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石油地质基础知识

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石油 地质 基础知识
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石油地质基础知识 一、 概述 地下油气资源被埋藏在地壳范围内不同深度的岩层之中。在这里,地壳是指固定地球的最外一层岩石圈,它由各种矿物和岩石构成,是地质学家和测井工作者的主要研究对象。 地壳物质是由各种化学元素的单质或化合物组成的,并以矿物的形态出现。矿物在各种地质作用下形成的天然集合体称为岩石。地质作用是指导致地壳岩石的物质成分、内部构造和外部构造形态不断发生变化的自然作用过程。在地壳上部广泛分布着各种层状岩石,包括沉积岩、火成岩、 及其变质岩,这些层状的岩石统称为岩层。而地层则是在一定地质时期内所形成的岩层或岩石的总称。地层具有明确的地质时代概念,通常是对沉积岩曾而言,它以其岩石的某些特征或性质一致与邻层相区别。地层和岩石,都是地壳发展历史的物质记录。 在地质历史的每一个阶段,地球表面都有一套相应的地层形成;石油和天然气就是储藏在不同时代地层的岩石空隙之中。例如,在四川发现的天然气就储藏在古生代(界)形成的石灰岩和白云岩地层中,而大庆油田和胜利油田开采的油气主要储藏在中、新生代沉积的碎屑岩地层中。 二、 地址构造及岩层产状 地质构造是指各地 质时期内在地壳中形成的地质体(如沉积岩体、侵入岩体和变质岩体等)或岩层本身所具有的各种形态特征。它主要是由内动力地质作用的地壳运动(也叫构造运动)引起的。地质构造分为褶皱构造和断裂构造两类。油气藏的形成与分布是受地质构造控制的。 原始产状的岩层在地壳运动作用下所形成的一系列连续的弯曲,称为褶皱构造,如图 2示。褶皱构造中的每一个单独弯曲(向上或向下),均为褶皱构造的一个基本单位,称为褶皱曲。褶皱是由两个或两个以上的褶曲组成的。 褶曲的基本类型有两种: ( 1) 背斜。岩层向上拱起。核部是较老的地层 ,两翼由较新的地层组成,而且两翼的新地层对称重复出现在较老的岩层两侧,两翼地层产状相背倾斜。如图 2示。 ( 2) 向斜。岩层向下弯曲,核部是较新的地层,两翼由较老的地层组成,而且两翼地层对称重复出现在较新的岩层两侧,两翼地层产状成相向倾斜。如图 2示。 背斜褶曲是油气聚集的主要构造部位,在油区内,一个背斜就可能成为一个油气田。 岩石受力后发生形变,当所受到的构造应力达到或超过岩石的强度极限是,便产生了破裂面或位移,于是形成断裂构造。 按断裂面两侧岩体(块)是否发生了明显位移,断裂构造可 分为两种类型:裂缝和断层。沿破裂面两侧的岩石无明显相对位移的称为裂缝;沿着破裂面两侧的岩石发生了明显相对位移的称为断层。断裂构造既可作为油气在地壳中运移的通道,又可作为油气储集的空间,在一定地质条件下还可起封闭作用。这种特点成为油气田勘探和开发工作中的重点研究内容,也是测井解释中常遇到的实际问题。在裂缝发育广泛的致密碳酸盐岩地层中,裂缝带可作为良好的储油气层,甚至形成高产油气田。如盛产石油的中东地区,我国的四川、华北等地区。 倾斜岩层是指原始水平的岩层,由于受到地壳运动的影响而发 生了倾斜,使岩层的层面与水平面呈一定角度的岩层。 岩层的产状是指层状岩石在地层中产生的空间状态,通常是对倾斜岩层而言的。一般用岩层面的几何要素来表示倾斜岩层的产状,即走向、倾角和倾向。如图 2示。 走向 ─ 岩层面与水平面的交线称为走向线,它向两端水平延伸的方向就是岩层的走向(图 2 一般用方位角表示岩层的走向。 倾角 ─ 岩层面与水平面的最大夹角,也就是岩层的倾斜线和它在水平面上的投影线之间的夹角,即岩层的真倾角。 倾向 ─ 垂直于岩层走向线并沿着倾斜面向下引出的直线成为倾斜线(图 2 ,它在水平面上的投影线所指的方向,就是岩层的倾向,用方位角表示。 