库车坳陷克拉苏冲断带传递型超压的识别、计算及其主控因素

范昌育,王震亮,张凤奇

(1.西北大学大陆动力学国家重点实验室,陕西西安710069;2.西北大学地质学系,陕西西安710069; 3.西安石油大学地球科学与工程学院,陕西西安710065)

库车坳陷克拉苏冲断带传递型超压的识别、计算及其主控因素

范昌育1,2,王震亮1,2,张凤奇3

(1.西北大学大陆动力学国家重点实验室,陕西西安710069;2.西北大学地质学系,陕西西安710069; 3.西安石油大学地球科学与工程学院,陕西西安710065)

超压可在断裂的沟通作用下发生垂向传递,目前对于断裂传递型超压的识别、计算和预测研究还比较薄弱。分析此类超压的成因,修正前人关于垂向传递型超压识别方法,以库车坳陷克拉苏冲断带盐下断裂发育的超压地层为例,通过含气声速校正和浮力校正,识别盐下断裂传递型超压,近似计算传递量,最终分析影响该区断裂传递超压量的主控因素。结果表明:克拉苏冲断带的大北和克拉苏地区的盐下地层均不同程度存在超压传递现象;超压的传递量在大北地区大北3井为24.10 MPa,在吐北2井为26.35 MPa,克拉苏地区的克拉2井平均为16.47 MPa,由断裂传递所产生的超压约占实测总过剩压力的50%;超压的传递量主要受断裂的断距、倾角及断裂穿越地层的过剩压力梯度的综合影响,是三者乘积的综合效应。

超压;过剩压力梯度;断裂传递型超压;克拉苏冲断带

国内外学者对断裂传递型超压的发现及形成机制都进行过不同程度的探讨和研究。国内学者最早将这类超压归为“他源高压”的一种类型[1],认为开启断裂的连通作用是在浅部地层内形成极高超压的机制之一[1-2]。在中国莺歌海盆地浅部地层内,发现了由于近垂直断裂幕式开启而引起的这类超压,并认为具有高水动力传导能力的开启断裂会造成不同过剩压力地层间压力的快速调整,致使在原先较低过剩压力(或压力正常)的浅部地层内形成较高的超压[3]。需要说明的是,正常压力地层由于封闭性较差,在和浅层承压水连通的情况下,较高过剩压力地层向这类地层传递压力时压力很快平衡到静水压力。因此,断裂在正常压力地层中的传递增压为瞬时增压。国外学者也认为超压不是一成不变的,而是一个可以通过断层或裂缝传递的瞬时的水力学现象[4-5]。地层中超压的形成机制很多,往往现今实测压力是各种超压合成或遭破坏后释放的结果。如何利用常规的测井、测试等资料识别出断裂传递型超压并进行定量计算,成为分析这类超压成因及其结果后亟待解决的问题。前人对断裂传递型超压的研究,多限于定性的机制讨论和初步识别,而如何定量计算和预测的研究还比较薄弱。因此,笔者修正前人对这类超压的识别方法,以库车坳陷克拉苏冲断带为例,对这类超压进行识别、定量计算和影响因素分析。

1 断裂传递型超压

地层中的超压体系往往是不连通的,在极端条件下,如超压蓄积到一定程度后随破裂裂缝的产生单个超压体将被破坏或多个超压体将合并成一个超压体系。特别是在断裂作用下,静止期侧向封闭的断裂带内易于孕育超压,超压的不断蓄积可降低断裂带的摩擦系数,进而诱发断裂的再次活动,而活动期开启的断裂,断裂带及与其连通地层中的超压体也会连通合并。

在沉积盆地中,当深、浅部地层存在过剩压力差时,断裂经常会连通深、浅部的超压体,使得压力趋于新的平衡,最终达到平衡所需要的时间与断裂的输导性、纵向的过剩压力差或过剩压力梯度及断裂垂向持续开启的时间有关。但是,只要开启断裂的深、浅部存在过剩压力差,地层中的压力体系就会被调整。一般当流体压力梯度大于静水压力梯度时,压力向上传递,导致浅部压力的增加,深部超压减小。最终,当各超压体连通后,压力平衡时,超压压力梯度为静水压力梯度,且体系内过剩压力相同(图1)。对于此类由于断裂的沟通作用而传递的超压,称为断裂传递型超压。

图1 断裂传递型超压形成过程及其结果分析示意图Fig.1 Sketch map of formation processing and result of overpressure transferred by fault

