盆地中心气系统的要素与过程

如题所述

(一)源岩

源岩质量是区分直接与间接盆地中心气系统最基本最关键的因素,而且决定了两个系统之间的次级差别。直接盆地中心气系统的源岩通常多为腐殖型煤和碳质页岩,如美国落基山盆地白垩系岩层或欧洲的石炭系岩层的大部分。间接盆地中心气系统的源岩为富氢的页岩,如美国阿巴拉契亚盆地中的奥陶系页岩或中东和北非的志留系页岩。Surdam et al.(1997)推断美国怀俄明州大绿河盆地的一些煤层先生成液态烃,后来这些液态烃在煤层中热裂解成气。他们进一步提出由于油向气的转换,流体体积增加,高压在煤层中产生裂缝,从而促进了气体的排出。然后,气体运移并储集在低渗透性储层中。Law(1984)认为所有大绿河盆地盆地中心气藏中的气全部(或大多数)来自上白垩统含煤层段的煤层或碳质页岩中的Ⅲ型腐殖型有机质。目前尚不知道不同的过程对盆地中心气藏的相对贡献率。大绿河盆地盆地中心气藏中的气主要是由Lance、Almond和RockSprings组生气的腐殖煤直接生成的,而GreatDivide和Washakie盆地深部的Almond组煤层中的油热裂解所生的气对其贡献是次要的。

(二)储层

在直接和间接盆地中心气系统中,含气储层区域上普遍发育,通常面积有数千平方千米,可能由等厚的单层数英尺厚或垂向叠置数千英尺厚的储层组成。直接盆地中心气系统通常为多个储层叠置,而间接盆地中心气系统通常为单个孤立储层。直接和间接盆地中心气储层一般都为低孔隙度(<13%)和低原地渗透率(<0.1×10-3μm2)(Spencer,1985,1989a)。这些储层通常由砂岩、粉砂岩甚至碳酸盐岩组成;唯一已知的储层为碳酸盐岩的盆地中心气藏分布于中国四川盆地(Da-jun和Yun-ho,1994)。盆地中心气藏储层沉积环境从海相到陆相都有。储层饱含气,含少量水或者没有水,且处于含水储层的下倾方向(图5-13),恰似常规含气系统的反转(Law,1984)。

在垂向叠置的厚层直接盆地中心气系统储层中,互层的含水储层较少见。例如,美国怀俄明州西部Mesaverde群上白垩统Ericson席状砂岩为含水储层,其与区域普遍存在的盆地中心气藏呈互层状发育。另一个怀俄明州西部互层、含水储层的例子为上白垩统Fron-tier和Blair组、Almond砂岩及Lexis页岩。加拿大阿尔伯达盆地Elmworth油田的盆地中心气藏中也有含水储层的实例。科罗拉多州皮昂斯盆地Mesaverde组Rollins和TroutGreek段都为含水的席状储层(Johnson et al.,1987)。厚层盆地中心气藏地层中的水可能是通过裂缝和断层进入地层的。

(三)盖层

前人对直接盆地中心气系统进行了详细的研究,饱含气的储层垂向上穿越地层界线,向上倾方向逐渐进入含水和含气的过渡带,再向上则逐渐变为常压的含水储层(图5-13)。在间接盆地中心气系统中,饱含气的储层向上逐渐变为含水和含气的过渡带;然而,间接盆地中心气系统中没有穿越地层界线的垂向过渡带,在异常压力盆地中心气系统与常压含水储层之间只有一个突变界线(图5-13)。这些流体边界的性质取决于盖层的完整性。盆地中心气系统的封盖机理包括岩性、相对渗透率差异、水堵、盖层以及毛细管压力封闭等。毛细管压力封闭出现于储层中孔隙吼道较小以及存在多相流体的情况下。在这些情况下,每种流体相的渗透率都会降低。

