油气成藏动力学及其研究进展.pdf

收稿日期20000509 ;修订日期20000630 作者简介郝芳1964 , 男,教授,博士生导师,石油地质专业。 基金项目973资助项目 “中国典型叠合盆地油气形成富集与分布预测”09课题GI999043309 油气成藏动力学及其研究进展 郝 芳,邹华耀,姜建群 中国地质大学,武汉430074 摘 要成藏动力学是综合利用地质、 地球物理、 地球化学手段和计算机模拟技术,在盆地演化 历史中和输导格架下,通过能量场演化及其控制的化学动力学、 流体动力学和运动学过程分析, 研究沉积盆地油气形成、 演化和运移过程和聚集规律的综合性学科。成藏动力学研究的基础是 盆地演化历史和流体输导格架,研究的核心是能量场包括温度场、 压力场、 应力场演化及其控 制的化学动力学和流体动力学过程。20世纪90年代以来,成藏动力学研究的进展表现在 1 流体输导系统预测能力的提高 ;2 能量场演化机制及其控制的化学动力学过程和流体流动样 式研究的深入 ;3 油气成藏机理研究的深化 ;4 计算机模拟技术的改进。在进一步认识与油 气成藏密切相关的化学动力学和流体动力学过程和机理的基础上,实现盆地温度场、 压力场、 应 力场的耦合和流体流动、 能量传递和物质搬运的三维模拟,是成藏动力学的重要发展方向。 关键词成藏动力学;输导系统;能量场;动力学过程;流体运移 中图分类号P618. 130. 1 文献标识码A 文章编号10052321200003001111 成藏动力学目前在国内外均没有明确、 统一的定义。我们认为,成藏动力学是综合利用 地质、 地球物理、 地球化学手段和计算机模拟技术,在盆地演化历史中和输导格架下,通过能 量场演化及其控制的化学动力学、 流体动力学和运动学过程分析,研究沉积盆地油气形成、 演化和运移过程和聚集规律的综合性学科。成藏动力学研究的基础是盆地演化历史和流体 输导格架,研究的核心是能量场包括温度场、 压力场、 应力场演化及其控制的化学动力学 和流体动力学过程。近年来,由于油气勘探的深入和多学科联合研究的开展,成藏动力学在 流体输导系统、 盆地能量场演化与流体流动样式、 油气成藏机理与充注历史分析等各个方面 都取得了重要进展。 1 流体输导系统 在含油气盆地中,砂岩和某些碳酸盐岩、 不整合面、 断裂构成流体输导系统。在不同尺 度上有效地预测各种输导体的流体行为和输导能力是成藏动力学研究的基础。输导系统研 究的进展主要表现在砂体分布及输导能力预测和断裂流体行为的深入研究两个方面。由于 沉积学、 高分辨率层序地层学、 地震岩性预测和地层模拟技术的发展和综合应用,砂岩型输 导层分布的预测能力已明显提高。同时,水 岩反应过程和成岩作用机理及控制因素的研究 11 第7卷第3期 2000年9月 地学前缘中国地质大学,北京 Earth Science Frontiers China University of Geosciences ,Beijing Vol. 7 No. 3 Sept. 2000 已取得长足的进展,Primmer等[1]通过对全球100个盆地和地区不同沉积背景、 不同演化历 史的砂岩成岩作用进行了对比研究,总结出5种成岩样式;Giles[2]系统论述了不同地质条件 下流体的流动、 物质搬运和能量传递及其成岩效应,为砂岩输导能力的有效预测奠定了基 础。 断层的结构、 输导能力和流体行为的研究取得了长足的进展。断裂带具有复杂的结构, 通常发育一系列小断层、 不同规模的裂隙[3]、 砂岩碎裂岩和泥岩涂磨层[4 ,5]。由于断裂带结 构的复杂性,断裂的输导能力和流体行为非常复杂。断裂带的流体运移包括流体沿断裂带 的垂向运移和穿过断裂带的侧向运移。根据广泛应用的Allen[6]模式,当砂岩与对盘泥岩对 接时形成断层封闭,而砂岩与砂岩对接时流体穿过断层进行侧向运移。但近年来的研究证 明,断层的封闭性能及穿过断层的流体运移不仅取决于对盘岩性,而且与断裂带的结构密切 相关。例如,美国湾岸砂岩与砂岩对接的断层上下盘储层流体的性质、 地层压力和流体界面 明显不同[7]。除泥岩对接型断层封闭外,砂岩 砂岩对接可发育泥岩涂磨层型、 砂岩碎裂岩 型断层封闭[5]。