石油地質(zhì)學課件：第七章 油氣藏的形成 第一節(jié) 油氣成藏動力 2013

1、 油氣作為一種埋藏在地下的天然流體礦產(chǎn)，與盆地乃至地球中其它流體一樣，有其形成、運移、聚集、保存或逸散過程，且該過程必然受到自然界許多因素的制約。石油和天然氣在地下流體中的滲流過程為一物理過程，必然遵循流運動的動力學機理。 沉積盆地內(nèi)的油氣富集本質(zhì)上是由溫度、壓力和有效受熱時間控制的化學動力學過程與由壓力、浮力、水動力和流體勢能聯(lián)合控制的地下流體動力學過程綜合作用的結(jié)果。第一節(jié) 油氣成藏動力學 所謂油氣成藏動力學就是以盆地為背景，以油氣為對象，綜合利用地質(zhì)、地球物理、地球化學手段和計算機模擬技術(shù)，在烴源巖和流體輸導體系發(fā)育的格架下，通過能量場演化及其控制的化學動力學、流體動力學和運動學過程分析

2、，研究油氣生成、運移、聚集、保存的動力學過程及其控制因素的綜合性學科。由此可知，油氣成藏動力學的研究基礎(chǔ)是盆地構(gòu)造演化、烴源體識別與流體輸導體系建立，研究核心是能量場（包括溫度場、壓力場、勢能場、應(yīng)力場）演化及其控制的化學動力學和流體動力學過程。 沉積盆地實際上是一個巨大的低溫熱化學反應(yīng)器，地溫是決定有機質(zhì)成烴演化的最重要控制因素，與油氣形成關(guān)系密切，是盆地油氣遠景評價中的主要參數(shù)之一；并且，對油氣的保存與破壞，地溫也是具普遍意義的控制因素。 沉積盆地的地溫場主要受地幔熱流、地層放射性熱源、熱傳導、熱對流、熱輻射、巖石熱導率、流體熱導率、巖石組成等多種因素的綜合影響，其中熱傳導是沉積盆地中熱能

3、傳遞的基本方式，控制著區(qū)域地溫場，傳導熱流的強弱主要取決于盆地形成演化的深部過程、動力學機制及沉積蓋層非均質(zhì)性引起的基底熱流的再分配；熱對流常常導致局部地溫異常，熱輻射則影響著地表溫度。一、溫度場 地下溫度、地溫梯度和大地熱流是表征地溫場的三個基本參數(shù)。 地下溫度數(shù)據(jù)是研究地溫場的最基礎(chǔ)和第一手資料，鉆井資料的測溫數(shù)據(jù)包括穩(wěn)態(tài)測溫、準穩(wěn)態(tài)測溫、靜態(tài)測溫、瞬時測溫和流溫等，其中穩(wěn)態(tài)測溫資料最為重要。 地溫梯度反映了地溫隨深度的變化，并可用于反映地溫在平面上的分布狀況，是描述地溫場的重要地質(zhì)地球物理參數(shù)，計算公式為： 式中，G為地溫梯度，/100m；TH為H處的溫度，；T0為地表恒溫帶（地球內(nèi)熱與

4、太陽輻射熱的相互影響達到平衡的地帶）的溫度，；H為測溫點與恒溫帶深度之差，m。 大地熱流表示的是地球內(nèi)部在單位時間內(nèi)向地球表面單位面積上傳遞的熱量，是地殼深部熱特征的反映，能從本質(zhì)上揭示地溫場的固有特征，是表征地溫場特征的最重要地質(zhì)地球物理參數(shù)，其在數(shù)值上等于地溫梯度與巖石熱導率的乘積，即： QKG 式中，Q為大地熱流，mW/m2；K為巖石熱導率，W/(m)；G為地溫梯度，/km。大地熱流 地溫場研究的主要任務(wù)就是在查明現(xiàn)今地溫場特征的基礎(chǔ)上，確定研究區(qū)的古地溫場。 盆地的今地溫場一般根據(jù)鉆井實測地溫及大地熱流測試資料確定。 對古地溫場的確定，目前主要是應(yīng)用鏡質(zhì)體反射率、自生成巖礦物、流體包裹

