渤海灣盆地東營凹陷異常壓力分布和演化特征及與油氣成藏關(guān)系

劉士林，鄭和榮，林 舸，王 毅，云金表，高山林，許 雷

(1.中國石油化工股份有限公司 石油勘探開發(fā)研究院，北京 100083； 2.中國地質(zhì)大學(xué) 能源學(xué)院，北京 100083；3.中國科學(xué)院 廣州地球化學(xué)研究所，廣州 510640； 4.中國京冶工程技術(shù)有限公司，北京 100088)

渤海灣盆地異常壓力廣泛發(fā)育，縱向上自上而下大致可分為靜水壓力帶和超壓帶2個水動力系統(tǒng)，并且普遍認(rèn)為異常壓力主要是由欠壓實、烴類生成及粘土礦物脫水等作用所致[1-11]?？傮w上學(xué)者們對于異常壓力的發(fā)育特征和成因機制研究較多，但卻較少關(guān)注其形成時代和演化歷史。研究表明異常高壓的形成時間與油氣運聚成藏的時間緊密相連[12-13]，并且油氣都是由高勢區(qū)向低勢區(qū)運移和聚集[14-17]。運用盆地模擬技術(shù)，以地質(zhì)時間為序列，綜合地質(zhì)地球物理、巖石力學(xué)和滲流力學(xué)等多種因素，對盆地異常壓力場及流體勢場演化進行模擬，可以從動態(tài)、定量的角度研究盆地異常壓力的發(fā)育特征和演化歷史[18]。

濟陽坳陷東營凹陷作為渤海灣盆地的一個三級負(fù)向構(gòu)造單元，油氣資源豐富。凹陷內(nèi)廣泛存在欠壓實現(xiàn)象，尤其是在主力烴源巖層系中普遍發(fā)育超壓[1,19]，這些發(fā)育程度不同的超壓體系控制了油氣的成藏[2-3]。因此，深刻認(rèn)識東營凹陷異常壓力的形成和演化特征，既有理論意義，也有現(xiàn)實的勘探實踐價值。本文旨在運用盆地模擬技術(shù)探討東營凹陷異常壓力的發(fā)育特征及演化歷史，并分析其與盆地油氣成藏的時空匹配關(guān)系。

1 地質(zhì)背景

東營凹陷位于濟陽坳陷南部，西以青城凸起、濱縣凸起為界，北以陳家莊凸起為界與沾化凹陷為鄰，南與魯西隆起、廣饒凸起相鄰，東與青東凹陷溝通(圖1a)。剖面上具有北斷南超的開闊型箕狀凹陷特征(圖1b)。該凹陷是在前古生界基巖古地形背景上、經(jīng)構(gòu)造運動發(fā)育起來的斷陷—坳陷盆地，中生代是凹陷的雛形發(fā)育期，新生代是主要成盆期；自中生代以來先后經(jīng)歷了印支、燕山和喜山3期構(gòu)造運動[20]。新生代東營凹陷先后沉積充填了古近系孔店組(Ek)、沙河街組(Es)、東營組(Ed)和新近系館陶組(Ng)、明化鎮(zhèn)組(Nm)以及第四系地層。古近紀(jì)是斷陷的發(fā)育期，主要發(fā)育(扇)三角洲、濱淺湖、半深—深湖相沉積；新近紀(jì)是坳陷階段，主要發(fā)育沖積扇—辮狀河、曲流河沉積環(huán)境。沙河街組沙四上亞段和沙三中下亞段的厚層暗色泥巖及油頁巖是東營凹陷的2套主力烴源巖[21-22]。

圖1 渤海灣盆地東營凹陷構(gòu)造簡圖(a)及典型剖面特征(b)

2 技術(shù)方法及參數(shù)選取

本次對東營凹陷異常壓力場和流體勢場的模擬采用Basin2.0盆模軟件，其理論基礎(chǔ)主要包括介質(zhì)連續(xù)性定理、流體流動方程和熱傳導(dǎo)方程等。該軟件可以模擬盆地演化中巖石孔隙度、滲透率、古地溫、古壓力、流體勢和熱成熟度的變化過程等很多方面[23]。模擬中選取的參數(shù)如下;

地質(zhì)參數(shù);1)地層年代。采用的濟陽坳陷各組地層底界年齡分別為第四系(Q) 2.0 Ma，明化鎮(zhèn)組(Nm) 5.1 Ma，館陶組(Ng) 24.6 Ma，東營組(Ed)32.6 Ma，沙一段(Es1)36 Ma，沙二段(Es2) 38 Ma，沙三段(Es3) 43 Ma，沙四段(Es4) 50.5 Ma，孔店組(Ek) 65 Ma[24]；2)地層厚度、巖性及源巖百分比。依據(jù)鉆井和地震資料統(tǒng)計獲得；3)古水深、古地表溫度和古熱流。東營凹陷新生代發(fā)育河流、三角洲和湖泊等多種環(huán)境，最大水深不過百米[25]，故模擬中古水深取值一般為0～50 m，古地表溫度為14 ℃，古熱流資料參照研究區(qū)的地層熱導(dǎo)率數(shù)據(jù)[26]和古地溫梯度資料[27]換算獲得；4)地質(zhì)事件。模擬中對印支、燕山和喜山運動在研究區(qū)造成的地層剝蝕均以地層厚度變化體現(xiàn)，喜山運動Ⅱ幕和印支—燕山運動時期地層的剝蝕量分別采用劉士林[28]和肖煥欽[29]研究資料。

