白云凹陷深層壓實(shí)作用和超壓成因討論及其對(duì)深層流體運(yùn)聚的影響

祁妙，王震亮，*，王晨，閆昕宇，何星辰

（1.西北大學(xué)地質(zhì)學(xué)系，陜西 西安 710069；2.西北大學(xué)，大陸動(dòng)力學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710069）

21 世紀(jì)以來(lái)，隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人民對(duì)油氣等能源需求日益增大，而國(guó)內(nèi)常規(guī)油氣資源相對(duì)缺乏，供需矛盾逐漸惡化，也對(duì)國(guó)內(nèi)的油氣勘探水平提出較高要求，油氣勘探領(lǐng)域也隨之向深層、深水、超深水、致密油氣藏進(jìn)軍。深層油氣資源成為當(dāng)前和未來(lái)油氣勘探發(fā)展的最重要領(lǐng)域之一（Dyman et al.，2002；鄒才能等，2010；賈承造等，2015；劉樹根等，2022；唐瑋瑋等，2022）。多年來(lái)的勘探實(shí)踐證實(shí)白云凹陷為富生烴洼陷，生烴規(guī)模巨大。2006 年發(fā)現(xiàn)中國(guó)第一個(gè)深水大氣田——荔灣3-1 氣田，是中國(guó)油氣勘探史上的里程碑，掀開(kāi)了中國(guó)深海勘探的序幕，白云凹陷深水油氣勘探進(jìn)入了歷史舞臺(tái)（米立軍等，2019）。

大多數(shù)含油氣的沉積盆地中存在有異常壓力，不同地區(qū)發(fā)育的異常壓力不盡相同，異常高壓的存在可有效抑制有機(jī)質(zhì)熱演化、保護(hù)儲(chǔ)集空間，增強(qiáng)蓋層封閉性，并成為油氣運(yùn)移的重要?jiǎng)恿?，這為深層油氣藏形成、保存提供了更為有利的條件（郝芳等，2002；李明誠(chéng)，2004；賈承造等，2015；Luo et al.，2016）。當(dāng)深部熱流體進(jìn)入盆地深層，可以使地層溫度得到快速提高，促進(jìn)烴源巖生烴（郝芳等，1996），并可能傳遞超壓，促進(jìn)烴源巖排烴（王震亮，2002），直接或間接地參與成藏過(guò)程（李明誠(chéng)，1999）。白云凹陷的現(xiàn)今地層壓力主要表現(xiàn)為淺層正常壓力和深層超壓（郭志峰等，2012）。其中，超壓主要分布在白云主洼、西洼以及東洼的文昌組與恩平組。由于海上鉆井難度較大，成本高。尤其是白云凹陷的地質(zhì)背景較為特殊。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)白云凹陷深層的超壓成因研究、成藏特征及其影響方面沒(méi)有深入研究。對(duì)下部成藏組合儲(chǔ)集層超壓形成機(jī)制的研究較少。

筆者通過(guò)對(duì)重點(diǎn)探井實(shí)測(cè)地層壓力、鉆測(cè)井資料的處理和巖心樣品等資料，分析深層超壓在縱向（單井）上和橫向（平面）上的分布規(guī)律，在對(duì)超壓成因及其貢獻(xiàn)率進(jìn)行定量判識(shí)和數(shù)值模擬計(jì)算的基礎(chǔ)上，討論超壓形成原因及差異分布的形成原因，探討不同成因造成的超壓發(fā)育演化對(duì)深層油氣運(yùn)聚的控制作用，為研究區(qū)的下一步勘探部署提供依據(jù)。

1 白云凹陷地質(zhì)概況

1.1 地質(zhì)背景

白云凹陷位于珠二坳陷（南海北部珠江口盆地南部坳陷帶）的深水區(qū)，是珠江口盆地發(fā)育最完整的巨型凹陷，勘探面積超過(guò)20 000 km2，充填地層為新生界。白云凹陷現(xiàn)主要包括白云主洼、白云西洼、白云東洼和白云南洼等4 個(gè)次一級(jí)洼，其北鄰番禺低隆起、南連云荔低隆起、西接云開(kāi)低凸起。最大沉積厚度超過(guò)10 000 m，水深為300～2 000 m（圖1），整體走向近南北向。現(xiàn)今探明油氣藏主要出現(xiàn)在番禺低隆起及白云東洼和白云南洼地區(qū)（圖1）。番禺低隆起附近水深最淺。由番禺低隆起向西南區(qū)塊，水深逐漸加深。凹陷出現(xiàn)多個(gè)基底斷裂，白云主洼到白云西南洼出現(xiàn)5～10 條明顯基底斷裂（圖1）。

圖1 白云凹陷及周邊構(gòu)造區(qū)劃圖Fig.1 Zoning map of Baiyun depression and its surrounding structures

