油氣田水文巖系研究的回顧與展望

1油氣地質(zhì)運(yùn)移的目1909年，mu氮提出了氣田運(yùn)動(dòng)收集的水-石油鹽酸理論。M.K.Hubbert考慮在單一含水層中水流單方向運(yùn)動(dòng)水動(dòng)力條件下石油圈閉形成的能量條件,提出流體勢(shì)的概念,較全面地描述了地下流體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。在流體勢(shì)提出之后的最初幾年內(nèi),石油界廣泛接受了這一概念。盡管Hubbert流體勢(shì)的理論是由能量原理推導(dǎo)出來(lái)的并經(jīng)過(guò)了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,但這一理論長(zhǎng)期以來(lái)并沒(méi)有很好地被應(yīng)用到石油地質(zhì)研究中,直到80年代以來(lái),隨著石油地質(zhì)理論朝著定量研究方向的發(fā)展,才重新引起人們的重視。E.C.Dahlberg油氣勘探實(shí)用水力學(xué)一書(shū)的問(wèn)世,標(biāo)志著流體勢(shì)理論向?qū)嵱梅较虬l(fā)展的重要一步,與此同時(shí)J.Toth的廣義水動(dòng)力學(xué)理論為石油地質(zhì)工作者認(rèn)識(shí)盆地中油氣運(yùn)聚的規(guī)律提供了一個(gè)全新的思路。另一方面,油田水文地球化學(xué)理論也不斷得到發(fā)展,系統(tǒng)地提出和總結(jié)水文地球化學(xué)找油法的是前蘇聯(lián)的B.A.蘇林、A.A.瓦洛夫等人,40年代水文地球化學(xué)找油法曾在前蘇聯(lián)等國(guó)試驗(yàn)研究。而在50年代后期,該方法受到冷遇,處于停滯狀態(tài)。以后地質(zhì)學(xué)家和地球化學(xué)家們致力于研究水文地球化學(xué)找油的理論基礎(chǔ),綜合運(yùn)用物理化學(xué)和現(xiàn)代分析方法,研究水與周圍介質(zhì)之間的關(guān)系,建立了水文地球化學(xué)試驗(yàn)場(chǎng),確定水文地球化學(xué)測(cè)量原則,使得人們對(duì)此方法的興趣又復(fù)蘇了。近年來(lái),水文地球化學(xué)找油工作,被視為石油地質(zhì)領(lǐng)域中比較完善的常規(guī)找油方法之一。在我國(guó),油氣田水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展相對(duì)比較落后,是由于我國(guó)人才培養(yǎng)機(jī)制和勘探與開(kāi)發(fā)管理機(jī)制的特殊性,往往勘探人員不懂地下流體的滲流問(wèn)題和開(kāi)發(fā)問(wèn)題,而開(kāi)發(fā)人員又很少懂得地質(zhì)問(wèn)題。在這樣一種條件下,作為一門(mén)邊緣學(xué)科的油田水文地質(zhì)學(xué)就難以得到發(fā)展。隨著石油工業(yè)的發(fā)展,我國(guó)東部老區(qū)挖潛和西部新區(qū)的勘探,迫切需要有新的勘探思路,近年來(lái)通過(guò)大量實(shí)踐的總結(jié),一個(gè)合理的勘探思路正在獲得越來(lái)越廣泛的接受:即以整個(gè)盆地發(fā)育史為基礎(chǔ),以油氣運(yùn)移史為紐帶,將生油層、儲(chǔ)集層、蓋層、圈閉等靜態(tài)地質(zhì)條件有機(jī)地結(jié)合起來(lái),追溯油氣藏形成的全過(guò)程,進(jìn)而從靜態(tài)和動(dòng)態(tài)條件上全面評(píng)價(jià)一個(gè)地區(qū)的含油氣遠(yuǎn)景。