2 断裂传递型超压的识别

2.1 识别方法

由之前的分析可知,超压体之间通过断裂传递后,会增加低超压体内的压力。由Terzaghi方程[6]:

式中,S为上覆负荷;δ为有效应力;P为流体压力。可知,在上覆负荷不变的情况下,流体压力的增加会减小超压层段有效应力,但造成孔隙的膨大量却很小,特别是深部地层。另外,孔隙流体的膨胀增压也会产生以上效应。

据此分析,在排除其他干扰因素的情况下可以利用地层声速值和有效应力值的交汇图识别这类超压。声速值在常见测井曲线中就可获得(声波时差的倒数);有效应力值可利用Terzaghi方程结合现今实测地层压力计算。

基于以上原理,Tingay等[5]利用地层声速和有效应力图解法进行了文莱盆地内这类超压的识别,但其模型存在问题,本次研究中进行了修正(图2)。首先,进行了声速与有效应力关系的推导。由细粒沉积物的孔隙度与深度的关系为

式中,φ为孔隙度;φ0为地表孔隙度;c为压实系数; z为埋深。与式(1)联合求解可以得出

由于孔隙度φ与声波时差具有正相关性,因此式(3)中φ-1与声速也存在正比关系,而φ-1与有效应力δ的关系代表了声速与有效应力的关系。由式(3)可以看出,二者呈指数关系,而非Tingay等给出的对数关系(图2)。

超压的传递和流体的膨胀增压会在局部形成微裂缝,提高孔隙的连通性,降低岩石的弹性模量,进而造成声波在岩石中的传播速度小幅降低。因此,由断裂传递的超压或流体膨胀增压的点,将与有效应力轴近似平行向声速的小幅降低和有效应力的大幅降低的方向偏移出加载曲线(AB段)。不仅如此,当被传递的流体为天然气时,含气和浮力作用会分别造成声波速度的减小(BD段)和传递压力的增大(BC段),需要进行实测压力的含气和浮力校正(图2)。

图2 声波速度与垂向有效应力交汇图中断裂传递型超压的识别Fig.2 Identification of overpressure transferred by fault in crossplot of acoustic wave velocity and vertical effective stress

需要说明的是,挤压作用引起的超压由于与垂向欠压实作用引起的超压机制本质相同,所以此种超压作用造成的声波速度和有效应力的变化也应在图2中加载曲线上。

2.2 克拉苏冲断带断裂传递型超压的识别

2.2.1 研究区的地质背景

库车坳陷位于塔里木盆地的北缘,是在古生代被动陆缘和中生代陆内坳陷基础上发育起来的一个新生代陆内前陆盆地(图3)。新生代由北而南库车坳陷发生逆冲推覆变形传递,变形强度逐渐减弱,变形层次逐渐变浅,反映了阶梯状冲断层断面的特点。伴随冲断推覆构造不断向前陆传递,沉积中心不断迁移,前陆沉积一直延伸到塔中北缘隆起。自北而南库车坳陷构造带依次发育:北部单斜带、克拉苏—依奇克里克冲断带、秋里塔格构造带、前缘隆起4个构造带及乌什凹陷、拜城凹陷、阳霞凹陷(图3)。本次研究区为克拉苏冲断带,位于库车坳陷中西部山前单斜带与拜城凹陷夹持的区域,面积约5334 km2(图3)。

库车前陆克拉苏冲断带古近系库姆格列木组盐下地层断裂发育,且普遍存在超压,钻井过程中出现严重的井涌现象造成钻井事故,影响钻井进程。对该超压的成因,已有欠压实、天然气充注、构造挤压增压[7-8]等认识,而对断裂传递型超压的存在性未进行深入研究。研究区盐下地层基本不存在热异常现象,不存在温度升高引起的流体膨胀超压。

研究区深层中下侏罗统煤系烃源岩中生成的天然气经断裂垂向运移到白垩系,形成了大面积含气储层,现今白垩系地层实测压力点大部分含气,因此需要进行含气的声速和天然气浮力校正,之后才能进行上述方法的判别和计算。

图3 库车坳陷构造单元划分及克拉苏冲断带位置Fig.3 Structure units of Kuqa depression and the position of Kelasu thrust belt

