張春林，龐雄奇，田世澄，許化政，張福東，劉銳娥

(1.中國(guó)石油大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，北京102249; 2.中國(guó)石油勘探開(kāi)發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007; 3.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)，北京100083)

近年來(lái)，大慶油田徐家圍子、松遼盆地南部長(zhǎng)嶺斷陷腰英臺(tái)地區(qū)深層發(fā)現(xiàn)了地溫超過(guò)150 ℃的火成巖天然氣田，新疆塔里木、大港千米橋地區(qū)也發(fā)現(xiàn)了地溫達(dá)160 ℃的凝析油氣田，國(guó)外更有凝析油氣田地溫達(dá)230℃的報(bào)道［1-6］。這些氣田、凝析油氣田的共同特點(diǎn)是生產(chǎn)中帶有凝析水，且凝析水產(chǎn)量隨儲(chǔ)層壓力遞減而呈指數(shù)升高，且地溫越高，凝析水的產(chǎn)出量越大。產(chǎn)出的凝析水水型為CaCl2型，普遍具有低礦化度特征。這些油氣藏大多沒(méi)有邊底水，有的邊底水是在開(kāi)發(fā)過(guò)程中認(rèn)識(shí)到的，量少且局部，勘探階段憑鉆井、測(cè)井資料無(wú)法認(rèn)識(shí)到水層的存在。

地層水是沉積盆地內(nèi)的主要流體，其在地層高溫高壓條件下的相態(tài)變化影響著流體的壓力，制約著油氣的成藏，是地質(zhì)學(xué)家們必須關(guān)心和研究的課題。

鄂爾多斯盆地上古生界在近八萬(wàn)平方公里的伊陜斜坡上很難鉆遇地層水，現(xiàn)有蘇里格、神木、榆林等氣田的氣層溫度低、壓力系數(shù)小，均無(wú)邊低水。巨量的地層水哪里去了?難道都被天然氣排驅(qū)到盆地邊緣地區(qū)了嗎?這是無(wú)法認(rèn)同和無(wú)法想像的事情，畢竟地層中的含水量遠(yuǎn)比有機(jī)質(zhì)(包括衍生物)要豐富的多。文中依據(jù)高溫高壓氣藏、凝析油氣藏的生產(chǎn)特征，認(rèn)識(shí)地層水在埋藏過(guò)程中的相態(tài)變化，進(jìn)而解釋鄂爾多斯盆地上古生界高溫高壓埋藏階段(J3—K1)氣藏的形成機(jī)理，以及抬升剝蝕階段(K2—E)負(fù)壓的形成，對(duì)于油田今后的勘探開(kāi)發(fā)具有重要的指導(dǎo)意義。

1 高溫高壓體系中水的相態(tài)變化

1.1 高溫高壓油氣藏普遍產(chǎn)水

千米橋潛山含油氣層為奧陶系峰峰組和上馬家溝組，平均埋藏深度4 300 m，為中等凝析油含量的氣藏，凝析油含量290 g/m3，平均地層溫度168 ℃，平均地層壓力43.5 MPa。該氣藏曾有5 口井投入試采，均不同程度出水。試采過(guò)程中除千12-18 井認(rèn)為有自由水(可能為邊底水)產(chǎn)出外，其他4 口井均為凝析水。產(chǎn)出水普遍具低礦化度特征，如板深7 井為5 000～6 000 mg/L(水氣比1.666 ×10-4m3/m3);板深8 井為3 000～4 000 mg/L(水氣比0.272×10-4m3/m3);千12～18 井以產(chǎn)水為主，水的礦化度偏高，為9 000～10 000 mg/L，礦化度偏高可能與凝析水、地層水同時(shí)產(chǎn)出有關(guān)。從生產(chǎn)井井底無(wú)積液、礦化度極低，以及產(chǎn)水量越來(lái)越大等情況分析，這些水在地下壓力為43.5MPa、溫度為168℃的環(huán)境中是蒸汽狀態(tài)，即以高壓水蒸氣的形式混溶于烴氣體中，當(dāng)其在上升到地面1 MPa 和約40 ℃的環(huán)境后變成了液態(tài)水。以板深7 井為例，試采初期的水氣比平均為0.3×10-4～1.5×10-4m3/m3［7］，以后逐漸升高，10 個(gè)月后水氣比升至7.8×10-4m3/m3［8］。