1.2 沉積特征

白云凹陷自下而上發(fā)育文昌組、恩平組、珠海組、珠江組、韓江組、粵海組和萬(wàn)山組7 套地層；其中T80、T70、T60、T40、T32、T30、T20分別代表這7 套地層的頂界面，Tg 代表白堊系的頂面。淺層目的層主要出現(xiàn)在珠江組，深層目的層主要出現(xiàn)在珠海組和恩平組。珠海組及以下地層被稱為深層，且珠海組頂?shù)酌婢l(fā)育不整合，中上部發(fā)育陸架坡折帶形成三角洲進(jìn)積型層序組合，珠海組底部主要是海侵形成的上超沉積。其中，文昌組主要發(fā)育湖泊相沉積，是白云凹陷很好的烴源巖層系，恩平組主要發(fā)育淺海-三角洲相沉積，珠海組主要發(fā)育淺海-三角洲相沉積。在新生代，白云凹陷深層地層先后發(fā)生了珠瓊運(yùn)動(dòng)一幕、二幕，南海運(yùn)動(dòng)和白云運(yùn)動(dòng)等構(gòu)造運(yùn)動(dòng)。經(jīng)歷了3 個(gè)斷陷期、坳陷期和斷塊升降期構(gòu)造演化階段，形成了3 層的盆地結(jié)構(gòu)（圖2）。

圖2 白云凹陷地層綜合柱狀圖Fig.2 Comprehensive histogram of Baiyun depression strata

恩平組、珠海組和珠江組是白云凹陷深層主要的儲(chǔ)集層，主要發(fā)育砂巖。深層地層沉積厚度可達(dá)5 000 m，且白云凹陷中心-白云主洼區(qū)塊的沉積速率極大；泥質(zhì)含量亦較高，在大段泥巖發(fā)育和較大沉積速率的共同加持下，白云凹陷極易發(fā)生機(jī)械壓實(shí)增壓的情況。欠壓實(shí)增壓也是白云凹陷深層超壓的主要原因之一。

2 壓力發(fā)育特征

白云凹陷的現(xiàn)今地層壓力主要表現(xiàn)為淺層正常壓力和深層超壓（郭志峰等，2012）。深層的超壓不同區(qū)塊發(fā)育不盡相同，主要分布在白云凹陷的主洼、西洼區(qū)塊；白云凹陷東洼的恩平組和文昌組發(fā)育超壓。下文單井實(shí)測(cè)壓力及平面壓力分布均有證實(shí)。

2.1 底辟帶發(fā)育

白云凹陷面積大、在穿越凹陷中心的南東向地震剖面上，可見(jiàn)分布的底辟構(gòu)造（圖3）。泥底辟根部發(fā)源于新統(tǒng)—始新統(tǒng)文昌組、恩平組，垂向向上延伸進(jìn)上中新統(tǒng)—第四系。

圖3 白云凹陷中央泥巖底辟帶地震剖面Fig.3 Seismic profile of the central mudstone diapir zone in Baiyun depression

從白云凹陷主洼的地震剖面可以明顯看到BY-3井周圍的泥巖底辟帶，該底辟帶深部可達(dá)海底，深層發(fā)育較強(qiáng)的超壓，其超壓主要發(fā)育與主洼珠海組及以下的深部地層中。且白云凹陷快速沉降和充填，具備底辟構(gòu)造的發(fā)育條件。底辟構(gòu)造主要發(fā)育于凹陷中心，底辟幅度最大可達(dá)8 km。底辟構(gòu)造的存在，甚至直達(dá)海底，說(shuō)明凹陷中心曾經(jīng)蘊(yùn)育著高溫、超壓系統(tǒng)。而今地層以正常壓力為特征，說(shuō)明白云凹陷隨著底辟活動(dòng)，曾發(fā)生過(guò)強(qiáng)烈泄壓作用。泥底辟存在的主要原因是：多期構(gòu)造運(yùn)動(dòng)引起的斷裂活動(dòng)及超壓釋放，導(dǎo)致在底辟帶內(nèi)流體發(fā)生快速泄放的過(guò)程中，CO2等流體通過(guò)溝源斷裂和泥底辟不斷從深部高溫層運(yùn)移到淺部溫度較低層（王家豪等，2006）。

2.2 實(shí)測(cè)單井?dāng)?shù)據(jù)

本研究收集了白云凹陷20 余口鉆井的實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù)，為深層壓力研究提供實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)主要集中在1 500～4 500 m 深度范圍之內(nèi)，該深度范圍主要位于深層珠海組及以下地層，平面上主要分布在主洼、主洼東和番禺低隆起等區(qū)塊。統(tǒng)計(jì)單井實(shí)測(cè)壓力數(shù)值和計(jì)算單井剩余壓力之后，分析了研究區(qū)單井壓力及不同區(qū)塊實(shí)測(cè)異常壓力的分布。得知：白云凹陷周緣低隆起上的大部分鉆井發(fā)育常壓，同一深度范圍或同一層位上，不同構(gòu)造位置發(fā)育的異常壓力也不同，其中平面地層壓力分布上，主洼區(qū)塊的超壓最為發(fā)育、異常壓力較大，白云凹陷東南部的云荔低隆起和主洼東區(qū)塊也發(fā)育超壓，但是異常壓力較小。