在覆盖区地下岩层的产状,主要是利用物探、钻井、测井等资料来确定。任何岩层的厚度都是有上、下两个岩层界面之间的距离的大小所决定的,不论是水平岩层或倾斜岩层,其顶面和底面之间的最短距离就是它的真实厚度。在钻井或测井中所得岩层的厚度,一般是指 某岩层的井深厚度,又称铅垂(直)厚度,它不代表该岩层的真实厚度,而是岩层顶、底界面之间铅垂方向的距离。对于水平岩层,井深厚度等于真实厚度;对于倾斜岩层则称为视厚度。真实厚度与视厚度的关系可表示为: 真实厚度( h) =铅垂厚度( H) × 式中, α 为岩层针倾角。 再地形地貌上,把四周高中间低的平洼地区成为盆地。再地质历史时期中,那些曾经不断下降,接受沉积的洼陷区域称为沉积盆地;凡是在地质构造上具有盆地类型的地区,都称为构造盆地。实际上,这两类盆地是相互联系在一起的,如果在其中发现了具有工业一样的油气田,或者在地质时期中有利于油气的生成和聚集,就可视作含油气盆地。为此,我们可以把含油气盆地理解为:在一定的地质历 史时期内,受同一构造格局控制的、具有共同发展历史和共同油气分布规律的统一沉降区域。含油气盆地的规模可以很大也可以很小,相差悬殊。 一个盆地内构造单元的划分,应在充分考虑沉积特点的同时,从油气田勘探角度出发,最大限度地反映含油气的有利地区。把含油气盆地作为整体,一般将其内部构造单元划分为三级:一级构造单元包括隆起、坳陷和斜坡;二级构造单元包括二级构造带(长垣、背斜带、断裂带、单斜带、扰曲带、潜山带、超覆尖灭带等)和洼陷;三级构造单元包括各类褶曲和断块。对于断裂作用较强的大型盆地,又常在上述一级和二级单元之间插 入亚一级构造单元,即凸起和凹陷。 三、 岩石的一般知识 地壳中的岩石,根据它们的成因部同,可分为三大类: 1. 岩浆岩(火成岩) 在地壳运动或岩浆活动等内动力地质作用的影响下,地下深处的岩浆侵入地壳或喷达地表,其温度和压力逐渐下降,经过冷却、凝固、结晶而形成的岩石,成为岩浆岩,也叫火成岩。 2. 变质岩 地壳中原来的岩石(岩浆岩、沉积岩和变质岩),由于受到变质作用的影响,使其在固体状态下发生了变化,所形成的新的岩石称变质岩。其岩性特征,既有继承性,又含有变质矿物。 3. 沉积岩 沉积岩是指在地壳表层条件下,主要有母岩的风化产物,经 过搬运、沉积及成岩作用而形成的一类层状岩石。也就是说外力地质作用的最终结果,形成了沉积 岩及沉淀矿产。 “外力地质作用”是指由地球范围以外的太阳辐射能,日、月引力能,重力能等所产生的地质作用。例如,太阳的辐射能引起大气圈、水圈、生物圈的物质循环运动,形成风、雨、流水、冰川等地质应力,并产生各种外力地质作用。 4. 沉积岩及其矿产的形成 沉积岩及其矿产的形成包括母岩风化产物的形成、搬运、沉积、成岩过程以及沉积岩石的后期变化。 沉积岩在成岩过程中还要发生一系列重大变化,在这个成岩过程及其演化的过程中,许多由价值的矿产 将随之形成,特别是石油和天然气,以及作为石油与天然气储集空间的孔、洞、缝,都是在次过程中形成的。 5. 常见沉积岩石的类型 石油钻井和测井中常见的各类沉积岩石由: ( 1)碎屑岩。碎屑岩是地壳中分布广、数量多的一类沉积 岩,它是主要的储油岩石之一。我国至今发现的油气田,多数为碎屑沉积的砂岩储集油气。碎屑岩包括“正常碎屑岩”和由火山作用产生的碎屑物质堆积而成的“火山碎屑岩”两类。 ( 2)粘土岩。粘土岩是由粘土矿物和粒径小于 碎屑物质组成的沉积岩石。粘土岩因其颗粒太细,一般不能成为储油岩石,而是良好的生油层 和盖层。含有大量有机质的黑色粘土岩,是重要的生油岩石;具有一定厚度的粘土岩也可作为油气藏的盖层。 ( 3) 碳酸盐岩。碳酸盐岩是化学岩及生物化学岩类中的一类,它主要是由方解石(3白云石   23碳酸盐矿物组成的沉积岩石。碳酸盐岩既是重要的生油层,又是重要的储油岩。有资料表明,碳酸盐岩油气田的储量约占世界石油总储量的 其产量约占世界石油及天然气总产量的 60%,有着广泛的发展远景。 