典型根缘气的成藏机理及地层压力调整

典型根缘气的成藏机理及地层压力调整

在致密砂岩储层中发育的天然气最初被称为致密砂岩气，然后被称为深盆气、盆地中心气、上倾水圈封闭气、连续气、根缘气等。对深盆气“气水倒置”界面的寻找在很大程度上为该类气藏的确定带来了困惑,对其中异常地层压力的解释亦复杂多样,Gies(1984)结合实验分析提出了该类气藏的低异常地层压力观点,Law(1985)建立了基于美国气藏特点的高异常地层压力模式,张金川(1999)在实验分析基础上认为,根缘气藏具有异常地层压力自律降低的变化特点。对川西坳陷异常地层压力的产生,目前有多种解释方案,本文试图结合根缘气藏特点,对异常地层压力进行探讨分析。1储层致密“气水倒置”特征根据实验研究,毛细管中的天然气运移存在两种基本形式,一种是天然气与地层孔隙水不断发生位置交换而达到运移目的的置换式运聚方式;另一种则是天然气将储层孔隙水完全推移开的活塞式运聚方式。前者是在常规储层条件下,在天然气受到浮力作用而向上运移的同时,等体积的地层水沿孔隙壁表面上的束缚水膜、较细小的孔隙或其他通道向下运移,天然气与地层水在较短时间内发生自由的势能交换,从而在盖层下部形成天然气“漂浮”在地层水上部的常规储层气藏;后者发生的基本条件是储层致密,孔隙度和渗透率低于某一临界。由于储层致密,两相流体的相互运动受到严重阻碍,天然气与地层水之间无法进行机械势能交换并产生重力分异作用,游离相天然气只能形成位于地层水下方的“气水倒置”特征。在典型条件下,天然气聚集体顶、底部的地层水不存在相互导通条件,因而浮力作用无法产生。在活塞式运聚条件下,天然气聚集与气源岩直接相邻。受来自气源岩生气膨胀作用的推动,源自气源岩的天然气从致密砂岩底部开始聚集。若将气源岩视为该类天然气聚集的“根”,则“根缘气”同时在形式和机理上表征了该类气藏“致密砂岩底部含气”的内涵特征,既符合“盆地中心气”的“无边水和底水”存在要求,也满足深盆气的“气水倒置”特征。实际上,根缘气就是发育在致密储层中且与气源岩直接相邻的有根状天然气聚集。根据成藏时的活塞式机理分析,根缘气具有原生的高异常地层压力特征。在川西坳陷,对“深盆气”藏的研究已有较长的历史,在Masters(1980)应邀到原成都地质学院进行学术交流时,就有专家提出了川西坳陷存在这种气藏的可能,甘克文等(1983,1989)就川西坳陷的深盆气展开了两次类比研究。随后,许多研究者[16,17,18,19,20,21,22,23,24,16,17,18,19,20,21,22,23,24]又进行了多次研究。目前已经找到了川西坳陷根缘气藏存在的大量证据,如热生气量巨大、储层普遍致密和超致密化、致密储层与气源岩紧密互层、储层致密化时间早于生气高峰时间、地层普遍含气且与构造圈闭关系不密切、高异常地层压力显著、气水倒置界面存在、致密砂岩底部含气等,表明川西坳陷根缘气藏存在。2低异常地层压力根缘气藏的异常地层压力一直是多家关注和讨论的焦点。从形成过程分析,典型根缘气的成藏服从活塞式的气水排驱原理,而活塞式天然气运移需要将孔隙中的地层水推开,结果形成了高异常地层压力。这一分析结论支持了Law等人的结论,与北美盆地致密砂岩气藏异常地层压力的统计结果以及Putman等对阿尔伯达盆地地层压力的重新认识结果相一致(图1)。张杰等(2002)、张金川等(2004)通过理论分析和实验研究,也证实根缘气成藏时的原生地层压力为高异常特征,但当后期保存条件较差时,根缘气藏地层压力可有复杂变化(图2)。根缘气的成藏动力来源于有机母质热化学能的转换,即在相对密封的系统中,高密度物质向低密度物质的转变导致其体积的相应增加。