根據(jù)鉆井實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù)看，白云凹陷周緣低隆起上的鉆井大多發(fā)育常壓，剩余壓力較小或不發(fā)育剩余壓力，從平面上看：同一地層壓力變化較大，不同構(gòu)造位置發(fā)育異常壓力不同且剩余壓力相對(duì)變化大，白云凹陷中心超壓最為發(fā)育，異常壓力較大，東南部區(qū)塊次之（圖4）。由于研究區(qū)位于南海深水區(qū)，鉆井密度小，且深度有限，注：白云凹陷目前鉆遇深層的井很少，因此鉆井實(shí)測(cè)壓力主要說(shuō)明了淺層地層壓力的特征，故這些數(shù)據(jù)僅代表白云凹陷超壓的部分特征。

圖4 單井實(shí)測(cè)地層壓力及壓力系數(shù)圖Fig.4 Single well measured formation pressure and pressure coefficient diagram

2.3 壓力平面發(fā)育情況

根據(jù)珠海組底部T70 界面的壓力系數(shù)分布圖（圖5）可知，白云凹陷深層出現(xiàn)多個(gè)珠海組底部發(fā)育明顯超壓。且有多個(gè)超壓系統(tǒng)，每個(gè)超壓系統(tǒng)的壓力系數(shù)不同。與單井實(shí)測(cè)地層壓力相同，白云主洼的超壓最為發(fā)育，由凹陷中心到兩邊擴(kuò)散，超壓程度逐漸減小。壓力系數(shù)也由主洼的1.6 到白云東洼、西洼的1.3（孔令濤，2020）。

圖5 T70 壓力系數(shù)分布圖Fig.5 T70 pressure coefficient distribution diagram

3 超壓成因分析

單井實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù)及前人研究成果（壓力系數(shù)平面圖和底辟構(gòu)造的存在）均證明了白云凹陷深層超壓存在的必然性。異常壓力的存在也影響白云凹陷深層的油氣運(yùn)移成藏，因此深層超壓成因的研究不可忽視。其中地層超壓按照成因可分為欠壓實(shí)、流體膨脹、成巖作用、構(gòu)造擠壓、壓力傳遞等多種類型，其中產(chǎn)生流體膨脹的機(jī)制主要是干酪根生油生氣作用、石油裂解成氣、水熱增壓和黏土礦物脫水作用等。本研究中將運(yùn)用綜合壓實(shí)曲線、伊頓法以及傳遞超壓判別模板等對(duì)白云凹陷深層的超壓成因進(jìn)行研究。

3.1 泥巖壓實(shí)作用

在沉積盆地中，泥巖分布最為廣泛，本研究沉積相也更有利于泥巖的沉積。泥巖即可作為蓋層、烴源巖，也可作為儲(chǔ)層。該研究區(qū)泥巖的壓實(shí)成因一直以來(lái)存在較大的爭(zhēng)議。

3.1.1 欠壓實(shí)作用

泥巖壓實(shí)作用是沉積盆地內(nèi)異常高孔隙壓力形成的主要地質(zhì)作用。欠壓實(shí)成因形成的超壓在沉積盆地中較為常見(jiàn)。對(duì)于碎屑巖欠壓實(shí)成因，本研究團(tuán)隊(duì)有較為成熟的識(shí)別方法：以欠壓實(shí)理論為基礎(chǔ)，采用等效深度法計(jì)算出最大壓力和地層壓力（姚涇利等，2014）。這種方法資料獲取容易、操作簡(jiǎn)便。適于白云凹陷單井欠壓實(shí)成因研究。

泥巖孔隙度的變化和有效應(yīng)力有直接關(guān)系，因此研究中常通過(guò)有效應(yīng)力來(lái)描述和分析孔隙度，孔隙度亦在一定程度上能反應(yīng)泥巖的壓實(shí)作用。在壓實(shí)過(guò)程中，巖性和沉積速率對(duì)其影響較大，經(jīng)歷大段泥巖的埋深或沉積速率突然增大后，由于排水不平衡后容易偏離正常壓實(shí)，形成偏離正常壓實(shí)帶上的變化趨勢(shì)。

正常壓實(shí)段：孔隙度隨深度的增大和上覆負(fù)荷的增大而逐漸減小，此階段正常靜水壓力等于地層壓力，孔隙中流體正常排出，能達(dá)到排水平衡，孔隙度（聲波時(shí)差、電阻率等）和深度的關(guān)系。

異常壓實(shí)段：沉積速率或泥地比突然增大，產(chǎn)生欠壓實(shí)后孔隙度隨深度的增加不再減小或減小程度小于正常壓實(shí)段，（此時(shí)地層壓力大于靜水壓力），在壓實(shí)過(guò)程中深層泥巖一般會(huì)發(fā)生機(jī)械壓實(shí)和化學(xué)壓實(shí)。

