油气勘探构造：第四章 沉积压实、异常地层压力与构造作用

1、第四章 沉积压实、异常地层压力与构造作用相关基本概念异常地层压力的分布与成因盆地压力仓与天然水力断裂 主要内容一、基本概念1、压实作用流体压力（fluid pressure）静水压力（hydrostatic pressure）静岩压力（ Lithostatic pressure)异常流体压力（abnormal fluid pressure) 超压 (Overpressure)低压 (Underpressure; Subnormal pressure)上覆负荷压力 Overburden pressure有效应力 Effective stress 压实作用 compaction一、基本概念2、地层

2、压力超压的概念当孔隙流体压力在给定的深度上，超过静水压力（静水柱压力）时，则称为超压 (Dickinson, 1953; Bradley, 1975)。当地层压力梯度超过 0.012 MPa/m (0.53 psi/ft) (饱含盐溶液)，则被认为存在流体超压(Hunt，1990)。压实模型S=+P = P+Ev0.7，泥岩塑性较弱； 0.7 0.8，塑性较强； 0.8，塑性极强； 1，泥岩成为流体欠压实与异常高压二、异常地层压力1、压力分类及分布正常地层压力：等于静水压力异常地层压力：偏离静水压力压力系数（Pc）：实际地层压力与静 水压力之比。据不完全统计，世界上超压盆地有180多个，其中1

3、60多个是富含油气的盆地;我国的主要含油气盆地都发育或曾经发育超压二、异常地层压力2、研究历史 1878年，俄国学者Gulishambaror在描述阿塞拜疆巴库附近Balakha ny油田的石油喷泉时首次提出并讨论了异常压力的概念； 1953年，Dickinson对美国墨西哥湾岸地区的异常压力进行了研究，从而揭开了异常压力研究的时代序幕并延续至今。 我国在20世纪70年代从西方引进异常压力的概念并运用于实际的勘探开发和科学研究当中。Dickinson, 1953(abnormal pressure); Powers，1967 (smectite to illite transformation

4、); Barker, 1972 (aquathermal); Berry，1973 (lateral tectonic stress)； Bradley，1975 (hydraulic seals); Magara，1978 (Undercompaction ）; Spencer, 1987 (hydrocarbon generation); 罗哓荣，1996（gas generation）；Hunt, 1990 (overpressured compartments).从上个世纪至今，重点是对超压的成因进行了系统的研究。对压力封存箱的研究也给予极大的重视，主要研究和争论焦点：超压生成和封闭。

5、1940-1959 1960-1989 1990-PresentAAPG Memoir 76 2002 AAPG Memoir 70 1998AAPG Memoir 67 1997AAPG Memoir 61 19953、超压形成机制二、异常地层压力压实不均衡脱水反应水热增压生烃作用烃柱浮力水头埋藏时间/深度增大多变，取决于构造历史相 对超压量理想封闭层气油气油?流体传导新生流体体积膨胀构造挤压挤压构造背景流体传导应力作用01020304050烃类生成不均衡压实40.7%25.9%3.7%22.2%7.5%烃类生成不均衡压实不均衡压实生烃作用构造挤压超压厘定（欠压实特征） Swarbrick

6、and Traugott, 2002Dewatering of montmorillonitic clay, creating about 40 % porosity (Powers, 1967)蒙脱石向伊利石的转化Powers, 1967; Burst, 1969; Barker, 1978Depth: 2000-3500 mTemperature: 100-110 oC地层温度降低；抬升剥蚀降温；剥蚀卸载引起孔隙回弹； 水动力；天然气扩散；4、低压形成机制二、异常地层压力异常高压钻 井井 喷电阻率测井低电阻率声波测井高声波时差试油测压高 压地 震低 速 带密度测井低 密 度5、压力预测二、

7、异常地层压力（1）.现今压力预测钻井直接测试（包括DST、RFT、完井试油资料等）测井曲线计算根据声波时差曲线计算根据电阻率曲线计算地震资料计算根据地震层速度计算5、压力预测二、异常地层压力所需资料：地震速度, 声波时差测井，视电阻率测井，密度测井，实测孔 隙度，DST、RFT、MDT测压，泥浆比重，测温，各种地质地化鉴定资料Han等人 (1986年)Eberhart-Phillips等(1989年)Eaton经验公式预测超压法利用声波测井资料预测超压 地层压力梯度 (MPa/m)上覆负荷压力梯度(MPa/m)正常静水压力梯度(MPa/m)正常趋势线上泥岩声波时差读值与实际泥岩声波时差读值的比

8、值Fillippone地震层速度预测超压法P 孔隙流体压力(MPa)Vi 第i层的层速度(m/s)Vmax 最大层速度(m/s)Vmin 最小层速度(m/s)D 深度(m)DS- 与平均速度有关的系数vr 均方根速度(m/s)va 平均速度(m/s)k vr-t关系曲线的斜率（2）古压力识别 流体包裹体资料计算； 计算机模拟计算； 在泥岩压实成岩史、干酪根生烃史和超压形成机理及分布研究的基础上，应用泥岩压实和干酪根热降解成烃理论，根据超压形成的作用机理，建立地下流体的连续方程和质量守恒方程来恢复地史时期古压力场的演化史。5、压力预测二、异常地层压力1、压力仓概念三、盆地压力仓与天然水力断裂Hu

9、nt（1990）认为许多含油气盆地中发育有两类水力学系统：一个是正常压力，水自由流动的象Hubbert（1953）描述的水力学系统；另一个是深部封闭的超压流体封存箱压力仓压力封闭受深度和温度控制成岩作用封闭压力仓（pressure compartment, pressured fluid compartment, basin compartment） Bradley,J.S.,1975, “Abnormal formation pressure”, AAPG,v.59,p.957-973,压力分割 Powley,D.E.,1975,AAPG petroleum exploration scho