而運(yùn)移研究是實(shí)現(xiàn)上述勘探思路的重要環(huán)節(jié)。油氣運(yùn)移和聚集規(guī)律的研究,向油田水文地質(zhì)學(xué)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn),同時(shí)也促進(jìn)了該學(xué)科的發(fā)展。2油氣水文人類學(xué)的發(fā)展方向作者提出油氣田水文地質(zhì)學(xué)方法體系(圖1),以便全面反映水文地質(zhì)在油氣勘探和開(kāi)發(fā)各個(gè)階段的作用、意義,為油氣田水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展提供一條思路。在油氣田水文地質(zhì)研究中,作者首次明確提出空間尺度和時(shí)間尺度問(wèn)題,并以此為線索進(jìn)行分析,下面按空間尺度和時(shí)間尺度分別討論(圖1)。2.1下水文層與油氣在空間尺度上,水文地質(zhì)問(wèn)題分為縱向和橫向兩個(gè)方面。在縱向上,根據(jù)前蘇聯(lián)學(xué)者的研究,可劃分為上水文地質(zhì)層(深度0.5—1km)和下水文地質(zhì)層(0.5—1km——鉆探可達(dá)的深部),而下水文地質(zhì)層又可分為上水文地質(zhì)亞層(0.5—1km,3—4km)和下水文地質(zhì)亞層(3—4km——鉆探可達(dá)的深部)(見(jiàn)圖2)。上水文地質(zhì)層是向上張開(kāi)的,對(duì)油氣聚集最為不利,在本層內(nèi)油氣藏經(jīng)受著嚴(yán)重的機(jī)械與物理—化學(xué)的破壞作用,并形成剩余的硬瀝青和稠瀝青礦藏;在下水文地質(zhì)層的上亞層內(nèi),由于封閉性、側(cè)向上的屏蔽性、高空隙容積和在高壓出水條件下保證有相對(duì)較大的“聚烴”面積和最穩(wěn)定的側(cè)向傳導(dǎo)性,為油氣聚集創(chuàng)造了最有利的流體動(dòng)力條件;下水文地質(zhì)層下亞層的上部是朝下方張開(kāi)的,在它的上部飽和流體帶的側(cè)向相互聯(lián)系較弱,這也是油氣聚集相對(duì)有利的地帶,但這里期望得到的油藏規(guī)模較上亞層小得多。一般來(lái)說(shuō)上水文地質(zhì)亞層有利于油氣的聚集和保存,油氣勘探應(yīng)以上水文地質(zhì)亞層作為重點(diǎn)研究對(duì)象,進(jìn)行水文地質(zhì)旋回的劃分,研究每個(gè)水文地質(zhì)旋回中油氣運(yùn)聚和保存的條件。在橫向上,水文地質(zhì)研究的尺度從大到小依次為盆地水文地條件、含油氣系統(tǒng)水文地質(zhì)條件、區(qū)帶水文地質(zhì)條件、圈閉水文地質(zhì)條件以及多相微觀滲流機(jī)制的研究(圖1)。其中,盆地水文地質(zhì)條件研究,旨在從宏觀上劃分盆地的類型(如把盆地分成壓實(shí)流盆地、重力流盆地和滯流盆地),而微觀滲流機(jī)制的研究,旨在為定量水文地質(zhì)研究提供動(dòng)力學(xué)方程。2.2盆地的古水動(dòng)力模式一個(gè)沉積盆地的形成,是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程,是一系列構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和沉積演化不斷發(fā)展的結(jié)果,隨著盆地的演化,盆地水文地質(zhì)條件也在不斷地發(fā)展演化,形成一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程。