與欠壓實(shí)相反，化學(xué)壓實(shí)的產(chǎn)生伴隨著黏土礦物轉(zhuǎn)化和蒙—伊轉(zhuǎn)化，在一定程度上減小孔隙度。對(duì)白云凹陷深水區(qū)28 口井的測(cè)井曲線讀值并繪制綜合壓實(shí)曲線，了解研究區(qū)的壓實(shí)趨勢(shì)，粵海和韓江組均表現(xiàn)為正常壓實(shí)狀態(tài)，此段壓實(shí)系數(shù)可以用于盆地模擬中對(duì)單井模擬提供精準(zhǔn)的地區(qū)信息；欠壓實(shí)面的出現(xiàn)在研究區(qū)的不同區(qū)域內(nèi)有所不同。北坡區(qū)塊：欠壓實(shí)啟動(dòng)面主要出現(xiàn)在珠江組上段，由于泥巖沉積速率的突然加快（較短時(shí)間沉積了厚層泥巖）和大段泥巖沉積帶來(lái)的不均衡壓實(shí)造成該地區(qū)在珠江組就出現(xiàn)欠壓實(shí)；主洼中心：珠海組沒(méi)有過(guò)多沉積，主要在珠江組發(fā)生欠壓實(shí)，但是和北坡區(qū)塊不同，主洼中心的欠壓實(shí)晚于化學(xué)壓實(shí)的產(chǎn)生，主要是由于主洼中心更接近地殼的熱流層，且水深平均比北坡地區(qū)高出4～5 倍，鉆遇珠江組溫度已經(jīng)達(dá)到70 ℃及以上，化學(xué)壓實(shí)時(shí)間早于欠壓實(shí)的開(kāi)啟時(shí)間。

3.1.2 化學(xué)壓實(shí)作用

化學(xué)壓實(shí)作用主要受溫度、時(shí)間和泥巖礦物成分等因素的控制，在巖石孔隙演化、微觀結(jié)構(gòu)及異常壓力形成中起著非常重要的作用，泥巖中最重要的化學(xué)壓實(shí)作用是蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化的化學(xué)反應(yīng)，該反應(yīng)主要發(fā)生在地層溫度為70～100 ℃的情況下（李超等，2017）。泥巖化學(xué)壓實(shí)作用對(duì)巖石物理屬性的改變清晰的反映在聲波時(shí)差、電阻率和密度等測(cè)井響應(yīng)上（李超等，2020）。

與其他地區(qū)不同，南海北部大陸邊緣屬于巖漿型，發(fā)育完善的近端帶至遠(yuǎn)端帶的洋陸轉(zhuǎn)換構(gòu)造組合，其地殼厚度向海方向逐漸減薄，莫霍面逐漸抬升，此外，珠江口盆地南部處于中生代弧前盆地位置，地殼具有機(jī)械弱化、重力非均衡和高地溫梯度等先存特點(diǎn)。尤其是在珠江口盆地白云凹陷最薄處僅7 km，是典型的熱流盆地，現(xiàn)今地溫梯度為超過(guò)3～6 ℃/100 m。其中白云凹陷東南部地溫梯度最大，可達(dá)到5～6 ℃/100 m，故該地區(qū)深層極易發(fā)生化學(xué)壓實(shí)作用。

本研究利用DT、GR、Rt 等與孔隙度（孔隙度結(jié)構(gòu)）相關(guān)的測(cè)井曲線作為數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，以巖性為分類依據(jù)選取不同深度的數(shù)據(jù)繪制不同區(qū)塊單井的綜合壓實(shí)曲線。從而對(duì)機(jī)械壓實(shí)和化學(xué)壓實(shí)成因形成的超壓機(jī)制進(jìn)行判斷和研究。

在化學(xué)壓實(shí)作用的影響下，聲波速度（聲波時(shí)差）和密度增加（減?。鄮r的壓實(shí)過(guò)程從機(jī)械壓實(shí)趨勢(shì)轉(zhuǎn)向機(jī)械+化學(xué)壓實(shí)趨勢(shì)，導(dǎo)致聲波時(shí)差-密度圖中正常壓實(shí)曲線整體表現(xiàn)為反S形（圖6）電阻率與聲波時(shí)差都可以反映泥巖傳導(dǎo)屬性，伴隨壓實(shí)作用進(jìn)行，泥巖電阻率和密度逐漸增大，淺層泥巖壓實(shí)過(guò)程沿著機(jī)械壓實(shí)曲線進(jìn)行，過(guò)渡階段密度快速增大，而后沿著機(jī)械+化學(xué)壓實(shí)趨勢(shì)繼續(xù)壓實(shí)（圖6）。

圖6 BY5 井測(cè)井交匯圖識(shí)別泥巖化學(xué)壓實(shí)作用圖Fig.6 Identification of chemical compaction of mudstones by the crossplot of well BY5 logging

根據(jù)以上認(rèn)識(shí)，本研究分析PY33 井發(fā)生的壓實(shí)作用，發(fā)現(xiàn)黏土礦物在2 000～3 000 m 的深度范圍內(nèi)發(fā)生了明顯的變化：蒙脫石和高嶺石含量降低、伊利石和綠泥石含量增加。在這個(gè)深度范圍內(nèi)可能發(fā)生了較多的蒙脫石伊利石化，指示了泥巖發(fā)生了化學(xué)壓實(shí)作用，由此也可以看出，可以利用黏土礦物的轉(zhuǎn)化階段來(lái)識(shí)別泥巖的化學(xué)壓實(shí)作用（圖7）。