断层带的流体输导能力和流体沿断层的垂向运移取决于断裂带的结构、 断 层的力学性质及活动强度等。流体沿断裂带的运移可能是幕式的[8],特别是在超压盆地 中,流体沿断裂带的幕式运移可能引起局部温度、 压力异常,Roberts等[9]定量模拟了超压流 体通过断裂的幕式释放过程。断裂在活动期具有较强的流体输导能力,晚期构造运动引起 的断裂活化亦可明显增强断裂的流体输导能力,诱发大规模的流体运移,并控制油气的分 布[10]。 除常规输导层外,一些盆地的泥岩强烈裂隙化甚至发育断距较小的层内断层[11 ,12]。泥 岩的裂隙化可大大提高其流体输导能力,成为一种特殊的输导层,引起流体在裂隙化泥岩中 的侧向运移[13]。 在沉积盆地中,层状输导层砂岩体、 不整合面及其上、 下的低位砂岩与断层构成复杂 的流体输导系统。近年来的研究表明,主要砂岩体的分布及其与生烃凹陷和源岩的时空配 置决定了源岩排烃的非均质性[14],而切割源岩的断裂发育特征在一定程度上决定了源岩的 排烃效率[15 ,16]。因此成藏动力学研究中的输导系统分析不仅要刻划不同输导体的分布及 其相互关系,而且要建立输导系统与生烃凹陷和源岩的关系。 2 能量场及其控制的动力学过程和流体流动样式 2. 1 能量场 本文将温度场、 压力场和应力场[17]统称为能量场,限于篇幅,这里仅讨论温度场和压力 场。 沉积盆地的温度场主要取决于盆地的背景或基底热流及其再分配。20世纪90年代以 来,温度场的控制因素及研究手段均取得了重要进展。在背景热流方面,地质学家对地幔对 流、 地幔柱及幕式裂陷作用过程及其对温度场的控制作用研究不断深入;在热能分配方面, 国内外学者的大量研究已证明流体流动是热能的重要载体,不仅地形驱动的流体流动可强 烈影响地温场[18～23],超压流体的集中释放同样可明显影响地温分布[24];在研究手段和测 试技术方面,流体包裹体测温和重矿物裂变径迹分析技术[25]大大提高了识别地质热事件的 能力,基于化学动力学过程的EasyRo模型[26]为古温度场的重建提供了更先进的计算模型。 21 成藏、 成矿动力过程及油气系统 地 学 前 缘 2000 ,73 相对于静水压力,沉积盆地可出现超压或异常低压,其中超压具有更普遍的意义。超压 是沉积盆地演化过程中的动态现象。尽管超压的发育与多种因素包括不均衡压实、 生烃作 用、 水热增压、 粘土矿物脱水、 构造应力等有关[27 ,28],但除强挤压背景外,压实不均衡图 1A 和生烃作用图 1B 是可独立产生大规模超压的两种主要机制[29]。欠压实型超压地层 密度较低、 孔隙度较高图1A ,是快速沉降的第三系盆地超压发育的主要机制;生烃特别是 图1 欠压实型超压A和生烃型超压B 据Hunt等,1994 Fig.1 Overpressure caused by under2compactionA and hydrocarbon generationB 生气作用引起的超压地层已基本达到压实极限[16 ,29],因此密度高、 孔隙度低,主要发育于有 机质丰度较高的成熟泥岩[29 ,30],是沉降速率较低的前第三系盆地超压发育的主要机制。压 力封闭层[31]在超压发育和保存中的作用尚存在争议。Hunt[16 ,31]认为压力封闭层对超压的 发育和保存至关重要,但很多水文地质学家认为自然界不存在绝对的封闭层。Deming[32]的 计算表明,压力封闭层的渗透率须大大低于泥岩的实测渗透率。根据超压顶面形态和超压 在沉积盆地中的分布,可划分出两类超压盆地。一类超压顶面平直,埋藏深度一般为 3 000 m左右[16],垂向上多个压力系统叠置[33],侧向上多个超压系统并列[34],即所谓的超 压封存箱模式;另一类超压盆地超压顶面明显起伏,流体系统的分割性较弱。 2. 2 与成烃、 成藏相关的化学动力学过程 沉积盆地是一个低温热化学反应器,能量场控制了沉积盆地的化学动力学过程。在与 成烃、 成藏有关的化学动力学研究领域,20世纪90年代以来的研究进展表现在 1 超压对 生烃的抑制或延迟作用。传统的生烃模式未考虑压力的作用,压力对生烃作用的影响长期 存在争议。