第一作者简介:鲜本忠,男,1973年生,博士,副教授,主要从事沉积、层序地层学的教学和研究工作。通讯地址:北京市昌平区府学路18号中国石油大学(北京)地球科学学院;邮政编码:102249;联系电话:15911052707;E-mail:
受流体异常高压影响而发育的异常孔隙(砂)砾岩储集层成为深层油气储集层和油气勘探研究的热点之一。测井、钻井及试油结果揭示,车镇凹陷古近系沙河街组广泛存在流体异常高压,且与(砂)砾岩储集层含油性及产能具有密切关系。在试油地层压力实测数据标定下,利用测井资料等效深度法对古近系沙河街组分层系、分地区进行了地层压力计算。计算结果表明,古近系沙河街组三段下亚段( E
About the first author:Xian Benzhong,born in 1973,is an associate professor.He is mainly engaged in sedimentology and sequence stratigraphy.Tel: 15911052707;E-mail:
Sandstone and conglomerate reservoir affected by fluid abnormal overpressure in deep layer is one of the focuses in petroleum exploration and reservoir study.Drilling and oil production test data show that abnormal pressure exists widely in the Paleogene Shahejie Formation,and has closely related with oil-bearing and oil productivity of the sandstone and conglomerate reservoir.In this study,formation pressure in different strata and different zones were calculated with equivalent depth method using logging data calibrated by oil production test data.Calculating results show that formation pressure in the lower Submember of Member 3 of Shahejie Formation(E
根据1959年Hubbert和Rubey指出的正常压实作用下孔隙度随着深度的增加呈指数下降的认识, 深层砂(砾)岩应非常致密而难以储集油气。但国内外众多勘探实例打破了这一认识, 如莺歌海盆地乐东30-1-1A井埋深超过5000m处孔隙度可达20%(郝芳等, 2002), 塔里木盆地塔北地区5800~6100m处的东河砂岩平均孔隙度仍高达15%(郭宏莉和应凤祥, 1996), 济阳坳陷沾化凹陷4500~5000m处的二叠系砂岩平均孔隙度达20%以上(钟大康等, 2003)。研究证明, 流体异常高压是导致中深层碎屑岩储集层质量大幅改善的重要原因(祝总棋等, 1997; 游俊等, 1997; 苗建宇等, 2000; 查明等, 2002; 尹伟等, 2003; 朱永锋和林承焰, 2005)。
随着油气勘探逐渐向深层拓展, 对受流体异常高压影响而发育的深层异常孔隙(砂)砾岩储集层评价与预测日渐成为油气勘探和油气储集层研究的重点。在渤海湾盆地济阳坳陷, 自2005年车66、丰深1井等探井相继钻探成功后, 深层(砂)砾岩油气勘探取得重要突破, 特别是位于断陷盆地陡坡带的深层(砂)砾岩体日渐成为油气勘探和储量增长的重要来源。试油结果表明, 深层(砂)砾岩含油性以及油气产能明显受控于储集层物性。因此, 优质(砂)砾岩储集层的预测和评价成为该区深层(砂)砾岩油气勘探的重点。由于埋藏深度大、压实作用强、岩石成熟度偏低, (砂)砾岩储集层的孔隙度通常很小, 如车镇凹陷古近系沙河街组三段下亚段(E
位于济阳坳陷北部、埕南隆起之南的车镇凹陷, 古近系缺失古新统孔店组, 在始新世和渐新世沉积时期, 凹陷北部的边界断裂控制了盆地的发育演化和沉积充填序列(谢锐杰等, 2004; 郑德顺等, 2005; 冯有良和徐秀生, 2006; 张乐等, 2007)。其盆地形成和沉积格局受北部埕南断裂活动的控制, 是一个北断南超、北深南浅的箕状断陷盆地(鲜本忠等, 2007)。车镇凹陷南北分带, 自北向南划分为北部陡坡(或断阶)带、中部洼陷带和南部斜坡断裂带, 总体呈近东西向展布; 东西分段, 由两个鼻状构造分割成车西、大王庄、郭局子3个洼陷(图 1)。
