地温场

第六章地温场、地压场、地应力场与油气藏形成的关系国内外油气勘探的实践已经证明，地温、压力、地应力、化学、生物等因素，对油气藏的形成起到了控制作用，成为了石油地质工作者的重要研究对象。由于这些因素在三维空间上是变化的，所以引入了场的概念。按照张厚福的观点，在上述这些场中，地温场、地压场、地应力场是最本质的，其它是派生的。90年代以来，人们利用各种场去研究油气的生成、运移、聚集、保存过程和机理，逐渐兴成一门新兴的分支学科——成藏动力学。§1地温场与古地温研究一、基本概念1．热流值及热导率1）热流值指在一定时间内流经单位面积的热量，cal/cm2·s2）热流值在温度差为1℃时，每秒钟能透过厚1cm，面积1cm2的物体的热力，单位为cal（卡）2．地温梯度与地温级度地温层的划分：变温层地表至恒温层；恒温层：约20~130m；热温层：20~130m。在地壳上层（深约20~130m）之下，温度随埋藏深度每增加100m，所升高的温度℃/100m；温度每增加1℃所增加的深度数称为地温级度m/℃。地温梯度又称地热增温率。现今地温场可以通过钻井井温测量获得，或大地热流值测试记录计算编图来研究。二、古地温的测定（一）镜质组反射率（R0）法前面已经讨论，镜质组反射率是一种较好的成熟度指标，它可反映有机质经受的最高温度。可见，镜质组反射率与温度、时间之间存在一定的函数关系。计算步聚：1．通过电子计算机模拟得出各地区镜质组降解率与镜质组反射率的对应关系曲线。2．然后系统测定探井中岩石的镜质组反射率，由曲线得出相应于反射率的镜质组降解率。3．将镜质组降解率代入阿伦纽斯方程式，即可得古地温。)/ln(KARET（6-1）K—镜质组降解率；T—绝对温度，K°；E—活化能；R—气体常数；A—频率因子。Barker经过600多个镜质组反射率R0值与对应的最高温度Tpeak统计分析得出下列计算公式：lnR0=0.0078Tpeak-1.2（6-2）（二）孢子和热变指数法（图6-1）2345678982.52.03.0N1E1E2E3CrJTPCDSOε50010050102030406050708090100110120130140150160孢子颜色指示，barnard等热变指数，staplin3.0受热时间，Ma达到的最高温度，oc图6-1孢子颜色热变指数与温度的关系根据孢子颜色及有机质的热变指数反推所经受的最高古地温。随温度增加，孢子、花粉、藻类等有机质在热演化过程中颜色逐渐加深，热变指数加大，具不可逆性。在碳酸盐岩中用牙形石色变指数推测。（三）自生矿物沉积岩中的自生矿物受周围环境影响会发生不同变化，如粘土矿物、沸石、二氧化硅三种矿物系列的演变，同温度、压力及反应时间等物理因素密切相关，不可逆转。因此，可用它们来研究古地温。粘土矿物：蒙脱石伊利石蒙混层伊CC137100—沸石系列：片沸石或方沸石和斜发沸石火山玻璃)(11656CC钠长石或浊沸石和)(138C二氧化硅系列：低温石英方石英低温方石英非晶质二氧化硅CC6745)(通过实验室的岩矿鉴定就可判断古地温。（四）流体包裹体法：常用的是均一法测定古地温，称为均一温度。常温常压下见到的包裹体往往含气相与液相两种流体。加热升温至呈单相流体，这时的温度即为均一温度，它是包体形成时温度下限。（五）磷灰石裂变经迹法（这方法，是用放射性原子U235的裂变来研究，目前国内能做这种实验的很少）。§2地压场与地层压力预测一、压力的基本概念：1．上覆地层静压力：由上覆沉积物及流体重量产生的压力。2．地层压力：孔隙介质中流体所承受的压力，也称为孔隙流体压力，对油气层而言又分别称为油层压力或气层压力。3．静水柱压力：由测点之上静水柱产生的压力。在正常压实条件下，地层压力=静水柱压力如果地层中的水与供水区和泄水区相连就会产生动水压力，在动水压力作用下，流体会发生流动。4．地层压力梯度：即地层压力随深度的变化率。两种压力梯度：静水压力梯度，方向垂直，一般为定值0.01Mpa/m。