地层压力与地层温度.docx

第七章地层压力与地层温度主要内容一、 有关地层压力的概念二、 异常地层压力研究三、 油层压力研究四、 地层温度研究五、 油气藏驱动类型地层压力与地层温度是开发油气田的能量，也是油气田开发中重要的基础参 数油气藏地层压力和温度的高低，不仅决定着油气等流体的性质，还决定着油 气田开发的方式、油气开采的技术特点与经济成本，以及最终的采收率因此， 对一个油气田来说，在勘探阶段以至整个开发过程中，都非常重视地层压力和温 度这两个基础参数的获取第一节有关地层压力的概念压力的单位是帕，符号是Pa°1Pa是指1m2面积上受到1N的力时形成的压 力即：1Pa= 1N/m21MPa=103KPa=106Pa1MPa=10.194kgf/cm2或 1kgf/cm2=98.067kPa粗略计算时，可认为1kgf/cm2=100kPa=0.1MPa，其误差约为2%1、上覆岩层压力（地静压力）上覆岩石骨架和孔隙空间流体的总重量所引起的压力其值的大小与上 覆岩层的厚度、骨架密度和孔隙流体密度有关单位为MPaP = H p g上覆岩层压力梯度':单位岩柱高的压力单位为MPa/mr PG = 00 H据统计，第三纪岩层的平均压力梯度为0. 0231MPa/m （密度测井）；碎屑岩岩 层的最大压力梯度为0.031MPa/m ;浅层的岩层压力梯度一般小于0.031MPa/m。

2、静水压力（流体静压力）液柱重量所产生的压力其大小与液体的密度和液柱的高度有关，而与液 体的形状和大小无关P = h p g静水压力梯度：单位液柱高度的压力值八 PG = h ~ 0.1p由于水的密度一般为1X103kg/m3，所以，静水压力梯度约为0.01MPa/m3. 地层压力作用于岩层孔隙空间内流体上的压力，又称为孔隙流体压力常用Pf表示含油、气区内的地层压力称为油层压力或气层压力地层压力全部由流体本身所承担油气层未被钻开之前，油层内各处的地层 压力保持相对平衡状态一旦油气层被钻开并投入开采，油气层压力的平衡状态 遭到破坏，在油气层压力与井底压力之间产生的压差作用下，油气层内的流体就 会流向井筒，有时甚至喷出到地面自喷采油，到后期，压力释放较多后不能 自喷，注水、抽油机采油）地层压力梯度：又称孔隙流体压力梯度，指单位深度的流体压力值，用Gf 表示其值的大小与地层所处的地质条件有关G Pff H静水压力PH、上覆岩层压力Po和地层压力Pf三者之间的关系：a、 地层渗透性能良好，与地表水相连通：此时流体承担的压力（地层压力） 即为连通孔隙中的静水压力：Pf= PH，相应地Gf = GH。

而上覆岩层压力Po 全部由岩石基质来承担b、 地层渗透性能较好，但上下左右均被不渗透的隔层所隔，呈透镜体状： 此时流体所承担的压力最终要和上覆地层压力趋于平衡，即：Pf = Po，或Gf = Goc、 地层渗透性能较差，且岩性非均质性较强，孔隙水与地表水有连通，但 其连通性不好，流体可缓慢渗透，处于一种半封闭状态：此时上覆岩层压力由孔 隙流体和岩层基质共同负担，这种情况下的地层压力是小于上覆岩层压力而大于 静水压力的即：PH V Pf V Po 或 GH V Gf V Go第二节异常地层压力研究对沉积盆地中异常高压的研究，世界范围都给予了足够的重视理论上，它 完善了成油晚期学说，正是异常高压的存在，使得原本在晚期由于压实作用而致 密的储层保持了异常高的孔隙度，使油气的运移和聚集成为可能；勘探中，由于 高效（或有效）源岩、有效储层、较高能量等各成藏的有利因素是相伴出现的， 对异常高压的预测实际上就是对有利成藏区段的圈定我国东部地区下第三系盆地，从水力作用上讲，都属于压实流盆地，纵向上 都具有三个水力系统：上部浅层淡水系统（2000m以内），中层含盐正常压力系 统（2000—3500m）和深层（3500m以下）超压系统。

