塔里木盆地库车前陆逆冲带异常高压成因及其对油气成藏的影响.pdf

!第!"卷!第!#期!#$$"年!#月塔里木盆地库车前陆逆冲带异常高压成因及其对油气成藏的影响"曾联波’!刘本明’#!’K 中国石油大学石油天然气成藏机理教育部重点实验室!北京’"!!#M &!K 塔里木油田分公司!新疆库尔勒B #’"""!!""%&"#&!%收稿!!""%&"C &!#收修改稿!"国家重点基础研究发展规划#编号$U ’M M M "#$$%和石油科技创新基金资助项目!E &F /56$6<I 43.!853/K 9-F 摘要!!在异常高压分布特征的基础上#根据地质特征$构造应力场和物理模拟实验研究#对库车前陆逆冲带异常高压的成因机理进行了探讨#并对异常高压对油气成藏的影响进行了分析K 库车前陆逆冲带的异常压力从古近系底开始出现#在侏罗系和三叠系也明显存在#但其压力系数低于古近系底部&白垩系压力系统K 在平面上#异常压力呈东西向带状分布#中部克拉苏&东秋&迪那构造带的地层压力系数最大#往两侧递减K 异常高压的形成主要与早更新世强烈的构造挤压作用有关#构造抬升作用$欠压实作用和流体充注作用对异常高压的贡献较小K 在早更新世快速$强烈的构造挤压作用下#岩石的格架首先承担了’’#的构造挤压应力#其余由孔隙流体来承担#在古近系膏盐层良好的封闭作用下#使得岩石的孔隙流体压力快速上升#从而形成了库车前陆逆冲带的异常高压K 异常高压对油气成藏具有重要的影响#它是形成库车前陆逆冲带大型油气田的必要条件K 关键词!!异常高压!成因机理!油气成藏!库车前陆逆冲带!塔里木盆地!!沉积盆地的地层异常高压是指地层压力明显高于静水压力#压力系数大于’K !%现象)’!!*K 世界上发育’B "多个高压盆地!其中有’C "多个富含油气)’!!*K 中国’"个主要沉积盆地的$"多个地区发育与高压有关的油气藏)$*!尤其是在西部山前构造带!异常高压对油气的形成与分布具有十分重要的控制作用)’,%*K对异常高压的研究!早在!"世纪$"年代就开始从压实作用来进行研究K 随着发现的高压盆地的数量增多!尤其是在异常高压带内的油气勘探获得重大突破以后!许多石油公司和学者对异常高压的形成机理及其与油气形成的关系进行了大量研究K 归纳起来!异常高压的形成机理主要有欠压实作用"烃类的生成作用"构造作用"流体增压作用"粘土矿物的成岩作用"温度的变化"渗透+逆渗透作用"液态烃类的热降解作用"浮力作用"等势面的不规则性等!其中以欠压实作用和烃类的生成作用最为常见)’,’%*K近年来!随着克拉!大气田的发现以及在库车"川西和准噶尔盆地南缘逆冲带油气勘探取得重大进展以后!我国西部盆地山前逆冲带的异常高压研究越来越受到重视K 快速埋藏造成的不均衡压实作用"流体充注增压作用和构造增压作用等都被认为是西部盆地逆冲构造带异常高压形成的可能因素)’C ,!#*K本文在异常高压地质分布特征分析的基础上!根据构造应力场与异常高压关系的研究以及物理模拟实验!认为早更新世强烈的构造挤压作用是库车前陆逆冲带异常高压的形成的主要原因K%B #’%!地质概况库车前陆逆冲带位于塔里木盆地北缘!南天山造山带南侧!南与塔北隆起相接#图’%!长#%O F!宽!",C"O FK地层以中新生界为主!中生界沉积厚度一般为!""",$"""F!最厚达#"""F!为湖泊&沼泽&河流相砂泥岩沉积!中下部发育煤层"碳质泥岩和油页岩&新生界沉积厚度一般为$""", %"""F!最厚达B"""F!为湖相&河流相砂泥岩沉积!中下部发育两套膏泥层和膏盐层K它们在侏罗系"古近系#盐下%和新近系#盐上%形成$套储盖组合K图%!库车前陆逆冲带构造分区图!!库车前陆盆地以新生代形成的褶皱逆冲构造为主!具有南北分带"垂向分层的特征K在平面上!由北往南发育有#条基底滑脱逆冲断层!