圖7 PY33 井黏土礦物轉(zhuǎn)化指示的泥巖化學(xué)壓實(shí)作用圖Fig.7 Depth range of mudstone chemical compaction indicated by clay mineral transformation in well PY33

對(duì)PY33 井3 000 m 以下地層采樣，運(yùn)用掃描電鏡圖像分析進(jìn)行礦物鑒定，其觀察清晰、分辨率高、有多個(gè)放大倍數(shù)，黏土礦物中不同元素集合體均能反應(yīng)。PY33 樣品中，可以在掃描電鏡圖像中明顯觀察到呈蜂窩狀分布的伊利石和呈真葉片狀的綠泥石，為化學(xué)壓實(shí)作用中黏土礦物轉(zhuǎn)化提供證據(jù)，直觀看出在深層高溫條件下化學(xué)壓實(shí)對(duì)黏土礦物的影響（圖8）。

圖8 PY33 井樣品掃描電鏡圖像Fig.8 SEM image of py33 well sample

在已知的五種曲線中，聲波時(shí)差能反應(yīng)孔隙度和孔隙結(jié)構(gòu)，而密度曲線只能反映孔隙度?；诖撕蛯?duì)本地區(qū)泥巖壓實(shí)作用的研究，展示研究區(qū)兩口單井的綜合壓實(shí)曲線讀取情況及趨勢(shì)。其中，BY13 井的綜合壓實(shí)曲線反應(yīng)出的聲波時(shí)差（孔隙度）和深度（有效應(yīng)力）的相互關(guān)系主要分為3 個(gè)部分，機(jī)械壓實(shí)段、過(guò)渡段和化學(xué)壓實(shí)段。欠壓實(shí)出現(xiàn)之后，孔隙度會(huì)隨埋深增大而增大，化學(xué)壓實(shí)的存在造成泥巖黏土礦物的轉(zhuǎn)化。兩種壓實(shí)作用的存在導(dǎo)致深層泥巖孔隙度并沒(méi)有呈孔隙度隨深度變大的趨勢(shì)（表現(xiàn)在聲波時(shí)差和深度的關(guān)系曲線上）（圖9）。

圖9 BY13 井綜合壓實(shí)曲線圖Fig.9 Well-BY13 comprehensive compaction curve

主洼南（荔灣低隆起）和主洼中心有差異，該區(qū)塊的欠壓實(shí)啟動(dòng)面主要集中在珠江組下段和珠海組。自北向南，欠壓實(shí)開(kāi)始的層位發(fā)生變化，LW9 井的綜合壓實(shí)曲線上，聲波時(shí)差（孔隙度）和深度（有效應(yīng)力）的關(guān)系曲線也有從機(jī)械壓實(shí)到過(guò)渡階段最后到化學(xué)壓實(shí)的階段，在該深度以下，孔隙度的變化有減小趨勢(shì)（圖10）。

圖10 LW9 井綜合壓實(shí)曲線圖Fig.10 LW9 comprehensive compaction curve

綜合分析該地區(qū)泥巖壓實(shí)作用，得知：白云凹陷正常壓實(shí)段主要分布在粵海組、韓江組和珠江組上段，也會(huì)由于區(qū)塊的不同對(duì)正常壓實(shí)結(jié)束的層位有部分影響，但整體的壓實(shí)趨勢(shì)主要是，由北向南逐漸減小，到研究區(qū)的中心達(dá)到最小后逐漸增大的趨勢(shì)。在聲波時(shí)差和深度的關(guān)系曲線中可以明顯觀察到由機(jī)械壓實(shí)→過(guò)渡階段→化學(xué)壓實(shí)階段的變化，白云凹陷主洼中心的地溫梯度比較高，珠江組就能達(dá)到70 ℃及以上，淺層的機(jī)械壓實(shí)作為基礎(chǔ)，溫度達(dá)到轉(zhuǎn)換的條件之后就會(huì)發(fā)生機(jī)械壓實(shí)到化學(xué)壓實(shí)的過(guò)渡，前人的研究中將孔隙度是否減小作為判定泥巖壓實(shí)的證據(jù)顯然不夠準(zhǔn)確，化學(xué)壓實(shí)的發(fā)生不僅僅與溫度有關(guān)，還需要機(jī)械壓實(shí)作為基礎(chǔ)才能達(dá)到機(jī)械壓實(shí)到化學(xué)壓實(shí)轉(zhuǎn)化的條件，進(jìn)入過(guò)渡階段、化學(xué)壓實(shí)產(chǎn)生階段，才是完整的泥巖壓實(shí)過(guò)程。泥巖化學(xué)壓實(shí)產(chǎn)生后巖石內(nèi)部之間發(fā)生了架構(gòu)變化的同時(shí)，一定程度上也促進(jìn)了機(jī)械壓實(shí)。

