饒陽凹陷異常高壓與油氣成藏關(guān)系

王志宏，李建明

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083；2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007；3.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢430100）

饒陽凹陷異常高壓與油氣成藏關(guān)系

王志宏1，2，李建明3

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）地球科學(xué)與測(cè)繪工程學(xué)院，北京100083；2.中國(guó)石油勘探開發(fā)研究院廊坊分院，河北廊坊065007；3.長(zhǎng)江大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院，武漢430100）

饒陽凹陷沙河街組普遍發(fā)育異常高壓，而異常高壓與油氣關(guān)系密切。采用平衡深度法計(jì)算了該區(qū)沙河街組的異常壓力。結(jié)果表明：饒陽凹陷異常高壓主要發(fā)育在凹陷中部洼槽區(qū)，向凹陷邊緣壓力逐漸降低?？焖俪练e導(dǎo)致的欠壓實(shí)作用和烴類生成是該區(qū)異常高壓形成的主要原因。異常高壓對(duì)油氣運(yùn)聚具有重要的影響：一方面，異常高壓為油氣提供了重要的運(yùn)移動(dòng)力；另一方面，異常高壓在一定的地質(zhì)背景下控制了油氣分布，油氣藏多分布在異常高壓層內(nèi)或鄰近異常高壓帶，同時(shí)異常高壓形成的流體勢(shì)能驅(qū)動(dòng)流體從凹陷中心向邊緣流動(dòng)，最終形成了油氣藏圍繞生油洼槽呈“環(huán)狀”分布的格局。

異常高壓；油氣成藏；成藏機(jī)制；饒陽凹陷

0 引言

異常高壓是沉積盆地中普遍存在的現(xiàn)象，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前已在世界上180個(gè)沉積盆地發(fā)現(xiàn)異常高壓現(xiàn)象［1-3］。我國(guó)七大含油氣盆地也都不同程度地發(fā)育異常高壓［4］，而異常高壓與油氣運(yùn)聚及分布具有十分密切的關(guān)系［5-7］。研究認(rèn)為，厚層泥巖是沉積盆地中形成異常高壓的主要場(chǎng)所［8］，異常高壓值的大小可利用平衡深度法來計(jì)算［9］。所謂平衡深度即在正常壓實(shí)曲線上與欠壓實(shí)地層孔隙度相等的深度。根據(jù)有效應(yīng)力定律，孔隙度相同處的有效應(yīng)力相等。因此，欠壓實(shí)地層的壓力等于平衡深度處（孔隙度相等處的深度）正常壓實(shí)地層的壓力［10-11］，孔隙度可利用聲波時(shí)差資料來求取。

饒陽凹陷是渤海灣盆地冀中坳陷中部一個(gè)NNE走向、東斷西超的新生代箕狀凹陷（圖1）。該凹陷自下而上發(fā)育元古宇、古生界、中生界至新生界多套地層。新生界古近系沙河街組是饒陽凹陷古近系油田的主力烴源巖和含油層［12］，在凹陷內(nèi)分布廣泛，主要為一套湖相暗色砂泥巖互層沉積，厚度為1 300～3 600 m，頂面埋深為2 500～3 700 m。鉆井揭示饒陽凹陷沙河街組異常高壓普遍發(fā)育，而近年來饒陽凹陷的重大油氣發(fā)現(xiàn)也主要分布于沙河街組，如在凹陷中部留西地區(qū)發(fā)現(xiàn)了沙三段千萬噸級(jí)的巖性油藏，大王莊與肅寧構(gòu)造之間沙一段千萬噸級(jí)的油氣富集區(qū)等［13］。對(duì)饒陽凹陷北部沙河街組異常高壓的研究認(rèn)為，烴源巖生排烴是形成異常高壓的主要原因，異常高壓對(duì)油氣運(yùn)移具有重要作用［14-15］。因此，有必要對(duì)饒陽凹陷不同地區(qū)異常高壓開展深入研究，這樣不僅可以分析油氣運(yùn)移方向及異常高壓對(duì)油氣成藏的控制作用，還能在鉆前預(yù)測(cè)地層壓力，減少工程事故。筆者利用109口井的實(shí)測(cè)壓力數(shù)據(jù)和42口井采用平衡深度法計(jì)算的壓力數(shù)據(jù)，結(jié)合物性分析和試油氣等資料，研究饒陽凹陷中南部地區(qū)沙河街組異常高壓的分布特征及其形成機(jī)制。