随着超压盆地油气勘探的深入,在越来越多的盆地如北海盆地[35 ,36]、 美国U2 nita盆地[37]、 加拿大Sable盆地[38]及我国莺歌海盆地[39]等中发现了超压对生烃过程的抑 制作用,充分证明了超压在生烃过程中不可忽视的作用。超压对生烃过程的抑制作用使源 岩较晚进入生烃门限和生烃高峰,并使根据传统生烃模式已进入准变质作用阶段的源岩保 持在有利的生、 排烃阶段图 2 。生烃作用的增压效应和超压对生烃的抑制作用意味着二 者的 “反馈抑制”feedback inhibition关系,因此深入研究超压抑制生烃过程的热力学/化学 动力学机理,不仅对生烃史分析和油气资源评价具有重要意义,而且对深化超压成因研究和 沉积盆地超压发育、 演化定量分析和正演模拟具有重要意义。2流体活动对生烃和储层 成岩作用的强化。流体活动引起的热能再分配使根据单一传导模式未进入生烃门限的源岩 31 2000 ,73 地 学 前 缘 成藏、 成矿动力过程及油气系统 提前成熟图2 ,增大了有效源岩的层位和体积[18 ,23 ,24]。与此类似,不仅地形驱动的盆地 图2 莺歌海盆地第三系源岩生烃模式 郝芳等,1998 Fig12 Hydrocarbon generation model for Tertiary source rocks in the Yingehai Basin 范围的流体流动使浅部储层进入晚期成岩作用 阶段[40],超压流体沿断层、 底辟构造的集中释 放同样可使浅部储层进入晚期成岩阶段。例 如,我们在莺歌海盆地的研究中发现,底辟构造 带埋藏深度小于1 400 m的上第三系砂岩的伊 蒙混层有序度R≥ 1 图3 ,并出现了片钠铝石 等晚期成岩矿物[41],实际上是深部流体幕式充 注的结果。 2. 3 流体流动样式及驱动机制 盆地的能量场、 输导格架决定了盆地的流 体流动样式。沉积盆地流体流动的动力学机制 和流动样式既是成藏动力学研究的核心之一, 也是盆地动力学研究的重要内容[42]。由于流 体运动在地下水资源评价和利用、 油气聚集和 成矿作用中的重要意义及在废物处理中的潜在 应用,流体的流动机制、 流动样式和物质的搬运 过程等领域的研究得到各国学者的高度重视并 取得了重要进展,概括起来包括 1 地下流体流动的驱动机制。地形驱动、 压实驱动、 构造 应力驱动和对流驱动的流体是沉积盆地的主要流体系统,深源和地震成因的流体在某些盆 图3 莺歌海盆地超压流体活动引起 的砂岩粘土矿物成岩作用异常 Fig13 Clay mineral transation anomalies caused by overpressured fluid flow in sandstones in the Yinggehai Basin 地中亦具有重要意义。同一盆地可能发育多个流体系统, 不同流体系统的规模、 成藏动力学作用明显不同[43]。如Al2 berta盆地发育地形驱动、 挤压应力驱动和剥蚀反弹 ero 2 sional rebound引起的流体流动系统[44 ,45],其中地形驱动的 流体系统既可是局部的,亦可以是盆地规模的,但挤压应力 驱动和剥蚀反弹引起的流体流动系统则仅具有局部意义。 不同流体系统的相互作用、 物质记录和成藏、 成矿效应是进 一步研究的焦点。2不同构造背景盆地流体的流动样式。 挤压背景如前陆盆地发育由注水区到泄水区的盆地尺度的 流体流动系统,构造应力驱动的由造山带向前陆盆地的流体 流动亦具有重要意义;在裂陷盆地的沉降期,地形驱动的流 体流动主要发育于盆地边缘[45],由盆地中央向盆地边缘、 由 深埋超压地层向浅部的压实驱动流体流动占主导地位[46], 但在隆起阶段,地形起伏可引发由注水区到泄水区的大规模 流体流动[21～23]。3超压流体运移机制与流动样式。近年 来超压流体运移机制得到了学术界的广泛关注,大量的研究 证明了超压流体的模式排放[47]。国内外学者提出的超压流体排放周期从 100 a[48]、100～ 200 a[49]到近1 Ma[50]甚至更长。流体从超压泥岩向临近输导层的排放可能是盆地范围 的[11],而超压流体从整个超压系统向常压或相对低超压系统的排放可能是通过一定的通道 41 成藏、 成矿动力过程及油气系统 地 学 前 缘 2000 ,73 集中进行的,断层[9]、 超压系统内的构造高点[51 ,52]和压力囊的隆起点是超压流体的优势释 放点leak point。 