東濮凹陷超壓形成機制及對油氣富集的影響

孫 利，劉家鐸，王 峻，李中超，，魏立新，劉偉偉，王文之

(1.成都理工大學沉積地質(zhì)研究院，四川 成都 610500；2.中原油田分公司勘探開發(fā)科學研究院，河南 濮陽 457001)

通過多年的勘探開發(fā)實踐，目前在國內(nèi)外許多沉積盆地中發(fā)現(xiàn)了具有超壓特征的油氣田。據(jù)統(tǒng)計，在全世界范圍內(nèi)具有異常壓力特征的沉積凹陷(或盆地)約有180多個，其中與石油和天然氣分布有密切關(guān)系的約160多個[1-4]；在全球已開發(fā)的油氣田中，具有超壓特征的約占30%[5]。超壓與沉積凹陷(或盆地)中石油和天然氣的分布、富集有極其重要的聯(lián)系；超壓的存在對盆地中油氣的富集成藏有著極其重要的影響，沉積氣盆地的壓力系統(tǒng)研究在油氣勘探中顯得尤為重要[6]。在我國的許多沉積盆地也發(fā)現(xiàn)了大量與超壓有關(guān)的油氣圈閉[7]，異常高壓現(xiàn)象越來越引起我國石油科研人員的重視。研究沉積盆地中異常高壓形成機制及其與油氣富集的關(guān)系，將是未來油氣勘探領域的一個非常值得關(guān)注的課題。

1 地質(zhì)概況

東濮凹陷地理位置處于河南省濮陽市境內(nèi)，是一個以下第三系內(nèi)陸鹽湖沉積為主的斷陷盆地，構(gòu)造上屬于臨清凹陷的一部分。南面為封丘凸起，東鄰魯西隆起，西接內(nèi)黃隆起，受兩個隆起所夾持，形成南北方向長，東西方向略窄的特征，構(gòu)造面積為5300km2(圖1)。該凹陷發(fā)育在中生界基底之上，以新生界為主要蓋層的中新生界斷陷型凹陷，構(gòu)造格局上呈現(xiàn)兩洼一隆一斜坡的特征，其中沙河街組是該區(qū)最重要的沉積地層，油氣資源主要蘊藏于該層段。

圖1 東濮凹陷構(gòu)造位置圖

東濮凹陷現(xiàn)今的構(gòu)造格局及沉積特征，主要受各個時期的古構(gòu)造運動和古氣候變遷的共同影響和作用。從沉積演化方面分析，下第三系從沙四段到明化鎮(zhèn)組發(fā)育兩個大的沉積旋回：第一沉積旋回為沙四段到沙二段下亞段，第二沉積旋回為沙二段上亞段到東營組?？梢赃M一步劃分為6個階段，即盆地雛形階段(沙四段)、強烈運動階段(沙三段)、萎縮階段(沙二段)、穩(wěn)定下沉階段(沙一段)、收縮期(東營組)及消亡-坳陷期(明化鎮(zhèn))[8]。

2 超壓分布特征

2.1 縱向分布特征

無論在縱向還是在平面上，東濮凹陷超壓的分布均局限在部分區(qū)域和深度。縱向上，通過對東濮凹陷沙河街組鉆井過程中取得的實際測量資料分析，認為原始地層壓力在縱向上顯示出較為明顯變化趨勢?？煞譃槿齻€帶：即正常壓力特征(主要在在2100m以上的地層中)、正常壓力層向超壓層過渡或共存的特征(主要在2100～3200m之間的地層中)，以及異常高壓特征(地層深度大于3200m 時)(圖2)。從地層方面分析，異常高壓首先出現(xiàn)在沙三3段，并主要分布在南、北兩端的洼陷構(gòu)造鞍部，以及洼陷的東、西沉降中心區(qū)，如八公橋—文47井(沙四、沙三4)地區(qū)，文留有田東部(文210～文201)地區(qū)等。

圖2 東濮凹陷實測原始地層壓力

2.2 平面分布特征

壓力的平面分布特征與沉降中心,構(gòu)造格局有著密切的對應關(guān)系。在沙四-沙三4早期，盆地處于雛形階段，構(gòu)造上呈單斷箕狀。此時盆地東部的前梨園洼陷，既是凹陷的沉降也是沉積中心，異常高壓區(qū)也主要集中分布在這個區(qū)域。沙三3-沙三2期，為湖盆的強烈運動階段(強烈裂陷期)，盆地的沉降和沉積中心向凹陷向西部移動，該時期全區(qū)壓力普遍較高。在沙三1-沙二2階段，構(gòu)造上呈現(xiàn)“兩洼一隆一帶”的特征，壓力分布也表現(xiàn)為與其相似的特點，具有兩高一低的特點，即盆地的東部和西部洼陷區(qū)是高壓的主要分布區(qū)域，而正常壓力區(qū)主要集中分布在西部的斷階帶[9](圖3)。

