典型根緣氣的成藏機理及地層壓力調整

在致密砂巖儲層中發育的天然氣最初被稱為致密砂巖氣，然后被稱為深盆氣、盆地中心氣、上傾水圈封閉氣、連續氣、根緣氣等。對深盆氣“氣水倒置”界面的尋找在很大程度上為該類氣藏的確定帶來了困惑,對其中異常地層壓力的解釋亦復雜多樣,Gies(1984)結合實驗分析提出了該類氣藏的低異常地層壓力觀點,Law(1985)建立了基于美國氣藏特點的高異常地層壓力模式,張金川(1999)在實驗分析基礎上認為,根緣氣藏具有異常地層壓力自律降低的變化特點。對川西坳陷異常地層壓力的產生,目前有多種解釋方案,本文試圖結合根緣氣藏特點,對異常地層壓力進行探討分析。1儲層致密“氣水倒置”特征根據實驗研究,毛細管中的天然氣運移存在兩種基本形式,一種是天然氣與地層孔隙水不斷發生位置交換而達到運移目的的置換式運聚方式;另一種則是天然氣將儲層孔隙水完全推移開的活塞式運聚方式。前者是在常規儲層條件下,在天然氣受到浮力作用而向上運移的同時,等體積的地層水沿孔隙壁表面上的束縛水膜、較細小的孔隙或其他通道向下運移,天然氣與地層水在較短時間內發生自由的勢能交換,從而在蓋層下部形成天然氣“漂浮”在地層水上部的常規儲層氣藏;后者發生的基本條件是儲層致密,孔隙度和滲透率低于某一臨界。由于儲層致密,兩相流體的相互運動受到嚴重阻礙,天然氣與地層水之間無法進行機械勢能交換并產生重力分異作用,游離相天然氣只能形成位于地層水下方的“氣水倒置”特征。在典型條件下,天然氣聚集體頂、底部的地層水不存在相互導通條件,因而浮力作用無法產生。在活塞式運聚條件下,天然氣聚集與氣源巖直接相鄰。受來自氣源巖生氣膨脹作用的推動,源自氣源巖的天然氣從致密砂巖底部開始聚集。若將氣源巖視為該類天然氣聚集的“根”,則“根緣氣”同時在形式和機理上表征了該類氣藏“致密砂巖底部含氣”的內涵特征,既符合“盆地中心氣”的“無邊水和底水”存在要求,也滿足深盆氣的“氣水倒置”特征。實際上,根緣氣就是發育在致密儲層中且與氣源巖直接相鄰的有根狀天然氣聚集。根據成藏時的活塞式機理分析,根緣氣具有原生的高異常地層壓力特征。在川西坳陷,對“深盆氣”藏的研究已有較長的歷史,在Masters(1980)應邀到原成都地質學院進行學術交流時,就有專家提出了川西坳陷存在這種氣藏的可能,甘克文等(1983,1989)就川西坳陷的深盆氣展開了兩次類比研究。隨后,許多研究者[16,17,18,19,20,21,22,23,24,16,17,18,19,20,21,22,23,24]又進行了多次研究。目前已經找到了川西坳陷根緣氣藏存在的大量證據,如熱生氣量巨大、儲層普遍致密和超致密化、致密儲層與氣源巖緊密互層、儲層致密化時間早于生氣高峰時間、地層普遍含氣且與構造圈閉關系不密切、高異常地層壓力顯著、氣水倒置界面存在、致密砂巖底部含氣等,表明川西坳陷根緣氣藏存在。2低異常地層壓力根緣氣藏的異常地層壓力一直是多家關注和討論的焦點。從形成過程分析,典型根緣氣的成藏服從活塞式的氣水排驅原理,而活塞式天然氣運移需要將孔隙中的地層水推開,結果形成了高異常地層壓力。這一分析結論支持了Law等人的結論,與北美盆地致密砂巖氣藏異常地層壓力的統計結果以及Putman等對阿爾伯達盆地地層壓力的重新認識結果相一致(圖1)。張杰等(2002)、張金川等(2004)通過理論分析和實驗研究,也證實根緣氣成藏時的原生地層壓力為高異常特征,但當后期保存條件較差時,根緣氣藏地層壓力可有復雜變化(圖2)。根緣氣的成藏動力來源于有機母質熱化學能的轉換,即在相對密封的系統中,高密度物質向低密度物質的轉變導致其體積的相應增加。