圖1 饒陽凹陷構(gòu)造單元?jiǎng)澐质疽鈭DFig.1 Sketch map of tectonic division of Raoyang Sag

1 異常高壓分布特征與成因

1.1 異常高壓分布特征

圖2 饒陽凹陷單井地層壓力分帶圖Fig.2 Formation pressure and zonal profile of single well in Raoyang Sag

縱向上，饒陽凹陷異常高壓主要分布在古近系沙河街組，其中沙一下亞段和沙三段異常高壓最為明顯。從地層埋深來看，異常高壓的出現(xiàn)在不同井有所變化，但基本上在2 600～3 200 m，如高43井在2 650 m，留489井在3 100 m，西柳3井在2 900 m（圖2）。利用平衡深度法計(jì)算出饒陽凹陷沙河街組地層壓力系數(shù)一般為1.1～1.3。在饒陽凹陷主沉積中心區(qū)，如留西洼槽和河間洼槽等地區(qū)，壓力系數(shù)高達(dá)1.4～1.6，且隨埋深的增加而增大。從橫向分布來看，從饒陽凹陷中心向邊緣，地層剩余壓力（實(shí)際地層壓力減去地層靜水壓力）變低（圖3），壓力系數(shù)變小。例如在饒陽凹陷中心部位的寧2井和寧古3井的剩余壓力一般為13～16 MPa，最高達(dá)20 MPa，壓力系數(shù)高達(dá)1.6～1.7；向凹陷邊緣剩余壓力逐漸變低，向西到寧古2井剩余壓力降至12 MPa左右，到凹陷邊緣的高22井剩余壓力則降為6～8 MPa，而凹陷東部邊緣留6井基本表現(xiàn)為常壓特征。

圖3 饒陽凹陷不同構(gòu)造部位地層壓力特征圖Fig.3 Characteristics of formation pressure in different structural position of Raoyang Sag

1.2 異常高壓成因分析

異常高壓的成因機(jī)制較多。根據(jù)目前資料分析，饒陽凹陷異常高壓的分布受埋深和層位控制明顯：①快速沉積導(dǎo)致的欠壓實(shí)作用是異常高壓的主要成因［1］，而“欠壓實(shí)”發(fā)生的充分必要條件是快速沉降和排流不暢。一般認(rèn)為，當(dāng)沉積速率超過40～100 m/Ma時(shí)，屬于快速沉積。饒陽凹陷異常高壓最淺出現(xiàn)在埋深2 700 m處（高43井），其上為正常靜水壓力，說明只有當(dāng)?shù)貙訅簩?shí)到一定程度、孔隙度較小時(shí)才有可能造成排水不暢而形成異常高壓。饒陽凹陷古近紀(jì)沉積速率為140 m/Ma，新近紀(jì)沉積速率為129 m/Ma，到第四紀(jì)沉積速率可達(dá)260 m/Ma［12，16］，快速的沉積埋深完全可導(dǎo)致欠壓實(shí)作用的發(fā)生，從而形成異常高壓。②越向凹陷中心，異常高壓出現(xiàn)的層位越新。在饒陽凹陷中部沙一段已開始出現(xiàn)異常高壓，而凹陷邊緣到沙三段才出現(xiàn)異常高壓?？v向上，自上而下異常高壓逐漸增加，壓力系數(shù)增大，這與凹陷中心部位沉積速率高、埋藏深度大有關(guān)。③饒陽凹陷異常高壓主要出現(xiàn)在沙一下亞段和沙三段地層中，而這2個(gè)層段是饒陽凹陷的主力烴源巖發(fā)育層段，巖性為由富氫頁巖、泥灰?guī)r和暗色泥巖組成的“特殊巖層段”。熱演化研究表明，饒陽凹陷大部分地區(qū)沙三段烴源巖埋深為3 200～5 300 m，已進(jìn)入生油高峰階段；沙一下亞段埋深為2 800～4 000 m，處于低成熟階段，但其富氫油頁巖在低成熟階段即可生成大量油氣［17-18］。因此，饒陽凹陷主力烴源巖目前均處于大量生油氣階段。從饒陽凹陷烴源巖生烴潛量與埋深關(guān)系圖（圖4）可看出，主力烴源巖層較高的生烴潛量正好與產(chǎn)生異常高壓的深度重合，可見烴源巖的生烴增壓對(duì)異常高壓的形成具有重要的影響。

圖4 饒陽凹陷烴源巖生烴潛量與埋深關(guān)系圖Fig.4 Relation of hydrocarbon generation potential of source rocks with depth in Raoyang Sag

