瓊東南盆地L氣田高溫高壓地質(zhì)成因研究

＊幸雪松 文敏 吳怡 邱浩* 馬楠 張子楨

（1.中海油研究總院有限責(zé)任公司 北京 100028 2.中國石油大學(xué)（華東）石油工程學(xué)院 山東 266580）

引言

隨著世界對(duì)油氣需求量的增加及中-淺層常規(guī)油氣藏的大規(guī)模開發(fā)，目前全球油氣勘探已經(jīng)進(jìn)入深層（＞4500m）、深水（＞300m）及與之對(duì)應(yīng)的高溫高壓環(huán)境（儲(chǔ)層溫度＞120℃，壓力系數(shù)＞1.2）[1-4]。目前，世界范圍內(nèi)有超過180個(gè)沉積盆地存在異常壓力，其中大部分為異常高壓[5-6]。瓊東南盆地存在超壓現(xiàn)象，埋深大于3000m以下的地層會(huì)出現(xiàn)異常高壓現(xiàn)象[7]。

L氣田位于南海瓊東南盆地北部海域，平均水深900m，屬于深水氣田。其所在陵水凹陷具有典型的高溫高壓的地質(zhì)環(huán)境特征，是瓊東南盆地增儲(chǔ)上產(chǎn)的重要勘探領(lǐng)域[8-10]。本文基于國內(nèi)外高溫高壓盆地地質(zhì)成因相關(guān)研究，通過分析瓊東南盆地的沉積及地?zé)嵫莼瘹v史及L氣田的溫壓場特征，探討L氣田高溫高壓儲(chǔ)層的地質(zhì)成因及作用機(jī)制。

1.L氣田地質(zhì)概況

L氣田處于陵水凹陷南部，接近樂東凹陷。水深約900m，經(jīng)鉆探發(fā)現(xiàn)主要目的儲(chǔ)層存在高溫高壓。L5井溫度和壓力剖面如圖1所示。

圖1 L5井地層溫度壓力剖面

L5井主要目的層為3727m～4147m。目的層溫度范圍122.1℃～139.7℃，井底溫度144℃，屬于高溫地層。目的層地層壓力系數(shù)范圍1.18～1.47，屬于異常高壓地層。L氣田梅山組地層異常高壓現(xiàn)象更為明顯，地層壓力可高達(dá)1.73。L氣田淺層地溫、儲(chǔ)層高溫和地層壓力高的特性，給鉆井液優(yōu)選、儲(chǔ)層保護(hù)及井控安全等方面帶來較大的挑戰(zhàn)與風(fēng)險(xiǎn)。

2.高溫高壓形成機(jī)理

(1)地層高壓形成機(jī)理

目前，異常高壓形成機(jī)理的種類多種多樣，各種機(jī)理在形成異常高壓時(shí)的重要性和作用對(duì)象則有所不同，主要包括以下方面：

①不均衡壓實(shí)作用

成巖壓實(shí)過程中，滲透率較低導(dǎo)致孔隙流體無法及時(shí)排出，孔隙流體壓力高于相應(yīng)深度的靜水壓力。欠壓實(shí)地層通常具有高聲波時(shí)差、低密度的特征。

②構(gòu)造作用

在地質(zhì)演化過程中，構(gòu)造擠壓、斷層作用、側(cè)向滑動(dòng)等各種地層構(gòu)造作用對(duì)地層壓力有重要影響，主要包括封堵流體運(yùn)移通道、對(duì)孔隙流體形成附加應(yīng)力。

③孔隙流體或巖石基質(zhì)體積變化增壓

在較高的地溫環(huán)境中，如巖漿活動(dòng)或盆地底部異常的熱流體活動(dòng)區(qū)，在孔隙體積不變時(shí)，溫度提高會(huì)導(dǎo)致孔隙中流體體積膨脹，使壓力增大，形成異常高壓。該作用一般需要快速升溫的地質(zhì)條件以及相對(duì)封閉的地質(zhì)環(huán)境。

④生烴與烴類熱裂解作用

干酪根在向液態(tài)、氣體、殘留物和副產(chǎn)品的轉(zhuǎn)變過程中，伴隨有一定的體積膨脹。同時(shí)，當(dāng)溫度升高時(shí)，由于氣體的膨脹，將使生油層中的壓力進(jìn)一步提高。因受熱催化等作用，較大分子烴類裂解轉(zhuǎn)化為分子較小的烴類，導(dǎo)致體積增加，引起地層壓力增加。

