岩石圈中油气生成的地球动力模式.pdf

一 ， 2 4 C f 第2 1 卷菇 I 期2 0 0 0年 3 新 疆 石 油 科 技 信 息 ① 1 ～ B ．兀 ． Fa Bp ]4 J I OB 岩石圈中油气生成的地球动力模式 ， 、 、 r 三 B 汀 王 金槊 河 南 准 用 中 原 油 摘 要 校对夏 明生 新疆石油公司勘探开发研究院 在 7 0年代末和 8 0年代初，曾运用地球动力学的方法对油气地质方面 已有的资料进行综合研究，并系统地提出 了烃类生成的新观点 岩石圈油气生成的地球动力学模式 。车文简单地揭示 了它的实质 ，井着重论述这一观点 的发展． 主 题 词 堂 至 且 些 堡 查 兰 生 直 ～方 法 岩石圈地球动力学的概念，修改了地质学的 基础 。水平运动起主 导作用的观点，替代了垂直 运动的观点，并从这一角度研究了地球和地壳的 发展 以及各种矿藏 的形成，从而在地质学界引发 了有特殊意义的变革 本世纪 6 0年代，证实了岩石圈板块的存在 ， 并证实它们在地幔对流作用下，在地球表层做有 规律 的运动。后来 ，创立了全球性演化 的概念， 可以说，在地质学界形成了新的地球动力学的宇 宙观。 用地球动力学的观点，也可研究油气地质学 的问题 。“ 盆地论”认为，埋藏在沉积层中的有 机体 ，随着生油母岩层的下沉 ，经历了长期 的演 化改造而另一种观 点则认为，有机质在特殊的 地球动力应力带和强热流带。 通常这些地 带位 于岩石圈板块的结合部坷I 撞带 俯冲带和仰 冲带 和裂谷带 可 以较快地形成烃类化合物。 这些观 点使生油气母岩、生油气主带和生油气主 期这些油气地质学的基本理论受到了怀疑 。油气 生成和它们在地壳中聚集成藏的机制可能是另一 种样予。这就必须建立新的油气勘探准则并确定 新的油气勘撮 目标 1 岩石圈油气生成的地球动力学 这一观点的实质在于，在岩石 发展 的一定 时期 ，油 气生 成 的过 程 是相 当活 跃 的。根据 Ⅱ ． ． B H c O H、0 ． F ． C O p O X T t l H等人的观 点， 我们认为应把岩石圈的地球动力演化 ，看作是大 洋拉张和关 闭伴随着大陆的形成做有规律 的运动 ≠ 过程 ，即岩石罔演化的地球动力学旋回。在这一 旋回过程 中，岩石圈 自身 的发展经历了不同的演 化阶段和时期，其中对油气生成最为有利的是裂 谷期、局部和控体的俯冲 仰冲 期 。上述时期 的特点是含分散有机体的沉积岩大规模聚集、 地热高以及其他一些对油气生成有利的指标。 在 油气 生成方面，从上述认识中得出的基本 结论如下 1 山于岩石圈演化不同强度的重复，造成 了油气生成过程的特 点具有旋回性。 2 油气生成 决定性 的因素首先是地下 的地 球动力学环境，我们认为，最有利的是俯冲型和 裂谷型地球动力学环 境 俯冲一仰冲 型地球动力环境，是沿大洋边缘 俯冲带的特征 ，在那里常常产生由深海沟、增生 棱体、岛弧和边缘海盆地或 由深海沟、增生棱体 和活动大陆边缘组成的特殊的共生体。在任何情 况下，俯冲带的后 部都是地热最高 。此外，俯冲 机制还把大量的含分散有机质的沉积物 增生棱 体 事先堆积在一起 ，并直接将它们拖到具有稳 定温压条件的消亡带。有机体在 1 ～2 Ma的时期 内处在高温的作用下 1 0 0 4 0 0℃ 。这可与实 验室条件下的人工蒸馏 有机体相 比拟。在实验室 经过 短暂的时间，在高温作用下，就从动、植物 残体 中获得 了合成石油。也就是说 ，在逆掩断裂 带内就具有这种独特的天然蒸馏器 ，在那里 ，在 短短 的地质时期内，有机物就发生 了质变，成为 滴状一液态石油。一般 认为，在深海软泥中缺乏 有机残体 ，因而引起 了对这种烃类形成机制的怀 维普资讯 新 } 石 油 科 技 信 息 2 0 0 0 年 3月 疑。