庫車坳陷克拉蘇沖斷帶傳遞型超壓的識別、計算及其主控因素

范昌育,王震亮,張鳳奇

(1.西北大學大陸動力學國家重點實驗室,陜西西安710069;2.西北大學地質學系,陜西西安710069; 3.西安石油大學地球科學與工程學院,陜西西安710065)

庫車坳陷克拉蘇沖斷帶傳遞型超壓的識別、計算及其主控因素

范昌育1,2,王震亮1,2,張鳳奇3

(1.西北大學大陸動力學國家重點實驗室,陜西西安710069;2.西北大學地質學系,陜西西安710069; 3.西安石油大學地球科學與工程學院,陜西西安710065)

超壓可在斷裂的溝通作用下發生垂向傳遞,目前對于斷裂傳遞型超壓的識別、計算和預測研究還比較薄弱。分析此類超壓的成因,修正前人關于垂向傳遞型超壓識別方法,以庫車坳陷克拉蘇沖斷帶鹽下斷裂發育的超壓地層為例,通過含氣聲速校正和浮力校正,識別鹽下斷裂傳遞型超壓,近似計算傳遞量,最終分析影響該區斷裂傳遞超壓量的主控因素。結果表明:克拉蘇沖斷帶的大北和克拉蘇地區的鹽下地層均不同程度存在超壓傳遞現象;超壓的傳遞量在大北地區大北3井為24.10 MPa,在吐北2井為26.35 MPa,克拉蘇地區的克拉2井平均為16.47 MPa,由斷裂傳遞所產生的超壓約占實測總過剩壓力的50%;超壓的傳遞量主要受斷裂的斷距、傾角及斷裂穿越地層的過剩壓力梯度的綜合影響,是三者乘積的綜合效應。

超壓;過剩壓力梯度;斷裂傳遞型超壓;克拉蘇沖斷帶

國內外學者對斷裂傳遞型超壓的發現及形成機制都進行過不同程度的探討和研究。國內學者最早將這類超壓歸為“他源高壓”的一種類型[1],認為開啟斷裂的連通作用是在淺部地層內形成極高超壓的機制之一[1-2]。在中國鶯歌海盆地淺部地層內,發現了由于近垂直斷裂幕式開啟而引起的這類超壓,并認為具有高水動力傳導能力的開啟斷裂會造成不同過剩壓力地層間壓力的快速調整,致使在原先較低過剩壓力(或壓力正常)的淺部地層內形成較高的超壓[3]。需要說明的是,正常壓力地層由于封閉性較差,在和淺層承壓水連通的情況下,較高過剩壓力地層向這類地層傳遞壓力時壓力很快平衡到靜水壓力。因此,斷裂在正常壓力地層中的傳遞增壓為瞬時增壓。國外學者也認為超壓不是一成不變的,而是一個可以通過斷層或裂縫傳遞的瞬時的水力學現象[4-5]。地層中超壓的形成機制很多,往往現今實測壓力是各種超壓合成或遭破壞后釋放的結果。如何利用常規的測井、測試等資料識別出斷裂傳遞型超壓并進行定量計算,成為分析這類超壓成因及其結果后亟待解決的問題。前人對斷裂傳遞型超壓的研究,多限于定性的機制討論和初步識別,而如何定量計算和預測的研究還比較薄弱。因此,筆者修正前人對這類超壓的識別方法,以庫車坳陷克拉蘇沖斷帶為例,對這類超壓進行識別、定量計算和影響因素分析。

1 斷裂傳遞型超壓

地層中的超壓體系往往是不連通的,在極端條件下,如超壓蓄積到一定程度后隨破裂裂縫的產生單個超壓體將被破壞或多個超壓體將合并成一個超壓體系。特別是在斷裂作用下,靜止期側向封閉的斷裂帶內易于孕育超壓,超壓的不斷蓄積可降低斷裂帶的摩擦系數,進而誘發斷裂的再次活動,而活動期開啟的斷裂,斷裂帶及與其連通地層中的超壓體也會連通合并。