由于沉积物的压实作用, 地层中孔隙流体(油、气、水)所承受的压力称之为孔隙流体压力, 又称之为地层压力。确定地层压力异常的方法很多, 有地震资料预测法、钻井过程中的随钻监测法、测井资料检测法、测试和试油实测法。因为测井资料数据丰富、连续、分辨率高和信息面广, 近年来测井检测法成为地层压力评价中一种被广泛采用的方法。该次研究中主要依据测井资料确定异常地层孔隙压力的方法原理, 利用“ 等效深度法” 对车镇地区古近系异常高压的分布规律进行预测。具体计算过程中, 大量的试油实测压力数据, 为该区地层压力, 尤其是储集层流体异常压力提供了大量第一手数据, 也为利用测井信息等效深度法进行地层压力分布预测提供了标定、检验的基础。结合前人地层压力分类方法(杜栩等, 1995), 将常压带压力上限调为1.2, 并增加过渡带后, 异常压力可分为5级(表 1)。
试油实测地层压力是最精确的地层压力数据。从研究区试油实测地层压力随深度的统计中(图 2), 可以看出车镇凹陷地层压力的分布具有以下特点:(1)低压不发育, 以正常压力系统为主, 异常压力约占所测压力数据点的20%。(2)从深度上看, 不同深度的压力梯度变化较大, 2400m以上地层压力基本保持在静水压力附近, 为正常压力; 随着深度增加, 地层压力逐渐偏离静水压力, 为正常压力与异常压力的过渡带(2400~2800m); 2800m以下则主要为异常压实带。(3)垂向上可划分为4个压力系统, 上、下发育两套正常压力系统, 压力系数(PI)小于1.2, 主要对应沙河街组一段(Es1)、沙河街组二段(Es2)和沙河街组四段下亚段(E
根据利用声波时差法恢复计算的大王北洼陷东次洼过大70— 车古12井地层压力剖面图(图3)可以看出, 在该区地层欠压实严重, 从上至下发育两个异常压实带:Es2异常压力带和Es3— Es4异常压力带。其中, Es3— Es4异常压力带压力异常程度高, 是该区十分重要的压力系统, 从沙河街组三段中亚段(E
上述分析表明, 在车镇凹陷Es3、Es4中异常高压普遍发育。选取超压带内车660井进行分析发现, 异常高压与(砂)砾岩储集层孔隙度有着较好的相关性, 孔隙度与剩余流体压力表现出正相关性, 即随着剩余流体压力的增加, 孔隙度不断增大(图 4)。从图4可知, 孔隙度的发育不仅受异常高压影响, 还明显受到(砂)砾岩中泥质含量的控制。根据测井解释孔隙度和流体剩余压力计算结果分析可以得出如下认识:(1)剩余压力大于5 MPa时, 其对于孔隙度的贡献变得明显, 剩余流体压力每增加5 MPa, 孔隙度大约增大2%。车660井进入E
(2)车660井资料表明, 泥质含量对储集层质量具有明显制约作用。泥质含量的增加导致流体剩余压力对孔隙度增大的贡献变小。对于泥质含量10%~20%的(砂)砾岩, 剩余流体压力为22.7 MPa时, 其孔隙度可达8%; 而泥质含量20%~30%的(砂)砾岩剩余流体压力达23.8 MPa, 泥质含量为30%~40%的(砂)砾岩剩余流体压力达26.3 MPa时, 其孔隙度才可能大于8%。
前人研究认为, 超压异常带的存在可减缓上覆地层的强烈压实, 抑制压实作用(何海清等, 1999; 郝芳等, 2002; 李忠等, 2003; 姜涛和解习农, 2005), 并且可以促进溶解作用的进行(陈纯芳等, 2002), 减缓胶结作用(郝芳等, 2002); 异常高压流体的周期性排放增强了溶解作用(郝芳等, 2002; 苏玉山等, 2002; 李忠等, 2003), 使储集层保持较高的异常储集空间。以下将根据具体资料探讨研究区流体异常高压改善储集层质量的原因。
异常高压可以支撑上覆部分岩体的荷重, 从而减少砂岩中颗粒间相互接触处地层的有效应力(饶孟余等, 2004), 减缓对超压层系的压实作用并抑制压溶作用, 有效地保护已形成的孔隙(祝总棋等, 1997; 李会军等, 2004)。该区已形成的孔隙包括残留的部分原生孔隙和在第1个次生孔隙发育带(全区统计为2200~2700m, 车66井为2300~2900m)中形成的部分次生孔隙。
根据车660井孔隙演化模式可知, 在进入3400m埋深后地层中开始出现异常超压带(PI> 1.5), 由于地层压力足以抑制大部分静水压力, 此时异常高压对(砂)砾岩储集层中原有的孔隙(主要为原生孔隙)表现出明显的保护作用, 从而导致3400m以下地层中保留了部分原生孔隙。从车66区块来看, 这部分原生孔隙为1%~4%, 平均在2%左右, 大致占深部储集层总孔隙度的20%~30%。