另一种为动水压力梯度。5．异常地层压力：实际地层压力与静水柱压力不等。前者后者为异常高地层压力；前者后者为异常低压力。6．压力系数：地层压力／静水柱压力、实际地层一般1。二、地层压力预测地层压力可以在钻井或采油过程中，利用随钻测量、重复式地层测试器RFT或井下压力计等方法直接测量。在新探区只能用间接方法预测，其方法有：（一）等效深度法：利用页岩体积密度曲线，由下式计算：Pf=G0DA-DE（G0-GW）（6-3）Pf—地层压力，MPa；DA—测点深度，m；DE—对应DA的正常压实深度，m；GW—静水压力梯度，Mpa/m；G0—上覆地层压力梯度，Mpa/m（二）Fillippone法：用地震层速度预测，误差太大，使用时，应做必要的校证。§3第4节自学作业：试论述温度、压力及构造应力场在油气藏形成过程中的作用。§5异常压力流体封存箱异常压力流体封存箱是美国石油地质学家J•M•Hunt1990提出的，到目前为止公开报道已在180多个沉积盆地都发现了异常压力流体封存箱。Hunt明确提出鉴别异常地层压力的标准，即在自由状态下边界值为：淡水：压力梯度9.79Kpa/m；饱和盐水压力梯度11.9Kpa/m。大于该边界值为超压；小于该边界值为欠压。一、异常地层压力的产生原因1．纵横向的封闭作用及不均衡压实作用。如砂岩透镜体、两侧为断层遮挡或一侧为岩性尖灭线，上下有封盖层。2．流体热增压。3．对泥质岩而言，粘土矿物脱水和烃类生成作用。4．刺穿作用；在不均衡力作用下，可塑性岩层发生侵入作用，可使上覆一些软的页岩和未固结的砂岩层发生挤压与断裂变动，减少孔隙容积，流体压力增大，造成异常高压（图6-2）。20004000600080001000012000200040006000800010000120001400000地静压力梯度正常流体压力梯度估计地层压力，1b/in2深度，ft－弗里奥组－考克菲尔德组－阿那华克组组图6-25．剥蚀作用与断裂作用（图6-3、6-4、6-5）。测压面峡古0.1MPa图6-3图6-4测压面横穿圈闭造成地层压力异常低(A)高压异常;(b)(B)低压异常(a)Ahh×DBhgC×××测压面图6-5断裂与岩性封闭作用造成的压力异常图6-6背斜油气藏压力分析图6．浮力作用（如上图6-6）。二、异常压力流体封存箱的概念及类型现代沉积盆地常常具两个或多个水文系统，呈现双或多水力系统的层状排列，其中间被封闭层所隔。如图6-7：上为正常压实，下为异常压力系统。将沉积盆地内封闭层分割的异常压力系统称为流体压力封存箱，箱内生储盖齐全。它分为主箱和次箱，水平封闭划分为主箱，垂直封闭层进一步划分为次箱。正常压力异常压力封闭层图6-7现代沉降盆地双水力系统太排列图流体压力封存箱有两种类型：一为超压封存箱、二为欠压封存箱（图6-8）（解释一下）。上升冷却流体支撑封闭层基质支撑封闭层封存箱上覆岩石及流体封存箱封存箱超压封存箱欠压封存箱正常压力正常压力深度深度压力压力(a)(b)图6-8超压与欠压两类封存箱的模式三、封闭层的成因及特征封闭层是形成与分隔异常压力流体封存箱的关键。封闭层并不一定是油气藏的盖层。它常与穿越不同地层界面、岩性、岩相界面、构造界面的同温层有关，在该温度条件下，矿化作用、充填作用…等等成岩作用及后生作用，造成渗透率近于零的封闭层。封闭层若为碳酸盐岩，多由硅化作用形成，当然其本身若孔缝不发育，也可做为封闭层；若为泥页岩则常由钙化有关。钙化作用常与油气生成有关。在深部高温高压条件下，油气生成产生的大量CO2↑，有助于对矿物颗粒的溶蚀作用，形成次生孔隙发育带；当这种含HCO-3、CO32-、Ca2+的溶液向上运移至镜质体反射率大约为0.4~0.5%处，因T、P降低，造成碳酸盐的再沉淀，形成顶部封闭，这时恰为生油窗开始处。因此，石油常形成于封存箱内。假若封闭层为一厚层的层组组成，但可由非渗透层和渗透层互层组成，封闭层内亦可形成小型的封存箱如砂岩透镜体。