在沉積盆地中,當深、淺部地層存在過剩壓力差時,斷裂經常會連通深、淺部的超壓體,使得壓力趨于新的平衡,最終達到平衡所需要的時間與斷裂的輸導性、縱向的過剩壓力差或過剩壓力梯度及斷裂垂向持續開啟的時間有關。但是,只要開啟斷裂的深、淺部存在過剩壓力差,地層中的壓力體系就會被調整。一般當流體壓力梯度大于靜水壓力梯度時,壓力向上傳遞,導致淺部壓力的增加,深部超壓減小。最終,當各超壓體連通后,壓力平衡時,超壓壓力梯度為靜水壓力梯度,且體系內過剩壓力相同(圖1)。對于此類由于斷裂的溝通作用而傳遞的超壓,稱為斷裂傳遞型超壓。

圖1 斷裂傳遞型超壓形成過程及其結果分析示意圖Fig.1 Sketch map of formation processing and result of overpressure transferred by fault

2 斷裂傳遞型超壓的識別

2.1 識別方法

由之前的分析可知,超壓體之間通過斷裂傳遞后,會增加低超壓體內的壓力。由Terzaghi方程[6]:

式中,S為上覆負荷;δ為有效應力;P為流體壓力。可知,在上覆負荷不變的情況下,流體壓力的增加會減小超壓層段有效應力,但造成孔隙的膨大量卻很小,特別是深部地層。另外,孔隙流體的膨脹增壓也會產生以上效應。

據此分析,在排除其他干擾因素的情況下可以利用地層聲速值和有效應力值的交匯圖識別這類超壓。聲速值在常見測井曲線中就可獲得(聲波時差的倒數);有效應力值可利用Terzaghi方程結合現今實測地層壓力計算。

基于以上原理,Tingay等[5]利用地層聲速和有效應力圖解法進行了文萊盆地內這類超壓的識別,但其模型存在問題,本次研究中進行了修正(圖2)。首先,進行了聲速與有效應力關系的推導。由細粒沉積物的孔隙度與深度的關系為

式中,φ為孔隙度;φ0為地表孔隙度;c為壓實系數; z為埋深。與式(1)聯合求解可以得出

由于孔隙度φ與聲波時差具有正相關性,因此式(3)中φ-1與聲速也存在正比關系,而φ-1與有效應力δ的關系代表了聲速與有效應力的關系。由式(3)可以看出,二者呈指數關系,而非Tingay等給出的對數關系(圖2)。

超壓的傳遞和流體的膨脹增壓會在局部形成微裂縫,提高孔隙的連通性,降低巖石的彈性模量,進而造成聲波在巖石中的傳播速度小幅降低。因此,由斷裂傳遞的超壓或流體膨脹增壓的點,將與有效應力軸近似平行向聲速的小幅降低和有效應力的大幅降低的方向偏移出加載曲線(AB段)。不僅如此,當被傳遞的流體為天然氣時,含氣和浮力作用會分別造成聲波速度的減小(BD段)和傳遞壓力的增大(BC段),需要進行實測壓力的含氣和浮力校正(圖2)。

圖2 聲波速度與垂向有效應力交匯圖中斷裂傳遞型超壓的識別Fig.2 Identification of overpressure transferred by fault in crossplot of acoustic wave velocity and vertical effective stress

需要說明的是,擠壓作用引起的超壓由于與垂向欠壓實作用引起的超壓機制本質相同,所以此種超壓作用造成的聲波速度和有效應力的變化也應在圖2中加載曲線上。

2.2 克拉蘇沖斷帶斷裂傳遞型超壓的識別

2.2.1 研究區的地質背景

庫車坳陷位于塔里木盆地的北緣,是在古生代被動陸緣和中生代陸內坳陷基礎上發育起來的一個新生代陸內前陸盆地(圖3)。新生代由北而南庫車坳陷發生逆沖推覆變形傳遞,變形強度逐漸減弱,變形層次逐漸變淺,反映了階梯狀沖斷層斷面的特點。伴隨沖斷推覆構造不斷向前陸傳遞,沉積中心不斷遷移,前陸沉積一直延伸到塔中北緣隆起。自北而南庫車坳陷構造帶依次發育:北部單斜帶、克拉蘇—依奇克里克沖斷帶、秋里塔格構造帶、前緣隆起4個構造帶及烏什凹陷、拜城凹陷、陽霞凹陷(圖3)。本次研究區為克拉蘇沖斷帶,位于庫車坳陷中西部山前單斜帶與拜城凹陷夾持的區域,面積約5334 km2(圖3)。