2.2.2 含气层的声速校正

利用实测压力点相应的实测孔隙度,结合应用效果显示其比威利公式精确,法国道达尔石油公司测井分析家提出的计算纯含地层水的砂岩孔隙度的公式——声波地层因素[9]公式为

式中,φ为纯含地层水的砂岩孔隙度;Δtma为砂岩骨架声波时差,研究区砂岩骨架声波值为177.63 μs/ m;Δt为砂岩地层的声波时差;x为岩性指数,砂岩取1.6。由式(4)可以反推出纯含水砂岩地层的声波时差值。对于没有实测孔隙度的实测压力点,通过大北和克拉苏地区的含气砂岩声波时差与实测孔隙度之间关系的分析,发现二者具有良好的线性关系,相关系数达到了0.875(图4)。利用此关系可计算出这些压力实测点的孔隙度。从校正结果来看,克拉2井声波时差值受天然气的影响最大,平均校正值为21.63 μs/m,其他井声波时差受天然气影响相对较小,平均校正值为13.77 μs/m,而这与砂岩的含气饱和度密切相关。

2.2.3 浮力校正

在实测压力点的含气砂岩内,一定高度的气柱会产生浮力,夸大断裂传递压力的大小(图2),因此在识别和计算断裂传递压力前必须进行浮力的校正。

从大北和克拉苏地区最新的储量报告中收集了现今这些气藏的气水界面数据,计算气柱高度,结合浮力的计算公式,

F=(ρw-ρg)gh.(5)式中,ρw为地层水密度,大北地区为1.10 g/cm3,克拉苏地区为1.02 g/cm3;ρg为天然气密度;g为重力加速度;h为气柱高度。其中天然气的密度需要根据Schowalter[10]提出的公式计算,即

式中,M为视平均分子量;p为地层压力;T为地层温度;Z为真实气体压缩因子,通过查Nomograph图获取。天然气平均密度大北地区为0.283 g/cm3,克拉苏地区为0.264 g/cm3。从校正结果来看克拉2井的浮力校正值较高,一般大于2 MPa。

图4 克拉苏构造带含气砂岩实测孔隙度与声波时差关系Fig.4 Relationship of measured porosity of bearing gas sandstone and acoustic travel-time in Kelasu tectonic zone

2.2.4 识别结果

利用以上方法,经过声速和浮力校正后,对克拉苏冲断带的大北和克拉苏地区的3口井进行判别。结果表明,大北地区的大北3井、吐北2井及克拉苏地区克拉2井深部超压通过断裂发生垂向传递的现象比较明显(图5)。

3 断裂传递型超压的计算

由之前的分析可知,断裂传递型超压会引起被增压段有效应力的减小,而减小量(图2中BA′段)恰好等于传递的超压值。声速与有效应力的指数关系为

式中,Vs为声速;δ为有效应力;a、b均为常数,与实际散点的分布有关。基于此可以近似得出断裂传递型超压ΔPt(图2中BB′段)的计算公式为

式中,δt为利用实测压力所计算的有效应力;Vs为实测压力点声速;c、d均为常数,与实际散点的分布有关。利用此关系可计算出各单井断裂传递超压值。

图5 克拉苏冲断带单井断裂传递压力判别Fig.5 Differentiate of overpressure transferred by fault in single well,Kelasu thrust belt

在超压识别的基础上对克拉苏冲断带各单井传递超压量进行计算,综合对比研究区前人关于欠压实增压、构造加压增压结果[7,11],断裂传递超压量及占实测总过剩压力的比例分别为:大北3井为24.10 MPa,48.27%;吐北2井为26.35 MPa,58.50%;克拉2井平均为16.47 MPa,42.23%(表1)。

断裂类似于一个活动阀[12-14],克拉苏冲断带地区盐下地层断裂和超压体都很发育,大部分断裂形成并活动于喜马拉雅运动时期,而在喜马拉雅运动的早期,库车组沉积期末,盐下地层欠压实作用形成的超压体就已普遍分布。静止期侧向封闭的断层易于孕育超压,一旦断层活动,流体将沿断层发生快速涌流;之后随着断裂带内裂缝产生和流体的注入,深部流体压力逐渐降低,直到静止期断裂带在压实、胶结作用下重新封闭为止;随后断裂带内流体压力的重新升高和胶结物的产生降低了断层再次活动的摩擦系数,之后重复以上过程,直到深浅部压力平衡,过剩压力相同,形成一个压力系统为止。随断裂在幕式活动中启闭性的交替,断裂-流体-超压间的相互作用频繁发生,在克拉苏冲断带产生了占实测总过剩压力约50%的超压。

