鶯歌海盆地壓力封存箱的形成、演化及與成藏關(guān)系

周 文, 謝玉洪, 李緒深, 曹 茜, 童傳新, 宋榮彩

(1.油氣藏地質(zhì)及開發(fā)工程國家重點實驗室(成都理工大學(xué)),成都 610059;2.中海石油有限公司 湛江分公司,廣東 湛江 524057)

異常壓力流體封存箱(abnormally pressured fluid compartment)最早由Hunt(1990)提出，一般簡稱“壓力封存箱”[1]，并廣泛應(yīng)用于異常地層壓力盆地的油氣成藏領(lǐng)域。對于超壓盆地，壓力封存箱是描述壓力與成藏之間最好的技術(shù)方法之一。

早在1978年鶯歌海盆地鶯2 井就鉆遇了異常高壓地層，后又相繼在LD30-1-1A、DF1-1-1和LD8-1-1等井鉆遇異常高溫高壓地層。鶯歌海盆地是一個典型的高溫高壓盆地[2]。已有的研究成果表明，在盆地中有機質(zhì)的熱演化、油氣運移和聚集都與溫壓場密切相關(guān)[3]。

鶯歌海盆地屬于超壓盆地，在盆地的油氣成藏研究中，開展壓力封存箱的研究是十分重要的。前人在研究“壓力封存箱”時均以目前盆地中超壓的分布特征為基礎(chǔ)[4-7]劃分出“壓力封存箱”的分布，并研究“壓力封存箱”與發(fā)現(xiàn)的油氣藏之間關(guān)系，從而總結(jié)出“壓力封存箱”如何控制油氣藏的成藏規(guī)律。這類研究的“壓力封存箱”是以目前的超壓現(xiàn)狀為結(jié)果，即相對“靜態(tài)”的；實際上，對于超壓盆地，超壓的形成和演化是歷史的過程，因此，研究“壓力封存箱”的“動態(tài)”過程才是研究的重點，即從歷史演化的角度去分析“壓力封存箱”的形成及演化和對油氣成藏的控制。

本文根據(jù)鶯歌海盆地鉆井資料及壓力測試結(jié)果，對鶯歌海盆地古近系至第四系的超壓層的分布、壓力封存箱的劃分及形成、演化進(jìn)行了分析，進(jìn)而分析壓力封存箱的演化與油氣成藏的關(guān)系。該成果已應(yīng)用于鶯歌海盆地的油氣勘探。

1 鶯歌海盆地超壓特征

鶯歌海盆地屬于新生代轉(zhuǎn)換—伸展型盆地，目前為止仍是一個快速沉降的年輕盆地[8]。早漸新世以前，至少10 Ma時間內(nèi)，鶯歌海盆地快速、連續(xù)地沉積了巨厚的、以泥巖為主的沉積物。自中始新世至第四紀(jì)的40 Ma間，鶯歌海盆地沉積速率一般在0.5 mm/a，最大可達(dá)1.4 mm/a，平均為0.78 mm/a，第三—第四系的最大厚度超過17 km[9]。鶯歌海盆地快速沉降沉積是造成古近系-新近系厚層泥巖形成超壓的關(guān)鍵因素。

超壓區(qū)大面積分布于盆地中部地區(qū)，壓力系數(shù)整體具有南高北低的分布格局，不同地區(qū)壓力變化較大，從1.2變化到2.0左右。

由于泥巖欠壓實，塑性強，在不均衡重力條件下，加上深部斷裂活動，使得泥巖產(chǎn)生泥辟作用，在盆地內(nèi)超高壓地區(qū)形成泥底辟構(gòu)造(圖1)。這些泥底辟構(gòu)造向上影響的層位最淺可以達(dá)到新近系上新統(tǒng)黃流組，成為盆地中影響油氣聚集的重要地質(zhì)構(gòu)造[13,14]。

