油气藏破坏控制因素与模式划分.pdf
第3 3 卷第3 期 2 0 1 2 年 6 月 新疆石油地质 XI NJ I ANG P ET ROI J E UM GE OL 0GY Vo 1 . 3 3, No . 3 J u n . 2 01 2 油气藏破坏控制因素与模式划分 屈 泰来。 , 吴宝 海 , 李小 地1 , 邬光 辉 , 苏 劲 , 孙 启良 1 . 中国石油 勘探开发研究院, 北京 1 0 0 0 8 3 ; 2 . 中国科学院 海洋研究所 , 山东 青岛 2 6 6 0 7 1 摘要 讨论 了破坏油气藏的主要因素, 并提出了新的油气藏破坏模式划分方案。指出, 盖层被剥蚀破坏、 裂缝或微 裂隙缝使盖层封闭作用失效、 圈闭遭受断层破坏、 圈闭几何形态发生改变、 水动力冲刷、 气洗和扩散作用、 水洗氧化一 生物降解及热裂解等是油气藏遭受破坏的主要因素。其中, 成藏要素的破坏主要表现为盖层和圈闭的破坏, 导致油 气向浅部运移形成次生油气藏或直接运移至地表散失; 烃类流体的流动和水动力的冲刷均可以导致圈闭内油气部分 或全部流出圈闭; 烃类流体遭受改造表现为水洗、 生物降解和热裂解作用, 使轻质油最终转化为重油、 稠油和沥青。 关键词 油气藏; 破坏模式; 控制因素; 构造运动; 盖层; 水动力冲刷; 烃类流体改造 文章编号 1 0 0 1 3 8 7 3 2 0 1 2 0 3 0 2 9 7 0 5 中图分类号 T E l 1 2 . 4 1 文献标识码 A 油气是不稳定的动态流体 , 一旦周围环境发生改 变, 油气就会遭到一定程度的破坏。文献[ 1 ] 通过分 析得 出油气藏的平 均年龄为 2 9 x 1 0 a , 并提 出了石油 资源随时间呈指数衰减的模型, 将大型油气田随着时 间的推移其数量和储量急剧下降的现象归因于在地 质历史过程中大规模的破坏作用。文献[ 2 3 对3 5 0 个 大油 田进行了研究 , 发现世界上 7 5 %以上 的油气资源 是在距今 7 5 1 0 a 以来充注的 , 而对于那些只含有未 遭受降解作用的轻质油的油田来说, 这个比例甚至超 过 了9 0 %, 计算得 出的油气藏平均年龄为3 5 x l o 6 a , 即 世 界上 已知 大油 田中 的一 半是在 渐新 世之后 形成 的。世界上现存的诸多油气田有很多都是原始油气 藏经历 了一系列破坏作用再聚集形成 的次生油气藏 , 地层 中所见到的沥青脉、 沥青砂 、 油砂 、 稠油以及地表 油苗等大部分都是地质历史时期油气藏遭受破坏的 直接证据。对油气藏破坏的研究历来是油气勘探中 的薄弱环节 , 近些年来 , 油气藏 的保存和破坏研究越 来越受到国内外学者的重视 , 许多学者进行 了有益 的 探索, 取得了很多成果 , 提 出了诸多新观点。 1 油气藏破坏的主要控制 因素 笔者将油气藏破坏定义为 由于外部环境 和地质 条件 的变化 , 地层中已经形成的原生油气藏发生物理 运移导致油气散失或者因发生蚀变、 降解等作用使轻 质油变质的过程。其中主要包含2 个方面的含义 一 是油气藏的物理运移 或调整 过程, 即油气发生动态 的流动、 扩散等作用向浅部运移重新聚集, 在这个过 程中烃类本身并没有遭到破坏, 烃类的化学成分和性 质没有改变; 二是由物理化学、 生物化学等作用导致 轻质油发生蚀变而最终演化成稠油和沥青 , 发生这类 作用对油气藏的保存是极为不利的, 轻质油可能被损 失殆尽 , 使油藏的经济价值 降低 。 1 盖层 的封 闭影 响盖层封闭有效性的 因素 主要包括盖层的岩性、 厚度和成岩作用等。岩性不 同, 封盖能力也不同 , 一般盐岩封盖能力最强 , 其他依 次为泥 页 岩、 石膏、 泥灰岩及砂岩; 盖层越厚, 对油 气藏的保存就越有利, 较薄的盖层往往不够稳定 , 容 易受到破坏 ; 随埋深增加 , 成岩作用增强 , 盖层的封闭 能力也相应增强。盖层 的封 闭性主要有物性封闭 、 超 压封闭和烃浓度封闭等。