但是，随着向俯冲带的推移，适量的有机质 也可以进入这种软泥中，在深海沟带有机碳的平 均含量达到 0 ． 7 8 ％。 沉积在逆掩断裂带的大洋沉积物，通常饱含 孔隙水和结晶水，其浓度常达到 5 0％ 。通过加 热增温 ，这些水变为温度达 4 0 0℃和压力大于 2 MP a的热流体。这些流体将从逆掩断裂带下面流 向低压区，沿途它们不可避免地将排驱、溶解和 携带滴状一液态石油，这种从母岩携带显微石油 的强大动力，保证了分散的显微石油有效地排出 和运移。热水流沿裂缝上涌、携带着烃类 处于 游离状态和溶解状态 ，在岩石圈的凸起部位和 岛弧系统的后部聚集成油气藏 在上述机制中，油田的形成、分散烃类的流 动和运移，均是靠热水积极地 “ 冲刷”沉积层而 进行的。热水把己形成的烃类吸引到一般深度内 的矿化水流中，并流向低压一方，也就是流向远 离逆掩断裂带的一方。热水流的超压是 由大洋沉 积中的孔隙水，以及俯冲带内由于地壳脱水作用 而释放 的水持续地流动和再加热维持的。 随着远离逆掩断裂带，热水流的温度和压力 以及渗流速度随着降低，这为烃类聚集成藏创造 了有利 的条件 在俯冲机制作用下，油气聚集在大洋关闭的 终期达到了高峰，此时在洋域的原地形成了造山 褶皱区，它们以山前坳陷的形式与地台分开。 应将逆掩断裂带的 2种生烃基本机制区别开 来 第 1种生烃机制取决于大洋板块 向着岛弧或 大陆下方推移 俯冲 。第 2种生烃机制则取决 于岛弧或大陆边缘朝着另一个大陆的被动边缘上 冲 仰冲 。第 2 种机 制是富含油的，其生油气 规模远远超过了第 1种。这是因为被动大陆边缘 也参与了烃类生产过程，由于它本身具有巨厚的 沉积岩透镜体 达 1 0 1 5 k m 。如果考虑到大陆 斜坡和 陆基 区富含有机碳 ，那么这一地区就成为 明显的烃源 区在蠕动板块的岩石圈突起的重力 作用下，烃类将很活跃地从沉积透镜体中被排 出，并向下推移 的地台边缘一方运移 “ 热熨斗” 效应 我们认为，这就 是造成与造山褶皱 区相 邻的地台边缘富含油气的原因。据上所述，我们 己正确地评价 了俯冲带这种地球动力学环境，并 强调了在岩石圈板块碰撞带，撞击过程对烃类的 生成起着决定性的作用。 裂谷型地球动力学环境原本是 内陆裂谷系统 或大陆边缘裂谷系统所特有的 在地壳的现今构 造中，它常常是地台内部的裂谷，它们在沉积盖 层 的上部 ，则表现 为大型上叠裂谷盆地、坳陷、 陆向斜或位于被动大陆边缘 的单 向裂谷。 在裂谷和上叠裂谷的洼陷内，充填着富含有 机体的巨厚沉积岩 4 ～7 k m 。从附近岩石圈底 部的灼热地幔 中 软流圈凸起 涌来的强热流， 加快了有机体 改造 为滴状一液态石油的进程。这 就象一个天然 的 “ 锅炉 ” 使含有有机物的巨 厚沉积透镜件 ，被深部热源强烈地加温。从岩石 圈下部流出的经过加热的矿化水流，是由水、氢、 氦、二氧化碳气、甲烷和其他组分组成 ，它不断 地冲刷着液态和气态的有机物，并将它们搬运到 沉积盖层上部的储集层中。在这种情况下 俯冲、 仰冲状态 ，烃源岩不一定需要沉 降到很大的深 度 。油气 生成可在水底 沉积 中开始 并活跃地进 行，例如红海的 “ 热坑”至今仍进行着生烃过程。 进一步发展，在具有扩张中心的大洋盆地中 形成了内陆裂谷。发生在被大陆被动边缘从海 的 2个方向形成，这种大陆是沉积盆地原始裂谷的 碎片。 被动边缘的继续演化，常伴随着其基底的下 沉和沉积物不断地堆积 。由此可知，大陆被动边 缘也经受着裂谷内同样 的油气生成机制的作用 ， 即崩塌式的沉积物堆积，其中发育着河道沉积 沉积物中有机碳的含量高；地热高。 以南大西洋被动边缘在中生代形成的连续性 为例 见图 1 。在侏罗纪，冈瓦纳大陆就发育着 处于初始阶段的裂谷，这些裂谷将其分切割成几 块，即成为后来 的南半球大陆。 