鶯歌海盆地底辟帶的發(fā)育，改變了鶯歌海盆地中深部地層壓力的分布格局，主要表現(xiàn)在：底辟的形成伴隨著大量的底辟斷裂和裂縫形成，流體沿斷裂的垂向輸導(dǎo)使深部超壓傳遞至淺部，從而使淺部儲層發(fā)育超壓。鶯歌海盆地底辟構(gòu)造帶埋藏深度<1.5～2 km的儲層發(fā)育超壓[10]，主要是深部的強超壓通過底辟向上傳遞的結(jié)果。深部高溫高壓熱流體沿破碎帶向淺部運移，導(dǎo)致其超壓頂面埋藏淺，層位新[11]，如LD14-1(超壓頂板埋藏深度1.4 km)、LD22-1(1.3 km)及DF1-1(2.3 km)等井區(qū)泥底辟，有的底辟活動引起的雜亂反射帶距海底僅0.5 km左右。中淺層超壓帶的展布受底辟構(gòu)造影響，表現(xiàn)在相同層位底辟發(fā)育區(qū)具有較高的壓力系數(shù)，非底辟區(qū)壓力系數(shù)略低。

在泥底辟帶活動的同時，深部地幔熱活動引起的熱動力作用，進(jìn)一步促使盆地在快速沉降期充填的欠壓實泥巖沿壓力釋放帶發(fā)生流體底辟活動[9]。另一方面，由于泥底辟帶經(jīng)常處于深部斷裂帶，深部熱液活動同樣促進(jìn)了超壓過程，“水熱增壓”作用在盆地內(nèi)是存在的。

非底辟區(qū)，在盆地南部超壓界面一般很深，且超壓明顯受地層、巖性和盆地邊界斷裂的控制[12]。如LD30-1-1A井，其高壓頂面深度大約在3.2 km，DF1-1N井區(qū)超壓頂板埋深也超過2.3 km。

從壓力剖面特征看，盆地內(nèi)存在2類壓力剖面(圖2)：①緩慢增壓型壓力剖面，主要分布在盆地內(nèi)的非底辟帶，不受泥底辟帶的影響，主要表現(xiàn)為快速沉降欠壓實作用引起的超壓，屬于自源型超壓，例如DF1-1-11井是典型的該類曲線。②S增壓型曲線，主要位于泥底辟作用帶內(nèi)，因泥底辟斷裂(裂縫)的作用，使得泥底辟在不斷向上發(fā)展過程中，流體向上運移，超壓也向上傳導(dǎo);同時,深部熱流體向上侵入，產(chǎn)生水熱增壓作用，使得超壓出現(xiàn)的層位變新，深度也變淺。這類曲線主要分布在底辟斷裂作用帶。

2 壓力封存箱的劃分及演化

2.1 壓力封存箱的劃分

圖1 鶯-瓊盆地構(gòu)造格架圖Fig.1 The tectonic framework of Yinggehai Basin(據(jù)朱偉林等(2004)[13]；鐘志洪，李緒宣等(2006)[14])

盆地中“封存箱”的確定主要是封閉的邊界，包括巖性邊界、成巖(致密)邊界，其中最主要的箱體頂板：一般是以盆地中穩(wěn)定的泥巖封蓋層作為頂板。

圖2 鶯歌海盆地不同地帶壓力系數(shù)剖面Fig.2 The pressure coefficient profile of different areas in Yinggehai Basin(據(jù)黃志龍等，2013)