3.2 生烴增壓

根據(jù)油氣有機(jī)成因理論，烴源巖中的有機(jī)質(zhì)在地質(zhì)演化過(guò)程中，受溫度、時(shí)間和壓力等地質(zhì)因素的綜合作用，發(fā)生復(fù)雜的地球化學(xué)反應(yīng)，最終形成油氣。烴源巖熱成熟過(guò)程實(shí)際上是一個(gè)總體積增加的過(guò)程，有機(jī)質(zhì)一般會(huì)經(jīng)歷熱降解和熱裂解兩個(gè)階段，特別是有機(jī)質(zhì)大量生氣階段會(huì)產(chǎn)生地層壓力的急劇增大。前人研究分析表明，生烴增壓是白云凹陷深層超壓形成的一種重要的原因（郭小文，2007；田立新等，2020）。

白云凹陷恩平組是主力烴源巖層系，發(fā)育三角洲烴源巖和陸源海相烴源巖，含有較多陸源有機(jī)質(zhì)貢獻(xiàn)，生氣較多，所以能夠產(chǎn)生較多的生烴增壓，烴源巖的生烴增壓過(guò)程與烴源巖的熱演化過(guò)程和生氣量有密切關(guān)系。因此本次研究基于前人的認(rèn)識(shí)認(rèn)為，恩平組超壓有較多的生烴增壓的貢獻(xiàn)。本研究中利用主洼的單井描述主洼的壓力演化

利用前文讀取的壓實(shí)曲線分區(qū)塊計(jì)算壓實(shí)系數(shù)，并依據(jù)調(diào)研資料將研究區(qū)中地層數(shù)據(jù)、構(gòu)造事件等參數(shù)輸入模型中利用盆地模擬軟件Petromod 對(duì)研究區(qū)進(jìn)行模擬，利用軟件的2D 和3D 模塊對(duì)研究區(qū)油氣運(yùn)聚進(jìn)行模擬，并通過(guò)實(shí)測(cè)物性數(shù)據(jù)對(duì)模型進(jìn)行運(yùn)算校正，使得模擬結(jié)果正確可靠后對(duì)重點(diǎn)區(qū)塊一口虛擬井的壓力數(shù)值進(jìn)行讀取，了解該井的壓力演化特征。恩平組上段在32 Ma 開(kāi)始發(fā)育壓實(shí)作用增壓，到25.68 Ma，壓實(shí)作用增壓達(dá)到1.01 MPa，生烴增壓才剛剛開(kāi)始，到了23.8 Ma，壓實(shí)作用增壓達(dá)到2.47 MPa，生烴增壓為0.42 MPa，總剩余壓力為2.89 MPa，到了16.5 Ma，壓實(shí)作用增壓增大到7.71 MPa，生烴增壓增長(zhǎng)到1.29 MPa，總剩余壓力為9 MPa，至10.5 Ma，壓實(shí)作用增壓為12.23 MPa，生烴增壓是10.11 MPa，總剩余壓力為24.84 MPa，到了現(xiàn)今（0 Ma）壓實(shí)作用增壓是15.86 MPa，生烴增壓則為10.55 MPa，總剩余壓力為26.41 Mpa（圖11）。

圖11 白云主洼恩平組下段剩余壓力演化曲線圖Fig.11 Evolution curve of residual pressure in the lower section of the Enping formation in Baiyun main depression

3.3 傳遞型超壓

Fan（2021）建立了新的泥巖壓實(shí)函數(shù)的分段幾何模型，加載曲線的幾何形態(tài)不是類似對(duì)數(shù)函數(shù)或指數(shù)函數(shù)的單調(diào)函數(shù)，而是凹凸交替變化的分段函數(shù)（圖12）。加載曲線的拐點(diǎn)為點(diǎn)B 和點(diǎn)C。當(dāng)δ＜δ（z’）時(shí)，即淺層加載曲線幾何形態(tài)為類似對(duì)數(shù)函數(shù)曲線（如圖12 中的AB 段）。當(dāng)δ（z’’）＞δ＞δ（z’）時(shí)，即中-深層加載曲線幾何形態(tài)為類似指數(shù)函數(shù)曲線（如圖12B 中的BC 段）。當(dāng)δ＞δ（z”）時(shí)，即深層-超深層加載曲線幾何形態(tài)為類似對(duì)數(shù)函數(shù)曲線（如圖12 中的CD 段）。

圖12 泥巖壓實(shí)作用的分段模型（據(jù)Fan et al.，2021）Fig.12 Segmented model diagram of mudstone compaction