5、體、同位素組成、礦物裂變徑跡、牙形石色變指數(shù)、煤階、有機地球化學等資料來指示地質(zhì)作用過程中曾經(jīng)歷過的溫度，或從盆地形成和演化的動力學機制以及地球內(nèi)部熱傳播方式出發(fā)，建立熱史模型，正演恢復(fù)沉積盆地的古地溫。 地溫場的研究方法壓力是油氣排出、運移和聚集的前提與基礎(chǔ)，且其與油氣生成、保存及成巖成礦流體的關(guān)系十分密切。 沉積盆地內(nèi)部的壓力場可分為： 異常低地層壓力（負壓）； 正常地層壓力（常壓）； 異常高地層壓力（超壓）； 三者的交叉組合。 1878年，俄國學者Gulishambaror在描述阿塞拜疆巴庫附近Balakhany油田的石油噴泉時首次提出并討論了異常壓力的概念； 1953年，Dickins

6、on對美國墨西哥灣岸地區(qū)的異常壓力進行了研究，從而揭開了異常壓力研究的時代序幕并延續(xù)至今。二、壓力場 所謂異常高流體壓力系統(tǒng)（超壓系統(tǒng)）一般是指地層壓力系數(shù)大于或等于1.2的壓力系統(tǒng)，其頂、底或四周被封隔層所包圍。 世界上超壓盆地有180多個，其中160多個是富含油氣的盆地，超壓油氣田約占全球油氣田的三分之一左右； 我國主要油氣田都發(fā)育或曾經(jīng)發(fā)育異常壓力，且隨著油氣勘探程度的逐漸提高和向深處勘探的不斷進軍，必將發(fā)現(xiàn)更多的超壓含油氣盆地和油氣田。 超壓系統(tǒng)的區(qū)域分布狀況和特征已成為目前油氣勘探與評價以及油氣運移地下流體動力學研究的基礎(chǔ)之一。異常超壓概述 迄今為止，可用于研究和預(yù)測地下流體壓力場的

7、方法有很多，但就其應(yīng)用的廣泛性和重要性而言，以聲波測井、實測地層壓力（DST、RFT、FMT等）和地震速度資料最為重要。其中前兩種方法僅適用于已鉆探地區(qū)，后者則可應(yīng)用于凹陷深部和未鉆探地區(qū)的壓力場研究和預(yù)測，為鉆探提供鉆前預(yù)測服務(wù)，并使壓力場和超壓系統(tǒng)的研究得以在盆地級規(guī)模上展開。超壓研究方法初始為正常靜水壓力，持續(xù)沉降階段為異常高壓在隆升階段轉(zhuǎn)變?yōu)楫惓５蛪海詈笥只謴?fù)為正常靜水壓力。一個層系的壓力旋回可以發(fā)生在1020Ma或更長的地質(zhì)時期中。圖1 盆地流體的壓力旋回（據(jù)Meissner, 1987)壓力封存箱（封隔體）是盆地中的異常流體壓力封隔體，又叫流體封隔體或壓力封隔體：三維空間上被包圍

8、和封閉的獨立壓力系統(tǒng)，可以是任意形狀，任何一種壓力封存箱必是由封隔層及其所包圍封閉的空間組成。封隔層不僅可以阻止油氣而且也可以阻止地層水的滲流，是異常地層壓力的具體表現(xiàn)。壓力封存箱（Compartment） 油氣二次運移是在飽含水的多孔介質(zhì)的輸導層和通道（斷層、不整合面和相互連通的孔隙裂縫系）中發(fā)生的以獨立相態(tài)為主的位置遷移。 在同一輸導系統(tǒng)內(nèi)，對油氣運聚起控制作用的主導因 素是油氣的勢能。三、流體勢能場 流體勢的定義有多種，目前應(yīng)用較廣泛的有兩種。 （1）Hubbert（1940，1953）提出的概念，他將單位質(zhì)量流體所具有的機械能的總和定義為勢，其由位能、壓能和動能三大部分構(gòu)成，其數(shù)學表達