縱向上，盆地存在多套成藏系統(tǒng)，淺層、中-淺層、中深層、深層均存在(圖3)。①上部成藏系統(tǒng)：區(qū)域性蓋層是鶯歌海組及黃流組上部的厚層泥巖，烴源以黃流組富有機質(zhì)泥巖為主，儲層主要為鶯歌海中上部及黃流組中下部砂巖，構(gòu)成了盆地上部下生上儲頂蓋型的成藏組合，形成了在該成藏組合控制下的成藏系統(tǒng)，目前在兩組地層中均探明有油氣藏。對于泥底辟帶及斷裂帶因斷裂帶縱向活動，流體可以從深部運移而來，因此，混源作用存在與兩個盆地的泥底辟帶或深大斷裂帶。鶯-瓊盆地大部分氣藏主要分布在深部超壓體系之上的鶯-黃組上部及第四系當(dāng)中，大部分屬于常壓氣藏。②中部成藏系統(tǒng)：區(qū)域性蓋層是梅山組及三亞組中上部的厚層泥巖，烴源是這兩組中的富有機質(zhì)泥巖，儲層主要為梅山組上部及三亞組中下部的砂巖。構(gòu)成了盆地中部源內(nèi)的成藏組合及在該成藏組合控制下的成藏系統(tǒng)。同樣，在盆地的泥底辟及深斷裂作用帶，下部流體可以運移到本系統(tǒng)內(nèi)形成混源。③下部成藏系統(tǒng)：區(qū)域性蓋層是陵水組及崖城組中上部的厚層泥巖，烴源是這兩組中的富有機質(zhì)泥巖，儲層主要為這兩組下部的砂巖，構(gòu)成了盆地中部源內(nèi)的成藏組合及在該成藏組合控制下的成藏系統(tǒng)。

圖3 鶯歌海盆地泥底辟活動與壓力封存箱演化之間關(guān)系圖Fig.3 The relationship between the mud diapiric activity and the pressure compartment in Yinggehai Basin

對于壓力封存箱的劃分，最主要的是確定盆地中穩(wěn)定分布的封蓋層。一般情況下，區(qū)域性蓋層是可以作為壓力封存箱的頂板層。就鶯-瓊盆地而言，盆地中3套區(qū)域性蓋層可以構(gòu)成3個壓力封存箱的頂板層，即,①陵水組及崖城組中上部的厚層泥巖層構(gòu)成的下部壓力封存箱；②梅山組及三亞組中上部的厚層泥巖層構(gòu)成的盆地中部壓力封存箱；③鶯歌海組及黃流組上部的厚層泥巖層構(gòu)成的盆地上部壓力封存箱。

從泥巖的壓實曲線可以看出，鶯-瓊盆地中厚層的泥巖“欠壓實”特征清晰，且厚層泥巖普遍存在泥巖欠壓實，一般的起始深度在700～900 m左右。對應(yīng)到壓力封存箱，3套區(qū)域性泥巖蓋層正處于箱蓋部位，是泥巖“欠壓實”發(fā)育帶，如DF1-1-11井(圖4)，上部壓力封存箱的泥巖蓋層“欠壓實”帶明顯，欠壓實帶從850 m開始到1.4 km；中部壓力封存箱的泥巖“欠壓實”帶從該井3 km左右深度開始到井底。對應(yīng)測壓資料表明，該井深度>2.3 km的深度為超壓地層，砂巖在1.3～2 km的深度有一個“次生孔隙”發(fā)育帶(常壓區(qū))；在2.6～2.8 km及>3.2 km的深度有2個“欠壓實”及溶蝕形成的高孔隙帶(圖5)。

圖4 DF1-1-11井泥巖壓實曲線Fig.4 Compaction curve of the mudstone from Well DF1-1-11

圖5 DF1-1-11井砂巖壓實曲線及地層壓力系數(shù)剖面Fig.5 Sandstone compaction curve and the formation pressure coefficient profile of Well DF1-1-11

實際上，兩個盆地中泥巖蓋層發(fā)育層位多，形成封閉體系也多;但宏觀上看，上述3個主要封存箱應(yīng)該是主要壓力封存箱系統(tǒng)，與縱向上3套成藏系統(tǒng)劃分基本一致，每個箱體中可以細(xì)分出多個次級箱體。