这一现象与高压锅中的液-汽转变有着相同的原理,也被称为“高压锅”原理。由这一原理所产生的压力叠加在区域静水柱压力之上,它的存在导致天然气从气源中排出并进一步推动天然气向上推开地层水而进行活塞式运移。假定根缘气成藏时的原始埋藏深度为h1,则根缘气在成藏时的顶部原生地层压力为p=h1gρw+Δhρwg+pc式中,p为根缘气藏顶部天然气压力;h1为气藏上覆的地层水柱高度(m),也即根缘气埋藏深度;g为重力加速度(9.8N/kg);ρw为地层水密度(kg/m3);Δh为盆地内地层水流动所产生的动水压头(m);pc为根缘气顶界面处致密储层的毛细管压力(Pa)。进一步,根缘气藏的异常地层压力系数表现为原生的高异常:K1=h1gρw+Δhρwg+pch1gρw=1+Δph1gρwΚ1=h1gρw+Δhρwg+pch1gρw=1+Δph1gρw式中,K1为地层压力系数(上式表明为大于1);h1ρwg为静水柱压力。其中,Δp=Δhρwg+pc>0由上易于看出,根缘气藏的异常地层压力(系数)与其埋藏深度、地层水平均密度、封闭天然气的储层毛细管压力以及盆地的水动力条件等因素有关。当根缘气成藏及原生高异常地层压力形成之后,若储层物性相对较好、非均质性严重或后期微裂缝发育,天然气与地层水之间的活塞式驱替不再典型。此时若天然气向上运移,地层水可沿着相对较厚的束缚水膜或通过较小的孔喉进行回流及势能交换,达到长期而缓慢的非典型置换式运移效果,从而大幅度降低根缘气藏的原生地层压力。尤其是在根缘气藏的上部,气水置换频繁,从而出现大范围的泄压并可能形成低异常地层压力,埃尔伯达盆地即有如此特征。当系统封闭性较强时,根缘气藏异常地层压力的后期变化主要与其所经受的构造升降运动有关。在这种情况下,除非根缘气的成藏条件发生明显变化或构造升降幅度变化巨大,根缘气藏的高异常地层压力具有相对较强的滞后效应。根缘气成藏的最大特殊性是储层致密,在此条件下,气水难以发生常规储层条件下的置换式运移,即使对单相流条件下的地层水来说,其渗流速度也受到明显制约,导致根缘气藏异常地层压力的释放或调整过程非常缓慢。当根缘气成藏之后,其相对位置的上升或下降对其埋藏深度进行了改变,但由于致密储层中流体的可流动性极差,构造升降后的异常地层压力无法得到及时调整而形成滞留,因此根缘气藏的地层压力随时间的变化性小于常规储层气藏,主要取决于流体渗流时的渗透率和时间,即实际上可能的流体渗流交换量。在这种条件下进行重新计算,则根缘气藏的异常地层压力系数发生相对的升高或降低作用。Law等(1985)建立了致密砂岩气的高异常地层压力模式并认为,原生高异常地层压力在后期的构造抬升作用过程中发生了降低作用,主要原因是由于地层的抬升导致了温度的下降和上覆负载的减小,导致岩体的围压降低而发生膨胀作用,从而产生压力降低作用,使用该模型易于对美国东部地区强烈破坏的盆地进行合理解释。但在抬升幅度相对有限,对于原始地层流体封闭性并未遭受强烈破坏影响的成藏体系来说,由于地层流体的活动性及渗流能力较差,当地层发生区域性抬升运动时,原始的地层流体压力无法进行及时调整而得到重新平衡,形成了原始地层压力的滞留。因此如果在根缘气成藏后发生了构造沉降作用,则构造运动后的根缘气藏异常地层压力发生降低作用。相反,如果在根缘气成藏后发生了构造抬升运动,则异常地层压力发生升高作用。相对于埋藏深度的变化幅度来说,致密储层中的流体渗流速度缓慢,导致地层压力不能或在相对较短的时间内不能达到与周围流体压力的平衡,即异常地层压力的重新调整速度极其缓慢。