生產(chǎn)過(guò)程中凝析水產(chǎn)量遞增的現(xiàn)象可以解釋為:油氣、特別是高壓水蒸氣的產(chǎn)出使近井地帶產(chǎn)生壓降漏斗，地層水蒸發(fā)加劇，汽態(tài)水含量升高，且距井筒越近，生產(chǎn)壓差降低越快，地層汽態(tài)水含量越高，凝析水產(chǎn)量上升越快，部分井甚至因產(chǎn)水量高而停產(chǎn)。因此，控制生產(chǎn)壓差成為高溫高壓氣藏和凝析油氣藏開(kāi)發(fā)中的重要課題［9］。

1.2 蘇里格氣田盒8 段氣藏產(chǎn)水特征

與千米橋高溫高壓凝析油氣田不同，鄂爾多斯盆地蘇里格氣田下石盒子組8 段(盒8 段)氣藏是一個(gè)較典型的常溫負(fù)壓、以甲烷為主的干氣藏(CH4含量＞92%)，平均埋深3 300 m，氣層流體壓力為22.5～31.5 MPa，溫度100～110 ℃［10］。兩者雖地質(zhì)環(huán)境差別較大，但同樣產(chǎn)出地層水。根據(jù)產(chǎn)出水狀態(tài)(井底有無(wú)積液等)、氣水比、礦化度等資料分析，產(chǎn)出水在地下有自由態(tài)和蒸汽態(tài)兩種形式(表1)。

1.3 封閉條件下汽、水相態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)

有關(guān)學(xué)者針對(duì)凝析氣田的汽、水兩相做過(guò)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)［8-9］。文中對(duì)這些實(shí)驗(yàn)并結(jié)合地下實(shí)際情況做了進(jìn)一步的分析，可以得出如下認(rèn)識(shí):1)在完全封閉環(huán)境中，壓力保持在恒壓40 MPa(相當(dāng)于4 000 m 埋深的水柱壓力)下，當(dāng)溫度在100～150 ℃時(shí)，隨著溫度降低，地層水體積增加較快，汽態(tài)水迅速減少;溫度在150～300 ℃時(shí)，隨著溫度增加，地層自由水體積減少，汽態(tài)水體積增加，但增加速度相對(duì)緩慢，體系中始終汽、液兩相共存;當(dāng)溫度超過(guò)370 ℃后，體系中完全為汽相飽和，不存在液態(tài)水(圖1a)。2)當(dāng)溫度保持在恒溫150 ℃，壓力從40 MPa 開(kāi)始逐步降低時(shí)，地層水的體積減少較快、汽相體積增加較慢，當(dāng)壓力低于到露點(diǎn)壓力(30 MPa)后，凝析油開(kāi)始析出;隨著地層壓力的繼續(xù)降低，地層水體積繼續(xù)減少、氣相體積增加加快;而當(dāng)壓力超過(guò)40 MPa，并繼續(xù)增加時(shí)，汽、液相的體積基本不變，分別保持在50% 左右(圖1b)。3)與上述實(shí)驗(yàn)條件不同的是，自然界中任何地質(zhì)體都不是絕對(duì)封閉的，地層水汽化所引起的體積增加必然導(dǎo)致地層流體壓力的增加，從而發(fā)生以汽相為主的流體運(yùn)移;高壓水蒸氣的逸散導(dǎo)致體系中壓力降低和氣、液兩相的不平衡，地層水蒸發(fā)加劇，體系中壓力再次增加，再次發(fā)生汽相流體的擴(kuò)散，如此反復(fù)，直到液態(tài)水被完全汽化。

表1 蘇里格氣田盒8 段含氣范圍內(nèi)部分井產(chǎn)水情況Table 1 Water production of some wells in the gas-bearing 8th Member of Xiashihezi Formation，Sulige gas field

圖1 封閉體系中汽、液兩相體積隨溫度、壓力變化關(guān)系Fig.1 Change of vapor and liquid volume with temperature and pressure in a closed system

2 高溫高壓氣藏的形成與地層水的相態(tài)變化

2.1 高溫存在的證據(jù)