控制了北部单斜构造带"克拉苏&依奇克里克构造带"拜城&阳霞凹陷带和秋里塔格前锋构造带的构造格局#图’%K在纵向上!由于存在新近系吉迪克组膏泥岩"古近系膏盐岩"侏罗系&三叠系煤系地层以及基底拆离面#个滑脱面!使纵向上构造变形具有明显的分层性K&!异常高压分布特征根据钻井地层压力实测数据和泥岩声波时差解释的地层压力资料!库车前陆逆冲带存在明显的异常高压K如克拉!气田古近系库姆格列木组底部砂岩和下白垩统巴什基奇克组砂岩属于同一压力系统!其地层压力系数一般为’K(,!K"!最大超过!K!!过剩地层压力为$",$BP Q/)’M,!#*&迪那!井产气层中部的地层测试压力为’"’K’P Q/!压力系数达!K’B&在东秋%井最大过剩地层压力达#(K CP Q/)!$*K在平面上!库车前陆逆冲带的地层压力系数大致呈近东西向带状分布)!!*!该区中部的吐北"克拉苏"东秋和迪那次级构造带!地层压力系数最大!最高在!K"以上!往南北两侧递减!其中北带的递减速度明显快!可能与山前断裂发育!地层抬升强烈!使得压力外卸有关&南部至前缘隆起带!基本变为正常压力系统K异常高压和古近系的膏盐岩分布密切相关!凡是膏盐岩和膏泥岩不发育的部位!一定不存在异常高压K一般来说!当膏盐岩的厚度大于#"",%""F 时!其下面就可能存在高压K但并不是巨厚的膏盐岩和膏泥岩之下就一定存在高压!它还受其所在的构造部位的控制K古近系膏盐岩所起的良好封堵性作用是该区异常高压形成的必要条件K在纵向上!库车前陆逆冲带在古近系膏盐层之上表现为正常压力系统!其压力系数小于’K!K异常高压从古近系底开始出现!当压力系数达到最大以后!具有随深度增大压力系数逐渐降低的变化趋势!但压力值基本保持不变#图!%!说明古近系底部和白垩系属于同一压力系统)’M*K由于古近系底部和白CB#’!第!"卷!第!#期!#$$"年!#月垩系内部存在多个非渗透层!对流体压力系统具有分割性!使得其内部的压力仍具有不均匀变化K在古近系底部和白垩系存在异常高压的地方!侏罗系和三叠系也一般相应地存在有异常高压现象K该层位地层测试数据较少!从依南构造带的依南!"依南#"依深#钻遇到这两个层位的地层测试原始地层压力资料看!其压力系数比古近系底部&白垩系要小!一般为’K C,’K B!最大可达’K M以上K图&!克拉&实测地层压力与破裂压力分布图(!异常高压的地质成因分析库车前陆逆冲带异常高压的成因主要有欠压实作用"流体充注作用"构造抬升作用和构造挤压作用等几种认识)’C,!#*K构造挤压作用是大多数人认同的首要因素)’B,!!*K在新近纪&早更新世构造作用下!随着逆冲褶皱作用的进一步发展!该区伴生有较强烈的抬升剥蚀作用!造成了库车组的剥蚀量在!"""F 以上K从理论上讲!当地质历史时期埋深达C"""F 以上地层的静水压力在剥蚀后仍保持不变的话!是可以形成异常高压的K但如果考虑到地层抬升剥蚀过程中的温度下降以及岩石孔隙体积"地层水变化!则构造抬升剥蚀造成的不是异常高压!而是静压甚至是低压)!",!!*K因此!构造抬升作用对该区异常高压的影响较小K理论上!流体充注作用和欠压实作用是形成异常高压的可能因素)!$,!#*!但该区的实际地质资料并不完全支持这两种机制K首先!在钻遇的高压地层或构造并非都有工业油气流或高丰度的天然气&其次!该区的烃源岩为侏罗系的煤系和三叠系的湖相泥岩!但这两个层位的已知地层压力系数都明显低于其上部的古近系底&白垩系的地层压力系数!对流体的充注机理有许多疑问K此外!根据白垩系储层的胶结物微观分析和成岩作用研究!该区在成岩晚期还发生了明显的胶结物重结晶和交代作用!表明异常高压的形成时间很晚!异常高压应该不是欠压实作用作用形成的)’(*K因此!库车前陆逆冲带异常高压主要是由侧向构造挤压作用形成的!