(2)地層高溫形成機(jī)理

影響地層溫度的主要因素一般有區(qū)域地?zé)釛l件、埋深和地層熱導(dǎo)率結(jié)構(gòu)等，這些因素在盆地演化過程中也受到沉積作用、構(gòu)造運(yùn)動(dòng)的控制，最終形成較高的地溫梯度。瓊東南盆地地層高溫成因主要包括沉積物熱效應(yīng)以及盆地構(gòu)造運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的熱入侵效應(yīng)。

①沉積物熱效應(yīng)

不同時(shí)期的沉積物具有不同的生熱率及熱導(dǎo)率，對(duì)于高溫的形成及溫度梯度的演化具有重要意義。巖石內(nèi)放射性元素的衰變生熱是地球內(nèi)部驅(qū)動(dòng)眾多深部構(gòu)造熱過程的重要來源，也是巖石圈內(nèi)溫度場分布的主要控制因素。沉積物本身的熱效應(yīng)結(jié)合海底熱流的熱傳導(dǎo)作用，促進(jìn)形成了區(qū)域現(xiàn)今溫度場的分布特征。

②構(gòu)造運(yùn)動(dòng)

一般情況下，構(gòu)造活躍區(qū)或地殼減薄區(qū)，因其深部熱源供給而使得地表熱流偏高，地層溫度也相應(yīng)偏高[15]。瓊東南盆地經(jīng)歷長期的伸展，盆地巖石圈結(jié)構(gòu)不斷減薄，有利于地殼深部的熱入侵作用，形成較高的地層溫度。

3.瓊東南盆地L氣田高溫高壓地質(zhì)成因

(1)高壓地質(zhì)成因

瓊東南盆地是南海典型的伸展性盆地，受到南海擴(kuò)張的控制，不均衡壓實(shí)因素、高地溫場是該盆地超壓的主要影響因素；斷層的封堵性強(qiáng)、超壓系統(tǒng)未及時(shí)卸壓是導(dǎo)致該盆地下超壓系統(tǒng)得以保留的條件。

①構(gòu)造運(yùn)動(dòng)、不均衡壓實(shí)造成的超壓

瓊東南盆地的沉降速率普遍大于200m/Ma[11]。一般將150m/Ma作為快速沉積的判斷標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)沉積速率大于150m/Ma時(shí)，屬于快速沉積，地層容易形成超壓。L氣田主要目的地層為黃流組（T40-T30）與梅山組（T50-T40），其總沉積速率均超過150m/Ma[12]。沉積速率較快導(dǎo)致流體排出受阻或無法及時(shí)排出，在地層壓力中形成了高于靜水壓力的異常高壓。

L氣田W2井聲波與壓力系數(shù)如圖2所示，在黃流組3700m左右，地層存在超壓現(xiàn)象，地層壓力約為1.19。4050m處，地層壓力約為1.74，聲波時(shí)差相較黃流組更高。W2井體現(xiàn)了欠壓實(shí)作用的高聲波時(shí)差特征。由此可見，快速沉積與欠壓實(shí)作用是L氣田儲(chǔ)層高壓形成的地質(zhì)原因之一。

圖2 L氣田W2井壓實(shí)特征

②高地溫場引起的生烴增壓作用造成超壓

南海海域從古新世到第四紀(jì)共發(fā)生過5期火山活動(dòng)，產(chǎn)生的大量熱量積累，在上覆沉積的泥巖的影響下，形成現(xiàn)今較高地溫場。陵水凹陷熱解Ro演化特征如圖3所示，大部分深度下烴源巖成熟度偏低（＜1.0%）。由于中新統(tǒng)黃流組、梅山組和三亞組有機(jī)質(zhì)豐度不高，成熟度也較低，因此生烴作用對(duì)地層超壓的貢獻(xiàn)較小，起到輔助作用[13]。

圖3 陵水凹陷熱解Ro演化特征[14]

瓊東南盆地裂陷期及裂后熱沉降階段的快速沉降引起的不均衡壓實(shí)是造成L氣田超壓的主要因素；L氣田具有較高的地溫梯度，促使有機(jī)質(zhì)成熟生烴、烴類裂解，產(chǎn)生超壓；從目標(biāo)開發(fā)層位的沉降時(shí)期開始，斷層的活動(dòng)性減弱，封堵性增強(qiáng)，造成流體的橫向運(yùn)移不利，促進(jìn)了高壓特征的產(chǎn)生；高溫環(huán)境促進(jìn)了流體膨脹作用以及粘土礦物成巖作用，對(duì)L氣田的高壓形成起到輔助作用。