排替压力是评价盖层封闭 能力 的最重要参数 , 排替压 力越大 , 封闭能力越强 。 一 旦盖层遭到破坏 , 如盖层遭受剥蚀或 由于压力增大 使盖层破裂 , 则盖层 的封闭能力降低 , 油气便可越过 盖层向上移动, 原有的油气藏被破坏。 2 构造运动油气藏形成后发生的构造活动 对油气藏的保存影响较大。地壳抬升使油气藏暴露 地表或进人大气水带从而导致油气藏被破坏 ; 地壳沉 降作用使油气藏埋深增加, 温度升高, 轻质油在高温 条件下受到破坏 ; 构造运动使 圈闭形态改变 , 溢出点 抬高或圈闭发生掀斜 , 油气可沿侧向溢出, 向上倾方 向运移 , 形成次生油气藏或直接逸 出地表 ; 断裂活动 形成的断层破坏圈闭的完整性 , 也可破坏直接盖层的 封盖能力 。活动性的开启断层可作为运移通道 , 油气 沿断层通过盖层向上运移 , 最终导致油气藏的部分或 完全破坏, 这是非常常见的油气藏破坏地质作用。 3 地 下水 活动地下水 的流动会对 圈闭内的 收稿 t3 期 2 0 1 1 - 0 8 2 4 修订 日期 2 0 1 1 - 1 0 1 8 基金项 目 国家科技重大专项 2 0 0 8 Z X 0 5 0 0 4 0 4 作者简介 屈泰来 1 9 8 3 一 , 男, 辽宁锦州人, 在读博士研究生, 石油地质, T e 1 0 1 0 8 3 5 9 8 6 8 5 E ma i l c o l l e n s 4 1 6 3 . C O n l 2 9 8 新疆石油地质 油气进行冲刷, 在水动力的作用下, 油 气 水界面沿 水流方向倾斜。水流速度越快, 冲刷能力越强。当水 动力增强到一定程度时, 圈闭内的油气便被强水流冲 走 , 导致油气藏被破坏 ; 地下水 的活动除 了对油气 的 冲刷作用外 , 还会对油气产生生物降解和水洗作用。 由于地下水 的活动 , 大量 的游离氧和微生物被带人油 气藏并运移至油水界面处, 微生物会对轻烃进行降 解 ; 同时 , 地下水也会溶解原油中的某些易溶成分。 经过生物降解和水洗作用后 , 原油的成分会发生很大 变化, 最终使轻烃遭受破坏。 4 烃类的微渗漏和分子扩散储集层中天然 气的分子扩散作用和原油的微渗漏作用每时每刻都 在发生 , 特别是天然气的扩散是气藏受到破坏的一个 十分重要的作用。分子扩散主要受浓度梯度 的控制 , 总是从高浓度区向四周低浓度区扩散。特别是当油 气藏处于圈闭状态下, 油气藏与上覆盖层之间存在向 上减小的浓度差 , 在浓度差的作用下 , 油气通过上覆 盖层向上扩散或渗漏散失, 使油气藏储量减小, 以至 枯竭。尤其是 当盖层具较强的毛细管封闭能力 , 可以 有效地封闭游离相天然气以后 , 扩散作用便成了气藏 中天然气散失 的主要途径 。对于天然气来说 , 扩散作 用可以在漫长的地质历史时期内使一个大型气田变 成一个中型或小型气田。 2 油气藏破坏模式 油气藏的破坏往往是多个因素相互作用的结果, 因此应充分考虑到引起油气藏破坏的主导因素。同 时, 建立油气藏破坏模式时应该遵循分类的科学性和 实用性2 条基本原则。科学性 , 即应能充分反应油气 藏破坏的主要因素, 反映油气藏破坏的原因、 破坏机 理 , 反映它们之间的区别和联系 ; 实用性 , 即分类应能 够有效地指导勘探和开发工作 , 有高度的、 科学的概 括性 。 根据上述原则, 笔者将油气藏破坏模式划分为3 大类 , 并进一步细分为 9 个小类 表 1 。 1 剥蚀 作用使 盖层遭受破坏 由于受构造运 动的影响使地壳抬升, 油气藏随之抬升, 储盖层遭受 剥蚀, 油气藏暴露于地表。天然气直接向大气逸散, 损失殆尽 ; 轻质油受大气水的淋滤、 氧化和微生物的 降解, 最终形成沥青或稠油。克拉玛依黑油山沥青封 堵油藏即是这种破坏类型 1 , 主要含油层系为三叠系 克拉玛依组 , 油气成藏期为印支运动未期 , 受燕山运 动的影响, 地层抬升, 已聚集油气的圈闭上升至地表, 盖层遭受剥蚀, 使油气藏受到破坏。 