表1 克拉苏冲断带断裂传递超压占实测总过剩压力的比例Table 1 Proportion of overpressure transferred by fault in total measurement overpressure in Kelasu thrust belt

4 断裂传递型超压的主控因素

研究中统计可能影响盐下断裂传递超压大小的断裂倾角(α)、断距(D)及受断裂切割的深、浅地层在断裂活动前的过剩压力差梯度(▽P),传递超压主要为单井计算结果在断裂上的投影点的压力,因此在平面上只代表沿断裂走向某一点的传递压力而非整个断裂的传递压力。垂向过剩压力差为断裂活动前的过剩压力差。

对断裂传递超压与断距、断层倾角及垂向过剩压力差梯度进行相关性分析(图6),结果发现三者的乘积(Dα▽P)与断裂传递超压(ΔPt)具有良好的相关性。这说明断裂传递超压值既与体现断层活动强度的断距、倾角相关也与体现深浅部压力差的垂向过剩压力梯度相关,是三者的综合效应。

图6 克拉苏冲断带断裂传递超压与断距、断层倾角、过剩压力梯度三者乘积的关系Fig.6 Relationship of overpressure transferred by fault(ΔPt)and product of fault throw(D),dip angle(α)and vertical overpressure gradient (▽P)in Kelasu thrust belt

5 结 论

(1)深、浅部地层存在过剩压力差时,在断裂的沟通作用下各超压体会发生从高过剩压力向低过剩压力的传递,形成断裂传递型超压。

(2)当超压压力梯度为静水压力梯度时,压力的传递停止,各超压体将被合并为一个超压体。相比对声速的影响,超压的传递会造成地层有效应力的较大降低,因此在含气和浮力校正的基础上可利用地层声速与有效应力图解法识别出超压的传递现象,而超压的传递量近似等于地层有效应力的减小量。

(3)以克拉苏冲断带为例,通过断裂传递型超压的判别、计算和主控因素的分析发现,克拉苏冲断带由断裂传递所产生的超压几乎占实测总过剩压力的约50%,而超压的传递量主要受断裂断距、倾角及断层活动前地层的过剩压力梯度的综合影响。

致谢研究过程中得到中国石油勘探开发研究院宋岩教授、赵孟军高工、柳少波高工、孟庆洋博士、鲁雪松博士等给予的指导和建议,塔里木油田公司勘探开发研究院提供的帮助与支持,在此一并表示感谢!

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(编辑 徐会永)

Identification,calculation and main controlling factors of overpressure transferred by fault in Kelasu thrust belt of Kuqa depression

FAN Chang-yu1,2,WANG Zhen-liang1,2,ZHANG Feng-qi3
(1.State Key Laboratory for Continental Dynamics,Northwest University,Xiıan 710069,China; 2.Department of Geology,Northwest University,Xiıan 710069,China; 3.School of Earth Sciences and Engineering,Xiıan Shiyou University,Xiıan 710065,China)

Overpressure can be transferred vertically by fault.Studies of identification,calculation and prediction of overpressure transferred by fault,however remain currently underdeveloped.The origin of this type of overpressure was analyzed, and earlier identification methods of the overpressure were modified.Taking an example of the fault development stratum bearing overpressure under salinastone in Kelasu thrust belt of Kuqa depression,overpressure transferred by fault was identified under salinastone after applying corrections due to acoustic velocity by gas bearing and buoyancy.The amount of transferred overpressure was calculated.Finally,the major controlling factors of transferred overpressure were analyzed in the study area.The results show that variable degrees of overpressure transferred by fault exist in Dabei and Kelasu area of Kelasu thrust belt.The amount of overpressure transferred by fault is about 24.10 MPa in well Dabei 3,26.35 MPa in well Tubei 2,and 16.47 MPa in well Kela 2.The overpressure transferred by fault accounts for 50 percent of the total measured overpressure,and is mainly influenced by multiplied effects of fault throw,fault dip angle and overpressure gradient in the stratum cut by faults.

overpressure;overpressure gradient;overpressure transferred by fault;Kelasu thrust belt

TE 121

:A

1673-5005(2014)03-0032-07

10.3969/j.issn.1673-5005.2014.03.005

2013-11-12

国家自然科学基金项目(41302098);国家科技重大专项(2011ZX05003001-003);西北大学引进人才科研项目(PR12107)

范昌育(1982-),男,讲师,博士,主要从事油气运移成藏相关方面的研究。E-mail:fancy@nwu.edu.cn。