這一現象與高壓鍋中的液-汽轉變有著相同的原理,也被稱為“高壓鍋”原理。由這一原理所產生的壓力疊加在區域靜水柱壓力之上,它的存在導致天然氣從氣源中排出并進一步推動天然氣向上推開地層水而進行活塞式運移。假定根緣氣成藏時的原始埋藏深度為h1,則根緣氣在成藏時的頂部原生地層壓力為p=h1gρw+Δhρwg+pc式中,p為根緣氣藏頂部天然氣壓力;h1為氣藏上覆的地層水柱高度(m),也即根緣氣埋藏深度;g為重力加速度(9.8N/kg);ρw為地層水密度(kg/m3);Δh為盆地內地層水流動所產生的動水壓頭(m);pc為根緣氣頂界面處致密儲層的毛細管壓力(Pa)。進一步,根緣氣藏的異常地層壓力系數表現為原生的高異常:K1=h1gρw+Δhρwg+pch1gρw=1+Δph1gρwΚ1=h1gρw+Δhρwg+pch1gρw=1+Δph1gρw式中,K1為地層壓力系數(上式表明為大于1);h1ρwg為靜水柱壓力。其中,Δp=Δhρwg+pc>0由上易于看出,根緣氣藏的異常地層壓力(系數)與其埋藏深度、地層水平均密度、封閉天然氣的儲層毛細管壓力以及盆地的水動力條件等因素有關。當根緣氣成藏及原生高異常地層壓力形成之后,若儲層物性相對較好、非均質性嚴重或后期微裂縫發育,天然氣與地層水之間的活塞式驅替不再典型。此時若天然氣向上運移,地層水可沿著相對較厚的束縛水膜或通過較小的孔喉進行回流及勢能交換,達到長期而緩慢的非典型置換式運移效果,從而大幅度降低根緣氣藏的原生地層壓力。尤其是在根緣氣藏的上部,氣水置換頻繁,從而出現大范圍的泄壓并可能形成低異常地層壓力,埃爾伯達盆地即有如此特征。當系統封閉性較強時,根緣氣藏異常地層壓力的后期變化主要與其所經受的構造升降運動有關。在這種情況下,除非根緣氣的成藏條件發生明顯變化或構造升降幅度變化巨大,根緣氣藏的高異常地層壓力具有相對較強的滯后效應。根緣氣成藏的最大特殊性是儲層致密,在此條件下,氣水難以發生常規儲層條件下的置換式運移,即使對單相流條件下的地層水來說,其滲流速度也受到明顯制約,導致根緣氣藏異常地層壓力的釋放或調整過程非常緩慢。當根緣氣成藏之后,其相對位置的上升或下降對其埋藏深度進行了改變,但由于致密儲層中流體的可流動性極差,構造升降后的異常地層壓力無法得到及時調整而形成滯留,因此根緣氣藏的地層壓力隨時間的變化性小于常規儲層氣藏,主要取決于流體滲流時的滲透率和時間,即實際上可能的流體滲流交換量。在這種條件下進行重新計算,則根緣氣藏的異常地層壓力系數發生相對的升高或降低作用。Law等(1985)建立了致密砂巖氣的高異常地層壓力模式并認為,原生高異常地層壓力在后期的構造抬升作用過程中發生了降低作用,主要原因是由于地層的抬升導致了溫度的下降和上覆負載的減小,導致巖體的圍壓降低而發生膨脹作用,從而產生壓力降低作用,使用該模型易于對美國東部地區強烈破壞的盆地進行合理解釋。但在抬升幅度相對有限,對于原始地層流體封閉性并未遭受強烈破壞影響的成藏體系來說,由于地層流體的活動性及滲流能力較差,當地層發生區域性抬升運動時,原始的地層流體壓力無法進行及時調整而得到重新平衡,形成了原始地層壓力的滯留。因此如果在根緣氣成藏后發生了構造沉降作用,則構造運動后的根緣氣藏異常地層壓力發生降低作用。相反,如果在根緣氣成藏后發生了構造抬升運動,則異常地層壓力發生升高作用。相對于埋藏深度的變化幅度來說,致密儲層中的流體滲流速度緩慢,導致地層壓力不能或在相對較短的時間內不能達到與周圍流體壓力的平衡,即異常地層壓力的重新調整速度極其緩慢。