2 裂缝使盖层失去封 闭作 用 由于区域构造 应力作用或泥岩盖层内部的异常孔隙流体压力增大, 导致盖层所受的力超过地层本身抗压 张 强度极限 时, 在盖层内部就会产生裂缝或微裂隙, 排替压力降 低 , 盖层的封闭能力变差 , 油气就可通过裂缝向上渗 滤散失。与泥火山有关 的油苗 、 破裂压力条件下圈闭 内的残余油显示和盖层中的油气显示均可作为盖层 封 闭失 效的证据 。在北海和 HM t e n b a n k e n的很 多地 区都发现了在高压地层中有效圈闭内的油气通过上 覆盖层向上漏失的现象 , 。塔里木盆地柯克亚气田 发育上 、 下油组及深部油组 , 在中新世早期 , 源 自石 炭系的油气聚集于古新统阿尔塔什组 E a 膏盐层之 下的侏罗系 、 白垩系内; 中新世晚期 , 区域挤压应力增 强 , 中、 深层小断裂及裂缝大量发育 , 成为油气运移通 道, 油气穿过膏盐层聚集于其上部古近系及初具雏形 的新近系背斜中; 上新世末期一第四纪 , 侏罗系大量 生烃 , 断裂活动加剧 , 浅层 圈闭形成 , 早期形成 的深部 古油藏中的油气发生高温裂解 , 侏罗系生成的油气聚 集于古近系并驱替石炭系一 下二叠统生成的油气向中 新统克孜洛依组 N k 及安居安组 N a 中运移并发 生凝析作用。 3 断层破 坏 圈闭导致 油 气藏破 坏构造运 动 产生新断层或使老断层重新活动开启 , 油气在浮力和 压力差的作用下沿开启的断裂通道由低势区向高势 区运移。如果断层没有断至地表, 且其上部拥有良好 盖层, 原来的油气藏经过再运移, 在较浅部位可重新 聚集形成次生油气藏 。如果断层断至地表 , 巨大 的压 力差使油气沿断层迅速逸散, 溢出地表则形成地表油 苗和沥青。 塔中 4 油 田背斜圈闭在 海西运动晚期 基本定型 并接受油气充注形成古油藏 。在印支一燕 山运动 阶段, 构造运动使背斜北断层发生错动, 一部分油气 沿断层进入泥岩层上部形成次生油气 藏。燕 山运动 末期一 喜马拉雅运动期 , 油气继续沿断层向上运移 , 同时构造运动使塔中4 0 1 井周围地层抬升 , 塔中背斜 圈闭被分割为3 个受局部构造高点控制的构造圈闭。 4 圈闭几何形 态改变破坏 油气藏地壳运动 使原来圈闭的溢出点抬高, 则原来油气藏中的油气便 会从溢出点向上倾方向溢出; 地壳运动也可使单斜地 层的倾斜方向发生改变, 圈闭内的油气由高势区向低 势区发生再次运移 , 重新聚集n 州 。 塔里木盆地哈德逊油 田东河砂岩在海西运动期 末 三叠 纪前 没有形成 圈闭 , 在此 时期 地势北高南 低 , 在 哈德逊北部的乡 3 井附近存在构造圈闭 , 早期 生成的油气向北部高点运移聚集; 库车组沉积期前 该地区基本保持了北高南低的构造格局, 从库车组 新疆石油地质 于被来自南方 供水区 的渗入水强烈冲刷 , 工业油流 在这些砂层中无法保存 。 6 气洗作 用破 坏油气藏后期形成 的天然气 注人早期形成的油藏 , 由于天然气的密度小于原油的 密度 , 故气体占据圈闭的顶部, 随着气体的不断注入, 气油界面和油水界面不断降低。当油水界面降到溢 出点时, 石油便从溢出点沿上倾方向溢出。气洗一般 发生在地层埋藏较深的情况下 , 有时天然气来源于油 藏本身。 吉拉克三叠系凝析气藏是喜马拉雅运动期形成 的背斜圈闭, 凝析气中天然气成熟度最高, 轻烃次之, 较重成分成熟度最低 , 为二次油气聚集而成 , 形成过 程如早期圈闭中充填原油, 随着烃源岩成熟度增加开 始生气并供给油藏, 先形成气顶; 随着圈闭埋深增加, 地层温度超过 临界温度 , 地层压力大于露点压力 , 轻 质油开始溶于气中, 形成凝析气顶油藏, 并逐渐发展 为带油环凝析气藏。 7 扩散作 用使 油气藏遭 受破坏油气 的扩 散 现象非常普遍 , 在浓度差的作用下 , 圈闭内的流体气 通过上覆盖层向上散失, 使油气藏储量减小, 以至枯 竭。扩散作用对天然气的影响尤为显著。据文献[ 1 4 ] 研 究 , 天然气通过扩散系数 2 . 