3 成藏机理与充注历史 成藏流体的来源和运移通道、 油气充注过程和充注历史及油气成藏各因素的配置关系 是成藏机理研究的主要内容。20世纪90年代以来,油气成藏机理的研究进展表现在如下3 个方面。 3. 1 油气运移路径和运移主通道 油气在输导层中的运移行为不仅是油气运移通道预测的基础,而且是准确地利用质量 平衡方法进行盆地整体或局部目标资源量评价的前提,因为油气在输导层中的运移行为直 图4 油气运移路径的三维射线追踪A ,B及其与二维分析C的比较 Fig14 Three2dimensional ray2tracing of the migration routesA and Band its comparison with two2dimensional analysisC 接决定了油气与岩层的接触体积[53 ,54],因而直接决定了油气在二次运移过程中的损失量。 近年来,国内外学者对油气的二次运移过程进行了大量的模拟实验[55～57]和数值模拟 研究[54 ,58]。这些研究证明 1 油气二次运移只通过局限的通道进行,油气运移空间可能 只占据整个输导层的1 ～10 [59 ,60] ; 2 输导层油气的运移路径受控于输导层顶面或封 闭层底面的三维几何形态。在生烃凹陷及其附近,油气运移路径形成密集的网络[57],而远 离生烃凹陷,运移路径逐渐汇集图4A ,B ,构成油气运移的主通道,与生烃凹陷相联系的 “构造脊” 是油气运移的重要主通道类型[61]。 油气二次运移的动力是浮力和水动力,其优势运移取向是势能降低梯度最大的方向,因 此可以从生烃凹陷出发,利用射线追踪 ray 2tracing技术进行运移路径的三维预测。图4是 我们根据珠江口盆地珠一坳陷油气运移路径的三维模拟结果,提出的静水条件下稳定的输 导层覆盖于源岩之上的理想情况下油气运移路径及主通道示意图。图中ADF一带为 构造低凸起, A→B和D→E为构造低凸起外侧的构造脊。在生烃凹陷附近,油气运移路径 密集,远离生烃凹陷,油气在封闭层底面三维几何形态的控制下向构造脊汇集,并在圈闭A 和圈闭F中聚集成藏。但距生烃凹陷最近的圈闭C无法捕获油气。构造脊A→B和D→ E能否成为油气运移通道取决于源岩的生烃能力及圈闭A的溢出点。如果源岩的生烃能 力较低,只有圈闭A可聚集一定量的油气,但不能达到溢出点,因此构造脊A→B和D→E 均不能成为油气运移通道,圈闭B , D , E都不可能聚集油气。如果源岩的生烃能力较高,圈 闭A的溢出点为S P1,圈闭D可聚集油气,在源岩的生烃能力足够高的情况下,油气从圈闭 D溢出,构造脊D→E成为油气运移通道,圈闭E可聚集油气图4A。如果圈闭A的溢 51 2000 ,73 地 学 前 缘 成藏、 成矿动力过程及油气系统 出点为S P2图4B , 构造脊A→B可成为运移通道,圈闭B可聚集油气图4B。油气的二 次运移是封闭层底面三维几何形态控制下的三维流体运移过程,利用二维分析和模拟技术 将获得不同的结果。如对图4中的AA′ 剖面进行二维分析和模拟,从源岩中生成的油气 图5 琼东南盆地崖13 - 1构造和崖21 - 1构造压力和古地温参数及其反映的流体活动 Fig15 Profiles of pressure and paleo2temperature parameters for Ya1321 and Ya2121 structures in the Qiongdongnan Basin 垂向运移进入上覆输导层,并沿上倾方向运移,离源岩较近的圈闭C将首先聚集油气图 4C。如果源岩生烃能力较高,油气从圈闭C中溢出并可在圈闭D和E中聚集。而实际 上,由于油气运移的三维行为,无论源岩的生烃能力如何高,圈闭C可能都不能形成油气 藏。而圈闭D和E能否聚集油气取决于油气从圈闭A的溢出特征。显然,二维分析和模 拟结果与三维预测结果完全不同。油气运移路径的三维分析基于油气二次运移的相对能量 行为,将生烃凹陷与能量场结合起来,是对流体势分析技术的重要改进。 3.2 油气成藏的能量配置 储、 盖组合是圈闭评价的重要内容。