庫車前陸克拉蘇沖斷帶古近系庫姆格列木組鹽下地層斷裂發育,且普遍存在超壓,鉆井過程中出現嚴重的井涌現象造成鉆井事故,影響鉆井進程。對該超壓的成因,已有欠壓實、天然氣充注、構造擠壓增壓[7-8]等認識,而對斷裂傳遞型超壓的存在性未進行深入研究。研究區鹽下地層基本不存在熱異常現象,不存在溫度升高引起的流體膨脹超壓。

研究區深層中下侏羅統煤系烴源巖中生成的天然氣經斷裂垂向運移到白堊系,形成了大面積含氣儲層,現今白堊系地層實測壓力點大部分含氣,因此需要進行含氣的聲速和天然氣浮力校正,之后才能進行上述方法的判別和計算。

圖3 庫車坳陷構造單元劃分及克拉蘇沖斷帶位置Fig.3 Structure units of Kuqa depression and the position of Kelasu thrust belt

2.2.2 含氣層的聲速校正

利用實測壓力點相應的實測孔隙度,結合應用效果顯示其比威利公式精確,法國道達爾石油公司測井分析家提出的計算純含地層水的砂巖孔隙度的公式——聲波地層因素[9]公式為

式中,φ為純含地層水的砂巖孔隙度;Δtma為砂巖骨架聲波時差,研究區砂巖骨架聲波值為177.63 μs/ m;Δt為砂巖地層的聲波時差;x為巖性指數,砂巖取1.6。由式(4)可以反推出純含水砂巖地層的聲波時差值。對于沒有實測孔隙度的實測壓力點,通過大北和克拉蘇地區的含氣砂巖聲波時差與實測孔隙度之間關系的分析,發現二者具有良好的線性關系,相關系數達到了0.875(圖4)。利用此關系可計算出這些壓力實測點的孔隙度。從校正結果來看,克拉2井聲波時差值受天然氣的影響最大,平均校正值為21.63 μs/m,其他井聲波時差受天然氣影響相對較小,平均校正值為13.77 μs/m,而這與砂巖的含氣飽和度密切相關。

2.2.3 浮力校正

在實測壓力點的含氣砂巖內,一定高度的氣柱會產生浮力,夸大斷裂傳遞壓力的大小(圖2),因此在識別和計算斷裂傳遞壓力前必須進行浮力的校正。

從大北和克拉蘇地區最新的儲量報告中收集了現今這些氣藏的氣水界面數據,計算氣柱高度,結合浮力的計算公式,

F=(ρw-ρg)gh.(5)式中,ρw為地層水密度,大北地區為1.10 g/cm3,克拉蘇地區為1.02 g/cm3;ρg為天然氣密度;g為重力加速度;h為氣柱高度。其中天然氣的密度需要根據Schowalter[10]提出的公式計算,即

式中,M為視平均分子量;p為地層壓力;T為地層溫度;Z為真實氣體壓縮因子,通過查Nomograph圖獲取。天然氣平均密度大北地區為0.283 g/cm3,克拉蘇地區為0.264 g/cm3。從校正結果來看克拉2井的浮力校正值較高,一般大于2 MPa。

圖4 克拉蘇構造帶含氣砂巖實測孔隙度與聲波時差關系Fig.4 Relationship of measured porosity of bearing gas sandstone and acoustic travel-time in Kelasu tectonic zone

2.2.4 識別結果

利用以上方法,經過聲速和浮力校正后,對克拉蘇沖斷帶的大北和克拉蘇地區的3口井進行判別。結果表明,大北地區的大北3井、吐北2井及克拉蘇地區克拉2井深部超壓通過斷裂發生垂向傳遞的現象比較明顯(圖5)。

3 斷裂傳遞型超壓的計算

由之前的分析可知,斷裂傳遞型超壓會引起被增壓段有效應力的減小,而減小量(圖2中BA′段)恰好等于傳遞的超壓值。聲速與有效應力的指數關系為

式中,Vs為聲速;δ為有效應力;a、b均為常數,與實際散點的分布有關。基于此可以近似得出斷裂傳遞型超壓ΔPt(圖2中BB′段)的計算公式為

式中,δt為利用實測壓力所計算的有效應力;Vs為實測壓力點聲速;c、d均為常數,與實際散點的分布有關。利用此關系可計算出各單井斷裂傳遞超壓值。

圖5 克拉蘇沖斷帶單井斷裂傳遞壓力判別Fig.5 Differentiate of overpressure transferred by fault in single well,Kelasu thrust belt

