為欠壓實泥巖的聲波時差值，s/m；t0為原始地表聲波時差值，s/m；C為正常壓實泥巖的壓實系數，m-1。 利用平衡深度法根據聲波時差資料計算欠壓實泥巖孔隙壓力的具體步驟為： 在測井曲線上讀取不同埋深泥巖層的聲波時差值，做出聲波時差與埋深的關系曲線； 在聲波時差與埋深的關系曲線上作出正常的壓實趨勢線，并求出正常壓實條件下的C值和t0值； 按公式計算欠壓實地層孔隙壓力和異常壓力。二、含油氣盆地普遍存在異常地層壓力Anomalous pressure is a global phenomenon Anomalous p

4、ressure may exist at any depth,but more common at depth greater than 3000m;Anomalous pressure occurs in rocks of all age ,but is more common in younger rocks;Hunt，1990指出，全球180個沉積盆地發(fā)現存在異常壓力流體封存箱四川盆地36%氣藏分布在超高壓區(qū)；中、西部80%分布在高壓區(qū)柴達木盆地西部第三系油氣田80%儲量分布在高壓地層中庫車坳陷高壓天然氣藏三、異常高壓形成原因不均衡壓實（欠壓實）油氣生成水熱增壓礦物轉化塊斷導致封閉地層升

5、降區(qū)域地表差異剝蝕滲析浮力（油氣藏中的壓力異常）流體等勢面不規(guī)則側向構造擠壓塑性物質刺穿作用正常壓實與不均衡壓實作用粘土礦物脫水作用流體熱增壓作用區(qū)域差異剝蝕作用導致地面與側壓面間出現不同關系塊斷作用導致封閉地層壓力改變流體性質（浮力）導致的壓力異常Pc=Pd+hg（w-G）/10油氣藏內流體壓力變化氣油水油藏油水界面、氣藏氣水界面的確定方法HP三口井的獲得測試數據塑性物質流動與異常壓力瓊東南盆地底辟導致高溫地熱流活動和異常壓力形成擠壓作用6070809069.277.987.2燕山晚期喜山早期喜山晚期應力（MPa ）克拉蘇構造帶異常高壓成因：擠壓應力傳導是主要原因四、異常壓力封存箱與油氣分布

6、（一）概述 異常壓力流體密封單元(Abnormally Pressured Fluid Compartment)簡譯為封存箱： Hunt(1990)認為，許多沉積盆地包含了2個或2個以上重疊的水文地質系統，通常較淺的系統（3000m）則是局部分布的，并呈現異常超壓。這種系統由一系列獨立的封存箱（流體密封單元）組成，封存箱相互間的液體壓力不能相互轉換，而且與上覆的水動力系統也不相連。這種相對獨立的流體封存單元稱為流體封存箱。 現代沉降盆地雙水力系統層狀排列圖 實例：尼日爾，馬哈卡姆，墨西哥灣沿岸，加拿大北 極區(qū)，下馬格達勒納等三角洲盆地 在目前仍在沉降的盆地內，封存箱的頂面可以是切過不同巖性、層

7、系的致密的（不滲透）密封層，并不一定是某一地層層面，但通常是平頂的，其溫度范圍90C 100C度。一般由碎屑巖組成的封存箱，其頂部密封層似乎是沿著斜溫層的碳酸鹽成礦作用形成的。如在北海，最深的密封層頂面深度隨地溫梯度變化，地溫梯度愈低，封閉層的位置愈深。 Hunt指出，由異常壓力證實，世界180個沉積盆地中存在著封存箱，其頂板和底板（頂部和底部密封帶）常呈區(qū)域性平板狀（有時，底部密封帶為基底或古老巖石的侵蝕面，而邊板（邊部密封帶）常呈垂直的板狀，主要是沿垂向的斷裂、裂縫分布。在封存箱的內外存在壓力差異，頂板、底板、邊板就是致密的密封帶，箱內是密封的，它是烴類生成的主要場所。（二）流體封存箱的類

8、型及形成機理封存箱是一個封閉的水力系統和封閉的化學系統。但內部是開放的系統。根據箱內壓力與正常靜水壓力的對比：超壓封存箱-封存箱具異常高壓力；欠壓封存箱-封存箱具異常低壓力。 超壓與欠壓兩類封存箱的模式超壓封存箱欠壓封存箱負壓形成的主要因素：1）流體冷卻收縮，特別是氣相冷凝為液相2）在上升過程中，部分流體排出箱外3）“天然氣運聚動平衡”原則，抬升過程抑制了生烴過程，往往造成散失量大于生成補給量，壓力相應降低。4）孔隙體積膨脹（三）封閉層的成因及特征封閉層是形成與分隔流體封存箱的關鍵。封閉層并不是常說的油氣藏的蓋層,它常與穿越不同地層界面、巖性巖相界面、構造界面的同溫層有關。在該溫度條件下,礦化