1 1 0 。 mZ / s 、 厚度 3 9 0m、 饱 和水 的泥质盖层 , 其扩散流量平均为 3 . 7 m / k m a . 昌德气藏 目前地质储量 1 1 7 . 0 8 1 0 m , 气藏从泉头组 沉积末期气藏形成至今 1 2 5 . 1 1 0 a , 扩散损失气量 共 2 0 5 . 4 7 1 0 。 r n , 是 目前储量 的 1 7 5 . 5 % , 也 就是说 , 该 气 田在泉头组末期形成 时是储量为 3 2 2 . 5 5 1 0 m。 的 大气田, 由于扩散作用导致 目前只是个中型气 田[ 1 5 A 6 】 。 南海西北部中建南盆地深部流体 油气 沿断层 逸散 , 在海底 以下较浅部位聚集形成气藏。随着气藏 压力不断增大, 并达到一定程度时, 在气藏的上翘部 位便形成压力突破 , 扰乱地层 , 最终使流体逸散到地 表 , 形成海底麻坑。 8 水洗氧化、 生物降解使烃类流体被 改造 由 于构造抬升或油气运移至浅部聚集, 使油气藏进人大 气水带。地表水进入油层 , 水 中含有大量的游离氧和 微生物细菌对 原油进行氧化和生物降解而使原油变 稠。文献[ 1 7 ] 提出烃类由易至难的降解顺序为 c 。 c 正构烷烃_ c 一c 正构烷烃 c 以前支链烷烃 C , 烷烃一芳香烃一环烷烃。 英买 4 井奥陶系油藏形成于海西运动晚期 , 二叠 纪末 , 油藏抬升至地表 , 圈闭条件彻底被破坏 , 油层 遭 受剥蚀 、 氧化和生物降解 , 现英买 4 井奥 陶系有残 余稠油显示。英买 1 井奥陶系油藏与英买4 井奥陶 系油藏相邻, 前者的构造圈闭形成于海西运动晚期 , 二叠纪末 , 英买4 井油藏抬升至地表被破坏, 导致英 买 1 井油藏的奥陶系储集层有大气水进入 , 原油被氧 化形成稠油 。 轮南奥陶系古油藏形成于加里东运动晚期” , 在 海西运动早期轮南低凸起 开始抬升并遭受一定程度 的剥蚀, 古油藏遭到破坏, 至海西运动晚期, 轮南地区 奥陶系油藏广泛发生了生物降解作用, 原油中轻质组 分逸散, 形成稠油和沥青。 9 热裂解作用改造 了油气藏烃类流体热裂解 作用是在储集层进入深层作用带, 在缺少氧化剂的条 件下 , 由于高温 、 天然催化剂所 引起 的石油成分 的变 化过程。随着埋深增加地温升高, 油气藏中的原油具 有变轻的趋势, 特别是甲烷的含量随温度升高呈指数 增加。热裂解使石油化学成分向着结构更加稳定、 自 由能降低的方向转化, 最终在油藏中只存在甲烷和不 溶解 、 富碳及高分子量的烃类残留物 即焦沥青或石 墨 。 广西大厂古油藏最初形成于海西运动晚期 , 在上 覆巨厚的中三叠统的沉积加载下 , 先期油藏热裂解 向 气藏转化。大厂古油藏固体沥青反射率换算成镜质 体反射率为2 %一 4 .5 %, 反映固体沥青形成于过成熟 阶段。古油藏中固体沥青同位素组成接近烃源岩干酪 根或偏重 , 表 明油气发生 了显著 的热裂解过程 。大 厂地 区与金属矿脉共生 的固体沥青 的碳 同位素值为 一 1 8 % o ~ 1 9 % 。 , 古油藏伴生 甲烷同位素值为一 2 4 . 2 ‰~ 一 2 6 . 1 % o , 碳 同位素值明显偏重 , 说 明固体沥青除了经 历地层的高温作用以外 , 还经历了来 自岩浆或成矿热 液导致的更强烈的热变质作用。晚侏罗世~早 白垩 世燕山运动主幕的强烈褶皱冲断改造 , 造成盖层被 强烈抬升剥蚀, 使油气藏裸露地表, 遭到彻底破坏。 3 结论与建议 1 油气藏的形成是一个动态平衡的过程 , 外部 环境的变化会将这种动态平衡打破而使油气藏遭到 破坏 。油气藏破坏的主控 因素主要有盖层封闭的有 效性 、 构造运动 的影响 、 地下水活动对油气藏的破坏 作用以及烃类流体 自身的微渗漏和扩散作用。 2 油气藏破坏模式可分为油气成藏要素被破 坏导致油气藏破坏、 烃类流体遭受改造及成分改变引 起的破坏和流体 烃类 、 非烃类 流动破坏油气藏等 3大类 , 并进一步细分为盖层受到破坏 、 圈闭条件改 变 、 水洗氧化及生物降解 、 热裂解 、 水动力冲刷 、 气洗 、 扩散作用等模式。 