异常高压与构造挤压强度#应变量和应力值%有关K王雅星等)!$*通过该区中生界圈闭的紧闭度及挤缩率与异常高压的统计分析!发现圈闭的紧闭度"压缩率与过剩压力之间具有较好的正相关性!认为构造挤压作用是导致流体增压的主要因素K通过对异常高压与构造应力之间的关系研究!两者之间同样具有较好的一致性K首先!从异常高压的形成时间与区域构造应力场的演化来看!异常高压形成于该区挤压最强烈时期K根据岩石记忆信息的构造应力大小分析)!%*!该区侏罗纪的平均最大古有效应力值为!B K BP Q/!白垩纪为#’K’P Q/!古近纪为%B K%P Q/!新近纪为C$K$P Q/!早更新世为(C K#P Q/!早更新世白垩系目的层的平均值为B"K MP Q/K反映从侏罗纪以来!该区构造挤压强度由小增大!在早更新世达到高峰K早更新世是库车前陆逆冲带异常高压的主要形成期!也是主要构造变形期!#条平衡剖面分析其缩短量占总缩短量的((X,B$XK从异常高压与构造应力分布的构造部位看)!%*!库车前陆逆冲带的异常高压区与构造强变形带和应力集中带之间具有良好的对应关系K在平面上!地层压力系数最大的中部吐北"克拉苏"东秋和迪那等构造带!是该区强烈构造应力场作用下的强构造变形带!而在构造挤压作用明显较弱的塔北隆起区基本为正常地层压力系统K在纵向上!地层压力系数和过剩压力最大的古近系底&白垩系砂岩所在的层位同样是应力明显集中的区域#图$%K(B#’!第!"卷!第!#期!#$$"年!#月图(!克拉&构造平均应力等值线图#单位$P Q/%!!根据多口井的地层测试数据与其对应部位的岩心应力分析数据的对比来看!两者具体较好的正相关性!地层压力和过剩地层压力随应力的增加而呈线性增大)!!*K虽然受取样等实际条件的限制!这种实测的数据点并不是很多!但每口井两者之间的这种分布规律是明显而且是完全一致的!进一步反映了构造挤压应力与异常高压的这种直接关系K3!物理模拟实验3’%!实验条件为了进一步分析和验证库车前陆逆冲带异常高压的形成机理!还进行了物理模拟实验研究K模拟实验是在型号为7\S Y=&!($"=改进的Q T@流体实验设备进行的!实验装置由高压岩样容器"轴压加载系统"围压加载系统和计量系统#部分组成K岩样为Y V!井$B!%K(F主要目的层位的下白垩系砂岩!孔隙度’!X!渗透率B g’"d$$F!!加工成直径!K%9F"长%9F的圆柱样品!实验前先饱和水K岩样外围用像皮套套住!近似地模拟古近系膏盐层对下伏岩层的良好封闭作用K 用围压加载系统加载周向压力!近似地模拟上覆地层引起的围压K用轴向加载系统加载轴向压力!近似地反映构造挤压应力K模拟时围压为C!K(P Q/!轴向压力为’"K$,C(K(P Q/!来模拟实际岩样在不同轴向压力作用下岩样孔隙体积和流体压力的变化规律K3’&!结果分析根据模拟实验数据!首先得到在不同轴向压力作用下岩石孔隙体积的变化曲线#图#%!从该曲线可以看出!随着轴向压力的增加!岩石的孔隙体积不断减小K曲线可以分为两段!J段曲线的斜率较大!反映岩石的孔隙体积随受力减小的速率较快& K段曲线变平缓!说明岩石的孔隙体积随受力减小的速率变慢K根据不同轴向压力作用下岩石的孔隙流体压力的变化曲线可以看出#图%%!随着受力的增加!岩石的孔隙流体压力增大K该曲线也可以明显分为两段!J段孔隙流体压力随应力增大的速率要比K段小!说明在开始受力时!岩样所受到的应力大部分由岩石颗粒来承受!即主要转化为骨架应力!应力增大了!!P Q/!孔隙流体压力增加约MP Q/!应力的C"X是由岩石骨架来承担的&当岩样受力大于!%P Q/时!岩样所受到的应力则大部分由岩石孔隙中的流体来承受!即主要转化为孔隙流体压力!应力增大$#P Q/!孔隙流体压力增加约!CP Q/!应力的(C X左右转移到由孔隙流体来承担K 受实验条件的限制!