四、 沉积相 1. 沉积相概念 沉积相亦称岩相,简称相。 它是指在一定的沉积环境及在该环境中形成的沉积物(岩)特征的综合。完整的、准确的沉积相概念包括了两层含义:一是反映了沉积岩和化石的特征;二是揭示了一定的沉积环境。通过对在地壳中保留下来的沉积地层和古生物化石的研究分 析,可以推断沉积物形成时的环境;一定的沉积环境可以形成特定的地层岩石类型及古生物化石组合。 在油气田勘探和开发过程中,确定含油地区,分析生油岩层、储油岩层及其盖层的组合及分布变化情况,尤其是储集层的特征及油气藏的类型,均离不开对沉积岩形成环境的分析和研究。目前已开始利用测井手段来研究和确定个地质历史 时期的沉积相问题。 2. 沉积相类型及各相特点 不同的沉积相形成于不同的沉积环境。在沉积环境中起决定作用的是自然地理条件,故可将自然地理条件作为划分沉积相类型的主要依据。按照自然地理条件的不同,一般把沉积相分为三大基本类型,即陆相、海相、过渡相。与之相应的地层则分别称为:陆相地层、海相地层、过渡相地层,各相还可再分为更小的亚相。 ( 1)陆相沉积的特点。陆相沉积的共同特点是:形成条件复杂、沉积类型多、岩性变化较大。陆相沉积的岩石以碎屑岩和粘土岩为主,含较多的陆相不稳定矿物,如高岭石等,缺乏海绿石、磷酸盐等典型等海相 矿物。岩石的矿物组成,以复杂矿物为主,单矿物少见;碎屑物多具棱角、分选性差。层理类型很多,如蚌、螺、叶肢介、脊椎动物、昆虫、成煤植物等。 陆相沉积的另一特点是沉积物的搬运距离不远,离母岩较近或直接覆盖在母岩区上,常形成风化壳或红土层,故容易查明母岩区的性质和位置。在陆相沉积中与油气关系比较密切的是河流相和湖泊相。 ( 2)海相。海洋沉积物的性质,随气候、生物活动、古地理环境等因素的不同而异。一般说来,海洋沉积是以化学岩、生物化学岩和粘土岩为主,碎屑岩次之。在化学岩和生物化学岩中,又主要是以碳酸盐岩为主,其次为 硅质岩以及铁、锰、铝、磷质岩等,碎屑岩多为单成分砾岩以及石英砂岩等,其分选和磨圆度均好。海相沉积的分布有一定规律,由海岸到海洋中心,碎屑岩粒度由粗变细,直至粘土岩的沉积,沉积环境也由氧化变成还原,生物造岩作用减弱,底栖生物减少,海藻遗体消失(图 2 海洋沉积的另一特点是面积广大,层位稳定;在沉积物中常有海绿石等,还有丰富的生物化石,如有孔虫、腹足类、珊瑚、海百合、海藻等。在相当大的地区范围内,同一层位的岩性、古生物及地球化学特征等变化都很小,易于作区域地层对比。海相沉积既具备良好的生油条件,又具备良 好的储油条件,对油气田勘探具有重要意义。 ( 4) 海陆过渡相。在海洋和陆地交互的地带形成。过渡相 沉积厚度很大,一般为几百米,有时达千米以上,沉积物种类较多,横向岩性变化较大。在沉积物中,陆生植物、淡水动物和海生物遗体混杂在一起。比较重要的过渡相是泻湖相和三角洲相,特别是三角洲相的含油意义尤其重要。 五、 石油、天然气及其水 实践证明,自然界中的石油大部分是伴随着天然气和油田水而共存在一起的,作为流体,在同一储集构造系统中,油田水以不可分割的整体与油气共同存在于由空隙的岩石之中。通常情况下,天然气字最高部位,石油在中间, 下部是油田水。 石油是一种以液体形态存在于地下岩石空隙中的具有流动性和可燃性的有机矿产。它表现为比水稠,但比水轻的油脂状液体,多呈褐黑色,化学上它是以碳氢化合物为主体的复杂的混合物。在地下液态石油中,通常溶有相当速两的气态烃和固体烃,还混有极少量的悬浮物,多具有芳香气味。通常,石油没有确定的化学成分和物理常数。 天然气从广义上讲,是指自然界中一切自然生成的气体,包括油田气、气田气、煤田气、沼泽气、火山气、二氧化碳等,都叫天然气。在石油地质学中所指的天然气是指与石油有相似产状的,通常以烃类为 主的可燃气体,是与石油伴生的油田气、凝析气和气田气等,它们通常以甲烷为主,次为乙烷、丙烷和丁烷。 )田水 油(气)田水是指在油气田区域范围内与油气藏有密切联系的地下水。