3 油气 藏破坏模 式可以反 映油气 分散过程和 运移通道 , 据此可以预测次生油气藏 的位置 , 也反映 第3 3 卷第3 期 屈泰来 , 等 油气藏破坏控制因素与模式划分 3 0 1 了油气藏遭受破坏的方式和破坏程度 , 据此可以判断 油气藏的保存条件和油气藏中流体的性质。油气藏 破坏模式的研究进一步丰富了石油地质理论 , 通过研 究油气藏破坏 因素 、 破坏模式和分布特点 , 对 于预测 和寻找新的油气藏, 指导油气勘探有着十分积极的作 用 。 4 油气藏破坏研究 目前仍然是石油地质研究 中的薄弱环节, 对油气藏的破坏机理和破坏模式应进 行更 加深入 的研究。 目前对油气藏破坏的定量研究 还较少, 对其具体时间、 油气残留量、 破坏量和散失量 的估算还应继续深化研究 。 参考文献 【 1 J Mi l l e r R . 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L o n d o n , 1 9 9 3 1 3 0 5 - 1 3 1 3 . 1 5 J H e r ma n r u d C , N o r d g a r d B o l a s H M. L e a k a g e f r o m o v e r p r e s s u r e d h y d r o c a r b o n r e s e r v o i r s a t Ha h e n b a n k e n a n d i n t h e n o rt h e r n N o r t h s e a [ A 3 . K o e s t l e r A G , H i n s d a l e R . H y d r o . c a r b o n S e a l Q u a n t i f i c a t i o n l C j . N P F S p e c . P u b 1 . , E l s e v i e r , Ams t e r d a m. [ 6 ] 何登发. 柯克亚凝析油气田的成藏机理[ J ] . 石油勘探与 开发, 1 9 9 7 , 2 4 4 2 8 3 2 . [ 7 ] 张敏 , 黄光辉 , 赵红静, 等. 塔里木盆地柯克亚地区凝析 油气藏成因特征研究[ J ] . 中国科学 D辑 地球科学 , 2 0 0 8 , 3 8 增刊 Ⅱ 1 7 2 3 . [ 8 ] 刘克奇, 苏振阁. 塔里木盆地塔中4 油田油气成藏条件与 成藏模式[ J ] . 石 油大学学报 自然科学版 , 2 0 0 5 , 2 9 2 6 - l O . [ 9 ] 杨楚鹏 , 张宝民, 王飞宇, 等. 塔里木盆地塔中4 石炭系油 藏成藏过程再认识 [ J ] . 石油与天然气地质 , 2 0 0 8 , 2 9 2 1 8 1 1 8 8 . [ 1 0 ] 莱复生 A I . 石油地质学[ M] . 华东石油学院勘探系, 译. 北京 地质出版社 , 1 9 7 5 . [ 1 1 ] 徐汉林, 江同文 , 顾乔元 , 等. 塔里木盆地哈德逊油田成 藏研究控讨 [ J ] . 西南石油大学学报 自然科学版 , 2 0 0 8 , 3 0 5 1 7 2 1 . 