因此，深层异常压力系统 的研究十分重要另一方面，深层油气储层由于受到复杂的成岩作用影响，对其有利储集空间 发育规律的研究尤为重要国内外的研究和勘探表明，次生孔隙的发育是深层油 气储集的主体，其发育区段和发育程度受控于欠压实泥岩的发育或异常孔隙流体 压力的存在与盆地构造、沉积具有一定的协调性，共同控制着油气生成、运移 和聚集因此，研究深层异常压力的时空演化和分布规律，指导勘探目标的确定， 评价有利的储层区段分布，具有重要的指导意义另外，能够为目标钻探、科学 钻井提供压力预测剖面，指导钻井泥浆设计，有效地保护油层一、 异常地层压力的概念异常地层压力是相对于正常地层压力而言的在正常压实条件下，地层压力一般用同深度的静水柱压力来表示正常地层 压力就是指从地表到目的层中部的静水压力或流体静压力但是由于地下诸多因素的影响，造成地层压力常常不等于静水柱压力通常 把偏离静水柱压力的地层孔隙流体压力称之为异常地层压力，或称压力异常异常分为两种情况：高异常、低异常为了反映地下地层压力的性质和大小，国内常采用压力系数ap来表示ap :实测地层压力与同深度静水压力的比值即：p P~ Hap = 1，Pf = PH ：正常地层压力；ap VI，PfVPH :低压异常；ap >1，Pf>PH :高压异常；a p >> 1:超高压异常。

同样，为了反映异常地层压力的性质和大小，国外常采用压力梯度Gp来表 示，即每增加1m地层的深度，地层压力的变化值Gp = 0.01MPa/m时：正常地层压力；Gp > 0.01MPa/m时：高压异常；Gp V 0.01MPa/m时：低压异常一般地，2000m以上，属正常地层压力；2000m以下地层压力开始出现异常二、 异常地层压力的形成机理1、异常高压的形成机理(1) 欠压实这是目前比较流行的一种成因解释，世界上一些沉积盆地中的异常高压主要 是由于沉积物，特别是泥页岩沉积物的压实作用所引起的按照地层压力的平衡 关系：S=Pf+ Z式中：S为上覆岩层压力（包括岩石骨架和其中的流体）；Pf为目的层孔隙流体压力；oZ为目的层骨架所承受的垂直应力在一个开放的压实环境下，当由于上覆岩层重量所造成的目的层压实量与目 的层孔隙向外界排出的流体量相平衡时，目的层孔隙压力保持正常压力而当目 的层埋藏达到一定深度时，其孔隙性和渗透率皆降低到不能以压实的速率排液 时，必然造成压力升高形成异常高压即地层出现欠压实这种欠压实和异常高 压的产生可用Terzagh模型进行很好的解释在盛满水的圆筒中，每隔一定距离安置一块孔板，孔板与孔板之间用弹簧支 撑，孔板与筒壁之间接触很严密，水不能通过。

孔板：代表地层的孔、渗性；弹簧：代表岩层的固体骨架载荷：上覆岩层压力；水：地层流体；圆筒顶部有一加压装置，模拟上覆岩层压力加上载荷时，弹簧受压而缩短， 孔板随之下降，此时，水通过孔板向上流动，其流动速度与孔板的渗透性好环和 上部所加载荷的大小有关在加压过程中，通过接在圆筒底部的压力计，我们可以观察压力的变化情况：A、 如果孔板渗透性很好，水能从其中快速通过，则所加载荷全部由弹簧承 担，压力表指针始终保持静水柱压力不变B、 如果孔板渗透性差，水不能尽快地通过孔板，则所加载荷必然就有一部 分由水来承担，压力表上的读数就会升高，但是，经过一定时间后，水还是可以 缓慢通过孔板的，最后达到平衡状态显然，随着水的流出弹簧被压缩，最后， 载荷又全部由弹簧来承担此时，压力表指针读数又恢复到原来静水柱压力的位 置C、 如果最上一层孔板为不渗透的隔板时，水不能流出，则所加载荷将分别 由弹簧和水所共同承受，这时，压力表上指针将指向高于静水柱压力的刻度，并 且不再下降这种高于静水柱压力的压力就是高异常地层压力上述这种情况，相当于储层四周都为泥页岩、岩盐或膏岩所封闭时，在上覆 沉积物压力作用下，粘土孔隙中的水不能充分地排出，使粘土处于欠压实状态， 结果就导致了高压异常的形成。

