Question

优质烃源岩排烃机制及排烃模式

Answer 1

（一）盆地排烃动力发育特征及形成机制

异常地层压力作为烃类排驱的主要驱动力，控制盆地内烃类的运移方向。因此，异常压力成因机制研究一直是含油气盆地分析和成藏研究中的重要组成部分。中国东部盆地压力场分布及其成因机制具有一定的相似性，下面以东营凹陷为例进行说明。

东营凹陷地层压力场总体上具有多层结构的特点，在压力深度剖面上，大致可分为三段：正常压力段，埋藏深度小于2200～2500m；压力过渡段，埋藏深度2500～3000m，部分钻孔开始出现异常压力，但压力系数仍相对较低，一般为0.92～1.27；异常高压力段，埋藏深度大于3000m，绝大部分钻孔存在异常高压，压力系数很高，最高可达到1.80以上（图2-36）。东营凹陷超压系统主要存在以下特点：①平面上压力分布呈环带状分布，压力峰值区一般处于

亚段、

亚段和

亚段顶部优质烃源层内部；②超压系统的顶封闭层大致以Es₃中亚段上部的大套泥岩段的顶部为界，底界尚不清楚，推测为Es₄下部的盐膏层段，而斜坡带与洼陷带之间的二级控盆断层往往充当了超压系统的侧面边界；③在超压系统顶界附近，剩余压力增长迅速，其中又以洼陷带最为明显，其压力增长速率有时可接近或超过静岩压力梯度；④烃源岩与其相邻的储集层压力分布相似，表明烃源岩是压力源，压力是由烃源岩往储集层传递的。

图2-36 东营断陷盆地地层压力、粘土矿物和残余油饱和度随深度的变化

从残余油饱和度随深度的变化趋势来看（图2-36），东营凹陷烃源岩生烃演化与超压的形成具有非常好的相关性，综合分析认为有机质生烃作用是异常高压形成的主要机制，主要依据如下：①干酪根生烃使原本固态的干酪根生成活动的流体（主要包括液态、气态烃类和CO₂），生烃过程流体体积可增加25%。根据模拟研究，济阳坳陷烃源岩在低成熟—成熟阶段仅干酪根的累积生成CO₂量即可达200m³/t。②生烃过程中伴生的大量CO₂会引起碳酸盐矿物的溶解、迁移和沉淀，产生有效的封隔层，进而阻碍流体的排出而产生异常高压。③随着液态和气态烃类的生成，烃源岩含烃饱和度逐渐增加，流体体系逐渐由单相流体系向多相流体系转化，因此使毛细封盖层活化。毛细盖层对含烃流体具有较高的封盖效率，可近似看作具完全封盖能力，因而压力迅速升高。根据地层压力系统特征及其封盖层特征，可将东营凹陷划分为3个成藏动力系统，即浅部的常压开放系统、深部的超压封闭系统以及其间的压力封盖系统，各个系统由于油气来源、生储盖组合等的差异，造成油气的运移机制、油藏类型和成藏模式等也各具特点。

（二）烃源岩微裂隙发育特征

大量研究表明，微裂隙在烃源岩排烃过程中发挥了重要的作用。近年来，随着泥岩裂缝油气藏的发现和烃源岩排烃研究的需要，泥岩裂缝和微裂隙研究也有了一定进展。从岩心观察着手，结合荧光显微镜分析技术和测井资料，对微裂隙母岩、形态、产状、充填物以及纵向上的分布等特征进行了系统分析，并探讨了其与烃源岩排烃的关系。

顺层或低角度裂隙：该类裂隙以顺层分布为主，很少切穿母岩纹层；裂隙中大多为次生亮晶方解石所充填，其晶体呈梳状排列，长轴方向一般垂直于纹层面，与周围的母岩纹层呈突变接触，表明其次生成因（图2-37）。在裂隙发育层段，裂隙的丰度非常高，据估算，部分层段亮晶方解石的总体厚度可占到岩心总厚度的40%以上。根据对岩心手标本的观察，该类型的微裂隙主要见于沙三段下亚段、沙四段上亚段优质烃源岩中，其中以缺氧相最为发育，在间歇充氧相中出现机率差异较大，而在低氧相和充氧相中较为少见。裂隙发育段具有较高的有机碳含量，而裂隙不发育段有机碳含量相对较低，两者的有机碳界线大致在2.0%～4.0%之间。因此，裂隙的发育与高有机质丰度有直接或间接的联系。上述顺层微裂隙的发育特征，与富有机质的Posidonia页岩微裂隙极为相似（Littke等，1988），说明富有机质的纹层泥质岩中顺层微裂隙的发育可能具有一定的普遍性。