近年来,一些超压盆地具有良好储/盖组合的构造 由于能量配置不利而引起盖层破裂和油气的溢散,未形成有效的油气聚集[62]。例如,琼东 南盆地崖131构造和崖211构造具有相似的发育史。崖131构造形成了大型气田, 而钻探证实崖211构造为高压水溶气。我们的研究表明,两构造的能量配置明显不同,流 体活动特征亦不同崖131构造盖层发育超压、 储层为常压,古、 今热异常发育于储层段, 反映了压力封闭和侧向流体充注图5 ; 而崖211构造储层和盖层均超压,盖层出现热异 常并发育异地流体,反映了盖层破裂和垂向流体泄放图5。尽管崖211构造储层之上 发育厚层泥岩,但不利的储/盖能量配置导致的盖层破裂是该构造未能形成商业性气藏的原 因之一。 在考虑储盖组合的同时研究圈闭的能量配置是与传统的石油地质评价相比成藏动力学 研究的重要特征之一。但盖层的水力破裂是较常见的地质现象,盖层的破裂并非意味着不 能成藏。超压条件下石油特别是天然气的成藏机理是有待深化的研究领域。 61 成藏、 成矿动力过程及油气系统 地 学 前 缘 2000 ,73 3.3 油气充注过程与充注历史 由于基于成藏流体层内和层间多重非均质性的储层地球化学分析[63]、 流体包裹体分析 图6 莺歌海盆地底辟构造带超压流体幕式 释放及其储层温度响应 Fig.6 Episodic fluid releases from the overpressured systems and their temperature responses in the systems and their temperature responses in the reservoirs in the diapir structure zones ,Yinggehai Basin 及成岩矿物同位素定年等技术[64]的改进,油气 充注过程的研究取得了重要进展。20世纪90 年代的研究证明,很多油气藏特别是与断层[47] 和超压[40]有关的油气藏的充注是幕式的,大型 油气藏可在相对较短的地质时间内形成[41 ,48] , 反映了不同地质条件下油气的主通道运移。 在超压条件下,油气的幕式充注是压力积 累引起的地层周期性水力破裂的结果。流体的 周期性充注引起储层温度的瞬间变化图6 , 并使储层的成岩作用强化参见图3。流体幕 式充注使输导层与其临近的泥岩不能达到温度 平衡,砂岩的伊蒙混层有序度R≥1,而泥岩的 伊蒙混层有序度R 0图3。 砂岩与下伏泥岩 粘土矿物转化的截然变化意味着负地温梯 度[41],模拟计算表明流体热事件的持续时间小 于5 000 a。此外,幕式充注过程中不同幕次流体的相互作用可引起组分的相态分异[41]。 4 综合模拟技术 由于与油气成藏密切相关的各种化学动力学和流体动力学过程和模型研究[65 ,66]的深 入,盆地演化和油气生成、 运移和聚集过程的模拟技术不断改进,并由二维[62]发展为三 维[67]。目前的模拟技术对稳态流体的模拟较为成熟,对幕式流体的模拟尚待改进;同时,大 多数模拟系统未考虑流体流动过程中的化学物质搬运和沉淀及其对流体流动的影响。然 而,尽管目前的模拟技术作为预测油气分布的有效工具尚待完善,但计算机模拟为石油地质 学家认识和再现地质历史中油气成藏的化学动力学和流体动力学过程提供了有效的工具。 5 结语 成藏动力学研究的核心是流体形成、 演化和运移的化学动力学和流体动力学过程。但 化学动力学和流体动力学过程的研究必须在盆地的演化历史过程中、 特定的输导格架下和 不断变化的能量场中进行。成藏动力学的进一步发展有赖于地质过程及其机理和主控因素 研究的深入,在进一步认识与油气成藏密切相关的化学动力学和流体动力学过程和机理的 基础上,实现盆地温度场、 压力场、 应力场的耦合和流体流动、 能量传递和物质搬运的三维模 拟,是成藏动力学的重要发展方向。 71 2000 ,73 地 学 前 缘 成藏、 成矿动力过程及油气系统 参考文献 [ 1 ] Primmer T J , Cade C A , Evans J ,et al. 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