因此,研究油田水的物理化学性质及其水动力学特征,对于认识油气藏的形成和保存条件,指导油气田的勘探与开发,均有重要意义;尤其是油田水的深度、压力及含盐度变化等,对钻井过程中的工程措施及测井方法的运用和测井资料的解释,都是极其重要的。 ( 1) 油田水的产状。按地下水的存在状态,油田水的产状有三种形式: 1) 呈薄膜状吸附在岩石颗粒表面上的吸附水,它不 能自由流动。 2) 储存在岩石毛细管孔隙和裂缝中的束缚水,它一般也不能自由流动。 3)存在于岩石超毛细管孔隙 、裂缝、空洞中的自由水,它在重力作用下就能自由流动。 在储集流体的岩层内部,根据油田水与油气分布的相对位置,可把油田水分为底水、边水和夹层水(图 2 底水是从油(气)层底部承托着油(气)的水,其油 ―水(或气―水)界面仅与油(气)底层面相交 ,如图 2a);边水是聚集在油(气)底处,仅分布于油(气)层边缘部分且包围着油(气)的水,其油 ― 水(或气 ― 水)界面与油(气)层底、底面相交,如图 2b) ;夹层水是被夹在同一油气层系中的薄而分布不大的地下水,如图 2c)所示。 ( 2)油田水的矿化度。矿化度是测井资料解释经常使用的一个概念。水的总矿化度是指水中各种离子、分子和化合物的总含量,通常用 来表示其总含量的大小。与油气有关的水,一般都具有高矿化度特征,这是由于油田水埋藏在地下深处,长期处于停滞状态,缺乏循环交替所致。通常情况下,海相沉积的油田水,其矿化度比陆相高;碳酸盐岩储集层的油田水,其矿化度比碎屑岩储集层的高;埋藏深的比埋藏浅的地层水矿化度高。 六、 石油和天然气的生成 1. 生成油气的原始物质 有机学说的核心是油气是由有机物质生成的。这些有机物质就是海洋或湖泊中的动、植物遗体,以及经流水或冰川搬运至沉积区中堆积下来的陆地上的有机物质。形成沉积物中有机质的最重要的生物由四种,即漂移植物,浮游动物、高等植物和细菌。其中有些低等生物的产量很高,如藻类、有孔虫、介形虫等。 生物死亡以后,大部分被分解、氧化散失或被其他动物吞食,仅有少部分得到沉积和保存下来。其中被沉积在粘土岩中的有机质平均含量最高,其次是碳酸盐岩和细粒砂岩中较高。这些生物有机体中的大量脂肪、蛋白质、碳水化合物、色素和木质素等有机化合物,特别是类脂物质,都是形成油气最重要的原始物质。 2. 有利于油气生成的地质环境和基本条件 有利的地质环境必须满足两个方面。一是适于低等生物的大量繁殖和堆积;二是适于有机物质的保存并向油气转化的地区。油气生成的基本条件包括有利的古地理环境;有利的大地构造条件,有利于有机物质向油气转化的物理化学条件等。 3. 有机质演化为油气的过程 可把有机质演化为油气的过程,划分为油气生成的三个阶段: ( 1)有机质生物化学改造阶段(初期生气阶段)。在沉积物成岩作用的初期,由于埋藏浅,细菌发育,使有机质在细菌作用下发生分解。此阶段以生物化学改 造为主要作用方式,所形成的主要产物是干酪根和一定数量的伴生天然气及少量的液态烃类。 ( 2) 有机质热催化作用阶段(主要生油阶段)。在成岩作用的早、中期阶段,随着埋藏深度的继续增加,细菌作用减弱。由于地热升高,以干酪根为主要类型的有机质在温度、压力以及催化剂等作用下,发生热催化降解和聚合加氢的转化作用。此阶段不仅由气态烃,而且主要是有大量的液态烃生成,因此成为主要的生油阶段。 ( 3) 有机质热裂解成气阶段(晚期生气阶段)。在成岩后生作用的晚期阶段,有机质承受的温度和压力继续增高,因而发生深度热裂解,使已生成的液态烃大量减少, 而气态烃急剧增加,成为热裂解生气阶段。 总的来说,油气的生成必须具备两个根本条件:一是要有大量的有机物质;二是要有适于有机物质堆积、保存并向油气转化的客观条件,这两者缺一不可。只要具备了这两个条件,不论是海相的,还是陆相的沉积盆地,都能生成丰富的石油和天然气。
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