3 超壓形成機制

3.1 膏鹽巖的蓋層作用

東濮凹陷的沙一段、沙三段沉積了多套厚的膏鹽巖，平面上廣泛分布、相互重合疊置；縱向上，與周圍的砂巖、泥巖間互沉積，形成優(yōu)良的封蓋層(圖4)。當垂向上的封蓋遇到良好的橫向封隔條件時，就能形成封閉的地質(zhì)體。而這種封閉的地質(zhì)體是形成異常高壓的先決條件，也是已形成的異常高壓系統(tǒng)能夠得到保存所必需的。

圖3 東濮凹陷沙三3壓力系數(shù)分布圖

膏鹽巖的沉積對超壓的保存具有非常重要意義。由于構(gòu)造運動(擠壓或拉張作用)常常使封閉層產(chǎn)生裂縫與斷層，致使處于超壓背景下的地層壓力發(fā)生散逸。地層中膏鹽層在溫度壓力增大時，將擁有很好的可蠕動性和可塑性(在地下500m深度時，膏鹽巖出現(xiàn)軟化；當深度達到3000m時，已具有較好的蠕動性)。開啟的裂縫與斷層被膏鹽巖充填，從而對異常高壓起到保護作用。

3.2 膏鹽層脫水作用使相鄰泥巖層形成異常高壓

石膏在100℃～200℃條件下，將失去結(jié)晶格架中部分或全部結(jié)晶水轉(zhuǎn)變?yōu)橛彩唷Ｔ谶@個過程中，每升石膏脫水將釋放出0.486L的自由水。如此巨大的水量，將進入周圍的圍巖孔隙中，會大大增加孔隙流體中地層的壓力。博歇特認為，在地層中石膏脫水的埋深需在2000m以下。東濮凹陷膏鹽巖層均發(fā)育在該深度之下，并與泥巖互層沉積構(gòu)成多套韻律層，石膏轉(zhuǎn)變成硬石膏釋放出大量自由水將進入周圍的泥巖中，使泥巖的孔隙壓力增高。同時，由于此過程中釋放的水較周圍的地層水具有高礦化度，阻礙了泥巖層中孔隙水的壓實排出。在這種逆滲透作用下，地層中就會形成欠壓實帶，進而更加有利于異常高壓形成。

3.3 流體熱增壓作用

地層中的流體(主要是水)隨溫度的升高而體積增大，地溫升高，即油氣水具有熱增容效應。水熱增壓作用的產(chǎn)生，需要一封閉的基本地層條件。在封閉地層系統(tǒng)中，流體往往排泄不暢，隨著埋深和溫度的增加，地層孔隙水的體積不斷增大，巖石的孔隙體積減小，孔隙流體壓力隨之增加，因此，產(chǎn)生了增壓作用[10]。在東濮凹陷，鉆井揭示地溫梯度約為3.1℃/100m～3.5℃/100m，含水飽和度較高，一般在34%～52%。例如，濮深7井5613.22m處實測井溫高達192.8℃，引起地下水體膨脹超過10%，從而導致地層內(nèi)壓力增加。

3.4 巨厚鹽巖層的重力作用

東濮凹陷為含鹽盆地，在給盆地內(nèi)部沉積了多套厚的巖鹽層。這些分布廣泛的巨厚的鹽巖層，在自身重量的作用下，對其相鄰的下部沉積的地層產(chǎn)生巨大的壓力，這樣就會在下部地層中形成異常高壓。同時，毛細管作用也是不可忽視的，這種作用存在于巨厚的鹽巖地層內(nèi)部，使鹽巖層產(chǎn)生極大的突破壓力，這樣就會鹽巖發(fā)育的地層內(nèi)部產(chǎn)生超壓[11]。

3.5 構(gòu)造演化和斷層的封閉作用

穩(wěn)定的構(gòu)造演化條件及封閉的斷層對超壓形成以及保存是非常有利的。就局部構(gòu)造而言，具有良好封閉性的斷層，將對壓力起到很好地封閉作用，因此在超壓帶形成過程中起到非常重要的作用；而對整個凹陷，當盆地長時期處于下降階段，基本無構(gòu)造運動，斷裂欠發(fā)育，則非常有利于異常壓力的保存。例如，在前梨園洼陷，在蘭聊斷層控制下，整個構(gòu)造形態(tài)呈箕狀，洼陷中部發(fā)育的斷層在沙三2期之后基本停止活動，整個洼陷處于穩(wěn)定快速沉積補償狀態(tài)。這種穩(wěn)定的沉積環(huán)境，對洼陷內(nèi)超壓的形成和保存起到了非常積極的作用。