图2-37 顺层微裂隙的镜下特征

A—坨142，3292，沙四段上亚段；B—河130井，3245.53m，沙三段下亚段，黄色荧光，×200

此外，顺层微裂隙广泛发育于济阳坳陷各个凹陷的深洼陷带，出现的顶界深度一般为2900～3000m。结合烃源岩生烃演化分析可见，裂隙的起始发育深度与咸化环境优质烃源岩达到成熟阶段并快速生烃的时期基本吻合。Vernik（1994）也认为，与垂直层面的裂隙相比，这种顺层裂隙与烃源岩的热演化、生烃过程和初次运移的关系往往更为密切。在荧光显微镜下观察，在梳状方解石晶体边缘和晶体内部有时可见到大量石油包裹体，呈现出亮黄色荧光，表明裂隙曾经充当了油气运移的通道。

根据该类微裂隙的发育与烃源岩的岩性、有机质丰度以及成熟度的关系分析，有机质生烃是顺层微裂隙形成的主要原因。优质烃源岩埋深达到2900～3000m以后进入成熟阶段，开始大量生烃。生烃过程体积增加，加之温度升高引起的水热增容等效应，使烃源岩孔隙内压力迅速升高，并超过岩石的抗破裂强度，导致了微裂隙的产生。烃源岩微裂隙形成以后发生的排烃过程造成裂隙中流体压力下降，碳酸盐逐渐达到过饱和而形成次生方解石的沉淀。另外，从微裂隙的结构、构造特征来看，微裂隙既不存在分叉现象，也不存在相互切割现象，也基本可能排除构造裂缝的可能。

垂向或高角度裂隙：该类裂隙产状多为垂直层面方向或与层面具有较大交角，往往存在分叉、交切现象，有些呈羽状排列，多表现为张性裂隙，有时还存在溶蚀现象。这与济阳坳陷古近系地层整体上所处的张性环境是一致的。慈兴华等（2006）系统描述了沾化凹陷四扣洼陷的高角度张裂缝，其倾角在50°～80°之间，张开度为0.2～3.0cm，长度可达70cm，破裂面不平整，多数已被充填物完全充填或部分充填，如罗67井3301m、3448m见到这类裂缝。裂隙充填物较为复杂，矿物以颗粒状方解石、石膏、盐岩等次生矿物为主，并且经常为液态烃类浸染或含有固体沥青，如图2-38。

图2-38 济阳坳陷高角度裂隙的充填物特征

A—充填沥青和颗粒状方解石；B—充填盐岩颗粒；C—充填石膏、沥青、方解石和黄铁矿

与顺层微裂隙的发育不同，垂向裂隙的母岩虽以优质烃源岩为主，但又不局限于优质烃源岩，目前在油页岩、页岩、块状泥岩以及泥灰岩等各类岩石中均有所揭示。根据连续取心观察，发现脆性岩石中出现的机率较塑性岩石更高一些，一般说来，以斜坡带富含钙质碳酸盐的烃源岩最为发育。另外，许多垂向裂隙发育带的烃源岩中还伴生有大量低角度裂隙，分析认为是由于构造应力作用于各向异性较强的烃源岩造成的。裂缝常在洼陷的斜坡与平缓底部的过渡带、断层的末端和断层间的交汇处等地层产状变化较大的部位，该类裂缝往往较为富集，典型的如利89井、丰深1井、罗11井、大93井、樊41井等。上述特征表明张性裂缝与构造活动密切相关，裂缝的发育程度与构造部位有着很大关系。另外，该类裂缝在沙四段下亚段顶部盐间地层中也常有富集，典型的如丰深1井和梁107井沙四段下亚段。刘宏伟（2002）根据东濮凹陷中央隆起带盐间泥岩裂缝非常发育的特点，认为拱张作用对该类裂隙也有重要控制作用。