9、作用、充填作用等成巖后生作用, 造成滲透率近于零的封閉層。封閉層若為碳酸鹽巖,多由硅化所致，若為頁巖(泥巖)則常與鈣化有關。 封閉層常與穿越地層界面、巖性巖相界面、構造界面的同溫層有關,在封閉層內滲透率可近于零(礦化、充填),若封閉層較厚也可夾有滲透帶。北海有兩個密封層。一個是深度為3300m的密封層，在中央地塹的中部，從北到南300多Km長的距離內密封層的深度基本不變。在地塹的東部和西部，該密封層的深度卻較深，這與地溫梯度較低有關。另一個淺的密封層在1830m處，在中央地塹的EROFISK及其附近形成了兩個封存箱3300m1830m斷層帶也可構成封閉層,將主箱分割成次級封存箱。美國墨西哥灣沿

10、岸區(qū)第三系每隔幾公里就有一個斷層封割的小封存箱,各自成為單獨的壓力系統;歐洲北海盆地中央維京地塹東、西兩側有一系列狹窄斷塊,均有垂直封閉層,每個斷塊具有獨立的壓力系統,自成一個小流體封存箱。渤海灣盆地也會存在許多這類封存箱。封隔層的形成成巖物質的對流和擴散 成巖物質可以在數公里至數十公里，甚至更大的范圍內進行對流，縱向多半的是斷裂。 成巖物質的對流起因于地層水的密度差，重力導致水的對流，密度差則起因于溫度和鹽度的差異。 1）埋藏淺，地溫低，水的密度高；埋藏深，溫度高，水的密度低。 2）地層含鹽度一般隨埋深增加而增大，但經常出現逆轉現象。鹽度隨埋深的逆轉是促進對流的重要因素。 3）天然氣在深部的

11、大量生成和溶解在地層水之中，結果降低了地層水的密度。美國墨西哥灣岸油田水達1m3水含92m3天然氣。地溫鹽度 水密度差地層水對流天然氣 地層水對流 成巖礦物對流Si(OH)4 遷移至淺部沉淀 石英增生（因為sio2的溶解度隨溫度下降而下降） 碳酸鹽遷移至深部沉淀， 碳酸鹽與SiO2相反，它的溶解度隨溫度上升而下降，形成晶狀碳酸鹽膠結。 Woods（1979）通過數學計算，指出成巖物質的遷移在矩距離內可按擴散形式進行，而長距離的遷移必須是對流形式。 對流機制是形成垂向封隔層的最基本機制，即形成封存箱邊板的最基本機制。只有在對流機制下，自生碳酸鹽和sio2充填孔隙后，斷層才具有遮擋性質，形成封隔層

12、。 但對流機制尚不足以闡明封存箱頂板和底板的形成機制。例如 sio2 傾向于淺處沉淀，但為什么石英增生現象在埋深15001700m左右開始出現，都在20003000m附近達到高峰？ 張義綱等提出新認識，認為有機質的降解是控制區(qū)域性致密異常帶（封隔帶）和次生孔隙發(fā)育帶最活躍的因素。持續(xù)埋藏成巖體系區(qū)域性成巖孔隙帶的分布 （四）封存箱內部天然氣的運移機制 1、水溶對流 由于巖石內無機礦物和有機組分的類型和豐度分布不均勻，它們在地溫場中成巖演化速率、甚至方向各自不同，必然導致各個局部的孔隙水和地層水的鹽度和溶氣量不同，從而水的密度產生差異，導致地層水的對流。 封存箱內部，地層水的對流促使溶解于其中的

13、天然氣向溫度、壓力較低的圈閉內運移聚集。碳酸鹽巖層熱對流系統的概念地質模型2、混相涌流 由于封存箱內外壓差導致箱緣破裂，油氣水共同涌出的運移方式稱為混相涌流。 在盆地沉降時期，封存箱內油氣的生成以及孔隙流體的熱膨脹或構造（壓力、抬升）作用最終導致封存箱的局部破裂，流體沿箱的頂板或邊板涌出。Snarsky(1962)指出，當局部壓力為靜水壓力的1.422.4倍時，巖石產生裂縫，因此，埋深1500m的巖石破裂時，壓差可達650Mpa。 封存箱內的流體混相涌至箱外后，隨著壓力的下降，油氣水三相相互分離，并可能進入水動力系統的控制下。Hunt（1990）指出，當壓力系數下降到大致1.21.3時，裂縫重