9、式為： 式中，為流體勢，J；g為重力加速度，m/s2；Z為測壓點高程（從選定的基準面算起），m；p為孔隙流體壓力（地層壓力），Pa；為地下流體的密度，kg/m3；q為流體的流動速度，m/s。 （2）England（1987）提出的定義，他將流體勢定義為從基準面（點）傳遞單位體積流體到研究點所必須做的功，或相對于基準面單位體積流體所具有的總勢能，其考慮了毛細管力作用對油氣運移的影響，數(shù)學表達式為： 式中，為流體勢，J；為地下流體的密度，kg/m3；g為重力加速度，m/s2；z為地層埋深（從選定的相對基準面算起，向下為正），m；p為孔隙流體壓力，Pa；為界面張力，N/m；為潤濕角；r為深度z處的巖

10、石孔隙毛管半徑，m。 根據(jù)流體運動的力學原理，流體（油、氣、水）總是從其自身的高勢能區(qū)向低勢能區(qū)運移，并最終在閉合的低勢能區(qū)聚集，形成油氣藏。 在進行流體勢能場分析時，應(yīng)注重在三維烴源巖體和流體輸導體系發(fā)育的格架下，流體運移期古流體勢的模擬恢復(fù)，以確定與輸導體系相連通的最有利的聚油構(gòu)造。 壓力和勢能場與油氣形成分布的關(guān)系主要表現(xiàn)在： （1）地靜壓力、壓實作用：初次運移； （2）流體勢：油氣初次、二次運移，指明有利聚集部位； （3）促進油、氣、水運移； （4）壓力與溫度：改變氣在油、水中的溶解度，影響烴類物系的相態(tài)變化，控制油氣藏的形成與分布； （5）異常地層壓力：流體壓力封存箱； （6）異常壓

11、力帶與欠壓實帶； （7）壓實背斜圈閉的形成與分布； （8）鹽丘、泥丘等刺穿構(gòu)造的形成與分布。 構(gòu)造應(yīng)力場研究的主要內(nèi)容是在確定各地的點應(yīng)力狀態(tài)(時間、大小和方向)的基礎(chǔ)上，研究在一定區(qū)域范圍內(nèi)各個構(gòu)造活動時期的構(gòu)造應(yīng)力分布。 構(gòu)造應(yīng)力場是影響油氣運移、聚集乃至保存和破壞的重要因素之一。 構(gòu)造應(yīng)力場的研究無論是對劃分盆地構(gòu)造演化階段與認識盆地構(gòu)的發(fā)育規(guī)律和油氣運移聚集規(guī)律，還是對油氣田的開發(fā)都有十分重要的意義。 從區(qū)域上看，構(gòu)造應(yīng)力場控制了生油深凹陷、油氣聚集帶、沉降中心以及烴源巖系的展布；而在局部上，構(gòu)造應(yīng)力場則在一定程度上影響著含油氣構(gòu)造和油氣田的分布。四、構(gòu)造應(yīng)力場 盆地構(gòu)造應(yīng)力場分析可以從地質(zhì)分析和模擬分析兩個途徑入手。 其中傳統(tǒng)的地質(zhì)分析方法是構(gòu)造應(yīng)力場分析的基礎(chǔ)，其主要是根據(jù)各種構(gòu)造形變、巖石力學實驗資料、生物化石、同位素資料及數(shù)學解析、物理模擬、井壁崩落法、凱賽效應(yīng)法、