我們現(xiàn)今所看到的盆地水文地質(zhì)條件和盆地中油氣的分布狀況,是這一過(guò)程中的瞬時(shí)面貌,是盆地演化的最后一幕。為了正確地認(rèn)識(shí)盆地中油氣運(yùn)聚的規(guī)律,不僅要研究盆地的現(xiàn)今水文地質(zhì)條件,而且要研究盆地的古水文地質(zhì)條件,最終獲得流體勢(shì)演化史的三維動(dòng)畫(huà),并以此結(jié)合其它專業(yè)進(jìn)行含油氣預(yù)測(cè)。圖3表明美國(guó)丹佛盆地古水動(dòng)力的演化過(guò)程,圖3a)是白堊紀(jì)末期壓實(shí)流作用下盆地的古水動(dòng)力模式。圖3b)是始新世重力作用下盆地的古水動(dòng)力模式,可見(jiàn)從白堊紀(jì)末至始新世,盆地的類型從壓實(shí)流盆地變成重力流盆地,而這種變化主要是由始新世盆地西緣在造山運(yùn)動(dòng)作用下強(qiáng)烈抬升而引起的,Lee和Bethke結(jié)合古水動(dòng)力條件和成巖作用,合理地解釋了Lyons砂巖層中油氣聚集的規(guī)律。另一方面,開(kāi)發(fā)水文地質(zhì)問(wèn)題,實(shí)際上是儲(chǔ)層在人為干擾下的短期行為問(wèn)題,開(kāi)發(fā)水文地質(zhì)條件研究,必須以微觀滲流機(jī)制作為基礎(chǔ),分析圈閉中甚至一個(gè)區(qū)帶中,在開(kāi)發(fā)條件下,儲(chǔ)層介質(zhì)的非均質(zhì)性、薄層遮擋性、儲(chǔ)層介質(zhì)的水敏性等因素對(duì)開(kāi)發(fā)效率的影響,以確定合理的開(kāi)發(fā)方案。應(yīng)當(dāng)指出,油氣田水文地質(zhì)條件的研究,必須同時(shí)考慮空間尺度和時(shí)間尺度,在不同研究階段,針對(duì)不同的研究目的,選取適當(dāng)?shù)目臻g尺度和時(shí)間尺度。最后,我們強(qiáng)調(diào)水文地質(zhì)分析貫穿于油氣勘探和開(kāi)發(fā)的各個(gè)階段,同時(shí),水文地質(zhì)分析又是一個(gè)連續(xù)不斷、循環(huán)往復(fù)的過(guò)程。3信息地質(zhì)工作者對(duì)地質(zhì)工作的作者提出了一些問(wèn)題,引起地質(zhì)工作者的重視,并根據(jù)自己目前,在油田水文地質(zhì)學(xué)領(lǐng)域內(nèi),無(wú)論是宏觀尺度上,還是微觀尺度上,有許多理論問(wèn)題還沒(méi)有得到解決或者還沒(méi)有引起石油地質(zhì)工作者的重視,作者根據(jù)自己的認(rèn)識(shí),提出這樣一些問(wèn)題,進(jìn)行討論,給出作者的見(jiàn)解,以期拋磚引玉,最終獲得這些問(wèn)題的正確答案。3.1盆地水動(dòng)力類型的轉(zhuǎn)化法國(guó)學(xué)者Coustau等根據(jù)盆地的水動(dòng)力特征,將盆地劃分為“青年”盆地、“中年”盆地和“老年”盆地。楊緒充參照Coustau的分類,提出壓實(shí)流盆地、重力流盆地和滯流盆地的分類(圖4),楊緒充的分類與Coustau的分類無(wú)本質(zhì)上的區(qū)別,只是加進(jìn)了過(guò)渡類型的盆地(壓實(shí)流—重力流、重力流—滯流)。一般認(rèn)為,以上盆地類型的劃分是據(jù)盆地不同發(fā)展演化階段的水動(dòng)力特征進(jìn)行的,但作者對(duì)這一分類方案提出異議,作者認(rèn)為,壓實(shí)流盆地可以通過(guò)演化成重力流盆地再向滯流盆地進(jìn)行轉(zhuǎn)化,也可以不經(jīng)過(guò)重力流盆地階段直接向滯流盆地轉(zhuǎn)化,所以,以上分類方案是不完善的。