2.2 壓力封存箱的演化

鶯歌海盆地中壓力封存箱的形成與箱體“頂板”欠壓實帶的形成有關(guān)，從區(qū)域性泥巖蓋層壓實曲線看出，在連續(xù)沉積條件下一般在埋深800 m左右存在欠壓實帶。因此，可以理解為盆地中的3個壓力封存箱，在地質(zhì)歷史中埋深達(dá)到800 m左右時壓力封存箱就形成，并進(jìn)入了地質(zhì)歷史演化。所以，壓力封存箱形成于地質(zhì)歷史中，并演化至今，壓力封存箱是“動態(tài)”的，目前是“動態(tài)”演化的結(jié)果。

從盆地壓力演化地質(zhì)歷史看，在構(gòu)造穩(wěn)定的一些地區(qū)，主要是非泥底辟作用帶，構(gòu)造演化過程相對穩(wěn)定，盆地地層壓力演化也相對穩(wěn)定，主要呈逐漸增加趨勢。而在泥底辟帶，構(gòu)造活動強度增加，對壓力的影響增加，也對壓力封存箱的演化存在重大影響，同時還對油氣的運聚存在重大影響。鶯-瓊盆地有3期構(gòu)造活動，包括陵水組頂部喜馬拉雅第Ⅰ幕構(gòu)造活動、梅山組頂部喜馬拉雅第Ⅱ幕構(gòu)造；鶯歌海組頂部喜馬拉雅第Ⅲ幕構(gòu)造活動，下面結(jié)合構(gòu)造過程討論各個壓力封存箱的形成及演化。

2.2.1 壓力封存箱早期演化(圖3-A)

崖城組中上部泥巖按埋深估計，在陵水組沉積中期前后埋深達(dá)到800 m以上，形成欠壓實帶。這一時期下部壓力封存箱就開始形成；到陵水組沉積末期，陵水組中上部厚層泥巖也處于欠壓實帶，該壓力封存箱基本形成。

陵水組頂部開始的喜馬拉雅第Ⅰ幕構(gòu)造活動使得下部壓力封存箱產(chǎn)生第一次重大變化。在鶯歌海盆地中，由于該期構(gòu)造活動誘導(dǎo)處于不均衡重力作用下泥底辟活動再次發(fā)生，泥巖發(fā)生“流動”形成初期泥底辟構(gòu)造，造成下部壓力封存箱的頂板層的破壞。這一時期構(gòu)造活動也可能將盆地基底斷裂復(fù)活，斷裂向上發(fā)展的同時也可以誘導(dǎo)產(chǎn)生泥底辟作用。造成壓力封存箱體內(nèi)超壓流體向上溢出箱外，構(gòu)成盆地第一次流體運聚事件。如果崖城組中部的泥巖烴源巖達(dá)到成熟階段，生成有天然氣，就可能在這一時期形成第一次大規(guī)模運移，在封存箱體上部邊緣外形成大規(guī)模成藏。這樣的成藏，無疑是高壓流體溢出箱外常壓帶的降壓成藏過程。如果這一過程伴隨高溫流體活動，箱體內(nèi)高溫流體也是向箱體外的溢流過程，溫度事件與壓力事件耦合在一起。

對于瓊東南盆地，由于該期構(gòu)造活動，深大斷裂的活動及伴隨斷裂帶熱流體活動，使得壓力封存箱體上部破裂，流體溢出箱外，同樣形成一次高溫、高壓流體從箱內(nèi)向箱外的運聚事件。如果深部泥巖烴源巖達(dá)到成熟期，也是盆地的天然氣的重要成藏事件期。

上述時期后，沉積過程再次發(fā)生，壓力封存箱又變“穩(wěn)定”，持續(xù)演化，進(jìn)入兩個盆地中部壓力封存箱的形成階段。

2.2.2 壓力封存箱中期演化(圖3-B)