傳遞型超壓被認(rèn)為是較高剩余壓力沿著斷裂/底辟傳遞形成的超壓，是一種瞬時(shí)壓力傳遞（Fan et al.，2021）。具體表現(xiàn)為沉積盆地中不同部位的地層中存在剩余壓力差時(shí)，優(yōu)先沿著斷裂/底辟向剩余壓力減小的方向運(yùn)移，當(dāng)剩余壓力差異消失或小于斷裂/底辟破裂極限，傳遞型超壓終止。超壓的傳遞增壓會(huì)在局部形成微裂縫，提高孔隙的連通性，降低巖石的彈性模量，進(jìn)而造成聲波在巖石中的傳播速度小幅降低，因此，在聲速與有效應(yīng)力的交匯圖中，發(fā)生超壓傳遞的點(diǎn)，將與有效應(yīng)力軸近似平行向聲速的小幅降低和有效應(yīng)力的大幅降低的方向，偏移出加載曲線，因此,可以通過(guò)觀察實(shí)測(cè)超壓是否偏離加載曲線來(lái)判斷傳遞型超壓的存在和大小。

本次研究利用泥巖壓實(shí)作用分段模型修正加載曲線，識(shí)別了典型鉆井的傳遞型超壓，在BY5 井珠海組，發(fā)現(xiàn)4 708 m 實(shí)測(cè)壓力點(diǎn)明顯偏離了加載曲線，說(shuō)明珠海組存在明顯的傳遞型超壓（圖13），然后通過(guò)數(shù)學(xué)計(jì)算得到傳遞型超壓的大小，BY5 珠海組傳遞型超壓大約為7.5～12.4 MPa，占總剩余壓力的40%～53%。利用同樣的方法，發(fā)現(xiàn)LH34 井珠海組的實(shí)測(cè)壓力點(diǎn)都落在加載曲線上，說(shuō)明該井珠海組并沒(méi)有明顯的傳遞型超壓。

圖13 BY5 井傳遞型超壓的識(shí)別圖Fig.13 Identification diagram of transmission type overpressure in well BY5

白云凹陷珠海組超壓主要分布在主洼-北坡和主洼-東南，而主洼-西南珠海組沒(méi)有明顯超壓。白云凹陷晚期斷層活動(dòng)性從東北到西南逐漸減弱，底辟主要發(fā)育在北坡和東南，珠海組超壓與斷層/底辟活動(dòng)有關(guān)，因此傳遞型超壓在主洼北部和東部有較大貢獻(xiàn)。超壓的傳遞過(guò)程主要受晚期斷裂的控制，由于斷裂的晚期活動(dòng)性有東北強(qiáng)西南弱的特點(diǎn)，因此珠海組傳遞型超壓在主洼東部、主洼-北坡和東洼較多。

4 深層超壓對(duì)油氣運(yùn)聚的影響

4.1 流體勢(shì)

流體勢(shì)作為地下流體動(dòng)力的復(fù)合表現(xiàn)形式，是分析油氣運(yùn)移、聚集等問(wèn)題的有效途徑。依據(jù)盆地?cái)?shù)值模擬所得到的白云凹陷深層恩平組和珠海組不同地質(zhì)歷史時(shí)期的古高程、古壓力等參數(shù)，可進(jìn)行油勢(shì)計(jì)算，計(jì)算公式如下：

式中：Ф表示油（氣）勢(shì)（單位為m），g為重力加速度，Z為海拔，P為地層壓力，ρ 為油（氣）的密度，原油密度取單井實(shí)測(cè)原油密度0.53 g/cm3。天然氣的密度需要根據(jù)Schowalter（1979）提出的公式進(jìn)行預(yù)測(cè)：

式中：M為視平均分子量，依據(jù)天然氣成分摩爾百分比求??；P為地層壓力；T為地層溫度；Z為真實(shí)氣體壓縮因子，可通過(guò)查Nomograph 圖獲取。

本次研究統(tǒng)計(jì)了白云凹陷已發(fā)現(xiàn)油氣藏中天然氣的密度數(shù)據(jù)，并做出了天然氣密度ρg（g/cm3）隨壓力P（MPa）的變化關(guān)系，以此為依據(jù)去推測(cè)深層天然氣的密度（圖14）。

圖14 白云凹陷天然氣密度和地層壓力的關(guān)系散點(diǎn)圖Fig.14 Scatter plot of the relationship between natural gas density and formation pressure in Baiyun Depression

4.2 白云凹陷深層油氣運(yùn)移趨勢(shì)

計(jì)算各時(shí)期流體勢(shì)分析深層油氣運(yùn)移趨勢(shì)：恩平組油勢(shì)數(shù)值最大，主要原因是主洼發(fā)育較強(qiáng)超壓，北坡、主洼東等區(qū)塊油勢(shì)相對(duì)較小，低勢(shì)區(qū)的存在也有利于油的運(yùn)移，在23.8 Ma 之后，白云凹陷接受連續(xù)的沉降和沉積，地層壓力增大，油勢(shì)也隨之增大，保證了深層油向北坡、主洼東等低勢(shì)區(qū)的持續(xù)運(yùn)移。