而這一不完善性,給人們?cè)斐梢环N錯(cuò)覺(jué),似乎盆地必然要經(jīng)過(guò)三個(gè)階段的演化,而只是時(shí)間長(zhǎng)短的問(wèn)題,這就掩蓋了盆地演化的機(jī)制問(wèn)題。我們認(rèn)為,壓實(shí)流階段是每個(gè)盆地在演化過(guò)程中必然經(jīng)歷的階段,當(dāng)盆地沉積停止之后,若沒(méi)有發(fā)生強(qiáng)烈的造山運(yùn)動(dòng)以致于改變盆地的水動(dòng)力模式,則盆地就可能始終處于壓實(shí)流階段,成為老壓實(shí)流盆地,或者過(guò)渡到壓實(shí)—滯流型,而只有在強(qiáng)烈造山運(yùn)動(dòng)的作用下,壓實(shí)流盆地才有可能轉(zhuǎn)化為重力流盆地,圖3所示丹佛盆地始新世造山運(yùn)動(dòng)前后盆地水動(dòng)力類型的轉(zhuǎn)化為這一論點(diǎn)提供了一個(gè)佐證。在實(shí)際工作中,同時(shí)認(rèn)識(shí)盆地的水動(dòng)力類型及其演化的機(jī)制,就能夠更好地指導(dǎo)油氣勘探,尤其是對(duì)多旋回構(gòu)造運(yùn)動(dòng)影響下的盆地,這一點(diǎn)非常重要。3.2兩種不同的地下水流模型1953年Hubbert提出流體勢(shì)理論以后的幾年內(nèi),該理論在石油工業(yè)界被廣泛接受,但是,隨著鉆井深度的增加,在世界各地揭示出越來(lái)越多的超壓現(xiàn)象。Hubbert和Rubey認(rèn)為超壓現(xiàn)象是由地下介質(zhì)滲透性的差異引起的,地下水可以穿層流動(dòng)形成水力連續(xù),而B(niǎo)radley則提出相反的看法。在70年代末期,80年代初期,Toth系統(tǒng)地闡述了穿層重力流理論(圖5),該理論認(rèn)為,在地質(zhì)上成熟的盆地內(nèi)(構(gòu)造活動(dòng)停止,盆地長(zhǎng)期穩(wěn)定),地下水流構(gòu)成統(tǒng)一的水力系統(tǒng),具有區(qū)域上的水力連續(xù)性,地下水流的模式主要受地形因素的控制,在重力作用下,從高地形區(qū)流向低地形區(qū),盆地中各含水層系測(cè)壓水頭具有相似的勢(shì)能特征,并明顯地受地表形態(tài)的控制,水的化學(xué)成分從補(bǔ)給區(qū)經(jīng)徑流區(qū)到排泄區(qū),發(fā)生系統(tǒng)變化(),水礦化度亦沿此方向升高,油氣在重力流作用下,有向盆地泄水區(qū)集中分布的趨勢(shì),在運(yùn)移通道上,遇到構(gòu)造、巖性、斷層等的遮擋可形成水動(dòng)力圈閉。Toth理論的內(nèi)核,實(shí)質(zhì)上是區(qū)域水力連續(xù)性。Toth繼承Hubbert的觀點(diǎn)在水力連續(xù)性這一基本前提下,用地下介質(zhì)滲透性的差異來(lái)解釋超壓現(xiàn)象。進(jìn)入90年代,Hunt系統(tǒng)地提出了流體封存箱的概念(圖6),用以解釋超壓現(xiàn)象的存在。