由于有機(jī)質(zhì)鏡質(zhì)體反射率(Ro)可近似地作為其經(jīng)歷的最高溫度的單一函數(shù)，因而通過(guò)鏡質(zhì)體反射率的測(cè)定，可以推測(cè)地史時(shí)期的最高古地溫。圖2 為鄂爾多斯盆地上古生界煤系的Ro等值線圖，已發(fā)現(xiàn)天然氣區(qū)域的Ro值主要分布于1.2%～2.8%。這樣高的Ro值不是現(xiàn)今煤系埋深和現(xiàn)今地溫梯度所造成的，地史時(shí)期必然存在異常高的古地溫場(chǎng)。

利用磷灰石裂變徑跡確定的早白堊世古大地?zé)崃髦禐?5～118 mW/m2，導(dǎo)致古地溫梯度由侏羅紀(jì)早、中期的小于32.0 ℃/km 升高至晚侏羅世—早白堊世的41.5～55.0 ℃/km［11］。上升的高古熱流通過(guò)具較高熱導(dǎo)率的下古生界碳酸鹽巖進(jìn)入低熱導(dǎo)率的煤系，在煤系中聚斂升溫，使煤系有機(jī)質(zhì)成熟度迅速升高。陜參1 井從山西組到太原組不足250 m 的地層，Ro值從1.4%增加到2.0%;天1 井Ro值從1.2%增加到2.0%。高古地溫不僅促使煤系有機(jī)質(zhì)快速熟化、生成大量天然氣，而且使煤系地層水發(fā)生由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的相態(tài)變化，地層流體壓力大大增加，最終促使甲烷氣與蒸汽水互溶，并一起向封存箱體系內(nèi)的低勢(shì)區(qū)運(yùn)移。

2.2 高壓存在的證據(jù)

煤系地層的聚斂升溫導(dǎo)致了煤系地層水向蒸汽態(tài)的轉(zhuǎn)化和有機(jī)質(zhì)的快速熟化和大量生烴，使致密儲(chǔ)層逐漸被氣(汽)飽和，并導(dǎo)致孔隙壓力升至區(qū)域靜水壓力之上，從而形成超壓氣藏。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，J3—K1時(shí)期，盆地上古生界煤系有機(jī)質(zhì)的Ro平均遞進(jìn)0.5%～1.0%，但煤系砂巖的成巖程度變化不大［12］。這是因?yàn)樯皫r的較大孔隙已被氣(汽)充滿，剩余的束縛水呈穩(wěn)定的飽和狀態(tài)，不再繼續(xù)排出能使孔隙度、滲透率降低的溶解水。然而，當(dāng)?shù)貙映瑝哼_(dá)到一定程度時(shí)，可使巖石產(chǎn)生微裂隙，使儲(chǔ)層性能得到改善，這是鄂爾多斯盆地超壓氣藏形成過(guò)程中的一種特殊地質(zhì)現(xiàn)象。通過(guò)鏡下薄片觀察可見(jiàn)到相對(duì)發(fā)育的微裂縫(圖3)。

圖2 鄂爾多斯盆地上古生界氣區(qū)分布與煤系鏡質(zhì)體反射率等值線Fig.2 Gas distribution and vitrinite reflectance contour of coal in the Upper Paleozoic of Ordos Basin

圖3 鄂爾多斯盆地上古生界氣藏砂巖裂隙特征Fig.3 Fracture characteristics of sandstone in gas reservoirs of the Upper Paleozoic，Ordos Basin

依據(jù)盆地下石盒子組儲(chǔ)層包裹體測(cè)壓數(shù)據(jù)，早白堊世的成藏壓力為45～53 MPa，壓力系數(shù)為1.3～1.5。盆地模擬資料表明，晚侏羅世—早白堊世生排氣高峰期的地溫梯度為38.0 ℃/km，壓力系數(shù)為1.6～1.7;而地溫梯度在41.5～55.0 ℃/km 時(shí)，壓力系數(shù)則高達(dá)2.0～2.4。巖石的自然破裂壓力系數(shù)為1.96，大量晚期裂縫的出現(xiàn)，證明盆地天然氣成藏期的地層壓力曾超過(guò)了80 MPa，壓力系數(shù)超過(guò)2.0。