巖石物理參數(shù);包括巖石密度、孔隙度和滲透率，采用Xie 等[30]資料。

流體力學(xué)參數(shù);包括流體密度、粘度等，因缺少資料，采用默認(rèn)值。

3 異常壓力形成分布與演化特征

本次模擬選取的剖面是過東營凹陷主體生油洼陷和油氣田的616地震測線，具有很好的代表性(圖1b)。

3.1 異常壓力形成和演化特征

異常壓力的發(fā)育過程具有階段性和增強性(圖2,3);1) 經(jīng)歷了印支—燕山運動之后，凹陷前新生代地層接受了孔店組地層的沉積埋藏增溫作用，在牛莊洼陷深處的石炭—二疊系(C—P)地層中出現(xiàn)小規(guī)模超壓區(qū)，最大值達2.0 MPa；2)沙河街組沉積時期，對應(yīng)于盆地斷陷的主要發(fā)育階段，斷裂伸展活動強烈，物源充沛，沉積充填巨厚，尤其是沙三—沙四段沉積時期充填了厚層暗色泥(頁)巖，模擬表明異常壓力高值區(qū)主要分布在Es4(上)和Es3地層中，其值普遍較低，一般為0.2～1.2 MPa，但到沙一段沉積末期超壓值逐步增大，最高值大于2.0 MPa；3)東營組沉積時期超壓范圍明顯增大，并且核心部位主要分布在沙四段地層中，超壓值高達6.0 MPa；4)漸新世末的喜山運動Ⅱ幕造成地層抬升剝蝕，剩余壓力得到釋放和減弱，導(dǎo)致凹陷古近系地層異常壓力變?yōu)樨?fù)壓系統(tǒng)，值達-1.2 MPa。同時石炭—二疊系地層中也存在一個明顯的負(fù)壓系統(tǒng)，值達-1.4 MPa；5)喜山運動Ⅱ幕之后，渤海灣盆地進入整體熱沉降階段，接受館陶組沉積，沙河街組烴源巖再次進入埋藏增溫階段，但該時期沙河街組地層的超壓范圍較小，值也低，在0.2～1.6 MPa之間；6)明化鎮(zhèn)組—第四系沉積時期，凹陷沙三—沙四段地層中超壓現(xiàn)象明顯，達到歷史時期最大規(guī)模和最高值(12 MPa)，異常壓力區(qū)起始深度在2 200 m左右(圖3)，該深度之上為正常壓力系統(tǒng)，之下發(fā)育超壓系統(tǒng)。該深度大致對應(yīng)于凹陷沙三中亞段的上部，形態(tài)變化大致與東營三角洲前積層的底界面起伏變化相吻合[4]，這與鉆孔實測壓力資料以及前人研究成果相一致[5]。

古超壓區(qū)在剖面上的分布規(guī)模隨時間發(fā)生明顯變化，但其核部未發(fā)生重要遷移，主體一直位于凹陷中心部位的沙河街組三段和四段地層中。只是隨著沉積充填埋深的增加，核部略有從沙四段向上遷移到沙三段地層中的趨勢，并且古超壓區(qū)主體埋深范圍總體上隨時間逐步加深(圖3)。

圖2 渤海灣盆地濟陽坳陷東營凹陷616地震測線異常壓力場和流體勢場演化圖中井位自左向右依次為;草702、草38、通40、通52、牛6、牛125、河125、河63、東風(fēng)1、營6、東風(fēng)2、坨8、坨105、剖面位置見圖1。

圖3 渤海灣盆地東營凹陷新生代異常壓力最大值和主體埋深演化

流體勢的指向比較單一，都是從壓力高值區(qū)指向低值區(qū)，流動方向除喜山運動Ⅱ幕時期外均為由凹陷中心向兩側(cè)流動，并在斷層附近有沿斷層流動的趨勢。

3.2 超壓成因淺析

模擬結(jié)果中沙河街組沉積時期的超壓很可能是由不均衡壓實造成的。該時期凹陷內(nèi)沉積的泥巖地層厚度大，沉積速率高。如在沙三中亞段沉積期，東營三角洲自東向西部的牛莊洼陷快速進積，沉積速率高達700 m/Ma[11]。巖石顆粒沉積如此快速，缺少足夠時間來定向排列，隨埋深加大，地層中的孔隙水一旦受到較強封堵，就很難排出，從而形成超壓[31]。其余東營組末期、館陶組末期及明化鎮(zhèn)組—第四系沉積時期的超壓更可能與粘土礦物脫水和烴類生成有關(guān)。熱力作用下蒙脫石向伊利石轉(zhuǎn)化釋放的晶格水和干酪根降解生成的烴類產(chǎn)物，都會使得地層中孔隙水體積和壓力增加，引起超壓，這也得到了諸多研究資料的證實[2-3,5-6]。