即箱内和箱缘均可成藏。封闭性断层可构成垂向封隔层，将主箱分为多个次一级箱。油气大多数分布在封存箱内，如大庆油田嫩一、二段，青山口组。§6固态气体水化合物一、定义：（SolidGasHydrate）系指在特定的压力与温度条件下，甲烷气体分子天然气被封闭在水分子的扩大晶格中，呈固态的结晶化合物，亦称冰冻甲烷或水化甲烷。有时乙烷、丙烷、异丁烷、二氧化碳及硫化氢也可与甲烷一起形成固态混合气体水合物。这些气体可以是来自洋底沉积物之下深度不大的生物成因气，也可以沿海底断层来自深处的非生物成因气。这类固体气水合物可以作为深部气藏的良好盖层，也可形成气体水合物气田。上世纪60年代首先在原苏联西西伯利亚北极气田中发现冰冻甲烷，到70年代在该区发现储量巨大的水化甲烃气田梅索雅卡，储量为4×1011m3，54%是呈气体水合物产出，引起了人们的重视。后来在北极许多油气田均发现过它的踪迹。1980年初，美国深海钻探的钻井船，甚至发现在墨西哥和中美洲附近的太平洋中，广泛分布着冰冻甲烷地层，并取得许多岩心。迄今为止发现西半球北美洲周缘许多海域都蕴藏着气体水合物。估算的远景资源量可逾760~2915×1012ft3。二、理化性质固态气体水合物属包体化合物的一种特殊范畴，由天然的两种分子合成：客体被包围在主体内，二者之间没有化学键联接（图6-9）。14面体12面体16面体结构Ⅱ结构Ⅰ5×10m-10氧原子氧原子间的氢键图6-9水合物的多面体晶形气体水合物的晶格为冰状笼形状，分为两类单位晶格结构。结构Ⅰ：每个单位晶格含46个水分子，能容纳直径小于5.8×10-10m的客体分子8个，理想化学分子式为X•5.75H2O，X为客体分子，CH4、H2S、C2H6、CO2、N2等气体适合于这类结构。结构Ⅱ：每个单位晶格含136个水分子，能容纳直径不超过6.7×10-10m的客体分子8个。理想化学分子式为X·17H2O，C3H8和C4H10适合这类结构。三、形成与分布气水合物的形成同温度和压力有关。一般对于压力的要求随温度线性升高而呈对数增加，因而大多数盆地无法满足这个压力增加的幅度。水合物在21℃~27℃的温度下都将分解，因而其形成的深度下限约1524m，当然随地温梯度的不同而有所变化。在平面上，因主要形成于低温、高压条件，主要分布在极地、永久冻土带及大洋海底。§7凝析气藏的形成与分布在物理学上的一般规律，任一物系内（气体）等温加压引起凝结，减压导致蒸发。这只在一定的温度、压力范围内是正确的。超过此范围会出现逆蒸发和逆凝结现象：在地下深处高温高压的烃类气体，经采到地面后，温度压力降低，反而凝结为液态，成为凝析油，这种气藏就是凝析气藏。一、临界温度和临界压力液体能维持液相的最高温度称为物质的临界温度。高于临界温度时，不论压力多大，它也不能凝结为液体。在临界温度时，该物质气体液化所需的最低压力，称为临界压力。丙烷DTV曲线（见教材）。K点为一分界点，K点以上P—V曲线不出现气—液共存的情况，在此点以上，气体在任何压力下都不能液化，K点为临界点，该点的温度、压力即为临界温度和临界压力。临界温度和临界压力是各种物质的特性，一定物质就有一定数值。实验证明：如果在液态烃中加入甲烷等气态烃，则可降低物系的临界温度。如随着气体数量的增加，临界点逐渐缩小，气液两相不断混合，至到液态烃溶解于气相。因此可推论：在地下随温度和压力的增加，含有各种甲烷同系物的压缩气能溶解越来越多的液态烃；反之，当气相所处的压力和温度逐渐降低，则早先溶于气相的液态烃又会逐渐分离出来。这就是凝析气的形成机理。二、凝析气藏的形成条件及分布规律天然气也是成分复杂的多族份烃类混合物。为了阐明凝析气藏的形成条件，还必须分析多族分烃类物系在地层条件下的变化。如图6-10，K为临界点，K1为临界凝结温度点，代表气、液两相共存时最高温度。曲线4为气体开始析出液体的泡点曲线，其外为纯液相；曲线5为液体开始凝结脱离气体的露点曲线，其外