沾化凹陷渤南洼陷古近系壓力特征及成因機制

劉 華,蔣有錄,谷國翠,劉雅利,盧 浩

(1.中國石油大學地球科學與技術學院,山東青島 266580；2.中石化勝利油田有限公司物探院,山東東營, 257001； 3.中石化勝利油田有限公司地質(zhì)院,山東東營 257001)

沾化凹陷渤南洼陷古近系壓力特征及成因機制

劉 華1,蔣有錄1,谷國翠2,劉雅利3,盧 浩3

(1.中國石油大學地球科學與技術學院,山東青島 266580；2.中石化勝利油田有限公司物探院,山東東營, 257001； 3.中石化勝利油田有限公司地質(zhì)院,山東東營 257001)

根據(jù)實測壓力、泥巖聲波時差等資料,對沾化凹陷渤南洼陷地層壓力的分布特征、演化規(guī)律及其超壓形成機制進行分析。結果表明:渤南洼陷實測地層壓力隨深度的變化呈現(xiàn)明顯的“二臺階”式,第一臺階對應著2.35 km,該臺階之上表現(xiàn)為常壓,之下開始出現(xiàn)低幅度超壓；第二臺階對應地層埋深為3.0 km,該臺階之下超壓明顯,壓力系數(shù)可達1.8,其中沙三中下、沙四上亞段是異常高壓發(fā)育的主要層系；欠壓實和生烴作用是渤南洼陷異常壓力形成的主要原因,且超壓機制存在區(qū)域差異,中部斷階帶和南部緩坡帶表現(xiàn)出明顯的欠壓實現(xiàn)象,其深度范圍與超壓的第一臺階相對應；深洼帶超壓泥巖的密度則隨埋深的增加而增大,與成熟生烴范圍匹配較好,生烴作用是該區(qū)的主要增壓因素,且深度與第二臺階相對應；研究區(qū)欠壓實與生烴導致沙三段壓力的增加幅度不同,兩因素具有各自的增壓量化模型,導致地層壓力出現(xiàn)了“二臺階”的特征。

地層壓力；超壓成因；量化表征；渤南洼陷；沾化凹陷

世界油氣勘探結果表明,在絕大多數(shù)含油氣盆地中均發(fā)育不同程度的異常地層壓力[1-3]。由于異常壓力與油氣的生成、運移、聚集和分布等關系密切[4-8],因此地層壓力(尤其是超壓)的研究一直倍受關注。目前,研究成果多側重于現(xiàn)今地層壓力分布特征和超壓成因機制,先后提出了異常壓力的形成與泥巖欠壓實、礦物轉(zhuǎn)化脫水、生烴作用和構造變動等因素有關的觀點[4-5,9-11],其中普遍認為產(chǎn)生大規(guī)模超壓的主要因素是欠壓實增壓和生烴增壓。但是,針對兩種主要增壓機制的區(qū)分以及量化表征的研究成果較少,還未形成明確的觀點。筆者以超壓發(fā)育的渤南洼陷為例,通過分析洼陷內(nèi)壓力的特征及分布規(guī)律,利用單因素分析,明確欠壓實和生烴兩種超壓成因機制的特征及其分布,量化兩者的增壓貢獻,為該區(qū)油氣成藏研究奠定理論基礎。

1 地質(zhì)概況

渤南洼陷是沾化凹陷內(nèi)埋深最大的次級負向構造單元,具有北陡南緩、東陡西緩的斷陷湖盆特征；北以埕南斷裂帶與埕東凸起相接,南鄰陳家莊凸起斜坡帶,東以孤西斷層與孤北洼陷和孤島凸起相鄰,東南以墾西地壘與三合村洼陷、孤南洼陷相接；從南到北依次形成南部緩坡帶、渤深4斷階帶、渤南深洼帶和北部陡坡帶(圖1)。渤南洼陷是重要的油氣產(chǎn)區(qū),沙三中下及沙四上亞段為研究區(qū)兩套主要的烴源巖層系,也是目前發(fā)現(xiàn)油氣資源量最多的兩套層系,儲層超壓廣泛發(fā)育[12],超壓對研究區(qū)的油氣生成、運聚和分布具有重要的影響[6]。