與油勢(shì)變化相同，主洼氣勢(shì)從23.8 Ma 后也逐漸增大，到10.5 Ma 之后，東洼和西洼也形成高勢(shì)區(qū)，由于深層超壓主要發(fā)育在洼陷帶，導(dǎo)致洼陷帶是其實(shí)的高值區(qū)。有利于深層天然氣持續(xù)地向北坡、主洼西南部和主洼東部運(yùn)移，對(duì)比氣勢(shì)和油勢(shì)數(shù)值發(fā)現(xiàn)：氣勢(shì)的數(shù)值明顯要比油勢(shì)數(shù)值大很多，這更有利于深層的天然氣運(yùn)移。

白云凹陷深層和淺層明顯具有不同的油氣運(yùn)移成藏特征，主洼恩平組上段油氣運(yùn)移開(kāi)始較早，16.5 Ma已經(jīng)發(fā)生油氣運(yùn)移成藏，而主洼東部、東洼和西洼等地區(qū)的恩平組上段在10.5 Ma 處于運(yùn)移成藏時(shí)期，到了現(xiàn)今（0 Ma），主洼東部的地層/巖性圈閉形成了一定規(guī)模的油氣聚集，北坡和西南部也有油氣運(yùn)聚成藏，但是圈閉的保存條件可能不如主洼東部好，但是北坡和西南部的油氣運(yùn)移動(dòng)力更加充足，輸導(dǎo)砂體發(fā)育也更好，同樣能夠發(fā)生大規(guī)模的運(yùn)移成藏。

主洼和東洼生成的油氣在流體勢(shì)場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下向北坡、主洼東部和西南運(yùn)移，流體勢(shì)控制油氣運(yùn)移方向和路徑，晚期運(yùn)移動(dòng)力充足，主洼-北坡運(yùn)移成藏比主洼東部早，主洼-北坡輸導(dǎo)砂體較多，油氣運(yùn)移較多，可在巖性/地層圈閉中聚集成藏，主洼東部發(fā)育扇三角洲/三角洲儲(chǔ)集體，油氣運(yùn)移至此可在地層/巖性圈閉中聚集成藏（圖15）。

圖15 白云凹陷恩平組上段在現(xiàn)今（距今0 Ma）的油氣運(yùn)聚成藏模式圖Fig.15 Oil and gas migration and accumulation patterns of the upper segment of the Enping formation in the Baiyun depression at present (0 Ma ago)

5 結(jié)論

（1）白云凹陷正常壓實(shí)段主要分布在粵海組、韓江組和珠江組上段，也會(huì)由于區(qū)塊的不同對(duì)正常壓實(shí)結(jié)束的層位有部分影響，但整體的壓實(shí)趨勢(shì)主要是，由北向南逐漸減小，到研究區(qū)的中心達(dá)到最小后逐漸增大的趨勢(shì)。白云凹陷的完整壓實(shí)過(guò)程是由單一機(jī)械壓實(shí)到過(guò)渡階段再到化學(xué)壓實(shí)的變化。研究區(qū)地溫不同，化學(xué)壓實(shí)產(chǎn)生程度不同。

（2）白云凹陷恩平組和珠海組發(fā)育超壓，珠海組主要的超壓成因是壓實(shí)作用增壓（包括機(jī)械壓實(shí)作用和化學(xué)壓實(shí)作用）和傳遞型超壓，壓實(shí)作用增壓主要是機(jī)械壓實(shí)作用的增壓貢獻(xiàn)，化學(xué)壓實(shí)作用貢獻(xiàn)較少，恩平組的超壓成因主要是壓實(shí)作用增壓和生烴增壓。

（3）珠海組傳遞型超壓的源頭為恩平組，超壓的源頭越強(qiáng)，越有利于壓力向淺層的傳遞，因此恩平組的剩余壓力大小影響著珠海組的壓力傳遞數(shù)值，主洼和東洼等地區(qū)恩平組剩余壓力大，傳遞到珠海組的超壓更大。超壓的傳遞過(guò)程主要受晚期斷裂的控制，由于斷裂的晚期活動(dòng)性有東北強(qiáng)西南弱的特點(diǎn)。因此，珠海組傳遞型超壓在主洼東部、主洼-北坡和東洼較多。

（4）白云凹陷深層流體動(dòng)力驅(qū)動(dòng)著深層的油氣運(yùn)移，恩平組油勢(shì)在主洼數(shù)值較大，主要是由于主洼發(fā)育較強(qiáng)的超壓，主洼和東洼等生烴洼陷的油氣向周圍的低凸起上運(yùn)移，主洼高勢(shì)區(qū)是最重要的油氣運(yùn)移動(dòng)力，因此流體動(dòng)力特征對(duì)油氣運(yùn)移成藏至關(guān)重要。而北坡、西南部和主洼東部的油勢(shì)相對(duì)較小，這也有利于油向這些低勢(shì)區(qū)運(yùn)移。在地質(zhì)演化過(guò)程中，23.8 Ma之后白云凹陷的連續(xù)沉降和沉積導(dǎo)致恩平組壓力逐漸增大，油勢(shì)隨之增大，有利于深層油的持續(xù)向北坡、主洼西南部和主洼東部運(yùn)移。

致謝：本文在研究過(guò)程中得到中海油研究總院的大力支持，在此致以衷心感謝！