若地层压力相对较弱, 这种保留下来的残留孔隙就会很少。如车古25井, 虽然自3100m左右进入PI> 1.3的高压带, 高压带地层厚度达近2000m, 但整体上PI分布在1.4~1.5, 普遍偏低, 剩余地层压力分布在15~20 MPa, PI大于1.5(剩余压力大于20 MPa)的超压带仅在4600m之下的沙四段有所发育。受压力偏低的影响, 该井中由异常高压保护而残留的原生孔隙非常少。从测井解释的孔隙度和次生孔隙数值来看, 总孔隙度较低, 一般为1%~4%, 多为1%~2.5%; 次生孔隙相对发育, 分布在1%~3%, 而原生孔隙基本不发育, 仅为0~1%(图 5)。
成岩作用由于异常高压对有机质热演化和油气生成的抑制作用, 拓宽了生油窗的范围(姜建群等, 2000)。并且由于异常高压带为封闭或准封闭的温压和流体体系, 随着烃类的生成和黏土矿物的大量脱水, 使得地层流体在温度和压力增加的同时, 酸性组分释放出来并溶于孔隙水中形成酸性水介质, 导致各种可溶组分的溶解作用增强, 因此超压增加了溶解碳酸盐胶结物的时间和强度, 产生大量次生孔隙(游俊等, 1997; 陈纯芳等, 2002; 李忠等, 2003; 姜涛和解习农, 2005)。
车镇凹陷中沙河街组三段下亚段早期各洼陷分隔性强, 沉积充填具有填洼补平和上超充填的特征, (砂)砾岩体最发育, 整个凹陷表现出2鼻3洼若干小洼的地貌格局(图 1)。同时, 由于埋深大、湖水深(施振生等, 2005), 烃源岩广为发育, 现今地层压力呈现典型的异常高压特征。这种储集层与烃源岩及异常高压带的有机匹配为次生孔隙的发育提供了优越的条件。从车66、车660井的分析可知, 在3800m以下的整个沙河街组三段下亚段中次生孔隙较为发育, 尤其是沙河街组三段下亚段早期沉积的(砂)砾岩中次生孔隙度一般为2%~4%, 占总孔隙度的50%~70%左右(图 6)。
值得指出的是, 次生孔隙的发育也受到岩石类型、结构的影响, 并受到原生孔隙的影响。只有当原生孔隙相对较发育时, 酸性地层水才能顺利进入颗粒间并对岩石组分发生溶蚀作用。超压对次生孔隙生成的辅助作用还表现在超压泄漏作用带走了溶解的物质, 使硅酸盐或碳酸盐水解作用形成次生孔隙的过程得以继续。当然, 这要求超压系统是一个开放系统, 并能够多次保持这种超压, 因此要有持续的能力供给。超压可以是一个开放的系统, 这一点Jansa和Helgeson等人都有论述。异常高压系统重复开— 合过程所引起的振荡(脉冲)流体的周期性排放也可引起溶解物质带出和溶解作用增强, 导致深部超压砂岩发生深层淋滤, 发育次生孔隙(郝芳等, 2002; 苏玉山等, 2002)。
高温、高压及非均匀应力条件下, 岩石易于产生微裂缝、晶粒滑动等现象, 这有助于提高储集层的孔渗性能, 尤其是提高储集层的渗流能力。流体异常高压可在砂岩和泥岩中产生微裂缝, 这在车镇凹陷近期的泥岩裂缝油气勘探中得到了证实。从车66、车660井的FMI成像测井中也可以观察到大量微裂缝的发育。由于该井处于向斜的中心部位, 无任何构造背景, 微裂缝的产生主要是由于异常高压造成的。另外, 从岩心样品的扫描电镜观察可知, 岩石中微孔隙均匀分布, 裂缝宽度约3~16 μ m。
1)钻井及试油结果证实, 车镇凹陷古近系沙河街组广泛存在流体异常高压, 且流体异常高压与(砂)砾岩储集层含油性及产能关系密切。压力恢复结果表明, 古近系沙河街组三段下亚段异常程度最大, 剩余地层压力达15~30 MPa。
2)剩余压力大于5 MPa时, 其对于孔隙度的贡献变得明显, 剩余流体压力每增加5 MPa, 孔隙度大约增大2%, 而车660井进入E
3)该区异常高压背景下深层(砂)砾岩储集性能得以改善的原因至少包括以下3方面:(1)流体异常高压的存在保存了较多的原生孔隙及早期次生孔隙; (2)超压环境有利于酸性地层水进入储集层, 从而形成次生溶蚀孔隙; (3)流体异常高压有利于微裂缝的产生, 增强储集层的渗透能力。
致谢 资料收集得到中石化胜利油田地质科学研究院林会喜、郭玉新、范振峰、孙怡高级工程师的帮助, 资料整理和数据成图得到中国石油大学(华东)孙立东的帮助, 成文过程得到王永诗教授级高级工程师指导, 一并致谢!
作者声明没有竞争性利益冲突.
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