圖1 渤南洼陷構造位置Fig.1 Sketch map of location of Bonan sag

2 地層壓力特征

根據(jù)657口井的實測地層壓力數(shù)據(jù),對渤南洼陷不同深度、不同層系以及不同構造部位的地層壓力特征進行分析。研究表明,渤南洼陷的地層壓力與深度出現(xiàn)了明顯的二臺階:第一臺階對應的地層埋深為2.35 km,該臺階之上,地層壓力與靜水壓力相一致,表現(xiàn)為常壓；該臺階之下,實測地層壓力偏離正常靜水壓力趨勢線出現(xiàn)了超壓特征,但是超壓幅度不大。第二臺階對應著地層埋深3.0 km,該臺階之下,地層實測壓力偏離靜水壓力趨勢線的幅度開始迅速加大,異常高壓十分明顯,壓力系數(shù)最高可達1. 8；4.20 km深度以下又趨于正常壓實,超壓現(xiàn)象消失(圖2)。超壓幅度較大的井主要位于沙三和沙四段,且超壓主要分布于渤南深洼帶和義和莊凸起附近的渤深4斷階帶,與生烴中心匹配性較好。

此外,渤南洼陷不同層系出現(xiàn)超壓的界面存在明顯差異。沙四段的超壓頂面深度在2.50 km附近,沙三段出現(xiàn)超壓的頂面深度約為2.80 km,沙二段則從3.0 km以下才開始發(fā)育超壓,而沙一段未出現(xiàn)明顯的異常壓力(圖3)。整體上,隨著層位的加深,超壓發(fā)育頂界面深度具有逐漸變小的趨勢,沙三段和沙四段是異常壓力發(fā)育的主要層位。綜合各層位的地層壓力和壓力系數(shù)可以看出,壓力的分布格局與洼陷的沉降中心和構造中心相匹配?？拷菹葜行奈恢?地層壓力明顯偏高；地勢向南逐漸變緩,地層壓力數(shù)值降低,到達羅家緩坡帶時,壓力系數(shù)接近于1。

3 聲波曲線特征

由于研究區(qū)實測地層壓力數(shù)據(jù)有限,并且縱向和橫向上連續(xù)性較差,難以滿足高精度地層壓力分布特征的研究要求。因此,本次依據(jù)聲波時差曲線特征對渤南洼陷的現(xiàn)今地層壓力特征進行補充分析。

研究區(qū)的單井聲波時差表現(xiàn)出明顯的旋回性特征。依據(jù)疊置方式及數(shù)量,可以劃分為單旋回型、雙旋回型和多旋回型3類。其中,單旋回型是指在壓力剖面上表現(xiàn)出單一的壓力旋回,如義107井(圖4 (a)),該類型在渤南洼陷較少見；雙旋回型指壓力剖面由兩個具有相同或相似壓力梯度的壓力旋回構成,如義172井(圖4(b)),3.0 km埋深時聲波時差曲線偏離靜水壓力梯度線,在3.60 km時曲線接近靜水壓力線,后又大幅度偏離,具有兩個壓力旋回,雙旋回型多位于渤南洼陷斷階帶和緩坡帶；多旋回型是指壓力剖面由多個具有相同或相似壓力梯度的壓力旋回構成,如義115井,隨著埋深的增加,聲波時差曲線在局部有多次的高低變化(圖4(c)),該類型多分布在深洼帶。旋回的類型受控于該區(qū)地層的巖性組合特征和生烴能力,反映出兩者對研究區(qū)超壓的影響明顯。

圖2 渤南洼陷不同構造帶、不同層系地層實測壓力和深度的關系Fig.2 Relationship between measured pressure and depth in different tectonic belt and different stratum,Bonan sag

圖3 渤南洼陷不同層系壓力系數(shù)與深度的關系Fig.3 Relationship between pressure coefficient and depth in different stratum,Bonan sag

剖面上,聲波時差曲線具有明顯的分帶性,呈現(xiàn)出“低—較高—高—低”的變化趨勢,分別對應著正常壓力帶、混合壓力帶、異常高壓力帶和正常壓力帶(圖5)。洼陷區(qū)在埋深2.50 km以上聲波時差曲線與靜水壓力梯度線一致,表現(xiàn)出正常壓力的特征；隨著埋深加大,聲波時差曲線逐漸偏離靜水壓力梯度線,但是整體偏離幅度較小,呈現(xiàn)出弱超壓的特征；當埋深達到3.0 km時,聲波時差曲線偏離幅度明顯增大,表現(xiàn)為異常高壓的特征。其中,洼陷區(qū)的沙三中下、沙四上亞段泥巖聲波時差偏離靜水壓力線幅度最高,向盆地邊緣偏離幅度越來越小,最后接近于常壓。