模拟实验的轴向加载压力不能超过("P Q/K根据构造应力场研究成果)!%*!该区早更新世的最大应力可达’"",’!"P Q/!根据图%第K段的变化规律推断!它可以使岩样的流体压力达到(",B%P Q/!基本上与研究区目的层的实际地层压力相当K虽然相似条件下的物理模拟实验条件与真实地质条件还存在一定的差距!尤其不能满足实际地质条件下的岩石受力过程中的蠕变变形微观机制!但该物理模拟实验结果证实了强烈的构造挤压作用可以形成库车前陆逆冲带异常高压的事实KBB#’!第!"卷!第!#期!#$$"年!#月图3!不同应力作用下岩石孔隙体积变化曲线图图4!不同应力作用下岩石孔隙流体压力变化曲线图4!构造增压机理分析根据地质分析以及物理模拟实验结果认为!早更新世的强烈构造挤压是形成库车前陆逆冲带异常高压的主要原因K根据岩石受力分析!引起岩石变形的应力可以分解为引起岩石体形变的平均应力#"5#"’6"!6 "$%+$%和引起岩石剪切应变的剪切应力#&F/_5#"’0"!%+!%两部分!引起异常高压的应力主要是平均应力)!C!!(*/在封闭不排水的条件下!岩石受力作用后!其构造应力一部分由岩石的骨架承受!即岩石的有效应力!另一部分由岩石孔隙中的流体承受!即转变为岩石的孔隙流体压力/在应力作用下岩石的体积变化为%I5I#"0-Q%L!式中%I为岩石的体积变化!I为岩石的体积!"为平均应力!-Q为孔隙流体压力!L为岩石的弹性模量/在应力作用下岩石孔隙流体的体积变化为%I I5’-Q IL I!式中%II为岩石的体积变化!’为孔隙率!LI为孔隙的体积压缩系数/岩石成岩以后的骨架体积压缩很小!岩石的体积变化近似等于孔隙的体积变化!即%I,%II/于是!岩石的孔隙流体压力与平均应力的关系可以表示为$-Q,;"!;5L I’L6L I!;为孔隙压力转化系数!与岩层的封闭情况及饱和程度有关/对于完全封闭的饱和岩层!由于水的压缩性比岩石骨架的压缩性要低得多!;,’!即岩石受到的平均应力全部转化为孔隙压力&对干岩层或完全开发系统!由于岩石的孔隙压缩性很大!;,"!即构造应力不能转化为孔隙压力&对非饱和的湿岩层或非完全封闭系统!;为"d’!岩层的饱和度越大或封闭程度越高!;越大!即部分应力可以转化为孔隙压力/根据前述物理模拟实验结果和该区实际地质条件类比分析!该区孔隙压力转化系数可取为"/(C/构造挤压作用对异常高压的影响已越来越受到人们的重视)!B,$#*K构造挤压作用下的应力传递和承受必然受到盖层封闭性"岩层饱和度"构造强度等实际地质条件的限制K库车前陆逆冲带古近系巨厚的膏盐层起到的良好封闭性是形成异常高压的必要条件K在早更新世强烈"快速的构造挤压作用下!岩石孔隙体积变小!由于上覆古近系膏盐层良好的封闭作用!流体排泄不畅!则构造挤压应力大部分由孔隙中的流体承受!使得岩石的孔隙流体压力快速升高!从而形成库车前陆逆冲带的异常高压K根据构造应力场及其数值模拟结果!克拉!气田的平均应力约M"P Q/以上!在此应力作用下!可以在古近系底部&白垩系砂岩储层形成C BP Q/以上的流体压力K由此可以推算!克拉!气田的构造增压幅度的应该在B"X以上!欠压实和流体充注作用的贡献小于!"XK因此!克拉!气田异常高压的形成过程可以分为两个阶段!第一个阶段为欠压实作用增压MB#’!第!"卷!第!#期!#$$"年!#月阶段!但其形成的地层压力系数最大不超过’K$&第二个阶段为构造增压阶段!其形成的压力系数最大可达!K!以上#图C%K图6!克拉&气田异常高压形成过程示意图6!对油气成藏的影响异常高压对油气成藏具有重要的作用!它对油气形成的影响与实际的地质条件有关K异常高压既可以加快有机质向油气的转化!也可以对扩散相天然气进行浓度封闭!增强盖层和断层的封闭性以及阻止地下水"氧和细菌对油气藏的破坏K同时!