2.3 氣藏形成與地層水相態(tài)變化

早白堊世末，上古生界下部形成了一個(gè)盆地級(jí)的高溫高壓封存箱，封存箱的頂部是厚度超過(guò)70 m 的上石盒子組河漫灘相泥巖，上古生界所有的天然氣生成、運(yùn)移、聚集和地層水的相態(tài)變化都發(fā)生在這個(gè)巨型封存箱中。從包裹體溫度、壓力及組分資料可以看出，封存箱上部石千峰組儲(chǔ)層段處于高溫常壓狀態(tài)，包裹體內(nèi)為水溶液充滿，表明沒(méi)有烴類運(yùn)移，地層水仍以液相為主。封存箱泥巖蓋層本身的隔熱作用使其所含地層水為蒸汽狀態(tài)，且處于超壓狀態(tài)，對(duì)下伏封存箱內(nèi)的流體不僅起物性封閉作用，而且還具有壓力封閉作用，因而持久和有效。在封存箱內(nèi)部，由于下部地層(山2 段、太原組)含有機(jī)質(zhì)豐富，聚斂的溫度高，氣、水轉(zhuǎn)化量大，流體壓力大;上部地層(山2 段、盒8 段)含有機(jī)質(zhì)豐度低，聚斂的溫度低，氣、水轉(zhuǎn)化量小，流體壓力低，自下而上存在著壓力梯度(圖4)，因而會(huì)發(fā)生氣(汽)相流體的垂向運(yùn)移。

圖4 鄂爾多斯盆地上古生界氣藏與壓力系數(shù)匹配關(guān)系Fig.4 Match relations between gas reservoirs and pressure coefficient in the Upper Paleozoic of Ordos Basin

當(dāng)封存箱下部氣(汽)相流體發(fā)生逸散，地層壓力會(huì)降低，打破了氣、水的相態(tài)平衡，加速了地層水的汽化和有機(jī)質(zhì)的生烴。在漫長(zhǎng)的地質(zhì)歷史中，如此氣(汽)化—增壓—逸散—降壓反復(fù)進(jìn)行，直到地層水完全汽化，有機(jī)質(zhì)生烴終止，封存箱內(nèi)部壓力、溫度趨于平衡。

由于煤系有機(jī)質(zhì)的快速熟化是和地層水的相態(tài)轉(zhuǎn)化同期發(fā)生的，甲烷氣與氣態(tài)水的互溶能力大大增強(qiáng)。甲烷氣逐漸稀釋、溶解和擴(kuò)散致密儲(chǔ)層中的水蒸氣，雙相流轉(zhuǎn)變?yōu)閱蜗嗔鳎咭黄馃o(wú)孔不入地滲透到封存箱內(nèi)的各種孔隙中。這種過(guò)程歷經(jīng)數(shù)百萬(wàn)年，天然氣、水蒸氣不斷由高勢(shì)區(qū)(體)向低勢(shì)區(qū)(體)運(yùn)移，范圍越來(lái)越大，直至充滿盆地內(nèi)煤系Ro值大于1.2%的所有地區(qū)，直至巨型封存箱內(nèi)溫度、壓力趨于平衡，封存箱內(nèi)儲(chǔ)集體逐漸被氣(汽)飽和，只見(jiàn)氣而不見(jiàn)水的氣藏自此形成。這時(shí)的高壓氣藏內(nèi)幾乎沒(méi)有可流動(dòng)的自由水，甲烷氣內(nèi)的水蒸氣混容量達(dá)到最大值。

在盆地氣藏形成過(guò)程中，地層水溶解度因溫度增加逐漸減少，特別是其由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài)的過(guò)程中，水中溶解的鹽類被析出，高礦化度的地層水變成了純凈的氣態(tài)水。這在一定程度上解釋了鄂爾多斯盆地儲(chǔ)層致密的原因，以及鉆井產(chǎn)出水礦化度低的成因。