假設地層水沿孔隙壁表面束縛水膜向根緣氣藏內部滲流時的相對滲透率趨近于零,在根緣氣成藏之后發生構造上升運動,導致根緣氣藏頂界埋藏深度為h2(h1>h2),則氣藏內壓力在上升前后沒有實質性改變,即在h2深度的壓力等于h1深度的壓力。在h2深度處,對地層壓力系數重新計算可得:K2=h1gρw+Δhρwg+pch2gρw=h1h2+Δph2gρwΚ2=h1gρw+Δhρwg+pch2gρw=h1h2+Δph2gρw故,由地層抬升作用而增加的壓力系數為所以,根據構造升降幅度及Δp,便可以計算出壓力系數的變化值。如果地層的致密性較強,封閉性較好,則高異常地層壓力維持,直至上升幅度過大而使新產生的高異常地層壓力達到理論上的最大值或產生巖體破裂。設巖層平均密度為ρr,則根緣氣藏最大壓力系數MaxCr受限于上覆地層的平均密度:maxCr=ρrghr/ρwghr=ρr/ρw3根緣氣成藏壓力剖面的變化及正確適用條件從區域特征分析,四川盆地的異常地層壓力表現出了明顯的規律性,即在盆地的廣大地區內普遍反映為高異常特征,由東南向西北方向,盆地的異常地層壓力系數逐漸升高(圖3)。前人研究表明,地層壓力系數大于1.0的分布面積占四川盆地的一半以上,預測盆地內的最高異常地層壓力系數在梓潼凹陷達到了2.3。根據鉆井實測,川西北礦區柘1井須三段的最高異常壓力系數達到了2.211,與美國大綠河盆地2.19的異常地層壓力系數不相上下;而豐谷1井須二段的異常壓力系數達到了2.36。從分布特征看,平面上的異常地層壓力變化可能表示了它與根緣氣藏在機理上的相互關系。實際上,四川盆地高異常地層壓力的分布與區域構造位置、地層沉積厚度、埋藏深度、天然氣的生排供條件、儲層致密程度等具有密切關系。在剖面上,地層壓力變化的規律性更為明顯(圖4),即在須家河組以上地層中,地層壓力普遍表現為較低的高異常幅度,壓力系數變化于1.0～1.5,埋藏深度越小,異常壓力幅度也越小,如在埋藏深度小于700m時,異常壓力系數最大值不超過1.2,主要與欠壓實作用增壓機理有關。大致從蓬萊鎮組-千佛巖組地層開始,地層壓力出現了明顯的臺階形變化,壓力系數變化于1.2～1.9,但所出現的地層組范圍或深度范圍相對較小,具有明顯的過渡性特征。從須五段地層中部開始,地層壓力出現了另一個明顯的臺階變化,壓力系數一般變化在1.4～2.2。結合根緣氣成藏的活塞式過程和高異常地層壓力產生原理分析,這種壓力剖面屬于典型的根緣氣剖面,即根緣氣藏主體的高異常地層壓力、氣水過渡帶中的較高異常地層壓力和氣水過渡帶以外的正常地層壓力。由于川西坳陷在根緣氣成藏后發生了強烈的區域性構造抬升運動,原始的理想地層壓力剖面也發生了相應改造。王金琪指出,川西坳陷與其他盆地的一個重要區別就是后期的持續性強烈抬升作用(圖5)。根據致密儲層中地層壓力的相對升降原理分析,這種發生在儲層普遍致密化之后的地層抬升作用將導致地層壓力的明顯升高,導致川西坳陷的異常地層壓力在根緣氣成藏作用基礎上進一步提升。鉆孔古地層壓力系數的變化(李書兵等,2000),反映了根緣氣區異常地層壓力的不斷增加過程,如在老關廟構造的關6井,中侏羅世末期時的古地層壓力系數為1.34,到早白堊世末期時升高至1.52,到古近紀末,古地層壓力系數進一步升高至1.91,而現今實測達到了2.20;再如位于八角場構造的角43井,中侏羅世末的古地層壓力系數為1.17,古近紀末時的古壓力系數增加至1.81,而現今為2.18。其中,異常地層壓力的構成可以分解為兩個部分,一是由根緣氣成藏所產生的原生異常地層壓力,二是由后期構造抬升所造成的壓力疊加。