在白垩纪，阿瓦纳大陆进入大洋发展阶段 在晚白垩世末期，内陆裂谷系统己变为将南美洲 和非洲分开的陆问的裂谷系统 ，在现代的几内亚 湾尚存在着构造连接线。 毫无疑问，在高地热停滞河口盆地条件下产 生的有机物堆积 ，在油气生成过程中起到了决定 性的作用。目前，尼欧克姆、阿普特阶和阿里布 阶，无论是在非洲的大西洋大陆架，还是在南美 洲大陆架，均为区域性含油气层 类似的油气生 成机制，也是其他的现代大陆被动边缘的特征。 如果裂谷 的生成过程不伴有大洋 的拉张，而 在裂谷期停止了，那么，通常在裂谷构造之上会 叠置大型盆地和陆向斜 。在这种宽阔的坳 陷区的 轴部， 分布着热缝合线， 这是一种特殊 的“ 线圈” ， 对沉积物进行加热 ，以促使有机物向油气转化 ， 形成了内陆的裂谷型的区域性油气聚集带 ，西西 维普资讯 第2 I 卷 第1 期 王金槊岩石圈中油气生成的地球动力模式 伯利亚、北海、苏伊士海湾和其他一些地 的油 田就属这种类型。在这种 “ 未形成 的海洋”中， 有足够动力可 以形成各种类型的裂谷系统，这些 裂谷系统进一步转化 为大型 的上叠型地 台洼陷 陆向斜 。 图 l 白垩纪初始南大西洋重建示意图 l地嵌上结晶岩基雇露头 拼磕的】 2 _ - 裂备； 一断裂 4 一占兰扣洲匡s 一陆疆} Ⅱ 碎厨沉狙； 毋 赝 囊层；7 砂岩 HE 岩 一 甫青有机质的泥质页岩t 0 _ - 砂质袁岩 I l 袁岩 I 2 白云岩；1 蒸发岩 盐岩等 ；疃发岩；1 5 _ 经八体 1 6 _ 一红色沉积I 7 - 一 工业性音油气层殷；散字祝吝 【 钧的厚度． km 可见，裂谷型地球动力学环境可 出现在大 陆内部，被称为内陆型裂谷，也可能会出现在大 陆被动边缘而被称为大陆边缘型裂谷。 除了上述 2种基本的地球动力学环境外，在 岩石圈中许多地 区都有石油生成，还可能有一种 洼陷型的地球动力学环境，它存在于一系列大型 内地台盆地中，以及某些 山问盆地中。同俯冲型 和裂谷型地球动力学环境的不同之处在于，洼陷 型地球动力学环境具有相对低的地热 ，因此，油 气生成过程就比较 “ 迟缓” ，要使其活跃起来， 原始沉积物必须沉降到 2 ～3 k m的深度，即要沉 到更加有利的温压条件中。 现今所有的油气生成理论和所有 已确立的地 壳中油气聚集和分布 的规律，全都是仅依据洼陷 或盆地的现点而产生的。根据这种观点，烃 类的形成必须具有淡盐水盆地、还原地球化学沉 积环境、特殊的生油母岩、构造坳骼处于长期的 数亿年稳定状态、烃源层有足够的沉降深度， 证明其处于高温条件下 生油气主带 、巨大 的地质静压力 以保证从母岩 中将原始石油排迁到 储集层 中等 但是，如果含分散有机物的沉积岩 是 在俯 冲型或裂谷 型 的地球 动力学环境 中沉积 的，那么，上述烃类生成 的必备条件，似乎应退 居到第 2位 。因为这一地区岩石圈 内的生油气地 球动力学环境更强、更具有决定性意义。 可以对 在各种地球动力学环境影响下发生的 油气生成规模以及地下聚集的烃类聚集量，进行 极有意义的对比。 我们 以冈瓦纳大陆为例 见图 2 进行这种 评价。从图上可看出，所有含油气区均分布在 冈 瓦纳大陆的陆缘。依据它们在复原 的冈瓦纳大陆 内所处的空间位置的特点，可划分为内部含油气 区和边缘含油气区。沿着 冈 纳周边分布的含油 气区，是在俯冲和仰冲 作用的影响下 ．在不 同的 地质 时段形成的，而主要是在新生代、特提斯洋 盆的关闭时期。 图 2 冈瓦纳 大陆含油气区带示意图 E 超数大 轮廓 巾生代韧始 陆 位置，A． ．果罗尼菠基 和A． 13． 佐 壮挪 】 2 杌租盖层的实际妖臾区 盐地 外的地区 ； 一 裂备界线4 _ 一 青油气地域和 埔r s _ 一大撮汕气田； 一奥莩西纳． 特列布拉多尔 质{ f b 和沥青带； 一已证生的烃豢可果‘ f } 量的相对太小； } 一重赝油和沥 探明的可来f iI ； 量相对小． 