由于直接盆地中心气系统中封盖的特性,就出现了盖层完整性的问题。基于埋藏史和热史的重建,自从美国落基山地区白垩系和三叠系盆地中心气系统形成之后,该地区的毛细管压力封闭有效地持续了25~40Ma。然而,由于这些盖层的封闭特性,这些盖层将会泄漏、退化。如果时间足够长,这些盖层将最终失效。假如经过相当长时间盖层便会泄漏的推论是正确的,那么现在所看到的直接盆地中心气系统中的气藏都是在数十个百万年之内形成的。换句话说,在较新岩层中发现直接盆地中心气系统的概率要比较老岩层中大。已知的盆地中心气系统多分布于白垩系,很大程度上是因为盆地中心气系统的研究工作集中于白垩和三叠系岩层中。尽管前人推断阿巴拉契亚盆地下志留统克林顿—梅迪纳盆地中心气系统上倾方向的封闭为水堵,但是对白垩纪之前盆地中心气系统盖层的完整性仍没有详细的研究。在间接系统中,对垂向封闭、顶部封闭和上倾方向封闭的区分是非常重要的;Clinton-Medina气藏明显为有效的上倾方向毛细管压力封闭,而再往上的顶部封闭为由蒸发岩、页岩和碳酸盐岩组成的岩性封闭(Drozd和Cole,1994)。

(四)烃类的生成、排出和运移

如图5-12所示,直接和间接盆地中心气系统的生烃开始于热成熟度Ro大于0.6%(Hunt,1996)。据Meissner(1984)所述,当Ro为0.73%时腐殖煤开始生成热成因气。生烃高峰出现于Ro为0.8%~0.9%时(Tissot和Welte,1984)。大绿河盆地中测得的直接盆地中心气系统顶部的热成熟度(Ro)约0.7%~0.9%(Law,1984),这说明气源岩的热成熟度(Ro)应等于或大于0.7~0.9%。

间接盆地中心气系统中油转化为气的热成熟度尚不确定(图5-12中第二阶段的开始)。一般认为当Ro为1.35%时油开始热裂解为气(Hunt,1996)。Price(1997)对该值表示质疑并提出当热成熟度更高时油才可以热裂解为气。Tsuzuki et al.(1999)通过加水热解实验进行的动力学研究表明,在比原先设想的热成熟度更高的热成熟度下油仍然是稳定的。在美国墨西哥湾海岸将这些动力学参数应用于埋藏史曲线研究,表明Ro为1.75%时油开始裂解成气(Lewan,2002)。

通常,直接盆地中心气系统中烃类的运移距离较短,可能为数百英尺或更短。在某些情况下也存在特例,当盆地中心气藏顶部区域盖层发生破裂时,便会促使气体沿着裂缝和断层垂向运移,运移距离可能远远超过数百英尺,如美国怀俄明州西部的Jonah油田。

在间接盆地中心气系统中,与常规含油气系统中的运移距离一样,烃类的运移距离差异很大。克林顿—梅迪纳盆地中心气藏中的垂向运移距离接近305m。在直接盆地中心气系统中,气相为烃类运移的主要相态,在间接盆地中心气系统中,运移流体相态可能为油和气。

(五)圈闭形成

地层和构造圈闭的形成是常规含油气系统中一个重要的因素。对直接盆地中心气系统来说,圈闭不是最重要的。但圈闭对间接盆地中心气系统极为重要。在直接盆地中心气系统中,气藏的顶部切穿构造和地层的边界(Law和Spencer,1993),因此直接盆地中心气系统的形成不依赖于构造和地层圈闭。怀俄明州西部的Jonah油田是一个很好的直接盆地中心气藏的例子,但在该油田中,构造和地层是非常重要的两个方面。油田的侧向边界为断层(Warner,1998,2000)。气藏的顶界为上白垩统Lance组的粉砂质页岩盖层。

在间接盆地中心气藏的形成中,常规构造和地层圈闭对油气的聚集成藏是非常重要的,正如常规、浮力驱动的气藏中油气的聚集成藏一样。与直接盆地中心气系统相比,间接盆地中心气系统形成于较晚的埋藏阶段,此时常规聚集成藏的油热裂解为气,同时孔隙流体体积和孔隙压力显著增加(图5-12)。然而,油并不是总聚集成独立的油藏,也可能分散于整个储层。在这种情况下,油藏中油的数量较少,在油向气的转化中所获得的孔隙压力不足以形成盆地中心气藏。因此,在间接盆地中心气系统中,一个合适圈闭的形成及圈闭形成与气体生成、排出、运移和圈闭之间的时间配置是非常关键的。

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