因此,川西坳陷異常高的地層壓力(系數)是在根緣氣成藏基礎,經后期區域性的構造抬升作用所致,主要為兩種作用過程的疊加。欠壓實作用是產生高異常地層壓力的重要機理,它所產生的異常地層壓力可能是川西坳陷現今高異常地層壓力的來源之一,但由于變化范圍較大且難以準確計算,故不予詳細討論。抬升增壓原理的適用條件是流體的滯留屬性和特點。在儲層區域致密條件下,根緣氣藏流體運動受到了最大程度地限制,天然氣無法逸散,而更重要的是地層水無法自由流動而對地層壓力進行調整。如果這些條件不能得到滿足,則異常地層壓力系數將發生不同程度的降低作用,甚至導致低異常地層壓力的出現及大規模分布。在川西坳陷,上三疊統地層(頂面)在根緣氣成藏后的平均最大埋藏深度取6000m,根據該地區的儲層特點,平均按10MPa的地下毛細管壓力進行計算(封閉天然氣的毛細管壓力可有較大變化),可得此時(古近紀末)的地層壓力系數為1.17。在現今時期,取其平均埋藏深度4400m,計算其地層壓力系數為1.59,構造抬升前后的地層壓力系數凈增0.42。即上三疊統大約上升1600m后,地層壓力系數升高了0.42。據此可對川西坳陷的地層壓力進行分解分析。在壓力系數構成中,1為靜水柱所產生的正常壓力,高異常地層壓力主要為根緣氣成藏所致(也包括欠壓實作用),其中的0.42由地層抬升所產生。故地層壓力的區域背景值為1.42,與根緣氣壓力剖面分析結果一致。因此可以認為,若忽略欠壓實作用所產生的高異常地層壓力貢獻,則1.42的高異常地層壓力系數主要由地層厚度及區域性地層抬升作用所產生。進一步,1.42的地層壓力系數可以作為川西坳陷根緣氣有效分布區域預測的主要指標。川西坳陷須家河組地層的主體埋藏深度都在3000m以下,原始地層沉積厚度較大,除了由原始沉積作用所造成的砂泥巖互層分布特點以外,后期的致密化作用亦非常強烈,況且須家河組地層主要分布在埋藏較深的構造深部位,除了斷裂破壞以外,已形成的高異常地層壓力難以釋放,創造了高異常地層壓力產生和保存的有利條件。除了根緣氣成藏活塞式原理產生高異常地層壓力和構造抬升作用導致高異常地層壓力進一步增加以外,川西坳陷根緣氣特殊的天然氣來源是促進高異常地層壓力產生的又一重要因素。從來源分析,該地區的天然氣生成主要存在兩個高峰:(1)三疊系沉積末期,有機質達到熱成熟,從而出現天然氣生成的第一高峰期。由于此時的儲層尚未達到普遍致密化,所生成的天然氣主要以常規方式進行運移和成藏。(2)在侏羅紀末期至古近紀時期,源巖有機質成熟度迅速增加,在源巖進一步生成天然氣的同時,已生成的液態烴類大量裂解,從而產生天然氣生成的第二高峰。由于儲層的區域致密化時間發生在第一生氣高峰之后到第二生氣高峰之前,因此主要由液態烴裂解而生成的天然氣是根緣氣成藏的主要來源,而已生成烴類從液態向氣態的轉變服從“高壓鍋”原理,由這種原因所產生的高異常地層壓力只與天然氣聚集有關,它在先存異常地層壓力之上的疊加使根緣氣藏異常地層壓力進一步升高。結合地質演化史分析,川西坳陷根緣氣藏異常地層壓力的產生和演化可分為三大階段,形成三級升壓機理模式。(1)晚侏羅世中晚期之前的前根緣氣階段屬于常規儲層氣形成階段,地層異常壓力主要由欠壓實及生烴等作用所引起,形成欠壓實升壓作用階段。(2)晚侏羅世中晚期至古近紀中晚期為根緣氣主體成藏階段,異常地層壓力主要由熱、裂解生氣及根緣氣的成藏作用所致,即中期的氣水活塞式驅替成藏升壓階段。(3)古近紀中晚期以后,區域地層抬升,根緣氣原生的滯留壓力產生相對升壓作用,謂之構造抬升壓力滯留和保持階段。三級升壓作用分別對應于三大地質作用期,產生作用的條件是良好的