3 負(fù)壓氣藏的形成與地層水的相態(tài)變化

早白堊世以后，華北盆地東部隆起褶皺并遭受剝蝕，鄂爾多斯地區(qū)相對(duì)穩(wěn)定，成為一個(gè)獨(dú)立的盆地。盆地的伊陜斜坡單元除東抬西降外，基本未出現(xiàn)大的構(gòu)造變動(dòng)，早期形成的氣藏被保存下來(lái)。白堊紀(jì)末期，鄂爾多斯盆地發(fā)生了強(qiáng)度最大的一期剝蝕事件，整體以不均勻抬升剝蝕為主，剝蝕量自西向東逐漸增大，晉西撓褶帶抬升幅度大、剝蝕速度快(剝蝕厚度達(dá)1 200 m以上)，天環(huán)坳陷剝蝕厚度小(剝蝕厚度小于800 m)［13］，并在抬升過(guò)程中由早白堊世的大型坳陷盆地(沉積中心在定邊—環(huán)縣地區(qū))轉(zhuǎn)變?yōu)闁|高西低的大型低角度區(qū)域斜坡。大幅度的抬升剝蝕使富煤地層埋藏變淺、地溫梯度降低(由早白堊世的38.0～55.0 ℃/km 降至晚白堊世24.0～31.0 ℃/km)，使盆地上古生界氣藏發(fā)生流體壓力梯度降低、氣濃度降低、水蒸氣液化成水和凝析水在重力作用下重新聚集成“酸點(diǎn)”等一系列變化［14］，最終形成現(xiàn)今大面積分布的負(fù)壓氣藏(圖5)。

圖5 鄂爾多斯盆地上古生界盒8 段地層壓力系數(shù)及負(fù)壓氣區(qū)分布Fig.5 Formation pressure coefficient and distribution of underpressured gas zone of the 8th Member of Xiashihezi Formation in the Upper Paleozoic of Ordos Basin

對(duì)于鄂爾多斯盆地分布面積最大、儲(chǔ)量最高的蘇里格氣田而言，其流體壓力的變化可歸納如下:1)成藏時(shí)期(J3—K1)的溫度為130～160 ℃，現(xiàn)今溫度為95～110 ℃，則溫度下降約35～65 ℃［15］;2)早白堊世時(shí)期的流體壓力梯度為15.0～20.0 MPa/km，降為現(xiàn)今的6.5～9.2 MPa/km，則下降了6.5～11.5 MPa/km［16］;3)因?yàn)榇嬖谌绱烁叩臏囟?、壓力下降梯度，及其所?dǎo)致的水蒸氣凝析成水，致使孔隙內(nèi)水蒸氣密度大為減少，而甲烷得以擴(kuò)散，比重降低，氣藏氣柱壓力降低，這才是負(fù)壓氣藏最主要的成因。

同時(shí)，通過(guò)研究認(rèn)為蘇里格氣田水蒸氣凝析成水的壓力環(huán)境約為22.5～31.5 MPa，是在孔隙度小于12%的致密儲(chǔ)層中進(jìn)行的，致密巖石的親水性常使裂隙、孔隙的水膜加厚，或形成具束縛態(tài)的空間水，水相不連通，不能形成水柱壓力。只有在儲(chǔ)集層物性較好的情況下，凝析水在重力作用下才能重新聚集成“酸點(diǎn)”水，進(jìn)而孤立于盆地的局部砂體中。

4 結(jié)論

異常高溫高壓環(huán)境中，地層水以汽態(tài)和液態(tài)兩種形式存在，溫度、壓力的任何改變，都會(huì)改變汽相和液相的存在比例。高溫高壓油氣藏流體中混有蒸汽態(tài)的地層水，液態(tài)水以邊低水形式存在。生產(chǎn)過(guò)程中的產(chǎn)出水以凝析態(tài)為主，壓力下降會(huì)使油氣藏的邊底水加速蒸發(fā)，使其也以凝析態(tài)產(chǎn)出。

水蒸氣和甲烷一起造就了鄂爾多斯盆地上古生界的異常高壓力，其混容物在異常高壓的推動(dòng)下大規(guī)模擴(kuò)散，同時(shí)擴(kuò)散了溫度和壓力，使壓力封存箱內(nèi)的勢(shì)場(chǎng)逐漸平衡，從而形成盆地級(jí)的高溫高壓氣藏，這時(shí)的氣藏具有最高的水蒸氣含量。抬升剝蝕期的溫度、壓力下降，促使氣藏中的水蒸氣液化，蒸汽水密度降低，甲烷氣濃度降低，氣柱壓力降低，從而形成盆地級(jí)的負(fù)壓氣藏?，F(xiàn)今的地層水以束縛態(tài)的加厚水膜、半束縛態(tài)的孔隙水存在為主，局部地區(qū)存在有層狀的“酸點(diǎn)”水。

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