Hunt認(rèn)為,流體封存箱一般存在于3048m(10000英尺)以下,封存箱構(gòu)成三維封閉系統(tǒng),封存箱內(nèi)外不存在水力聯(lián)系,當(dāng)盆地接受快速沉積,或由于封存箱內(nèi)水熱增溫、生烴擴(kuò)張等因素影響下,封存箱內(nèi)流體壓力高而又不能及時(shí)地排出即可形成超高壓現(xiàn)象(圖6a);而當(dāng)上覆地層遭受剝蝕,使箱內(nèi)巖體骨架回彈,同時(shí),箱外的水又不進(jìn)入箱內(nèi),使箱內(nèi)流體虧空,即可形成超低壓現(xiàn)象(圖6b);另外,當(dāng)流體封存箱內(nèi)壓力聚集到一定程度后,高壓流體可沖破封存蓋,形成微裂縫,使箱內(nèi)流體卸壓,油氣可沿微裂縫與水一起進(jìn)入上覆地層,當(dāng)箱內(nèi)壓力降低至一定程度,封存蓋微裂縫閉合,開(kāi)始下一個(gè)壓力聚集與破壞過(guò)程的孕育。Hunt觀點(diǎn)與Toth觀點(diǎn)有一個(gè)本質(zhì)上的不同點(diǎn),即Toth基于地下水力上的連續(xù)性,而Hunt的觀點(diǎn)則否認(rèn)這種連續(xù)性,從認(rèn)識(shí)論角度來(lái)看,Toth觀點(diǎn)屬漸變論范疇,而Hunt觀點(diǎn)屬突變論范疇。到底哪種觀點(diǎn)更能準(zhǔn)確地反映地下流體的運(yùn)移及超壓現(xiàn)象的形成過(guò)程,某前在國(guó)內(nèi)外尚無(wú)統(tǒng)一的認(rèn)識(shí)。3.3基層組織特點(diǎn)關(guān)于斷層對(duì)流體運(yùn)動(dòng)和對(duì)油氣運(yùn)聚的作用,眾說(shuō)紛紜,有人把斷層對(duì)流體的傳導(dǎo)性(或封閉性)與斷層性質(zhì)聯(lián)系起來(lái),有人把它與斷層形成時(shí)間(是否同生)聯(lián)系起來(lái),還有人把它與斷層兩盤(pán)的地層組合聯(lián)系起來(lái)。王平根據(jù)我國(guó)東部復(fù)雜斷塊油田詳查與開(kāi)發(fā)的實(shí)際資料,通過(guò)對(duì)地下深部地應(yīng)力狀況和斷裂形成條件的分析,指出斷層是否封閉是相對(duì)的。強(qiáng)調(diào)斷層在靜止?fàn)顟B(tài)主要起封閉作用,在活動(dòng)狀態(tài)主要起導(dǎo)流作用。我們認(rèn)為,斷層在油氣運(yùn)聚中的作用,在一個(gè)含油氣系統(tǒng)中,總體上來(lái)說(shuō)是不利的,斷層雖起到圈閉作用,但由于斷層的存在,圈閉的數(shù)量縮小了,我們還認(rèn)為,油氣沿?cái)鄬哟瓜蜻\(yùn)移而形成的油氣藏,一般為次生油氣藏,是油氣再運(yùn)移的結(jié)果。3.4裂縫展布方向?qū)υO(shè)計(jì)效果的影響多種成因的裂縫,是致密砂巖儲(chǔ)層和碳酸鹽巖儲(chǔ)層中非均質(zhì)性的主要影響因素。但無(wú)論裂縫的成因多么復(fù)雜,構(gòu)造裂縫占有重要的地位,對(duì)裂縫性儲(chǔ)層的滲透性起主導(dǎo)作用,而構(gòu)造裂縫的發(fā)育,一般服從一定的規(guī)律,就其展布方向而言,可分為方向裂縫組系,這就使我們可能通過(guò)各種方法,認(rèn)識(shí)這一規(guī)律性,抓住主要矛盾,對(duì)裂縫性儲(chǔ)層做出合理的評(píng)價(jià)。在開(kāi)發(fā)工作中,人們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到裂縫展布方向性對(duì)開(kāi)發(fā)效果有一定影響。并把這一認(rèn)識(shí)應(yīng)用到開(kāi)發(fā)方案的設(shè)計(jì)上,取得了較好的效果。但是,在勘探工作中,人們還沒(méi)有注意到裂縫展布的方向性、不同方向裂縫的導(dǎo)流性能對(duì)油氣運(yùn)聚可能產(chǎn)生的影響。