从埋藏深度来看，一般出现在埋深大于2500m之下，埋深大于3000m，其丰度逐渐增加，在埋藏深度接近4000m及更大的深度时，即使缺少断裂的存在，也能见到高丰度的该类裂隙，典型的如新利深1井。根据对烃源岩生成产物的分析，4000m大致对应着烃源岩生气量迅速增加的阶段，表明烃源岩生烃过程对该类裂隙也存在重要的控制作用，该类裂隙发育的地层往往对应着非常高的孔隙异常压力。

从济阳坳陷区内的垂向裂缝分布特征来看，裂缝形成受到断裂发育、流体超压和岩相三重控制（图2-39）。随着埋深的增加、生烃和粘土转化过程的进行，烃源岩力学性质逐渐由塑性向脆性转变，同时异常压力增高，异常流体压力可以大大降低作用在岩石颗粒上的有效应力，从而降低了岩石的抗破裂能力，在区域和局部应力场的作用下，在应力集中的部位，脆性岩石将会发生破裂，发生烃类的聚集并形成裂缝性油气藏。

图2-39 济阳坳陷咸化烃源岩成岩演化序列和成岩阶段的划分

（三）优质烃源岩排烃机制和排烃模式

根据烃源岩生烃过程、排烃相态演化、压力场特征及微裂隙发育的纵向演变，提出了咸化烃源岩的排烃动力学模式，将整个排烃过程划分为自由排水阶段、烃类和能量积累阶段和微裂隙排驱阶段（图2-40），下面首先以东营凹陷半咸化环境沙三段下亚段为例加以说明。

自由排水阶段，埋藏深度小于2200m，烃源岩处于未成熟阶段和稳定压实阶段。烃源岩含油饱和度低，排出的流体以水为主，流体排出的动力以压实过程产生的瞬间地层压力为主。烃类和能量积累阶段，埋藏深度2200～3000m，烃源岩处于低成熟阶段和突变压实阶段。烃源岩开始缓慢生烃，含油饱和度逐渐增加，但一般仍低于20%～30%，达不到游离烃相排油的临界饱和度。由于水和烃类多相流体的存在和毛细管封闭作用，异常压力开始出现。沙三下亚段生成低熟油的能力较差，排出的流体仍以水为主，可能含有少量低分子烃类。微裂隙排驱阶段，埋藏深度＞3000m，烃源岩处于成熟阶段和紧密压实阶段。由于进入生烃高峰期，烃源岩含油饱和度迅速增加并达到游离烃相排油的临界饱和度，随着地层流体压力的迅速升高和微裂隙的大量形成，烃源岩以混相涌流的形式发生大规模排烃。该阶段处于紧密压实阶段的后期，烃源岩中含水较少，排出的流体以石油烃类为主。

咸化环境沙四段与沙三段下亚段的排烃过程基本相同，其主要差异在于沙四段为咸化湖沉积，生烃过程早于沙三段下亚段。因而其排烃的主要差异在于沙四段埋藏深度＞2500m以后，即烃类和能量积累阶段的后期，烃源岩中生成的低熟油经过积累可以游离相排出，在一定情况下能形成工业性的石油聚集。

从以上分析可以看出，排烃是在持续埋藏增温、增压的背景条件下，烃源岩中的有机质、无机矿物和流体完成了一系列转化，异常压力得到积累后的一种必然结果。而烃源岩成烃演化、压实成岩作用和异常压力的形成与烃源岩的初次运移乃至其后的聚集成藏有着密切的联系。

图2-40 济阳坳陷咸化湖相优质烃源岩生排烃动力学模式

盆地范围压力封存箱及其演化对排烃过程也能产生明显影响。压力封存箱是一个相对稳定的系统，在其演化的大多数时间内以亚稳态存在，其封盖层的破裂，特别是厚度较大的泥质封盖层的破裂在构造稳定期是非常困难的。封盖层开启和烃类释放过程大致存在两种情况：一是构造相对稳定期，由于封存箱内压力的持续增加造成封盖层破裂和排烃；二是构造活动期断裂和断层的发生导致封盖层破裂和大规模排烃。

构造稳定期：从烃源岩熟化生烃的过程分析，在同一剖面中，最下部的烃源岩由于成熟度较高，一般会最先达到生烃门限和进入生烃高峰。在沉积特征和生烃条件比较相似的情况下，最下部的烃源岩将会最先形成异常高压带并导致微裂隙产生。对于不同层段来说，裂隙形成的序次是自下而上进行的。而对于同一层段的烃源岩来说，也是下部的烃源岩首先破裂。然而，由于烃源岩发育的非均质性和烃源岩质量的差异，裂隙发育并不完全遵从这种规律。如惠民凹陷的临南洼陷和车西洼陷，沙四段上亚段烃源岩较差，可能一直未产生裂隙。