在超壓識別的基礎上對克拉蘇沖斷帶各單井傳遞超壓量進行計算,綜合對比研究區前人關于欠壓實增壓、構造加壓增壓結果[7,11],斷裂傳遞超壓量及占實測總過剩壓力的比例分別為:大北3井為24.10 MPa,48.27%;吐北2井為26.35 MPa,58.50%;克拉2井平均為16.47 MPa,42.23%(表1)。

斷裂類似于一個活動閥[12-14],克拉蘇沖斷帶地區鹽下地層斷裂和超壓體都很發育,大部分斷裂形成并活動于喜馬拉雅運動時期,而在喜馬拉雅運動的早期,庫車組沉積期末,鹽下地層欠壓實作用形成的超壓體就已普遍分布。靜止期側向封閉的斷層易于孕育超壓,一旦斷層活動,流體將沿斷層發生快速涌流;之后隨著斷裂帶內裂縫產生和流體的注入,深部流體壓力逐漸降低,直到靜止期斷裂帶在壓實、膠結作用下重新封閉為止;隨后斷裂帶內流體壓力的重新升高和膠結物的產生降低了斷層再次活動的摩擦系數,之后重復以上過程,直到深淺部壓力平衡,過剩壓力相同,形成一個壓力系統為止。隨斷裂在幕式活動中啟閉性的交替,斷裂-流體-超壓間的相互作用頻繁發生,在克拉蘇沖斷帶產生了占實測總過剩壓力約50%的超壓。

表1 克拉蘇沖斷帶斷裂傳遞超壓占實測總過剩壓力的比例Table 1 Proportion of overpressure transferred by fault in total measurement overpressure in Kelasu thrust belt

4 斷裂傳遞型超壓的主控因素

研究中統計可能影響鹽下斷裂傳遞超壓大小的斷裂傾角(α)、斷距(D)及受斷裂切割的深、淺地層在斷裂活動前的過剩壓力差梯度(▽P),傳遞超壓主要為單井計算結果在斷裂上的投影點的壓力,因此在平面上只代表沿斷裂走向某一點的傳遞壓力而非整個斷裂的傳遞壓力。垂向過剩壓力差為斷裂活動前的過剩壓力差。

對斷裂傳遞超壓與斷距、斷層傾角及垂向過剩壓力差梯度進行相關性分析(圖6),結果發現三者的乘積(Dα▽P)與斷裂傳遞超壓(ΔPt)具有良好的相關性。這說明斷裂傳遞超壓值既與體現斷層活動強度的斷距、傾角相關也與體現深淺部壓力差的垂向過剩壓力梯度相關,是三者的綜合效應。

圖6 克拉蘇沖斷帶斷裂傳遞超壓與斷距、斷層傾角、過剩壓力梯度三者乘積的關系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 結 論

(1)深、淺部地層存在過剩壓力差時,在斷裂的溝通作用下各超壓體會發生從高過剩壓力向低過剩壓力的傳遞,形成斷裂傳遞型超壓。

(2)當超壓壓力梯度為靜水壓力梯度時,壓力的傳遞停止,各超壓體將被合并為一個超壓體。相比對聲速的影響,超壓的傳遞會造成地層有效應力的較大降低,因此在含氣和浮力校正的基礎上可利用地層聲速與有效應力圖解法識別出超壓的傳遞現象,而超壓的傳遞量近似等于地層有效應力的減小量。

(3)以克拉蘇沖斷帶為例,通過斷裂傳遞型超壓的判別、計算和主控因素的分析發現,克拉蘇沖斷帶由斷裂傳遞所產生的超壓幾乎占實測總過剩壓力的約50%,而超壓的傳遞量主要受斷裂斷距、傾角及斷層活動前地層的過剩壓力梯度的綜合影響。

致謝研究過程中得到中國石油勘探開發研究院宋巖教授、趙孟軍高工、柳少波高工、孟慶洋博士、魯雪松博士等給予的指導和建議,塔里木油田公司勘探開發研究院提供的幫助與支持,在此一并表示感謝!

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(編輯 徐會永)

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,Xi?an 710069,China; 2.Department of Geology,Northwest University,Xi?an 710069,China; 3.School of Earth Sciences and Engineering,Xi?an Shiyou University,Xi?an 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

國家自然科學基金項目(41302098);國家科技重大專項(2011ZX05003001-003);西北大學引進人才科研項目(PR12107)

范昌育(1982-),男,講師,博士,主要從事油氣運移成藏相關方面的研究。E-mail:fancy@nwu.edu.cn。