梅山組頂部開始的喜馬拉雅第Ⅱ幕構(gòu)造活動使得中部及下部壓力封存箱產(chǎn)生又一次重大變化。鶯歌海盆地內(nèi)，同樣由于該期構(gòu)造活動誘導(dǎo)處于不均衡重力作用下泥底活動再次發(fā)生，造成下部壓力封存箱再次破壞和改造，對中部壓力封存箱頂板層的破壞，中部封存箱以下的高壓流體向箱外溢出，形成了第二次流體運聚事件。這一時期崖城組及陵水組中泥巖烴源巖達(dá)到成熟階段，生成的天然氣必然在流體向箱外溢出過程中同時發(fā)生運移，可以呈溶解相或以混相流動，在箱體外降溫、降壓過程中成藏，集聚的主要層位是梅山組上部及黃流組下部砂巖儲層。

這一時期后，沉積過程又再次發(fā)生，下部、中部壓力封存箱又變“穩(wěn)定”，持續(xù)演化，進(jìn)入兩個盆地上部壓力封存箱的形成階段。

2.2.3 壓力封存箱晚期演化(圖3-C)

影響兩個盆地壓力封存箱較晚的構(gòu)造活動是鶯歌海組頂部喜馬拉雅第Ⅲ幕構(gòu)造活動，也是盆地中淺層大規(guī)模的油氣運聚成藏時期。該期構(gòu)造運動使得上部、中部及下部壓力封存箱又一次產(chǎn)生重大變化。

鶯歌海盆地內(nèi)，同樣由于該期構(gòu)造活動誘導(dǎo)泥底辟活動再次發(fā)生并向上發(fā)展，造成下部及中部的壓力封存箱再次破壞和改造，向上對上部壓力封存箱頂板層造成破壞，壓力封存箱以下的高溫、高壓流體向箱外溢出，形成了第三次流體運聚事件。這一時期深部崖城組、陵水組、三亞組、梅山組及部分黃流組中泥巖烴源巖達(dá)到成熟-高成熟階段，生成的天然氣以溶解相或混相向上及上部壓力封存箱體外溢出的過程中同時發(fā)生運移，在箱體外鶯歌海上部及第四系砂巖儲層中降溫、降壓過程中成藏。

通過上述活動后，逐漸形成了目前壓力封存箱的分布格局。

3 油氣成藏與封存箱的關(guān)系

從目前的超壓與成藏關(guān)系研究成果看，主要的觀點有：①超壓箱體內(nèi)，基本無大規(guī)模的流體運移，因此，箱內(nèi)成藏十分困難[15,16]，主要的成藏系統(tǒng)分布在箱體外部；②超壓箱內(nèi)，可以成藏，流體封存箱外不具有封蓋作用(或封蓋條件不好)，因此不具備形成油氣藏的條件[1]；③盆地中存在“箱內(nèi)成藏”和“箱外成藏”兩類[6]，但沒有說明兩類成藏的動力學(xué)過程；④在常壓或低壓盆地演化歷史中存在超壓過程，超壓是流體運移的主要動力，成藏主要在超壓區(qū)指向的地區(qū)或地帶(即指明是超壓箱體外部)[17]，超壓箱內(nèi)有局部集聚，形成的油氣藏規(guī)模小。

作者認(rèn)為，目前處于超壓封存箱內(nèi)的油氣藏并不一定是在箱內(nèi)形成的油氣藏，因超壓封存箱是動態(tài)演化的。油氣藏的主成藏期，其是處在壓力封存箱內(nèi)還是箱外才是判斷箱內(nèi)成藏或箱外成藏的關(guān)鍵。就鶯歌海盆地而言，盆地中3個主要的壓力封存箱經(jīng)歷了3期主要的演化階段與盆地經(jīng)歷的3期主要構(gòu)造活動相對應(yīng)。

在非泥底辟區(qū)，盆地構(gòu)造相對穩(wěn)定，超壓封存箱也處于相對穩(wěn)定的持續(xù)演化狀態(tài)。在這些地區(qū)，壓力封存箱形成略早于主要烴源巖成熟期，在壓力封存箱內(nèi)存在流體勢差(或壓差)的情況下，流體可以發(fā)生流動?？偟目?，這類勢能差不應(yīng)該比壓力封存箱的箱體破裂后產(chǎn)生的勢能差大，所產(chǎn)生的“箱內(nèi)”局部運聚，形成的油氣藏規(guī)模也可能不大。