14、新閉合，或被分解石充填，封存箱內的壓力重新積累上升，直至下一次脈沖式破裂和涌流，此至周而復始。在快速沉積盆地（美國灣岸盆地）這種過程每隔幾千年就發(fā)生一次。因此如有大量油氣產生于盆地封存箱內，則上述機理及油氣垂向運移到上覆正常壓力巖層的可能性是客觀存在的。當然，流體也可進入上封存箱。東方1-1氣田、樂東15-1氣田和樂東22-1氣田3個大中型氣田的天然氣均賦存在與泥底辟有關的圈閉中，主力氣藏分布在常壓帶內，屬異常超壓系統之上的正常壓力系統內成藏。T20T30T40T50泥拱流體運移方向正常壓力系統異常高壓海底裂縫異常超壓系統之上的正常壓力系統內成藏（五）運移成藏模式1、儲蓋組合類型（）箱內儲蓋組

15、合儲層以次生孔隙為主，主要是由箱內烴源巖在生烴過程中有機酸對孔隙的改造。（）箱緣儲蓋組合指頂部密封帶，該帶往往由多個致密異常層組成夾有多孔的儲層。 （）箱外儲蓋組合指正常壓力系統內或上封存箱內的儲蓋組合。（）箱內運聚成藏模式 在封存箱內水溶對流作用下，溶有天然氣的地層水，對流過程中，在上升通道附近和溫度壓力較低的圈閉運移并出溶成藏。有利于天然氣出溶的地帶有： a.封存箱內較高的部位，包括構造高部位在內。 b.構造應力場中的局部張性區(qū)，構造裂縫的張開構成相對低壓區(qū)。 c.地層水鹽度較高的地區(qū)。（）箱緣運聚成藏 在多層致密層夾多孔儲層組成的頂部封閉層系中，當箱緣破裂時，通過混相涌流作用，形成箱緣成

16、藏的模式。 2、運聚成藏模式異常壓力流體封存箱與油氣成藏模式（3）箱外成藏 在混相涌流運移過程中，如箱緣全部被突破，在箱外又有適合的圈閉時，可在上封存箱或正常水動力系統中形成箱外成藏，混相涌流由于脈沖式的進行，有大量的油、氣、水涌出，烴類數量豐富，往往形成豐富的油氣聚集。 2）主要產層是位于緊接密封層是由滲透與不滲透的地層組成，密封層內部的儲氣層主要產濕氣，來自深部（4572m）中侏羅統烴源巖。 3）壓力梯度最大值在密封層的底部，封存箱中的壓力梯度（46.5Psi/100ft）稍高于密封層之上的正常壓力，這可能與流體密度增加有關。 4）在封存箱以東的井、鉆至封存箱內部的相應深度仍為正常壓力，表

17、明封存箱東緣存在封堵性斷層。主要特點： 1）在3231m處出現一個平頂狀的密封層，分布面積約1300014000Km ，約占盆地面積的1/3。該密封層橫切各種構造，巖相地層和各地質時代的巖層。方解石沉淀物封堵了不同巖性的孔隙，封堵時代自侏羅紀第三紀。目前已知最厚的密封層的厚度約1000m。（六）封存箱研究實例 1阿拉斯加庫克灣盆地 美國阿拉斯加庫克灣盆地超壓封存箱A-庫克灣盆地平面位置圖，b-AB剖面圖，2 北海埃克菲斯克大油田區(qū)的流體封存箱在北海盆地中央地塹的Ekofisk及其附近油田中，有兩個密封層。一個是深度為3300m的密封層，在中央地塹的中部，從北到南300多Km長的距離內密封層的深

18、度基本不變。在地塹的東部和西部，該密封層的深度卻較深，這與地溫梯度較低有關。另一個淺的密封層在1830m處，在中央地塹的EROFISK及其附近形成了兩個封存箱 美國加利福尼亞 Willows-BeehiveBend氣 田的壓力-深度梯度圖34、美國Keyes氣田欠壓封存箱 1）位于美國俄克拉何馬州與得克薩斯州交界處的阿馬里洛隆起。 2）由于曾上升剝蝕1500m上覆地層，欠壓1300psi (1psi=6894.76pa)，上覆負荷全由含氣砂巖的基質骨架支撐。 3）該氣田有Blaine硬石膏和威靈頓（wellington）鹽巖兩個封閉層，構成上下兩個欠壓封存箱。 4）產氣層在下封存箱內。5、羅馬尼亞Emie穹窿超壓封存箱 位于羅馬尼亞特蘭西瓦尼亞盆地中部的Emi