当异常高压形成早于油气充注或高于烃源岩层压力时!它不利于油气的聚集成藏!甚至还可以造成气藏压力释放和天然气泄漏)’(,’M*K从库车前陆逆冲带已知油气藏的分布来看!该区大型油气藏#尤其是气藏%的分布都与异常高压有关!在富集油气的圈闭构造和层位!其地层压力系数都较大K由于异常高压对保存条件要求很高!因而在存在异常高压的部位!表明其具有良好的保存条件K由于该区并不缺少油气来源!因而保存条件对油气成藏十分重要!在保存条件很好的构造圈闭!一般可以形成大型油气藏!尤其是大型气藏K如克拉!构造与克拉’和克拉$构造属于同一构造带!克拉!构造的地层压力小于盖层破裂压力#图!%!具有良好的保存条件!这是形成克拉!大型气田的关键因素&而克拉’和克拉$构造的保存条件差!使得天然气散失难以形成大型气田K库车前陆逆冲带的烃源岩为三叠系&侏罗系煤系地层!储集层主要为古近系底部和下白垩统砂岩!它与古近系膏盐岩层构成一套优质的储盖组合K新近纪末期构造圈闭已基本形成!为油气的充注提供了圈闭条件)$%*K油气的大规模充注主要发生在新近纪末,早更新世!圈闭的定型期和异常高压的最终形成时期为早更新世K新近纪之前由于不均衡压实作用形成的异常压力主要分布在中下侏罗统烃源岩中!并受上侏罗统和下白垩统下部泥岩层的分隔K 新近纪末强烈构造挤压作用形成构造圈闭的同时!还形成了沟通烃源岩和储集层的油源断裂K在强烈的构造应力和烃源岩层高压的驱动作用下!中下侏罗统烃源岩生成的油气沿油源断裂发生垂向幕式运移!并在古近系巨厚的膏盐层封闭作用下聚集成藏K同时!新近纪末强烈的构造挤压造成的抬升剥蚀作用!破坏了上部地层中流体压力的平衡!这也是油气发生垂向运移的重要因素K早更新世油气再次充注的同时!古近系底部,白垩系储集层异常高压形成!更加强了盖层的封闭能力!并阻止了地下水"氧和细菌对油气藏的破坏作用!从而油气得以保存成藏K当油气藏遭遇晚期形成的散逸断层破坏时!在新近系盐上地层的有利部位还可再次聚集形成次生油气藏K因此!异常高压与圈闭"油气充注的时空匹配关系!是决定异常高压带成藏有效性的关键因素)$C*K该区构造圈闭的发育时间相对较早!从古近纪开始发育!新近纪末基本形成!早更新世最后定型K油气的充注时期和异常高压的形成时期基本一致!但从事件发生的序列上!油气充注事件要稍早于异常高压的形成时期K三者之间的良好匹配关系!是形成库车前陆逆冲带大型油气田的基本地质条件K参!考!文!献’!杜!栩!郑洪印!焦秀琼K异常压力与油气分布K地学前缘!’M M%!!#$!#%$’$(,’#B!!马启富!陈斯忠!张启明!等K超压盆地与油气分布K北京$地质出版社!!"""$’,!M$!张启明!董伟良K中国含油气盆地中的超压体系K石油学报!!"""!!’#C%$’,’’#!王连进!叶加仁K沉积盆地超压形成机制述评K石油与天然气地质!!""’!!’#’%$’(,!"%!郝!芳!董伟良K沉积盆地超压系统演化"流体流动与成藏机"M#’!第!"卷!第!#期!#$$"年!#月理K地球科学进展!!""’!’C#’%$(M,B#C!D58:-L7S K;/69G6/14?9-F L/915-3-J1:59O/<3-0F/662L0488G04?8:/648K==Q UD G66!’M(M!C$#C%$M’B,M$$(!R59O538-3UK U4-6-.59/6/8L4918-J/<3-0F/604840N-50L0488G048 53U G6J;-/81V-G585/3/K==Q UD G66!’M%$!$(#B%$#’",#$!B!+G<<401P Y!7G<42A AK7-64-J J6G5?L0488G04853F49:/3598 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