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I n s t i t u t e o f O c e a n o l o g y , C h i n e s e A c a d e my o f S c i e n c e s , Q i n g d a o , S h a n d o n g 2 6 6 0 7 1 , C h i n a Ab s t r a c t T h i s p a p e r d i s c u s s e d t h e ma j o r c o n t r o l f a c t o r s o f r e s e rvo i r d e s t r u c t i o n a n d p r o p o s e d s e v e n t y p e s o f r e s e rvo i r d e s t r u c t i v e mo d e l s , t h e y a r e , d e n u d a t e d a n d d e s t ruc t e d c a p r o c k , i n v a l i d s e a l i n g o f c a p r o c k i mp a c t e d b y f r a c t u r e o r mi c r o f r a c t u r e , d e s t ruc t e d t r a p b y f a u l t i n g , g e o me t r i c c o n f i g u r a t i o n c h a n g e o f t r a p , h y d r o d y n a mi c fl u s h i n g , g a s fl u s h i n g , d i f f u s i o n , wa t e r fl u s h i n g b i o d e g r a d a t i o n a n d t h e r ma l c r a c k i n g , a mo n g w h i c h t h e d e s t ruc t i o n o f r e s e r v o i r f o r mi n g f a c t o r s i s d o mi n a t e d b y d e s t ruc t i o n s o f c a p r o c k a n d t r a p , wh i c h r e s u l t i n s e c o n d a r y r e s e r v o i r f o r ma t i o n b y h y d r o c arb o n mi g r a t i o n t o w a r d s s h a l l o w l o c a t i o n o r d i r e c t mi g r a t i o n o n t o g r o u n d s u r f a c e a n d mi s s i n g . T h e h y d r o c a r b o n fl o w a n d h y d r o d y n a mi c flu s h i n g ma y a l l o w t h e p a rt o r a l l o f h y d r o c a r b o n wi t h i n t r a p t o o u t f l o w. W a t e r fl u s h i n g , b i o d e g r a d a t i o n a n d t h e rm a l c r a c k i n g ma k e l i g h t o i l t r a n s f o rm i n t o h e a v y o i l o r V I S C O U S o i l a n d b i t u me n . . Ke y W o r d s r e s e r v o i r ; d e s t ru c t i v e mo d e ; c o n t r o l f a c t o r ; t e c t o n i c mo v e me n t ; c a p r o c k ; h y d r o d y n a mi c flu s h i n g ; h y d r o c a r b o n alt e r a t i o n