4 異常壓力與油氣成藏的匹配關(guān)系

異常高壓一直被認(rèn)為是油氣運移的重要動力[32]，在很多情況下油氣生成、運移和聚集的同時也是異常壓力發(fā)生、發(fā)展的過程[33]。因此，東營凹陷不同時期地層中的異常壓力分布特征，在一定程度上反映了凹陷內(nèi)油氣的生成、運移和聚集過程。

濟陽坳陷具有晚期成藏特征，沙四上亞段烴源巖開始成藏的時間基本在東營組沉積末期[34]。輕烴色譜法、包裹體均一溫度法結(jié)合凹陷埋藏史分析研究表明，東營凹陷沙河街組烴源巖經(jīng)歷有漸新世東營組沉積末期、中新世館陶組沉積末期以及上新世明化鎮(zhèn)組沉積期—第四紀(jì)等3期生烴過程[25]，這與本次模擬表明的超壓波動性具有很好的對應(yīng)關(guān)系。漸新世東營組沉積末期，凹陷中心區(qū)域的沙四上亞段烴源巖開始進入生油門限并開始生烴，主要在沙四上亞段中出現(xiàn)小范圍超壓，超壓驅(qū)使油氣向鄰近的圈閉運移聚集。但由于隨后發(fā)生了喜山Ⅱ幕構(gòu)造運動，地層抬升剝蝕，烴源巖埋深變淺，溫度降低，生烴過程受到抑制，超壓區(qū)變?yōu)樾箟簠^(qū)，成為負(fù)壓系統(tǒng)，生烴作用停止，造成該階段生成的油氣較少，且不易保存。到中新世館陶組沉積期，伴隨著凹陷整體下沉，烴源巖進一步被埋藏升溫，成熟范圍進一步擴大，再次生烴，再次形成超壓系統(tǒng)，并且超壓主體相比東營組沉積末期的超壓有從沙四段向沙三段地層中遷移的特點，表明該時期沙三段烴源巖也開始成熟生烴。上新世—第四紀(jì)，厚層的明化鎮(zhèn)組和第四系沉積使沙三段及沙四上亞段烴源巖進一步埋藏，生烴作用繼續(xù)增強，成熟范圍不斷擴大，烴源巖整體進入生、排烴高峰期，出現(xiàn)最大范圍和強度的超壓，表明有大量油氣生成，此時微弱的構(gòu)造活動和館陶組—明化鎮(zhèn)組厚層的泥巖蓋層等條件十分有利于油氣聚集成藏和保存。目前，東營凹陷發(fā)現(xiàn)的油氣成藏時期大多與該期超壓有密切關(guān)系。因此，東營凹陷沙河街組烴源巖的3期幕式生烴過程中均有超壓出現(xiàn)，且具有很好的匹配關(guān)系。

在超壓區(qū)內(nèi)，烴類和水等流體可在壓力差作用下從高壓泥巖向與其相鄰的砂巖運移，形成區(qū)域“離心式”流體勢場[5]。在“離心式”流體勢場的作用下，油氣從凹陷內(nèi)的生油中心沿斷層、不整合面以及連通砂體等“網(wǎng)毯式”疏導(dǎo)通道，向凹陷邊緣地區(qū)進行側(cè)向、垂向運移并聚集成藏[35](圖4a)，最終形成東營凹陷內(nèi)油氣藏圍繞主要生烴中心呈“環(huán)帶狀”分布的格局(圖4b)[36]。

5 結(jié)論

東營凹陷古近系沙河街組三段和四段烴源巖地層中普遍發(fā)育異常壓力，并且以超壓為主。現(xiàn)今2 200 m之上為正常壓力系統(tǒng)，之下為超壓系統(tǒng)。

數(shù)值模擬結(jié)果表明，東營凹陷異常壓力系統(tǒng)演化具有波動性。自沙河街組沉積以來，凹陷發(fā)育有沙河街組末、東營組末、館陶組末及明化鎮(zhèn)組—第四系沉積期等4期超壓系統(tǒng)和喜山運動Ⅱ幕1期負(fù)壓系統(tǒng)。其中，沙河街組沉積末期的超壓很可能是由于泥巖欠壓實所致，而后3期超壓可能是由生烴作用和粘土礦物脫水作用引起的。

圖4 渤海灣盆地東營凹陷異常壓力分布與油氣成藏特征[36]

東營組末、館陶組末及明化鎮(zhèn)組—第四系沉積時期的3期超壓系統(tǒng)的發(fā)育，分別與東營凹陷沙四段—沙三段烴源巖在漸新世末、中新世末以及上新世—第四紀(jì)的3期油氣成藏具有良好的匹配關(guān)系。烴源巖的生烴作用在一定程度上引起了超壓現(xiàn)象，同時超壓作為動力又促使油氣沿斷裂、不整合及疏導(dǎo)砂體做側(cè)向和垂向運移，形成油氣藏圍繞凹陷中心呈環(huán)狀分布的局面。

致謝;與勝利油田肖煥欽、周建國、魯國明等高級工程師的討論使作者受益匪淺，在此表示感謝！

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