可见，形成高压异常的关键是储层处于隔绝或封闭状态，至少流体受围岩严 格控制不易渗流出来，使之处于一种欠压实状态2) 矿物脱水在成岩作用过程中，有些矿物会脱出层间水和析出结晶水，增加储层中流体 的数量，引起压力升高如粘土矿物中常常含有大量的蒙脱石，而这些蒙脱石则含有大量的晶格层间 水和吸附水，随着沉积物不断地增加，埋深不断加大，地层温度也不断升高，当 温度达到蒙脱石的脱水门限温度时，蒙脱石将释放大量的晶格层间水和吸附水， 并向伊利石转化如果这种排水被限制在一个封闭的体系中，这些被释放出来的 水就在粘土孔隙中积蓄起来，必然造成地层孔隙压力的升高，形成异常高压通 常，蒙脱石的脱水作用是与页岩的欠压实作用同时出现的1967年，保厄斯用湾岸地区的资料说明：蒙脱石向伊利石的转化开始于6000 英尺的深度，且向深处转化的速度不断增加，通常，到了 9000~12000英尺的地 方基本上就没有蒙脱石的存在了又如，石膏向无水石膏转化时会析出大量的水：CaSO4・2H2O = CaSO2 + 2H2O若这一过程发生在封闭的地质环境中，这些水积蓄起来就增加了地层中孔隙 流体压力，从而造成高压异常3) 水热增压世界钻探经验表明：异常高压地带总是伴随着异常高温地带出现。

随着埋深增加而不断升高的温度会引起岩层骨架及孔隙流体的膨胀，但后者 远大于前者温度增加可以促使孔隙水的运移，当热膨胀引起的流体运移由于流 体被阻挡而无法逸出时，孔隙流体压力将升高，而产生高压异常另外，温度升高还可引起岩石中流体相态的变化，析出CO2等气体，温度升 高到一定程度还可引起油页岩中干酪根发生热裂解，生成烃类气体等若这一过 程发生在封闭的地质环境中，这些气体的产生将提高系统的压力而形成高压异 常如美国路易斯安那湾岸地区的一个资料：当地下平均地温梯度为25°C/km 时，温度每增加1°C,地层压力就增加15.8kg/cm2，所以说，温度升高常常会伴 随着压力的增大，温度对压力的影响是不容忽视的4） 烃类的生成目前，生烃作用被认为是形成超压的最重要因素在逐渐埋深期间，沉积物 中的有机质在一定条件下（一般认为温度达到93.3C，生油母质R0>0.6%，生气 母质R0>0.7%或更大时）转化为烃类的过程是引起异常高压的重要因素有机物 转化成烃（尤其是低分子烃类）的反应使流体体积增加；另外，烃类生成中所生 成的物质和水在一起，在地层中变单相流动为多相流动时，其两种流体渗透率之 和降低到单相流动时的1/10 （Chapman，1972）。

在封闭的地质环境中，由于体 积的增加和流体渗透率的降低，从而导致地层孔隙压力的升高，形成异常高压许多研究（Meissner，1981； Momper， 1978； Tissot， 1984）表明，与烃类 生成有关的超压产生的破裂是烃类从源岩中运移出来进入储集层的主要原因当 源岩中的有机质或圈闭在储集层中的油转变成甲烷时，引起相当大的体积增加， 在良好的封闭条件下能产生极高的地层压力，驱使流体发生流动在有效封闭存 在的地方，不断生成的甲烷能将压力升高到超过静岩压力，从而使封闭层破裂并 导致流体通过封闭层渗漏甲烷的生成对异常压力的产生是一个潜在的高效机 制，尤其是在与源岩有密切联系的岩石中连续的甲烷生成能产生如此巨大的压 力，以致于封闭层不能无限期地存在，它们将或者不断地出现渗漏，或者周期性 地发生破裂和渗漏，即所谓的“幕式”排烃理论5） 古压力在被块状、致密的不渗透岩石完全封闭的古老储层中，在构造作用下被抬升 到浅部，其中的压力相对于浅部显然是超压。