3.6 烴類生成作用

地層內(nèi)烴類生成作用也是產(chǎn)生超壓的一個重要因素。在適宜的地層溫度條件下，有機質(zhì)在熱演化作用下生成烴類，當?shù)貙臃忾]條件良好烴類無法及時排出時，起巖石中孔隙流體體積的就會大量增加，促使地層壓力增大，造成凹陷超壓的形成。

3.7 蒙脫石等轉(zhuǎn)化產(chǎn)生的增壓作用

Powers(1967)、Burst (1969)指出，引起泥巖異常高壓、導致烴類排出的另一個因素，是粘土成分中蒙脫石隨地溫升高、埋深增加而發(fā)生的脫水作用。蒙脫石礦物中含有4個水分子層。通過試驗證明，當溫度在85 ℃～104℃之間蒙脫石開始失水，當溫度達到137℃時就會失去全部水分子轉(zhuǎn)化為伊利石。有學者研究發(fā)現(xiàn)，在地層中從蒙脫石礦物中脫出的水分子密度變小(低于1.0g/cm3)，同時體積膨脹，比容增大，在巖石中產(chǎn)生異?？紫读黧w壓力。在3000～3500m 以下的東濮凹陷深層，地層中環(huán)境封閉，流體流通不暢，由于地溫較高，粘土礦物(主要為自生蒙脫石、高嶺石及混層礦物等)極易發(fā)生脫水作用，進而促使地層中形成異常高壓[12]。

圖4 東濮凹陷北部鹽相變示意圖

4 超壓對油氣富集的影響分析

4.1 超壓對油氣藏的封堵作用

蓋層的封閉機理，主要包括濃度封閉、壓力封閉以及毛細管封閉作用等。當?shù)叵麓嬖趧菽懿町悤r，流體總是具有高勢區(qū)向低勢區(qū)運動的趨勢。如果上覆蓋層中有異常高壓存在，則覆蓋層下面儲層中的流體就難以穿過該異常高壓層(欠壓實泥巖段)。這樣具有異常高壓的欠壓實泥巖段，對呈水溶相和油溶相方式運移的烴類可以形成有效的封閉層，同時也就阻止游離相的烴類的運動。因此，與毛細管封閉作用相比較，壓力封閉作用更為有效。東濮凹陷沙河街組發(fā)育的多套膏鹽層，與泥巖相互配合具有更好的封堵性，在地層中形成許多半封閉、封閉的流體壓力系統(tǒng)，并造成蓋層壓力異常。此時，加之毛細管力共同作用下，就使下伏氣體無法散逸，從而對油氣藏起到非常好的封堵作用。多年的勘探開發(fā)實踐證實，本區(qū)以石油為主的層段(主要為三1亞段以上)，多為正常壓力系統(tǒng)；而以油、氣為主或溶解氣含量較高(在氣油比200m3/t以上)油層段(主要為沙三2、沙三3、沙三4亞段及以下)，多表現(xiàn)出超壓特征，并且分布區(qū)域比較廣泛；這種油氣縱向上差異分布影響著壓力變化的，存在著成因聯(lián)系。這是因為要形成油氣藏，必須使油氣的聚集量大于逸散量，即具備良好的保存條件(蓋層、構(gòu)造)；同樣，要想使壓力不斷積累并得到保存，最終高于區(qū)域靜水壓力成為異常高壓帶，良好的保存條件也是必不可少的。而該區(qū)主要聚集具有高的壓縮系數(shù)，天然氣及高含溶解氣的石油的沙三2、沙三3、沙三4等亞段，適宜壓力聚集、保存，最終形成超壓[13-14]，事實也是如此。

4.2 超壓改善儲層的孔滲性能

一般來說，地層越深砂巖孔隙度越低，即孔隙度與深度成反比關(guān)系，但地下的真實情況常常并非如此。這是因為，在超壓封閉系統(tǒng)中，CO2在地層流體中的溶解度隨壓力增加而增大，進而就增強了對儲層中長石和碳酸鹽的溶蝕作用，改善儲層的孔隙情況；封存箱體系中，因熱膨脹作用致使地層壓力增大，當壓力達到一定程度時，巖石就會發(fā)生破裂產(chǎn)生微裂縫，從而改善儲層的連通情況，增加超壓系統(tǒng)內(nèi)儲集空間，提高儲層孔滲性能。據(jù)取芯資料分析，東濮凹陷深層存在兩個高孔隙帶，一是在4100～4600m深度范圍，約有20%～40%的砂巖表現(xiàn)為高孔隙特征；另一個在4600m以下深度，有10%～20%的砂巖表現(xiàn)為高孔隙特征。例如，衛(wèi)355井在4380m處巖芯分析的砂巖孔隙度可達19%。