圖4 渤南洼陷典型井剖面壓力旋回特征Fig.4 Pressure cycle characteristics of typical well profile in Bonan sag

圖5 渤南洼陷墾105井-埕99井聲波曲線連井剖面Fig.5 Profile of acoustic curves from well Ken105 to well Cheng99,Bonan sag

4 地層超壓成因

超壓的形成是多種物理和化學條件共同作用的結果[13]。超壓發(fā)育機制可分為與應力有關的增壓過程、孔隙流體體積膨脹、流體流動和浮力作用等3種增壓類型,其中不均衡壓實和生烴作用是大規(guī)模超壓產(chǎn)生的主要機制[4]。因此,本文主要以實測地層壓力數(shù)據(jù),測井曲線特征和生烴史等作為依據(jù),對不同超壓因素進行逐一分析,以明晰渤南洼陷地層超壓的形成機制。

4.1 欠壓實作用與異常壓力

欠壓實引起的超壓主要發(fā)育于沉降/沉積速率較高、充填巖性較細的新生代沉積盆地中,欠壓實巖層通常具有較高的孔隙度和較低的密度[4]。因此,可以利用聲波測井曲線和密度測井曲線劃分欠壓實帶與正常壓實帶。

義633井位于南部緩坡帶,生烴能力較低(Ro小于0.7%),2.20～3.10 km深度段泥巖較為發(fā)育,根據(jù)聲波時差和巖石密度特征,可以看出2.70～2.90 km和3.0～3.10 km表現(xiàn)出高泥巖聲波、低密度的特征,為泥巖欠壓實成因(圖6)。結合2.4475和3.0299 km兩處實測壓力數(shù)據(jù)點可以看出,實測點與利用聲波測井曲線預測的壓力一致,說明利用欠壓實原理預測義633井的地層壓力可行,同時也表明義633井的超壓主要由欠壓實作用所致。泥巖聲波時差特征表明,渤南洼陷普遍存在由欠壓實作用產(chǎn)生的超壓(圖4)。由于渤南洼陷的主要斷陷期(沙四晚期-沙三段)沉積和沉降速率普遍較高,且發(fā)育大套厚層泥巖及膏巖層,為欠壓實超壓的產(chǎn)生提供了良好的地質(zhì)基礎。結合研究區(qū)的錄井資料可知,地層縱向上往往發(fā)育典型的砂泥巖互層特征,形成了以混壓帶為主的地層壓力系統(tǒng)(圖4)。根據(jù)聲波時差的特征,欠壓實超壓段對應的地層為埋深介于2.35～3.0 km的泥巖層,與地層壓力的第一臺階相吻合(圖2)。

圖6 渤南洼陷義633井超壓成因分析Fig.6 Map showing origin of overpressure of well Yi633 in Bonan sag

4.2 生烴作用與異常壓力

圖7 渤南洼陷渤深4井生烴導致超壓分析Fig.7 Overpressure caused by hydrocarbon generation of well Boshen4 in Bonan sag

生烴作用對于壓力的增加具有重要的影響,一方面當固態(tài)有機質(zhì)轉(zhuǎn)化為液態(tài)烴時,有機質(zhì)體積增加而引起直接增壓；另一方面由于液態(tài)烴類的生成降低了烴源巖內(nèi)流體的滲流能力而間接增壓[14]。本文中結合超壓發(fā)育與烴源巖的生烴能力研究,分析渤南洼陷生烴作用對超壓的影響。渤南洼陷主要發(fā)育沙三中下和沙四上兩套主力烴源巖,烴源巖的生烴位置與異常超壓帶相吻合(圖4)。為了研究生烴對超壓形成的影響,以具有生烴能力的渤深4井為例進行單井超壓成因分析(圖7)。渤深4井位于渤南深洼帶,該井3.80～5.40 km段泥巖含量(30%)相對較低,不利于欠壓實作用的產(chǎn)生。結合渤深4井烴源巖成熟度指標Ro可以看出,烴源巖在3.30 km進入成熟生烴階段(Ro＞ 0.7%),4.0 km深度普遍開始生裂解氣(圖7)。根據(jù)該井4.4175 km處的實測壓力點分析,其壓力系數(shù)為1.17,屬于弱超壓,而聲波時差卻與靜水壓力線一致,表明該點超壓的存在與欠壓實作用無關。綜合以上分析,渤深4井在3.80 km以下超壓的產(chǎn)生是生烴作用的結果。