假设地层水沿孔隙壁表面束缚水膜向根缘气藏内部渗流时的相对渗透率趋近于零,在根缘气成藏之后发生构造上升运动,导致根缘气藏顶界埋藏深度为h2(h1>h2),则气藏内压力在上升前后没有实质性改变,即在h2深度的压力等于h1深度的压力。在h2深度处,对地层压力系数重新计算可得:K2=h1gρw+Δhρwg+pch2gρw=h1h2+Δph2gρwΚ2=h1gρw+Δhρwg+pch2gρw=h1h2+Δph2gρw故,由地层抬升作用而增加的压力系数为所以,根据构造升降幅度及Δp,便可以计算出压力系数的变化值。如果地层的致密性较强,封闭性较好,则高异常地层压力维持,直至上升幅度过大而使新产生的高异常地层压力达到理论上的最大值或产生岩体破裂。设岩层平均密度为ρr,则根缘气藏最大压力系数MaxCr受限于上覆地层的平均密度:maxCr=ρrghr/ρwghr=ρr/ρw3根缘气成藏压力剖面的变化及正确适用条件从区域特征分析,四川盆地的异常地层压力表现出了明显的规律性,即在盆地的广大地区内普遍反映为高异常特征,由东南向西北方向,盆地的异常地层压力系数逐渐升高(图3)。前人研究表明,地层压力系数大于1.0的分布面积占四川盆地的一半以上,预测盆地内的最高异常地层压力系数在梓潼凹陷达到了2.3。根据钻井实测,川西北矿区柘1井须三段的最高异常压力系数达到了2.211,与美国大绿河盆地2.19的异常地层压力系数不相上下;而丰谷1井须二段的异常压力系数达到了2.36。从分布特征看,平面上的异常地层压力变化可能表示了它与根缘气藏在机理上的相互关系。实际上,四川盆地高异常地层压力的分布与区域构造位置、地层沉积厚度、埋藏深度、天然气的生排供条件、储层致密程度等具有密切关系。在剖面上,地层压力变化的规律性更为明显(图4),即在须家河组以上地层中,地层压力普遍表现为较低的高异常幅度,压力系数变化于1.0～1.5,埋藏深度越小,异常压力幅度也越小,如在埋藏深度小于700m时,异常压力系数最大值不超过1.2,主要与欠压实作用增压机理有关。大致从蓬莱镇组-千佛岩组地层开始,地层压力出现了明显的台阶形变化,压力系数变化于1.2～1.9,但所出现的地层组范围或深度范围相对较小,具有明显的过渡性特征。从须五段地层中部开始,地层压力出现了另一个明显的台阶变化,压力系数一般变化在1.4～2.2。结合根缘气成藏的活塞式过程和高异常地层压力产生原理分析,这种压力剖面属于典型的根缘气剖面,即根缘气藏主体的高异常地层压力、气水过渡带中的较高异常地层压力和气水过渡带以外的正常地层压力。由于川西坳陷在根缘气成藏后发生了强烈的区域性构造抬升运动,原始的理想地层压力剖面也发生了相应改造。王金琪指出,川西坳陷与其他盆地的一个重要区别就是后期的持续性强烈抬升作用(图5)。根据致密储层中地层压力的相对升降原理分析,这种发生在储层普遍致密化之后的地层抬升作用将导致地层压力的明显升高,导致川西坳陷的异常地层压力在根缘气成藏作用基础上进一步提升。钻孔古地层压力系数的变化(李书兵等,2000),反映了根缘气区异常地层压力的不断增加过程,如在老关庙构造的关6井,中侏罗世末期时的古地层压力系数为1.34,到早白垩世末期时升高至1.52,到古近纪末,古地层压力系数进一步升高至1.91,而现今实测达到了2.20;再如位于八角场构造的角43井,中侏罗世末的古地层压力系数为1.17,古近纪末时的古压力系数增加至1.81,而现今为2.18。其中,异常地层压力的构成可以分解为两个部分,一是由根缘气成藏所产生的原生异常地层压力,二是由后期构造抬升所造成的压力叠加。