4.3 超壓是流體運移的驅(qū)動力

研究表明，超壓對油氣的運移起著非常關(guān)鍵的作用，是形成盆地中“離心式”流體勢場的關(guān)鍵動力。較穩(wěn)定的沉降壓實盆中，超壓的發(fā)育區(qū)域往往與沉積中心重疊，即也集中在凹陷中心，縱向上主要存在于厚層泥巖中；高壓泥巖在實過程中將向周圍的砂巖傳導壓力，流體(水或烴)被排出，進入相鄰的孔隙性巖層，在周圍形成“離心式”流體勢場[15-16]。東濮凹陷深層具備形成這種“離心式”流體勢場的充分條件，在地層中異常高壓的驅(qū)動下，油氣運移到有利位置并聚集成藏，最終形成以生油凹陷為中心的油藏分布模式。

4.4 超壓的幕式壓裂和幕式成藏

在地下封閉系統(tǒng)內(nèi)，隨著烴類不斷地生成并聚集，地層的孔隙流體壓力也不斷的增加。當巖石所受的壓力超過其抗破裂強度時，就會產(chǎn)生許多微裂縫，烴類流體就會從裂縫排出。同樣，當?shù)貙訅毫档偷揭欢ǔ潭葧r，微裂縫又會閉合，之后便開始醞釀下一個循環(huán)。這種含烴流體循環(huán)充注成藏過程，可導致幕式充注和成藏。

多年的勘探實踐證實，東濮凹陷深層具備充分的幕式成藏的條件。凹陷的主生烴期在東營組沉積末期，在文留、衛(wèi)城等多個構(gòu)造單元都出現(xiàn)了多期成藏，這說明存在幕式成藏。結(jié)合盆地模擬結(jié)果，包裹體的形成與該盆地晚期生排烴事件有關(guān)，即晚期生排烴事件使東濮凹陷深部的高溫液體順著斷裂或裂縫向上侵入。再次進入儲集層后，由于壓力、溫度的迅速變化發(fā)生礦物沉淀而形成，這說明該盆地深層具有晚期成藏特征。

從壓力系統(tǒng)的演化史分析可知，沙三段各亞段在東營運動前都是壓力積蓄的過程，當東營運動的構(gòu)造抬升時，使得封閉系統(tǒng)內(nèi)的超壓在短時間內(nèi)急速相對增大，并最終造成破裂；同時，東營運動期斷裂作用，也是造成超壓系統(tǒng)破裂的關(guān)鍵因素。這一破裂過程對應于本區(qū)的主力烴源巖的主生烴期，具有良好的時間配置關(guān)系，這是本區(qū)最主要的油氣成藏期。由于在封閉的壓力系統(tǒng)中還存在次級的壓力系統(tǒng)，壓力積蓄也可以造成流體釋放，而在系統(tǒng)內(nèi)的一定范圍內(nèi)運移聚集。文東上部混源半封閉成藏動力學系統(tǒng)中的油氣，主要還是依靠東營末期的超壓系統(tǒng)的破裂，導致油氣向上覆地層運移的。通過烴源巖熱演化史研究認為，沙三3和沙三4烴源巖在沙三1期進入成熟，在沙一末及東營以后進入過成熟期，早期(沙二末～沙一期)成藏是系統(tǒng)內(nèi)運移聚集的結(jié)果，后期(東營期末)成藏除了系統(tǒng)內(nèi)部的運移外，還有更大規(guī)模的系統(tǒng)間的運移。后期成藏的油氣來源主要有兩個：一是晚期生成的，一是早期形成的原生油氣藏的再運移。在后期成藏中，異常壓力系統(tǒng)的破裂提供了通道和直接動力；在早期成藏中，封閉的異常壓力系統(tǒng)限定或保證了油氣成藏在各個封閉的成藏動力學系統(tǒng)中進行。

5 結(jié)論

1)在層段和平面上，東濮凹陷超壓的分布均較局限?？v向上，下第三系原始地層壓力縱向分帶性明顯；平面上，壓力分布格局與構(gòu)造格局、沉降中心有著密切的對應關(guān)系，呈現(xiàn)出了“兩洼一隆一帶的大格局。

2)膏鹽層的發(fā)育、穩(wěn)定的構(gòu)造演化條件、封閉的斷層等，對超壓形成和保存具有積極作用，是異常高壓形成和保存的有利條件；同時，水熱增壓、烴類生成、粘土礦物轉(zhuǎn)化等，對超壓產(chǎn)生也起著關(guān)鍵的作用。

3)超壓是油氣聚集成藏的基本要素之一。超壓的存在對儲層孔滲性能和高壓系統(tǒng)內(nèi)儲層的連通性具有積極影響，同時對油氣藏有著很好的蓋層作用；超壓對對油氣運移、聚集具有重要的作用，是流體運移的直接動力。此外，超壓還可導致東濮凹陷深層含烴流體的幕式充注和成藏。

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