綜合來看,渤南洼陷生烴作用普遍存在,主力生油層系沙三、沙四上亞段超壓發(fā)育明顯,表明生烴對超壓的產(chǎn)生具有重要的作用。由于渤南洼陷主力烴源巖層系的泥巖厚度較大,如沙三段烴源巖最大厚度可達1.0 km,沙四段以暗色泥巖為主的砂泥巖層和膏鹽層,厚度大于400 m,且沉降速率較快,因此烴源巖層系的超壓存在欠壓實作用的貢獻。在同等情況下,生烴作用和欠壓實共同作用的區(qū)域所產(chǎn)生的超壓將遠遠高于同一深度僅由欠壓實作用所產(chǎn)生的超壓程度。

4.3 異常壓力成因的區(qū)域性差異

根據(jù)超壓的成因機制,結合研究區(qū)的構造地質(zhì)背景,認為渤南洼陷異常壓力的主要成因為欠壓實作用、生烴作用及其兩者共同作用3種機制。但是,受泥巖厚度、烴源巖生烴能力和膏巖層分布等方面的影響,研究區(qū)異常壓力的成因具有區(qū)域上的差異。

根據(jù)實際數(shù)據(jù)分析,渤南洼陷中部斷階帶和南部緩坡帶在2.50～4.0 km深度段內(nèi)聲波速度降低,孔隙度增大,表現(xiàn)出明顯的欠壓實現(xiàn)象；在深洼帶,超壓段泥巖密度隨埋深的增加而增大,低密度高孔隙度的特征不明顯,而是與生烴范圍匹配較好,表明生烴作用是深洼帶的主要增壓機制。在生烴能力相對較低的地區(qū),欠壓實作用相對占優(yōu)勢,隨著生烴能力的加強,欠壓實作用在超壓貢獻中所占的比例逐漸降低,生烴超壓的比重大大加強。

5 地層超壓成因模式及量化表征

關于超壓的定性研究較多,量化表征研究較少,本次試圖對兩種成因機制進行量化表征。首先,為了避免超壓成因的巖性和層系上的差異,選取沙三段地層作為研究對象,針對不同增壓成因,在正常壓力地區(qū)、欠壓實地區(qū)和生烴增壓地區(qū)內(nèi)各選取4～5口井計算不同深度的泥巖地層壓力,繪制其隨深度變化的散點圖。分析表明,淺于2.80 km的地層壓力與靜水壓力一致,隨著埋深的增加,地層壓力呈線性增大,且遠離靜水壓力趨勢線,逐漸進入過渡壓力系統(tǒng),壓力系數(shù)分布在1.0～1.3,此時沉積有機質(zhì)剛剛進入生烴門限,鏡質(zhì)體反射率Ro約為0.5%,生烴能力差,異常高壓的形成主要受到上覆巖層的壓實作用,因此在過渡壓力系統(tǒng)中以欠壓實增壓為主。當進入到超壓系統(tǒng)時,沙三段地層埋深達到約3.50 km,地層壓力迅速增大,壓力系數(shù)大于1.30,此時沉積有機質(zhì)進入生烴高峰,鏡質(zhì)體反射率Ro大于0.7%,生排烴過程中孔隙流體大量增加,造成地層壓力明顯較高,因此在超壓系統(tǒng)中欠壓實與生烴作用共同作用,隨著生烴能力的增強,生烴增壓所占的比重越來越大(圖8)。

圖8 渤南洼陷沙三段不同深度下增壓機制差異Fig.8 Pressurization mechanism under different depth of Es3in Bonan sag

根據(jù)研究區(qū)不同成因地層壓力的演化規(guī)律,擬合了3條演化趨勢線:其中圖8中①代表正常壓實地區(qū)的趨勢線,其大小與靜水壓力相等；圖8中②代表以欠壓實為主地區(qū)的壓力變化趨勢線,趨勢線偏離①趨勢線的幅度代表欠壓實增壓的量,即Δp1；圖8中③代表具有生烴能力地區(qū)的增壓趨勢線,其趨勢線偏離幅度受欠壓實和生烴兩種作用影響,用③趨勢線對應的地層壓力減去同一深度下②趨勢線對應的地層壓力即為生烴增壓的量,即Δp2。據(jù)此,分別建立渤南洼陷沙三段欠壓實增量計算模型以及生烴增量計算模型,即