在裂隙发展的早期阶段，裂隙发育的范围比较局限，厚度较小，压力和裂隙封存箱的规模较小。由于其上未发生裂隙的烃源岩层数多，厚度大，孔渗性差，形成非常好的封盖，很难仅仅依靠内部压力的聚集而被突破。而由于压力封存箱接近烃源岩体的底部，底部封盖层较薄，则可能因为异常压力超过烃源岩的排驱压力或产生垂向或高角度裂隙造成封盖层突破。封盖层一旦被突破，封存箱内的烃类较容易进入沙四段上亚段优质烃源岩（一般限于其上部）下部的滩坝砂体，顺烃源岩体的底面发生侧向运移。这些滩坝砂体虽厚度不大，但延伸范围较广，作为储集层虽然差一些，但可充当较好的疏导层。近年来深层隐蔽油气藏勘探表明，东营凹陷沙四段上亚段滩坝砂和孔店沙四段含油性较好。典型的如梁家楼-纯化斜坡带、博兴洼陷、牛庄洼陷南斜坡带沙四段上亚段和沙四段下亚段经常大面积含油。这些都是烃源岩向下排烃的有利证据。

随着含烃流体的排出，流体压力降低，裂隙将会重新愈合，开始新一轮烃类生成、能量和压力积累、封存箱破裂和排烃的过程。随着盆地沉积作用的进行，地层的埋深不断增加，熟化烃源岩体层位逐渐变新，异常高压带封隔层间歇性地发生压裂开启和闭合，封隔层和裂隙顶界的位置会不断地向上调整，直至烃源岩生烃作用完成。

构造活动期：实际上，泥质岩石的塑性较强，一个封闭的、独立的高压流体封存箱有时很难单纯依靠内部压力的聚集而被突破。因此许多石油地质学家认为，高压带内产生的以垂向裂隙为主的裂隙系统往往是构造活动时期的产物。

在构造活动期，根据应力判断，无论挤压还是拉张过程，均易于产生垂向或高角度断层，并伴生大量垂向或高角度裂隙、微裂隙。如果断裂期压力封存箱已经形成，则构造运动可导致封存箱盖层破裂，实现压力封存箱与外界储层的沟通。这种沟通一旦实现，在异常高压的驱动下，压力封存箱中聚集的烃类和其他流体将会以混相涌流的方式，迅速完成烃源岩的排烃和聚集成藏过程。构造活动期后，随着流体的排出和压力的降低，裂隙将会逐渐胶结和封闭，开始新的能量积累、压力释放和排烃过程。从该角度来看，无论构造稳定期，还是构造活动期，排烃过程都或多或少地呈现出幕式的特点，但显然构造活动期每一幕的排烃规模要大的多。

断层的排烃能力，即断层的通透性或封堵性主要受断层性质、规模、落差大小、断面形态及断层两盘储层接触关系、断面能否形成较大排驱压力的低渗带等多种因素的影响。

相对挤压性断层，张性断层更有利于排烃作用的进行，典型例子为东营凹陷中央隆起带，拉张性的断层导致烃源岩大量向上排出烃类。断层的规模越大，断距越大，断开的层位越多，则供油范围越大，排烃量也越彻底。对于大型的一、二级断层，由于断层带和断裂破碎带较宽，烃源岩复合体的上部或顶部封盖层很容易被破坏，烃源岩中的超压将会迅速得到释放，烃类的排出应以上排为主。

对于张性特征不明显或小型的断层，垂向疏导能力可能较为有限，排烃的过程则存在差别。在洼陷中心，几套烃源岩上部的封盖层很厚，断层两侧泥岩与泥岩接触，通透能力有限，可能只有偏上层段生成的部分烃类能突破盖层向上排出，而另一部分则发生侧向运移。在缺少侧向疏导体系的情况下，烃类还可向下排放，再侧向运移。因此向上运移的烃类一般具有偏上部烃源岩的油源特征，而向下排出的烃类则具有偏下部烃源岩的特征。