對于泥底辟帶則顯著不同。在構(gòu)造活動期，構(gòu)造活動誘導(dǎo)的泥底辟造成壓力封存箱破壞，從而導(dǎo)致大規(guī)模的箱內(nèi)超壓流體向箱外運移。該時期一般與烴源巖演化成熟期基本相當(dāng)，成為重要的成藏運聚事件期。在這一時期，構(gòu)造活動、壓力箱體破裂、高溫及高壓流體運聚與成藏期及事件在泥底辟帶高度地耦合在一起，泥底辟作用帶是多種地質(zhì)事件過程(如破裂作用、降壓及降溫事件、流體運移事件、油氣成藏事件等)時空耦合地帶，這些地帶及其影響帶也是流體向上運聚的重要地帶。因此，歷史地看，在鶯歌海高溫、高壓盆地中油氣的聚集成藏，主要與構(gòu)造事件相關(guān)的泥底辟帶的壓力封存箱破壞、流體運聚關(guān)系密切。目前找到的油氣藏主要分布在泥底辟帶地區(qū)[18,19]即是佐證。因此，這類盆地主要油氣藏集聚是在壓力封存箱的箱外，在降溫、降壓過程中的成藏。

根據(jù)鶯歌海盆地壓力封存箱演化歷史，3個超壓封存箱對應(yīng)有3期破裂，油氣運聚與成藏期繼承發(fā)展，晚期的箱體破裂及油氣運聚，對前期具有強烈的改造作用，3期活動結(jié)束后，形成了目前的狀態(tài)。因此，在泥底辟帶及四周的斜坡地帶可以構(gòu)成一個從下部含油氣系統(tǒng)到上部含油氣系統(tǒng)的“立體”成藏系統(tǒng)，這些地帶成為油氣勘探的主要目標(biāo)地帶(圖6)。

圖6 鶯歌海盆地東方1-1油氣區(qū)黃流組泥底辟構(gòu)造井位圖Fig.6 The well locations of the mud diapiric structure belt in the DF1-1 oil-gas field in Yinggehai Basin

4 結(jié) 論

a.鶯歌海盆地壓力封存箱的形成是“動態(tài)”演化的，盆地中有3個主要的壓力封存箱，同時經(jīng)歷了3期主要的演化階段與盆地經(jīng)歷的3期主要構(gòu)造活動相對應(yīng)。

b.盆地中的泥底辟帶，構(gòu)造活動誘導(dǎo)的泥底辟活動是造成壓力封存箱破壞，從而產(chǎn)生流體運移的主要因素。這些地帶及其影響帶也是流體向上運聚的重要地帶，構(gòu)造活動-壓力箱體破裂-高溫、高壓超壓流體運聚與成藏期及事件高度地耦合在一起。

c.歷史地看，鶯歌海高溫、高壓盆地中油氣的聚集成藏，主要發(fā)生在泥底辟帶，主要與構(gòu)造事件相關(guān)的泥底辟活動造成的壓力封存箱破壞有關(guān)。該時期是油氣的重要運聚時期，也是油氣的主要成藏期。從壓力封存箱的演化歷史看，屬于箱外的降溫、降壓過程中的成藏。這些泥底辟區(qū)及周圍的斜坡地區(qū)成藏是油氣勘探的重要目標(biāo)區(qū)。

d.非泥底辟帶，構(gòu)造相對穩(wěn)定，超壓封存箱演化也平穩(wěn)，沒有發(fā)生因箱體破裂產(chǎn)生的大規(guī)模流體運聚過程。壓力封存箱內(nèi)流體勢差(或壓差)小，產(chǎn)生的流體流動規(guī)模相對小，如形成油氣藏，規(guī)模也可能不大。

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