如图 2所示，方形标的大小相对地反映烃类 可采储量的多少。在南美的北海岸旁边，未涂黑 的方形标表示的是在奥菲西纳一 特列布拉多尔一带 委内瑞拉重质油和沥青的储量，并在图 2中 由星标示 出。通过方形标对 比，可清楚地 说明， 在 冈瓦纳活动大陆边缘赋存着本大陆全部烃类探 明储量的绝大部分 9 4％ 未计算委 内瑞拉的 重质油和沥青 。由此可知 ，石油 生成的俯冲型 仰冲型机制，在其他等同条件下，远比裂谷 维普资讯 新 疆 石 油 科 技 信 息 2 0 0 年 3月 型机制具有更强大 的效能和规模 ，这是因为它地 下具备稳同的温压条件，更重要的是，在逆掩断 裂带有 巨量的沉积物参与了生烃过程 。 笔者和其他研究者都认为，在俯冲一仰冲型 地球动力学环境作用下 ，所生成 的烃类 占全部探 明烃储减量的 8 0％ ，裂各型地球动力学环 境作 用下所 生成的烃类储最接近 1 5％ ，而洼陷型地 球动力学环境下 生成 的烃类储量仅 占 5％略 多 些 。 岩石 嗣中油 气生成的地球动力 学模 式 认 识 的基 本论 点如下 1 岩石 圈中油气生成的地球动力学模 式具 有旋回性，油气生成过程在构造运动较为活跃的 时期 裂谷生成期和洋 盆关闭期呈周期性地增 强； 2 石油生成 的必备条件是具有相 当充足的 含分散有机质 的沉积物和稳定的地下温压环境 3 从烃源 ，将滴状一 液态 石油排驱到储 集层中，是山地 壳下部的热矿化水流完成的； 4 在储集层 中油气藏 的形成，是按照传 统 的方式进行的。 摘译 自 r e 0 mq r H R} I 劬T M M r a a a 1 9 9 8 6 2 一I 2 收稿 日期 1 9 9 9 ． 0 8 - 0 4 “ 九五”重点勘探技术攻关项 目目前通过院级验收 作为 “ 九五”期间集团公司重点勘探技术攻关项日研究专题之 的 “ 高地应力地层井壁火稳对燕研究 项日，I l 前通过由新疆局钻井工艺研究院科学技术委员会组织的验收评市。该项口由新疆局钻井工艺研究院牵头组织，新疆局 测井 公司 、录井公司、勘探开发研究院及石油大学兆 _司承担攻关 ，历 时 4 a多，研究成 果在准 噶尔盆地 南缘地 区几轮井 的应 用 } ， 获得了 良好的效 果，在 对异常地应力造成井壁火稳 的机理研究与试验评价方面取得 了较大 的进展 。 藩项 目自滚动立项之初，即把主攻方向对准了准噶尔盆地南缘地区 由于该区地处天山山前构造，大范围地存在 异常高地应力。地应 分布的严重非均匀性导致了该区钻井过程 _ l 的井H 艮 严重火稳，从而引发大量工程坷艇 研究主 要是针对该区地应力横向分布规律、地应力大小及方向确定和诱发井壁失稳的机理，以及 [ 程抟 [ 对策的探索试验和 分析 计算 。研究表明 I 地应 力问题是南缘地 区钻井的主要难点。钻井 液密度 的选择、井身结构 的确 定必须考 虑地应力 问题 ，钻井液 体系 、性能优化也必须考虑水化 应力问题 。 2 运， 口 研究形成的山前构造带高地应力地层井壁火稳分析技术指导钻井生产，可保证地应力复朵层段安全快速 钻进 。 ． 3 定向井井壁失稳室内模拟试验得出结论与理论研究完全相符，即在强地应力地层沿 4 5 。左右方位钻进的井眼 稳定性大于直井的井限稳定性． 4 泥页岩水化后井壁失稳不是出现在井壁上而是出现在距井壁 I ～3 c m处，随水化时间的增加-坍塌距离开始 时增 大，然后减小，直至屉小值 ，塌后叉随水化时间的增加而增大 ，至一定时间趋于稳定 。 5 破碎性地层富含天然的交错_节理裂隙，报难形成致密的泥饼 闭此，在易塌及高度破碎地层麻采用纤维类封 堵剂米封堵并壁表面的裂隙，以此保持井壁的稳定，同时可降低所需的舫塌泥浆密度 新疆石油局钻井工艺研究院科研中心 宋朝晖 供稿 2 0 0 0 ． 0 2 ． I 8 维普资讯