2 異常高壓與油氣的關(guān)系

2.1 異常高壓有利于高滲孔隙帶的形成

異常高壓的出現(xiàn)抑制了壓實(shí)作用的發(fā)生，使孔隙得以保存，從而使深部地層具有較好的孔滲性能［19］。饒陽凹陷在3 500 m深度以下異常高壓普遍發(fā)育。物性資料統(tǒng)計(jì)顯示，埋深為3 500～4 000 m的砂巖儲(chǔ)層，孔隙度大于10%的占85.1%，孔隙度大于15%的占12.8%；埋深大于4 000 m的儲(chǔ)層，孔隙度大于10%的占56.3%。如寧301井4 000 m以下的高壓層段內(nèi)，孔隙度最高可達(dá)30%，滲透率達(dá)339 mD。由此可見，異常高壓的普遍存在使深部地層仍保持較高的孔隙度。較高的孔滲性能也決定了油氣井的產(chǎn)能，如饒陽凹陷肅寧洼槽寧古3井，產(chǎn)油層位埋深為4 150 m，儲(chǔ)層孔隙度高達(dá)18.9%，滲透率達(dá)48.5 mD，試油獲得日自噴60 m3的工業(yè)油流。

2.2 異常高壓為油氣的運(yùn)聚提供了動(dòng)力

研究認(rèn)為，由于地層異常高壓而產(chǎn)生的剩余壓力差是油氣運(yùn)移的主要?jiǎng)恿Γ?0］。對(duì)于初次運(yùn)移來說，垂向上的剩余壓力差遠(yuǎn)比側(cè)向上的大，因此初次運(yùn)移的方向應(yīng)以縱向?yàn)橹?，即首先由生油層進(jìn)入鄰近的儲(chǔ)集層或輸導(dǎo)層。從饒陽凹陷寧古3井現(xiàn)今地層壓力剖面圖（圖5）可看出，該井在3 500 m以下發(fā)育異常高壓。根據(jù)高壓層段地層壓力相對(duì)高低，自上而下分為3個(gè)相對(duì)低壓帶（圖5中的1，2，3）和3個(gè)相對(duì)高壓帶（圖5中Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ），低壓帶與高壓帶相間出現(xiàn)，并依次增大，形成3個(gè)流體壓力釋放帶。異常高壓發(fā)育段的烴源巖已達(dá)到生油高峰，生油層中油氣的排出，應(yīng)首先指向其上下緊鄰的3個(gè)壓力釋放帶，然后再進(jìn)行油氣的聚集或二次運(yùn)移。沉積研究表明，寧古1—寧古3井一帶沙河街組沉積時(shí)期以深湖相夾水下扇沉積為主，該時(shí)期正好處于凹陷沉積歷史過程中的湖盆興盛時(shí)期，地層沉降速度較快，厚層泥巖容易產(chǎn)生欠壓實(shí)而形成異常高壓，而湖平面的頻繁升降也造成了沉積物及其厚度上的變化［21］，這必然導(dǎo)致欠壓實(shí)發(fā)育程度存在較大的差別，進(jìn)而也造成了異常高壓發(fā)育段內(nèi)地層壓力的變化。饒陽凹陷中部寧古1—寧古3井一帶是沙三段烴源巖的主要發(fā)育區(qū)，且異常高壓發(fā)育，剩余壓力最高（圖6），油氣在剩余壓力的驅(qū)使下向壓力降低的方向運(yùn)移。

圖5 饒陽凹陷寧古3井異常壓力與孔滲關(guān)系及油氣運(yùn)聚模式圖Fig.5 The relation of abnormal high pressure with porosity and permeability and hydrocarbon migration and accumulation model in Ninggu 3 well in Raoyang Sag

圖6 饒陽凹陷沙二段和沙三段剩余壓力等值線及油氣運(yùn)移趨勢(shì)圖Fig.6 Residual pressure contour map of the second and third member of Shahejie Formation and hydrocarbon migration tendency in Raoyang Sag