式中,H為深度,m。

根據(jù)增壓模型及其成因機制分析,渤南洼陷在沒有達到生烴門限時,地層壓力的增壓為欠壓實作用的貢獻,增量可利用公式(1)進行計算；當進入大量生烴時,增壓機制為欠壓實和生烴兩者的作用結果,增壓等于Δp1和Δp2之和,生烴能力越大,Δp2所占比重越大。這種增壓模型也正好解釋了研究區(qū)壓力特征具有“二臺階”的特征。

6 結 論

(1)渤南洼陷地層壓力隨深度存在明顯的“二臺階”,埋深大于2.50 km時,開始出現(xiàn)超壓,在3.0～4.0 km的深度段超壓明顯。平面上,從四周向洼陷中心壓力系數(shù)逐漸增大,沙三下、沙四上是異常高壓發(fā)育的主要層系。

(2)研究區(qū)單井的壓力剖面存在明顯的旋回性特征,依據(jù)疊置方式及數(shù)量,可以分為單旋回型、雙旋回型和多旋回型3類。

(3)研究區(qū)以欠壓實和生烴作用為主要的增壓機制,不同構造帶成因機制存在差異。研究區(qū)中部斷階帶和南部緩坡帶內(nèi)聲波速度降低,孔隙度增大,表現(xiàn)出明顯欠壓實作用；深洼帶超壓段泥巖未表現(xiàn)出低密度高孔隙度的特征,與生烴范圍匹配較好,表明生烴作用是該區(qū)的主要增壓因素。

(4)研究區(qū)欠壓實與生烴導致沙三段壓力的增加幅度不同,兩因素具有各自的增壓量化模型,導致地層壓力出現(xiàn)了“二臺階”的特征。

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(編輯 徐會永)

Pressure characteristics and formation mechanisms of Paleogene
in Bonan sag,Zhanhua depression

LIU Hua1,JIANG You-lu1,GU Guo-cui2,LIU Ya-li2,LU Hao2
(1.School of Geosciences in China University of Petroleum,Qingdao 266580,China；
2.Geophysical Research Institute of Shengli Oilfield,SINOPEC,Dongying 257001,China；
3.Geological Institute of Shengli Oilfield,SINOPEC,Dongying 257001,China)

By utilizing measured pressure and mudstone sonic log interval,the distribution characteristics and evolution of the pressure of Bonan sag in Zhanhua depression were analyzed,and the overpressure mechanisms were studied.The results show that variation of measured fluid pressure with depth exhibits"two steps":When buried depth is lower than 2.35 kilometers, the formation pressure is basically shown as normal pressure；Low amplitude overpressure starts to appear between the depth of 2.5 kilometers and 3.0 kilometers；The highest pressure coefficient can be as large as 1.8 between the depth of 3.0 kilometers and 4.0 kilometers,the Es3z,Es3xand Es4sare the main formations where overpressure developed.The unbalance compaction and hydrocarbon generation are the main mechanisms of overpressure,and the regional difference exists.With the increase of depth in the middle step-fault zone and southern slop,the unbalance compaction phenomenon appears obviously and the range is corresponding to the first step；In deep sub-sag belt,over-pressured mudstone?s density increases with the increase of the depth,but matches well with the range of the hydrocarbon generation.Hydrocarbon generation is the main pressuring mechanism in this zone and the depth range is corresponding to the second step.The amplitude of overpressure caused by unbalance compaction and hydrocarbon generation differs from each other,they both have their own pressure increasing quantified model which leads to the appearance of the"two steps"characteristics of the formation pressure.

formation pressure；origin of overpressure；quantitative characterization；Bonan sag；Zhanhua depression

TE 122.1

A

1673-5005(2013)04-0046-06

10.3969/j.issn.1673-5005.2013.04.007

2012-10-09

國家科技重大專項(2011ZX05006-003)；山東省自然科學基金項目(ZR2011DL009)；中央高校基本科研業(yè)務費專項(11CX04014A)

劉華(1977-),女,副教授,博士,主要從事油氣藏形成與分布研究。E-mail:liuhua_rjl@163.com。