因此,川西坳陷异常高的地层压力(系数)是在根缘气成藏基础,经后期区域性的构造抬升作用所致,主要为两种作用过程的叠加。欠压实作用是产生高异常地层压力的重要机理,它所产生的异常地层压力可能是川西坳陷现今高异常地层压力的来源之一,但由于变化范围较大且难以准确计算,故不予详细讨论。抬升增压原理的适用条件是流体的滞留属性和特点。在储层区域致密条件下,根缘气藏流体运动受到了最大程度地限制,天然气无法逸散,而更重要的是地层水无法自由流动而对地层压力进行调整。如果这些条件不能得到满足,则异常地层压力系数将发生不同程度的降低作用,甚至导致低异常地层压力的出现及大规模分布。在川西坳陷,上三叠统地层(顶面)在根缘气成藏后的平均最大埋藏深度取6000m,根据该地区的储层特点,平均按10MPa的地下毛细管压力进行计算(封闭天然气的毛细管压力可有较大变化),可得此时(古近纪末)的地层压力系数为1.17。在现今时期,取其平均埋藏深度4400m,计算其地层压力系数为1.59,构造抬升前后的地层压力系数净增0.42。即上三叠统大约上升1600m后,地层压力系数升高了0.42。据此可对川西坳陷的地层压力进行分解分析。在压力系数构成中,1为静水柱所产生的正常压力,高异常地层压力主要为根缘气成藏所致(也包括欠压实作用),其中的0.42由地层抬升所产生。故地层压力的区域背景值为1.42,与根缘气压力剖面分析结果一致。因此可以认为,若忽略欠压实作用所产生的高异常地层压力贡献,则1.42的高异常地层压力系数主要由地层厚度及区域性地层抬升作用所产生。进一步,1.42的地层压力系数可以作为川西坳陷根缘气有效分布区域预测的主要指标。川西坳陷须家河组地层的主体埋藏深度都在3000m以下,原始地层沉积厚度较大,除了由原始沉积作用所造成的砂泥岩互层分布特点以外,后期的致密化作用亦非常强烈,况且须家河组地层主要分布在埋藏较深的构造深部位,除了断裂破坏以外,已形成的高异常地层压力难以释放,创造了高异常地层压力产生和保存的有利条件。除了根缘气成藏活塞式原理产生高异常地层压力和构造抬升作用导致高异常地层压力进一步增加以外,川西坳陷根缘气特殊的天然气来源是促进高异常地层压力产生的又一重要因素。从来源分析,该地区的天然气生成主要存在两个高峰:(1)三叠系沉积末期,有机质达到热成熟,从而出现天然气生成的第一高峰期。由于此时的储层尚未达到普遍致密化,所生成的天然气主要以常规方式进行运移和成藏。(2)在侏罗纪末期至古近纪时期,源岩有机质成熟度迅速增加,在源岩进一步生成天然气的同时,已生成的液态烃类大量裂解,从而产生天然气生成的第二高峰。由于储层的区域致密化时间发生在第一生气高峰之后到第二生气高峰之前,因此主要由液态烃裂解而生成的天然气是根缘气成藏的主要来源,而已生成烃类从液态向气态的转变服从“高压锅”原理,由这种原因所产生的高异常地层压力只与天然气聚集有关,它在先存异常地层压力之上的叠加使根缘气藏异常地层压力进一步升高。结合地质演化史分析,川西坳陷根缘气藏异常地层压力的产生和演化可分为三大阶段,形成三级升压机理模式。(1)晚侏罗世中晚期之前的前根缘气阶段属于常规储层气形成阶段,地层异常压力主要由欠压实及生烃等作用所引起,形成欠压实升压作用阶段。(2)晚侏罗世中晚期至古近纪中晚期为根缘气主体成藏阶段,异常地层压力主要由热、裂解生气及根缘气的成藏作用所致,即中期的气水活塞式驱替成藏升压阶段。(3)古近纪中晚期以后,区域地层抬升,根缘气原生的滞留压力产生相对升压作用,谓之构造抬升压力滞留和保持阶段。三级升压作用分别对应于三大地质作用期,产生作用的条件是良好的