我國(guó)基巖水文地質(zhì)學(xué)家田開(kāi)銘教授用實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在不同方向裂縫縫寬不同之情況下,地下水在裂縫介質(zhì)中的流動(dòng)出現(xiàn)偏向、偏流現(xiàn)象(圖7)。那么,這些現(xiàn)象對(duì)于油氣運(yùn)聚的方向和運(yùn)聚量的大小有什么影響呢?這實(shí)際上是要解決油氣水多相在地下裂縫網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)動(dòng)的物理機(jī)制問(wèn)題。這一重大理論問(wèn)題的解決,必將對(duì)我國(guó)的深層油氣藏、基巖油氣藏、低滲透油氣藏及西部碳酸鹽巖油氣藏的勘探與開(kāi)發(fā)將起到很大的推進(jìn)作用。3.5水動(dòng)力階段與油氣運(yùn)移關(guān)系地殼構(gòu)造運(yùn)動(dòng)和沉積構(gòu)造的旋回性導(dǎo)致了區(qū)域古水文地質(zhì)作用的旋回性,水文地質(zhì)旋回主要體現(xiàn)在水動(dòng)力周期和水化學(xué)周期兩個(gè)方面。水動(dòng)力周期是自盆地下陷沉積物形成,到盆地停止下陷或轉(zhuǎn)為上升,沉積物遭到剝蝕整個(gè)過(guò)程中的地下水動(dòng)力作用。一般情況下,可將一個(gè)水動(dòng)力周期進(jìn)一步劃分為擠出(沉積)與滲入(淋濾)兩個(gè)水動(dòng)力階段。油氣生成、運(yùn)移、聚集和保存往往與沉積水動(dòng)力階段有關(guān),而滲入水動(dòng)力階段往往導(dǎo)致油氣的再運(yùn)移、再聚集以及氧化、破壞、散失等。盆地波動(dòng)分析是新近發(fā)展起來(lái)的一個(gè)新方法,其主要目的在于定量地分析盆地的構(gòu)造和沉積發(fā)育過(guò)程,而水文地質(zhì)旋回又受構(gòu)造和沉積發(fā)育史的控制,故從理論上來(lái)講,水文地質(zhì)旋回分析和盆地波動(dòng)分析完全可以結(jié)合起來(lái),相互促進(jìn),相互完善。圖8表示塔里木盆地塔北、塔中地區(qū)地層水礦化度縱向變化規(guī)律,可見(jiàn)地層水礦化度在縱向上的變化呈現(xiàn)出波動(dòng)性和規(guī)律性,如何充分利用這種信息,并結(jié)合盆地波動(dòng)分析,加強(qiáng)對(duì)沉積盆地發(fā)展演化過(guò)程的認(rèn)識(shí),是一個(gè)需要多學(xué)科研究人員聯(lián)合起來(lái)進(jìn)行研究的問(wèn)題。4油氣地質(zhì)及勘探方向本文通過(guò)分析油氣田水文地質(zhì)學(xué)的發(fā)展歷史和發(fā)展現(xiàn)狀,說(shuō)明油氣田水文地質(zhì)學(xué)目前所面臨的困難以及良好的發(fā)展前景。油氣田水文地質(zhì)學(xué)可貫穿應(yīng)用于油氣勘探與開(kāi)發(fā)的各個(gè)階段,形成一套完整的方法體系。油氣田水文地質(zhì)學(xué)通過(guò)縱向水文地質(zhì)分帶性的研究、水文地質(zhì)旋回的劃分、盆地水動(dòng)力類型的確定、盆地古水動(dòng)力場(chǎng)和現(xiàn)今水動(dòng)力場(chǎng)的分析以及微觀滲流和運(yùn)移機(jī)制的研究等構(gòu)成油氣勘探的四大手段之一。油氣勘探工作者關(guān)心與油氣有關(guān)的四個(gè)基本要素,它們是圈閉、儲(chǔ)集層、油源及流體本身。過(guò)去的研究工作,前三個(gè)因素研究得比較多,而第四個(gè)因素即流體卻被人們忽視了,目前這種狀況正在