(2)高溫地質(zhì)成因

①沉積物熱效應(yīng)

圖4為經(jīng)估算預(yù)測的瓊東南盆地T50～T30界面處的現(xiàn)今溫度分布，整體呈現(xiàn)西高東低的特征。這一溫度格局與層系埋深的“西深東潛”有關(guān)。L氣田黃流組、梅山組間平均溫度在122℃～136℃。

圖4 瓊東南盆地不同層系地層溫度估算分布圖[15]

沉積物的熱效應(yīng)主要有熱披覆作用、熱流再分配和生熱貢獻(xiàn)。沉積物熱導(dǎo)率一般比盆地基底熱導(dǎo)率低。沉積作用導(dǎo)致沉積層加厚、底部溫度增高和基底熱流降低，具有延緩基底冷卻的熱披覆作用。瓊東南盆地西部地層物性實(shí)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 瓊東南盆地西部地層平均熱物性[15]

各時(shí)期地層沉積物具有熱導(dǎo)率隨沉積時(shí)期由老至新逐漸減小的趨勢。除前古近系基底外，其余地層沉積物的生熱率均較高。瓊東南盆地沉積歷史中，西部較高的沉積速度與較大的沉積量，為沉積物熱效應(yīng)作用提供了環(huán)境，是L氣田深部地層高溫環(huán)境的形成基礎(chǔ)。

②海底擴(kuò)張影響

瓊東南盆地屬于拉張型盆地，在其構(gòu)造演化過程中巖石圈長期經(jīng)歷伸展作用，并伴有裂陷，導(dǎo)致地殼巖石圈減薄，促進(jìn)地?zé)嵯蛏蟼鲗?dǎo)。瓊東南盆地的緩慢沉降期及快速沉降期，盆地巖石圈持續(xù)經(jīng)歷伸展作用，地殼不斷減薄，為該區(qū)域高地溫的形成提供了熱背景的基礎(chǔ)。

受多次區(qū)域地殼伸展減薄作用等影響，瓊東南盆地西部地區(qū)形成了較大的可容空間，構(gòu)造沉降量大，沉積層厚度達(dá)，埋深增加。埋深差異是決定瓊東南盆地深部地層西高東低溫度分布格局的重要因素。

海底擴(kuò)張為該區(qū)域高地溫的形成提供了基礎(chǔ)，為該區(qū)域高地溫的形成提供了基礎(chǔ)。瓊東南盆地整體沉積作用引起熱披覆效應(yīng)，結(jié)合樂東、陵水凹陷區(qū)域較高的沉積物生熱貢獻(xiàn)和較低的導(dǎo)熱率，為L氣田儲(chǔ)層高溫的形成提供了條件。

4.結(jié)論

（1）基于目前已有的研究，總結(jié)分析瓊東南盆地地層高壓成因主要包括應(yīng)力增壓、孔隙流體或巖石基質(zhì)體積變化增壓、流體流動(dòng)和浮力增壓三大類；高溫成因主要包括沉積物熱效應(yīng)、海底擴(kuò)張導(dǎo)致的巖石圈減薄帶來的高溫侵入。

（2）基于瓊東南盆地沉積歷史及超壓地層測井響應(yīng)特征，結(jié)合L氣田W2井的壓實(shí)特征，分析認(rèn)為快速沉降及欠壓實(shí)作用是L氣田高壓儲(chǔ)層的重要形成原因。L氣田的超壓現(xiàn)象是以欠壓實(shí)作用為主，生烴作用、熱裂解作用、高溫流體膨脹等作用為輔的共同作用結(jié)果。

（3）L氣田主要目的層位黃流組及梅山組沉積物生熱率較高，而熱導(dǎo)率較低，為L氣田儲(chǔ)層的高溫環(huán)境提供了條件。瓊東南盆地長期伸展作用導(dǎo)致盆地巖石圈減薄，有利于地殼深部熱量向上傳遞。沉積物熱物性及構(gòu)造運(yùn)動(dòng)歷史綜合作用形成了L氣田現(xiàn)今的高溫環(huán)境。