2.3 異常高壓對(duì)油氣的封蓋作用

飽含流體的高壓泥巖本身存在剩余壓力而形成壓力封隔層［22-23］，將油氣阻止于泥巖層的下方，從而形成烴類聚集。根據(jù)平衡深度法計(jì)算結(jié)果，饒陽凹陷寧古3井沙二高壓層段剩余壓力值高達(dá)20MPa，而且該層段平面分布穩(wěn)定。沙二高壓層段在剖面上的封閉作用，造成沙二段和沙三段烴源巖層生成的油氣不能向上穿層運(yùn)移，而只能向下伏潛山和本層儲(chǔ)集層中運(yùn)移和聚集。油源對(duì)比結(jié)果顯示，饒陽凹陷高壓層段上部，包括沙一段、東營(yíng)組及以上淺層油氣藏的油氣主要來自沙一下亞段烴源巖；高壓層段下部潛山及沙三段油氣藏的油氣主要來自沙三段烴源巖［24］。地層水分析結(jié)果也顯示，在饒陽凹陷中深部沙二段和沙三段異常高壓發(fā)育段，地層水總礦化度高達(dá)60 000 mg/L，水型為CaCl2型，鈉氯比值低，標(biāo)志著地層水具有相對(duì)封閉的水動(dòng)力系統(tǒng)；到凹陷邊部，總礦化度降低至5 000 mg/L，水型多樣，包括CaCl2型、NaHCO3型及Na2SO4型，反映出凹陷邊部有地表水滲入，地層異常高壓值低或不發(fā)育，說明高壓層段具有較好的封閉性能。

2.4 異常高壓對(duì)油氣分布的影響

如前所述，異常高壓的出現(xiàn)，不僅為烴源巖的排烴創(chuàng)造了有利條件，而且由于高壓泥巖層對(duì)其下油氣起到阻擋作用，形成壓力封閉，因此，鄰近異常高壓帶的儲(chǔ)集層是油氣藏的主要發(fā)育層段。從圖5和圖6也可以看出，絕大多數(shù)古近系油氣藏都發(fā)育在異常高壓帶，且主要分布在高壓流體釋放帶內(nèi)以及鄰近異常高壓帶的儲(chǔ)集層中；平面上，油氣藏也主要圍繞異常高壓發(fā)育區(qū)帶呈“環(huán)狀”分布。

3 結(jié)論

（1）饒陽凹陷古近系沙河街組沙一下亞段和沙三段發(fā)育異常高壓，異常高壓平面分布上表現(xiàn)為從凹陷中心向邊緣逐漸降低的趨勢(shì)?？焖俪练e導(dǎo)致的欠壓實(shí)作用及烴類的生成是異常高壓形成的主要原因。

（2）異常高壓對(duì)油氣運(yùn)聚及分布具有重要的影響：異常高壓為油氣運(yùn)聚提供了重要的動(dòng)力來源；異常高壓帶有利于高滲儲(chǔ)層的形成，為油氣提供儲(chǔ)集空間；油氣藏多分布在異常高壓層內(nèi)或鄰近異常高壓帶，最終形成油氣藏圍繞生油洼槽呈“環(huán)狀”分布的格局。

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（本文編輯：王會(huì)玲）

Abnormal high pressure and its relation to hydrocarbon accumulation in Raoyang Sag

WANG Zhihong1，2，LI Jianming3
（1.College of Geoscience and Surveying Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing 100083，China；2.PetroChina Research Institute of Petroleum Exploration&Development-Langfang，Langfang 065007，Hebei，China；3.School of Geosciences，Yangtze University，Wuhan 430100，China）

Abnormal high pressure is widely distributed in Shahejie Formation of Raoyang Sag,which is closely related with hydrocarbon accumulation.Based on the logging data,this paper analyzed the distribution and forming mechanism of abnormal high pressure by equilibrium depth method.The results show that abnormal high pressure is mainly distributed in hydrocarbon generation sag areas,and it decreases towards the margin of sag.Uncompaction caused by rapid deposition and the hydrocarbon generation are the main reasons for the forming of abnormal high pressure.The effects of abnormal high pressure on hydrocarbon accumulation are significant.On one hand,abnormal high pressure is an important dynamic source for hydrocarbon migration.On the other hand,abnormal high pressure controls the distribution of oil and gas under certain geologic conditions.The reservoirs are always found in high pressure formations or surrounding high pressure areas.Meanwhile the fluid potential resulted from abnormal high pressure drove fluids to migrate from the center to the margin of sag,and oil and gas are distributed around hydrocarbon generation sag.

abnormal high pressure；hydrocarbon accumulation；formation mechanism；RaoyangSag

TE122.1

A

1673-8926（2014）06-0015-05

2014-04-21；

2014-07-16

國(guó)家油氣重大專項(xiàng)“中國(guó)大型氣田形成條件、富集規(guī)律及目標(biāo)評(píng)價(jià)”（編號(hào)：2011ZX05007）資助

王志宏（1976-），男，博士后，高級(jí)工程師，主要從事天然氣地質(zhì)綜合研究工作。地址：（065007）河北省廊坊市萬莊44信箱。電話：（010）69213289。E-mail：wzh2331@sina.com

李建明(1962-)，男，博士，教授，主要從事沉積學(xué)與儲(chǔ)層地質(zhì)研究工作。E-mail：84266436@qq.com。