10、ols, 压力分割 Powley,D.E.,1980-1987,AAPG petroleum exploration schools:Normal and abnormal pressure,压力仓（非公开出版） Hunt,J.M.,1990, “Generation and migration of petroleum from abnormally pressured fluid compartments, AAPG,v.74,p.1-12,压力仓压力仓（pressure compartment, pressured fluid compartment, basin compartment

11、） Ortoleva,P.J.,1994, “Basin compartment and seals”, AAPG Memoir 61压力仓（pressure compartment, pressured fluid compartment, basin compartment） Bradley,J.S; Powley,D.E. 一个被周围封闭层封闭的孤立水力系统 Hunt,J.M. 提出了烃类生成和运移与压力仓关系的概念理论 Ortoleva,P.J. 一个周围被封闭的水力和化学孤立系统 化学反应器理论Definition of Pressure SealsA zone of rocks c

12、apable of hydraulic sealing that prevent essentially all pore fluid movement over substantial intervals of geologic time (Hunt, 1990). This definition does not exclude rocks that may periodically fail and leak but requires that, at least under some conditions, that rocks do not allow the flow of any

13、 fluids across them.压力封闭-具有水力封闭能力的岩石层（带）且能够在地质过程中阻止所有的孔隙流体流出。压力仓封闭Hydraulic seals must be viewed as three-dimensional completely sealed compartments and independently isolated fluid compartments bounded by seals on all sides (Bradley, 1975) . The term does not refer to capillary seals that impede hy

14、drocarbon movement but allow water to pass through (Schowalter, 1979).The term “seal” refer to a zone of rocks capable of hydraulic sealing, that is, preventing the flow of oil, gas and water (Hunt, 1990).1. 压力仓是三维完全水力学的封闭。2. 这个封闭不是毛细管封闭。3. 这个封闭可阻止油，气和水从压力仓 中流出。To maintain overpressures for a reason

15、able geological time period requires rock seals that are almost completely impermeable or a continuous pressure recharge must occur during basin sinking （Hunt, 1990).在地质的时间尺度上保持超压：1. 封闭的岩石几乎是完全非渗透。2. 连续压力补充。Pressure compartments are characterized by an effective seal, in three dimensions. A pressure

16、 seal, as opposed to a capillary seal, restricts flow of both hydrocarbon and brine and is formed where the pore throats become effectively closed, i.e., the permeability approaches zero (Bradley and Powley, 1995, AAPG Memoir 61).超压仓的特征是一个三维有效封闭。 这个封闭不是毛细管封闭，而是孔隙的喉道有效封闭，限制烃类和地层水的流动，也就是说渗透率接近于零。 Toth

17、, Maccagno, Otto and Rostron (1991）认为Hunts (1990) 压力仓的概念主要有两个问题：明确的要求封闭压力仓的岩层具有接近于零的渗透率来封闭天然气，石油和地层水的流出。许多已知的压力仓的地质现象能够用水力学的连续流动的模型来解释。2、水力压裂三、盆地压力仓与天然水力断裂盆地压力仓(Basin Compartment)：压力仓破裂作用(fracturing)水力破裂（hydrofracturing）:由于孔隙空间流体压力的增大而导致泥质岩内的破裂，或称流体压裂。 天然水力压裂作用的研究历史表 1923，Terzaghi,T.提出经典的有效应力概念 1941

18、，Biot,M.A.孔隙弹性理论的提出 1965，Secor,D.T.提出天然水力压裂作用 1977，Beach,A.在英国提出天然水力裂缝 1981, 高瑞祺 在松辽盆地提出天然水力裂缝 1985, Engelder,T.在美国提出天然水力裂缝 1990, Engelder,T.阐明天然水力压裂作用的机制 1991, Lorenz,J.C.质疑纯天然水力压裂作用 1991, Henriet,J.P.在北海盆地提出天然水力断层 1991, Hunt,J.M.阐叙压力仓中的水力压裂作用 1994, Yoshito N.阐叙变质作用中的水力压裂作用 1994, Catwright,J.A. 阐明北

19、海盆地的天然水力断层 1995, Roberts,S.J.压力仓水力压裂作用的一维模拟 1996, Nunn,J.A.阐明浮力驱动的水力压裂作用 1996, 张金功 黄骅坳陷的天然水力裂缝 1996, 梅廉夫等 提出松辽盆地的天然水力断层 经验判别标准Dickinson (1953) 在墨西哥湾提出的经验判别标准： =Pp/Sv=85% (1)式中,Pp：孔隙流体压力；Sv：负荷压力 基于岩石力学的判别标准Bradley(1975) 针对形成垂直张裂缝（模式）的判别标准： Pf=H+Pp+Ts (2)式中, H：最小水平有效应力；Pp：孔隙流体压力； Ts：岩石的抗张强度； Pf：破裂压力LithostaticPressureDepthOver-pressureHydrostaticFracturingUnder-pressure 基于Jeager和Cook的断裂力学理论： =2Tx3/r4 式中：r2=x2+y2 A) 在位置（-x,0）处： A=2T(x+x)3/rA4 式中：rA2=(x+x)2+y2 B) 在位置（x,0）处： B=-2T(x-x)3/rB4 式中：rB2=(x-x)2+y2 C) 在垂直轴上（x=0），水平方向的张应力为： A+B=4Tx3/(x2+y2